DE10133524A1

DE10133524A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur des Dynamikfehlers eines Sensors

Info

Publication number: DE10133524A1
Application number: DE10133524A
Authority: DE
Inventors: Manfred Strohrmann; Uwe Konzelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-30
Also published as: US20040153780A1; JP2004536320A; WO2003010497A1; EP1409965A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur des Dynamikfehlers eines Sensors beschrieben. Zur Durchführung dieser Korrektur wird das Sensor-Ausgangssignal einer Filterschaltung und einer Korrekturschaltung zugeführt. Die Korrekturschaltung erhält ein oder mehrere von der Filterschaltung abgegebene gefilterte Signale und erzeugt aus Information, die sie durch einen Vergleich der gefilterten Signale mit dem ungefilterten Sensor-Ausgangssignal oder hieraus abgeleiteter korrigierter Signale gewinnt, ein korrigiertes Sensorsignal, das einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur des Dynamikfehlers eines Sensors, insbesondere eines Luftmassemessers mit nichtlinear gekrümmter Kennlinie und Ansprechverzögerung, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Stand der Technik

Sensoren mit nichtlinear gekrümmter Kennlinie wie z. B. Luftmassesensoren arbeiten bei stationärem Betrieb, in welchem sich die von ihnen zu erfassende physikalische Größe nur langsam ändert und dieser Änderung außer einem gewissen Rauschen keine höherfrequenten Schwankungen überlagert sind, in zufriedenstellender Weise, da das vergleichsweise hochfrequente Rauschen ohne Schwierigkeiten ausgefiltert werden kann.

Bei der Verwendung eines Luftmassesensors im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine ist jedoch ein instationärer Betrieb gegeben, weil die Ansaugluftmasse im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine schwankt. Dem sich vergleichsweise langsam ändernden, die tatsächlich pro Zeiteinheit durch das Ansaugrohr strömende Luftmasse wiedergebenden, "idealen" Sensorsignal sind daher periodische Schwankungen überlagert, deren Frequenz und Amplitude sich laufend mit der Drehzahl des Motors ändern. Besonders große Amplituden entstehen insbesondere dann, wenn es zu Resonanzerscheinungen kommt. Darüber hinaus können aperiodische dynamische Vorgänge mit unterschiedlichsten Amplituden auftreten, wie zum Beispiel ein Luftmassensprung beim Beschleunigen.

Bei einem derartigen instationären Betrieb zeigen Sensoren mit nichtlinear gekrümmter Kennlinie einen Dynamikfehler der unter anderem auch von der Trägheit des Sensorelementes abhängt. Auch die zusätzliche Filterung des von Sensor abgegebenen Signals kann zu einem Meßfehler führen.

Bei zur Zeit üblichen Systemen zur Motorsteuerung wird das aufgrund periodischer und aperiodischer Überlagerungen schnell schwankende Ausgangssignal von Luftmassemessern im Millisekundentakt abgetastet und es werden die jeweils erfaßten Meßwerte mit Hilfe von Korrekturwerten berichtigt, die anhand momentan gemessener Drehzahl- und Drosselklappenstellungs-Werte aus Korrekturwert-Tabellen entnommen werden, die in Festwertspeichern niedergelegt sind. Nachteilig dabei ist, daß nicht nur das schnelle Abtasten des Sensor-Ausgangssignals sondern vor allem auch die Gewinnung und Verarbeitung von zwei weiteren Meßwerten (Drehzahl und Drosselklappen-Winkel) einen vergleichsweise hohen schaltungstechnischen Aufwand erfordern.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit denen auch bei einem stark schwankenden Sensor-Ausgangssignal eine zuverlässige Dämpfung der dem Signal überlagerten Störungen erzielt wird.

Darstellung und Erläuterung der Erfindung

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 (Verfahren) beziehungsweise Anspruch 2 (Schaltungsanordnung) niedergelegten Merkmale.

Diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich bei einer Filterung des Sensor-Ausgangssignals, beispielsweise mit einem linearen Filter 1. Ordnung im instationären Betrieb je nach Zeitkonstante des Filters ein anderer Mittelwert ergibt, während sich bei stationärem Betrieb keine Unterschiede zeigen. Das bedeutet, daß aus einem Vergleich des ungefilterten Sensor-Ausgangssignals beziehungsweise eines aus ihm abgeleiteten bereits vor-korrigierten Signals mit einem aus dem Sensor-Ausgangssignal durch Filterung abgeleiteten. Signal Informationen bezüglich der Größe des momentan vorhandenen Dynamikfehlers gewonnen und zur Korrektur des Sensor-Ausgangssignals herangezogen werden können.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Korrektur des Dynamikfehlers von Sensoren mit nichtlinear gekrümmter Kennlinie umfaßt daher wenigstens eine, vorzugsweise aber mehrere Filterstufen, denen das fehlerbehaftete Sensor-Ausgangssignal parallel zugeführt wird und die unterschiedliche Durchlaßkennlinien aufweisen. Weiterhin ist eine Korrekturschaltung vorgesehen, die eine der Anzahl der Filterstufen entsprechende Anzahl von Korrekturstufen aufweist, die derart in Reihe geschaltet sind, daß der ersten Korrekturstufe das fehlerbehaftete Sensor-Ausgangssignal und jeder nachfolgenden Korrekturstufe das korrigierte Ausgangssignal der vorausgehende Korrekturstufe zugeführt wird.

Weiterhin besitzt jede Korrekturstufe einen zweiten Signaleingang, an welchem das von der zugehörigen Filterstufe abgegebene Filter-Ausgangssignal anliegt. Da sich die Durchlaßkennlinien der einzelnen Filterstufen voneinander unterscheiden, ist in jedem dieser Filter-Ausgangssignale eine andere Information bezüglich des Unterschiedes zwischen dem "idealen" und dem tatsächlichen Sensor-Ausgangssignal enthalten.

Diese Information wird in der jeweiligen Korrekturstufe durch einen Vergleich ihrer beiden Eingangssignale erfaßt und zur Korrektur des an ihrem ersten Signaleingang anliegenden Signals verwendet. Somit erfolgt eine von Korrekturstufe zu Korrekturstufe immer weiter fortschreitende Korrektur des fehlerbehafteten Sensor-Ausgangssignals, sodaß die letzte Korrekturstufe ein entsprechend stark korrigiertes Sensorsignal abgibt. Dabei hängt die Anzahl der zum Einsatz kommenden Korrekturstufen von den Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit ab, mit der das von der letzten Korrekturstufe abgegebene korrigierte Sensorsignal mit dem "idealen" Sensorsignal übereinstimmen soll.

Vorzugsweise erfolgen der Vergleich der beiden Eingangssignale einer jeden Korrekturstufe durch Differenzbildung und die Erzeugung eines Korrektursignals durch Multiplikation des so gewonnenen Differenzsignals mit einem konstanten Faktor, der für jede Korrekturstufe mit zugehöriger Filterstufe durch Eichmessungen ermittelt worden und fest in der Korrekturstufe gespeichert ist. Das korrigierte Ausgangssignal der Korrekturstufen wird dann vorzugsweise dadurch erzeugt, daß das Korrektursignal in der ersten Korrekturstufe der Reihenschaltung auf das Sensor-Ausgangssignal und in jeder weiteren Korrekturstufe auf das korrigierte Ausgangssignal der vorausgehenden Korrekturstufe aufaddiert wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Filterstufen um Tiefpaßfilter, die sich in ihren Eckfrequenzen voneinander unterscheiden.

Unabhängig von den jeweils verwendeten Filterkennlinien ist wesentlich, daß die Ausgangssignale der Filter mit der weniger scharfen Filterung den in der Reihenschaltung der Korrekturstufen näher am Eingang liegenden Stufen und die der Filter mit den schärferen Filterbedingungen den mehr zum Ende der Reihenschaltung hin angeordneten Filterstufen zugeführt werden.

Vorteile der Erfindung

Die besonderen. Vorteile der Erfindung liegen darin, daß sie mit Hilfe vergleichsweise einfacher Schaltungen realisiert werden kann, abgesehen von einmaligen Eichmessungen keine zusätzlichen Meßwerterfassungen wie z. B. der Drehzahl oder des Drosselklappenwinkels erfordert und dennoch eine hohen Anforderungen genügende Korrektur des fehlerbehafteten Sensor-Ausgangssignals ermöglicht. Sprunghafte Änderungen des "idealen" Sensor-Ausgangssignals, wie sie beim plötzlichen Beschleunigen auftreten, werden in korrekter Weise im korrigierten Sensorsignal abgebildet.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der in den Unteransprüchen niedergelegten Merkmale erzielt.

Zeichnung

In Fig. 1 ist ein sehr allgemein gehaltenes Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Grundprinzips dargestellt. Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform mehr im Detail.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein allgemeines Ausführungsbeispiel der Erfindung als stark schematisiertes Blockschaltbild dargestellt, wobei der Sensor, dessen Dynamikfehler korrigiert werden soll, nicht wiedergegeben ist.
Bei diesem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Luftmassemesser handeln, der eine stark gekrümmte, nichtlineare Kennlinie besitzt und überdies eine gewisse Reaktionsträgheit aufweist. Solange sich die von einem solchen Sensor zu erfassende physikalische Größe, d. h. beim Luftmassemesser die das Ansaugrohr pro Zeiteinheit durchströmende Luftmasse nur langsam ändert, gibt der Sensor ein sich entsprechend langsam änderndes Sensorsignal SA ab, dem aufgrund der pulsierenden Ansaugung des nachgeordneten Verbrennungsmotors ein periodisches Signal überlagert ist, dessen Frequenz generell von der Anzahl der Zylinder des Motors abhängt und sich mit dessen Drehzahl ändert.
In vielen Betriebszuständen ist die Amplitude des periodischen Überlagerungssignals so gering, daß eine einfache Filterung zur Mittelwertbildung genügt, um ein hinreichend genaues, korrigiertes Sensorsignal zu erhalten. Wenn jedoch die Amplitude des überlagerten Signals insbesondere aufgrund von Resonanzen hohe Werte annimmt, ist das Sensor-Ausgangssignal SA wegen der Nichtlinearität der Sensorkennlinie und des verzögerten Ansprechverhaltens des Sensors mit einem nicht akzeptablen Dynamikfehler behaftet.
Um diesen zu korrigieren, ist gemäß der Erfindung das Sensor- Ausgangssignal SA an einen Eingangsanschluß 1 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angelegt, von welchem es einerseits an einen ersten Signaleingang einer Korrekturschaltung 2 und andererseits an einen Eingang einer Filterschaltung 3 gelangt. Die in der Filterschaltung 3 durch Filterung des Sensor-Ausgangssignals SA gewonnene Information wird über eine Leitungsverbindung 4 an die Korrekturschaltung 2 weitergegeben, die mit Hilfe dieser Information das Sensor-Ausgangssignal SA korrigiert und am Ausgang 5 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein korrigiertes Sensorsignal KS abgibt, das dann einer weiteren Bearbeitung und Auswertung zugeführt werden kann.
Da das oben erwähnte Auftreten eines Dynamikfehlers des realen Sensor-Ausgangssignals SA einer Verzerrung des idealen Sensorsignals durch ein Filter entspricht, kann durch eine nochmalige, schärfere Filterung des verzerrten Sensor-Ausgangssignals SA in der Filterschaltung 3 eine Information gewonnen werden, mit deren Hilfe die Korrekturschaltung 2 das ihr zugeführte verzerrte Sensor-Ausgangssignal 5A korrigieren und ein korrigiertes Sensorsignal KS abgeben kann, das dem idealen Sensorsignal wesentlich besser entspricht, als das reale Sensor-Ausgangssignal SA.
Der in Fig. 1 gezeigte prinzipielle Aufbau eine erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 für ein konkretes Ausführungsbeispiel in etwas detaillierterer Form wiedergegeben. Dabei werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
Wie man sieht, umfaßt hier die Filterschaltung 3 drei Filterstufen F1, F2 und F3, denen das reale Sensor-Ausgangssignal SA parallel zugeführt wird. Bei den drei Filterstufen handelt es sich jeweils um Tiefpaßfilter, die sich hinsichtlich ihrer Eckfrequenzen voneinander unterscheiden. Dabei besitzt das Filter F1 die höchste Eckfrequenz, unterdrückt also nur sehr hohe überlagerte Frequenzen, während die Filter F2 und F3 niedrigere Eckfrequenzen besitzen, sodaß das Filter F2 nur für einen Frequenzbereich durchlässig ist, der deutlich unter dem des Filters F1 liegt, und das Filter F3 einen noch niedriger liegenden Durchlaßbereich aufweist.
Die Korrekturschaltung 2 umfaßt eine der Anzahl der Filterstufen in der Filterschaltung 3 entsprechende Anzahl von Korrekturstufen K1, K2, K3, die derart in Reihe geschaltet sind, daß das der Korrekturschaltung 2 zugeführte, fehlerbehaftete Sensor Ausgangssignal SA an einem ersten Eingang der ersten Korrekturstufe K1 anliegt, deren Ausgang mit dem ersten Eingang der zweiten Korrekturstufe K2 verbunden ist, die ihrerseits ihr Ausgangssignal an den ersten Eingang der dritten Korrekturstufe K3 liefert, deren Ausgang mit dem der Korrekturschaltung 2 zusammenfällt und das korrigierte Sensorsignal KS abgibt.
Wie man der Fig. 2 weiterhin entnimmt, wird das Ausgangssignal des Filters F1 mit dem größten Durchlaßbereich dem zweiten Signaleingang der ersten Korrekturstufe K1 über die Leitung 4a zugeführt, während die von den Filterstufen F2 und F2 abgegebenen gefilterten Signale über die Leitungen 4b bzw. 4c dem jeweils zweiten Signaleingang der Korrekturstufen K2 bzw. K3 zugeführt werden.
Jede der drei Korrekturstufen K1, K2 und K3 umfaßt eine nicht dargestellte Vergleichsschaltung, welche beispielsweise die Differenz zwischen den an den beiden Signaleingängen der Korrekturstufe anliegenden Signale, d. h. also bei der Korrekturstufe K1 zwischen dem fehlerbehafteten Sensor-Ausgangssignal SA und dem von der Filterstufe F1 kommenden gefilterten Signal und bei den beiden anderen Korrekturstufen K2 und K3 zwischen dem korrigierten Ausgangssignal der jeweils unmittelbar vorausgehenden Korrekturstufe und dem von der zugehörigen Filterstufe F2 bzw. F3 gelieferten Filter-Ausgangssignal bildet. Weiterhin umfaßt jede der Korrekturstufen K1, K2 und K3 eine ebenfalls nicht dargestellte Gewichtungsschaltung, welche beispielsweise das von der Vergleichsschaltung erzeugte Differenzsignal mit einem vorgebbaren Faktor multipliziert und so ein Korrektursignal erzeugt, mit dessen Hilfe das fehlerbehaftete Sensor-Ausgangssignal SA bzw. die von der jeweils vorausgehenden Korrekturstufe K1 und K2 kommenden korrigierten Ausgangssignale (letztere ein weiteres Mal) dadurch korrigiert werden, daß dieses Korrektursignal auf sie aufaddiert wird.
Es erfolgt somit eine von Korrekturstufe zu Korrekturstufe fortschreitende und immer genauer werdende Korrektur des fehlerbehafteten Sensor-Ausgangssignals SA in der Weise, daß in jeder nachgeordneten Korrekturstufe Filter-Informationen verwendet werden, die von einem Tiefpaßfilter mit noch engerem Durchlaßbereich geliefert werden.
Ist die Amplitude des auf das Sensor-Ausgangssignal SA aufgeprägten periodischen Signals variabler Frequenz nur gering, so ändert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung das Sensor- Ausgangssignal SA nur wenig, sodaß das von ihr abgegebene korrigierte Sensorsignal KS mit ersterem nahezu identisch ist.
Bei sehr großen Amplituden des aufgeprägten periodischen Signals wird die erfindungsgemäße Anordnung jedoch in der Weise tätigt, daß das von ihr abgegebene korrigierte Sensorsignal KS dem idealen Sensor-Ausgangssignal wesentlich besser entspricht, als das fehlerbehaftete Sensor-Ausgangssignal SA.
Die Qualität der Korrektur bzw. der Annäherung von KS an das ideale Sensor-Ausgangssignal hängt dabei von der Anzahl der verwendeten Korrektur- und Filterstufen ab. Bei Anwendungsfällen, bei denen an die Güte der Korrektur keine besonders hohen Anforderungen gestellt werden, können bereits eine einzige Korrekturstufe und eine einzige Filterstufe genügen.
Neben der oben beschriebenen, in den Korrekturstufen des Ausführungsbeispiels vorgenommenen Differenzbildung, Multiplikation mit einem konstanten Faktor und nachfolgender Addition können auch andere Korrektur-Operationen durchgeführt werden, die insbesondere auch von Korrekturstufe zu Korrekturstufe unterschiedlich sein können.
Welche Operationen zu optimalen Ergebnissen führen, hängt vom konkreten Anwendungsfall ab und kann auf einfache Weise durch Eich-Messungen ermittelt werden, bei denen man zum Beispiel die über den Luftmassen-Sensor strömende Luftmasse mit Hilfe einer genau arbeitenden weiteren Meßvorrichtung mißt und mit unterschiedlichen Anzahlen von Filter- und Korrekturstufen mit unterschiedlichen Korrektur-Operationen eine möglichst genaue Annäherung des korrigierten Sensorsignals KS am Ausgang 5 der Korrekturschaltung 2 an das von der weiteren Meßvorrichtung ermittelte ideale Sensorsignal versucht.
Auch die oben erwähnten konstanten Faktoren, mit denen das jeweilige Differenzsignal in den verschiedenen Korrekturstufen multipliziert wird, lassen sich auf diese Weise ermitteln.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Filterstufen F1, F2 bzw. F3 als Tiefpaßfilter auszubilden. Vielmehr läßt sich eine zufriedenstellende Korrektur des Dynamikfehlers auch mit Hilfe von Filtern mit anderen Durchlaß-Kennlinien erzielen. Dabei ist es nicht erforderlich, daß alle verwendeten Filterstufen vom gleichen Kennlinien Typen sind. Vielmehr können Tiefpaß-, Hochpaß- und Bandpaß-Filter miteinander kombiniert werden.
Wesentlich ist lediglich, daß zunehmend schärfer gefiltert und die von den schärferen Filtern gewonnene Informationen den in der Reihenschaltung weiter hinten angeordneten Korrekturstufen zugeführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Korrektur des Dynamikfehlers eines Sensors, insbesondere eines Luftmassemessers, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor-Ausgangssignal einer Filterschaltung und einer Korrekturschaltung zugeführt wird und daß die Korrekturschaltung anhand der von der Filterschaltung gelieferten Information ein korrigiertes Sensorsignal erzeugt, das einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Filterschaltung wenigstens eine Filterstufe und die Korrekturschaltung wenigstens eine Korrekturstufe umfaßt,
daß am Eingang der Filterstufe und an einem ersten Eingang der Korrekturstufe das Sensor-Ausgangssignal anliegt,
daß die Korrekturstufe einen zweiten Eingang besitzt, an dem das Ausgangssignal der Filterstufe anliegt, und
daß der Ausgang der Korrekturstufe, an welchem ein korrigiertes Ausgangssignal erscheint, mit einem Signalpfad verbunden ist, der zu dem das korrigierte Sensorsignal abgebenden Ausgang der Korrekturschaltung führt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung wenigstens eine weitere Filterstufe und die Korrekturschaltung eine der Anzahl der weiteren Filterstufen entsprechende Anzahl von weiteren Korrekturstufen umfaßt, daß an den Eingängen der Filterstufen das Sensor-Ausgangssignal parallel anliegt und daß die Korrekturstufen in der Weise hintereinander geschaltet sind, daß am ersten Eingang einer jeden weiteren, nachfolgenden Korrekturstufe das korrigierte Ausgangssignal der jeweils vorausgehenden Korrekturstufe anliegt, während dem jeweils zweiten Eingang das Ausgangssignal der zugehörigen Filterstufe zugeführt ist, wobei am Ausgang der letzten der hintereinander geschalteten Korrekturstufen das korrigierte Sensor-Ausgangssignal erscheint.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Korrekturstufen eine Vergleichsschaltung zum Vergleich der beiden Eingangssignale der Korrekturstufe sowie eine Gewichtungsschaltung umfaßt, die das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung gewichtet und so ein Korrektursignal erzeugt, mit dessen Hilfe aus dem am ersten Eingang der Korrekturstufe anliegenden Signal das korrigierte Ausgangssignal der Korrekturstufe erzeugt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung die Differenz der beiden Eingangssignale der Korrekturstufe bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungsschaltung zur Erzeugung des Korrektursignals das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung mit einem vorgebbaren, konstanten Wert multipliziert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturstufe eine Addierschaltung umfaßt, die zur Erzeugung des korrigierten Ausgangssignals das Korrektursignal zu dem am ersten Eingang der Korrekturstufe anliegenden Signal addiert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Filterstufen ein Tiefpaßfilter ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Filterstufen Tiefpaßfilter mit unterschiedlichen Eckfrequenzen sind, und daß das Ausgangssignal der Filterstufe mit der höchsten Eckfrequenz der ersten Korrekturstufe in der Reihenschaltung, das Ausgangssignal der Filterstufe mit der zweithöchsten Eckfrequenz der zweiten Korrekturstufe in der Reihenschaltung usw. zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung des Ausgangssignals der Vergleichschaltung in den Korrekturstufen jeweils mit einem anderen Gewichtungsfaktor erfolgt.