DE10160476A1 - Universelle Steuervorrichtung und Verfahren zur Motorsteuerung bei Verkehrsmitteln - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Steuerung von Funktionen in einem Verkehrsmittel mit einem Steuergerät, das mit weiteren Steuergeräten über einen Datenbus vernetzt ist und einen ersten Mikrorechner (1) zur Steuerung der Kommunikation mit den anderen Steuergeräten und zur Bearbeitung der Steuerfunktionen aufweist, wobei der erste Mikrorechner (1) Mittel zur Steuerung aufgrund von durch mindestens einen Sensor erfassten Daten vorsieht und dass Mittel zur Berechnung von Steuerdaten vorhanden sind, die bei der Steuerung von Verkehrsmittelfunktionen unter hohem Rechenaufwand berechnet werden. Im Steuergerät ist ein zweiter Mikrorechner als Mittel zur Berechnung von Steuerdaten vorhanden und zwischen dem ersten Mikrorechner (1) und dem zweiten Mikrorechner (2) ist innerhalb des Steuergerätes eine Schnittstelle (3, 7, 11) vorhanden, über die die unter hohem Rechenaufwand im zweiten Mikrorechner (2) berechneten Steuerdaten an den ersten Mikrorechner (1) zur Steuerung der Verkehrsmittelfunktionen übertragbar sind. Außerdem ist das Mittel zur Berechnung von Steuerdaten mit einem Zeitbestimmungsmittel (8, 9) zur Erfassung der Zeitdauer der Steuervorgänge verbunden, wobei das Zeitbestimmungsmittel (8, 9) beim Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwertes ein Grenzwertsteuersignal erzeugt, so dass durch einen der Mikrorechner (1, 2) eine Steueraktion in Echtzeit durchführbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von Funktionen in einem Verkehrsmittel mit einem Steuergerät, das mit weiteren Steuergeräten über einen Datenbus vernetzt ist und einen ersten Mikrorechner zur Steuerung der Kommunikation mit den anderen Steuergeräten und zur Bearbeitung der Steuerfunktionen, insbesondere für einen Motor, aufweist. Der erste Mikrorechner weist Mittel zur Steuerung aufgrund von durch mindestens einen Sensor erfassten Daten auf und es sind Mittel zur Berechnung von Steuerdaten, insbesondere für den Motor vorhanden, die bei der Steuerung von Motorfunktionen unter hohem Rechenaufwand berechnet werden.
• Ferner wird ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit mehreren rotierenden Wellen unter Schutz gestellt, wobei ausgehend von einer Nullstellung jeder Welle die momentane Winkelstellung der Welle erfasst wird und aufgrund der Winkelstellung jeder Welle die optimale Einspritzzeit und/oder die Zündzeitpunkte für das Verbrennungsgemisch im Motor berechnet werden.
• Aus einer Veröffentlichung der Society of Automotive Engineers durch Frank Emnett in "RTEC - A Microcontroller peripheral optimized for real-time control of internal combustion engines" im Juni 2001 ist der Real Time Engine Computer (RTEC) bekannt. Dort ist ein Motorsteuergerät zur Steuerung des Motors vorgesehen, wobei ein Sensor an der Kurbelwelle und ein Sensor an der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors die Winkelpositionen oder die Umdrehungen der Wellen pro Minute messen. Die gemessenen Werte werden zur Berechnung der Stellung der Wellen herangezogen, woraus dann eine Aktion für die Motorsteuerung abgeleitet werden kann. Mögliche Aktionen zur Motorsteuerung sind Ansteuerung der Einspritzdüse oder Veränderung des Zündzeitpunkts im Motor. Zur Steuerung der Einspritzung sind Register mit einem Kennfeld vorhanden, in dem separate Steuerdaten eingetragen sind. Die Motorsteuerung kann bestimmte dieser separaten Steuerdaten verwenden, um den Motor an diskreten Steuerungspunkten zu betreiben. Dadurch sind mehrere diskrete Steuerungsmöglichkeiten vorhanden, wobei die Steuerung jedoch auf die voreingestellten Werte beschränkt ist.
• Der im Rahmen des RTEC beschriebene Low Resolution Prozessor erzeugt ein Triggersignal, um die Sensorerfassung zu starten oder zu beenden. Dies ist notwendig, da der lediglich eine Mikroprozessor zeitweise durch die Sensorwertbestimmung und Berechnung in Echtzeit überlastet ist und die anderen Steuerungsaufgaben sonst nicht mehr durchführen kann. Der Low Resolution Prozessor erzeugt Interrupts, die zur optimalen Auslastung des einen Mikroprozessor oder zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer Welle geeignet sind. Diese Interrupts sind vorgesehen, um den Mikrorechner selbst vor Überlastung zu schützen, haben also die Aufgabe den Berechnungsprozess zu starten oder zu beenden. Die Interrupts werden nicht bei der Berechnung oder Steuerung der Motorfunktionen selbst verwendet, bspw. um die Motordrehzahl zu reduzieren.
• Der Real Time Engine Controller (RTEC) wurde entwickelt, um Zugriffe auf den Mikrorechner zu verringern, die durch die sehr komplexen Berechnungsalgorithmen für die Motorsteuerung herrühren. Dazu ist vorgesehen, dass die Winkelstellung oder die Rotation mehrerer Wellen, beispielsweise der Kurbelwelle und der Nockenwelle, in Echtzeit erfasst wird. Die Echtzeitberechnung erfolgt über den Low Resolution Prozessor (LRP), wobei es sich aber nicht um einen Mikrorechner handelt, sondern um einen passiven Speicher (RAM), in dem die vom Sensor erfassten Daten und/oder bestimmte festgelegte Steuerdaten als Kennfeld abgespeichert sind. Dies führt dazu, dass der Mikrorechner durch die eigentliche Berechnung der Steuerdaten durch die Steueralgorithmen stark belastet ist. Beim RTEC sind Steuerdaten in einem Kennfeld fest abgespeichert, um die großen Datenmengen durch den lediglich einen Prozessor in Echtzeit überhaupt berechnen zu können.
• Zur Steuerung von komplexen Verbrennungsmotoren, beispielsweise 8-Zylinder V-Motoren mit zwei Kurbelwellen und mehreren Nockenwellen oder zur Steuerung von Hybridmotoren bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, sind Steuerungen aufgrund von Kennfeldern nicht ausreichend. Bei dem Ansatz mit einem Mikrorechner und der davon unabhängigen Erfassung der Winkelstellungs- oder Rotationsdaten von den unterschiedlichen Wellen in Echtzeit stößt die Rechnerleistung bei herkömmlichen Steuergerätekonzepten an ihre Grenzen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Änderungen des Motortyps, bisher jedes Mal auch eine Änderung in der Hardware erforderlich ist, um die bei der Berechnung der Steuerdaten erforderlichen Leistungserfordernisse für den Mikrorechner zu erfüllen.
• Aus der DE 40 21 251 C2 ist ein Multiprozessorsystem bekannt, bei dem zwei Mikrocomputer über einen externen Adressbus sowie einen externen Datenbus miteinander verbunden sind. Dabei handelt es sich um zwei separate Steuergeräte, wie diese heute in Verkehrsmitteln Standard sind. Die technische Lehre gibt dabei an, auf welche Weise im Multiprozessorsystem eine Adressbildung für den externen Adressbus zwischen den beiden Steuergeräten vorgesehen sein kann. Gerade bei sehr rechenintensiven Aufgaben stoßen derartig vernetzte Steuergeräte mit jeweils einem Mikrorechner an ihre Grenzen, da die Steuerdaten nicht in Echtzeit über den Datenbus übertragen werden können.
• Die EP 240 667 A2 beschreibt ein Steuersystem, insbesondere für den Arm eines intelligenten Roboters, welches Parallelprozesse durchführen kann. Dazu sind innerhalb eines Steuergeräts zwei Mikrorechner angeordnet, die über ein Dual-Port-RAM miteinander verbunden sind. Ein Mikrorechner ist ein sogenannter Master und der zweite ist als sogenannter Slave-Prozessor eingesetzt. Der Masterprozessor ist für die Organisation des Steuergeräts vorgesehen und arbeitet bei Multiprozessorsystemen auch die Kommunikation mit weiteren Steuergeräten ab. Über das Dual-Port-RAM ist eine Kommunikation zwischen den beiden Mikrorechnern innerhalb des Steuergerätes vorgesehen. Diese Kommunikation ist dabei interrupt-gesteuert. Das beschriebene Steuergerät mit den beiden Mikrorechnern ist auf den Einsatz bei Robotersystemen zugeschnitten und ist in der gezeigten Darstellung für die Steuerung bei komplexen Motoren zur Steuerung der Motorleistung aufgrund der Wellendrehzahl nicht geeignet.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen in einem Verkehrsmittel bereitzustellen, die einerseits den sehr hohen Berechnungsaufwand im Echtzeitmodus bei der Erfassung der Drehzahl der Wellen im Motor und andererseits die Steueraufgaben und Kommunikationsaufgaben im vernetzten System innerhalb des Verkehrsmittels erfüllen kann.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Danach ist im Steuergerät ein zweiter, nicht direkt mit dem externen Datenbus verbundener Mikrorechner als Mittel zur Berechnung von Steuerdaten vorhanden. Zwischen dem ersten Mikrorechner und dem zweiten Mikrorechner ist innerhalb des Steuergerätes eine Schnittstelle vorgesehen, über die die unter hohem Rechenaufwand im zweiten Mikrorechner berechneten Steuerdaten an den ersten Mikrorechner zur Steuerung der Verkehrsmittelfunktionen übertragbar sind, und das Mittel ist zur Berechnung von Steuerdaten mit einem Zeitbestimmungsmittel zu Erfassung der Zeitdauer der Steuervorgänge verbunden, wobei das Zeitbestimmungsmittel beim Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwertes ein Grenzwertsteuersignal erzeugt.
• Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei einem vernetzten System mit vielen Steuergeräten, insbesondere für den Einsatz bei der Motorsteuerung, neben dem bisher vorgesehenen Mikrorechner ein zweiter Mikrorechner vorgesehen sein muss, der die Berechnung der komplexen Echtzeit-Steuerdaten des Motors vorsieht. Diese Berechnung ist ein sehr rechenintensiver Vorgang, der bisher durch logische Schaltungen durchgeführt wird, die je nach momentanem Motorarbeitspunkt aus einem Kennfeld Steuerdaten für die Motorleistung auswählen. Bei den heute eingesetzten komplizierten V8- und V12-Motoren befinden sich neben einer oder zwei Kurbelwellen mehrere Nockenwellen im Motor, deren Umdrehungszahl gesteuert werden sollen. Wegen der großen in Echtzeit zu verarbeitenden Datenmenge von den verschiedenen Drehzahl- und Winkelsensoren an den Wellen und den komplexen Algorithmen und Steuermodellen für diese Motorentypen stößt man bei Hochleistungsmotoren schnell an Grenzen.
• Erfindungsgemäß wird nun neben dem für die Kommunikation und die Gesamtsteuerung des Motors vorgesehenen ersten Mikrorechner ein zweiter Mikrorechner innerhalb des Steuergerätes eingesetzt, der für die Sensordatenverarbeitung und Berechnung der komplexen Steueralgorithmen vorgesehen ist und über die innerhalb des Steuergeräts vorgesehene Schnittstelle die so ermittelten Steuerdaten an den ersten Mikrorechner zur Gesamtsteuerung des Motors überträgt. Dadurch werden die komplexen Rechenprozesse in Echtzeit auf einen dafür speziell vorgesehenen zweiten Mikrorechner ausgelagert, so dass der erste Mikrorechner bei der Kommunikation mit den anderen Steuergeräten ohne Nachrichtenkollisionen mit den Echtzeitsignalen arbeiten kann.
• Der zweite Mikrorechner arbeitet insbesondere die zeitkritischen Echtzeitsteuerprozesse ab, wobei der erste Mikrorechner mehr Kommunikations- und Steueraufgaben abarbeitet, die weniger zeitkritisch sind.
• Dem zweiten Mikrorechner ist ferner ein Zeitbestimmungsmittel zur Erfassung der Zeitdauer einer Umdrehung einer Motorwelle zugeordnet, wobei das Zeitbestimmungsmittel beim Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwerts ein Grenzwertsteuersignal erzeugt. An den verschiedenen Wellen innerhalb des Motors sind bezogen auf den Steuerungsprozess diverse Sensoren angeordnet, die die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelstellung oder die Umdrehungszahl pro Minute für jede Welle bestimmt. Diese Daten werden dem zweiten Mikrorechner zur Verfügung gestellt, um mittels der auf dem zweiten Mikrorechner vorgesehenen Steueralgorithmen die für die Motorsteuerung erforderlichen Steuerdaten zu berechnen. Diese Steuerdaten werden dann vom ersten oder zweiten Mikrorechner an die Aktoren übertragen, die die Motorleistung und die Drehzahl der Wellen veränderlich steuern. Dies sind beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor die Zündimpulsgeber, eine Einspritzdüse oder die Einspritzpumpe.
• Das Zeitbestimmungsmittel erzeugt auch ein Interruptsignal, wenn die jeweilige Welle eine Umdrehung oder einen bestimmten Winkelbereich durchlaufen hat. Diese Interruptsignale werden dann dem zweiten Mikrorechner zugeführt, um einerseits die Position der Wellen festzustellen und andererseits auch bestimmte Grenzbetriebszustände des Motors zu erfassen. Die Interruptsignale können für andere Steuerfunktionen oder zur Synchronisation der Kommunikation auf ein oder mehrere Wellenumdrehungen auch an den ersten Mikrorechner übertragen werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch bei Hybridmotoren eingesetzt werden, wobei ein Elektromotor im Verhältnis zu einem Verbrennungsmotor bezogen auf die Drehzahl gesteuert werden muss. Dort werden dann neben den beim Verbrennungsmotor notwendigen Aktoren zusätzlich Schalttransistoren oder Thyristoren angesteuert, die den Motorstrom schalten. Auch kann bei Elektromotoren die Steuerspannung gestellt oder geregelt werden. Die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen kann in einem Verkehrsmittel auch zur Steuerung von Elektromotoren, beispielsweise einem Startermotor, eingesetzt werden, der die Bremsenergie des Verkehrsmittels in elektrische Energie umsetzt. Dabei steuert die Vorrichtung zur Steuerung der Motorfunktion den Elektromotor in seiner motorischen oder Generatorfunktion, wie dies beispielsweise beim Vier-Quadrantensteller bei Bahnfahrzeugen bekannt ist. Der Startermotor kann durch die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen auch in seinem Generatorbetrieb beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug gesteuert werden, um die elektrische Energie beim Bremsvorgang in die Kraftfahrzeugbatterie rückzuspeisen. Der Einsatz der Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen ist neben Verbrennungsmotoren auch bei Elektromotoren bzw. Elektrogeneratoren vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch bei Getrieben im Verkehrsmittel eingesetzt werden, wo ebenfalls die Wellengeschwindigkeit gesteuert werden kann. Grundsätzlich kann das mit den zwei Mikrorechnern ausgestattete Streuergerät aber bei allen rechenintensiven Steuergeräten innerhalb des Verkehrsmittels eingesetzt werden. Dazu gehören auch Telematikfunktionen oder Berechnungen innerhalb eines Verkehrsmittels, die einen hohen Rechenaufwand und eine Begrenzung bestimmter Steuerfunktionen in Echtzeit erfordern.
• Die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen ist mit den beiden Mikrorechnern derart organisiert, dass die rechenintensiven Steueralgorithmen auf dem zweiten Mikrorechner durchgeführt werden. Dadurch steht in Echtzeit eine erhöhte Rechenleistung zur Verfügung, wodurch statt Kennfeldern exaktere Steueralgorithmen eingesetzt werden können. Durch die erhöhte Rechenleistung des zweiten spezialisierten Mikrorechners, können die Echtzeitfunktionen auch mit rechenintensiven Algorithmen berechnet werden, was wesentlich flexibler ist, als der Vergleich mit im voraus für die Steuerung hinterlegten Kennfelddaten. Dadurch können beim Verkehrsmittel in Bezug auf die Umwelt und Motorleistung bessere Werte erzielt werden.
• Grundsätzlich werden die Steuerdaten aus den einzelnen Winkelstellungsinformationen der Wellen berechnet, die über Sensoren erfasst werden. Dabei wird ein Drehwinkel für jede Welle bezogen auf eine Ausgangsposition berechnet, wodurch bei 360° Umdrehung eine vollständige Umdrehung der Welle oder lediglich bestimmte Winkelabschnitte erfasst werden können. Auf diese Weise kann bei einem System mit mehreren gesteuerten Wellen der Drehzahlunterschied der einzelnen Wellen zueinander bezogen auf einen Momentanzeitpunkt aus den Sensorsignalen berechnet werden. Diese Drehzahlunterschiede werden dann bei einer Ausführungsform im Verhältnis zueinander geregelt, wobei die Drehbewegung, insbesondere die Drehgeschwindigkeit, einer ersten als Masterwelle bezeichnete Welle im Verhältnis zur Drehbewegung der anderen Wellen gesteuert wird. Eine Welle als Masterwelle definiert, auf die bezogen die Winkelstellungsunterschiede der anderen Wellen erfasst werden und ein Berechnungsmittel verarbeitet die zeitlichen Winkelstellungsunterschiede der einzelnen Wellen bei der Steuerung der Einspritzzeit und/oder Zündzeitpunkte oder bei anderen Aktoren, die die Wellendrehgeschwindigkeit wiederum über die Motorleistung beeinflussen.
• Innerhalb der Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen, d. h. innerhalb eines Steuergerätegehäuses, ist eine Schnittstelle am ersten oder zweiten Mikrorechner für ein Grenzwertsteuersignal vorgesehen, um im ersten oder zweiten Mikrorechner Steuerfunktionen für den Motor aufgrund des Grenzwertsteuersignals zu berechnen. Durch die Erzeugung eines Grenzwertsteuersignals beim Zeitbestimmungsmittel können Drehgeschwindigkeiten einzelner Wellen erfasst und beim Unter- bzw. Überschreiten eines Geschwindigkeits- oder Drehwinkelgeschwindigkeitsgrenzwerts wird ein Grenzwertsteuersignal vom Zeiterfassungsmittel erzeugt und dem steuernden Mikrorechner als Grenzwertsteuersignal zur Verfügung gestellt. Dabei kann das Grenzwertsteuersignal als Interruptsignal für den Mikrorechner über eine separate Leitung zur Verfügung gestellt werden, wodurch der Mikrorechner extrem schnell auf derartige Extremsituationen reagieren kann. Dieses Steuerinterruptsignal kann sozusagen als Alarmsignal direkt an die Interrupteingänge des ersten oder zweiten Mikrorechners zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise entfallen eventuelle Übertragungslaufzeiten über die Schnittstelle zwischen den beiden Mikrorechnern und dem Zeitbestimmungsmittel.
• Bei einer auf einen Verbrennungsmotor bezogenen Ausführungsform berechnet das Mittel zur Berechnung der Steuerdaten aufgrund der Sensordaten die Einspritzung eines Fluids in den Motorbrennraum und/oder die Zündzeitpunkte des Motors. Dadurch können die einzelnen Wellen separat angesteuert werden. Mehrere Sensoren erfassen den Momentandrehwinkel jeder Welle im Motor und das Mittel zur Berechnung von Steuerdaten bestimmt dabei den Winkelunterschied zwischen den einzelnen Wellen. Über die Aktoren im Motor, beispielsweise Zündung und Einspritzanlage, werden dann die Winkelunterschiede bzw. die Laufzeitunterschiede der einzelnen Wellen gesteuert bzw. geregelt.
• Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen ist insbesondere deswegen sehr effektiv, weil bei unterschiedlichen Motoren mit der zugehörigen Hardware das Steuergerät nicht ausgetauscht werden muss. Es wird dabei lediglich die Aufspielung neuer Steueralgorithmen auf dem zweiten Mikrorechner erforderlich, der für die spezielle Motorsteuerung eingesetzt ist. Auf dem ersten Mikrorechner sind lediglich Funktionen vorhanden, die beim Einsatz eines neuen Motors oder bei einem Tausch eines Motors nicht verändert werden müssen. Infolge dessen müssen lediglich bei einer neuen Hardware- Rekonfiguration Steueralgorithmen im zweiten Mikrorechner verändert werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen derart ausgebildet, das im ersten Mikrorechner die Steuergerätekommunikation und die Diagnosefunktionen für das Steuergerät vorgesehen sind und im zweiten Mikrorechner unter Echtzeitbedingungen die Wellenwinkelstellungsfunktionen von Masterwelle zu den anderen Wellen und/oder die Wellenwinkelstellungsfunktion bezogen auf die Wellendrehzahlsteuerung umgesetzt wird. Ferner kann im ersten Mikrorechner noch ein Funktionsblock vorgesehen sein, der nur geringe Echtzeitsteuerungsanforderungen beinhaltet, beispielsweise Funktionen die mit der Kraftstoffzufuhr zum Motor zusammenhängen. Durch diese spezielle Arbeitsaufteilung zwischen den beiden Mikrorechnern können rechenintensive Steuerungsprozesse unter Echtzeitbedingungen durchgeführt werden, ohne das der erste Mikrorechner durch seine Rechenauslastung im Bezug auf die Steuergerätekommunikation und die Abarbeitung anderer Aufgaben in einen Grenzbereich gelangt.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren zur Steuerung eines oder mehrerer Verkehrsmittelmotoren mit mehreren rotierenden Wellen gelöst, wobei ausgehend von einer Nullstellung jeder Welle die momentane Winkelstellung der Welle erfasst wird und aufgrund der Winkelstellung jeder Welle die optimale Ansteuerungsbedingungen für Aktoren zur Beeinflussung der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit im Motor berechnet wird. Dabei wird eine Welle als Masterwelle definiert, auf die bezogen die Winkelstellungsunterschiede der anderen Wellen erfasst werden und die zeitlichen Winkelstellungsunterschiede der einzelnen Wellen werden bei der Berechnung der Ansteuerung der Aktoren zur Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit berücksichtigt.
• Dieses Verfahren definiert eine Masterwelle, bezogen auf deren Winkelgeschwindigkeit bzw. -drehzahl die anderen Wellen hin geregelt bzw. gesteuert werden. Bei einem Verbrennungsmotor wird beispielsweise eine Kurbelwelle als Masterwelle definiert, wobei eine zweite Kurbelwelle derart gesteuert wird, dass die Schwungmassen im Motor nicht zu einem Aufschwingen des Motors führen. Andererseits können abhängig von der Kurbelwellenstellung die zugehörigen Nockenwellen angesteuert werden, so dass die Ventilöffnungszeiten optimal auf die momentane Leistung und Drehzahl des Motors angepasst werden. Auch kann eine elektromagnetische Ventilsteuerung als Aktor in Abhängigkeit von der erfassten Geschwindigkeit der Masterwelle angesteuert werden. Insbesondere beim Über- oder Unterschreiten der Differenz des Winkelversatzes zwischen der Masterwelle und einer weiteren Welle, kann der Winkelversatz zwischen den beiden Wellen bezogen auf deren Drehrichtung gesteuert werden.
• Bei dem Verfahren zur Steuerung eines oder mehrerer Verkehrsmittelmotoren kann innerhalb des Steuergerätes, insbesondere in einem von zwei Mikrorechnern, eine Synchronisation oder Anpassung von Signalen eines Zeitgebers auf die Position einer Masterwelle erfolgen und aufgrund dieser Synchronisationssignale lässt sich die Stellung von Kurbelwellen und Nockenwellen aufgrund der an diesen Wellen angeordneten Sensoren bestimmen. Aufgrund der detektierten Stellung der einzelnen Wellen kann dann jede Welle in Bezug auf eine Masterwelle entsprechend der Motorleistung und Motordrehzahl geregelt werden. Dazu sind im zweiten Mikrorechner Regelalgorithmen hinterlegt. Aufgrund der Regelalgorithmen wird dann die optimale Stellung jeder Welle bezogen auf einen momentanen Zeitpunkt berechnet und daraus eine Beschleunigung oder Verzögerung in der Drehwinkelgeschwindigkeit der Welle bewirkt. Diese Beschleunigung oder Verzögerung erfolgt aufgrund des Eingriffs in die Aktoren, d. h. Einspritzung, Zündung oder bei Elektromotoren in die Stromsteuerungsmittel.
• Bei dem Verfahren kann ein Grenzwertsteuersignal durch das Zeiterfassungsmittel erzeugt werden, wenn eine Welle einen Schwellwert über- oder unterschreitet, d. h. aus dem charakteristischen Nenndrehzahlbereich herausläuft. Diese Steuerinterruptsignale unterscheiden sich jedoch von den bereits bekannten Signalen dadurch, dass ein Interrupt beim Mikrorechner aufgrund der Steuergrößen, d. h. der Drehgeschwindigkeit, erzeugt wird und daraus ein besonderes Steuerungsprogramm und gegebenenfalls ein Diagnoseprogramm in Betrieb gesetzt wird. Es wird bei dem Verfahren ein Grenzwertsteuersignal beispielsweise dann erzeugt, wenn besondere Betriebszustände erreicht werden. Dadurch wird der Mikrorechner nicht in demselben Umfang belastet, wie dies der Fall ist, wenn bei jedem empfangenen Sensorsignal ein Interrupt erzeugt wird. Dadurch kann die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen auch bei höheren Drehzahlen und bei Motoren mit vielen Wellen die Echtzeitfunktionen effektiv durchführen.
• Durch den Einsatz eines zweiten Mikrorechners der für die zeitlichen Abläufe und die Berechnung der Steueraktionen eingesetzt wird, kann die umständliche Programmierung von einzelnen Zeitsignalen in Maschinensprache, wie dies bei herkömmlichen Steuergeräten mit lediglich einem Mikrorechner erforderlich ist, entfallen. Bei dem vorliegenden Verfahren werden Signalformen definiert und das Auslösen der Steuersignale wird in Software mit Hochsprache programmiert, wodurch sich die Programmierung der gesamten Steuerroutinen vereinfacht. Derartige Steuerungsmodule können durch sogenannte Flashverfahren, bei denen Software über eine drahtlose Schnittstelle auf ein Steuergerät in einer Werkstatt aufgespielt werden, leicht ausgetauscht werden. Auf diese Weise können Veränderungen in der Motortechnik mit ein und demselben Steuergerät durch Rekonfiguration der Hard- oder Software erzeugt werden, so dass bei Veränderungen im Motor nicht jedes Mal das Steuergerät ausgewechselt werden muss. Beispielsweise wird dann ein Softwaremodul durch ein Flashverfahren ausgetauscht.
• Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die untergeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung einer Ausführungsform zu verweisen. In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
• In Fig. 1 ist als Vorrichtung ein Steuergerät mit zwei Mikrorechnern 1, 2, wie sie zur Steuerung eines Motors eines Verkehrsmittels zum Einsatz kommt, dargestellt. Die Vorrichtung weist gekapselt in ein Gehäuse einen ersten Mikrorechner 1, einen zweiten Mikrorechner 2, eine zwischen beiden Mikrorechnern 1, 2 angeordnete Schnittstelle 3 und Speichermittel 4 zum Ablegen von Steuerdaten und anderen Daten auf. Die Vorrichtung weist ferner einen Floating Point Prozessor 5, eine Bus Interface Unit 6 zum Austausch von Steuerdaten und internen Kommunikationsdaten über den internen Datenbus 7 oder die internen elektrischen Verbindungsleitungen des Steuergeräts auf. Ein Interrupt Controller 8 und ein Zeiterfassungsmittel 9 sind vorgesehen, um den Steuerungsprozess des Steuergeräts und das erfindungsgemäße Verfahren zu unterstützen. Der interne Bus 7 tauscht über die sogenannte Bridge 10 Daten über den Peripheriebus 11 und über Schnittstellen mit den Sensoren und den zu steuernden Aktoren 12 bis 16 und mit Datenbussen CAN sowie SCI über die CAN-Schnittstelle 17 und die SCI-Schnittstelle 18 aus. Schließlich ist noch eine weitere Schnittstelle 19 für eine Knockfunktion 19, d. h. die Klopfsteuerung des Motors, vorgesehen.
• Das durch die Elemente 1 bis 19 gebildete Steuergerät ist beispielsweise über den CAN- oder SCI-Bus mit weiteren Steuergeräten innerhalb des Kraftfahrzeugs verbunden. Der Mikrorechner 2 führt im Wesentlichen Steuerungsberechnungen durch, beispielsweise unter Verwendung des Floating Point Prozessors 5, und empfängt über die Schnittstelle 15 die Sensorsignale, die den Drehwinkel einer oder mehrerer Kurbel- bzw. Nockenwellen erfasst. Aufgrund der Signale der Sensoren werden die erfassten Daten über die Schnittstelle 15 und den Peripheriebus 11 zum Mikrorechner 2 übertragen.
• Anstatt des internen Busses 7 können die sensierten Daten auch über einzelne elektrische Leiter zum zweiten Mikrorechner 2 übertragen werden. Der Mikrorechner 2 verarbeitet die Sensorsignale so, dass für jede Welle deren momentane Winkelstellung in Echtzeit erfasst wird. Aufgrund der Winkelstellung der einzelnen Wellen untereinander oder aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit der einzelnen Wellen, werden diese in ihrer Rotationsbewegung gesteuert. Die Steuersignale werden entweder im zweiten Mikrorechner 2 oder im ersten Mikrorechner 1 weiterverarbeitet und die Steuerdaten werden dann wiederum über den internen Bus 7 und den Peripheriebus 11 an die Aktoren in Echtzeit übertragen. Beispielsweise werden die Steuerdaten an Einspritzdüsen über die Schnittstelle 12 und über den Pulsweitenmodulator 14 an die Zündung übertragen. Dadurch wird wiederum durch den gesteuerten Verbrennungsprozess auf die einzelnen Wellen steuernd eingegriffen, so dass die Rotation der Wellen optimal zueinander gesteuert wird. Auf diese Weise können auch einzelne Nocken einer Nockenwelle unterschiedlich vom Mikrorechner 1 oder Mikrorechner 2 angesteuert werden, so dass jedes Motorventil optimal angesteuert werden kann.
• Der erste Mikrorechner 1 hat im wesentlichen organisatorische Funktionen im Steuergerät durchzuführen. Dazu werden einerseits die Kommunikationsaufgaben mit anderen Steuergeräten über die Schnittstellen 17 und 18 sowie Diagnoseaufgaben und spezielle Interruptsignale vom Interrupt Controller 8 abgearbeitet. Ferner können Steueraufgaben im Mikrorechner 1 bearbeitet werden, die keine hohen Anforderungen an die Rechenzeit oder an Echtzeitbedingungen stellen. Der zweite Mikrorechner 2 übernimmt vor allem die rechenintensiven Steuerungsaufgaben und Sensordatenberechnungen zur Steuerung des Motors im Verkehrsmittel. Auf diese Weise kann der erste Mikrorechner 1 die organisatorischen und kommunikativen Aufgaben im Steuergerät übernehmen, wobei die stark belastenden Echtzeitberechnungen dem speziell dafür vorgesehenen Mikrorechner 2 übergeben werden. Eine Kommunikation zwischen dem ersten Mikrorechner 1 und dem zweiten Mikrorechner 2 erfolgt über die Schnittstelle 3, die wiederum über einen schnellen Datenbus oder über ein Dual-Port-RAM oder einzelne Signalleitungen erfolgen kann.
• Das Zeiterfassungsmittel 9 und der zugeordnete Interrupt Controller 8 erzeugen neben den üblichen Interruptsignalen für die Mikrorechner 1, 2 auch Grenzwertsteuersignale, wenn eine der Wellen einen für diese vorgesehenen Grenzwerte bei der vorgesehenen Rotationsgeschwindigkeit oder dem zurückgelegten Drehwinkel überschreitet. Das Grenzwertsteuersignal wird dann entweder an den Mikrorechner 1 oder Mikrorechner 2 übertragen, um einerseits der zu hochtourig laufenden Welle rotationshemmend entgegenzuwirken und andererseits im Mikrorechner 1 eine Diagnosefunktion zu starten.
• Das vor allem im Mikrorechner 2 durchgeführte Steuerungsverfahren für den Motor des Verkehrsmittels wird nun im Folgenden beschrieben. Der Mikrorechner 2 ist ein Echtzeitsteuerungsrechner, der die Sensordaten von zwei Kurbelwellen und die Sensordaten von unterschiedlichen Nockenwellen oder rotierenden Nocken erhält. Die beiden Kurbelwellen können dabei zu einem komplexen V-Motor oder einem Hybridmotor gehören. Die Sensoren geben die Position bzw. den Drehwinkel oder die Rotationsgeschwindigkeit der Nocken oder Wellen an.
• Eine der Wellen gibt als Masterwelle ein Signal vor, aus welcher die Position der Zylinder und die Motordrehzahl berechnet werden kann. Die Sensoren messen die Drehgeschwindigkeit der Wellen beispielsweise aufgrund von am Umfang angeordneten Zähnen, die ein optisches Signal beeinflussen. Auf diese Weise lässt sich die Drehbewegung der einzelnen Wellen unabhängig von einander berechnen, so dass der zweite Mikrorechner 2 die Momentanposition der einzelnen Wellen kennt. Das Zeitbestimmungsmittel 9 synchronisiert dabei die einzelnen Signale bzw. bildet die Zeitbasis für die Erfassung der Momentanpositionen jeder Welle.
• Die optimale Betriebssituation der einzelnen Wellen im Motor ist über mehrere Algorithmen im Mikrorechner 2 abgebildet, so dass die Wellen jeweils einzeln in der optimalen Betriebsposition gesteuert werden können. Dies kann beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor über die Einspritzung und die Zündung bzw. bei einem Elektromotor über verschiedene elektronische Schalter wie Transistoren und Thyristoren erfolgen.
• Die im Mikrorechner 2 vorgesehenen Steueralgorithmen lassen sich bevorzugt in bekannten Hochsprachen wie C, C++ oder Java programmieren. Ebenfalls können bestimmte Signalformen als Steuersignale programmiert werden, die dann zur Ansteuerung der Aktoren Verwendung finden. Dazu ist ein Pulsweitenmodulator 14 im Steuergerät vorgesehen, der je nach Ansteuerung des zweiten Mikrorechners 2 entsprechende Signalformen abgibt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Steuerung der Übersetzung in einem Getriebe, bei verschiedenen Komfortfunktionen im Verkehrsmittel oder zur Steuerung von Hybridantrieben eingesetzt werden. Ein rekonfigurierbarer Mikrochip, beispielsweise ein Field Programable Gate Array (FPGA) kann eine Rekonfiguration der Hardware zulassen, so dass bei Änderung eines anzusteuernden Getriebes die Schnittstelle in ihrer Hardware und in ihrer Software angepasst werden kann.
• Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Nocken- oder Kurbelwellen-Steuerungsprozess existieren üblicherweise zwei individuelle Kanäle, wobei der eine die Sensorsignale der Kurbelwelle und der andere Kanal die Sensorsignale der Nockenwelle oder Nocken für die Motorsteuerung heranzieht. Daraus wird eine momentane Winkelposition des Motors bestimmt und in Echtzeit als Momentanwert in einem Speicherbereich des Mikrorechners 2 abgelegt. Der Mikrorechner 2 überprüft aufgrund der Sensorinformationen der beiden Kanälen, ob die berechnete Motorstellung möglich ist und ob beide erfassten Informationen der Sensorkanäle zu demselben Ergebnis bei der Motorstellung führen. Sind beide Ergebnisse im Rahmen der vorgegebenen Bereiche, wird der zweite Mikrorechner 2 die Motorstellung für einen momentanen Zeitpunkt als richtig erfasst bewerten.
• Je mehr Wellen und Nocken innerhalb eines Motors vorhanden sind, um so schwieriger wird es, eine eindeutige Motorposition mit allen Wellen in der richtigen Position zu bestimmen. Wegen der vielen Kanäle und der unterschiedlichen Signale ist ein einzelner Mikrorechner nicht mehr in der Lage, die komplexen Positionsbestimmungen und Steuerfunktionen durchzuführen, da erfindungsgemäß der Mikrorechner 2 für die Echtzeitberechnungs- und Steuerungsfunktionen bestimmt ist und ein Mastersignal einer als Masterwelle bestimmten Welle bereitgestellt wird, lassen sich derartig komplexe Regelungsprozesse noch durchführen. Abhängig von den Mastersignalen werden die Winkeldifferenzen bzw. die Differenzdrehgeschwindigkeiten der anderen Wellen in Bezug auf das Mastersignal der Masterwelle gesteuert. Die Masterwelle ist eine Welle, die innerhalb des Motors eine hohe Priorität besitzt, insbesondere eine Kurbelwelle oder die Hauptwelle eines Elektromotors. Das Mastersignal kann dabei ein Positions-, ein Winkel- oder ein Geschwindigkeitssignal sein.
• Der Mikrorechner 2 weist gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Register auf, in denen bestimmte für die Steuerung erforderlichen Werte einstellbar sind. Beispielsweise kann hier eine Welle als Masterwelle festgesetzt werden. Andererseits kann der Grenzwert oder Schwellwert festgelegt werden, ab dem eine rotierende Welle als zu schnell oder zu langsam rotierend eingeschätzt wird. Aufgrund dieses Grenzwertsignals kann ein Interrupt aufgrund einer Fehlsteuerung an den Mikrorechner 1 oder den Mikrorechner 2 weitergegeben werden. Ein weiteres Registersignal kann ein Lock-Signal sein, welches angibt, unter welchem Winkelunterschied zwischen den Messsignalen aus den verschiedenen Kanälen eine rotierende Welle noch als in ihrer Momentanposition als richtig bestimmt gilt. In den Registern werden verschiedene Variablen abgelegt, die für die Steuerung darüber hinaus erforderlich sind. Dazu gehören beispielsweise Differenzverhältnisse von Signalen, die eine vollständige Umdrehung einer ersten Welle im Verhältnis zu einer vollständigen Umdrehung einer zweiten Welle wiedergeben.
• Im Mikrorechner 2 bzw. in dem dazugehörenden Speichermittel 4 sind verschiedene Kennfelder abgelegt, in denen Vergleichssignale für das Sensorsignal oder bestimmte Steuerungsgrößen für die Berechnung der Steuerdaten abgelegt sind. Aus den erfassten Positionen der einzelnen Wellen wird dann der momentane Zustand des Motors erfasst und unter Kenntnis der erforderlichen Leistung werden dann die optimalen Steuerdaten zur Ansteuerung der Aktoren für den Motor berechnet. Dazu können beispielsweise die Einspritzmenge, die Einspritzzeit sowie der Einspritzdruck und die Zündzeitpunkte für den Motor geregelt werden. Durch die Verteilung des rechenaufwendigen Steuerungsprozesses auf den zweiten Mikrorechner 2 und die Kommunikationsfunktionen und die Diagnose auf den ersten Mikrorechner 1 entsteht ein effektives Motorsteuergerät, das innerhalb eines vernetzten Datenbussystems im Verkehrsmittel optimal einsetzbar ist.
• Die Sensoren erfassen die Position der Welle, bspw. aufgrund einer Positionsmarke an der Welle, und können dadurch die Stellung oder die Drehgeschwindigkeit sensieren. Die Sensorwerte werden an das erfindungsgemäße Motorsteuergerät übermittelt. Das erfindungsgemäße Motorsteuergerät weist einen ersten Mikroprozessor 1 auf, der wie bei konventionelle Steuergeräten die eigentliche Berechnung für die Motorsteuerung ausführt und die Kommunikation zu anderen Steuergeräten vorsieht. Ein zweiter Mikroprozessor 2 ist vorhanden, um die Sensorwerte der Wellen zu verarbeiten. Der zweite Mikrorechner 2 berechnet die Sensorsignale, die Stellung der Wellen und deren Rotationsgeschwindigkeiten in Echtzeit, was ein sehr rechenaufwendiger Prozess ist. Als Zeiterfassungsmittel 9 ist dem zweiten Mikroprozessor 2 ein Timer zugeordnet, der die Zeitdauer zwischen den Sensorsignalen berechnet.
• In dem erfindungsgemäßen Motorsteuergerät ist der Timer 9 mit Interruptfunktionen versehen, die beim Überschreiten einer Drehgeschwindigkeit einen Interrupt, d. h. ein Grenzwertsteuersignal, direkt an einen oder beide Mikroprozessoren 1, 2 ausgibt. Die Besonderheit des Zeiterfassungsmittels 9 besteht darin, dass bei Ablauf oder Überschreiten eines Wertes ein Interruptsignal ausgegeben wird, wodurch der Sensor mit einem Mikrorechner 1, 2 synchronisiert wird. Dabei wird bei ein bestimmten Position einer Welle ein Grenzwertsteuersignal, d. h. ein Interrupf-Signal direkt an einen der beiden Mikrorechner 1, 2 abgegeben, um ein Signal einer bestimmten Stellung der Welle zuzuordnen. Die Synchronisierung kann auch auf eine bestimmte Stellung des Kolbens erfolgen, bspw. auf dessen oberen Todpunkt.
• Um den Positionsversatz zwischen zwei Nockenwellen zu messen, gibt der Sensor ein Signal, wenn eine Nockenwelle in einer bestimmten Position ist. Das Zeiterfassungsmittel 9 erzeugt in der bestimmten Position einen Interrupf-Signal, wodurch der zweite Mikroprozessor 2 den Winkelversatz zwischen den beiden Nockenwellen berechnen kann und bspw. den Winkel zwischen den Nocken oder den Zündzeitpunkt speziell steuern kann. Das Zeiterfassungsmittel 9 kann eine Vielzahl von Sensoren steuern, da der zweite Mikroprozessor 2 die rechenintensiven Aufgaben übernehmen kann. Darüber hinaus kann der zweite Mikroprozessor 2 mit einer höheren Auflösung arbeiten, da er zwischen den Pulsen vom Sensor interpolieren kann.
• Im zweiten Mikroprozessor 2 werden die Sensorsignale ausgewertet, und die Steuerung der Zündung und der Einspritzung in Echtzeit berechnet. Im ersten Mikroprozessor 1 werden Werte wie die Gaspedalstellung, Luftdurchsatz, Drosselstellung, Öltemperatur und Batteriespannung und Lambda-Sensorwerte berechnet.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Steuerung von Funktionen in einem Verkehrsmittel mit einem Steuergerät, das mit weiteren Steuergeräten über einen Datenbus vernetzt ist und einen ersten Mikrorechner (1) zur Steuerung der Kommunikation mit den anderen Steuergeräten und zur Bearbeitung der Steuerfunktionen aufweist, wobei der erste Mikrorechner (1) Mittel zur Steuerung aufgrund von durch mindestens einen Sensor erfassten Daten vorsieht und dass Mittel zur Berechnung von Steuerdaten vorhanden sind, die bei der Steuerung von Verkehrsmittelfunktionen unter hohem Rechenaufwand berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät ein zweiter Mikrorechner (2) als Mittel zur Berechnung von Steuerdaten vorhanden ist, dass zwischen dem ersten Mikrorechner (1) und dem zweiten Mikrorechner (2) innerhalb des Steuergerätes eine Schnittstelle (3, 7, 11) vorhanden ist, über die die unter hohem Rechenaufwand im zweiten Mikrorechner (2) berechneten Steuerdaten an den ersten Mikrorechner (1) zur Steuerung der Verkehrsmittelfunktionen übertragbar sind, und dass das Mittel zur Berechnung von Steuerdaten mit einem Zeitbestimmungsmittel (8, 9) zur Erfassung der Zeitdauer der Steuervorgänge verbunden ist, wobei das Zeitbestimmungsmittel (8, 9) beim Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwertes ein Grenzwertsteuersignal erzeugt, so dass durch einen der Mikrorechner (1, 2) in Echtzeit eine Steueraktion durchführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle am ersten Mikrorechner (1) für das Grenzwertsteuersignal vorgesehen ist, um im ersten Mikrorechner (1) Steuerfunktionen aufgrund des Grenzwertsteuersignals zu berechnen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren zur Erfassung des momentanen Drehwinkels mehrerer Wellen des Motors vorgesehen sind und das Mittel zur Berechnung von Steuerdaten den Winkelunterschied zwischen den einzelnen Wellen bestimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle als Masterwelle definiert ist, auf die bezogen die Winkelstellungsunterschiede der anderen Wellen erfasst werden, und dass ein Berechnungsmittel (2) die zeitlichen Winkelstellungsunterschiede der einzelnen Wellen bei der Steuerung Aktoren zur Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit berücksichtigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Berechnung der Steuerdaten aufgrund der Sensordaten die Einspritzung eines Fluids in den Motorbrennraum und/oder die Zündzeitpunkte des Motors berechnet, so dass der erste Mikroprozessor (1) den Motor entsprechend ansteuern kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem bestimmten Umdrehungswinkel einer Welle ein Interruptsignal oder das Grenzwertsteuersignal an den ersten oder den zweiten Mikroprozessor (1, 2) abgebbar ist, um Steuerfunktionen auf die Wellenposition zu synchronisieren bzw. einen Grenzbereich der Umdrehungszahl anzuzeigen.

7. Verfahren zur Steuerung eines oder mehrerer Steuerfunktionen im Verkehrsmittel mit mehreren rotierenden Wellen, wobei ausgehend von einer Nullstellung jeder Welle die momentane Winkelstellung der Welle erfasst wird und aufgrund der Winkelstellung jeder Welle die optimale Steueraktion zur Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit im Motor berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle als Masterwelle definiert wird, auf die bezogen die Winkelstellungsunterschiede der anderen Wellen erfasst werden und dass die zeitlichen Winkelstellungsunterschiede der einzelnen Wellen bei der Berechnung der Aktoren zur Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit berücksichtigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Über- oder Unterschreiten der Differenz des Winkelversatzes zwischen der Masterwelle und einer betroffenen Welle, letztere bezogen auf deren Winkelversatz gesteuert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren zur Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit Einspritzdüsen und/oder Zündsteuerungsmittel in einem Verbrennungsmotor sind.