DE102009024492A1

DE102009024492A1 - Verfahren zur Signalerfassung einer mit einer variablen Signalfrequenz schwingenden Messgröße

Info

Publication number: DE102009024492A1
Application number: DE200910024492
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumeister
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Signalerfassung einer mit einer variablen Signalfrequenz schwingenden Messgröße mittels eines elektronischen Steuergeräts tastet das Steuergerät das Signal der Messgröße für einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum zur Erfassung von Messwerten ab und speichert die abgetasteten Messwerte für eine Mittelwertbildung. Dabei wird die Abtastfrequenz zur Erfassung der Messwerte derart gewählt, dass eine Synchronisierung mit der Signalfrequenz der Messgröße verhindert wird. Dabei kann eine Unterabtastung und damit eine Abweichung vom Shannonschen Theorem bewusst zugelassen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Signalerfassung einer mit einer variablen Signalfrequenz schwingenden Messgröße nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer Signalerfassung ist üblicherweise darauf zu achten, dass das Shannon Theorem eingehalten wird. Dieses besagt, dass die Abtastfrequenz mindestens die doppelte Signalfrequenz sein muss. Wird dieses Theorem verletzt, so liegt eine Unterabtastung vor. Dies führt bei einer üblichen Signalfilterung zu Problemen. In der Regel wird versucht, dieses Problem dahin gehend auszugleichen, dass der Betrachtungszeitraum und damit die Anzahl der Messpunkte vergrößert werden. Bei einer Mittelwertbildung könnte es sonst dazu kommen, dass die Mehrheit der Messwerte oberhalb oder die Mehrheit der Messwerte unterhalb des Mittelwerts erfasst werden und so der errechnete Mittelwert verfälscht wird.
Der längere Betrachtungszeitraum führt jedoch dazu, dass der errechnete Signalwert an Aktualität verliert und somit eine gegebenenfalls anschließende Regelung träger ausgelegt werden muss, um ein Schwingen des Gesamtsystems, der Signalerfassung und der Regelung zu vermeiden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Verfahren eingangs genannter Art derart weiterzubilden, dass die Messgenauigkeit bei reduziertem Aufwand erhöht wird und die Qualität einer möglicherweise anschließenden Regelung optimiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Signalerfassung einer mit einer variablen Signalfrequenz schwingenden Messgröße mittels eines elektronischen Steuergeräts tastet das Steuergerät das Signal der Messgröße für einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum zur Erfassung von Messwerten ab und speichert die abgetasteten Messwerte für eine Mittelwertbildung. Dabei wird die Abtastfrequenz zur Erfassung der Messwerte derart gewählt, dass eine Synchronisierung mit der Signalfrequenz der Messgröße verhindert wird.
Dabei kann eine Unterabtastung und damit eine Abweichung vom Shannon'schen Theorem bewusst zugelassen werden.
Der Betrachtungszeitraum ist mindestens der Kehrwert der Signalfrequenz, vorzugsweise aber so lange, dass eine vorgegebene Anzahl von Messwerten erfasst werden kann. Die vorgegebene Anzahl der Messwerte kann insbesondere im Falle einer Unterabtastung derart gewählt werden, dass nach statistischen Erkenntnissen nicht ausschließlich Messwerte oberhalb des tatsächlichen Mittelwerts oder nicht ausschließlich Messwerte unterhalb des tatsächlichen Mittelwerts liegen würden.
Die Abtastfrequenz oder der Betrachtungszeitraum oder die Anzahl der im Betrachtungszeitraum zu erfassenden Messwerte kann in Abhängigkeit von einer bekannten Störgröße vorgegeben werden, wenn sich durch diese Störgröße die Signalfrequenz ergibt. Die Abtastfrequenz oder der Betrachtungszeitraum oder die Anzahl der im Betrachtungszeitraum zu erfassenden Messwerte sind somit variabel.
Die Mittelwertbildung wird vorzugsweise nur aus dem im Betrachtungszeitraum erfassten maximalen und dem im Betrachtungszeitraum erfassten minimalen Messwert vorgenommen.
Die Messgröße ist vorzugsweise eine Regelgröße im Rahmen einer elektronischen Regelung.
Durch diese Erfindung wird die Mittelwertbildung genauer, da unabhängig von der Anzahl der Werte, die oberhalb und unterhalb des Mittelwerts keinen Einfluss mehr haben, die Zufälligkeit des Abtastzeitpunktes entfällt, da nur noch ein Min- und Max-Wert berücksichtig wird.
Der errechnete Mittelwert wird zusätzlich aktueller, da durch eine Ringspeicherung immer der neueste Wert Einfluss nehmen kann, aber nicht zwingend nehmen muss; d. h. fällt beispielsweise der Druck bei einer Druckregelung, sinkt augenblicklich der Mittelwert, dennoch werden normale Druckschwankungen durch die Art der Mittelwertbildung eliminiert.
Zusätzlich ergibt sich ein Kostenvorteil, da gezielt eine Unterabtastung ohne Qualitätseinbuße zugelassen werden kann, womit ein kleinerer Rechner und günstigere Pumpen (Aktuatoren) sowie Sensoren verwendet werden können.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Sie zeigt einen Fall, bei dem über die Pumpendrehzahl eine Druckregelung durchgeführt wird, wobei der Druck durch die Bauweise der Pumpe abhängig von der Pumpendrehzahl beeinflusst wird.
In der Zeichnung ist ein Solldruck p_soll beispielsweise für die Einspritzleitung eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) in Kraftfahrzeugen als Eingangssignal eines elektronischen Steuergerätes 1 vorgegeben. SCR-Systeme werden zur Emissionsreduzierung insbesondere bei Dieselmotoren durch Einspritzung von beispielsweise Harnstoff in den Abgasstrang eingesetzt. Der Harnstoff wird dabei mittels einer Pumpe über eine Einspritzleitung zu einem Einspritzventil im Abgasstrang gefördert.
Der Solldruck p_soll ist die Führungsgröße eines Reglers 2. Der Regler 2 ermittelt abhängig von der Regeldifferenz Δp eine Drehzahl n als Stellgröße, mit der die Pumpe einer hier nicht im Detail dargestellten Regelstrecke 3 angesteuert wird. Am Ausgang der Regelstrecke 3 wird beispielsweise mittels eines Sensors 4 der Istdruck p_ist gemessen und einem Auswerteblock 5 zugeführt. Der Istdruck p_ist stellt die erfindungsgemäß zu erfassende Messgröße dar, die in diesem Ausführungsbeispiel die Regelgröße einer elektronischen Druckregelung ist. Im Auswerteblock 5 wird ein Mittelwert mw_p_ist, der als Signalgröße der Regelgröße zur Bildung der Regeldifferenz Δp verwendet wird, nach folgendem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt:
Die Ansteuerung der Pumpe über die Drehzahl n erzeugt eine mit einer variablen Signalfrequenz f_S schwingenden Regelgröße p_ist. Das Steuergerät 1 tastet das Signal der Regelgröße p_ist für einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum Δt zur Erfassung von Messwerten, hier der Messwerte P1, P2, P3 und P4, ab. Die abgetasteten Messwerte P1, P2, P3 und P4 werden im Auswerteblock 5 gespeichert. Die Abtastfrequenz f_A zur Erfassung der Messwerte P1, P2, P3 und P4 wird derart gewählt, dass eine Synchronisierung mit der Signalfrequenz f_S der Regelgröße p_ist verhindert wird. Die Abtastfrequenz f_A wird also für eine stochastisch verteilte Abtastung der Messwerte in der Weise gewählt, dass nicht eine Mehrzahl der Messwerte nur oberhalb oder nur unterhalb des tatsächlichen Mittelwertes erfasst wird. Insbesondere ist dabei die Abtastrate 1/f_A nicht ein ganzzahliges Vielfaches der Signalperiode 1/f_S. Beispielweise kann die Abtastrate 1/f_A gleich 5 ms und die Signalperiode 1/f_S gleich 2 ms sein.
Der Betrachtungszeitraum Δt ist hier größer als der Kehrwert 1/f_S der Signalfrequenz f_S. Er wird derart vorgegeben, dass eine vorgegebene Anzahl von Messwerten, hier vier Messwerte, erfasst und abgespeichert werden können. Für die Speicherung der Messwerte kann beispielsweise ein Ringspeicher eingesetzt werden.
Die Abtastfrequenz f_A oder der Betrachtungszeitraum Δt oder die Anzahl der im Betrachtungszeitraum Δt zu erfassenden Messwerte werden in Abhängigkeit von der bekannten Störgröße n' vorgegeben. Diese resultiert aus der Stellgröße n. Unter dem Begriff Störgröße wird auch eine ein Messsignal außerhalb einer Regelung beeinflussende Größe verstanden. Aus der Stellgröße n als Drehzahl ergibt sich die Signalfrequenz f_S. In der Zeichnung sind im Auswerteblock 5 schematisch zwei Beispiele für das Signal der Regelgröße p_ist für zwei unterschiedliche Störgrößenwerte n'₁ und n'₂ gezeigt, wobei n'₂ > n'₁ ist.
Für das Signal im Falle von n'₂ wird eine Unterabtastung zugelassen, da anderenfalls auf Kosten der Rechenleistung und der Regelgeschwindigkeit zu viele Messwerte ermittelt werden müssten. Die Unterabtastung kann beispielsweise ab Überschreiten einer definierten Signalfrequenzschwelle zugelassen werden.
Der Mittelwert mw_p_ist wird im Auswerteblock 5 nur aus dem im Betrachtungszeitraum Δt erfassten maximalen Messwert, also für den Störgrößenwert n'₂ der Messwert P1 oder für den Störgrößenwert n'₁ der Messwert P4, und dem im Betrachtungszeitraum erfassten minimalen Messwert, also für den Störgrößenwert n'₁ der Messwert P3 oder für den Störgrößenwert n'₂ der Messwert P2, gebildet.
Somit ergibt sich als Mittelwert mw_p_ist der Messgröße bzw. Regelgröße p_ist für n'₁ der Wert (P4 + P3)/2 und für n'₂ der Wert (P1 + P2)/2.

Claims

Verfahren zur Signalerfassung einer mit einer variablen Signalfrequenz (f_S) schwingenden Messgröße (p_ist) mittels eines elektronischen Steuergeräts (1), bei der das Steuergerät (1) das Signal der Messgröße (p_ist) für einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum (Δt) zur Erfassung von Messwerten (P1, P2, P3, P4) abtastet und die abgetasteten Messwerte für eine Bildung eines Mittelwertes speichert, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz (f_A) zur Erfassung der Messwerte (P1, P2, P3, P4) derart gewählt wird, dass eine Synchronisierung mit der Signalfrequenz (f_S) der Messgröße (p_ist) verhindert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterabtastung zugelassen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachtungszeitraum (Δt) mindestens der Kehrwert (1/f_S) der Signalfrequenz (f_S) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachtungszeitraum (Δt) derart vorgegeben wird, dass er mindestens der Kehrwert (1/f_S) der Signalfrequenz (f_S) ist und er die Erfassung einer vorgegebenen Anzahl von Messwerten (P1, P2, P3, P4) ermöglicht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz (f_A) oder der Betrachtungszeitraum (Δt) oder die Anzahl der im Betrachtungszeitraum (Δt) zu erfassenden Messwerte (P1, P2, P3, P4) in Abhängigkeit von einer bekannten Störgröße (n') vorgegeben wird, wenn sich durch diese Störgröße (n') die Signalfrequenz (f_S) ergibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert (mw_p_ist) nur aus dem im Betrachtungszeitraum (Δt) erfassten maximalen Messwert und dem im Betrachtungszeitraum erfassten minimalen Messwert gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert (p_ist) die Regelgröße (p_ist) im Rahmen einer elektronischen Regelung ist.