用于机动车辆的发动机的凸轮轴传感器的自动校准的方法与流程

本发明涉及一种用于机动车辆的凸轮轴传感器的自动校准的方法。更具体地，本发明涉及自动地确定安装于机动车辆的发动机的凸轮轴的端部处的具有齿的轮（也被称为标靶）的“失圆度”。

背景技术：

凸轮轴传感器被用于机动车辆中以在发动机燃烧循环中确定不同汽缸的位置，即确定每个汽缸是处于进气阶段、压缩阶段、燃烧膨胀阶段还是排气阶段。这些传感器包括磁场发生器（例如：永磁体）、磁场检测装置（例如霍尔效应单元、磁阻mr单元、巨磁阻gmr单元…）以及用于处理由磁场检测装置所接收的信号的电子电路。被称为有源传感器的这些传感器将数字信号传送到中央处理器以进行处理。

磁场发生器也可以是由磁性材料制成的、呈南极和北极交替的标靶。在这种情况下，根据所使用的检测装置，传感器集成或不集成永磁体。在下文中，南极和北极将被类比为机械标靶的齿和槽。

已知，凸轮轴传感器与联结至凸轮轴的标靶相关联。该标靶呈盘状，该标靶的周围具有齿。这些齿具有相同的高度，但是具有不同的间距（槽）和长度，以便在机动车辆的热机的燃烧循环中实现对汽缸定位的编码（本身已知）。

存在于传感器中的磁场检测装置检测标靶的齿在该检测装置前方的通过，并且所引起的信号允许以本身已知的方式来确定每个汽缸相对于发动机燃烧循环的位置。

为了确定发动机循环中每个汽缸的位置，则观察在标靶的一圈期间由凸轮轴传感器所感测的磁场变化的曲线。该曲线具有一系列方波，这些方波各自对应于标靶的齿。通过测量每个方波之间的间距以及每个方波的持续时间，可以确定每个汽缸相对于发动机燃烧循环的位置。为此，重要的是要保证由传感器所生成的信号的电气沿的位置关于标靶的机械沿的位置的精度。由于这些电气沿中的每一个表示齿的机械沿的通过，因此目的在于将由传感器和标靶相对于彼此以变化的方式隔开所导致的信号相移减小至最小。当磁信号交叉穿过与其幅值成比例的预定切换阈值时，则由传感器所生成的电信号改变状态（高或低）。为此，将该切换（commutation）阈值固定（为幅值的75％，这对应于关于大部分现有标靶的电气沿/机械沿之间的精度的最佳值），以确定限定齿的每个沿的通过时刻。由此，从检测到所感测磁场的第一最大值和第一最小值起，确定切换阈值对应于该幅值的75％，并且如果所测量的磁场的值下降到低于该阈值，则认为检测到下降沿，并且相反地，如果所测量的磁场的值上升到超过该切换阈值，则检测到上升沿（或反之亦然）。

这样使得优化沿的检测时刻。然而，这种方法首先需要所有齿均具有相同的高度并且不存在几何形状缺陷（传感器和标靶）。但是，传感器具有对标靶在凸轮轴上的定位以及对该标靶的几何形状敏感的缺点。

出于成本的原因，标靶是设有预定尺寸和间距的齿的简单金属件，由此大批量生产靶标，且通常呈现不完美的几何形状。特别是，齿相对于标靶的中心不总是具有相同的高度。这种缺陷被称为“失圆度”。这导致标靶的每个齿的上部部分不位于以凸轮轴为中心的同一圆周上。因此，将该问题称为“失圆度”。由于标靶制造的该失圆度会增加将标靶安装在凸轮轴上的失圆度。传感器和标靶之间也存在间隙缺陷，这些缺陷随时间变化并且对温度敏感。

当然，由于凸轮轴传感器测量由齿在传感器前方的通过所产生的磁场的变化，如果一个齿比其它齿更低（或更高），则该齿和传感器之间的间距会相对于其它齿变化，并导致所接收到的磁场的变化。这些磁场变化可能会劣化所执行的测量（使电气沿相对于机械沿的位置的精度劣化），或者甚至可能无法被传感器所解译（由于磁场低于切换阈值而未检测到齿）。因此，由凸轮轴传感器所传送的信号是错误的，并且对发动机循环中每个汽缸的位置的正确确定是出错的，甚至不能获得该确定。

为了缓解这些“失圆度”和/或“间隙缺陷”的现象，现有技术中已知校准磁场检测装置，以考虑该“失圆度”和/或该“间隙缺陷”，并因此向负责确定发动机循环中每个汽缸的位置的中央处理器传送经校正的测量值（电气沿/机械沿精度更高且消除未检测到齿的风险）。

为此，根据齿在传感器前方每次通过时的新的磁场幅值，在每个新齿的最大值和最小值通过之后重新计算切换阈值。

因此，根据对所测量的磁场的最后一个最大值和最后一个最小值，在齿的每次通过之后，重新计算切换阈值。然而，现有技术的这种自动校准凸轮轴传感器的方法具有如下主要缺点：因为实际上，对每个齿重新计算切换阈值并且该切换阈值是不同的，所以该方法在传感器输出处的信号上产生了称为“抖动”（英语中称为“jitters”）的干扰，另外，来自传感器及其放大序列的噪声被添加到所测量的磁场。因此，信号是不可再现的并且在标靶的每圈转动中略微变化。如前所述，信号的这种不可再现性是在自动校准传感器时为了缓解“失圆度”和/或“间隙缺陷”而引起的，并结合有存在于磁信号测量结果上的电子噪声。

例如，当这由vvt（可变气门正时，英语中为variablevalvetiming）系统或者阀相位调节器（即可变分配）控制时，传感器输出信号变化（“抖动”）可能妨碍对凸轮轴的相位偏移的检测。

技术实现要素：

本发明提出了一种自动校准凸轮轴的方法，其允许缓解该缺点。在这种情况下，根据本发明的校准方法允许比现有技术更稳定地传送凸轮轴传感器的输出信号，并且还允许确定并校正标靶的“失圆度”以及传感器和标靶之间的“间隙缺陷”。

本发明提出一种用于机动车辆发动机的凸轮轴传感器的自动校准方法，所述发动机包括至少一个凸轮轴、与该凸轮轴相关联的有齿的、经编码的标靶以及放置在标靶附近的磁场传感器，该磁场传感器用于检测由标靶的齿在传感器附近通过所引起的磁场变化，所述传感器根据预定切换阈值来传送表示标靶的齿和槽的电信号，所述预定切换阈值取决于所述磁场的幅值，所述方法包括连续地测量磁场值，所述方法包括以下步骤：

•在标靶的第一圈旋转期间：

-步骤1：测量对于每个齿的磁场的最大值和最小值，

-步骤2：计算对于所述齿的磁场的幅值，并根据由此计算出的幅值来计算对于每个齿的切换阈值，

所述方法特征在于，其还包括以下步骤：

-步骤3：测量磁场在标靶的一圈旋转中的绝对最小值，

-步骤4：存储所述最大值和所述绝对最小值，

•然后，标靶的每次新的一圈旋转期间：

-步骤5：测量并存储对于每个齿的磁场的新的最大值以及在标靶的一圈旋转中的新的绝对最小值，

-步骤6：将新的最大值和与同一所述齿相关联的在标靶的前一圈旋转时所存储的最大值之间的差值的绝对值与同一所述齿的最大值和标靶的前一圈旋转的绝对最小值之间的差值的绝对值进行比较，

如果新的最大值和标靶的前一圈旋转的最大值之间的差值的绝对值大于标靶前一圈旋转的最大值和绝对最小值之间的差值的绝对值的一百分比，

即，如果

|bmaxi-bmax’|>k×|bmaxi-bmin|

其中：

k：介于0.003至0.1之间（即介于0.3％至10％之间）的因子，

bmaxi：对于给定齿，在标靶的前一圈旋转期间所存储的磁场的最大值，

bmaxi’：对于给定的同一齿，在标靶的新的一圈旋转期间的磁场的新的最大值，

bmin：在标靶的前一圈旋转期间所存储的磁场的绝对最小值。

则：

•步骤7：采用新的最大值并采用前一圈旋转时所存储的绝对最小值，计算切换阈值，并且将标靶的前一圈旋转时所存储的最大值替换为所述新的最大值。

否则：

•步骤8：采用标靶的前一圈旋转时所存储的最大值和绝对最小值来计算切换阈值，

•步骤9：对标靶的每次新的一圈旋转重复步骤5至步骤8。

因此，对于标靶的每次新的一圈旋转而言，并未对于齿的每次通过均重新计算切换阈值。将标靶的一圈旋转的新的磁场最大值与标靶的前一圈旋转的最大值逐齿地进行比较。根据该比较结果，换言之，如果新的最大值与标靶的前一圈旋转的最大值（根据上文提到的预定标准）不同，则更新切换阈值。另外，为了计算切换阈值，仅考虑磁场的单个最小值，即绝对最小值，而不是如现有技术中那样，考虑每个齿的最小值。

本发明的方法允许显著降低传感器的输出信号上的变化（抖动）。

优选地，在每次将电力应用至凸轮轴传感器时，实施标靶的第一圈旋转。

本发明还涉及一种用于机动车辆发动机的凸轮轴传感器，所述发动机包括至少一个凸轮轴、与该凸轮轴相关联的有齿的、经编码的标靶以及放置在标靶附近的磁场传感器，该磁场传感器用于检测由齿在传感器附近通过所引起的磁场变化，所述传感器连续地测量磁场的值并且根据预定切换阈值来传送表示标靶的齿和槽的电信号，所述预定切换阈值取决于所述磁场的幅值，所述传感器包括：

•用于在齿的每次通过时测量磁场的最大值和最小值的测量装置，

•用于计算每个齿的磁场的幅值并计算切换阈值的计算装置，

所述传感器特征在于，其还包括：

•用于在标靶的一圈旋转时测量磁场的绝对最小值的测量装置，

•用于存储与所述齿相关联的最大值以及标靶的一圈旋转中的绝对最小值的存储装置，

•针对每个齿用于将新的最大值和与所述齿相关联的标靶的前一圈旋转时所存储的最大值之间的差值的绝对值与所述齿的最大值和标靶的前一圈旋转的绝对最小值之间的差值的绝对值进行比较的比较装置，

•根据比较结果计算切换阈值的计算装置。

本发明也适用于包括根据前述权利要求所述的凸轮轴传感器的所有机动车辆。

附图说明

通过阅读后文参照附图（以示例性而非限定性的方式）所做的描述，将更好地理解本发明的其它特征和优点，在附图中：

-图1是表示凸轮轴传感器及相关联的标靶的横截面示意图，

-图2示出了在标靶旋转的第一圈旋转期间由与标靶相关联的传感器所感测的磁场变化曲线的示例，

-图3示出了在标靶第一圈旋转之后的一圈旋转期间由与标靶相关联的传感器所感测的磁场变化曲线的示例。

具体实施方式

根据在图1至图3中所描述和呈现的实施例，凸轮轴传感器10包括铁磁性元件11以及磁场检测装置12（例如霍尔效应单元）。该传感器10将数字信号传送至中央处理器13。

与该传感器10相关联的标靶14呈金属盘15的形状，该金属盘15以紧固的方式固定至凸轮轴16。该标靶在其周围上设有高度h1、h2、h3不同并且长度l1至l3以及间距（槽）s1至s3变化的多个齿d1、d2、d3（在所示的示例中为3个）。这些变化的长度和间距以本身已知的方式构成编码。

以下描述这种传感器10与标靶14的组件的运行。

当标靶14通过凸轮轴16被驱动旋转（图1中的箭头f）时，传感器10感测到磁场b的一系列变化，这表示在该传感器10前方通过的齿d1、d2、d3的长度l及齿的间距s1、s2、s3。因此，例如在标靶第一圈旋转区间所获得曲线如图2所示。

在该图2中，横坐标轴表示从0°变化到360°的发动机循环的角度α，并且纵坐标轴表示所感测的磁场b（根据间隙进行归一化的场）的值。如图2所示，齿d1、d2、d3不具有相同的高度h1、h2、h3并且标靶14具有微小的几何形状缺陷。因此，对于三个齿中的每一个而言，齿d1、d2、d3的每次通过时由传感器10所感测到的最大的场均发生变化并且分别等于bmax1、bmax2、bmax3。类似地，齿d1、d2、d3每次通过时由传感器10所感测到的最小的场随着每个齿变化并且分别等于bmin1、bmin2、bmin3。在该图2中，可以识别出三个齿d1、d2、d3的通过，其中前两个齿（d1、d2）相对接近，第一齿d1比第二齿d2更宽，并且第三齿d3的通过更窄并且距第二齿d2更远。这实际上对应于图1中所呈现的标靶14的几何形状。

已知，当感测到的磁场b变得高于或低于预定切换阈值时，则检测到齿的沿通过，其中该预定切换阈值与在齿的通过时所感测到的场的幅值成比例（例如（bmax1-bmin1）的75％）。

阈值在图2中以虚线表示。在第一齿d1通过之后，根据以下数学公式计算第二齿的上升沿的切换阈值s2a：

s2a=0.75*（bmax1-bmin1）。

然后，在第二齿通过时的磁场b的最大值bmax2通过后，计算第二齿d2的下降沿的新的切换阈值s2d：

s2d=0.75*（bmax2-bmin1）。

当测量到磁场b的新的最大值或新的最小值时，则在齿的每次通过时重复该方法。

注意到，对于每个齿而言，磁场b的最大值和最小值对应于所记录的最后的最大值和最小值。

例如，为了计算第二齿的上升沿的切换阈值s2a，则在此涉及考虑所记录的磁场b的最后一个最大值和最后一个最小值，即bmax1和bmin1，即第一齿d1通过之后磁场b的最大值和最小值。

类似地，为了计算第二齿的下降沿的切换阈值s2d，使用所记录的最后一个最大值和最小值，在此涉及bmin1和bmax2，即与第一齿d1相关联的磁场b的最小值和与第二齿d2相关联的磁场的最大值。

为了简化起见，此处将对于计算所述齿的切换阈值所考虑的经测量的最后一个最大值或最小值将被称为与所述齿di相关联的“最大值（bmaxi）”和/或“最小值（bmini）”。

然而，与凸轮轴16相关联的标靶14可能呈现随时间变化的几何缺陷。特别地，标靶14可以呈现随时间或温度增加的“间隙”。在这种情况下，当标靶14被驱动旋转时，在第一圈旋转之后一圈时，标靶的齿d1、d2、d3在传感器10前方通过导致如图3所示的磁场b的变化。类似于图2，该曲线在横轴上表示发动机循环的角度α且在纵轴上表示根据传感器10所感测的间隙进行归一化的磁场b。

在这种情况下，注意到，对齿d1、d2、d3中的每一个所分别感测的磁场b的新的最大值bmax1’、bmax2’、bmax3’不等于标靶14在第一圈旋转时对这些相同的齿d1、d2、d3中的每一个所感测的磁场的最大值（参见图2）。实际上，检测到第一齿d1具有新的最大值bmax1’，检测到第二齿d2具有新的最大值bmax2’并且检测到第三齿d3具有新的最大值bmax3’。在每个齿d1、d2、d3通过时由传感器10所感测的磁场b的最小值也是一样的情况。对齿d1、d2、d3中的每一个所分别感测的磁场b的新的最小值bmin1’、bmin2’、bmin3’不等于在标靶14第一圈旋转时对相同的齿所测量的磁场b的最小值（bmin1、bmin2、bmin3）。

在图2和图3所示的情况中，具有：

•bmax1’<bmax1，

•bmin1’>bmin1，

•bmax2’=bmax2，

•bmin2’<<bmin2，

•bmax3’<<bmax3，

•bmin3’=bmin3。

如前所述，根据现有技术已知，一旦对所述齿d1、d2、d3已经测量到磁场b的新的最大值（bmax1’、bmax2’、bmax3’）或新的最小值（bmin1’、bmin2’、bmin3’），则计算齿d1、d2、d3每次通过的切换阈值。

在此，“新的最大值”意指每个齿d1、d2、d3的磁场b的最大值，而不是在标靶14的一圈旋转中所有齿结合在一起时的磁场b的绝对最大值（即，该示例中的所结合的三个齿的磁场的最大值）。

类似地，“新的最小值”意指每个齿d1、d2、d3的磁场b的最小值，而不是在标靶14的一圈旋转中磁场b的绝对最小值，即，在三个齿d1、d2、d3通过之后，在标靶的一圈中所有所结合的齿的磁场b的绝对最小值。

然而，这种校准方法会对传感器10的输出信号产生不期望的干扰。

本发明提出了一种校准方法，其允许使传感器10的输出信号变得“平滑”，该信号比现有技术的信号具有更少干扰。

为此目的，本发明的方法提出，在标靶14的第一圈旋转期间，测量每个齿d1、d2、d3的最大值bmax1、bmax2、bmax3，并对所述齿d1、d2、d3中的每个测量最小值bmin1、bmin2、bmin3（步骤1）。

然后，根据所测量的每个齿d1、d2、d3的最大值bmax1、bmax2、bmax3和最小值bmin1、bmin2、bmin3，计算所述齿d1、d2、d3的磁场幅值，并且根据如此计算的幅值来计算切换阈值（步骤2）。

即：

ai=bmaxi-bmini

并且：

si=k×ai

其中：

si：切换阈值，

k：非零因子（例如等于0.75），

ai：对于齿di的磁场幅值，

bmaxi：对于齿di的最大值，

bmini：对于齿di的最小值。

这种计算切换阈值的方法由现有技术所公知。

然后，本发明还提出一种在标靶14的第一圈旋转期间测量磁场b的绝对最小值bmin（步骤3）。然后，在第四步骤中，存储与每个齿d1、d2、d3相关联的磁场b的最大值bmax1、bmax2、bmax3以及在标靶14的第一圈旋转期间的绝对最小值bmin。（步骤4）。

然后，在标靶14的之后的每圈旋转期间并且对于每个齿d1、d2、d3，本发明的自动校准方法包括以下步骤：在第五步骤（步骤5）时，对于每个齿d1，d2，d3，测量并存储磁场b的新的最大值bmax1’，bmax2’，bmax3’及新的绝对最小值bmin’。然后，对于每个齿d1、d2、d3，将新的最大值bmax1’、bmax2’、bmax3’与在标靶的前一圈旋转期间（即该示例中，标靶14的第一圈旋转期间）所存储的并与相同所述齿d1、d2、d3相关联的最大值bmax1、bmax2、bmax3进行比较（步骤6）。

如果新的最大值bmax1’、bmax2’、bmax3’和标靶14的前一圈旋转的最大值bmax1、bmax2、bmax3之间的差值的绝对值高于所述齿的最大值bmax1、bmax2、bmax3和在标靶14的前一圈旋转期间所测量的磁场b的绝对最小值bmin之间的差值的一百分比，换言之，如果：

|bmaxi-bmaxi’|>k×|bmaxi-bmin|

其中：

k：介于0.003至0.1之间（即介于0.3％至10％之间）的因子，

bmaxi：对于给定齿di，在标靶14的前一圈旋转（在此是标靶的第一圈旋转）期间所存储的磁场的最大值，

bmaxi’：对于同一给定齿di，在标靶14的新的一圈旋转期间的磁场的新的最大值，

bmin：在标靶14的前一圈旋转（在此是标靶的第一圈旋转）期间所存储的磁场的绝对最小值。

然后，对于每个齿d1、d2、d3，采用与所述齿d1、d2、d3相关联的新的最大值bmaxi’和/或（步骤7）（及在标靶14的前一圈旋转期间所存储的绝对最小值bmin）计算切换阈值，并且所存储的值bmax1、bmax2、bmax3由所测量的新的最大值bmax1’、bmax2’、bmax3’所替代。否则，采用在标靶14的前一圈旋转期间所存储的与所述齿d1、d2、d3相关联的最大值bmax1，bmax2，bmax3和绝对最小值bmin来计算切换阈值（步骤8），并且所存储的值（bmax1、bmax2、bmax3）保持不变。

然后，在随后的步骤（步骤9）中，在标靶14的每次新的一圈旋转时，重复步骤5至步骤8。

在图3所示出的情况中，具有：

•在标靶的第一圈旋转中的bmin（参见图2）等于bmin2，即bmin=bmin2，

•bmax1’<bmax1，并且|bmax1-bmax1’|<k×|bmax1-bmin|，因此，标靶的第一圈旋转后的一圈旋转中的第一个齿的下降沿的新的切换阈值s1d’是根据标靶14的第一圈旋转期间所存储的与第一齿d1相关联的磁场b的最大值bmax1和最小值bmin3（对于标靶14的每圈旋转，在第一齿d1之前的齿是第三齿d3）所计算的，并且等于标靶14的第一圈旋转期间第一齿的下降沿的切换阈值s1d，s1d’=s1d，并且所存储的值bmax1不被修改，值bmax1不会由bmax1’所替代；

·bmax2’=bmax2，因此，在标靶14的第一圈旋转之后的一圈旋转期间，第二齿的下降沿的新的切换阈值s2d’等于标靶14的第一圈旋转期间第二齿的下降沿的切换阈值s2d’，具有s2d’=s2d，并且所存储的值bmax2不被修改，并且不会由bmax2’所替代，

•bmax3’<<bmax3，并且|bmax3-bmax3’|>k*|bmax3-bmin|，因此，根据bmin和bmax3’来计算在标靶的第一圈旋转之后的一圈旋转中的切换阈值s3d’；更新所存储的值bmax3并由bmax3’所替代。

因此，根据本发明的校准方法，在齿d1、d2、d3的每次通过时，只有如果与所述齿d1、d2、d3相关联的磁场b的新的最大值bmax1’、bmax2’、bmax3’与在标靶14的前一圈旋转期间所测量的与同一所述齿d1、d2、d3相关联的最大值bmax1、bmax2、bmax3不同时，才会修改切换阈值。两个值之间的差值应该大于预定值，该预定值是根据标靶14的前一圈旋转时每个齿d1、d2、d3的磁场b的最大值bmax1、bmax2、bmax3以及绝对最小值bmin所计算的，使得切换阈值的值被修改。

对于在标靶14的给定的一圈旋转中用于计算切换阈值的最小值，其是前一圈旋转的绝对最小值bmin。

因此，本发明的校准方法可以显著降低传感器10的输出信号上的干扰。

另外，在标靶14的每次新的一圈旋转时，将磁场b的最大值与在标靶14的前一圈旋转期间所测量并存储的最大值进行比较，如果“失圆度”显得缓慢（最小值和最大值的偏移缓慢），则将检测并校正该失圆度。

本发明还涉及一种凸轮轴传感器10，其包括：

•用于测量齿（d1、d2、d3）的每次通过时的磁场（b）的最大值（bmax1、bmax2、bmax3）和最小值（bmin1、bmin2、bmin3）的测量装置，

•用于计算每个齿的磁场的幅值并计算切换阈值的计算装置，

•用于在标靶（14）的一圈旋转期间测量磁场的绝对最小值（bmin）的测量装置，

·用于在标靶（14）的一圈旋转期间存储与所述齿（d1、d2、d3）相关联的最大值（bmax1、bmax2、bmax3）和绝对最小值（bmin）的存储装置，

•比较装置，其用于对每个齿（d1、d2、d3）将新的最大值（bmax1’、bmax2’、bmax3’）和与所述齿（d1、d2、d3）相关联的在标靶（14）的前一圈旋转时所存储的最大值（bmax1、bmax2、bmax3）之间差值的绝对值与标靶（14）的前一圈旋转的最大值（bmax1、bmax2、bmax3）和绝对最小值（bmin）之间的差值的绝对值进行比较，

·根据比较结果计算切换阈值（s1d、s2a、s2d、s3a、s3d、s1d’、s2a’、s2d’、s3a’、s3d’）的计算装置。

测量装置、存储装置、用于计算磁场b的幅值的装置、比较装置和用于计算切换阈值的计算装置（例如）是集成在传感器10中的软件装置。

因此，本发明巧妙地允许减少凸轮轴传感器的输出信号上的干扰，同时一旦出现“失圆度”，则检测并校正“失圆度”。