专利名称：位置与速度电子传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置与速度传感器，更为具体地讲，涉及适用于确定例如火花点火发动机中喷射和点燃可燃混合物的时间的位置与速度传感器。
传统的通称为“编码器”且用于多缸发动机的位置与速度传感器，一般包括一个按发动机曲轴速度几分之一的速度或与发动机曲轴速度同步地转动的轮盘。这种轮盘通常在其圆周上具有多个位置指示器或标识，和特定位置指示器，当通过传感器时便产生一串脉冲，可供分析确定曲轴以及发动机每个汽缸中活塞的速度与位置。
通常，这种传感器所产生的位置和速度数据的精度要求决定轮盘上要有许多通常为齿，槽，磁条形式的或其它可以迅速被传感器检测到的标识。一般地，在编码器盘的圆周上应分布有许多等间距的齿，以提供良好的角分辨率，最好是360°的因子，例如15°，30°或45°。齿和一个或多个传感器一起产生电信号能使高精度确定的速度和位置用于发动机工作的控制。
可以理解，对于识别多缸发动机的每个汽缸中每个活塞上止点(TDC)位置的特定位置标识进行检测的需要，会产生一些具体问题。每个汽缸正确TDC位置的检测，是确定适当点火时间，有时是产生每个汽缸所需可燃混合物的喷射时间，的关键所在。精确地确定TDC位置方面的失误，可能带来发动机不良点火的问题，且因此可能对发动机的性能产生不良影响。
这种失误是很有可能出现的，除非传感器非常先进，因为发动机在工作中可能会发生很多变化，这将妨碍精确地确定TDC位置或者每个汽缸中活塞的任何其它适当位置。例如，在标识之间使用内插法进行脉冲定位，而通常不考虑加速给测量带来的困难。因此，由于曲轴的转动速度随加速或减速变化，使得信号脉冲不能在所需角度发生，且持续时间或长或短，所以点火和喷射过程可能被不正确地定时。当标识数目减少时，其结果会更坏。在特定位置指示器只是与其它位置指示器的角宽度稍稍不同的情况下，(即为了确定一个绝对角位置而采取的一种典型情况下)，可能难以识别出特定位置指示器。而且，在直接喷射式的双二冲程发动机中，适于曲轴每转一圈发生一次喷射过程和一次点火过程，而不是四冲程发动机的每两圈一次。所以，为了确保在比例如四冲程发动机中可用时间小的时间间隔内对喷射和点火的定时进行正确控制，需要采用复杂的电路。
还有一个问题是，许多现有技术的系统不能提供发动机沿与所需方向相反方向转动的指示。不正确转动的后果是对发动机的性能与寿命极为有害。
Motorola公司的美国专利US．4941445公开了一种位置电子传感器装置，它有一对传感元件，以通过检测发动机转动的槽轮的角位置来提供有关多缸发动机循环控制的分离的独立的位置信号。当使用许多位置指示器来产生发动机控制所要求的足够精确的位置和发动机速度数据时，就需要有三个不同角宽度的特定位置指示器。除了一对传感元件之外，还需要复杂的控制单元分析所产生的两个独立脉冲串。显然，两个传感器，带有几个角宽度的特定位置指示器的多齿结构的位置传感器装置，不仅结构复杂，而且造价较高。
Caterpillar公司的澳大利亚专利AU．626828公开了一种带有齿轮的装置，该齿轮有多个标识，其中的特定位置指示器与其它位置指示器具有不同的角宽度。在这种情况下，一个传感器起作用，以提供所需的位置与速度数据。而其多齿结构造价比较高。
上述各个方案的困难是在制造方面有问题，且因此而较为昂贵，尤其是在发展中国家。就此而言，由于齿、槽或其它类型标识的间距对上述传感器性能来说是关键性的，所以上述种类的编码器轮盘需要容差很小地进行浇铸。对不曾引进过进行这种制造所需设备的发展中国家而言，这些因素合起来将产生过多的花费。此外，市场可能无力支付用此方法制造的超值的传感器。
本发明的目的是提供一种发动机位置与速度传感器，它能减少或减轻至少一部分上述问题。
根据这一目的，本发明提供了一种位置与速度传感器，包括一可绕其轴驱动旋转的圆形元件，所述的圆形元件上装有两个角宽度不相同的位置指示器；一个相对于且相邻于圆形元件定位的传感器装置，该传感器装置装有一个传感元件，用于检测每个位置指示器经过该传感元件的行程(passage)，并响应于该行程产生一个对应于每个检测到的位置指示器的行程的电信号，该信号具有与所探测到的位置指示器的角宽度相对应的持续时间；和处理电信号以产生有关圆形元件角位置和角速度信息的装置。
优选地，两个位置指示器是圆形元件上的单独的位置指示器。
优选地，除了提供角位置和角速度信息之外，处理电信号的装置还可以另外产生圆形元件转动方向的信息。
位置与速度传感器适于为位置与速度电子传感器，且圆形元件被安置成按发动机曲轴速度的几分之一或成倍的速度转动，或与发动机曲轴速度同步地转动。优选地，用传感元件依次地检测出位置指示器，以便在检测到第一位置指示器之后很快检测第二位置指示器。
两个位置指示器的所在位置可以任意选取，但彼此间分开的距离应该使得识别一个位置指示器与另一个时不成问题，尤其是应可以补偿瞬时加速和减速，和可以提供有关角速度和位置的最新信息，以实现发动机临界状态的精确定位并确定其转动方向。
优选地，两个位置指示器适于安置在圆形元件上，以便当为了安排点火和喷射过程而需要角速度和位置信息时，可以提前在大多数发动机工作条件下迅速确定角速度和位置。即，两个位置指示器适宜安置在一个角位置处，该角位置与另一个对应于发动机特定位置〔如发动机汽缸的上止点(TDC)位置〕的特定角位置隔开一个已知的角宽度。这个已知的角宽度可以根据例如对应于TDC位置而需要点火和喷射等某些过程的情况，按角度单位确定。
优选地，第一位置指示器应该安置在从与发动机汽缸TDC对应的位置起140°的弧之内，TDC位置可以方便地但非必须地由圆形元件上一个分立的位置指示器标示出。第二位置指示器可以安置在第一位置指示器与活塞TDC位置之间的一个易于精确确定所需的点火和喷射过程的时间的优选位置上。例如，其它位置指示器的中心可以位于从第一位置指示器中心起15°或更优选为25°的弧上。
不位于与喷射或点火过程对应的位置上，而在这些过程之前，最好不超过140°的位置上的位置指示器，适于分开大于10°左右的间隔，以便在第二位置指示器的行程之前能够简单地处理表示第一位置指示器行程的信号。位置指示器的间隔还应当便于在一个压印过程中制作圆形元件。
而且有利的是，选择一个位置指示器的角宽度或角范围比另一个大，从而易于鉴别这两个位置指示器，并产生如下文将详细说明的转动方向信息。
优选地，当发动机以正确方向转动时，在检测到较小的位置指示器之后传感元件检测较大的位置指示器。这一点在位置指示器对应于汽缸TDC位置设置或在其前设置的情况下尤其需要。在此情况下，当汽缸压力随着活塞接近TDC而增加时，活塞的运动减慢，并使第二位置指示器显得比实际要大。换句话说，当由于活塞接近TDC而使圆形元件或盘转动速度变慢时，可检测到第二位置指示器的时间比活塞未接近TDC时更长。因而，如若位置指示器相对安置，且使较小指示器在较大指示器之后通过传感元件，则由于圆形元件转动速度的降低，较小的位置指示器可能有时显得较大。这会在识别两个位置指示器时产生困难。
同样地，为了易于识别当检测到第一位置指示器时或之后可能发生的迅速加速或减速状态，位置指示器的前述结构也是需要的。与上述同理，后沿位置指示器也可能相应显得较小或较大，所以上述位置指示器结构可方便地解决这类问题。
本发明的位置与速度传感器尤其适用于单缸发动机。单传感器装置利于应用到单缸发动机的情况，从而可简化发动机控制单元电路，实现节约发动机制造成本的优点。
但是位置与速度传感器同样可以用于多缸发动机。例如，可采用沿着圆形元件周边彼此分开诸如180°等间隔的两个传感器装置。此外，也可以采用设置在圆形元件上的两个指示器和一个传感器装置。而且，还可以包含一个与第一对位置指示器分开180°间隔的位置指示器。在后一种情况下，在用第一对位置指示器应付反向转动方向的同时，其它汽缸的过程定时可以用附加位置指示器加强。
所以，上述发动机速度与位置传感器可提供位置指示器通过的时间，而且在选用TDC位置指示器的情况下，当位置指示器不同的角宽度已知，且位置指示器的位置与TDC位置之间的关系也已知时，TDC位置的通过时间可以用简单的方法迅速计算出来。同样，主要发动机过程的定时，诸如喷射和点火，可以也高精度地被确定，从而很好地控制发动机的性能。这种精度对直接喷射式两冲程发动机尤为重要，在该发动机中燃料喷射和点火过程的定时比四冲程发动机间隔时间更短且更为靠近，故要求尤其高。在本中请人正在开发的发动机中，点火过程的发生和喷射过程的发生之间的关系尤其重要。即，对于给定的速度-载荷特性，开始喷射与点火起始之间是互相制约的。
优选地，位置指示器可以这样定位和安排位置指示器之间的角宽度是圆形元件转动时检测的第二位置指示器与TDC位置之间宽度的因子。这样安排易于处理，并可以采用较简单的移位寄存器控制器。
如上所述，发动机位置与速度传感器还可以用于确定发动机转动的方向。所以，本发明还提供一种确定发动机转动方向的方法，其中一传感器装置检测位于编码器轮上不同角宽度的两个位置指示器的行程，它包括将与发动机工作条件下通过所述传感器装置的所述位置指示器的行程相对应的电信号中提取出的数据，与对应于第一转动方向电信号的数据相比较，并指示出与所述第一方向相反的方向，其中所述的提取数据的变化范围比对应于所述第一转动方向数据的可接受范围大。
发动机工作条件通常可以视为在第一次转动或发动机准备启动或空转(通常低于2000rpm)时所产生的电信号。优选地，位置指示器有不同的角宽度，以使其通过传感器装置的行程可产生出易于识别的电信号，如前文所述。
尽管在发动机工作条件下通过所述传感器装置的位置指示器的行程中提取的全部电信号可以用于上述的比较，但是，从电信号中提取的数据最好更为集中，且可以从信号持续时间、信号幅度或其它参数或其微分中选择。这可以使处理过程更简单，成本利用率高。
提取的数据是从原始电信号的“调整”中获得的。主要是，提取的数据能使更多的电信号的有用或可用部分得到处理。例如，负电压时工作的部分是不需要的，因此提取的数据可以例如只根据电信号的第一正部分得出。通常，包含在提取数据中减少的信息由易于处理的数字信号代表。提取的信号可以按一定算法处理，以提供参照微处理器或其它装置中的查询地图(look-up map)比对得出来的数值，以确定发动机的转动方向。
在这样一个实施例中，例如按照下述方法，可以比较与每一位置指示器相对应的信号持续时间，且结果确定之后，便可以获得发动机的转动方向。与周长尺寸比第二位置指示器短的第一位置指示器通过传感器装置的行程相对应的脉冲持续时间是t1。与周长尺寸较大的第二位置指示器通过传感器装置的行程相对应的脉冲持续时间是t2。对应第一位置指示器的第一脉冲结尾与对应第二位置指示器的第二脉冲结尾之间的延时是t3，而且第一位置指示器脉冲结尾与后续第一位置指示器脉冲的开始之间的延时是t4。如若nt3＜t4，n是小于t4／t3的任何数，其中t4和t3是在发动机按正确方向转动时计算出来的，且这个值适宜选出以便于用廉价微处理器进行简单处理，则发动机是按第一正确方向转动的。如果nt3＞t4，则转动方向是与第一方向相反的第二错误方向。t4也可以乘以一个参数m，尽管任何所要求的参数都可以采用，但优选的是等于1。允许信号数据中有误差。通过检测转动方向，可以避免由于其严重受损可能引起发动机损伤的转动条件。例如，在检测到发动机反向转动的情况下，可以停止燃料的喷射或采取其它动作，如防止点火，最终使发动机停下来。这可简单地让操作者知道出错的条件所在，并让操作者从新启动发动机。这一特征特别适用于手动启动发动机，诸如拉动起动和反冲启动的发动机。
反向转动的检测适于由按上述方式安排的第一和第二位置指示器决定，即，使得较大角宽度的指示器在角宽度较小的指示器之后正常地通过。
所以，根据本发明的另一个方面，提供了一种确定发动机转动方向的方法，其中用一传感器装置检测位于一编码器轮上两个不同角宽度的位置指示器的行程，以提供对应于各个位置指示器行程的电信号，每个信号有一个前沿和一个后沿，将每个位置指示器所对应电信号后沿之间行程的经历时间t3和系数n之积，与随着编码器轮转动而产生的第一位置指示器前后沿之间行程的历时t4作比较，其中n小于t4／t3且根据正确转动方向的情况计算出来，当nt3＜mt4时，确认转动是沿着正确方向的，而当nt3＞mt4时，转动是沿着错误方向的。
一般地，n等于2，m等于1，但是用简单微处理器常规实现的任何乘数都可以采用。可以允许信号数据有误差。本发明检测反向转动的这个方面可以包括其它的变化。例如，t3可以等于第一位置指示器的前沿与第二位置指示器后沿行程之间的计时。t4可以等于依编码器转动次序的第一位置指示器后沿与第一位置指示器后沿行程之间的计时。
检测反向转动的上述方法，可应用于任何具有至少两个其角宽度不同并沿着编码器轮周边间隔开的位置指示器的多齿编码器。。
例如，在24齿编码器丢失一齿(实际23齿)，且一个位置指示器A的角宽度比剩余齿B小的情况下，A和B可以与其间的间隔一起用于识别转动方向。
如果发动机按正确方向转动，过程的预期次序将是A，丢失的齿或间隔B。如果次序相反，则为反向转动。有利的是，可以在提供方向识别的同时，实现高精度的速度与位置指示。
优选地，传感器装置是简单结构的，且磁阻或电感型传感器可以认为是最方便的，尽管其它传感器装置，如光学传感器和霍尔效应传感器等，也可以采用。
通过下文参考附图对位置与速度传感器结构和原理的说明，将可以更好地理解其工作原理，其中
图1是本发明传感器和编码器轮的示意图；图2表示位置指示器的尺寸，图1传感器装置产生的一串电信号，以及两冲程发动机中由相应的点火与喷射过程控制电路所产生的处理后的信号；以及图3表示图1传感器装置用于反向转动检测时产生的一串电信号。
参考图1，其中表示一个绕通过发动机(未表示)曲轴长度方向的假想轴2转动的编码器轮1。编码器轮1以与曲轴速度同步地，或以该速度的几分之一(比如说一半)的速度转动。
编码器轮1周边上间隔着有两个位置指示器，第一位置指示器3和第二位置指示器4。第二位置指示器4具有比第一位置指示器3更大的角宽度。
位置指示器3和4可以方便地由磁性材料、反射材料、或可以被位于编码器轮1附近的传感器5检测到的材料制成，或者可以含有一部分这些材料。传感器5被定位，最好是紧邻编码器轮1，以便能依次检测到位置指示器3和4通过传感器5的行程。在位置指示器3和4包含磁性材料的情况下，传感器5可以是在位置指示器3和4通过期间检测磁场强度变化的磁阻型传感器。简而言之，磁性材料通过磁阻型传感器的行程在该传感器中产生一个可以记录的电压，且其幅值的确定可以用于提供一个电信号，该信号代表下文将要说明的图2轨迹线A所示行程。
当然，传感器5不一定是磁阻型的传感器，且编码轮1也不一定包含磁性材料。尽管采用廉价传感器是优选的，但对传感器5的唯一要求是能迅速检测到位置指示器3和4的行程。例如，光学传感器可以在位置指示器3和4通过传感器5时用于检测反射率或透过率的变化，或者也可以使用霍尔效应或其它传感器。
而且，位置指示器3和4不一定是齿型的，槽或指示器3和4的任何其它简便设计也可以使用。不仅如此，优选的是采用既造价低廉又易于检测的位置的指示器结构。主要是易于检测位置指示器3和4的行程和易于利用表征位置指示器3和4行程的电信号，以提供在内燃机控制过程中有用的信息。
位置指示器3和4最好分开一个角度，该角度应能在位置指示器3和4通过传感器5的行程电信号之间实现快速识别。为了下文清楚起见，位置指示器4的角宽度最好是位置指示器3角宽度的倍数。例如，位置指示器4可以有10°的角宽度，而位置指示器3的角宽度是5°。为了易于制造，从检测和确保编码器轮1寿命的要求角度考虑来确定所选的角宽度。例如，如果构成位置指示器3和4的齿太窄，则可能在检测方面有困难，或有损坏齿的风险并且对检测精度产生的不利影响太大。
而且，如果位置指示器3和4的角宽度太小，将可能出现下述问题。应理解，在正常工作条件下，发动机的曲轴是可以呈现可变的加速或减速过程。而且，这种短暂的加速或减速过程可以发生在发动机的一次转动中。这种可变的加速或减速过程的潜在影响，可以从图2的轨迹线B反映出来，其中表示出每个位置指示器3和4所对应的信号。当位置指示器的角宽度更为接近时，信号也更为相似。如果加速和减速的参数起作用，将会发现，代表每个位置指示器3和4行程的信号可能更相象，在此情况下，将不能进行信号间的识别，而这对于确定转动方向、对喷射和点火过程定时的精确控制、进而对于发动机的有效工作，都是关键的。在可变加速或减速的条件下，传感器5实际上变得几乎没有用处。
例如，若角宽度较大的位置指示器4仅稍稍大于另一位置指示器3，且较大的指示器4在较小的指示器3之后通过传感器5，则恰好在较小的指示器3通过传感器5之后或通过期间编码器轮1发生的短暂加速运动，将会导致较大指示器4行程所产生的信号显得较小，因为其通过传感器5行程中的速度较快。在此情况下，两个指示器3和4行程产生的信号可能是不可区分的。从而导致较差的识别本领。这一问题可以通过适当选择指示器3和4的角宽度加以避免。
具体到所用的不同角宽度，位置指示器3和4的中点彼此分开α角，该角在发动机很可能经历的整个加速和／或减速范围内足以实现位置指示器3和4通过传感器5行程所对应的电信号间的识别。这也可通过反复试验来确定，而且位置指示器3和4中点之间的角度在10°至40°的范围，适合于在大多数发动机工作条件下完成识别。与之类似，位置指示器3和4角宽度之比R是1．5∶1至3∶1，将在发动机工作条件下提供可接受的识别。尽管如此，应该指出，不同的位置指示器3和4角宽度之比R可以用于采用其它传感器的场合，如霍尔效应传感器或光学传感器。可以看出，在图1所示编码器轮1的情况下，α为25°而R等于2∶1。
但是应当注意，位置指示器的角宽度在采用零值点检测时不能超过某个值，因为这会导致生成信号零点的不可确定，如下文所述可得到的。而且，角宽度应不小于某个值，以避免信号幅值太小而不能用于确定发动机位置与速度。
位置指示器4的中点在编码器轮1上的位置相对于发动机汽缸(未示出)内活塞上止点(TDC)位置分开一个已知角宽度β。该TDC位置在图1中简单表示为“TDC”，且通过实验确定。应注意，如前文所述，如果需要可以在编码器轮1上设置一选用的TDC位置指示器。
角宽度β可以任意选取，但适宜在大多数发动机控制主要过程出现的角宽度之内。一般地，β可以从TDC起在80°至120°之间。在图1所示编码器轮1中，β接近上止点之前(BTDC)100°。在这段之内，将出现发动机控制中的大多数过程，即喷射和点火。但是本发明不局限于出现在0°至100°BTDC范围中的发动机控制过程。因此，位置指示器3和4位于编码器轮1上，以使得可以在大多数发动机工作条件下在需要进行点火和喷射过程之前确定角速度和位置信息。
现在参见图2，其中表示了当使用本发明的位置与速度传感器，并将所得处理后信号轨迹线用于发动机控制中时，位置指示器3和4的角宽度，传感器5产生的一电信号轨迹线。轨迹线A表示位置指示器3和4的物理尺寸。轨迹线B对应于从位置指示器3和4依次通过传感器5(电感型传感器)的行程中产生的电信号。轨迹线C表示出来后所得信号。当位置指示器3靠近传感器5时，感应出一个由轨迹线B代表的电压信号。来自于传感器5的电压信号位置部分用于作处理。于是，当轨迹线B上升信号通过预定阈值时，对应于位置指示器3的第一沿a被触发；当轨迹线B的信号通过c点处的零值时第二沿b被触发，该点c精确对应于给出精确角位置参考点的位置指示器3的位移中心d。位置指示器4的情况与之相类似。
如前文所述，位置指示器3和4的通过次序是不同时的，其中位置指示器3的角宽度比位置指示器4窄。当随着指示器4通过传感器5，编码器轮1上的位置指示器4上所在位置对应于活塞接近TDC时发动机减慢下来的时侯，由于窄的位置指示器3所对应的电信号易于与变宽的位置指示器4所对应的电信号相区别，所以识别能力得以提高。而且，两个电信号之间的对比也得到加强，它有助于识别并且提高了发动机工作控制所用的位置与速度信息质量。
如上所述，传感器5响应于通过传感器5的位置指示器3和4的行程所感应出的记录电压，穿过作为每个通过传感器5的位置指示器3，4中点的零值。所以，在出现过零电压行程时的检测将可以识别每个位置指示器3和4中点通过传感器5的时刻。而且，反映在某一给定时刻位置指示器3，4正通过传感器5的电压信号幅值有助于确定位置指示器3，4是否通过了传感器5。按此方法，每当位置指示器3通过了传感器5，就可以从位置指示器4通过传感器5所花费的时间中确定发动机的角速度，也就是说，位置指示器3和4的检测时间不相同。而且，由于TDC位置与位置指示器3和4都分开一个已知的角宽度，所以发动机汽缸中活塞相对于TDC的位置可以在任何给定时间点迅速确定下来。按此方式，可以实现发动机操作的精确定时，诸如燃料或空气的适时喷射和点火。通过在需要对这些操作定时之前确立转动速度，可以在没有复杂电路和处理的情况下使精度得到提高。
因此，用于分析TDC位置和其它所需过程的电路可以非常简单。例如，已知对于图1所示编码器轮1，活塞TDC位置的行程出现在位置指示器4中点之后100°处。而且，位置指示器3的中点在位置指示器4中点之前25°处通过传感器5，于是位置指示器3和4中点通过传感器5的行程之间的持续时间可以用于确定发动机转动的瞬时速度。
所以，用于确定TDC位置的微处理器可以是编程的以在位置指示器4中点通过传感器5的行程之后的算出延时处标识出“TDC”。在本实施例中，通常用参数4乘以位置指示器3和4中点所对应脉冲之间记录的持续时间。因此，仅有移位功能而没有更多复杂乘法功能的微处理器，可以用于提供精确的TDC定时。如果需要，可以包括在燃料喷射和点火过程定时期间有更高精度的百分比功能。这种微处理器可以为本领域普通技术人员轻易获得和使用。然后，在出现TDC时计算的时间可以用作发动机控制中将要控制的重要过程所依据的基准时间。现将对其作出说明。
直接喷射燃料／空气混合物并有一个汽缸的两冲程循环发动机，通常在特定角度时刻BTDC喷射混合物。经过一个短暂的时间后火花点火。这种发动机和所用的喷射系统公开在本申请人的PCT专利申请No．PCT／AU94／00210中，其涉及的内容作为本文的参考。当打开电磁阀激活的喷射器喷嘴时，开始喷射过程，且在电容式放电点火系统中的电容器放电产生点火火花之后迅速发生点火过程。这种电容式放电点火系统公开在本申请人的PCT专利申请PCT／AU93／0064中，其内容在此作为参考。但是应注意，点火不一定是必须由电容式放电点火系统产生，可以采用其它已知的点火系统。
一般来说，在发动机载荷和速度低的情况下，喷射定时的结尾将在10°至70°BTDC范围内出现，且对于点火一般出现在BTDC之前0°-50°范围内，比如25°。在高载荷工作条件下，空气和燃料的喷射可以在发动机冲程的下止点(BDC)位置之前进行，尤其在速度超过3000rpm时。因此，本发明的位置与速度传感器可以在低和高载荷工作条件下用于确定燃料喷射和点火过程的定时。
位置与速度传感器产生一个对应于发动机转速的信号，然后，获得位置指示器3与TDC位置行程之间的时间。由此可以计算出到应该喷空气与燃料的TDC之前点的时间。如果任意选择75°BTDC作为应喷射空气与燃料的时间，则用位置指示器3和4行程之间延时编程的ECU将产生对应于该延时的信号t1。然后在位置指示器4中点通过传感器5之后，即由于位置指示器4的中点通过零点而使零点检测器检测到磁阻型传感器5中产生的电压时，ECU需要在t1时刻打开喷射器喷嘴。
如果在比如50°BTDC处需要点火，可以在零点检测完成之后等于2t1的时间内通过点燃火花塞而实现。这种控制可以用便宜的位移功能控制器容易地实现。如果包括百分比功能，则可以得到更高的精度。所以，如果需要在55°BTDC时点火，可以将计算出的在通过传感器5的位置指示器4中点行程之后需要完成喷射的时间t1，简单移动4并乘以一个百分比45％，以提供点火时间。
类似的分析可以用于确定发动机高载荷和高速度时的喷射和点火定时。
现在考虑位置与速度传感器检测发动机是否按正确方向转动的方法，可以参考图3，其中表示了一个可以用于反向转动检测的装置。
每个位置指示器3和4花费一定的时间通过传感器5。位置指示器3通过传感器5行程所用时间可以表示为t1，而位置指示器4通过传感器5行程所用时间可以表示为t2。位置指示器3后沿与位置指示器3前进中的前沿之间行程花费的时间可表示为t4。位置指示器3后沿与位置指示器4后沿之间行程花费的时间可表示成t3；如图3中所示。
然后微处理器可以在两倍t3与t4之间作比较。如果2t3＜t4，则正确方向转动。如果2t3＞t4，则转动方向不正确，且发动机将停止工作。如上所示，这可以通过暂停发动机的燃料喷射或点火而实现。图3强调，在正确方向转动的情况下t4比t3大得多，于是这种比较可以很有效地用于确定发动机的转动方向。从图3可知，在转动方向不正确的情况下，t3特别接近t4。而且，上述的算法或比较程序可以在多齿编码器中产生很好的效果，该多齿编码器大大多于两个齿，比如24齿，且具有两个可按与本发明两个位置指示器相同的方法识别的位置指示器。
尽管参数2被用于上述实施例中，假定n＜t4／t3，则在转动方向正确的基础上进行计算时，任何适合的乘数n都可以使用，当然出于便于处理考虑参数2是优选的。
编码器轮1的制造可以用廉价的压印机经简单压印操作，低成本地完成，而且传感器5和微处理器电路即使在发展中国家也可以容易而廉价地获得。当本发明的编码器轮1用在位置指示器3和4彼此靠在一起的场合下，廉价压印是可行的，而且简单压印处理即可满足生产最终编码器轮的全部要求。所以，适用于例如小型摩托车的编码器可以廉价地进行制造。
本领域普通技术人员可以对上述实施例作各种改动或改变。这种改动或改变均属于本发明的范围。例如，传感器5可以设置在编码器轮1上，而位置指示器3和4位于与编码器轮1相邻的固定位置上，以便与转动的传感器5响应。
权利要求
1．一种发动机位置与速度传感器，包括一可绕其轴驱动以与发动机速度直接相关的速度转动的圆形元件，所述的圆形元件在其圆周上装有两个不同角宽度分隔开的位置指示器；相对于所述圆形元件定位的传感器装置，该传感器装置适于在圆形元件转动时检测每个所述位置指示器经过的行程并响应于所述各行程分别产生电信号，其特征在于产生该电信号的位置指示器带有角宽度特征，和处理电信号以产生有关圆形元件角位置和角速度信息的装置。
2．如权利要求1所述的发动机位置与速度传感器，其中两个位置指示器是安置在圆形元件上的单独的位置指示器。
3．如权利要求1或2所述的发动机位置与速度传感器，其中所述的传感器装置适于从所述电信号产生表示圆形元件转动方向的信息。
4．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中该位置指示器依次被该传感器装置检测，从而在检测第一位置指示器之后很快就检测第二位置指示器。
5．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中两个位置指示器分开的距离选择成能使它们彼此易于区分。
6．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中两个位置指示器安置在圆形元件上，以便当需要进行点火和喷射时，能提前迅速地确定角速度和位置信息。
7．如权利要求4所述的发动机位置与速度传感器，其中所述的第一位置指示器安置在从圆形元件上对应于发动机汽缸中活塞的上止点位置的位置开始的一个特定角宽度范围内。
8．如权利要求7所述的发动机位置与速度传感器，其中所述的第二位置指示器安置在所述第一位置指示器与所述上止点位置之间。
9．如前述权利要求4至8中任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中第一位置指示器位于从圆形元件上对应于上止点位置的位置起140°的圆弧之内。
10．如前述权利要求4至9中任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中所述的第二位置指示器位于所述第一位置指示器前方不小于10°的圆弧处。
11．如前述权利要求4至10中任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中所述的第二位置指示器位于所述第一位置指示器前方的15°与25°弧之间。
12．如前述权利要求4至11中任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中位置指示器被安置成使得其间的角宽度是第二位置指示器与上止点位置之间的角宽度的因数。
13．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中位置指示器按照能通过压印处理方便地制作出来的方式彼此紧邻安置。
14．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中位置指示器所在的位置为与上止点位置相对应的位置之外的位置。
15．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中位置指示器所在的位置为与喷射或点火过程相对应的位置之外的位置。
16．如前述权利要求4至15中任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中第一位置指示器的角宽度小于第二位置指示器的角宽度。
17．如权利要求16所述的发动机位置与速度传感器，其中较大的第二位置指示器在较小的第一位置指示器之后由传感器装置检测。
18．如前述任一权利要求所述的发动机位置与速度传感器，其中发动机是单缸发动机。
19．一种利用权利要求1所述的发动机位置与速度传感器确定发动机转动方向的方法，其中传感器装置提供一个响应于通过该传感器装置的每个位置指示器前沿与后沿的行程的电信号，所述的方法包括响应于每个位置指示器前沿与后沿的行程产生一个相应信号，其中将每个位置指示器相应电信号后沿之间行程的经历时间t3和系数n之积，与随着圆形元件转动而产生的第一位置指示器前后沿之间行程的历时t4作比较，其中n小于t4／t3，从而当nt3＜mt4时，确认转动是沿着正确的方向的，当nt3＞mt4时，转动的方向是错误的。
20．一种确定发动机转动方向的方法，其中用一传感器装置检测位于编码器轮上两个位置指示器的行程，它包括将与发动机工作条件下通过所述传感器装置的所述位置指示器的行程相对应的电信号中提取的数据，与对应于第一转动方向的电信号数据相比较，并且在所述的提取数据与对应于所述第一转动方向的数据之差大于可接受范围时，指示检测到的转动方向与上述第一方向相反。
21．一种确定发动机转动方向的方法，其中用一传感器装置检测位于编码器轮上的两个位置指示器的行程，以提供对应于各个位置指示器行程的电信号，每个信号有一个前沿和一个后沿，将每个位置指示器相应电信号后沿之间行程的经历时间t3和系数n之积，与随着编码器轮转动而产生的第一位置指示器前后沿之间行程的历时t4作比较，从而当nt3＜t4时，确认转动是沿着正确方向的，当nt3＞t4时，转动是沿着错误方向的。
22．如权利要求20至22中任一权利要求所述的方法，其中n等于2，m等于1。
全文摘要
一种位置与速度传感器,包括可绕其轴转动的圆形元件(1)。该圆形元件(1)带有两个其角宽度不相同的位置指示器(3,4)。一个传感器装置(5)相对于且相邻于圆形元件(1)定位。该传感器装置(5)具有一个传感元件,用于检测每个位置指示器(3,4)经过该传感元件的行程。传感器装置(5)响应于每个探测到的位置指示器(3,4)的行程产生一个电信号。该信号具有与所探测到的位置指示器(3,4)的角宽度相对应的延时。还包括一个处理电信号的装置,以产生关于圆形元件角位置和角速度的信息。同时还公开了利用位置与速度传感器装置(5)进行反向转动检测的方法。
文档编号G01P3/42GK1205773SQ96199099
公开日1999年1月20日 申请日期1996年11月20日 优先权日1996年11月20日
发明者马丁·约翰·塞比斯, 史蒂芬·米切尔·巴索 申请人:轨道工程有限公司