专利名称：引擎曲轴转角与转速的估测方法
技术领域：
本发明提供一种引擎曲轴转角与转速的估测方法，特别涉及一种利用时间基础法以处理量测取得的曲轴讯号，并利用极点配置法、解黎卡提方程式及解黎卡提的无穷时间域等方法，以取得所需的回馈增益值矩阵，进行闭回路状态估测曲轴转角与转速。本发明也包含使用一曲轴行程判别方法，以辅助处理曲轴动态取样讯号的计算。
背景技术：
一般广泛用于市场上且属较为先进的内燃机(即引擎)，大都配设有一引擎控制单元(Engine Control Unit，ECU)，用以读取相关引擎的曲轴转角、转速、加速度...等等基本讯号。其中曲轴转角讯号可提供点火正时及燃油正时的控制，而曲轴转速及加速度讯号则可用以预估引擎指示扭力及进行故障诊断。且知，ECU是通过曲轴旁侧一能同步运转的飞轮，通过飞轮上设置的曲轴转角感知器，以检知上述曲轴运转讯号。但由于感知器的讯号容易受到外界杂讯的干扰，导致计算结果并不可靠。
在处理暨计算曲轴讯号的先前技术中，包含有一种位置基础法(Position-Based)，需要得知飞轮上较多的齿数讯号(例如180或360齿)，才能得到一较精确的曲轴转角位置，也因此需求较大的ECU处理能力，以避免因齿数讯号过多而导致程序在运算时发生中断或记忆空间不足的问题，但此方法所需设备成本较高，故有利用上的困扰。
另一种时间基础法(Time-Based)，可以配合较少的齿数讯号(例如1、4、24或32齿)，以计算得知引擎曲轴转角的位置，故不易发生上述问题，因此基于经济上的考虑，业内较多采用此法以进行引擎的曲轴旋转动态预估，以取得曲轴转角、转速及加速度等讯号。但当有杂讯介入曲轴讯号时，此方法易产生错误的预估结果，因此如何防止杂讯干扰，就成为处理曲轴讯号的首要问题。
为了防止杂讯干扰曲轴讯号，业内有一种利用低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)来过滤曲轴转角感知器中杂讯干扰的方法，以便当曲轴讯号经过LPF计算后所输出的讯号大于预设值时，滤波器会立即输出一电压讯号；但此滤波器会产生延迟的效应，且当杂讯过大时，滤波器则会把该杂讯当作实际讯号输出，预估误差的能力显有不足。
此外，本发明人在台湾公告第I243904号专利技术中，也揭示有一种使用卡尔曼滤波器以预估曲轴转角及转速的方法，包含将一含有预估方程式及观测矩阵的卡尔曼滤波器，装置于引擎的一旋转动态预估系统内，并利用上述一电路讯号处理系统所量测的曲轴转角θ、一引擎扭力预估系统所得知的引擎扭力预估值 以及一引擎扭力负载预估系统所得知的负载扭力预估值 ，进而预估曲轴的转角及转速，以便当杂讯干扰曲轴位置感知器时，可减少对于引擎控制的影响。但此方法需使用引擎的旋转惯性及黏滞系数参数，当此参数有误差时，将会影响到滤波器的预估精确性及系统强健性。
再者，有关极点配置及解黎卡提(Riccati)方程式等取得回馈增益值矩阵的计算方法，以及判别曲轴运转行程的方法，虽属已公开的先前数理运算技术，但尚未见及在引擎曲轴转角与转速的闭回路估测上以及辅助处理曲轴动态取样讯号上被应用，并予陈明。
发明内容
本发明的目的是根据传统时间基础量测法所估测出的曲轴位置，进行闭回路的估测及修正，特别是在外界杂讯干扰感知器所检知的曲轴讯号情况下，可以取得较为精确的曲轴转角与转速。并且，本发明无需借助进气歧管压力讯号及引擎参数，即可进行曲轴转角与转速的估测，故能有效降低外界杂讯可能造成的干扰源，同时也能降低估测设备处理讯号的负荷，进而降低设备成本，并可直接应用在不同的引擎上。
为能达到上述目的，本发明的技术内容包含使用一讯号处理单元，自引擎启动运转时令计时器开始计时，以读取感知器检知的曲轴齿讯，及各齿讯之间由计时器读取的时间差，并计算取得曲轴转速ωk与加速度αk，且在上述计时器归零并重新计时后，根据曲轴转速ωk及曲轴加速度αk，计算取得动态曲轴取样转角θm、转速ωm及加速度αm；及一由离散(Discrete)动态模型设计而成的估测单元，包含由一估测器配合另一回馈增益值矩阵，进行闭回路状态估测，用以滤除杂讯干扰，并估测取得曲轴转角与转速。
且，上述回馈增益值矩阵，可由下列方法制成
其一，使用一极点配置法搭配另一比较系数法，以得到估测器观测系统动态，并比较极点配置与比较系数二方法所取得的回馈增益值矩阵，以取得上述估测单元所需的一回馈增益值矩阵值。
其二，使用一解黎卡提方程式的瞬时解，其中包含融入一预估协方差的更新法则，以得到一能实时更新的回馈增益值矩阵Lk，并据以取得上述估测单元所需的一适应性的回馈增益值矩阵值。
其三，使用上述黎卡提方程式，并解其无穷时间域(Infinite Time Horizon)，以取得上述估测单元所需的一回馈增益值矩阵值。
除上述以外，本发明还包含使用一行程判别单元，读取曲轴转角感知器的曲轴齿讯及由处理单元计算得知的曲轴转速ωm，并检知曲轴上死点(Top Dead Center，TDC)位置，以记录上死点的曲轴转速ωTDC(i)，及与前一次上死点所记录的曲轴转速ωTDC(i-1)作比较，并取得压缩行程上死点及进气行程上死点，以提供曲轴转角计算至720度时的动态归零讯号至讯号处理单元，以辅助讯号处理单元更加精准的计算出上述曲轴动态取样讯号。
本发明由于采取以上设计，其具有以下优点本发明根据传统时间基础量测法所估测出的曲轴位置，进行闭回路的估测及修正，特别是在外界杂讯干扰感知器所检知的曲轴讯号情况下，可以取得较为精确的曲轴转角与转速。并且，本发明无需借助进气歧管压力讯号及引擎参数，即可进行曲轴转角与转速的估测，故能有效降低外界杂讯可能造成的干扰源，同时也能降低估测设备处理讯号的负荷，进而降低设备成本，并可直接应用在不同的引擎上。
图1为本发明的配置流程图。
图2为本发明讯号处理单元的计算流程图。
图3为本发明曲轴讯号取样的示意图。
图4为本发明各齿讯下的曲轴转速动态变化的波形图。
图5为本发明行程判别单元的流程图。
图6为本发明未加入杂讯时估测曲轴转角结果的波形图。
图7为本发明未加入杂讯时估测曲轴转速结果的波形图。
图8为本发明加入杂讯后估测曲轴转角结果的波形图。
图9为本发明加入杂讯后估测曲轴转速结果的波形图。
具体实施例方式
首观图1所示，其揭示出本发明引擎曲轴转角与转速的估测方法的架构，至少包含有一讯号处理单元2及另一转角与转速估测单元3，用以估测曲轴转角5及转速6。此外，本发明也可包含一行程判别单元4，以辅助讯号处理单元2更加精准的处理曲轴讯号。
上述估测方法，主要配置于一可于飞轮11上利用曲轴转角感知器12检知曲轴齿讯及具有一计时器13讯号输出的引擎控制单元10或其周边上，并执行估测引擎的曲轴转角5及曲轴转速6，其方法如下如图2、图3所示；(一)、使用一讯号处理单元2，自引擎启动运转时令计时器开始计时20，读取飞轮上由曲轴转角感知器检知的曲轴齿讯21(如图2所示)，并检测各齿讯上升边缘22，以记录各曲轴转角θk、θk-1的齿讯，及各齿讯之间由计时器所读取的时间差Δtk以及Δtk-1，并由方程式(1)与(2)计算取得曲轴转速ωk与加速度αk，表示如下ωk=θk-θk-1Δtk]]>方程式(1)αk=ωk-ωk-1Δtk-Δtk-1]]>方程式(2)(式中ωk为第k个齿讯的曲轴转速，θk为第k个齿讯的曲轴转角，θk-1为第k-1个齿讯的曲轴转角，Δtk为第k-1个齿讯到第k个齿讯之间时差，Δtk-1为第k-2个齿讯到第k-1个齿讯之间时差，αk为第k个齿讯的曲轴加速度，ωk-1为第k-1个齿讯的曲轴转速)。
上述在检测各齿讯上升边缘22时(如图2、图3所示)，假设曲轴齿讯共有n齿，各齿讯代表一曲轴转角θk或θk-1，当曲轴转角θk被第k个齿讯的上升边缘所触发时，上述处理单元2会记录从第k-1个齿讯到第k个齿讯间之时间差Δtk，且令计时器归零并重新计时24，以利方程式(1)与(2)持续计算，而更新曲轴转速与加速度的记录23。
在上述计时器归零并重新计时24后，讯号处理单元2可以提供本发明其它单元进行曲轴动态取样需求25。换言之，讯号处理单元2可在定加速度的假设情况下，计算取得其它运算单元需求之动态曲轴取样转角θm、转速ωm及加速度αm，以下列方程式(3)、(4)、(5)表示θm=θk+ωkΔt+αkΔt22]]>方程式(3)ωm＝ωk+αkΔt方程式(4)αm＝αk方程式(5)(式中Δt为第k个齿讯到取样需求的时间差)。
(二)使用一离散动态模型，以设计一估测单元3，用以滤除杂讯的干扰，并估测曲轴转角与转速；此离散动态模型能利用下列状态方程式(6)表示xk+1＝Fxk+Guk+Гwk方程式(6)(式中F=1T01,]]>xk＝[θkωk]TG=T2/2T,]]>T为观测系统取样时间，uk＝αm，Г＝G为外界对观测系统的干扰矩阵，wk为外界对观测系统的干扰)。输出向量则以下列方程式(7)表示yk＝Hxk+vk方程式(7)(式中由θm可知H＝[1 0]，vk为感知器量测误差)。
上述估测单元3，能接收讯号处理单元2所计算的曲轴取样转角θm及加速度αm，以估测曲轴的转角及转速。当杂讯干扰曲轴转角感知器时，可减少其对于引擎控制的影响。此估测单元3主要是由一估测器配合另一回馈增益值矩阵，进行闭回路状态估测，且该估测器实质上为一观测系统 其与回馈增益值矩阵能一同以下列方程式(8)表示x^k+1=Fx^k+Guk+L(yk-Hx^k)]]>方程式(8)(式中x^k=θ^kω^kT]]>为估测器的观测系统状态，L＝[L1L2]T为回馈增益值矩阵)。
在设计上述估测单元3前，需先确定该观测系统为可观测系统。当观测矩阵Ω的秩(Rank)为全秩(Full Rank)时，则此观测系统为可观测系统，此观测矩阵Ω能以下列方程式(9)表示Ω=HHF=101T]]>方程式(9)由方程式(9)即可得到方程式(10)表示如下rank(Ω)＝2方程式(10)故从方程式(10)的结果中可得知，此观测系统为可观测系统。
上述回馈增益值矩阵L的设计方法，可分为下列三种方法一为极点配置法，主要是依设计者所选定的观测系统自然频率ωn及阻尼比ζ，并根据标准二阶动态方程式(11)，以得到所需的理想观测系统动态方程式(11)，表示如下z2-a1z+a2＝0 方程式(11)(式中z为离散时间状态，a1=2e-ξωnT(ejωnT1-ξ2+e-jωnT1-ξ2),]]>a2=e-2ξωnT,]]>ωn为自然频率的参数，ζ为阻尼比的参数，T为该观测系统取样时间)。
再利用比较系数的方法，将估测器的极点摆在设计者所决定的极点位置，以得到所需的观测系统动态，其中估测器的观测系统动态，以下列方程式(12)表示z2+(L1-2)z+TL2+1-L1＝0方程式(12)(式中L1及L2为回馈增益值矩阵L值)。
比较上述方程式(11)及(12)，即可求解出回馈增益值矩阵L的值，以下列方程式(13)表示L=L1L2=2-2e-ξωnT1-2e-ξωnT+e-2ξωnTT]]>方程式(13)方法二为解黎卡提方程式的瞬时解，以得到一能实时更新的回馈增益值矩阵Lk；该黎卡提方程式(14)表示为Mk+1＝F[Mk-MkHR-1HTMk]FT+ГQГT方程式(14)(式中F=1T01,]]>Mk为预估协方差Pk的更新法则，H＝[1 0]，R为感知器杂讯变异量，Q为系统干扰的变异量；此两参数均为可调参数)。
上述的预估协方差Pk，能以下列方程式(15)表示Pk＝(Mk-1+HTRH)-1方程式(15)(式中Mk为预估协方差Pk的更新法则)。
利用上述黎卡提方程式(14)配合预估协方差方程式(15)，即可求解出适应性回馈增益值矩阵Lk，如下式所示Lk＝PkHTR-1方程式(16)方法三为利用黎卡提方程式解其无穷时间域，亦即令上述黎卡提方程式(14)中的k为无穷大，以下列方程式(17)表示M∞＝F[M∞-M∞HR-1HTM∞]FT+ГQГT方程式(17)藉以得到所需的回馈增益值矩阵L∞，以下列方程式(18)表示L∞＝M∞HT(HM∞HT+R)-1方程式(18)本发明也包含在上述处理单元2可读取转角感知器12的曲轴齿讯的运作下，附加使用一行程判别单元4(如图1所示)，以读取曲轴齿讯及讯号处理单元2的动态曲轴取样加速度ωm，并根据引擎于各行程下的曲轴瞬间动态变化(如图4所示)，以进行曲轴的行程判别。其中，特别包含利用特定齿讯的方式，如多一齿或少一齿，以得知曲轴上死点。此判别单元4的整体运作流程(配合图4、图5所示)包括有读取曲轴转角感知器的曲轴齿讯21及由处理单元2计算得知的曲轴转速ωm42，并持续进行曲轴上死点(TDC)位置检测43，当测得上死点位置44时，立即记录当时上死点的曲轴转速ωTDC(i)45，并比较上一次上死点(TDC)时所记录下的曲轴转速ωTDC(i-1)46；当ωTDC(i)小于ωTDC(i-1)时，判定为压缩行程上死点46a，反之则为进气行程上死点46b；且当进气或压缩上死点被检测到时，能提供曲轴转角计算至720度时的动态归零讯号至讯号处理单元2，使讯号处理单元2能更加精准的计算出动态曲轴取样转角θm及加速度αm，并有利于提升估测单元3估测曲轴转角及转速的精确性。
在本发明上述方法中，亦可不选用行程判别单元4，此时讯号处理单元2只提供曲轴运转360度的取样转角θm及加速度αm至估测单元3上，同样可让估测单元3计算取得较传统更为精确的曲轴转角及转速。
再者，为能印证本发明上述方法的可行性，将以曲轴转角感知器12直接量测4+1齿之飞轮11(如图1所示)为例，并将杂讯加入曲轴讯号中，以说明本发明估测曲轴转角与转速的结果，及与传统感知器直接量测取得的结果作一比较，陈如以下说明在上述回馈增益值矩阵L的设计方法一中，可设定观测系统自然频率参数ωn＝5(rad/s)，阻尼比参数ζ＝0.707；并设定回馈增益值矩阵L的设计方法二及三中系统干扰的变异量参数Q＝10及感知器杂讯变异量参数R＝10-6。据此首先进行引擎冷(初)启动的模拟(如图6、图7所示)，在图6中揭示出实际量测的曲轴转角不是位在行程初始值零度位置，但却可藉此错误的行程初始值，以观察传统量测方法与本发明上述三种方法估测曲轴位置的变化情形。换言之，当曲轴第一个720度的运转循环中，传统量测与本发明上述三种方法所读取的行程判别初始值并不正确(如图6所示)，但能于曲轴第二个720度的运转循环开始时，逐渐判断出正确的行程；且由于本发明的方法是根据传统时间基础量测法所估测出的曲轴位置，进行闭回路的估测修正，故位置估测的收敛速度会慢于传统方法，同时曲轴转速估测也会受传统位置量测变动的影响(如图7所示)；但在曲轴第三个720度的运转循环后，曲轴转角及转速均能收敛且由于传统量测是直接利用方程式(1)计算曲轴转速，故不会受到其位置计算的影响。
当杂讯于0.48秒加入曲轴转角感知器时，对于曲轴转角及转速估测结果的影响(如图8、图9所示)。首先图8中显示出曲轴转角的估测结果，其中传统量测在遇到一个强度较大的杂讯介入曲轴讯号时，其估测结果将发生错误。而本发明在有杂讯介入时，均能有效地减少杂讯对曲轴转角估测的影响。此外，当杂讯介入时，显示传统量测方法在估测转速时会产生约4000rpm的偏差，而本发明的估测偏差量约只有500rpm(如图9所示)。是以，本发明均能有效地减少杂讯对曲轴转角及转速估测的影响，故优于传统量测方法。
权利要求
1.一种引擎曲轴转角与转速的估测方法，主要是在一可检知曲轴转角感知器的曲轴齿讯及具有一计时器讯号输出的引擎控制单元或其周边上，包括使用一讯号处理单元，自引擎启动运转时令计时器开始计时，以读取感知器检知的曲轴齿讯，及各齿讯之间由计时器所读取的时间差，并根据下列二方程式计算取得曲轴转速ωk与加速度αk，表示如下ωk=θk-θk-1Δtk]]>αk=ωk-ωk-1Δtk-Δtk-1]]>式中ωk为第k个齿讯的曲轴转速，θk为第k个齿讯的曲轴转角，θk-1为第k-1个齿讯的曲轴转角，Δtk为第k-1个齿讯到第k个齿讯之间时差，Δtk-1为第k-2个齿讯到第k-1个齿讯之间时差，αk为第k个齿讯的曲轴加速度，ωk-1为第k-1个齿讯的曲轴转速；在上述计时器归零并重新计时后，根据曲轴转速ωk及曲轴加速度αk，计算取得动态曲轴取样转角θm、转速ωm及加速度αm，以下列方程式表示θm=θk+ωkΔt+αkΔt22]]>ωm＝ωk+Δtαkαm＝αk式中Δt为第k个齿讯到取样需求的时间差；及一由离散动态模型设计而成的估测单元，此离散动态模型以下列状态方程式表示xk+1＝Fxk+Guk+Γwk式中F=1T01,]]>xk＝[θkωk]T，G=T2/2T,]]>T为观测系统取样时间，uk＝αm，Γ＝G为外界对观测系统的干扰矩阵，wk为外界对观测系统的干扰，其输出向量则以下列方程式表示yk＝Hxk+vk式中由θm可知H＝[10]，vk为感知器量测误差，且估测单元包含由一估测器配合另一回馈增益值矩阵，进行闭回路状态估测，该估测器实质上为一观测系统 其与回馈增益值矩阵L一同以下列方程式表示x^k+1=Fx^k+Guk+L(yk-Hx^k)]]>式中x^k=θ^kω^kT]]>为估测器的观测系统状态；L＝[L1L2]T为回馈增益值矩阵)，用以滤除杂讯干扰，并估测取得曲轴转角与转速。
2.根据权利要求1所述的引擎曲轴转角与转速的估测方法，其特征在于更包含使用一行程判别单元，读取曲轴转角感知器的曲轴齿讯及由处理单元计算得知的曲轴转速ωm，并于检知曲轴上死点位置时，记录上死点的曲轴转速ωTDC(i)，及与前一次上死点所记录的曲轴转速ωTDC(i-1)作比较，并取得压缩行程上死点及进气行程上死点，以提供曲轴转角计算至720度时的动态归零讯号至讯号处理单元。
3.根据权利要求2所述的引擎曲轴转角与转速的估测方法，其特征在于所述曲轴转速ωTDC(i)＜ωTDC(i-1)时，判定为压缩行程上死点，曲轴转速ωTDC(i)＞ωTDC(i-1)时，判定为进气行程上死点。
4.根据权利要求1所述的引擎曲轴转角与转速的估测方法，其特征在于所述观测系统 的观测矩阵Ω的秩为全秩，该观测矩阵Ω以下列方程式表示Ω=HHF=101T,]]>并得到方程式rank(Ω)＝2，表示该观测系统为可观测系统。
5.根据权利要求1所述的引擎曲轴转角与转速的估测方法，其特征在于所述回馈增益值矩阵L的设计方法，包括使用一极点配置法，以观测系统自然频率ωn及阻尼比ζ，并根据标准二阶动态方程式，作为理想观测系统的动态方程式，表示如下z2-α1z+α2＝0式中z为离散时间状态，a1=2e-ζωnT(ejωnT1-ζ2+e-jωnT1-ζ2),]]>a2=e-2ζωnT;]]>一比较系数法，将估测器的极点摆在一既定的极点位置，以得到一观测系统动态，其中估测器的观测系统动态，以下列方程式表示z2+(L1-2)z+TL2+1-L1＝0式中L1及L2为回馈增益值矩阵L值；及以下列方程式，比较上述二方程式，以取得回馈增益值矩阵L的值，以下列表示L=L1L2=2-2e-ζωnT1-2e-ζωnT+e-2ζωnTT.]]>
6.根据权利要求1所述的引擎曲轴转角与转速的估测方法，其特征在于所述回馈增益值矩阵L的设计方法为解黎卡提方程式的瞬时解，以得到一能实时更新的回馈增益值矩阵Lk，该黎卡提方程式表示为Mk+1＝F[Mk-MkHR-1HTMk]FT+ΓQΓT式中Mk为预估协方差Pk的更新法则，且该预估协方差Pk，以下列方程式表示Pk＝(Mk-1+HTRH)-1式中Mk为预估协方差Pk的更新法则，据以取得适应性回馈增益值矩阵Lk，以下列方程式表示Lk＝PkHTR-1。
7.根据权利要求6所述的引擎曲轴转角与转速的估测方法，其特征在于所述令黎卡提方程式的k为无穷大，以下列方程式表示M∞＝F[M∞-M∞HR-1HTM∞]FT+ΓQΓT，以取得一回馈增益值矩阵L∞，以下列方程式表示L∞＝M∞HT(HM∞HT+R)-1。
全文摘要
本发明提供一种引擎曲轴转角与转速的估测方法，包含利用一讯号处理单元，将曲轴转角感知器所检知的曲轴齿讯计算成曲轴动态取样讯号；并利用一离散动态模型，设计出包含有估测器及回馈增益值矩阵在内的一估测单元，以读取曲轴动态取样讯号，并进行闭回路状态的估测曲轴转角与转速运作；此外本发明也包含利用一曲轴运转行程判别单元，辅助该讯号处理单元更加精准的计算出曲轴动态取样讯号，据以减少外界杂讯对引擎控制的影响。
文档编号F02D45/00GK101074634SQ20061008052
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月15日 优先权日2006年5月15日
发明者陈柏全, 吴浴沂, 谢丰吉 申请人:陈柏全, 吴浴沂, 谢丰吉