专利名称：频率成分分析装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将针对内燃机的运转参数的检测值的频率成分分析与内燃机的旋转同步来进行的频率成分分析装置。
背景技术：
在专利文献1中公开了这样的信号处理装置使用离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform)算法(以下称为“DFT算法”)和高速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)算法(以下称为“FFT算法”)，进行安装在内燃机上的爆震传感器的输出信号的频率成分分析。FFT算法为了提高运算速度而采用了特殊的算法，因而存在不能获得需要的频率成分(具体地说是爆震传感器输出信号的中心频率成分)的强度的情况。因此，在上述信号处理装置中，针对爆震传感器输出信号的中心频率成分(强度最大的成分)，使用 DFT算法来计算强度，针对中心频率成分以外的频率成分，使用FFT算法来计算强度。专利文献1 日本特开平11-303673号公报爆震传感器输出信号的中心频率成分分析有必要基本上与内燃机的旋转同步进行，因而在内燃机旋转速度高的状态下，需要进一步缩短频率成分分析的运算时间。然而，由于在专利文献1公开的装置中没有考虑到这一点，因而可确保用于使用通过频率成分分析获得的频率成分强度的爆震判别处理的时间缩短，准确的判定很有可能变得困难。
发明内容
本发明是着眼于上述这一点而作成的，本发明的目的是提供这样的频率成分分析装置在与内燃机的旋转同步进行检测参数的频率成分分析时，可更适当地执行频率成分强度运算，特别是可提高在内燃机旋转速度高的状态下的运算速度。为了达到上述目的，本发明提供一种与所述内燃机的旋转同步来进行针对内燃机的运转参数的检测值(VKNK)的频率成分分析的频率成分分析装置。该频率成分分析装置具有采样单元，要素强度计算单元，以及频率成分强度计算单元。所述采样单元以预定时间(TSMP)间隔对所述运转参数进行采样，将采样值转换为数字值。所述要素强度计算单元针对预定数(ND)的采样值计算与所述检测值(VKNK)内包含的多个频率成分对应的第1要素的强度(DMFTS)和相对于所述第1要素相位偏移了 90度的第2要素的强度(DMFTC)。频率成分强度计算单元使用所述第1要素强度(DMFTQ和所述第2要素强度(DMFTC)，与所述内燃机的旋转同步地计算所述多个频率的频率成分强度。而且，当所述内燃机的旋转速度 (NE)在设定阈值(NETH)以上时，所述频率成分强度计算单元将所述第1要素强度的累计值的一部分和所述第2要素强度的累计值的一部分分别置换为上次计算值(TRMS1，TRMC1) 来进行所述频率成分强度(STFT)的计算。根据该结构，以预定时间间隔对内燃机的运转参数进行采样，将采样值转换为数字值。根据获得的数字值，针对预定数的采样值计算与多个频率成分对应的第1要素的强度和相对于第1要素相位偏移了 90度的第2要素的强度，使用第1要素强度和第2要素强度，与内燃机的旋转同步地计算多个频率的频率成分强度。当内燃机的旋转速度在设定阈值以上时，将第1要素强度的累计值的一部分和第2要素强度的累计值的一部分分别置换为上次计算值来进行频率成分强度的计算。因此，在计算频率成分强度时，无需再次进行第 1和第2要素强度的累计运算的一部分，可提高运算速度。其结果，能充分确保使用计算出的频率成分强度的后处理的时间。期望的是，所述设定阈值(NETH)是根据获得所述预定数(ND)的采样值所需要的时间(TS)来设定的。根据该结构，内燃机旋转速度的设定阈值是根据获得预定数的采样值所需要的时间来设定的。具体地说，当内燃机旋转速度增高且频率成分强度的运算周期比获得预定数的采样值所需要的时间短时，在频率成分强度的计算中应用的第1和第2要素的强度的上次计算值和本次计算值的一部分重复，因而能针对该重复的强度使用上次计算值。期望的是，所述设定阈值(NE)是根据所述频率成分强度(STFT)的计算所需要的每单位时间的处理步骤数(赂)来设定的。根据该结构，内燃机旋转速度的设定阈值是根据频率成分强度的计算所需要的每单位时间的处理步骤数来设定的。如上所述，当频率成分强度的运算周期比获得预定数的采样值所需要的时间短时，在频率成分强度的计算中应用的第1和第2要素的强度的上次计算值和本次计算值的一部分重复，因而能针对该重复的强度使用上次计算值。然而，在实际的运算装置中，存在这样的情况通过进行将要素强度的上次计算值应用于频率成分强度的运算的处理，处理步骤数增加，反而招致运算速度的降低。因此，通过将即使进行应用上次计算值的处理、每单位时间的步骤数也不增加的内燃机旋转速度作为设定阈值，可进行与运算装置的性能(特性)对应的适当的强度运算。期望的是，所述频率成分强度计算单元使用在以与所述内燃机的旋转同步的触发信号(CRK中断)的产生定时为中心的预定期间(TS)内获得的采样值来进行所述频率成分强度(STFT)的计算。根据该结构，由于使用在以与内燃机的旋转同步的触发信号的产生定时为中心的预定期间内所采样的数字值来进行频率成分强度的计算，因而可进行以成为对象的内燃机的旋转角度为中心的频率成分分析。其结果，与采用使用在以产生触发信号的时刻为起点的预定期间内或者在以产生触发信号的时刻为终点的预定期间内所采样的数字值的方法相比，可获得难以受到内燃机旋转变动的影响的效果。
图1是示出本发明的一实施方式涉及的内燃机及其控制装置的结构的图。图2是用于说明爆震传感器输出的采样和频率成分分析的图。图3是用于说明计算频率成分强度(STFT)的顺序和定时关系的时序图。图4是用于说明频率成分强度(STFT)的计算期间(TS)和CRK中断的产生周期 (CRME)的关系的时序图。图5是示出发动机转速(NE)和每单位时间的运算步骤数的关系的图。图6是用于说明计算频率成分强度(STFT)的顺序的流程图。
图7是将通过频率成分分析获得的强度数据表示为频谱时序映射图和二值化频谱时序映射图的图。图8是示出进气门的落位噪声的二值化频谱时序映射图的图。图9是为了说明噪声去除处理而示出二值化频谱时序映射图的图。图10是为了说明使用主模式映射图的爆震判定而示出二值化频谱时序映射图的图。图11是示出加权映射图的一例的图。图12是爆震判定处理的流程图。图13是示出在图12的处理中参照的映射图的图。图14是在图12所示的处理中执行的二值化数据映射图计算处理的流程图。图15是在图14所示的处理中执行的二值化处理的流程图。图16是示出在图15的处理中参照的映射图的图。图17是在图12所示的处理中执行的噪声去除处理的流程图。图18是在图12所示的处理中执行的适合率计算处理的流程图。图19是用于说明在图18的处理中参照的映射图的图。图20是在图12所示的处理中执行的噪声学习处理的流程图。图21是在图20所示的处理中执行的噪声映射图更新处理的流程图。图22是示出由爆震传感器检测出的振动的频率成分强度的图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施方式。图1是本发明的一实施方式涉及的内燃机(以下称为“发动机”)及其控制装置的整体结构图，例如在4气缸的发动机1的进气管2的中途配设有节气门3。节气门3与检测节气门开度TH的节气门开度传感器4连接，传感器4的检测信号被提供给电子控制单元 (以下称为“ECU”)5。针对每个气缸，在位于发动机1与节气门3之间、且处于进气管2中的未图示的进气门的稍稍上游侧位置设置有燃料喷射阀6，各喷射阀与未图示的燃料泵连接并与ECU5电连接，根据来自该ECU5的信号来控制燃料喷射阀6的开启时间。在发动机1的各气缸内设有火花塞7，火花塞7与E⑶5连接。E⑶5将点火信号提供给火花塞7。在节气门3的下游侧设有检测进气压PBA的进气压传感器8以及检测进气温度TA 的进气温度传感器9。在发动机1的主体上安装有检测发动机冷却水温度TW的冷却水温度传感器10和非共振型的爆震传感器11。传感器8 11的检测信号被提供给ECU5。作为爆震传感器11，例如使用可检测从5kHz到25kHz的频带的振动的传感器。在进气管2的节气门3的上游侧设有检测吸入空气流量GA的吸入空气流量传感器13，其检测信号被提供给ECU5。E⑶5与检测发动机1的曲轴(未图示)的旋转角度的曲轴角度位置传感器12连接，与曲轴的旋转角度对应的信号被提供给ECU5。曲轴角度位置传感器12由以下传感器构成在发动机1的特定气缸的预定曲轴角度位置输出脉冲(以下称为“CYL脉冲”)的气缸判别传感器；针对各气缸的吸入行程开始时的上止点(TDC)，在预定曲轴角度之前的曲轴角度位置(在4气缸发动机中是每180度曲轴角度)输出TDC脉冲的TDC传感器；以及以比TDC脉冲短的一定曲轴角度周期(例如6度的周期)产生1个脉冲(以下称为“CRK脉冲”)的CRK传感器，CYL脉冲、TDC脉冲以及CRK脉冲被提供给E⑶5。这些脉冲用于燃料喷射正时、点火正时等的各种正时控制、发动机转速(发动机旋转速度)NE的检测。发动机1具有气门工作特性改变装置20，气门工作特性改变装置20具有第1气门工作特性改变机构和第2气门工作特性改变机构，第1气门工作特性改变机构连续变更进气门(未图示)的气门升程量和开启角(气门开启期间)，第2气门工作特性改变机构连续变更驱动进气门的凸轮的以曲轴旋转角度为基准的工作相位。ECU5将升程量控制信号和工作相位控制信号提供给气门工作特性改变装置20，进行进气门的工作控制。第1和第2气门工作特性改变机构的结构分别在例如日本特开2008-2M18号公报和日本特开 2000-227013号公报中示出。ECU5由以下电路等构成具有对来自各种传感器的输入信号波形进行整形，将电压电平修正为预定电平，将模拟信号值转换为数字信号值等的功能的输入电路；中央运算处理单元(以下称为“CPU”)；存储由该CPU执行的各种运算程序和运算结果等的存储电路 (存储器)；以及将驱动信号提供给燃料喷射阀6和火花塞7的输出电路。在本实施方式中，进行爆震传感器11的输出信号的频率成分分析，根据该分析结果获得的频率成分强度进行爆震判定。因此首先，说明频率成分分析的概要。图2(a)示出爆震传感器11的输出信号波形，图2(b)是将该图2(a)的期间TS的波形进行放大示出的图。在本实施方式中，将采样周期TSMP设定为20微秒，以连续检测出的50个数据作为对象，进行基于离散傅立叶变换(DFT)的频率成分分析。该频率成分分析的结果如图2(c)所示。图2(c)的纵轴是频率成分强度STFT，在本实施方式中，与从5kHz到25kHz的频带中的每IkHz的频率(5，6，7，…，24，25kHz)对应的频率成分强度STFT是针对每6度曲轴角度计算出的(发动机1的曲轴每旋转6度)。图3是用于说明上述频率成分分析的时序图，图3 (a)示出与依次存储有通过每20 微秒对爆震传感器11的输出信号进行采样获得的50个检测数据VKNK (数字值)的存储器的地址对应的地址编号，图3 (b)示出使用检测数据VKNK所计算的正弦波成分强度DMFTS 和余弦波成分强度DMFTC对应于检测数据VKNK被存储在存储器内的状态。地址编号与图 3(a)相同，对应于1个检测数据VKNK的采样值，每1毫秒计算与从频率5kHz到25kHz的 21个频率对应的正弦波成分强度DMFTS和余弦波成分强度DMFTC，将它们存储在存储器内。图3(c)示出从曲轴角度位置传感器12输出的CRK脉冲，在本实施方式中，CRK脉冲的下降定时被用作运算执行定时的基准(以下称为“CRK中断”)。在本实施方式中，存储有发生CRK中断的定时，使用与在以该定时为中心的采样期间TS中获得的50个检测数据对应的正弦波成分强度DMFTS和余弦波成分强度DMFTC来计算各频率(5 25kHz)的频率成分强度STFT (j，i)(图3(d))。这里，“j”是表示频率的指数参数(以下称为“频率指数”)，j = 0、l、2、…、20对应于频率5、6、7、…、25kHz。“i”是表示发生CRK中断的曲轴角度CA(将活塞位于上止点时的角度位置设定为0度)的指数参数(以下称为“曲轴角度指数”)，i = 0、1、2、…、14对应于曲轴角度6、12、18、…、90度。在图3所示的例子中，指数参数m(= 1 50)表示在频率成分强度STFT (j，i)的计算中应用的数据。在最开始的CRK中断定时，使用以地址编号“5”的检测数据(对应于m = 25的检测数据)为中心的50个数据来计算频率成分强度STFT(j，i)，在下一个CRK中断定时，使用以地址编号“45”的检测数据(对应于m = 25的检测数据)为中心的50个数据来计算频率成分强度STFT(j，i+1)。另外，频率成分强度STFT(j，i)是表示相对强度的
无量纲量。通过将在频率成分强度STFT(j，i)的计算中应用的数据作为以与m = 25对应的检测数据为中心的50个数据，换句话说，在以CRK中断发生定时为中心的采样期间TS中获得的50个检测数据，可进行以作为对象的曲轴角度为中心的频率成分分析。其结果，与采用使用在以发生CRK中断的时刻为起点的采样期间内或者在以发生CRK中断的时刻为终点的采样期间内所采样的检测数据的方法相比，可获得难以受到内燃机旋转变动的影响的效^ ο图4是示出CRK中断发生周期CRME和在频率成分强度STFT的计算中应用的检测数据的采样期间(表示为“STFT计算”)TS的关系的图。图4(a)示出发动机转速NE是 IOOOrpm的例子，采样期间TS和中断产生周期CRME —致。因此，当发动机转速NE超过 IOOOrpm时，采样期间TS—部分重复。图4(b)示出发动机转速NE稍高于2000rpm的例子， 采样期间TS的重复部分变长。在本实施方式中，在这样采样期间TS重复的状态下，通过使用上次计算值作为与重复部分相关的正弦波成分强度DMFTS的累计值和余弦波成分强度DMFTC的累计值，缩短频率成分强度STFT的计算所需要的运算时间。不过，在使用上次计算值的运算中，当可使用的重复数据数的比率小时，依赖于运算装置的特性，每单位时间的处理步骤数增加。图5所示的实线Lll表示在本实施方式中使用的CPU中的在使用了上次计算值的情况下的每单位时间的处理步骤数NS和发动机转速NE的关系，在达到转速NESAT (以下称为“步骤数饱和转速NESAT”)之前，处理步骤数NS 增加，在NE ^ NESAT的范围内为一定值NSSAT。因此在本实施方式中，将阈值NETH设定为步骤数饱和转速NESAT，当发动机转速NE在阈值NETH以上时，进行使用上次计算值的运算。图5所示的虚线L12表示在使用FFT(高速傅立叶变换)算法的情况下的发动机转速NE和处理步骤数NS的关系。从图5可以看出，在使用FFT算法的情况下，相对于发动机转速NE的增加，处理步骤数NS线性增加，与此相对，通过进行使用DFT算法、且在发动机转速NE高的区域(NE > NESAT)使用上次计算值的运算，能抑制处理步骤数NS的增加。图6是示出频率成分强度STFT计算顺序的流程图。在步骤Sl中，取得检测数据 VKNK，在步骤S2中，根据下述式(1)和(2)计算正弦波成分强度DMFTS (j，k)和余弦波成分强度DMFTC(j，k)。这里，指数参数k是图3(b)所示的地址编号，取从“1”到ND(在本实施方式中是“50”)的值。并且At相当于(采样周期XND)，在本实施方式中是1毫秒。DMFTS (j, k) = VKNK(k) X sin {2 π X (j+5) X1000X AtXk/ND} (1)DMFTC(j，k) = VKNK(k) X cos {2 π X (j+5) X 1000XAtXk/ND} (2)每个采样周期(20微秒)执行步骤Sl和S2的处理。在步骤S3中，判定是否发生了 CRK中断，当未发生时回到步骤Si，在发生了 CRK中断的定时，判别发动机转速NE是否在阈值NETH以上。当NE < NETH时，根据不使用上次使用数据的下述第1式(A)计算频率成分强度STFT，另一方面，当NE > NETH时，根据使用上次使用数据的下述第2式(B)计算频率成分强度STFT (j，i)。指数参数m是被设定成使发生了 CRK中断时的地址编号k为“25”的修正地址编号(参照图3(d))。指数参数mp是在上次计算时应用的修正地址编号，mx是上次边界指数，my是本次边界指数，分别由下述式 (3)和⑷给出。
权利要求
1.一种频率成分分析装置，该频率成分分析装置与内燃机的旋转同步地进行针对所述内燃机的运转参数的检测值的频率成分分析，所述频率成分分析装置具有采样单元，其以预定时间间隔对所述运转参数进行采样，将采样值转换为数字值；要素强度计算单元，其针对预定数目的采样值计算与所述检测值中包含的多个频率成分对应的第1要素的强度以及相对于所述第1要素相位偏移了 90度的第2要素的强度；以及频率成分强度计算单元，其使用所述第1要素强度和所述第2要素强度，与所述内燃机的旋转同步地计算所述多个频率的频率成分强度，当所述内燃机的旋转速度大于等于设定阈值时，所述频率成分强度计算单元将所述第 1要素强度的累计值的一部分和所述第2要素强度的累计值的一部分分别置换为上次的计算值来进行所述频率成分强度的计算。
2.根据权利要求1所述的频率成分分析装置，其中，所述设定阈值是根据获得所述预定数目的采样值所需要的时间而设定的。
3.根据权利要求1所述的频率成分分析装置，其中，所述设定阈值是根据所述频率成分强度的计算所需要的每单位时间的处理步骤数而设定的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的频率成分分析装置，其中，所述频率成分强度计算单元使用在以与所述内燃机的旋转同步的触发信号的产生定时为中心的预定期间内获得的采样值来进行所述频率成分强度的计算。
5.一种频率成分分析方法，该频率成分分析方法与内燃机的旋转同步地进行针对所述内燃机的运转参数的检测值的频率成分分析，所述频率成分分析方法具有以下步骤a)以预定时间间隔对所述运转参数进行采样，将采样值转换为数字值；b)针对预定数目的采样值计算与所述检测值中包含的多个频率成分对应的第1要素的强度以及相对于所述第1要素相位偏移了 90度的第2要素的强度；以及c)使用所述第1要素强度和所述第2要素强度，与所述内燃机的旋转同步地计算所述多个频率的频率成分强度，当所述内燃机的旋转速度大于等于设定阈值时，将所述第1要素强度的累计值的一部分和所述第2要素强度的累计值的一部分分别置换为上次的计算值来进行所述频率成分强度的计算。
6.根据权利要求5所述的频率成分分析方法，其中，所述设定阈值是根据获得所述预定数目的采样值所需要的时间而设定的。
7.根据权利要求5所述的频率成分分析方法，其中，所述设定阈值是根据所述频率成分强度的计算所需要的每单位时间的处理步骤数而设定的。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的频率成分分析方法，其中，所述频率成分强度计算单元使用在以与所述内燃机的旋转同步的触发信号的产生定时为中心的预定期间内获得的采样值来进行所述频率成分强度的计算。
全文摘要
本发明提供一种与内燃机的旋转同步来进行针对内燃机的运转参数的检测值的频率成分分析的频率成分分析装置。以预定时间间隔对运转参数进行采样，将采样值转换为数字值。针对预定数的采样值计算与检测值内包含的多个频率成分对应的第1要素的强度和相对于第1要素相位偏移了90度的第2要素的强度。使用第1要素强度和第2要素强度，与内燃机的旋转同步地计算多个频率的频率成分强度。当内燃机的旋转速度在设定阈值以上时，将第1要素强度的累计值的一部分和第2要素强度的累计值的一部分分别置换为上次计算值来进行频率成分强度的计算。
文档编号G01M15/00GK102165172SQ20098013779
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月9日 优先权日2008年9月26日
发明者义煎将之, 仓内淳史, 北村夏子, 小松弘崇, 广田和彦, 明本禧洙, 村上真, 高木治郎 申请人:本田技研工业株式会社