引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法

專利名稱：引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，特別涉及一種利用時(shí)間基礎(chǔ)法以處理量測(cè)取得的曲軸訊號(hào)，并利用極點(diǎn)配置法、解黎卡提方程式及解黎卡提的無窮時(shí)間域等方法，以取得所需的回饋增益值矩陣，進(jìn)行閉回路狀態(tài)估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。本發(fā)明也包含使用一曲軸行程判別方法，以輔助處理曲軸動(dòng)態(tài)取樣訊號(hào)的計(jì)算。
背景技術(shù)：
一般廣泛用于市場(chǎng)上且屬較為先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)(即引擎)，大都配設(shè)有一引擎控制單元(Engine Control Unit，ECU)，用以讀取相關(guān)引擎的曲軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、加速度...等等基本訊號(hào)。其中曲軸轉(zhuǎn)角訊號(hào)可提供點(diǎn)火正時(shí)及燃油正時(shí)的控制，而曲軸轉(zhuǎn)速及加速度訊號(hào)則可用以預(yù)估引擎指示扭力及進(jìn)行故障診斷。且知，ECU是通過曲軸旁側(cè)一能同步運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪，通過飛輪上設(shè)置的曲軸轉(zhuǎn)角感知器，以檢知上述曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)訊號(hào)。但由于感知器的訊號(hào)容易受到外界雜訊的干擾，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果并不可靠。
在處理暨計(jì)算曲軸訊號(hào)的先前技術(shù)中，包含有一種位置基礎(chǔ)法(Position-Based)，需要得知飛輪上較多的齒數(shù)訊號(hào)(例如180或360齒)，才能得到一較精確的曲軸轉(zhuǎn)角位置，也因此需求較大的ECU處理能力，以避免因齒數(shù)訊號(hào)過多而導(dǎo)致程序在運(yùn)算時(shí)發(fā)生中斷或記憶空間不足的問題，但此方法所需設(shè)備成本較高，故有利用上的困擾。
另一種時(shí)間基礎(chǔ)法(Time-Based)，可以配合較少的齒數(shù)訊號(hào)(例如1、4、24或32齒)，以計(jì)算得知引擎曲軸轉(zhuǎn)角的位置，故不易發(fā)生上述問題，因此基于經(jīng)濟(jì)上的考慮，業(yè)內(nèi)較多采用此法以進(jìn)行引擎的曲軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)估，以取得曲軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及加速度等訊號(hào)。但當(dāng)有雜訊介入曲軸訊號(hào)時(shí)，此方法易產(chǎn)生錯(cuò)誤的預(yù)估結(jié)果，因此如何防止雜訊干擾，就成為處理曲軸訊號(hào)的首要問題。
為了防止雜訊干擾曲軸訊號(hào)，業(yè)內(nèi)有一種利用低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)來過濾曲軸轉(zhuǎn)角感知器中雜訊干擾的方法，以便當(dāng)曲軸訊號(hào)經(jīng)過LPF計(jì)算后所輸出的訊號(hào)大于預(yù)設(shè)值時(shí)，濾波器會(huì)立即輸出一電壓訊號(hào)；但此濾波器會(huì)產(chǎn)生延遲的效應(yīng)，且當(dāng)雜訊過大時(shí)，濾波器則會(huì)把該雜訊當(dāng)作實(shí)際訊號(hào)輸出，預(yù)估誤差的能力顯有不足。
此外，本發(fā)明人在臺(tái)灣公告第I243904號(hào)專利技術(shù)中，也揭示有一種使用卡爾曼濾波器以預(yù)估曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的方法，包含將一含有預(yù)估方程式及觀測(cè)矩陣的卡爾曼濾波器，裝置于引擎的一旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)估系統(tǒng)內(nèi)，并利用上述一電路訊號(hào)處理系統(tǒng)所量測(cè)的曲軸轉(zhuǎn)角θ、一引擎扭力預(yù)估系統(tǒng)所得知的引擎扭力預(yù)估值 以及一引擎扭力負(fù)載預(yù)估系統(tǒng)所得知的負(fù)載扭力預(yù)估值 ，進(jìn)而預(yù)估曲軸的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，以便當(dāng)雜訊干擾曲軸位置感知器時(shí)，可減少對(duì)于引擎控制的影響。但此方法需使用引擎的旋轉(zhuǎn)慣性及黏滯系數(shù)參數(shù)，當(dāng)此參數(shù)有誤差時(shí)，將會(huì)影響到濾波器的預(yù)估精確性及系統(tǒng)強(qiáng)健性。
再者，有關(guān)極點(diǎn)配置及解黎卡提(Riccati)方程式等取得回饋增益值矩陣的計(jì)算方法，以及判別曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)行程的方法，雖屬已公開的先前數(shù)理運(yùn)算技術(shù)，但尚未見及在引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的閉回路估測(cè)上以及輔助處理曲軸動(dòng)態(tài)取樣訊號(hào)上被應(yīng)用，并予陳明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)傳統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)量測(cè)法所估測(cè)出的曲軸位置，進(jìn)行閉回路的估測(cè)及修正，特別是在外界雜訊干擾感知器所檢知的曲軸訊號(hào)情況下，可以取得較為精確的曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。并且，本發(fā)明無需借助進(jìn)氣歧管壓力訊號(hào)及引擎參數(shù)，即可進(jìn)行曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)，故能有效降低外界雜訊可能造成的干擾源，同時(shí)也能降低估測(cè)設(shè)備處理訊號(hào)的負(fù)荷，進(jìn)而降低設(shè)備成本，并可直接應(yīng)用在不同的引擎上。
為能達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容包含使用一訊號(hào)處理單元，自引擎啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)令計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，以讀取感知器檢知的曲軸齒訊，及各齒訊之間由計(jì)時(shí)器讀取的時(shí)間差，并計(jì)算取得曲軸轉(zhuǎn)速ωk與加速度αk，且在上述計(jì)時(shí)器歸零并重新計(jì)時(shí)后，根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)速ωk及曲軸加速度αk，計(jì)算取得動(dòng)態(tài)曲軸取樣轉(zhuǎn)角θm、轉(zhuǎn)速ωm及加速度αm；及一由離散(Discrete)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)而成的估測(cè)單元，包含由一估測(cè)器配合另一回饋增益值矩陣，進(jìn)行閉回路狀態(tài)估測(cè)，用以濾除雜訊干擾，并估測(cè)取得曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。
且，上述回饋增益值矩陣，可由下列方法制成
其一，使用一極點(diǎn)配置法搭配另一比較系數(shù)法，以得到估測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，并比較極點(diǎn)配置與比較系數(shù)二方法所取得的回饋增益值矩陣，以取得上述估測(cè)單元所需的一回饋增益值矩陣值。
其二，使用一解黎卡提方程式的瞬時(shí)解，其中包含融入一預(yù)估協(xié)方差的更新法則，以得到一能實(shí)時(shí)更新的回饋增益值矩陣Lk，并據(jù)以取得上述估測(cè)單元所需的一適應(yīng)性的回饋增益值矩陣值。
其三，使用上述黎卡提方程式，并解其無窮時(shí)間域(Infinite Time Horizon)，以取得上述估測(cè)單元所需的一回饋增益值矩陣值。
除上述以外，本發(fā)明還包含使用一行程判別單元，讀取曲軸轉(zhuǎn)角感知器的曲軸齒訊及由處理單元計(jì)算得知的曲軸轉(zhuǎn)速ωm，并檢知曲軸上死點(diǎn)(Top Dead Center，TDC)位置，以記錄上死點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i)，及與前一次上死點(diǎn)所記錄的曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i-1)作比較，并取得壓縮行程上死點(diǎn)及進(jìn)氣行程上死點(diǎn)，以提供曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算至720度時(shí)的動(dòng)態(tài)歸零訊號(hào)至訊號(hào)處理單元，以輔助訊號(hào)處理單元更加精準(zhǔn)的計(jì)算出上述曲軸動(dòng)態(tài)取樣訊號(hào)。
本發(fā)明由于采取以上設(shè)計(jì)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明根據(jù)傳統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)量測(cè)法所估測(cè)出的曲軸位置，進(jìn)行閉回路的估測(cè)及修正，特別是在外界雜訊干擾感知器所檢知的曲軸訊號(hào)情況下，可以取得較為精確的曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。并且，本發(fā)明無需借助進(jìn)氣歧管壓力訊號(hào)及引擎參數(shù)，即可進(jìn)行曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)，故能有效降低外界雜訊可能造成的干擾源，同時(shí)也能降低估測(cè)設(shè)備處理訊號(hào)的負(fù)荷，進(jìn)而降低設(shè)備成本，并可直接應(yīng)用在不同的引擎上。


圖1為本發(fā)明的配置流程圖。
圖2為本發(fā)明訊號(hào)處理單元的計(jì)算流程圖。
圖3為本發(fā)明曲軸訊號(hào)取樣的示意圖。
圖4為本發(fā)明各齒訊下的曲軸轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化的波形圖。
圖5為本發(fā)明行程判別單元的流程圖。
圖6為本發(fā)明未加入雜訊時(shí)估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角結(jié)果的波形圖。
圖7為本發(fā)明未加入雜訊時(shí)估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)速結(jié)果的波形圖。
圖8為本發(fā)明加入雜訊后估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角結(jié)果的波形圖。
圖9為本發(fā)明加入雜訊后估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)速結(jié)果的波形圖。
具體實(shí)施例方式
首觀圖1所示，其揭示出本發(fā)明引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法的架構(gòu)，至少包含有一訊號(hào)處理單元2及另一轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速估測(cè)單元3，用以估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角5及轉(zhuǎn)速6。此外，本發(fā)明也可包含一行程判別單元4，以輔助訊號(hào)處理單元2更加精準(zhǔn)的處理曲軸訊號(hào)。
上述估測(cè)方法，主要配置于一可于飛輪11上利用曲軸轉(zhuǎn)角感知器12檢知曲軸齒訊及具有一計(jì)時(shí)器13訊號(hào)輸出的引擎控制單元10或其周邊上，并執(zhí)行估測(cè)引擎的曲軸轉(zhuǎn)角5及曲軸轉(zhuǎn)速6，其方法如下如圖2、圖3所示；(一)、使用一訊號(hào)處理單元2，自引擎啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)令計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)20，讀取飛輪上由曲軸轉(zhuǎn)角感知器檢知的曲軸齒訊21(如圖2所示)，并檢測(cè)各齒訊上升邊緣22，以記錄各曲軸轉(zhuǎn)角θk、θk-1的齒訊，及各齒訊之間由計(jì)時(shí)器所讀取的時(shí)間差Δtk以及Δtk-1，并由方程式(1)與(2)計(jì)算取得曲軸轉(zhuǎn)速ωk與加速度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為第k個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)速，θk為第k個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)角，θk-1為第k-1個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)角，Δtk為第k-1個(gè)齒訊到第k個(gè)齒訊之間時(shí)差，Δtk-1為第k-2個(gè)齒訊到第k-1個(gè)齒訊之間時(shí)差，αk為第k個(gè)齒訊的曲軸加速度，ωk-1為第k-1個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)速)。
上述在檢測(cè)各齒訊上升邊緣22時(shí)(如圖2、圖3所示)，假設(shè)曲軸齒訊共有n齒，各齒訊代表一曲軸轉(zhuǎn)角θk或θk-1，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角θk被第k個(gè)齒訊的上升邊緣所觸發(fā)時(shí)，上述處理單元2會(huì)記錄從第k-1個(gè)齒訊到第k個(gè)齒訊間之時(shí)間差Δtk，且令計(jì)時(shí)器歸零并重新計(jì)時(shí)24，以利方程式(1)與(2)持續(xù)計(jì)算，而更新曲軸轉(zhuǎn)速與加速度的記錄23。
在上述計(jì)時(shí)器歸零并重新計(jì)時(shí)24后，訊號(hào)處理單元2可以提供本發(fā)明其它單元進(jìn)行曲軸動(dòng)態(tài)取樣需求25。換言之，訊號(hào)處理單元2可在定加速度的假設(shè)情況下，計(jì)算取得其它運(yùn)算單元需求之動(dòng)態(tài)曲軸取樣轉(zhuǎn)角θm、轉(zhuǎn)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為第k個(gè)齒訊到取樣需求的時(shí)間差)。
(二)使用一離散動(dòng)態(tài)模型，以設(shè)計(jì)一估測(cè)單元3，用以濾除雜訊的干擾，并估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速；此離散動(dòng)態(tài)模型能利用下列狀態(tài)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為觀測(cè)系統(tǒng)取樣時(shí)間，uk＝αm，Г＝G為外界對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的干擾矩陣，wk為外界對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的干擾)。輸出向量則以下列方程式(7)表示yk＝Hxk+vk方程式(7)(式中由θm可知H＝[1 0]，vk為感知器量測(cè)誤差)。
上述估測(cè)單元3，能接收訊號(hào)處理單元2所計(jì)算的曲軸取樣轉(zhuǎn)角θm及加速度αm，以估測(cè)曲軸的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。當(dāng)雜訊干擾曲軸轉(zhuǎn)角感知器時(shí)，可減少其對(duì)于引擎控制的影響。此估測(cè)單元3主要是由一估測(cè)器配合另一回饋增益值矩陣，進(jìn)行閉回路狀態(tài)估測(cè)，且該估測(cè)器實(shí)質(zhì)上為一觀測(cè)系統(tǒng) 其與回饋增益值矩陣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]]>為估測(cè)器的觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，L＝[L1L2]T為回饋增益值矩陣)。
在設(shè)計(jì)上述估測(cè)單元3前，需先確定該觀測(cè)系統(tǒng)為可觀測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)觀測(cè)矩陣Ω的秩(Rank)為全秩(Full Rank)時(shí)，則此觀測(cè)系統(tǒng)為可觀測(cè)系統(tǒng)，此觀測(cè)矩陣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)故從方程式(10)的結(jié)果中可得知，此觀測(cè)系統(tǒng)為可觀測(cè)系統(tǒng)。
上述回饋增益值矩陣L的設(shè)計(jì)方法，可分為下列三種方法一為極點(diǎn)配置法，主要是依設(shè)計(jì)者所選定的觀測(cè)系統(tǒng)自然頻率ωn及阻尼比ζ，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階動(dòng)態(tài)方程式(11)，以得到所需的理想觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程式(11)，表示如下z2-a1z+a2＝0 方程式(11)(式中z為離散時(shí)間狀態(tài)，a1=2e-ξωnT(ejωnT1-ξ2+e-jωnT1-ξ2),]]>a2=e-2ξωnT,]]>ωn為自然頻率的參數(shù)，ζ為阻尼比的參數(shù)，T為該觀測(cè)系統(tǒng)取樣時(shí)間)。
再利用比較系數(shù)的方法，將估測(cè)器的極點(diǎn)擺在設(shè)計(jì)者所決定的極點(diǎn)位置，以得到所需的觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，其中估測(cè)器的觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，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為回饋增益值矩陣L值)。
比較上述方程式(11)及(12)，即可求解出回饋增益值矩陣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)方法二為解黎卡提方程式的瞬時(shí)解，以得到一能實(shí)時(shí)更新的回饋增益值矩陣Lk；該黎卡提方程式(14)表示為Mk+1＝F[Mk-MkHR-1HTMk]FT+ГQГT方程式(14)(式中F=1T01,]]>Mk為預(yù)估協(xié)方差Pk的更新法則，H＝[1 0]，R為感知器雜訊變異量，Q為系統(tǒng)干擾的變異量；此兩參數(shù)均為可調(diào)參數(shù))。
上述的預(yù)估協(xié)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為預(yù)估協(xié)方差Pk的更新法則)。
利用上述黎卡提方程式(14)配合預(yù)估協(xié)方差方程式(15)，即可求解出適應(yīng)性回饋增益值矩陣Lk，如下式所示Lk＝PkHTR-1方程式(16)方法三為利用黎卡提方程式解其無窮時(shí)間域，亦即令上述黎卡提方程式(14)中的k為無窮大，以下列方程式(17)表示M∞＝F[M∞-M∞HR-1HTM∞]FT+ГQГT方程式(17)藉以得到所需的回饋增益值矩陣L∞，以下列方程式(18)表示L∞＝M∞HT(HM∞HT+R)-1方程式(18)本發(fā)明也包含在上述處理單元2可讀取轉(zhuǎn)角感知器12的曲軸齒訊的運(yùn)作下，附加使用一行程判別單元4(如圖1所示)，以讀取曲軸齒訊及訊號(hào)處理單元2的動(dòng)態(tài)曲軸取樣加速度ωm，并根據(jù)引擎于各行程下的曲軸瞬間動(dòng)態(tài)變化(如圖4所示)，以進(jìn)行曲軸的行程判別。其中，特別包含利用特定齒訊的方式，如多一齒或少一齒，以得知曲軸上死點(diǎn)。此判別單元4的整體運(yùn)作流程(配合圖4、圖5所示)包括有讀取曲軸轉(zhuǎn)角感知器的曲軸齒訊21及由處理單元2計(jì)算得知的曲軸轉(zhuǎn)速ωm42，并持續(xù)進(jìn)行曲軸上死點(diǎn)(TDC)位置檢測(cè)43，當(dāng)測(cè)得上死點(diǎn)位置44時(shí)，立即記錄當(dāng)時(shí)上死點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i)45，并比較上一次上死點(diǎn)(TDC)時(shí)所記錄下的曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i-1)46；當(dāng)ωTDC(i)小于ωTDC(i-1)時(shí)，判定為壓縮行程上死點(diǎn)46a，反之則為進(jìn)氣行程上死點(diǎn)46b；且當(dāng)進(jìn)氣或壓縮上死點(diǎn)被檢測(cè)到時(shí)，能提供曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算至720度時(shí)的動(dòng)態(tài)歸零訊號(hào)至訊號(hào)處理單元2，使訊號(hào)處理單元2能更加精準(zhǔn)的計(jì)算出動(dòng)態(tài)曲軸取樣轉(zhuǎn)角θm及加速度αm，并有利于提升估測(cè)單元3估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的精確性。
在本發(fā)明上述方法中，亦可不選用行程判別單元4，此時(shí)訊號(hào)處理單元2只提供曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)360度的取樣轉(zhuǎn)角θm及加速度αm至估測(cè)單元3上，同樣可讓估測(cè)單元3計(jì)算取得較傳統(tǒng)更為精確的曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。
再者，為能印證本發(fā)明上述方法的可行性，將以曲軸轉(zhuǎn)角感知器12直接量測(cè)4+1齒之飛輪11(如圖1所示)為例，并將雜訊加入曲軸訊號(hào)中，以說明本發(fā)明估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的結(jié)果，及與傳統(tǒng)感知器直接量測(cè)取得的結(jié)果作一比較，陳如以下說明在上述回饋增益值矩陣L的設(shè)計(jì)方法一中，可設(shè)定觀測(cè)系統(tǒng)自然頻率參數(shù)ωn＝5(rad/s)，阻尼比參數(shù)ζ＝0.707；并設(shè)定回饋增益值矩陣L的設(shè)計(jì)方法二及三中系統(tǒng)干擾的變異量參數(shù)Q＝10及感知器雜訊變異量參數(shù)R＝10-6。據(jù)此首先進(jìn)行引擎冷(初)啟動(dòng)的模擬(如圖6、圖7所示)，在圖6中揭示出實(shí)際量測(cè)的曲軸轉(zhuǎn)角不是位在行程初始值零度位置，但卻可藉此錯(cuò)誤的行程初始值，以觀察傳統(tǒng)量測(cè)方法與本發(fā)明上述三種方法估測(cè)曲軸位置的變化情形。換言之，當(dāng)曲軸第一個(gè)720度的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中，傳統(tǒng)量測(cè)與本發(fā)明上述三種方法所讀取的行程判別初始值并不正確(如圖6所示)，但能于曲軸第二個(gè)720度的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)開始時(shí)，逐漸判斷出正確的行程；且由于本發(fā)明的方法是根據(jù)傳統(tǒng)時(shí)間基礎(chǔ)量測(cè)法所估測(cè)出的曲軸位置，進(jìn)行閉回路的估測(cè)修正，故位置估測(cè)的收斂速度會(huì)慢于傳統(tǒng)方法，同時(shí)曲軸轉(zhuǎn)速估測(cè)也會(huì)受傳統(tǒng)位置量測(cè)變動(dòng)的影響(如圖7所示)；但在曲軸第三個(gè)720度的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)后，曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速均能收斂且由于傳統(tǒng)量測(cè)是直接利用方程式(1)計(jì)算曲軸轉(zhuǎn)速，故不會(huì)受到其位置計(jì)算的影響。
當(dāng)雜訊于0.48秒加入曲軸轉(zhuǎn)角感知器時(shí)，對(duì)于曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速估測(cè)結(jié)果的影響(如圖8、圖9所示)。首先圖8中顯示出曲軸轉(zhuǎn)角的估測(cè)結(jié)果，其中傳統(tǒng)量測(cè)在遇到一個(gè)強(qiáng)度較大的雜訊介入曲軸訊號(hào)時(shí)，其估測(cè)結(jié)果將發(fā)生錯(cuò)誤。而本發(fā)明在有雜訊介入時(shí)，均能有效地減少雜訊對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角估測(cè)的影響。此外，當(dāng)雜訊介入時(shí)，顯示傳統(tǒng)量測(cè)方法在估測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生約4000rpm的偏差，而本發(fā)明的估測(cè)偏差量約只有500rpm(如圖9所示)。是以，本發(fā)明均能有效地減少雜訊對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速估測(cè)的影響，故優(yōu)于傳統(tǒng)量測(cè)方法。
權(quán)利要求
1.一種引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，主要是在一可檢知曲軸轉(zhuǎn)角感知器的曲軸齒訊及具有一計(jì)時(shí)器訊號(hào)輸出的引擎控制單元或其周邊上，包括使用一訊號(hào)處理單元，自引擎啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)令計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，以讀取感知器檢知的曲軸齒訊，及各齒訊之間由計(jì)時(shí)器所讀取的時(shí)間差，并根據(jù)下列二方程式計(jì)算取得曲軸轉(zhuǎn)速ωk與加速度αk，表示如下ωk=θk-θk-1Δtk]]>αk=ωk-ωk-1Δtk-Δtk-1]]>式中ωk為第k個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)速，θk為第k個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)角，θk-1為第k-1個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)角，Δtk為第k-1個(gè)齒訊到第k個(gè)齒訊之間時(shí)差，Δtk-1為第k-2個(gè)齒訊到第k-1個(gè)齒訊之間時(shí)差，αk為第k個(gè)齒訊的曲軸加速度，ωk-1為第k-1個(gè)齒訊的曲軸轉(zhuǎn)速；在上述計(jì)時(shí)器歸零并重新計(jì)時(shí)后，根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)速ωk及曲軸加速度αk，計(jì)算取得動(dòng)態(tài)曲軸取樣轉(zhuǎn)角θm、轉(zhuǎn)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為第k個(gè)齒訊到取樣需求的時(shí)間差；及一由離散動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)而成的估測(cè)單元，此離散動(dòng)態(tài)模型以下列狀態(tài)方程式表示xk+1＝Fxk+Guk+Γwk式中F=1T01,]]>xk＝[θkωk]T，G=T2/2T,]]>T為觀測(cè)系統(tǒng)取樣時(shí)間，uk＝αm，Γ＝G為外界對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的干擾矩陣，wk為外界對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的干擾，其輸出向量則以下列方程式表示yk＝Hxk+vk式中由θm可知H＝[10]，vk為感知器量測(cè)誤差，且估測(cè)單元包含由一估測(cè)器配合另一回饋增益值矩陣，進(jìn)行閉回路狀態(tài)估測(cè)，該估測(cè)器實(shí)質(zhì)上為一觀測(cè)系統(tǒng) 其與回饋增益值矩陣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]]>為估測(cè)器的觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)；L＝[L1L2]T為回饋增益值矩陣)，用以濾除雜訊干擾，并估測(cè)取得曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，其特征在于更包含使用一行程判別單元，讀取曲軸轉(zhuǎn)角感知器的曲軸齒訊及由處理單元計(jì)算得知的曲軸轉(zhuǎn)速ωm，并于檢知曲軸上死點(diǎn)位置時(shí)，記錄上死點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i)，及與前一次上死點(diǎn)所記錄的曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i-1)作比較，并取得壓縮行程上死點(diǎn)及進(jìn)氣行程上死點(diǎn)，以提供曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算至720度時(shí)的動(dòng)態(tài)歸零訊號(hào)至訊號(hào)處理單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，其特征在于所述曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i)＜ωTDC(i-1)時(shí)，判定為壓縮行程上死點(diǎn)，曲軸轉(zhuǎn)速ωTDC(i)＞ωTDC(i-1)時(shí)，判定為進(jìn)氣行程上死點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，其特征在于所述觀測(cè)系統(tǒng) 的觀測(cè)矩陣Ω的秩為全秩，該觀測(cè)矩陣Ω以下列方程式表示Ω=HHF=101T,]]>并得到方程式rank(Ω)＝2，表示該觀測(cè)系統(tǒng)為可觀測(cè)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，其特征在于所述回饋增益值矩陣L的設(shè)計(jì)方法，包括使用一極點(diǎn)配置法，以觀測(cè)系統(tǒng)自然頻率ωn及阻尼比ζ，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階動(dòng)態(tài)方程式，作為理想觀測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程式，表示如下z2-α1z+α2＝0式中z為離散時(shí)間狀態(tài)，a1=2e-ζωnT(ejωnT1-ζ2+e-jωnT1-ζ2),]]>a2=e-2ζωnT;]]>一比較系數(shù)法，將估測(cè)器的極點(diǎn)擺在一既定的極點(diǎn)位置，以得到一觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，其中估測(cè)器的觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以下列方程式表示z2+(L1-2)z+TL2+1-L1＝0式中L1及L2為回饋增益值矩陣L值；及以下列方程式，比較上述二方程式，以取得回饋增益值矩陣L的值，以下列表示L=L1L2=2-2e-ζωnT1-2e-ζωnT+e-2ζωnTT.]]>
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，其特征在于所述回饋增益值矩陣L的設(shè)計(jì)方法為解黎卡提方程式的瞬時(shí)解，以得到一能實(shí)時(shí)更新的回饋增益值矩陣Lk，該黎卡提方程式表示為Mk+1＝F[Mk-MkHR-1HTMk]FT+ΓQΓT式中Mk為預(yù)估協(xié)方差Pk的更新法則，且該預(yù)估協(xié)方差Pk，以下列方程式表示Pk＝(Mk-1+HTRH)-1式中Mk為預(yù)估協(xié)方差Pk的更新法則，據(jù)以取得適應(yīng)性回饋增益值矩陣Lk，以下列方程式表示Lk＝PkHTR-1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，其特征在于所述令黎卡提方程式的k為無窮大，以下列方程式表示M∞＝F[M∞-M∞HR-1HTM∞]FT+ΓQΓT，以取得一回饋增益值矩陣L∞，以下列方程式表示L∞＝M∞HT(HM∞HT+R)-1。
全文摘要
本發(fā)明提供一種引擎曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的估測(cè)方法，包含利用一訊號(hào)處理單元，將曲軸轉(zhuǎn)角感知器所檢知的曲軸齒訊計(jì)算成曲軸動(dòng)態(tài)取樣訊號(hào)；并利用一離散動(dòng)態(tài)模型，設(shè)計(jì)出包含有估測(cè)器及回饋增益值矩陣在內(nèi)的一估測(cè)單元，以讀取曲軸動(dòng)態(tài)取樣訊號(hào)，并進(jìn)行閉回路狀態(tài)的估測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速運(yùn)作；此外本發(fā)明也包含利用一曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)行程判別單元，輔助該訊號(hào)處理單元更加精準(zhǔn)的計(jì)算出曲軸動(dòng)態(tài)取樣訊號(hào)，據(jù)以減少外界雜訊對(duì)引擎控制的影響。
文檔編號(hào)F02D45/00GK101074634SQ20061008052
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者陳柏全, 吳浴沂, 謝豐吉 申請(qǐng)人:陳柏全, 吳浴沂, 謝豐吉