專利名稱：位置與速度電子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置與速度傳感器，更為具體地講，涉及適用于確定例如火花點火發(fā)動機中噴射和點燃可燃混合物的時間的位置與速度傳感器。
傳統(tǒng)的通稱為“編碼器”且用于多缸發(fā)動機的位置與速度傳感器，一般包括一個按發(fā)動機曲軸速度幾分之一的速度或與發(fā)動機曲軸速度同步地轉(zhuǎn)動的輪盤。這種輪盤通常在其圓周上具有多個位置指示器或標(biāo)識，和特定位置指示器，當(dāng)通過傳感器時便產(chǎn)生一串脈沖，可供分析確定曲軸以及發(fā)動機每個汽缸中活塞的速度與位置。
通常，這種傳感器所產(chǎn)生的位置和速度數(shù)據(jù)的精度要求決定輪盤上要有許多通常為齒，槽，磁條形式的或其它可以迅速被傳感器檢測到的標(biāo)識。一般地，在編碼器盤的圓周上應(yīng)分布有許多等間距的齒，以提供良好的角分辨率，最好是360°的因子，例如15°，30°或45°。齒和一個或多個傳感器一起產(chǎn)生電信號能使高精度確定的速度和位置用于發(fā)動機工作的控制。
可以理解，對于識別多缸發(fā)動機的每個汽缸中每個活塞上止點(TDC)位置的特定位置標(biāo)識進(jìn)行檢測的需要，會產(chǎn)生一些具體問題。每個汽缸正確TDC位置的檢測，是確定適當(dāng)點火時間，有時是產(chǎn)生每個汽缸所需可燃混合物的噴射時間，的關(guān)鍵所在。精確地確定TDC位置方面的失誤，可能帶來發(fā)動機不良點火的問題，且因此可能對發(fā)動機的性能產(chǎn)生不良影響。
這種失誤是很有可能出現(xiàn)的，除非傳感器非常先進(jìn)，因為發(fā)動機在工作中可能會發(fā)生很多變化，這將妨礙精確地確定TDC位置或者每個汽缸中活塞的任何其它適當(dāng)位置。例如，在標(biāo)識之間使用內(nèi)插法進(jìn)行脈沖定位，而通常不考慮加速給測量帶來的困難。因此，由于曲軸的轉(zhuǎn)動速度隨加速或減速變化，使得信號脈沖不能在所需角度發(fā)生，且持續(xù)時間或長或短，所以點火和噴射過程可能被不正確地定時。當(dāng)標(biāo)識數(shù)目減少時，其結(jié)果會更壞。在特定位置指示器只是與其它位置指示器的角寬度稍稍不同的情況下，(即為了確定一個絕對角位置而采取的一種典型情況下)，可能難以識別出特定位置指示器。而且，在直接噴射式的雙二沖程發(fā)動機中，適于曲軸每轉(zhuǎn)一圈發(fā)生一次噴射過程和一次點火過程，而不是四沖程發(fā)動機的每兩圈一次。所以，為了確保在比例如四沖程發(fā)動機中可用時間小的時間間隔內(nèi)對噴射和點火的定時進(jìn)行正確控制，需要采用復(fù)雜的電路。
還有一個問題是，許多現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)不能提供發(fā)動機沿與所需方向相反方向轉(zhuǎn)動的指示。不正確轉(zhuǎn)動的后果是對發(fā)動機的性能與壽命極為有害。
Motorola公司的美國專利US．4941445公開了一種位置電子傳感器裝置，它有一對傳感元件，以通過檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)動的槽輪的角位置來提供有關(guān)多缸發(fā)動機循環(huán)控制的分離的獨立的位置信號。當(dāng)使用許多位置指示器來產(chǎn)生發(fā)動機控制所要求的足夠精確的位置和發(fā)動機速度數(shù)據(jù)時，就需要有三個不同角寬度的特定位置指示器。除了一對傳感元件之外，還需要復(fù)雜的控制單元分析所產(chǎn)生的兩個獨立脈沖串。顯然，兩個傳感器，帶有幾個角寬度的特定位置指示器的多齒結(jié)構(gòu)的位置傳感器裝置，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且造價較高。
Caterpillar公司的澳大利亞專利AU．626828公開了一種帶有齒輪的裝置，該齒輪有多個標(biāo)識，其中的特定位置指示器與其它位置指示器具有不同的角寬度。在這種情況下，一個傳感器起作用，以提供所需的位置與速度數(shù)據(jù)。而其多齒結(jié)構(gòu)造價比較高。
上述各個方案的困難是在制造方面有問題，且因此而較為昂貴，尤其是在發(fā)展中國家。就此而言，由于齒、槽或其它類型標(biāo)識的間距對上述傳感器性能來說是關(guān)鍵性的，所以上述種類的編碼器輪盤需要容差很小地進(jìn)行澆鑄。對不曾引進(jìn)過進(jìn)行這種制造所需設(shè)備的發(fā)展中國家而言，這些因素合起來將產(chǎn)生過多的花費。此外，市場可能無力支付用此方法制造的超值的傳感器。
本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)動機位置與速度傳感器，它能減少或減輕至少一部分上述問題。
根據(jù)這一目的，本發(fā)明提供了一種位置與速度傳感器，包括一可繞其軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的圓形元件，所述的圓形元件上裝有兩個角寬度不相同的位置指示器；一個相對于且相鄰于圓形元件定位的傳感器裝置，該傳感器裝置裝有一個傳感元件，用于檢測每個位置指示器經(jīng)過該傳感元件的行程(passage)，并響應(yīng)于該行程產(chǎn)生一個對應(yīng)于每個檢測到的位置指示器的行程的電信號，該信號具有與所探測到的位置指示器的角寬度相對應(yīng)的持續(xù)時間；和處理電信號以產(chǎn)生有關(guān)圓形元件角位置和角速度信息的裝置。
優(yōu)選地，兩個位置指示器是圓形元件上的單獨的位置指示器。
優(yōu)選地，除了提供角位置和角速度信息之外，處理電信號的裝置還可以另外產(chǎn)生圓形元件轉(zhuǎn)動方向的信息。
位置與速度傳感器適于為位置與速度電子傳感器，且圓形元件被安置成按發(fā)動機曲軸速度的幾分之一或成倍的速度轉(zhuǎn)動，或與發(fā)動機曲軸速度同步地轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，用傳感元件依次地檢測出位置指示器，以便在檢測到第一位置指示器之后很快檢測第二位置指示器。
兩個位置指示器的所在位置可以任意選取，但彼此間分開的距離應(yīng)該使得識別一個位置指示器與另一個時不成問題，尤其是應(yīng)可以補償瞬時加速和減速，和可以提供有關(guān)角速度和位置的最新信息，以實現(xiàn)發(fā)動機臨界狀態(tài)的精確定位并確定其轉(zhuǎn)動方向。
優(yōu)選地，兩個位置指示器適于安置在圓形元件上，以便當(dāng)為了安排點火和噴射過程而需要角速度和位置信息時，可以提前在大多數(shù)發(fā)動機工作條件下迅速確定角速度和位置。即，兩個位置指示器適宜安置在一個角位置處，該角位置與另一個對應(yīng)于發(fā)動機特定位置〔如發(fā)動機汽缸的上止點(TDC)位置〕的特定角位置隔開一個已知的角寬度。這個已知的角寬度可以根據(jù)例如對應(yīng)于TDC位置而需要點火和噴射等某些過程的情況，按角度單位確定。
優(yōu)選地，第一位置指示器應(yīng)該安置在從與發(fā)動機汽缸TDC對應(yīng)的位置起140°的弧之內(nèi)，TDC位置可以方便地但非必須地由圓形元件上一個分立的位置指示器標(biāo)示出。第二位置指示器可以安置在第一位置指示器與活塞TDC位置之間的一個易于精確確定所需的點火和噴射過程的時間的優(yōu)選位置上。例如，其它位置指示器的中心可以位于從第一位置指示器中心起15°或更優(yōu)選為25°的弧上。
不位于與噴射或點火過程對應(yīng)的位置上，而在這些過程之前，最好不超過140°的位置上的位置指示器，適于分開大于10°左右的間隔，以便在第二位置指示器的行程之前能夠簡單地處理表示第一位置指示器行程的信號。位置指示器的間隔還應(yīng)當(dāng)便于在一個壓印過程中制作圓形元件。
而且有利的是，選擇一個位置指示器的角寬度或角范圍比另一個大，從而易于鑒別這兩個位置指示器，并產(chǎn)生如下文將詳細(xì)說明的轉(zhuǎn)動方向信息。
優(yōu)選地，當(dāng)發(fā)動機以正確方向轉(zhuǎn)動時，在檢測到較小的位置指示器之后傳感元件檢測較大的位置指示器。這一點在位置指示器對應(yīng)于汽缸TDC位置設(shè)置或在其前設(shè)置的情況下尤其需要。在此情況下，當(dāng)汽缸壓力隨著活塞接近TDC而增加時，活塞的運動減慢，并使第二位置指示器顯得比實際要大。換句話說，當(dāng)由于活塞接近TDC而使圓形元件或盤轉(zhuǎn)動速度變慢時，可檢測到第二位置指示器的時間比活塞未接近TDC時更長。因而，如若位置指示器相對安置，且使較小指示器在較大指示器之后通過傳感元件，則由于圓形元件轉(zhuǎn)動速度的降低，較小的位置指示器可能有時顯得較大。這會在識別兩個位置指示器時產(chǎn)生困難。
同樣地，為了易于識別當(dāng)檢測到第一位置指示器時或之后可能發(fā)生的迅速加速或減速狀態(tài)，位置指示器的前述結(jié)構(gòu)也是需要的。與上述同理，后沿位置指示器也可能相應(yīng)顯得較小或較大，所以上述位置指示器結(jié)構(gòu)可方便地解決這類問題。
本發(fā)明的位置與速度傳感器尤其適用于單缸發(fā)動機。單傳感器裝置利于應(yīng)用到單缸發(fā)動機的情況，從而可簡化發(fā)動機控制單元電路，實現(xiàn)節(jié)約發(fā)動機制造成本的優(yōu)點。
但是位置與速度傳感器同樣可以用于多缸發(fā)動機。例如，可采用沿著圓形元件周邊彼此分開諸如180°等間隔的兩個傳感器裝置。此外，也可以采用設(shè)置在圓形元件上的兩個指示器和一個傳感器裝置。而且，還可以包含一個與第一對位置指示器分開180°間隔的位置指示器。在后一種情況下，在用第一對位置指示器應(yīng)付反向轉(zhuǎn)動方向的同時，其它汽缸的過程定時可以用附加位置指示器加強。
所以，上述發(fā)動機速度與位置傳感器可提供位置指示器通過的時間，而且在選用TDC位置指示器的情況下，當(dāng)位置指示器不同的角寬度已知，且位置指示器的位置與TDC位置之間的關(guān)系也已知時，TDC位置的通過時間可以用簡單的方法迅速計算出來。同樣，主要發(fā)動機過程的定時，諸如噴射和點火，可以也高精度地被確定，從而很好地控制發(fā)動機的性能。這種精度對直接噴射式兩沖程發(fā)動機尤為重要，在該發(fā)動機中燃料噴射和點火過程的定時比四沖程發(fā)動機間隔時間更短且更為靠近，故要求尤其高。在本中請人正在開發(fā)的發(fā)動機中，點火過程的發(fā)生和噴射過程的發(fā)生之間的關(guān)系尤其重要。即，對于給定的速度-載荷特性，開始噴射與點火起始之間是互相制約的。
優(yōu)選地，位置指示器可以這樣定位和安排位置指示器之間的角寬度是圓形元件轉(zhuǎn)動時檢測的第二位置指示器與TDC位置之間寬度的因子。這樣安排易于處理，并可以采用較簡單的移位寄存器控制器。
如上所述，發(fā)動機位置與速度傳感器還可以用于確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動的方向。所以，本發(fā)明還提供一種確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動方向的方法，其中一傳感器裝置檢測位于編碼器輪上不同角寬度的兩個位置指示器的行程，它包括將與發(fā)動機工作條件下通過所述傳感器裝置的所述位置指示器的行程相對應(yīng)的電信號中提取出的數(shù)據(jù)，與對應(yīng)于第一轉(zhuǎn)動方向電信號的數(shù)據(jù)相比較，并指示出與所述第一方向相反的方向，其中所述的提取數(shù)據(jù)的變化范圍比對應(yīng)于所述第一轉(zhuǎn)動方向數(shù)據(jù)的可接受范圍大。
發(fā)動機工作條件通常可以視為在第一次轉(zhuǎn)動或發(fā)動機準(zhǔn)備啟動或空轉(zhuǎn)(通常低于2000rpm)時所產(chǎn)生的電信號。優(yōu)選地，位置指示器有不同的角寬度，以使其通過傳感器裝置的行程可產(chǎn)生出易于識別的電信號，如前文所述。
盡管在發(fā)動機工作條件下通過所述傳感器裝置的位置指示器的行程中提取的全部電信號可以用于上述的比較，但是，從電信號中提取的數(shù)據(jù)最好更為集中，且可以從信號持續(xù)時間、信號幅度或其它參數(shù)或其微分中選擇。這可以使處理過程更簡單，成本利用率高。
提取的數(shù)據(jù)是從原始電信號的“調(diào)整”中獲得的。主要是，提取的數(shù)據(jù)能使更多的電信號的有用或可用部分得到處理。例如，負(fù)電壓時工作的部分是不需要的，因此提取的數(shù)據(jù)可以例如只根據(jù)電信號的第一正部分得出。通常，包含在提取數(shù)據(jù)中減少的信息由易于處理的數(shù)字信號代表。提取的信號可以按一定算法處理，以提供參照微處理器或其它裝置中的查詢地圖(look-up map)比對得出來的數(shù)值，以確定發(fā)動機的轉(zhuǎn)動方向。
在這樣一個實施例中，例如按照下述方法，可以比較與每一位置指示器相對應(yīng)的信號持續(xù)時間，且結(jié)果確定之后，便可以獲得發(fā)動機的轉(zhuǎn)動方向。與周長尺寸比第二位置指示器短的第一位置指示器通過傳感器裝置的行程相對應(yīng)的脈沖持續(xù)時間是t1。與周長尺寸較大的第二位置指示器通過傳感器裝置的行程相對應(yīng)的脈沖持續(xù)時間是t2。對應(yīng)第一位置指示器的第一脈沖結(jié)尾與對應(yīng)第二位置指示器的第二脈沖結(jié)尾之間的延時是t3，而且第一位置指示器脈沖結(jié)尾與后續(xù)第一位置指示器脈沖的開始之間的延時是t4。如若nt3＜t4，n是小于t4／t3的任何數(shù)，其中t4和t3是在發(fā)動機按正確方向轉(zhuǎn)動時計算出來的，且這個值適宜選出以便于用廉價微處理器進(jìn)行簡單處理，則發(fā)動機是按第一正確方向轉(zhuǎn)動的。如果nt3＞t4，則轉(zhuǎn)動方向是與第一方向相反的第二錯誤方向。t4也可以乘以一個參數(shù)m，盡管任何所要求的參數(shù)都可以采用，但優(yōu)選的是等于1。允許信號數(shù)據(jù)中有誤差。通過檢測轉(zhuǎn)動方向，可以避免由于其嚴(yán)重受損可能引起發(fā)動機損傷的轉(zhuǎn)動條件。例如，在檢測到發(fā)動機反向轉(zhuǎn)動的情況下，可以停止燃料的噴射或采取其它動作，如防止點火，最終使發(fā)動機停下來。這可簡單地讓操作者知道出錯的條件所在，并讓操作者從新啟動發(fā)動機。這一特征特別適用于手動啟動發(fā)動機，諸如拉動起動和反沖啟動的發(fā)動機。
反向轉(zhuǎn)動的檢測適于由按上述方式安排的第一和第二位置指示器決定，即，使得較大角寬度的指示器在角寬度較小的指示器之后正常地通過。
所以，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動方向的方法，其中用一傳感器裝置檢測位于一編碼器輪上兩個不同角寬度的位置指示器的行程，以提供對應(yīng)于各個位置指示器行程的電信號，每個信號有一個前沿和一個后沿，將每個位置指示器所對應(yīng)電信號后沿之間行程的經(jīng)歷時間t3和系數(shù)n之積，與隨著編碼器輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的第一位置指示器前后沿之間行程的歷時t4作比較，其中n小于t4／t3且根據(jù)正確轉(zhuǎn)動方向的情況計算出來，當(dāng)nt3＜mt4時，確認(rèn)轉(zhuǎn)動是沿著正確方向的，而當(dāng)nt3＞mt4時，轉(zhuǎn)動是沿著錯誤方向的。
一般地，n等于2，m等于1，但是用簡單微處理器常規(guī)實現(xiàn)的任何乘數(shù)都可以采用?？梢栽试S信號數(shù)據(jù)有誤差。本發(fā)明檢測反向轉(zhuǎn)動的這個方面可以包括其它的變化。例如，t3可以等于第一位置指示器的前沿與第二位置指示器后沿行程之間的計時。t4可以等于依編碼器轉(zhuǎn)動次序的第一位置指示器后沿與第一位置指示器后沿行程之間的計時。
檢測反向轉(zhuǎn)動的上述方法，可應(yīng)用于任何具有至少兩個其角寬度不同并沿著編碼器輪周邊間隔開的位置指示器的多齒編碼器。。
例如，在24齒編碼器丟失一齒(實際23齒)，且一個位置指示器A的角寬度比剩余齒B小的情況下，A和B可以與其間的間隔一起用于識別轉(zhuǎn)動方向。
如果發(fā)動機按正確方向轉(zhuǎn)動，過程的預(yù)期次序?qū)⑹茿，丟失的齒或間隔B。如果次序相反，則為反向轉(zhuǎn)動。有利的是，可以在提供方向識別的同時，實現(xiàn)高精度的速度與位置指示。
優(yōu)選地，傳感器裝置是簡單結(jié)構(gòu)的，且磁阻或電感型傳感器可以認(rèn)為是最方便的，盡管其它傳感器裝置，如光學(xué)傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器等，也可以采用。
通過下文參考附圖對位置與速度傳感器結(jié)構(gòu)和原理的說明，將可以更好地理解其工作原理，其中

圖1是本發(fā)明傳感器和編碼器輪的示意圖；圖2表示位置指示器的尺寸，圖1傳感器裝置產(chǎn)生的一串電信號，以及兩沖程發(fā)動機中由相應(yīng)的點火與噴射過程控制電路所產(chǎn)生的處理后的信號；以及圖3表示圖1傳感器裝置用于反向轉(zhuǎn)動檢測時產(chǎn)生的一串電信號。
參考圖1，其中表示一個繞通過發(fā)動機(未表示)曲軸長度方向的假想軸2轉(zhuǎn)動的編碼器輪1。編碼器輪1以與曲軸速度同步地，或以該速度的幾分之一(比如說一半)的速度轉(zhuǎn)動。
編碼器輪1周邊上間隔著有兩個位置指示器，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更大的角寬度。
位置指示器3和4可以方便地由磁性材料、反射材料、或可以被位于編碼器輪1附近的傳感器5檢測到的材料制成，或者可以含有一部分這些材料。傳感器5被定位，最好是緊鄰編碼器輪1，以便能依次檢測到位置指示器3和4通過傳感器5的行程。在位置指示器3和4包含磁性材料的情況下，傳感器5可以是在位置指示器3和4通過期間檢測磁場強度變化的磁阻型傳感器。簡而言之，磁性材料通過磁阻型傳感器的行程在該傳感器中產(chǎn)生一個可以記錄的電壓，且其幅值的確定可以用于提供一個電信號，該信號代表下文將要說明的圖2軌跡線A所示行程。
當(dāng)然，傳感器5不一定是磁阻型的傳感器，且編碼輪1也不一定包含磁性材料。盡管采用廉價傳感器是優(yōu)選的，但對傳感器5的唯一要求是能迅速檢測到位置指示器3和4的行程。例如，光學(xué)傳感器可以在位置指示器3和4通過傳感器5時用于檢測反射率或透過率的變化，或者也可以使用霍爾效應(yīng)或其它傳感器。
而且，位置指示器3和4不一定是齒型的，槽或指示器3和4的任何其它簡便設(shè)計也可以使用。不僅如此，優(yōu)選的是采用既造價低廉又易于檢測的位置的指示器結(jié)構(gòu)。主要是易于檢測位置指示器3和4的行程和易于利用表征位置指示器3和4行程的電信號，以提供在內(nèi)燃機控制過程中有用的信息。
位置指示器3和4最好分開一個角度，該角度應(yīng)能在位置指示器3和4通過傳感器5的行程電信號之間實現(xiàn)快速識別。為了下文清楚起見，位置指示器4的角寬度最好是位置指示器3角寬度的倍數(shù)。例如，位置指示器4可以有10°的角寬度，而位置指示器3的角寬度是5°。為了易于制造，從檢測和確保編碼器輪1壽命的要求角度考慮來確定所選的角寬度。例如，如果構(gòu)成位置指示器3和4的齒太窄，則可能在檢測方面有困難，或有損壞齒的風(fēng)險并且對檢測精度產(chǎn)生的不利影響太大。
而且，如果位置指示器3和4的角寬度太小，將可能出現(xiàn)下述問題。應(yīng)理解，在正常工作條件下，發(fā)動機的曲軸是可以呈現(xiàn)可變的加速或減速過程。而且，這種短暫的加速或減速過程可以發(fā)生在發(fā)動機的一次轉(zhuǎn)動中。這種可變的加速或減速過程的潛在影響，可以從圖2的軌跡線B反映出來，其中表示出每個位置指示器3和4所對應(yīng)的信號。當(dāng)位置指示器的角寬度更為接近時，信號也更為相似。如果加速和減速的參數(shù)起作用，將會發(fā)現(xiàn)，代表每個位置指示器3和4行程的信號可能更相象，在此情況下，將不能進(jìn)行信號間的識別，而這對于確定轉(zhuǎn)動方向、對噴射和點火過程定時的精確控制、進(jìn)而對于發(fā)動機的有效工作，都是關(guān)鍵的。在可變加速或減速的條件下，傳感器5實際上變得幾乎沒有用處。
例如，若角寬度較大的位置指示器4僅稍稍大于另一位置指示器3，且較大的指示器4在較小的指示器3之后通過傳感器5，則恰好在較小的指示器3通過傳感器5之后或通過期間編碼器輪1發(fā)生的短暫加速運動，將會導(dǎo)致較大指示器4行程所產(chǎn)生的信號顯得較小，因為其通過傳感器5行程中的速度較快。在此情況下，兩個指示器3和4行程產(chǎn)生的信號可能是不可區(qū)分的。從而導(dǎo)致較差的識別本領(lǐng)。這一問題可以通過適當(dāng)選擇指示器3和4的角寬度加以避免。
具體到所用的不同角寬度，位置指示器3和4的中點彼此分開α角，該角在發(fā)動機很可能經(jīng)歷的整個加速和／或減速范圍內(nèi)足以實現(xiàn)位置指示器3和4通過傳感器5行程所對應(yīng)的電信號間的識別。這也可通過反復(fù)試驗來確定，而且位置指示器3和4中點之間的角度在10°至40°的范圍，適合于在大多數(shù)發(fā)動機工作條件下完成識別。與之類似，位置指示器3和4角寬度之比R是1．5∶1至3∶1，將在發(fā)動機工作條件下提供可接受的識別。盡管如此，應(yīng)該指出，不同的位置指示器3和4角寬度之比R可以用于采用其它傳感器的場合，如霍爾效應(yīng)傳感器或光學(xué)傳感器。可以看出，在圖1所示編碼器輪1的情況下，α為25°而R等于2∶1。
但是應(yīng)當(dāng)注意，位置指示器的角寬度在采用零值點檢測時不能超過某個值，因為這會導(dǎo)致生成信號零點的不可確定，如下文所述可得到的。而且，角寬度應(yīng)不小于某個值，以避免信號幅值太小而不能用于確定發(fā)動機位置與速度。
位置指示器4的中點在編碼器輪1上的位置相對于發(fā)動機汽缸(未示出)內(nèi)活塞上止點(TDC)位置分開一個已知角寬度β。該TDC位置在圖1中簡單表示為“TDC”，且通過實驗確定。應(yīng)注意，如前文所述，如果需要可以在編碼器輪1上設(shè)置一選用的TDC位置指示器。
角寬度β可以任意選取，但適宜在大多數(shù)發(fā)動機控制主要過程出現(xiàn)的角寬度之內(nèi)。一般地，β可以從TDC起在80°至120°之間。在圖1所示編碼器輪1中，β接近上止點之前(BTDC)100°。在這段之內(nèi)，將出現(xiàn)發(fā)動機控制中的大多數(shù)過程，即噴射和點火。但是本發(fā)明不局限于出現(xiàn)在0°至100°BTDC范圍中的發(fā)動機控制過程。因此，位置指示器3和4位于編碼器輪1上，以使得可以在大多數(shù)發(fā)動機工作條件下在需要進(jìn)行點火和噴射過程之前確定角速度和位置信息。
現(xiàn)在參見圖2，其中表示了當(dāng)使用本發(fā)明的位置與速度傳感器，并將所得處理后信號軌跡線用于發(fā)動機控制中時，位置指示器3和4的角寬度，傳感器5產(chǎn)生的一電信號軌跡線。軌跡線A表示位置指示器3和4的物理尺寸。軌跡線B對應(yīng)于從位置指示器3和4依次通過傳感器5(電感型傳感器)的行程中產(chǎn)生的電信號。軌跡線C表示出來后所得信號。當(dāng)位置指示器3靠近傳感器5時，感應(yīng)出一個由軌跡線B代表的電壓信號。來自于傳感器5的電壓信號位置部分用于作處理。于是，當(dāng)軌跡線B上升信號通過預(yù)定閾值時，對應(yīng)于位置指示器3的第一沿a被觸發(fā)；當(dāng)軌跡線B的信號通過c點處的零值時第二沿b被觸發(fā)，該點c精確對應(yīng)于給出精確角位置參考點的位置指示器3的位移中心d。位置指示器4的情況與之相類似。
如前文所述，位置指示器3和4的通過次序是不同時的，其中位置指示器3的角寬度比位置指示器4窄。當(dāng)隨著指示器4通過傳感器5，編碼器輪1上的位置指示器4上所在位置對應(yīng)于活塞接近TDC時發(fā)動機減慢下來的時侯，由于窄的位置指示器3所對應(yīng)的電信號易于與變寬的位置指示器4所對應(yīng)的電信號相區(qū)別，所以識別能力得以提高。而且，兩個電信號之間的對比也得到加強，它有助于識別并且提高了發(fā)動機工作控制所用的位置與速度信息質(zhì)量。
如上所述，傳感器5響應(yīng)于通過傳感器5的位置指示器3和4的行程所感應(yīng)出的記錄電壓，穿過作為每個通過傳感器5的位置指示器3，4中點的零值。所以，在出現(xiàn)過零電壓行程時的檢測將可以識別每個位置指示器3和4中點通過傳感器5的時刻。而且，反映在某一給定時刻位置指示器3，4正通過傳感器5的電壓信號幅值有助于確定位置指示器3，4是否通過了傳感器5。按此方法，每當(dāng)位置指示器3通過了傳感器5，就可以從位置指示器4通過傳感器5所花費的時間中確定發(fā)動機的角速度，也就是說，位置指示器3和4的檢測時間不相同。而且，由于TDC位置與位置指示器3和4都分開一個已知的角寬度，所以發(fā)動機汽缸中活塞相對于TDC的位置可以在任何給定時間點迅速確定下來。按此方式，可以實現(xiàn)發(fā)動機操作的精確定時，諸如燃料或空氣的適時噴射和點火。通過在需要對這些操作定時之前確立轉(zhuǎn)動速度，可以在沒有復(fù)雜電路和處理的情況下使精度得到提高。
因此，用于分析TDC位置和其它所需過程的電路可以非常簡單。例如，已知對于圖1所示編碼器輪1，活塞TDC位置的行程出現(xiàn)在位置指示器4中點之后100°處。而且，位置指示器3的中點在位置指示器4中點之前25°處通過傳感器5，于是位置指示器3和4中點通過傳感器5的行程之間的持續(xù)時間可以用于確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動的瞬時速度。
所以，用于確定TDC位置的微處理器可以是編程的以在位置指示器4中點通過傳感器5的行程之后的算出延時處標(biāo)識出“TDC”。在本實施例中，通常用參數(shù)4乘以位置指示器3和4中點所對應(yīng)脈沖之間記錄的持續(xù)時間。因此，僅有移位功能而沒有更多復(fù)雜乘法功能的微處理器，可以用于提供精確的TDC定時。如果需要，可以包括在燃料噴射和點火過程定時期間有更高精度的百分比功能。這種微處理器可以為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員輕易獲得和使用。然后，在出現(xiàn)TDC時計算的時間可以用作發(fā)動機控制中將要控制的重要過程所依據(jù)的基準(zhǔn)時間?，F(xiàn)將對其作出說明。
直接噴射燃料／空氣混合物并有一個汽缸的兩沖程循環(huán)發(fā)動機，通常在特定角度時刻BTDC噴射混合物。經(jīng)過一個短暫的時間后火花點火。這種發(fā)動機和所用的噴射系統(tǒng)公開在本申請人的PCT專利申請No．PCT／AU94／00210中，其涉及的內(nèi)容作為本文的參考。當(dāng)打開電磁閥激活的噴射器噴嘴時，開始噴射過程，且在電容式放電點火系統(tǒng)中的電容器放電產(chǎn)生點火火花之后迅速發(fā)生點火過程。這種電容式放電點火系統(tǒng)公開在本申請人的PCT專利申請PCT／AU93／0064中，其內(nèi)容在此作為參考。但是應(yīng)注意，點火不一定是必須由電容式放電點火系統(tǒng)產(chǎn)生，可以采用其它已知的點火系統(tǒng)。
一般來說，在發(fā)動機載荷和速度低的情況下，噴射定時的結(jié)尾將在10°至70°BTDC范圍內(nèi)出現(xiàn)，且對于點火一般出現(xiàn)在BTDC之前0°-50°范圍內(nèi)，比如25°。在高載荷工作條件下，空氣和燃料的噴射可以在發(fā)動機沖程的下止點(BDC)位置之前進(jìn)行，尤其在速度超過3000rpm時。因此，本發(fā)明的位置與速度傳感器可以在低和高載荷工作條件下用于確定燃料噴射和點火過程的定時。
位置與速度傳感器產(chǎn)生一個對應(yīng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的信號，然后，獲得位置指示器3與TDC位置行程之間的時間。由此可以計算出到應(yīng)該噴空氣與燃料的TDC之前點的時間。如果任意選擇75°BTDC作為應(yīng)噴射空氣與燃料的時間，則用位置指示器3和4行程之間延時編程的ECU將產(chǎn)生對應(yīng)于該延時的信號t1。然后在位置指示器4中點通過傳感器5之后，即由于位置指示器4的中點通過零點而使零點檢測器檢測到磁阻型傳感器5中產(chǎn)生的電壓時，ECU需要在t1時刻打開噴射器噴嘴。
如果在比如50°BTDC處需要點火，可以在零點檢測完成之后等于2t1的時間內(nèi)通過點燃火花塞而實現(xiàn)。這種控制可以用便宜的位移功能控制器容易地實現(xiàn)。如果包括百分比功能，則可以得到更高的精度。所以，如果需要在55°BTDC時點火，可以將計算出的在通過傳感器5的位置指示器4中點行程之后需要完成噴射的時間t1，簡單移動4并乘以一個百分比45％，以提供點火時間。
類似的分析可以用于確定發(fā)動機高載荷和高速度時的噴射和點火定時。
現(xiàn)在考慮位置與速度傳感器檢測發(fā)動機是否按正確方向轉(zhuǎn)動的方法，可以參考圖3，其中表示了一個可以用于反向轉(zhuǎn)動檢測的裝置。
每個位置指示器3和4花費一定的時間通過傳感器5。位置指示器3通過傳感器5行程所用時間可以表示為t1，而位置指示器4通過傳感器5行程所用時間可以表示為t2。位置指示器3后沿與位置指示器3前進(jìn)中的前沿之間行程花費的時間可表示為t4。位置指示器3后沿與位置指示器4后沿之間行程花費的時間可表示成t3；如圖3中所示。
然后微處理器可以在兩倍t3與t4之間作比較。如果2t3＜t4，則正確方向轉(zhuǎn)動。如果2t3＞t4，則轉(zhuǎn)動方向不正確，且發(fā)動機將停止工作。如上所示，這可以通過暫停發(fā)動機的燃料噴射或點火而實現(xiàn)。圖3強調(diào)，在正確方向轉(zhuǎn)動的情況下t4比t3大得多，于是這種比較可以很有效地用于確定發(fā)動機的轉(zhuǎn)動方向。從圖3可知，在轉(zhuǎn)動方向不正確的情況下，t3特別接近t4。而且，上述的算法或比較程序可以在多齒編碼器中產(chǎn)生很好的效果，該多齒編碼器大大多于兩個齒，比如24齒，且具有兩個可按與本發(fā)明兩個位置指示器相同的方法識別的位置指示器。
盡管參數(shù)2被用于上述實施例中，假定n＜t4／t3，則在轉(zhuǎn)動方向正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算時，任何適合的乘數(shù)n都可以使用，當(dāng)然出于便于處理考慮參數(shù)2是優(yōu)選的。
編碼器輪1的制造可以用廉價的壓印機經(jīng)簡單壓印操作，低成本地完成，而且傳感器5和微處理器電路即使在發(fā)展中國家也可以容易而廉價地獲得。當(dāng)本發(fā)明的編碼器輪1用在位置指示器3和4彼此靠在一起的場合下，廉價壓印是可行的，而且簡單壓印處理即可滿足生產(chǎn)最終編碼器輪的全部要求。所以，適用于例如小型摩托車的編碼器可以廉價地進(jìn)行制造。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對上述實施例作各種改動或改變。這種改動或改變均屬于本發(fā)明的范圍。例如，傳感器5可以設(shè)置在編碼器輪1上，而位置指示器3和4位于與編碼器輪1相鄰的固定位置上，以便與轉(zhuǎn)動的傳感器5響應(yīng)。
權(quán)利要求
1．一種發(fā)動機位置與速度傳感器，包括一可繞其軸驅(qū)動以與發(fā)動機速度直接相關(guān)的速度轉(zhuǎn)動的圓形元件，所述的圓形元件在其圓周上裝有兩個不同角寬度分隔開的位置指示器；相對于所述圓形元件定位的傳感器裝置，該傳感器裝置適于在圓形元件轉(zhuǎn)動時檢測每個所述位置指示器經(jīng)過的行程并響應(yīng)于所述各行程分別產(chǎn)生電信號，其特征在于產(chǎn)生該電信號的位置指示器帶有角寬度特征，和處理電信號以產(chǎn)生有關(guān)圓形元件角位置和角速度信息的裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中兩個位置指示器是安置在圓形元件上的單獨的位置指示器。
3．如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中所述的傳感器裝置適于從所述電信號產(chǎn)生表示圓形元件轉(zhuǎn)動方向的信息。
4．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中該位置指示器依次被該傳感器裝置檢測，從而在檢測第一位置指示器之后很快就檢測第二位置指示器。
5．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中兩個位置指示器分開的距離選擇成能使它們彼此易于區(qū)分。
6．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中兩個位置指示器安置在圓形元件上，以便當(dāng)需要進(jìn)行點火和噴射時，能提前迅速地確定角速度和位置信息。
7．如權(quán)利要求4所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中所述的第一位置指示器安置在從圓形元件上對應(yīng)于發(fā)動機汽缸中活塞的上止點位置的位置開始的一個特定角寬度范圍內(nèi)。
8．如權(quán)利要求7所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中所述的第二位置指示器安置在所述第一位置指示器與所述上止點位置之間。
9．如前述權(quán)利要求4至8中任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中第一位置指示器位于從圓形元件上對應(yīng)于上止點位置的位置起140°的圓弧之內(nèi)。
10．如前述權(quán)利要求4至9中任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，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°的圓弧處。
11．如前述權(quán)利要求4至10中任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，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°與25°弧之間。
12．如前述權(quán)利要求4至11中任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中位置指示器被安置成使得其間的角寬度是第二位置指示器與上止點位置之間的角寬度的因數(shù)。
13．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中位置指示器按照能通過壓印處理方便地制作出來的方式彼此緊鄰安置。
14．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中位置指示器所在的位置為與上止點位置相對應(yīng)的位置之外的位置。
15．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中位置指示器所在的位置為與噴射或點火過程相對應(yīng)的位置之外的位置。
16．如前述權(quán)利要求4至15中任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中第一位置指示器的角寬度小于第二位置指示器的角寬度。
17．如權(quán)利要求16所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中較大的第二位置指示器在較小的第一位置指示器之后由傳感器裝置檢測。
18．如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)動機位置與速度傳感器，其中發(fā)動機是單缸發(fā)動機。
19．一種利用權(quán)利要求1所述的發(fā)動機位置與速度傳感器確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動方向的方法，其中傳感器裝置提供一個響應(yīng)于通過該傳感器裝置的每個位置指示器前沿與后沿的行程的電信號，所述的方法包括響應(yīng)于每個位置指示器前沿與后沿的行程產(chǎn)生一個相應(yīng)信號，其中將每個位置指示器相應(yīng)電信號后沿之間行程的經(jīng)歷時間t3和系數(shù)n之積，與隨著圓形元件轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的第一位置指示器前后沿之間行程的歷時t4作比較，其中n小于t4／t3，從而當(dāng)nt3＜mt4時，確認(rèn)轉(zhuǎn)動是沿著正確的方向的，當(dāng)nt3＞mt4時，轉(zhuǎn)動的方向是錯誤的。
20．一種確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動方向的方法，其中用一傳感器裝置檢測位于編碼器輪上兩個位置指示器的行程，它包括將與發(fā)動機工作條件下通過所述傳感器裝置的所述位置指示器的行程相對應(yīng)的電信號中提取的數(shù)據(jù)，與對應(yīng)于第一轉(zhuǎn)動方向的電信號數(shù)據(jù)相比較，并且在所述的提取數(shù)據(jù)與對應(yīng)于所述第一轉(zhuǎn)動方向的數(shù)據(jù)之差大于可接受范圍時，指示檢測到的轉(zhuǎn)動方向與上述第一方向相反。
21．一種確定發(fā)動機轉(zhuǎn)動方向的方法，其中用一傳感器裝置檢測位于編碼器輪上的兩個位置指示器的行程，以提供對應(yīng)于各個位置指示器行程的電信號，每個信號有一個前沿和一個后沿，將每個位置指示器相應(yīng)電信號后沿之間行程的經(jīng)歷時間t3和系數(shù)n之積，與隨著編碼器輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的第一位置指示器前后沿之間行程的歷時t4作比較，從而當(dāng)nt3＜t4時，確認(rèn)轉(zhuǎn)動是沿著正確方向的，當(dāng)nt3＞t4時，轉(zhuǎn)動是沿著錯誤方向的。
22．如權(quán)利要求20至22中任一權(quán)利要求所述的方法，其中n等于2，m等于1。
全文摘要
一種位置與速度傳感器,包括可繞其軸轉(zhuǎn)動的圓形元件(1)。該圓形元件(1)帶有兩個其角寬度不相同的位置指示器(3,4)。一個傳感器裝置(5)相對于且相鄰于圓形元件(1)定位。該傳感器裝置(5)具有一個傳感元件,用于檢測每個位置指示器(3,4)經(jīng)過該傳感元件的行程。傳感器裝置(5)響應(yīng)于每個探測到的位置指示器(3,4)的行程產(chǎn)生一個電信號。該信號具有與所探測到的位置指示器(3,4)的角寬度相對應(yīng)的延時。還包括一個處理電信號的裝置,以產(chǎn)生關(guān)于圓形元件角位置和角速度的信息。同時還公開了利用位置與速度傳感器裝置(5)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動檢測的方法。
文檔編號G01P3/42GK1205773SQ96199099
公開日1999年1月20日 申請日期1996年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月20日
發(fā)明者馬丁·約翰·塞比斯, 史蒂芬·米切爾·巴索 申請人:軌道工程有限公司