CN115917262A - 用于检测角位置的方法和检测系统 - Google Patents

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CN115917262A CN202180046643.8A CN202180046643A CN115917262A CN 115917262 A CN115917262 A CN 115917262A CN 202180046643 A CN202180046643 A CN 202180046643A CN 115917262 A CN115917262 A CN 115917262A
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Abstract

本发明涉及一种用于经由传感器单元(102)检测可绕旋转轴线旋转的旋转构件的角位置(α)的方法(100)，所述传感器单元具有固定的传感器元件和可相对于所述传感器元件并且与所述旋转构件一起旋转的旋转元件，其中所述传感器元件将与所述角位置(α)相关的第一传感器信号(S1，a)和第二传感器信号(S2，a)分别输出给评估单元(104)，所述第一传感器信号与第一检测位置相关联，所述第二传感器信号与围绕所述旋转轴线垂直于所述第一检测位置的第二检测位置相关联，所述评估单元在评估步骤(118)中经由atan2函数与所述第一检测位置和第二检测位置相关地计算所述角位置(α)，其中在位于评估步骤(118)之前的处理步骤(110)中，经由对所述第一传感器信号和第二传感器信号(S1，a，S2，a)的主分量分析，将所述第一传感器信号和第二传感器信号(S1，a，S2，a)的可能的幅度误差和可能的正交误差作为总误差转换为所述第一传感器信号和第二传感器信号的幅度差。此外，本发明涉及一种用于通过这种方法(100)检测旋转构件的角位置(α)的检测系统。

Description

用于检测角位置的方法和检测系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于检测角位置的方法。此外，本发明涉及一种用于检测角位置的检测系统。
背景技术
例如从WO 2018/219388 A1中已知了用于检测旋转构件的角位置的方法。在该文献中描述了一种用于检测可围绕旋转轴线旋转的旋转构件的角位置的方法，其中旋转构件的角位置由与旋转轴线径向间隔开地设置的传感器系统接收。固定地并且同心地设置在进行旋转的构件上的磁环引起相对于传感器系统变化的磁场，所述磁场由传感器系统探测，其中从传感器系统接收的信号关于角位置被评估。从传感器系统接收的信号关于磁场的幅度信息被评估并且从幅度信息中求取校正参数，借助于所述校正参数确定从传感器系统的信号中接收的角位置的角误差。然后，角误差用来校正根据由传感器系统输出的信号所求取的角位置。
发明内容
本发明的目的在于更准确并且更快速地检测旋转构件的角位置。应该能够以尽可能少的计算耗费来求取旋转构件的角位置。此外，应更低成本地进行角位置的检测。
这些目的中的至少一个通过用于经由传感器单元检测可围绕旋转轴线旋转的旋转构件的角位置的方法来实现，所述传感器单元具有固定的传感器元件和可相对于所述传感器元件并且与旋转构件一起旋转的旋转元件，其中传感器元件分别将与角位置相关的第一传感器信号和第二传感器信号输出给评估单元，所述第一传感器信号与第一检测位置相关联，所述第二传感器信号与围绕旋转轴线垂直于第一检测位置的第二检测位置相关联，所述评估单元在评估步骤中经由atan2函数与第一检测位置和第二检测位置相关地计算角位置，其中在位于评估步骤之前的处理步骤中，经由对第一传感器信号和第二传感器信号的主分量分析，将第一传感器信号和第二传感器信号的可能的幅度误差和可能的正交误差作为总误差转换为第一传感器信号和第二传感器信号的幅度差。
由此能够更准确地检测旋转构件的角位置。能够进一步减少角误差。
传感器单元和旋转构件能够设置在车辆中。旋转构件能够与驻车锁装置相关联。旋转构件能够设置在用于调整驻车锁装置或用于操纵车辆的离合器的执行器上。旋转构件和旋转元件能够同心可旋转地设置。
传感器单元能够构成为角度传感器。传感器单元能够与旋转构件径向间隔开地设置。传感器单元能够与旋转构件轴向间隔开地设置。
传感器元件能够是霍尔传感器。旋转元件能够是磁环。旋转元件能够是永磁体。旋转元件能够正相反地磁化。
第一传感器信号和/或第二传感器信号能够是周期信号，尤其由旋转元件的旋转引起的周期信号。第一传感器信号能够是余弦信号而第二传感器信号能够是正弦信号。
第一传感器信号和第二传感器信号能够具有可能的幅度误差和可能的正交误差。检测角位置α的第一传感器信号S1，a和第二传感器信号S2，a中的幅度误差和正交误差能够如下描述：
Figure BDA0004027156490000021
其中a，b是相应的幅度并且
Figure BDA0004027156490000022
是正交误差。正交误差
Figure BDA0004027156490000023
描述第一和第二传感器信号S1，a，S2，a之间的偏差，所述第一传感器信号和第二传感器信号理论上因第一和第二检测位置的垂直方位而必会相互垂直地伸展。幅度误差描述第一和第二传感器信号S1，S2彼此间在幅度上的偏差。
已发现，幅度误差和正交误差
Figure BDA0004027156490000031
是相同类型的并且与迄今为止相比能够更有效地被补偿。下文将详细描述用于此的方法：
由传感器单元输出的第一传感器信号S1，a和第二传感器信号S2，a能够在转发给评估步骤之前首先在准备步骤中被处理。在此，能够补偿与第一和第二传感器信号S1，a，S2，a叠加的偏移误差，并且能够输出经过这样校正的第一经预处理的传感器信号S1，p和经过这样校正的第二经预处理的传感器信号S2，p。例如能够通过应用最大最小法来求取偏移误差。在此，在旋转构件的至少一转中，能够检测相应的传感器信号的最大的和最小的传感器值并且随后能够求取相应的传感器信号的偏移。接着，能够补偿计算出的偏移。
第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p能够被输入给接着准备步骤之后的处理步骤。在处理步骤中能够包含多个单独步骤。处理步骤能够包括分析步骤、转换步骤和调整步骤。分析步骤和转换步骤能够在调整步骤之前结束。分析步骤能够在转换步骤之前进行。
在分析步骤中能够处理第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p。在分析步骤中能够假设坐标旋转，所述坐标旋转根据以下关系改写第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p：
Figure BDA0004027156490000032
在此，A和B是旋转矩阵的系数，a1和b1是经改写的传感器信号的幅度并且α0是相移。在此发现，第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p的可能的幅度误差和可能的正交误差能够共同转换为经改写的传感器信号的幅度误差。经改写的传感器信号在此相对于第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p具有相移α0。
能够在分析步骤中计算旋转矩阵的参数和幅度a1和b1。为此能够使用主分量分析。这又能够通过奇异值分解或主轴变换来进行。在下文中，将应用主轴变换，所述主轴变换尤其需要较少的计算能力。
旋转矩阵由相关矩阵M的特征向量组成，所述相关矩阵如下计算：
Figure BDA0004027156490000041
其中n是测量点的数量。随后求取相关矩阵M的特征值λ1和λ2和相关的特征向量V1和V2，借此，旋转矩阵如下描述：
Figure BDA0004027156490000042
出自(2)的幅度a1和b1随后能够根据如下关系经由特征值λ1和λ2来计算，其中λ1＞λ2：
Figure BDA0004027156490000043
Figure BDA0004027156490000044
由此又能够利用(2)经由如下来计算相移α0：
Figure BDA0004027156490000045
在随后的转换步骤中，能够利用旋转矩阵旋转第一经预处理的传感器信号和第二经预处理的传感器信号，借此例如如下关系将第一经预处理的传感器信号S1，p转换为第一经转换的传感器信号S1，r并且将第二经预处理的传感器信号S2，p转换为第二经转换的传感器信号S2，r：
Figure BDA0004027156490000046
在随后的调整步骤中，第一经转换的传感器信号S1，r和第二经转换的传感器信号S2，r能够用来自(4)的幅度a1和来自(5)的幅度b1归一化。尤其地，第一经转换的传感器信号S1，r能够乘以第一分析参数1/a1并且第一经转换的传感器信号S2，r能够乘以第二分析参数1/b1并由此归一化。
如此输出的第一经处理的传感器信号S1，c和第二经处理的传感器信号S2，c能够被转发给随后的评估步骤，所述评估步骤通过应用atan2函数从这两个传感器信号中计算出所输出的角位置αc。
经由校正步骤改变由评估步骤输出的角位置αc，其方式为，从所输出的角位置αc中减去作为已经通过分析步骤计算出的第三分析参数的恒定的相移α0并且输出通过这种方式处理的角位置α。
在本发明的一个优选的实施方案中有利的是，处理步骤具有分析步骤，所述分析步骤执行第一和第二传感器信号的主分量分析并且在此求取至少一个分析参数，所述分析参数在至少一个后续的处理步骤中用于改变第一和/或第二传感器信号。由此随后能够根据至少一个分析参数来改变第一和第二传感器信号以减少角误差。
在本发明的一个特定的实施方案中有利的是，主分量分析应用具有旋转矩阵的主轴变换。由此能够以较少的计算能力来计算分析参数。分析参数能够直接与主轴变换的至少一个特征值相关。
在本发明的一个优选的实施方案中提出，处理步骤具有转换步骤，所述转换步骤通过利用旋转矩阵所进行坐标旋转将第一和第二传感器信号转换为相应经转换的第一和第二传感器信号。由此第一和第二传感器信号中的可能的幅度误差和可能的正交误差能够改变为第一和第二经转换的传感器信号的共同的幅度误差。除了共同的幅度误差外，第一和第二经转换的传感器信号还能够具有相对于第一和第二传感器信号的相移。
在本发明的一个优选的实施方案中提出，在跟着转换步骤之后就的调整步骤中，利用在分析步骤中求取的第一分析参数对第一经转换的传感器信号归一化并且利用在分析步骤中求取的第二分析参数对第二经转换的传感器信号归一化，并且作为第一和第二经处理的传感器信号输出。由此能够补偿第一和第二经转换的传感器信号的共同的幅度误差。
在本发明的一个特定的实施方案中有利的是，第一和第二分析参数与主轴变换的特征值相关。第一分析参数能够仅与已经在主轴变换中求取的第一特征值相关。第二分析参数能够仅与已经在主轴变换中求取的第二特征值相关。
在本发明的一个有利的实施方案中提出，在调整步骤之后跟随着评估步骤，所述评估步骤基于第一和第二经处理的传感器信号通过应用atan2函数来计算角位置作为所输出的角位置。atan2函数是反角函数arctangent(反正切)的扩展并且如其这样是角函数tangent(正切)的反函数。所述atan2函数取两个实数作为自变量，与正常的仅具有一个实数作为自变量的反正切相反。由此，所述atan2函数具有足够信息以便能够输出处于360°的数值范围中(即所有四个象限)中的函数值，并且不必(如正常的反正切那样)限制于两个象限。
在本发明的一个优选的实施方案中提出，在分析步骤之后跟随着校正步骤，在校正步骤中角位置通过在分析步骤中求取的第三分析参数来修正。第一、第二和/或第三分析参数能够在分析步骤中进行计算后保存在可调用的存储器中。
本发明的一个优选的实施方案是有利的，其中第三分析参数对应于相应经转换的传感器信号相对于相应的经预处理的传感器信号的相移。所输出的角位置能够以通过相移校正的方式作为经处理的角位置输出。
此外，通过用于通过具有上述特征中的至少一个特征的方法来检测旋转构件的角位置的检测系统实现上述目的中的至少一个，所述检测系统具有评估单元和传感器单元，所述传感器单元具有固定的传感器元件和可相对于所述传感器元件并且旋转构件一起旋转的旋转元件。
本发明的其他优点和有利的设计方案从附图说明和图示中得出。
附图说明
下面将参照图示详细描述本发明。其中详细地示出：
图1示出本发明的一个特定的实施方式中的方法的流程图。
图2示出在根据图1的方法的各个处理步骤之后的传感器信号的相应的曲线图。
图3示出在根据图1的方法的各个处理步骤之后的传感器信号的相应的角误差变化曲线。
图4示出计算精度与测量点数量相关的变化曲线。
图5示出在多个方法之间的比较中与信号质量相关的最大角误差的变化曲线。
具体实施方式
图1示出在本发明的一个特定的实施方式中的方法100的流程图。所述方法100经由传感器单元102检测可围绕旋转轴线旋转的旋转构件的角位置α，所述传感器单元将与角位置α相关的第一传感器信号S1，a和第二传感器信号S2，a输出给评估单元104，所述第一传感器信号与第一检测位置相关联，所述第二传感器信号与围绕旋转轴线垂直于第一检测位置的第二检测位置相关联。
评估单元104经由多个处理步骤从第一和第二传感器信号S1，a，S2，a计算角位置α。在图2中描绘在本方法100的各个处理步骤后输出的传感器信号在x-y坐标中的相应的曲线图，并且在图3中描绘在本方法100的相应的处理步骤后输出的传感器信号的角误差F的相应的角误差变化曲线。除非另有说明，否则下面的阐述均涉及根据图1的方法100，然而一些地方明确地参考图2和图3。
在经由第一和第二传感器信号S1，a，S2，a测量角位置α时，在图3中描绘的角误差F能够经由角位置α出现。角误差F对应于测量不准确性并且在不加以考虑的情况下会导致所测量的角位置α不准确。然而，角误差F能够通过所述方法100的后续的其他处理步骤来考虑和补偿。
第一传感器信号S1，a和第二传感器信号S2，a从传感器单元102被输出给评估单元104。评估单元104具有准备步骤106，在所述准备步骤中，与第一和第二传感器信号S1，a，S2，a叠加的偏移误差被补偿，并且输出如此经校正的第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S1，p。例如能够通过应用最大最小法108来求取偏移误差。在此，在旋转元件的至少一转中，能够检测相应的传感器信号S1，a，S2，a的最大的和最小的传感器值并且然后能够求取相应的传感器信号S1，a，S1，a的偏移。随后，能够补偿在第一和第二传感器信号S1，a，S2，a中这种计算出的偏移。图2中相应的准备好的传感器信号Sp是在准备步骤之后的以零点定中心的椭圆。在图3中示出包含在第一和第二经预处理的传感器信号中的角误差Fs的相关的变化曲线。
第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p然后被输入给接着准备步骤106后的处理步骤110。在处理步骤110中能够执行多个单独的处理步骤，在此即分析步骤112、转换步骤114和调整步骤116。第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p首先在分析步骤112中被处理。在分析步骤112中，假设根据第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p的(2)的坐标旋转。坐标旋转经由旋转矩阵来计算。在此，已经发现，第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p的可能的幅度误差和可能的正交误差能够共同转化为经由坐标旋转获得的传感器信号的幅度误差。
在分析步骤112中，通过应用根据(3)的主分量分析来计算旋转矩阵。这又利用主轴变换执行，利用所述主轴变换求取相关矩阵的特征值和相关的特征向量，旋转矩阵基于特征值和相关的特征向量构建。在分析步骤112中，计算与第一特征值相关的第一分析参数1/a1和与第二特征值相关的第二分析参数1/b1，并且将其储存以供以后访问。
第三分析参数通过根据(6)的相移α0形成。
在跟随分析步骤112后的转换步骤114中，第一和第二经预处理的传感器信号S1，p，S2，p用根据(2)的旋转矩阵来旋转，借此根据(7)，第一经预处理的传感器信号S1，p被转换为第一经转换的传感器信号S1，r并且第二经预处理的传感器信号S2，p被转换为第二经转换的传感器信号S2，r。在这个第一和第二经转换的传感器信号S1，r，S2，r中，第一和第二传感器信号S1，a，S2，a中的可能存在的幅度误差和正交误差作为总误差转换为幅度差。
在图2中，经转换的传感器信号Sr从准备好的传感器信号Sp的旋转中产生，借此，椭圆的主轴位于坐标系的通过零点确定的坐标轴上。图3中的相关的角误差Fr通过坐标旋转移位。
在随后的调整步骤116中，第一经转换的传感器信号S1，r用第一分析参数1/a1归一化，其中根据(4)计算a1，并且第二经转换的传感器信号S2，r用第二分析参数1/b1归一化，其中根据(5)计算b1。由此，补偿第一和第二经转换的传感器信号S1，r，S2，r之间的幅度差并且将其分别作为第一和第二经处理的传感器信号S1，c，S2，c输出。
图2中的经处理的传感器信号SC是圆，中心在零点。图3中相应的关于其的角误差FC与角位置α无关地推移。
如此输出的第一和第二经处理的传感器信号S1，c，S2，c随后被转发给后续的评估步骤118，所述评估步骤通过应用atan2函数从第一和第二经处理的传感器信号S1，c，S2，c来计算角位置。评估步骤118将计算出的角位置作为所输出的角位置ac输出给校正步骤120。
在校正步骤120中，改变所输出的角位置αc，其方式为，从所输出的角位置αc中减去作为通过分析步骤112已计算出的第三分析参数的相移α0并且输出通过这种方式处理的角位置α。
由此，补偿在图3中计算出的角误差Fs并且能够准确地计算出旋转构件的角位置α。
图4示出计算精度G与测量点的数量n相关的变化曲线。为了在通过应用之前所描述的主分量分析检测角位置时尽可能高效地使用计算能力，应确定：需要多少个测量点，以便能够低成本且快速地执行所述方法。
如果预设了计算精度，那么能够求取所需的测量点的数量n。测量点的数量n、计算精度G和测量的分辨率N之间的关系是：
Figure BDA0004027156490000101
在此，G和N大于零。
例如，如果根据(8)，在例如0.5°的分辨率N的情况下要求1°的计算精度G，那么在相应的传感器信号中应该有至少58个测量点。
图5示出在多个方法之间的比较中最大的角误差Fmax与信号质量R的相关的变化曲线。最大的角误差Fmax与如下信号质量相关，所述信号质量通过信噪比表示。在应用最大最小法Ma的情况下，在检测角位置时的最大的角误差Fmax最高，其中正交误差未被补偿。在根据现有技术的方法Ms的情况下，最大的角误差Fmax已经减小。与之相比，在DE 10 2020 102064.3中描述的方法Mc设计为，还进一步减少最大的角误差Fmax并且在此与根据现有技术的方法Ms相比显著降低了计算能力。
关于最大的角误差Fmax，在本发明的一个特定的实施方式中，所提出的方法Me是最好的。在此，在低噪声即大的R的情况下，最大的角误差Fmax能够被减少，例如与Mc方法相比，减少到大约50％。
附图标记列表
100 方法
102 传感器单元
104 评估单元
106 准备步骤
108 最大最小法
110 处理步骤
112 分析步骤
114 转换步骤
116 调整步骤
118 评估步骤
120 修正步骤
α 角位置
αc 所输出的角位置
αc 相移
F 角误差
Fp 角误差
Fr 角误差
Fc 角误差
Fs 角误差
Fmax 最大的角误差
λ1 第一特征值
λ2 第二特征值
S1，a 第一传感器信号
S2，a 第二传感器信号
S1，p 第一准备好的传感器信号
S2，p 第二准备好的传感器信号
Sp 准备好的传感器信号
S1，r 第一经转换的传感器信号
S2，r 第二经转换的传感器信号
St 经转换的传感器信号
S1，c 第一经处理的传感器信号
S2，c 第二经处理的传感器信号
Sc 经处理的传感器信号
1/a1 第一分析参数
1/b1 第二分析参数

Claims (10)

1.一种用于经由传感器单元(102)检测可绕旋转轴线旋转的旋转构件的角位置(α)的方法(100)，所述传感器单元具有：
固定的传感器元件，和
可相对于所述传感器元件并且与所述旋转构件一起旋转的旋转元件，其中
所述传感器元件将与所述角位置(α)相关的第一传感器信号(S1，a)和第二传感器信号(S2，a)分别输出给评估单元(104)，所述第一传感器信号与第一检测位置相关联，所述第二传感器信号与围绕所述旋转轴线垂直于所述第一检测位置的第二检测位置相关联，
所述评估单元在评估步骤(118)中经由atan2函数与所述第一检测位置和第二检测位置相关地计算所述角位置(α)，
其特征在于，
在位于评估步骤(118)之前的处理步骤(110)中，经由对所述第一传感器信号和第二传感器信号(S1，a，S2，a)的主分量分析，将所述第一传感器信号和第二传感器信号(S1，a，S2，a)的可能的幅度误差和可能的正交误差作为总误差转换为所述第一传感器信号和第二传感器信号的幅度差。
2.根据权利要求1所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，所述处理步骤(110)具有分析步骤(112)，所述分析步骤对所述第一传感器信号和第二传感器信号(S1，a，S2，a)执行主分量分析并且在此求取至少一个分析参数，所述分析参数在至少一个后续的处理步骤中用于改变所述第一传感器信号和/或第二传感器信号(S1，a，S2，a)。
3.根据权利要求2所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，所述主分量分析应用借助于旋转矩阵的主轴变换。
4.根据权利要求3所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，所述处理步骤(110)具有转换步骤(114)，所述转换步骤通过利用所述旋转矩阵进行的坐标旋转将所述第一传感器信号和第二传感器信号(S1，a，S2，a)转换为相应经转换的第一传感器信号和第二传感器信号(S1，r，S2，r)。
5.根据权利要求4所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，在接着转换步骤(114)之后的调整步骤(116)中，用在所述分析步骤(112)中求取的第一分析参数将第一经转换的传感器信号(S1，r)归一化并且用在所述分析步骤(112)中求取的第二分析参数将第二经转换的传感器信号(S2，r)归一化，并且作为第一和第二经处理的传感器信号(S1，c，S2，c)输出。
6.根据权利要求5所述用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，所述第一分析参数和第二分析参数与所述主轴变换的特征值(λ1，λ2)相关。
7.根据权利要求5或6所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，在所述调整步骤(116)之后跟随着评估步骤(118)，所述评估步骤基于所述第一经处理的传感器信号和第二经处理的传感器信号(S1，c，S2，c)通过应用atan2函数计算出角位置作为所输出的角位置(αC)。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，在所述评估步骤(118)之后跟随着校正步骤(120)，在所述修正步骤中，所述角位置(α)通过在所述分析步骤(112)中求取的第三分析参数(α0)被修正。
9.根据权利要求8所述的用于检测角位置(α)的方法(100)，其特征在于，所述第三分析参数(α0)对应于经转换的传感器信号(S1，r，S2，r)相对于相应的经预处理的传感器信号(S1，a，S2，a)的相移。
10.一种检测系统，所述检测系统用于通过根据上述权利要求中任一项所述的方法(100)来检测旋转构件的角位置(α)并且具有评估单元(104)和传感器单元(102)，所述传感器单元具有固定的传感器元件和可相对于所述传感器元件并且与所述旋转构件一起旋转的旋转元件。
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