DE10052609A1

DE10052609A1 - Verfahren zur Kompensation einer Offsetdrift eines Winkelmessers

Info

Publication number: DE10052609A1
Application number: DE10052609A
Authority: DE
Inventors: Henrik Siegle; Joerg Huttenlocher; Hartmut Kittel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2002-05-02
Also published as: FR2815706B1; ITMI20012208A1; JP2002195822A; FR2815706A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Kompensation einer Offset-Drift eines Winkelmessers vorgeschlagen. Der Winkelmesser (1) ist an einer drehbaren Welle (3) angeordnet und weist einen Geber (2) auf, der von einem zugeordneten Sensorelement (5) abgetastet wird und entsprechend dem Drehwinkel der Welle (3) ein sinus- und cosinusförmiges Signal an eine Auswerteeinheit (10) liefert. Da die gemessenen Signale sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur als auch in Abhängigkeit von der Betriebsdauer eine Offset-Drift aufweisen, muss diese korrigiert werden. Zur Kompensation des Temperatur-Offsets wird vorgeschlagen, ein Polynom dritter Ordnung zu verwenden. Darüber hinaus wird zur Korrektur der Langzeit-Drift eine Mittelwertbildung durchgeführt und damit die Drift allmählich korrigiert. Überschreitet die Langzeit-Drift einen vorgegebenen Grenzwert, dann wird mit Hilfe einer Diagnosefunktion dieser Fehler erfasst und eine entsprechende Meldung ausgegeben.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Kompensation einer Offset-Drift eines Winkelmessers nach der Gattung des Hauptanspruchs. Verfahren zur elektrischen Messung eines Drehwinkels sind schon bekannt. Dabei werden Messmethoden eingesetzt, mit denen sinusförmige und cosinusförmige Signale eines Sensors ausgewertet werden. Beispielsweise werden magnetoresistive Sensoren wie AMR- oder GMR-Sensoren (anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance) verwendet, die mit Hilfe von zwei Vollbrücken jeweils ein Sinus- und Cosinus-Signal liefern. Für eine korrekte Umrechnung in eine Winkelfunktion müssen die Amplituden des Sinus- und Cosinus-Signals gleich groß sein und dürfen keinen Offset aufweisen. Während die gleiche Amplitudenhöhe durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden kann, lassen sich Offset-Werte, die insbesondere durch Temperatureinfluss und Dauerbelastung auftreten, nicht ohne Weiteres vorhersagen oder vorherbestimmen. Das führt dazu, dass im Laufe der Einsatzdauer eines derartigen Winkelmessers sich die Genauigkeit erheblich ändert, so dass er gegebenenfalls dann nicht mehr verwendbar ist. Bei Anwendungen zur Drehwinkelbestimmung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug werden jedoch sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität über die Lebensdauer erwartet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation einer Offset-Drift eines Winkelmessers mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass bei der Winkelbestimmung ein auftretender Offset-Wert stets korrigierend berücksichtigt wird. Dadurch wird die Winkelmessung zuverlässiger und bleibt in dem vorgegebenen Genauigkeitsbereich konstant, so dass beispielsweise darauf basierende Steuerungsvorgänge zuverlässig durchführbar sind.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Offset-Werte in einem vorgegebenen Temperatur-Intervall bestimmt werden. Insbesondere für die im Kraftfahrzeug relevanten Temperaturen ergibt sich damit eine temperaturabhängige Offset-Bestimmung, die unabhängig von Umgebungs- oder Motortemperaturen stets gleichwertige Messergebnisse liefert.

Insbesondere ist vorteilhaft, dass die Ermittlung des Offsets bzw. des Temperatur-Koeffizienten bei wenigstens zwei vorgegebenen Temperaturen erfolgt, so dass Zwischenwerte auf einfache Weise durch Interpolation berechnet werden können. Darüberhinaus führt dies bei der Kalibrierung zu weniger Prüfaufwand.

Günstig ist auch, dass der Algorithmus für den Offset durch einen nicht linearen Temperatur-Koeffizienten bestimmt werden kann. Beispielsweise kann der Temperatur-Koeffizient durch ein Polynom dritter Ordnung beschrieben werden. Dieses Polynom gibt eine gute Nährung für das Temperaturverhalten eines Sensors.

Um einen einfachen Zugriff auf die entsprechenden Offset- Werte zu haben, erfolgt die Ablage der Offset-Werte vorzugsweise in einer Tabelle. Zwischenwerte lassen sich dann durch einfache Interpolation vorteilhaft bestimmen.

Als besonders günstig wird weiterhin angesehen, dass insbesondere das Langzeitverhalten während des Betriebes des Winkelmessers durch einfache Mittelung der Offset-Werte bestimmt werden kann. Die Bestimmung von mindestens einem der beiden Brückenoffsets (COS, SIN) während des Betriebs ist immer dann möglich, wenn der elektrische Winkel einen Bereich von wenigstens 180° überstreicht. Beispielsweise genügt im Fall von AMR-Sensoren, bei denen der elektrische Winkel das Zweifache des mechanischen Winkels ist, dafür ein mechanischer Winkelbereich von wenigstens 90°.

Durch Speicherung und Mittelung der ermittelten Offset-Werte lässt sich der zu korrigierende Offset allmählich anpassen, so dass Sprungfunktionen vermieden werden. Das erhöht die Sicherheit der Messung.

Bevorzugte Anwendungen sind bei einem nach optischem Prinzip arbeitende Sensoren gegeben. Alternativ lassen sich Offset- Werte auch an magnetoresistiven Sensoren erfassen und korrigieren.

Vorteilhaft ist weiterhin, die Messgenauigkeit des Winkelsensors mit Hilfe einer Diagnosefunktion zu überwachen. Fehlfunktionen können dann leicht angezeigt werden. Insbesondere bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes für den Offset kann ein Alarmsignal ausgegeben werden, so dass elektronische Einrichtungen entsprechend reagieren können.

Die Anwendung des Verfahrens bei einem Winkelmesser in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise an einer Lenkwelle erscheint deswegen besonders günstig, weil hier besonders hohe Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsanforderungen an die Messeinrichtung gestellt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Winkelmesser an einer drehbaren Welle,

Fig. 2 zeigt eine Tabelle,

Fig. 3 zeigt Diagramme mit Winkelsignalen,

Fig. 4 zeigt eine weitere Tabelle,

Fig. 5 zeigt Diagramme mit Offset-Kurven und

Fig. 6 zeigt Offset-Diagramme bei Langzeitdrift.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen Winkelmesser 1, der an geeigneter Stelle einer Welle 3 angeordnet ist. Die Welle 3 ist beispielsweise eine Lenkwelle oder Lenkstange eines Kraftfahrzeugs. Alternativ ist vorgesehen, den Winkelsensor 1 auch am Ende der Welle 3 anzuordnen.

Der Winkelsensor 1 weist im Wesentlichen einen Geber 2 auf, der beispielsweise als Ring ausgebildet ist und eine oder mehrere Markierungen aufweisen kann. Diese Markierungen können optisch, induktiv, magnetisch oder wie sonst üblich ausgebildet sein. Des Weiteren ist ein Sensor 5 vorgesehen, der aufgrund seiner Anordnung und Ausbildung die Markierungen des Gebers 2 abtastet und entsprechende elektrische Signale an eine Auswerteeinheit 10 sendet, mit der er vorzugsweise auf der gleichen Leiterplatte 4 angeordnet ist. Um die Bauform klein zu halten, ist in der Leiterplatte 4 eine Aussparung 8 vorgesehen, in die der Geber 2 teilweise eintaucht.

Eine bevorzugte Ausführungsform weist einen magnetisierten Geber 2 auf, der von einem magnetoresistiven Sensor 5 abgetastet wird. Der Sensor 5 ist beispielsweise ein AMR- oder GMR-Sensorelement und liefert aufgrund seiner Konstruktion an getrennten Ausgängen ein sinus- und cosinusförmiges Signal in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 3.

In alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, den Geber 2 am Ende der Welle 3 anzuordnen, wobei beispielsweise der Geber 2 als flächig magnetisierter zylindrischer oder quarderförmiger Magnet ausgeführt ist. Das Prinzip der Ausbildung des Sensors 5 und der Winkelmessung ist per se bekannt. Der Sensor 5 weist im Wesentlichen zwei um 45° gedrehte AMR-Vollbrücken oder alternativ zwei um 90° gedrehte GMR-Vollbrücken auf, die das Sinus- bzw. Cosinus- Signal liefern. Die Winkelbestimmung erfolgt dann mit einer Arcustangens-Operation, die auf das Sinus- und das Cosinus- Signal angewendet wird.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Funktionsweise dieser Anordnung näher erläutert. Zur genauen Winkelbestimmung müssen die Sinus- und Cosinus-Signale die gleiche Amplitude besitzen und dürfen keine Offset aufweisen. Dies ist insbesondere über den beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich geltenden Temperaturbereich zu erfüllen. Erfahrungsgemäß hat es sich jedoch gezeigt, dass eine Offset-Drift sowohl mit zunehmender Temperatur als auch über die Lebensdauer der Sensoren 5 (Langzeit-Drift) eintritt. Dies führt unter Umständen dazu, dass sich die Messgenauigkeit eines bei Raumtemperatur abgeglichenen Sensors 5 im Laufe der Beanspruchungszeit und insbesondere bei einer hohen Temperatur stark verschlechtern kann.

Fig. 2 zeigt im oberen Teil der Tabelle zunächst eine Formel zur Berechnung der Sinus- und Cosinus- Signalspannungen unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Offsets TCV_offset und dem Offset LTD_offset, der durch die Dauerbeanspruchung auftritt. Im unteren Teil der Tabelle der Fig. 2 sind einige Parameter aufgeführt, welche an handelsüblichen Sensoren gemessen werden können.

Fig. 3 zeigt im Einzelnen, wie sich die Sinus- und Cosinus- Signale in Abhängigkeit von der Temperatur ändern können. Im linken Teil der Fig. 3 ist das Sinus- und Cosinus-Signal für Raumtemperatur in gestrichelten Linien und für erhöhte Temperatur in durchgezogenen Linien dargestellt. Dabei wurde ein großflächig magnetisierter Geber verwendet, so dass eine volle Sinusschwingung (Periode) einem Drehwinkel von 180° entspricht. Bei einer vollen Umdrehung werden somit zwei Perioden abgebildet. In diesem Fall liegt keine Offset-Drift vor. Die beiden Diagramme in der Mitte der Fig. 2 zeigen dagegen Sinus- und Cosinus-Kurven, die mit einem positiven bzw. negativen Offset versehen sind. Im rechten Diagramm wurden die resultierenden Winkelfehler aufgetragen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Tabelle, die das Offset-Verhalten bei einer Langzeitbetrachtung wiedergibt. Im linken Teil der Tabelle sind die Anfangswerte dargestellt. Der Winkelfehler beträgt hier ±1,3°. Die beiden Tabellen im rechten Teil der Fig. 4 zeigen dagegen die Fehlerwinkel mit ±2,9° bzw. ±3,6° nach 5000 Stunden Dauerbelastung. Die Betrachtungen wurden jeweils für die Betriebstemperatur 150°C durchgeführt.

Fig. 5 zeigt drei weitere Diagramme mit Offset-Kurven, die in einem Temperaturintervall von -50° bis +150° ermittelt wurden. Das linke Diagramm der Fig. 5 mit der gepunkteten Kennlinie zeigt dabei Messwerte für den Offset der ersten Brücke des Sensors 5 (Cosinus-Brücke) und vergleichbar das mittlere Diagramm für die zweite Brücke (Sinus-Brücke) des gleichen Sensors 5. Die durchgezogenen Kurven wurden vergleichsweise gerechnet (Fit) und stellen die Näherungsfunktion dar, die durch ein Polynom dritter Ordnung erzielt wird. Das rechte Diagramm der Fig. 5 zeigt den Fehler des Messwinkels (Error°), der sich aus der Arcus- Tangens-Bildung der Sinus- und Cosinussignale ergibt, wobei deren Offset mittels der Polynom-Näherungsfunktionen weitgehend eliminiert wurde.

Die dargestellten Kurven wurden exemplarisch gemessen und der nichtlineare Offset-Verlauf der Cosinus-Brücke (linkes Diagramm) und der Sinus-Brücke (mittleres Diagramm) eines einzelnen Sensors 5 über den beispielhaft gewählten und für ein Kraftfahrzeug üblichen Temperaturbereich von -50°C bis +150°C. Wie durch die durchgezogenen Linien erkennbar ist, lässt sich der nicht lineare Temperatur-Koeffizient, d. h. der Offset durch das Polynom dritter ordnung relativ gut beschreiben und somit der gemessene Drehwinkel wirkungsvoll korrigieren. Wie das rechte Diagramm zeigt, ist der resultierende Winkelfehler nur noch sehr gering.

Für die Berechnung (Fit) genügen wenigstens zwei, vorzugsweise werden 3-4 Stützwerte verwendet. Jeder Sensor wird dazu auf die entsprechenden Temperaturwerte aufgeheizt, die Offsets bestimmt und die Näherungsfunktion berechnet.

Das Ergebnis wird vorzugsweise in einer Tabelle gespeichert und ist somit leicht zugänglich. Dies erfolgt in einem Kalibriermodus nach Fertigstellung des Sensors. Im späteren Betrieb dient der Widerstand der AMR-Elemente, die als Brücke ausgebildet sind, zusätzlich als Temperatur-Fühler. Sein Temperaturgang ist ausreichend linear und reproduzierbar, so dass mit dem ANR-Element selbst direkt auch die Temperatur gemessen werden kann.

In der Fertigung oder beim Einbau des Sensors müssen die Offset-Temperatur-Koeffizienten jedes Sensors bestimmt werden, da der genaue Offset-Verlauf nicht vorhersagbar ist. Zur Bestimmung der Stützwerte für den Fit wird bei den eingestellten Temperaturen z. B. ein Referenz-Magnet über den Sensor gedreht. Der jeweilige Offset kann dann durch Anpassung der aufgenommenen Sinus- und Cosinus-Signale oder durch Mittelwertbildung berechnet werden. Alternativ zum drehenden Referenzmagneten kann ein Elektromagnet zur Richtungsvorgabe benutzt werden.

Fig. 6 zeigt schematisch die zeitliche Entwicklung des Offsets bei einer Hochtemperaturlagerung, wobei in vorgegebenen Zeitabständen Zwischenmessungen durchgeführt wurden. Die linke Achse des Diagramms zeigt dabei die Offset-Drift an, während die rechte Achse die dadurch resultierenden Fehlerwinkel bei Raumtemperatur (25°C) bzw. bei 150°C wiedergibt. Die beiden dargestellten Kurven unterscheiden sich dadurch, dass bei der gepunkteten Kurve keine thermische Vorbelastung durchgeführt wurde. Die durchgezogene Kennlinie gibt dagegen das Offset-Verhalten nach einer durchgeführten Temperaturbelastung (Burn-In) wieder, die der Dauerbelastung vorgeschaltet wurde.

Die Erfahrungen zeigen, dass jeder Sensor sich unterschiedlich verhält, so dass eine genaue Vorhersage über die auftretende Offset-Drift nicht möglich ist. Um dennoch die Langzeit-Offset-Drift korrigieren zu können, wird erfindungsgemäß folgendes Korrekturverfahren vorgeschlagen: Beim Lenkvorgang wird aus den Signalamplituden durch eine Mittelwertbildung der Offset bestimmt. Überstreicht bei Verwendung eines AMR-Sensors der Lenkwinkel wenigstens 90°, d. h. der elektronische Winkel beträgt zwei Mal den mechanischen Winkel, also 180°, so kann mindestens einer der beiden Brückenoffsets durch Mittelung berechnet werden, da die beiden Brücken des AMR-Sensors in einem 45°-Winkel zueinander angeordnet sind. Der so ermittelte Offset wird gespeichert und allmählich korrigiert. Diese allmähliche Korrektur, die beispielsweise schaltungsmäßig durch einen Tiefpass realisiert wird, verhindert sprunghafte Änderungen des Offsets. Solche sprungweisen Änderungen würden zwangsweise auftreten, weil die Abweichungen zwischen dem wahren Offset-Temperaturgang und dem berechneten (Fit) nicht von Langzeit-Offset-Drifts unterschieden werden können.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung wird auch darin gesehen, dass die ermittelten Winkel- bzw. Offset-Werte mittels einer Diagnosefunktion überwacht werden. Beim Überschreiten einer vorgegebenen Grenze kann dann eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.

Die Einführung einer Diagnosefunktion ist wichtig, weil bei dem üblicherweise zur Arcus-Tangens-Berechnung eingesetzten Cordic-Algorithmus automatisch die Summe der Quadrate der Sinus- und Cosinussignale berechnet wird. Dieser Wert sollte entsprechend der bekannten mathematischen Beziehung

sin²ϕ, + cos²ϕ = 1

konstant sein. Tatsächlich bewegt der Wert sich je nach Größe des Temperatur-Koeffizienten der Signal-Amplituden und Offsets in einem bestimmten Wertebereich und liefert damit eine Relation zwischen einem Fehlerwinkel und der Einsatzdauer des Sensors. Beim Temperaturabgleich nach Fertigstellung des Sensors wird der Wertebereich dieses Diagnosefaktors aufgenommen. Der maximal tolerierbare Fehlerwinkel lässt sich in einen maximalen Diagnosewert umrechnen. Sobald sich der Sensor im späteren Betrieb diesem Wert als vorgegebenem Grenzwert nähert oder den Wert im Laufe der Lebensdauer überschreitet, wird das oben erwähnte Warnsignal ausgegeben. Dadurch können sowohl zu starke Langzeiz-Drifts, aber auch fehlerhafte Änderungen bei den Sensorelementen vorteilhaft erfasst werden.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation einer Offset-Drift eines Winkelmessers (1), dessen Sensorelement (5) einen an einer Welle (3) angeordneten Geber (2) abtastet, wobei das Sensorelement (5) entsprechend des Drehwinkels der Welle (3) ein sinus- und cosinusförmiges Signal an eine Auswerteeinheit (10) liefert, die aus den empfangenen Signalen vorzugsweise durch eine Arcus-Tangens-Bildung den Drehwinkel bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (10) einen Algorithmus aufweist, mit dem aus den gemessenen Sinus- und Cosinus-Werten oder daraus abgeleiteten Werten ein Offset-Wert ermittelt wird und mit dem in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Zeit die Sensorsignale und damit der Drehwinkel korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Werte in einem vorgegebenen Temperatur- Intervall bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatur-Intervall für im Kraftfahrzeug relevante Temperaturen vorgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Offset- Werte und/oder eines Temperatur-Koeffizienten in einem Kalibrierschritt bei wenigstens zwei vorgegebenen Temperaturstufen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus einen nicht linearen Temperatur-Koeffizienten aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht lineare Temperatur-Koeffizient durch ein Polynom dritter Ordnung beschrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Offset- Werte in einer Tabelle abgelegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenwerte für den Offset durch Interpolation bestimmt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Winkelmessers durch wiederholte Winkelmessungen ein Langzeit-Offset-Wert durch Mittelwertbildung berechnet wird, wobei die Berechnung des Langzeit-Offsets bei Überschreiten eines 90°-Drehwinkels erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gemittelte Offset-Wert gespeichert und zur allmählichen Korrektur herangezogen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Korrekturen an einem Sensor (5) und/oder Geber (2) durchgeführt wird, der nach einem optischen Prinzip arbeitet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Korrekturen an einem Sensor (5) und/oder Geber (2) durchgeführt wird, der nach einem magnetoresistiven Prinzip arbeitet.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Diagnosefunktion ein Überschreiten einer vorgegebenen Offset-Grenze ausgegeben wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (1) an einer Lenkwelle (3) eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.