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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung mit einer Offsetstellung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Offsetregelungen
für Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise
ist aus dem Dokument
DE
198 06 752 A1 eine Offsetregelung für ein Sensormodul,
insbesondere für Beschleunigungssensoren und Drucksensoren
bekannt, wobei die Offsetregelung einen Istwert erfasst, diesen
mit einem Sollwert vergleicht und bei einer Abweichung den erfassten
Wert auf den Sollwert regelt, wobei eine Überwachungseinrichtung
integriert ist, die einen analogen oder digitalen, getakteten Summierer
beinhaltet, wobei die Überwachungseinrichtung die mit einem
beliebigen Faktor gewichtete Abweichung zwischen Ist- und Sollwert
aufsummiert.
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Mittels
Offsetregelung werden Veränderungen des Nullpunkts, die
auch als Offsetdrift bezeichnet werden, gemessen und mit Hilfe eines
Regelkreises ausgeglichen. Diese Veränderungen können
an den unterschiedlichsten Komponenten, insbesondere dem eigentlichen
Sensorelement, welches zur Erfassung einer physikalischen Größe
dient, und den Verbindungen zwischen Sensorelement und Signalverarbeitung
auftreten. Die Ursachen für die Offsetdrifts liegen beispielsweise
in der Alterung der Komponenten und Verbindungen oder sie können
durch Temperaturveränderungen, die die Eigenschaften der
Komponenten und deren Verbindungen beeinflussen, hervorgerufen werden.
Mit der Offsetregelung können solche Einflüsse
ausgeschaltet werden, indem ein Nullpunktabgleich stattfindet, so
dass aufgrund einer Verschiebung des Nullpunkts das Messergebnis
nicht verfälscht wird.
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Nachteilig
bei den bekanten Offsetregelungen ist jedoch, dass die Zeit, welche
zur Einstellung eines anfänglichen Offset benötigt
wird, abhängig von der Größe des Offset
selbst ist und somit stark variieren kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße
Verfahren zur Offsetstellung gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik
den Vorteil, dass ein anfänglicher Offset relativ genau
und dabei schnell und unabhängig von der Größe
des Offset eliminiert werden kann. Dadurch dass die Offsetstellung
mindestens ein Mittel zur Division eines Eingangssignalwerts durch
eine Anzahl A aufweist, wobei für die Anzahl A von Takten,
je Takt ein von dem Mittel zur Division ausgegebener Wert in dem
Summierer speicherbar ist, lässt sich durch den in dem
Summierer gespeicherten Wert der anfängliche Offset innerhalb
von einer konstanten Anzahl von A Takten auf näherungsweise
Null stellen. Je größer der anfängliche
Offset ist, desto größer ist die Korrektur je
Takt. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
wird der Mittelwert von A Eingangssignalwerten ermittelt. Eine Genauigkeit
der Offsetstellung σm kann vorteilhaft
durch die bekannte Formel der Varianz des Mittelwerts angegeben
werden und hängt nur von einem Eingangsrauschen σR und der Anzahl A der Takte ab: σM = σR /√A.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung benötigt
vorteilhafterweise keinen zusätzlichen Speicher, da eine
beliebige, weitergehende Offsetregelung für den weiteren
Betrieb der Sensoranordnung auf die selben Komponenten zugreift
wie die Offsetstellung. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung
benötigt weiterhin vorteilhaft keine Rückkopplung
für die Offsetstellung. So wird die Offsetstellung vorteilhaft
platzsparend bezüglich der begrenzten Fläche eines
ASIC realisiert (application specific integrated circuit, auch Custom-Chip,
eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert
ist).
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Summierer eine
Mehrzahl von Eingängen aufweist, welche über einen
Umschalter steuerbar sind. Besonders bevorzugt ist ein erster Eingang mit
einem ersten Mittel zur Division des Eingangssignalwerts durch eine
erste Anzahl A und eine zweiter Eingang mit einem zweiten Mittel
zur Division des Eingangssignalwerts durch eine zweite, von der
ersten Anzahl A verschiedene Anzahl B verbunden. Durch die Mehrzahl
von Eingängen können mit geringem zusätzlichen Aufwand
zwei oder mehr unterschiedliche Anzahlen A, B von Takten beziehungsweise
Divisoren implementiert werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein weiterer
Eingang für ein Signal einer zusätzlichen Offsetregelung
vorgesehen ist. Dadurch wird vorteilhaft eine zweistufige Korrektur des
Offset realisiert, wobei beide Stufen der Regelung auf die selben
Bauelemente zugreifen. Als zusätzliche Offsetregelung im
Sinne der Erfindung ist jede Offsetregelung anzusehen, welche insbesondere
während des fortlaufenden Sensorbetriebs, also dauerhaft
eine Offsetkorrektur bereitstellt. Im Gegensatz dazu dient die Offsetstellung
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung im Wesentlichen
zu einer möglichst schnellen Korrektur eines zu Beginn
des Sensorbetriebs auftretenden Offset.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mindestens
eine Mittel zur Division ein Register für eine bitweise
Verschiebung eines Werts aufweist. Die bitweise Verschiebung (bit-shift) eines
digitalisierten Werts stellt eine vorteilhaft einfache Realisierung
einer Divisionsoperation dar. Ein entsprechendes Register benötigt
besonders wenig ASIC-Fläche.
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung weist vorzugsweise
einen Inertialsensor auf, besonders bevorzugt einen Drehratensensor.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung
in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen verwendet, beispielsweise
für Systeme wie ABS, ESP, Airbag oder eine Fahrwerkregelung.
Weiterhin bevorzugt wird die erfindungsgemäße
Sensoranordnung in Werkzeugmaschinen, insbesondere bei Robotern
eingesetzt.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Offsetstellung einer Sensoranordnung, wobei nach einem Triggern
der Offsetstellung taktweise ein Wert eines Eingangssignals durch eine
Anzahl A dividiert und in einen Summierer geschrieben wird, wobei
die Offsetstellung nach einer Anzahl A von Takten beendet wird.
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Besonders
vorteilhaft wird somit ein Verfahren zur Offsetstellung einer Sensoranordnung
realisiert, welches im Vergleich zum Stand der Technik einen anfänglichen
Offset relativ genau und dabei schnell und unabhängig von
der Größe des Offset eliminiert. Die Offsetstellung
ist in jedem Fall nach A Takten abgeschlossen. Der Summierer hat
zu diesem Zeitpunkt einen Mittelwert von genau A Eingangssignalwerten
gespeichert. Die Anzahl A von Takten kann zwar nur ganzzahlig positiv
sein, der Fachmann erkennt jedoch, dass eine Division durch eine
Fließkommazahl, welche zumindest annähernd gleich
der Anzahl A ist, zu einem ähnlichen Ergebnis einer schnellen
Offsetstellung führen würde. Eine solche Variante
fällt daher ebenfalls unter den Erfindungsgedanken der
vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass für die
Anzahl A eine positive ganze Zahl gewählt wird, also eine
natürliche Zahl ungleich Null. Das Verfahren gemäß dieser
Weiterbildung bzw. dieses Verfahren implementierende Schaltungen
realisieren somit die folgende Rechenoperation:
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass für
die Anzahl A eine Zahl gewählt wird, welcher einer Zweierpotenz
entspricht. Eine solche Division ist schaltungstechnisch vorteilhaft
mit geringem Aufwand realisierbar. Besonders bevorzugt wird die
Division durch eine bitweise Verschiebung durchgeführt.
Die bitweise Verschiebung bietet für digitalisierte Werte
eine vorteilhaft einfache Realisierung der Divisionsoperation dar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei dem
Triggern der Offsetstellung ein in dem Summierer gespeicherter Wert
vor dem Schreiben des ersten Werts gelöscht wird. Diese
Ausführungsform erlaubt vorteilhaft ein erneutes Triggern
der Offsetstellung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem
Triggern ein Offsetabgleich durchgeführt wird, wobei ein
Initialwert des Summierers mit einem Vorgabewert abgeglichen wird. Dies
erlaubt beispielsweise vorteilhaft die Erkennung von Sensorfehlfunktionen.
Sofern der Initialwert des Summierers, also der im ersten Takt geschriebene
Wert beispielsweise so groß ist, dass er nicht durch eine normale
Offsetdrift hervorgerufen sein kann, besteht vorteilhaft die Möglichkeit,
eine Fehlermeldung auszugeben.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem
Beenden der Offsetstellung Werte einer zusätzlichen Offsetregelung
in den Summierer geschrieben werden. Dadurch wird vorteilhaft eine
zweistufige Korrektur des Offset realisiert. Als zusätzliche
Offsetregelung im Sinne der Erfindung ist jede Offsetregelung anzusehen,
welche insbesondere während des gesamten Sensorbetriebs,
also dauerhaft eine Offsetkorrektur bereitstellt. Im Gegensatz dazu
dient die Offsetstellung der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung im Wesentlichen zu einer möglichst schnellen
Korrektur eines zu Beginn des Sensorbetriebs auftretenden Offset.
Die Bezeichnung Offsetstellung dient zur sprachlichen Abgrenzung
gegenüber Offsetregelungen, welche in der Regel auf Rückkopplung
basieren, was bei der vorliegenden Offsetstellung nicht der Fall
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 ein
schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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3 ein
Diagramm zur Darstellung der Offsetstellung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
1 ist
ein schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei ein Eingangssignal E von einem Sensor mit einem unbekannten,
anfänglichen Offset behaftet ist. Der Sensor ist vorzugsweise
ein Inertialsensor, insbesondere ein Drehratensensor. Der Eingang
eines Summierers
4 ist mit dem Ausgang eines Umschalters
7 verbunden. Der
Summierer
4 weist beispielsweise ein summierendes Glied
und ein Verzögerungsglied in einer Rückkopplungsschleife
auf. Der Umschalter
7 weist einen Taktgeber
6 auf
und ist zwischen einer ausgeschalteten Stellung
41, einem
Eingang für die Offsetstellung
42 und einem weiteren
Eingang
51 für eine zusätzliche Offsetregelung
schaltbar. Der Umschalter
7 bildet hier mit dem Summierer
4 einen
getakteten Summierer. Bei einem Triggern der erfindungsgemäßen
Offsetstellung wird in jedem Takt der Wert des Eingangssignals E
in einem Mittel zur Division
2 durch eine Anzahl A dividiert.
Die Anzahl A ist ein konstanter, festgelegter Wert, insbesondere
ganzzahlig und größer als Null. Das Ergebnis der
Division wird über den Eingang
42 des Umschalters
7 in
den Summierer
4 geschrieben. Der gespeicherte Wert des
Summierers
4 wird in einem Block
8 von dem Wert
des Eingangsignals E abgezogen und dadurch der Offset korrigiert.
Das korrigierte Sensorsignal ist mit dem Bezugszeichen
9 bezeichnet.
Der beschriebene Vorgang wird für eine Anzahl von A Takten
wiederholt. Danach wird die Offsetstellung beendet. Mit dieser Vorgehensweise
wird ein Mittelwert von einer Anzahl von A Werten des Eingangssignals
E ermittelt. Somit wird die folgende Rechenoperation implementiert:
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Der
weitere Eingang 51 ist für eine zusätzliche
Offsetregelung vorgesehen. Dabei wird das korrigierte Sensorsignal 9 über
eine Rückkopplung 52 in eine Signum-Funktion 5 geleitet
und anschließend gegebenenfalls über einen Verstärker 53 in
den Summierer geschrieben. Bei einem erneuten Triggern der Offsetstellung wird
der in dem Summierer 4 gespeicherte Wert zunächst
gelöscht.
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In 2 ist
ein schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt, wobei die im Zusammenhang mit 1 bereits
erläuterten Elemente hier die gleiche Funktion erfüllen.
Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 besteht
darin, dass der Umschalter 7 einen zweiten Eingang 43 der
Offsetstellung aufweist, welcher mit einem zweiten Mittel zur Division 2' des
Eingangssignalwerts E durch eine zweite, von der ersten Anzahl A
verschiedene Anzahl B verbunden ist. Die Offsetstellung kann hier
wahlweise durch Verbinden des ersten Eingangs 42 oder des
zweiten Eingangs 43 mit dem Summierer erfolgen, je nachdem
welche Anzahl von Takten, A oder B, gewünscht oder vorteilhafter
ist. Der Fachmann erkennt, dass der Umschalter 7 noch weitere Eingänge
für weitere Mittel zur Division durch jeweils unterschiedlichen
Anzahlen aufweisen kann, was hier nicht dargestellt ist.
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Die 3 zeigt
ein Diagramm zur Darstellung der Offsetstellung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die gewählte Anzahl A von Takten beträgt 40 bei
eine Taktrate von 1 Kilohertz. In dem Diagramm ist ein Signal in
beliebiger Einheit über der Zeit in Millisekunden dargestellt.
Ein erstes Signal E1 weist einen Offset von 40 Einheiten auf, ein
zweites Signal E2 einen Offset von 100 Einheiten. Die Offsetstellung
wird jeweils nach 100 Millisekunden getriggert. Beide Signale E1
und E2 sind bei 140 Millisekunden, also nach 40 Takten, auf einen
Wert von etwa Null korrigiert. Da die Offsetstellung nach 40 Takten beendet
wird, verlaufen beide Signale E1 und E2 parallel im Bereich der
Nulllinie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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