DE102008004916A1

DE102008004916A1 - Verfahren zur Kalibrierung der Position eines Magnetfeldsensors

Info

Publication number: DE102008004916A1
Application number: DE102008004916A
Authority: DE
Inventors: Klaus Leipnitz; Ralf Pohlmann; Roger Pohlmann
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-23

Abstract

Zur Kalibrierung der Position eines Magnetfeldsensors (S1, S2) der relativ zu einem Mess-Magnetgeber (6, 7) linear längs eines Verfahrweges (x) bewegt wird, wobei der Magnetfeldsensor (S1, S2) in einer Zwischenwegposition (xmax) einen minimalen Abstand (AMess) zum Magnetgeber (6, 7) einnimmt, wird folgendermaßen vorgegangen: Zunächst wird ein Nenn-nem minimalen Nenn-Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor (S1, S2) und einem Nenn-Magnetgeber (6, 7) bestimmt. Anschließend wird der Magnetfeldsensor relativ zum Mess-Magnetgeber (6, 7) montiert. Der Magnetfeldsensor (S1, S2) wird dann längs des Verfahrweges (x) durch die Zwischenwegposition (xmax) verfahren. Dabei wird ein Zwischenwegpositions-Sensorsignal in der Zwischenwegposition (xmax) bestimmt. Sodann wird ein Korrekturfaktor als Quotient des Zwischenwegpositions-Sensorsignals und des Nenn-Sensorsignals gebildet. Der Korrketurfaktor wird dann in einem Speicher (11) eines mit dem Magnetfeldsensor (S1, S2) in Signalverbindung stehenden Steuergerätes (10) abgelegt. Es resultiert ein Kalibrierverfahren, das ein Bestimmungsverfahren einer Relativposition zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mess-Magnetgeber erlaubt, bei dem auf Fertigungstoleranzen zurückzuführende Messfehler vermieden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung der Position eines Magnetfeldsensors. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Relativposition des so kalibrierten Magnetfeldsensors zu einem Magnetgeber, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Kalibrier- bzw. Bestimmungsverfahrens sowie ein Kraftfahrzeuggetriebe mit einer derartigen Vorrichtung.
In Kraftfahrzeuggetrieben werden zur Erfassung der Position von beim Schalten zwischen verschiedenen Gängen des Getriebes bewegten Getriebekomponenten, die auch als Gangsteller bezeichnet werden, Magnetfeldsensoren mit Magnetgebern eingesetzt. Der Abstand zwischen den Magnetfeldsensoren und den Magnetgebern ist toleranzbehaftet. Dies führt bei der Verwendung von vorkalibrierten Sensor/Magnetgeber-Paaren zu Messfehlern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kalibrierverfahren anzugeben, welches ein Bestimmungsverfahren einer Relativposition zwischen einem Magnetfeldsensor und einem Magnetgeber erlaubt, bei dem derartige, auf Fertigungstoleranzen zurückzuführende Messfehler vermieden sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Kalibrierverfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Schritten.
Der mit dem Kalibrierverfahren berechnete Korrekturfaktor erlaubt es, beim nachfolgenden Einsatz eines Paars aus einem Magnetfeldsensor und einem Mess-Magnetgeber, dessen Korrekturfaktor bestimmt wurde, eine ebenfalls bei einer Vorkalibrierung standardisiert ermittelte Nenn-Abstands-Funktion des Sensorsignals des Magnetfeldsensors vom Abstand zu einem Nenn-Magnetgeber heranzuziehen. Messfehler, die durch Fertigungstoleranzen und eine hiermit verbundene Abweichung des tatsächlichen Abstandes des Magnetfeldsensors vom Magnetgeber in der Kalibriersituation einerseits und der tatsächlichen Messsituation andererseits hervorgerufen werden, werden hierdurch vermieden. Zur Kalibrierung kann der gleiche Magnetgeber heranzogen werden wie später bei der eigentlichen Messung. In diesem Fall sind der Nenn-Magnetgeber und der Mess-Magnetgeber identisch. Eine derartige Identität ist jedoch nicht zwingend. Bei der Zwischenwegposition handelt es sich um diejenige Relativpositon des Magnetfeldsensors zum Mess-Magnetgeber, in der der Magnetfeldsensor das maximale Magnetfeld des jeweiligen Mess-Magnetgebers sieht. Diese Position fällt in der Regel mit der Position zusammen, in der der Magnetfeldsensor einen minimalen Abstand zu einem Pol des jeweiligen Mess-Magnetgebers hat.
Eine Bestimmung des Zwischenwegpositions-Sensorsignals nach Anspruch 2 ist zuverlässig.
Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren für die Relativposition des kalibrierten Magnetfeldsensors zum Mess-Magnetgeber nutzt die Vorteile des vorgeschalteten Kalibrierverfahrens. Es kann eine im Vorfeld generierte Nenn-Abstandsfunktion herangezogen werden, ohne dass fertigungsbedingte Abstandstoleranzen zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mess-Magnetgeber unerwünscht das Messergebnis verfälschen.
Die Vorteile einer Vorrichtung nach Anspruch 4 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme einerseits auf das Kalibrierverfahren und andererseits auf das Bestimmungsverfahren schon erläutert wurden. Der mindestens eine Magnetgeber der Vorrichtung kann gleichzeitig als Nenn-Magnetgeber und als Mess-Magnetgeber genutzt werden. Alternativ können auch von den Mess-Magnetgebern verschiedene Nenn-Magnetgeber zur Kalibrierung herangezogen werden.
Ein als Hall-Sensor ausgeführter Magnetfeldsensor ermöglicht einen kompakten Magnetfeldsensor.
Zwei Magnetfeldsensoren nach Anspruch 6 und/oder zwei Magnetgeber nach Anspruch 7 ermöglichen eine eindeutige Positionserfassung zwischen diesen Komponenten. Neben der Relativposition kann auf diese Weise auch eine Verfahrrichtung der Magnetfeldsensoren zu den Mess-Magnetgebern bestimmt werden.
Bei einem nicht flüchtigen Speicher nach Anspruch 8 kann ein Datenverlust sicher vermieden werden.
In einem Kraftfahrzeuggetriebe nach Anspruch 9 kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders gut zum Tragen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 schematisch zwei Magnetfeldsensoren mit zugeordneten Magnetgebern in einer typischen Konfiguration eines induktiven Wegmesssystems, beispielsweise innerhalb eines Kraftfahrzeuggetriebes; und
2 in einem Diagramm die Abhängigkeit einer magnetischen Flussdichte am Ort der Magnetfeldsensoren abhängig von deren Position relativ zu den Magnetgebern.
1 zeigt schematisch Sensorkomponenten zur Erfassung eines Schaltzustands eines Kraftfahrzeuggetriebes. Zur Erläuterung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xy-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft in der 1 nach rechts. Die y-Achse verläuft in der 1 nach oben.
Zur Positionserfassung sind zwei Magnetfeldsensoren S1, S2 vorgesehen, die mit einer ersten schematisch gestrichelt dargestellten Getriebekomponente 3 verbunden sind. Die beiden Magnetfeldsensoren S1, S2 sind in x-Richtung zueinander versetzt angeordnet und in y-Richtung exakt auf gleicher Höhe. Die Magnetfeldsensoren S1, S2 sind als Hall-Sensoren ausgeführt.
Beim Schalten des Kraftfahrzeuggetriebes wird die Getriebekomponente 3 relativ zu einer weiteren Getriebekomponente 4 in x-Richtung verlagert. Den Magnetfeldsensoren S1, S2 zugewandt, weist die weitere Getriebekomponente 4 ein weichmagnetisches Blech 5 auf. Auf letzterem sind, den Magnetfeldsensoren S1, S2 zugewandt, zwei Magnetgeber 6, 7 angeordnet, die auch als Mess-Magnetgeber bezeichnet werden. Bei den beiden Magnetgebern 6, 7 handelt es sich um zwei Magnete mit Rückschluss, die ein Magnetfeld eines Stabmagneten nachbilden. Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der DE 10 2004 52 797 A und der DE 10 2004 043 402 A . Die beiden Magnetgeber 6, 7 sind ebenfalls in x-Richtung zueinander versetzt angeordnet, wobei der Abstand der beiden Magnetgeber 6, 7 zueinander längs des nachgebildeten Stabmagneten ein Mehrfaches des Abstandes der beiden Magnetfeldsensoren S1, S2 zueinander beträgt. In y-Richtung sind die beiden Magnetgeber 6, 7 exakt auf gleicher Höhe.
Die Magnetfeldsensoren S1, S2 stehen über Signalleitungen 8, 9 mit einem Steuergerät 10 in Signalverbindung. Das Steuergerät 10 hat einen nicht flüchtigen Speicher 11.
In y-Richtung haben die beiden Magnetfeldsensoren S1, S2 und die beiden Magnetgeber 6, 7 einen minimalen Messabstand A_Mess zueinander, der sich während der Verlagerung der beiden Getriebekomponenten 3, 4 relativ zueinander nicht ändert. Wenn die Magnetfeldsensoren S1, S2 längs ihres Verfahrweges am Ort x_max angekommen sind, haben die Magnetfeldsensoren S1, S2 zum Magnetgeber 7 exakt den minimalen Messabstand A_Mess. Am Ort x_max sehen die Magnetfeldsensoren S1, S2 das maximale Magnetfeld eines magnetischen Pols des Magnetgebers 7.
Bei der Verlagerung der Magnetfeldsensoren S1, S2 relativ zu den Magnetgebern 6, 7 in x-Richtung durchlaufen die Magnetfeldsensoren S1, S2 ein von den Magnetgebern 6, 7 erzeugtes Magnetfeld.
Die 2 zeigt, welche magnetische Flussdichte Φ abhängig von der jeweiligen x-Verlagerung der Magnetfeldsensoren S1, S2 vorliegt. Durchgezogen ist dabei die Φ(x)-Abhängigkeit für den in der 1 rechts dargestellten Magnetfeldsensor S2 und gestrichelt die Φ(x)-Abhängigkeit des in der 1 links dargestellten Magnetfeldsensors S1 gezeigt. Bei einer Verlagerung beider Magnetfeldsensoren S1, S2 um x = 12 mm erreicht der Magnetfeldsensor S1 die Position x_max in der 1, bei der er direkt oberhalb des Magnetgebers 7 angeordnet ist. An dieser Position ist die magnetische Flussdichte Φ maximal und somit auch ein im Magnetfeldsensor S1 erzeugtes Spannungssignal U_Mess.
Bei einer Verschiebung beider Magnetfeldsensoren S1, S2 um x = 4 mm erreicht der Magnetfeldsensor S2 die Position x_max in der 1. Bei dieser Position ist für den Magnetfeldsensor S2 die magnetische Flussdichte Φ und damit ein vom Magnetfeldsensor S2 erzeugtes Spannungssignal U_Mess maximal.
Um dieses maximale Spannungssignal herum fallen die in der 2 dargestellten Flussdichte-Kurven Φ (x) für die Magnetfeldsensoren S1, S2 in positiver und auch in negativer x-Richtung zunächst ab. Insgesamt haben die beiden Flussdichte-Kurven einen angenähert sinusförmigen Verlauf. Ein dem Maximum bei x = 12 mm in negativer x-Richtung nächstbenachbartes Minimum der Flussdichte-Kurve des Magnetfeldsensors S1 wird bei x = –4 mm erreicht. Ein dem Maximum bei x = 4 mm in negativer x-Richtung nächstbenachbartes Minimum der Flussdichte-Kurve des Magnetfeldsensors S2 wird bei x_min = –12 mm (vgl. auch 1) erreicht.
Die Magnetfeldsensoren S1, S2 sind vorkalibriert. Bei einem im Rahmen der Vorkalibrierung eingestellten minimalen Abstand zwischen dem jeweiligen Magnetfeldsensor S1, S2 und einem den Magnetgebern 6, 7 entsprechenden Nenn-Magnetgeber wird ein Nenn-Sensorsignal U_Nenn als Ergebnis der Vorkalibrierung ermittelt. Ein Nenn-Abstand A_Nenn zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Nenn-Magnetgeber bei der Vorkalibrierung kann beispielsweise 4,5 mm betragen. Das Nenn-Sensorsignal U_Nenn beträgt beispielsweise 4,0 V.
Nun werden die so vorkalibrierten Magnetfeldsensoren S1, S2 im Kraftfahrzeuggetriebe verbaut, also an der Getriebekomponente 3 festgelegt. Durch Relativverlagerung der Magnetfeldsensoren in x-Richtung wird nun das Maximum des Sensorsignals der Magnetfeldsensoren S1, S2 bestimmt. Dieses Maximum wird in der Zwischenwegposition x_max beim Abstand A_Mess zwischen dem jeweiligen Magnetfeldsensor S1 bzw. S2 einerseits und dem Mess-Magnetgeber 7 andererseits erreicht. Das Signal des Magnetfeldsensors S1 bzw. S2 in dieser Zwischenwegposition x_max wird nachfolgend auch Zwischenpositions-Sensorsignal U_Mess genannt. Nach der Bestimmung des Zwischenpositions-Sensorsignals U_Mess wird ein Korrekturfaktor α als Quotient des Zwischenpositions-Sensorsignals U_Mess und des Nenn-Sensorsignals U_Nenn berechnet. Beispielsweise ergibt sich, wenn A_Mess kleiner ist als A_Nenn, ein Zwischenpositions-Sensorsignal U_Mess von 4,5 V. Dann ergibt sich der Korrekturfaktor zu α = UMess/UNenn = 4,5 V/4,0 V = 1,25.
Anschließend wird der so bestimmte Korrekturfaktor α im Speicher 11 des Steuergeräts 10 abgelegt.
Im Betrieb des Kraftfahrzeuggetriebes wird die jeweilige x-Position der Magnetfeldsensoren S1, S2 und damit die relative x-Position der beiden Getriebekomponenten 3, 4 zueinander bestimmt. Hierzu wird zunächst eine Funktion im Rahmen einer weiteren Vorkalibrierung bestimmt, die die Abhängigkeit des Sensorsignals der Magnetfeldsensoren S1, S2 von der jeweiligen x-Position, also vom Nenn-Abstand der Magnetfeldsensoren S1, S2 zu den jeweils nächst benachbarten Magnetgebern 6, 7, wiedergibt. Die se Funktion wird mit dem gleichen Aufbau bestimmt, mit dem auch die erste Vorkalibrierung der Magnetfeldsensoren vorgenommen wurde, stellt also die Abhängigkeit des Abstandes vom Nenn-Sensorsignal dar. Diese Funktion wird auch als Nenn-Abstands-Funktion bezeichnet. Nach dem Bestimmen der Nenn-Abstands-Funktion wird diese ebenfalls im Speicher 11 des Steuergeräts 10 abgelegt.
Während des Betriebs des Kraftfahrzeuggetriebes wird in einer zu vermessenden Relativposition der Getriebekomponenten 3, 4 zueinander das Mess-Sensorsignal U_Mess bei der zu vermessenden Ist-Position des jeweiligen Magnetfeldsensors S1, S2 relativ zum zugeordneten Magnetgeber 6, 7 ermittelt. Anschließend wird das ermittelte Mess-Sensorsignal U_Mess mit dem Korrekturfaktor α zur Berechnung eines normierten Mess-Sensorsignals U_Norm normiert. U_Norm kann dann einfach in die Nenn-Abstands-Funktion eingesetzt werden, um auf diese Weise den tatsächlichen Abstand des Magnetfeldsensors S1 bzw. S2 vom Magnetgeber 7, 8 und damit dessen Ist-Position zu berechnen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10200452797 A [0018]
- DE 102004043402 A [0018]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung der Position mindestens eines Magnetfeldsensors (S1, S2), der relativ zu mindestens einem Mess-Magnetgeber (6, 7) linear längs eines Verfahrweges (x) bewegt wird, wobei der Magnetfeldsensor (S1, S2) in einer Zwischenwegposition (x_max) einen minimalen Abstand (A_Mess) zum Magnetgeber (6, 7) einnimmt, mit folgenden Schritten: – Bestimmen eines Nenn-Sensorsignals (U_Nenn) des Magnetfeldsensors (S1, S2) bei einem minimalen Nenn-Abstand (A_Nenn) zwischen dem Magnetfeldsensor (S1, S2) und einem Nenn-Magnetgeber (6, 7), – Montieren des Magnetfeldsensors relativ zum Mess-Magnetgeber (6, 7), – Verfahren des Magnetfeldsensors (S1, S2) längs des Verfahrweges (x) durch die Zwischenwegposition (x_max), – Bestimmen eines Zwischenwegpositions-Sensorsignals (U_Mess) in der Zwischenwegposition (x_max), – Berechnen eines Korrekturfaktors (α) als Quotient des Zwischenwegpositions-Sensorsignals (U_Mess) und des Nenn-Sensorsignals (U_Nenn), – Ablegen des berechneten Korrekturfaktors (α) in einem Speicher (11) eines mit dem Magnetfeldsensor (S1, S2) in Signalverbindung stehenden Steuergerätes (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Zwischenwegpositions-Sensorsignals (U_Mess) durch Ermitteln eines Extremums des Sensorsignals erfolgt.
Verfahren zur Bestimmung einer Relativposition eines nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 kalibrierten Magnetfeldsensors (S1, S2) zum Mess-Magnetgeber (6, 7) mit folgenden Schritten: – Bestimmen einer Nenn-Abstandsfunktion des Sensorsignals des Magnetfeldsensors (S1, S2) vom Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor (S1, S2) und dem Nenn-Magnetgeber (6, 7), – Ermitteln eines Mess-Sensorsignals (U_Mess) bei einer zu vermessenden Position des Magnetfeldsensors (S1, S2) relativ zum Mess-Magnetgeber (6, 7), – Normieren des Mess-Sensorsignals (U_Mess) mit dem Korrekturfaktor (α) zur Berechnung eines normierten Mess-Sensorsignals (U_Norm), – Berechnen der Relativposition des Magnetfeldsensors (S1, S2) zum Magnetgeber (6, 7) als Funktion des normierten Mess-Sensorsignals (U_Norm) anhand der im Steuergerät (10) abgelegten Nenn-Abstandsfunktion.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 – mit mindestens einem Magnetfeldsensor (S1, S2), – mit mindestens einem Magnetgeber (6, 7), – mit mindestens einem Steuergerät (10), das mit dem Magnetfeldsensor (S1, S2) in Signalverbindung (8, 9) steht und einen digitalen Speicher (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor (S1, S2) als analoger Hall-Sensor ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch zwei Magnetfeldsensoren (S1, S2), die längs des Verfahrweges (x) voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch zwei Magnetgeber (6, 7), die längs des Verfahrweges (x) voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (11) des Steuergeräts (10) ein nicht flüchtiger Speicher ist.
Kraftfahrzeuggetriebe mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8.