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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
eines Drehwinkels mit einer Winkelmesseinheit, die ausgebildet ist,
ein erstes Messsignal und ein zweites Messsignal zu erzeugen.
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In
der Automobilindustrie steigt der Bedarf nach hochpräzisen und
zugleich robusten Winkelmesssystemen ständig an. Winkelmesssysteme
werden beispielsweise im Bereich der Fahrdynamikregelung und bei
elektrisch unterstützten
Lenksystemen eingesetzt.
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Magnetsensoren
sind aufgrund ihres berührungslosen
und robusten Messprinzips besonders gut geeignet für den Einsatz
im Fahrzeugbereich. Zur Messung von Winkeln werden häufig Sensorelemente,
beispielsweise Resolver, Hall-Sensoren, AMR- oder GMR-Sensoren (Anisotropic Magneto
Resistance, Giant Magneto Resistance) eingesetzt. Die Winkelmesssysteme
weisen beispielsweise zwei Sensoreinheiten auf, die ausgebildet
sind, jeweils eine Richtungskomponente eines Magnetfelds zu erfassen.
Eine GMR-Messbrücke
umfasst beispielsweise ein Messbrückenelement, das ausgebildet
ist, eine Komponente einer ersten Richtung des Magnetfeldes zu erfassen
und ein weiteres Messbrückenelement,
das ausgebildet ist, eine zweite Komponente einer zweiten Richtung
des Magnetfeldes zu erfassen. Unter idealen Bedingungen folgt das
erste Messsignal einem Kosinussignal und das zweite Messsignal ist
um 90° verzögert und
folgt einem Sinussignal.
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Die
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels zu schaffen,
das beziehungsweise die einen Beitrag leistet zu einem präzisen Bestimmen
des Drehwinkels.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung eines Drehwinkels mit einer Winkelmesseinheit. Die Winkelmesseinheit
ist ausgebildet, ein erstes Messsignal, das repräsentativ ist für eine erste
Drehwinkelkenngröße entlang
einer ersten Achse, und ein zweites Messsignal, das repräsentativ
ist für
eine zweite Drehwinkelkenngröße entlang
einer zweiten Achse, auszugeben. Die erste Achse und die zweite Achse
schließen
einen Winkel ein, der um einen bekannten Fehlwinkel von 90° abweicht.
Ein Korrekturwert wird ermittelt abhängig von dem ersten Messsignal
und dem Fehlwinkel. Des Weiteren wird ein korrigierter Messwert
ermittelt, abhängig
von dem zweiten Messsignal und dem Korrekturwert. Abhängig von
dem ersten Messsignal und dem korrigierten Messwert wird der Drehwinkel
ermittelt.
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Durch
die Korrektur der Messsignale kann ein Winkelfehler bei der Bestimmung
des Drehwinkels reduziert werden. Vorteilhafterweise kann der Korrekturwert
und der korrigierte Messwert sehr einfach ermittelt werden. Es sind
nur wenige, einfache Rechenoperationen erforderlich. Größen, die
zur Ermittlung des korrigierten Wertes erforderlich sind, stehen direkt
aus den Messsignalen zur Verfügung und/oder
werden von einer Speichereinrichtung bereitgestellt. Dies ermöglicht,
einen Orthogonalitätsfehler
zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal unter
Echt-Zeit-Bedinungen zu kompensieren.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Korrekturwert
ermittelt abhängig von
dem Produkt aus dem ersten Messsignal und dem Sinusfunktionswert
des Fehlwinkels und der korrigierte Messwert ermittelt abhängig von
der Summe aus dem zweiten Messwert und dem Korrekturwert. Der Fehlwinkel
kann beispielsweise in einem Endabgleich in einer Fertigung ermittelt
werden und der Sinusfunktionswert des Fehlwinkels kann in einer Speichereinheit,
auf die im laufenden Betrieb zugegriffen werden kann, abgespeichert
werden. Zur Bestimmung des korrigierten Messwerts sind somit nur zwei
Rechenoperationen, eine Multiplikation und eine Addition, erforderlich.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Drehwinkel
ermittelt abhängig
von einem Arcustangens des Quotienten des korrigierten Messwerts
und des ersten Messsignals. Durch Ersetzen des zweiten Messwertes
durch den korrigierten Messwert bei der Berechnung des Arcustangesfunktionswerts
kann der Drehwinkel sehr genau bestimmt werden. Die Arcustangensfunktionswerte
können
beispielsweise mit Hilfe eines CORDIC-Algorithmus (Coordinate Rotation
Digital Computer), der beispielsweise als Rechenprogramm in einer
Recheneinheit implementiert ist, sehr schnell berechnet werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Winkelmessvorrichtung 10,
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2 eine
grafische Darstellung zur Ermittlung eines Korrekturwerts c,
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3 ein
erstes Diagramm zur Darstellung von Winkelfehlern Δα und
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4 ein
zweites Diagramm zur Darstellung des Winkelfehlers Δα bei Korrektur
eines zweiten Messwerts SY.
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1 zeigt
eine Winkelmessvorrichtung 10 zur Bestimmung eines Drehwinkels α. Die Winkelmessvorrichtung 10 weist
eine Winkelmesseinheit 50 mit einer Sensoreinheit 20 und
einer Einrichtung 30 zur Signalaufbereitung sowie eine
Vorrichtung 40 zur Bestimmung des Drehwinkels α auf.
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Die
Sensoreinheit 20 kann beispielsweise als Magnetfeldsensor
ausgebildet sein. Die Sensoreinheit 20 erzeugt beispielsweise
ein erstes Sensormesssignal MX und ein zweites Sensormesssignal MY.
Unter idealen Bedingungen folgt das erste Sensormesssignal MX einem
Kosinussignal und das zweite Sensormesssignal MY ist um 90° verzögert und
folgt einem Sinussignal. Die Messsignale von Magnetfeldsensoren
sind jedoch häufig
mit Gleichanteilen Offsetx, Offsety behaftet. Die Gleichanteile Offsetx, Offsety können insbesondere
bei einem Einsatz der Sensoren bei hohen Temperaturen auftreten. Des
Weiteren oder alternativ können
die Sensorelemente beispielsweise temperaturbedingt, alterungsbedingt
und/oder bedingt durch Fertigungstoleranzen eine unterschiedliche
Sensitivität
aufweisen, wodurch die Sensormesssignale MX, MY unterschiedliche
Amplituden Ax, Ay aufweisen.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder Montagefehlern können zusätzlich oder
alternativ Abweichungen in der Orthogonalität der Sensormesssignale MX,
MY auftreten.
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Das
erste MX und zweite Sensormesssignal MY können wie folgt dargestellt
werden: MX = Offsetx +
Ax·cos(α) (1) MY = Offsety + Ay·sin(β) (2)
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Die
Einrichtung 30 zur Signalaufbereitung ist beispielsweise
ausgebildet, die Gleichanteile Offsetx, Offsety im jeweiligen Betriebszustand zu ermitteln und
zu kompensieren. Zusätzlich
oder alternativ ist die Einrichtung 30 zur Signalaufbereitung
ausgebildet im jeweiligen Betriebszustand eine Amplitudenkompensation
durchzuführen.
Die Einrichtung 30 zur Signalaufbereitung ist somit ausgebildet,
das erste Messsignal SX, das repräsentativ ist für eine erste Drehwinkelkenngröße entlang
einer ersten Achse x, und das zweite Messsignal SY, das repräsentativ
ist für
eine zweite Drehwinkelkenngröße entlang
einer zweiten Achse y auszugeben. Die jeweilige Drehwinkelkenngröße ist beispielsweise
eine Magnetfeldstärke.
Die erste Achse x und die zweite Achse y schließen beispielsweise einen Winkel
ein, der um einen bekannten Fehlwinkel F von 90° abweicht. Der Fehlwinkel F
kann beispielsweise bei einem Endabgleich in der Fertigung ermittelt
werden und in einer Speichereinheit, auf die im laufenden Betrieb
zugegriffen werden kann, abgespeichert werden. Das erste und zweite
Messsignal SX, SY können
wie folgt dargestellt werden: SX =
A·cos(α) (3) SY = A·sin(β) (4)
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Bei
Berücksichtigung
des bekannten Fehlwinkels F ergibt sich: SY
= A·sin(α – F) (5)
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Die
Einrichtung 30 zur Signalaufbereitung ist elektrisch gekoppelt
mit der Vorrichtung 40 zur Bestimmung des Drehwinkels α. Die Vorrichtung 40 zur Bestimmung
des Drehweinwinkels α ist
beispielsweise als Recheneinheit ausgebildet und weist eine Korrektureinheit 42 und
eine Berechnungseinheit 45 auf. Die Korrektureinheit 42 weist
beispielsweise eine Speichereinheit auf, in der der Fehlwinkel F
und/oder die Sinusfunktionswerte des Fehlwinkels F abgespeichert
sind.
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Die
Korrektureinheit 42 ist beispielsweise ausgebildet, einen
Korrekturwert c zu ermitteln abhängig
von dem Produkt aus dem ersten Messsignal SX und dem Sinusfunktionswert
des Fehlwinkels F und einen korrigierte Messwert KY zu ermitteln
abhängig
von der Summe aus dem zweiten Messwert SY und dem Korrekturwert
c.
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Der
Korrekturwert c und der korrigierte Messwert KY können wie
folgt dargestellt werden: c = SX·sin(F) (6) KY = SY + c (7)
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Die
Korrektureinheit 42 ist gekoppelt mit der Berechnungseinheit 45.
Die Berechnungseinheit 45 ist ausgebildet den Drehwinkel α zu ermitteln
abhängig
von einem Argustangens des Quotienten des korrigierten Messwerts
KY und des ersten Messsignals SX.
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Der
Drehwinkel α kann
wie folgt dargestellt werden: α = arctan(KY/SX) (8)
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Das
Ersetzen des zweiten Messwerts SY durch den korrigierten Messwert
KY ermöglicht
einen Winkelfehler Δα zu reduzieren.
Die Ermittlung des korrigierten Messwerts KY ist in 2 grafisch
dargestellt. Das erste Messsignal SX ist entlang der ersten Achse
x aufgetragen und das zweite Messsignal SY ist entlang der zweiten
Achse y aufgetragen. Bezogen auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem,
das von einer ersten Referenzachse x0 und einer zweiten Referenzachse
y0 aufgespannt wird, weisen die erste Achse und die zweite Achse
einen Fehlwinkel F auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Fehlwinkel
F größer Null.
Um mit Hilfe der Arcustangensfunktion den Drehwinkel α möglichst
genau ermitteln zu können,
wird der zweite Messwert SY durch einen korrigierten Messwert KY
ersetzt, der näherungsweise
einem Y-Soll-Wert
Ysoll entspricht. Für
kleine Fehlwinkel F kann der Kosinusfunktionswert des Fehlwinkels
F wie folgt angenähert
werden. cos(F) ≈ 1 (9)
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Daraus
resultiert unter Berücksichtigung
von Gleichung (6) und (7): Ysoll ≈ KY = SY +
c = SY + SX·sin(F) (10)
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3 zeigt
den Verlauf des Winkelfehlers Δα ohne Korrekturmaßnahmen.
Weisen die erste Achse x und die zweite Achse y einen Winkel auf,
der um den bekannten Fehlwinkel F von 90° abweicht, setzt sich dieser
Orthogonalitätsfehler
bei der Bestimmung des Drehwinkels α in den Winkelfehler Δα um.
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Weist
der Fehlwinkel beispielsweise einen Wert von 2° auf, weist der Winkelfehler Δα abhängig von
dem zu bestimmenden Drehwinkel α,
einen kosinusförmigen
Verlauf auf mit einer Schwankungsbreite von 0° bis 2°.
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Durch
Ersetzten des zweiten Messwertes SY durch den korrigierten Messwert
KY wird der Winkelfehler Δα drastisch
reduziert. Weist der Fehlwinkel F beispielsweise einen Wert von
2° auf,
weist der Winkelfehler Δα abhängig von
dem zu bestimmenden Drehwinkel α,
einen maximalen Winkelfehler Δα von ±0,009° auf (4).
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- 10
- Winkelmessvorrichtung
- 20
- Sensoreinheit
- 30
- Einrichtung
zur Signalaufbereitung
- 40
- Vorrichtung
zur Bestimmung eines Drehwinkels
- 50
- Winkelmesseinheit
- 50
- Winkelmesseinheit
- Ax, Ay, A
- Amplitude
- α
- Drehwinkel
- β
- Winkel
- c
- Korrekturwert
- Δα
- Winkelfehler
- F
- Fehlwinkel
- KY
- korrigierter
Messwert
- Offsetx, Offsety
- Gleichanteil
- MX
- erstes
Sensormesssignal
- MY
- zweites
Sensormesssignal
- SX
- erstes
Messsignal
- SY
- zweites
Messsignal
- X
- erste
Achse
- Y
- zweite
Achse