DE102014114135A1

DE102014114135A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Winkel-Messsystems

Info

Publication number: DE102014114135A1
Application number: DE102014114135.0A
Authority: DE
Inventors: Yan c/o Micronas GmbH Bondar
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: US20160091340A1; DE102014114135B4; US10161762B2

Abstract

Verfahren zur Berechnung eines Korrekturfaktors (KF) für ein Winkel-Messsystem (10) umfassend eine Erfassung eines ersten Ausgangswertes (W1) bei einer ersten Messposition (20) und eine Erfassung eines zweiten Ausgangswertes (W2) bei einer zweiten Messposition (30). Ein Ist-Wert (DI) wird aus der Differenz zwischen dem ersten Ausgangswert (W1) und dem zweiten Ausgangswert (W2) und ein Soll-Wert (DS) aus der Differenz von Sollwerten (S1, S2) an der ersten Messposition (20) und an der zweiten Messposition (30). Der Korrekturfaktor (KF) wird aus dem Verhältnis des Soll-Werts (DS) zum Ist-Wert (DI) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines Korrekturfaktors für ein Winkel-Messsystem und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Winkel-Messsystems.
Messsysteme für die Erfassung eines Drehwinkels sind bekannt. Zum Beispiel stellt die Firma Micronas GmbH, Freiburg, Deutschland, Vorrichtungen zur berührungslosen Messung eines Drehwinkels einer Rotationsachse her. Die berührungslosen Messsysteme haben einen scheibenförmigen Dauermagneten, welcher an der Stirn einer Achse angebracht ist. Die Achse dreht sich um eine Rotationsachse und das Messsystem kann den Drehwinkel der Achse messen.
Die Firma Hella, Lippstadt, Deutschland, stellt einen Winkelsensor auf der Basis eines Induktivsystems her und vertreibt sie unter dem Markennamen SIPOS.
Ein kapazitives Messsystem zur Erfassung eines Drehwinkels ist aus dem US Patent Nr. US 6,774,642 bekannt.
Vor Verwendung der Messsysteme müssen diese kalibriert werden. Insbesondere muss die sogenannte „gain missmatch“ (Ungenauigkeiten bei der Verstärkung der Sensorsignale) berücksichtigt werden. Die bisherigen Verfahren zur Kalibrierung der Messsysteme benötigen eine Messung der beiden orthogonalen Komponenten des Sensorsignals von dem Sensor über eine volle Umdrehung (360°) der Achse. Danach werden die minimalen und maximalen Werte der Komponenten des Sensorsignals und ein Korrekturfaktor berechnet.
Ein weiteres Verfahren zur Berechnung des gain missmatch ist die sogenannte Oval-Fit-Methode, welche lediglich mehrere Messpunkte (> 5, optimal 30–40) der beiden orthogonalen Komponenten benötigt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine Messung über eine volle Umdrehung nicht erforderlich ist. Allerdings ist für diese Methode eine Messung über einen Winkelbereich von mehr als 180° erforderlich.
Es ist nicht immer möglich, die Achse bei einer Kalibrierung der Messsysteme auf die vollen 360° (oder > 180°) zu drehen und zu positionieren. Diese Einschränkung kann zu einer Ungenauigkeit bei der Berechnung der Lage der Achse führen. Die Erfassung von mehreren Messpunkten erfordert auch etwas mehr Zeit. Man kann zwar die Anzahl von Messpunkten reduzieren, um die erforderliche Zeit für die Kalibrierung zu beschränken. Diese Reduzierung führt allerdings zu einer größeren Ungenauigkeit bei den Berechnungen. In einigen Fällen ist auch die Erfassung der beiden orthogonalen Komponenten nicht möglich.
Zur Verbesserung der Berechnung des Drehwinkels wird hierin ein Verfahren zur Berechnung eines Korrekturfaktors für das Winkel-Messsystem beschrieben. Das Verfahren umfasst die Erfassung eines ersten Ausgangwertes bei einer ersten Messposition einer Achse und eines zweiten Ausgangwertes bei einer zweiten Messposition der gleichen Achse. Ein Ist-Wert wird aus der Differenz zwischen dem ersten Ausgangswert und dem zweiten Ausgangswert gebildet. Ein Soll-Wert wird aus der Differenz von Sollwerten an der ersten Messposition und der zweiten Messposition gebildet. Der Korrekturfaktor wird aus dem Verhältnis des Soll-Werts zum Ist-Wert berechnet. Dieses Verfahren ermöglicht die Berechnung eines Korrekturfaktors, auch wenn der Winkelunterschied zwischen der ersten Messposition und der zweiten Messposition weniger als 50° beträgt. Die Amplitude einer der orthogonalen Komponenten kann mit Hilfe des Korrekturfaktors korrigiert werden.
Für eine genauere Berechnung des Korrekturwertes wird eine erste Messposition und/oder eine zweite Messposition der Achse ausgewählt, bei der der Sinuswert beziehungsweise der Kosinuswert des Winkels der Messposition im Wesentlichen einen Wert von 0 oder 1 ergibt. Eine weitere Präzisierung des Korrekturfaktors kann durch die Erfassung von weiteren Ausgangswerten bei mehreren weiteren Messpositionen erreicht werden. Diese weiteren Ausgangswerte werden dann ergänzend zur Berechnung des Korrekturfaktors eingesetzt.
Eine Vorrichtung zur Kalibrierung des Winkel-Messsystems wird auch beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst einen Sensor zur Erfassung eines ersten Ausgangswertes bei einer ersten Messposition und eines zweiten Ausgangswertes bei einer zweiten Messposition. Die Vorrichtung hat auch einen Rechenwerk, welcher aus dem Verhältnis zwischen Ist-Wert und Soll-Wert einen Korrekturfaktor berechnet und auf spätere Messungen anwendet.
In einer Ausführungsform ist der Sensor ein Hall-Sensor, wobei diese Ausführung nicht beschränkend ist. Das Verfahren und die Vorrichtung kann in vielen Anwendungen eingesetzt werden, z. B. bei Gaspedalen, Bremsen, Drosselkappe, usw.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Es zeigen:
1 eine Übersicht eines Winkel-Messsystems;
2 die Bildung eines linear steigendes beziehungsweise fallendes Ausgangssignals aus zwei orthogonalen Komponenten mit Hilfe der ARCTAN2-Funktion;
3.1 die ideale Kennlinie und die reale Kernlinie in den Winkelbereichen, in den die Gain-Missmatch-Kalkulierung mit zwei Messpunkten anwendbar ist;
3.2 ein Beispiel der Gain-Missmatch-Kalkulierung.
4 zeigt den Ablauf des beschrieben Verfahren
1 zeigt ein Winkel-Messsystem 10 zur Messung des Winkels θ einer rotierender Achse 50. Die rotierende Achse 50 hat einen Dauermagneten 60, welcher an der Stirn 55 der rotierenden Achse 50 angebracht ist. Der Dauermagnet 60 hat einen Südpol S und einen Nordpol N. Gegenüber dem Dauermagneten 60 ist ein Sensor 25 angebracht. In einem Aspekt umfasst der Sensor 25 eine Vielzahl von 2-dimensionalen oder 3-dimensionalen Hall-Sensoren, welche zwei orthogonale Komponenten B_x und B_y des magnetischen Feldes B vom Dauermagnaten 60 erfassen. Die Werte der orthogonalen Komponente B_x und B_y werden an einen Rechenwerk 40 über Leitungen 45 übermittelt. In anderen Aspekten kann der Hall-Sensor 25 und der Dauermagnet 60 durch ein anderes Sensorsystem z. B. ein kapazitatives Sensorsystem ausgetauscht werden. Der Rechenwerk 40 kann ein Mikroprozessor, eine ASIC Schaltung, ein externer Rechner u.s.w. sein.
Der Sensor 25 enthält einen Verstärker zur Verstärkung der unterschiedlichen Signale aus den Hall-Sensoren in dem Sensor 25. Die Höhe dieser Verstärkung ist für die orthogonalen Komponente aus verschiedenen Gründen unterschiedlich und es entstehen unterschiedliche Verstärkungsfaktoren für die jeweiligen gemessenen zwei orthogonalen Komponenten B_x und B_y des magnetischen Felds B in X- und Y-Richtung. Diese unterschiedliche Verstärkung führt wie oben erläutert zu der Problematik des gain missmatchs.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun die Arkustangens-Funktion mit zwei Argumenten erläutert. Diese Funktion ist als ARCTAN2 bezeichnet und dient der Umrechnung von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten. In anderen Worten kann die Arkustangens-Funktion den Drehwinkel aus der gemessenen orthogonalen Komponenten B_x und B_y berechnen. 2 zeigt eine ideale ARCTAN2-Funktion. Die zwei orthogonalen Komponenten B_x und B_y des magnetischen Felds B sind identisch und das Ausgangssignal als Ergebnis der ARCTAN2 Funktion ist eine linearsteigende beziehungsweise -fallende Kurve in der Figur.
In der Praxis hat das Ausgangssignal keine lineare Form, sondern enthält die in 3.1 gemessene Form, welche als reale Kennlinie (mit Gain-Mismatch) bezeichnet ist. 3.1 zeigt sowohl die ideale Kennlinie als eine linear steigende Linie als auch die Realkennlinie. Das Verhältnis zwischen den Kurven in 3.1 kann verwendet werden, um Korrekturfaktoren KF für zumindest eine der orthogonalen Komponente B_x und B_y des magnetischen Felds B zu berechnen. Diese Berechnung erfolgt durch die Erfassung einer Komponente B_x oder B_y des magnetischen Felds B mit einem Wert A. Aus der 3.1 wird der Winkel α für diesen Wert A und somit auch der Sollwert B für die Komponente bei diesem Winkel abgelesen. Diese Berechnung erfolgt in dem Rechenwerk 40, der auch die Werte der realen Kennlinie und der idealen Kennlinie speichert. 3.1 zeigt auch die Winkelbereiche, in denen das Verfahren anwendbar ist.
3.2 zeigt einen Ausschnitt von 3.2 über ca. 40° für zwei Messpunkte, Messpunkt 1 und Messpunkt 2. Aus 3.2 ist zu erkennen, dass der gemessene Unterschied zwischen den Werten des Ausgangssignals bei den zwei Messpunkten („Ist-Wert“) mit Hilfe der 3.2 in einen erwarteten Soll-Wert umgerechnet wird.
4 zeigt den Ablauf des Verfahrens zur Berechnung des Korrekturfaktors KF, welcher im Schritt 400 anfängt. In einem Schritt 410 wird der Sensor 20 an den Anfang eines bestimmten Messbereiches 15 in einer ersten Position 20 (Messpunkt 1) gebracht und die zwei ersten, orthogonalen Komponenten x₁ und y₁ des magnetischen Felds B erfasst. Ein erster Ausgangswert W₁ wird aus der ARCTAN2-Funktion der Werte x₁ und y₁ berechnet. In einem weiteren Schritt 420 wird der Sensor 20 am Ende des Messbereichs 15 in eine zweite Position 30 (Messpunkt 2) gebracht und die zwei, zweiten, orthogonalen Komponente x₂ und y₂ des magnetischen Feldes B erfasst. Ein zweiter Ausgangswert W₂ wird aus der ARCTAN2-Funktion der orthogonalen Komponenten x₂ und y₂ errechnet. In einem Aspekt hat der Messbereich 15 eine Größe von weniger als 50°. Allerdings sind Messbereiche 15 anderer Größen auch möglich.
Aus der Differenz zwischen dem ersten Ausgangswert W1 und dem zweiten Ausgangswert W2 wird ein Differenzwert DW im Schritt 430 gebildet. Die idealen oder Soll-Werte an der ersten Position 20 (Sollwert S1) und der zweiten Position 30 (Sollwert S2) des Messbereichs 15 können aus der idealen Kennlinie in 3 entnommen werden. Ein Differenz-Sollwert DS wird aus der Differenz zwischen den Sollwerten S1 und S2 im Schritt 540 gebildet.
Im Schritt 550 wird der Korrekturfaktor KF für zumindest eine der orthogonalen Komponente x, y errechnet werden an Hand der Formel: Korrekturfaktor KF = Sollwert DS/Istwert DI
Dieser Korrekturfaktor KF kann in der Zukunft mit dem vom Sensor 25 ausgelesen Werte der orthogonalen Komponente B_x beziehungsweise B_y multipliziert werden, um eine korrigierte Amplitude für die Komponente des magnetischen Felds B zu erfassen. Die korrigierte Amplitude ersetzt die ausgelesene Amplitude des Sensorsignals bei der Berechnung des Winkels α durch die Arkustangens-Funktion.
Dieser Korrekturfaktor KF kann in einem Sensor 25 zur Berechnung des Drehwinkels verwendet werden z. B. Gaspedale, Bremsen und Drosselkappen.
Bezugszeichenliste

10: Winkel-Messsystem
15: Messbereich
20: erste Position
25: Sensor
25a–b: Hall-Sensoren
30: zweite Position
40: Rechenwerk
45: Leitung
50: Achse
55: Stirn
60: Dauermagnet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6774642 [0004]

Claims

Verfahren zur Berechnung eines Korrekturfaktors (KF) für ein Winkel-Messsystem (10) umfassend: – Erfassung (410) eines ersten Ausgangswertes (W₁) bei einer ersten Messposition (20) einer Achse (50); – Erfassung (420) eines zweiten Ausgangswertes (W₂) bei einer zweiten Messposition (30) der Achse (50); – Bildung (430) eines Ist-Wertes (DI) aus der Differenz zwischen dem ersten Ausgangswert (W₁) und dem zweiten Ausgangswert (W₂); – Bildung (440) eines Soll-Wertes (DS) aus der Differenz von Sollwerten (S₁, S₂) an der ersten Messposition (20) und an der zweiten Messposition (30); – Berechnung (450) des Korrekturfaktors (K) aus dem Verhältnis des Soll-Werts (DS) zum Ist-Wert (DI).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkelunterschied zwischen der ersten Messposition (20) und der zweiten Messposition (30) weniger als 50° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der ersten Messposition (20) oder der zweiten Messposition (30) einen Winkelwert hat, bei dem den Sinus-Wert bzw. den Cosinus-Wert im Wesentlichen den Wert von 0 oder 1 ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend die Erfassung von weiteren Ausgangswerten (Ww) bei weiteren Messpositionen und Verwendung der weiteren Ausgangswerte (Ww) zur Berechnung des Korrekturfaktors (KF).
Vorrichtung zur Kalibrierung eines Winkel-Messsystems (10) umfassend: – einen Sensor (20) zur Erfassung eines ersten Ausgangswertes (W₁) bei einer ersten Messposition (20) und zur Erfassung eines zweiten Ausgangswertes (W₂) bei einer zweiten Messposition (30); – einen Rechenwerk (40) zur Berechnung eines Korrekturfaktors (KF) aus einem Verhältnis zwischen einem Ist-Wert (DI) und einem Soll-Wert (D2), wobei der Ist-Wert (DI) aus der Differenz zwischen dem erfassten ersten Ausgangswert (W₁) und dem erfassten zweiten Ausgangswert (W₂) und der Soll-Wert (DS) aus der Differenz von Soll-Werten (S₁, S₂) an der ersten Messposition (20) und an der zweiten Messposition (30) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Sensor (20) ein Hall-Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Winkelabstand zwischen der ersten Sensorposition (25) und der zweiten Sensorposition (35) weniger als 50° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei mindestens eine der ersten Messposition (20) oder der zweiten Messposition (30) einen Winkelwert hat, bei dem den Sinus-Wert bzw. den Cosinus-Wert im Wesentlichen den Wert von 0 oder 1 ergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, mit einer Mehrzahl von weiteren Messpositionen zur Messung einer Mehrzahl von unterschiedlichen Ausgangswerten.