DE102017128891A1

DE102017128891A1 - Verfahren zur Ermittlung von Winkelinformationen eines Positionssensors für einen Kupplungsaktor

Info

Publication number: DE102017128891A1
Application number: DE102017128891.0A
Authority: DE
Inventors: Jie Zhou
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Winkelinformationen eines Positionssensors insbesondere für einen Kupplungsaktor mit einer Erfassung eines Drehwinkels und Mehrfachumdrehungen eines Rotors eines Elektromotors zur Axialverlagerung zumindest eines Kolbens mittels eines Spindelgetriebes, wobei der Positionssensor einen ortsfesten 2D-Hallsensor und einen um die Drehachse des Rotors angeordneten Magnetring mit über den Umfang abwechselnden Nord- und Südpolen aufweist und mittels zwei analoger Ausgänge des Positionssensors vom Drehwinkel des Rotors abhängige Sinus- und Cosinussignale von einer Auswerteeinheit erfasst und anhand einer Atan2-Funktion ein Verdrehwinkelsignal des Rotors bestimmt werden. Um den Drehwinkel in besserer Qualität bereitstellen und eine vereinfachte Signalkorrektur vorschlagen zu können, werden die Sinus- und Cosinussignale vor der Durchführung der Atan2-Funktion korrigiert, korrigierte Sinus- und Cosinussignale bestimmt, um einen orthogonalen Fehler und Nichtlinearitäten zu korrigieren und das Drehwinkelsignal anhand der ersten Ordnung eines Fourier-Koeffizienten zu normieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Verfahren dient der Ermittlung von Winkelinformationen eines Positionssensors zur Steuerung der Betätigung einer Reibungskupplung mittels eines Kupplungsaktors. Gattungsgemäße Kupplungsaktoren sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2016 217 826 B3 bekannt. In derartigen Kupplungsaktoren werden der Drehwinkel und Mehrfachumdrehungen eines Rotors eines Elektromotors anhand eines Positionssensors wie 2D-Hallsensor erfasst und berechnet. Hierzu erfasst eine Auswerteeinheit beispielsweise Messsignale in Form von Sinus- und Cosinussignalen zweier analoger Ausgänge des Positionssensors. Aus den Winkelinformationen kann eine axiale Bewegung eines die Reibungskupplung betätigenden Kolbens erfasst werden, der von dem Elektromotor mittels eines Spindelgetriebes axial verlagert wird.
Die erfassten Messsignale sind störungsbehaftet, so dass die Qualität des aus diesen bestimmten Drehwinkels fehlerbehaftet ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines gattungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Winkelinformationen aus einem Positionssensor mit verbesserter Qualität der Winkelinformationen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Ermittlung von Winkelinformationen eines Positionssensors insbesondere für einen Kupplungsaktor mit einer Erfassung eines Drehwinkels und Mehrfachumdrehungen eines Rotors eines Elektromotors zur Axialverlagerung zumindest eines Kolbens mittels eines Spindelgetriebes, wobei der Positionssensor einen ortsfesten 2D-Hallsensor und einen um die Drehachse des Rotors angeordneten Magnetring mit über den Umfang abwechselnden Nord- und Südpolen aufweist und mittels zwei analoger Ausgänge des Positionssensors vom Drehwinkel des Rotors abhängige Sinus- und Cosinussignale von einer Auswerteeinheit erfasst und anhand einer Atan2-Funktion ein Drehwinkelsignal des Rotors bestimmt werden. Um die Qualität der Winkelinformationen zu verbessern, werden die Sinus- und Cosinussignale vor der Durchführung der Atan2-Funktion korrigiert und es werden korrigierte Sinus- und Cosinussignale bestimmt, um einen orthogonalen Fehler und Nichtlinearitäten zu korrigieren und das Drehwinkelsignal anhand der ersten Ordnung eines Fourier-Koeffizienten zu normieren.
Die Winkelinformationen können beispielsweise der Drehwinkel des Rotors oder die Spindel des Spindelgetriebes und/oder die Anzahl der erfolgten Umdrehung sein.
In bevorzugter Weise werden Offsets, Amplitudenunterschiede, orthogonale Fehler und/oder Nichtlinearitäten der Messsignale wie Sinus- und Cosinussignale vor der Durchführung der Atan2-Funktion korrigiert.
Beispielsweise kann ein Korrekturwert des Offsets mittels einer EOL-Messung (endof-line, Bandende einer Herstellung des Kupplungsaktors) und der nullten Ordnung deren Fourier-Koeffizienten bestimmt werden.
Beispielsweise kann ein vorläufiger Drehwinkel mittels der Atan2-Funktion berechnet, anschließend eine orthogonale Korrektur erfolgen und anschließend der endgültige Drehwinkel bestimmt werden.
Der vorgeschlagene Positionssensor und die dazugehörige Auswerteeinheit bestimmt den Drehwinkel und die Anzahl der erfolgten Umdrehungen der Spindel und damit unter Auswertung der Übersetzung des Spindelgetriebes den Axialweg eines von dem Spindelgetriebe axial verlagerten Kolbens. In dem Positionssensor ist hierzu ein 2D-Hallsensor ortsfest angeordnet, welcher die während einer Verdrehung des Rotors auftretenden magnetischen Wechsel eines um den Rotor oder die Spindel angeordneten Magnetrings mit über den Umfang abwechselnd angeordneten Nord- und Südpolen auswertet. Aufgrund der höheren Drehzahlen des Rotors wird ein analoger 2D-Hallsensor eingesetzt, welcher zwei analoge Ausgänge enthält, welche ein Cosinus- und ein Sinussignal liefern. Beide Messsignale werden von der Auswerteeinheit, beispielsweise einem Microkontroller des Kupplungsaktors mithilfe der Atan2-Funktion bearbeitet, um die Winkelinformation zu bekommen.
Die Messsignale des 2D-Hallsensors und damit die bestimmten Winkelinformationen sind durch systematische Fehler beziehungsweise Ungenauigkeit wie beispielsweise einen Offset, Fertigungstoleranzen, magnetische Nichtlinearität und dergleichen ungenau und werden durch das vorgeschlagene Verfahren korrigiert. Hierzu wird dem bekannten Auswertverfahren ein Korrekturprozess zur Korrektur der bezeichneten systematischen Fehler bei der Bestimmung der Winkelinformationen mit folgenden Verfahrensschritten zugefügt:

1. Korrekturschritt zur Bestimmung eines vorläufigen Drehwinkels;
2. Korrektur des vorläufigen Drehwinkels mittels einer Korrektur eines orthogonalen Fehlers und einer Nichtlinearität;
3. Normierung des Drehwinkels mittels der ersten Ordnung des Fourier-Koeffizienten der Messsignale.

Die Erfindung wird anhand des in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt das Blockschaubild 10 eines Verfahrens zur verbesserten Ermittlung von Winkelinformationen aus den Messsignalen eines Positionssensors, insbesondere eines 2D-Hallsenors.
Der Offset, Amplitudenunterschiede der Messsignale sowie Nichtlinearität und der orthogonale Fehler werden vor der Bestimmung der Winkelinformationen, beispielsweise des Drehwinkels mittels der Atan2-Funktion zuerst separat für das Sinussignal und das Cosinussignal korrigiert, da eine nachträgliche Korrektur schwierig oder unmöglich ist.
Die Rheinfolge der dargestellten Blöcke 1a bis 9 richtet sich nach der Abhängigkeit der Blöcke voneinander. Dies bedeutet, dass Blöcke mit kleinerer Bezeichnung in der Bearbeitungsfolge priorisiert sind. Beispielsweise ist die Bestimmung des Offsets der von dem Drehwinkel φ abhängigen Messsignale g(φ) in den Blöcken 1a, 1b vorgesehen, da diese Bestimmung unabhängig von der in den Blöcken 2a, 2b durchgeführten Amplitudenkorrektion und Normierung ist. Die Bestimmung des abhängigen Korrekturwerts C_offset des Offsets erfolgt gemäß Gleichung (1): $g (φ) * = g (φ) - C_{o f f s e t}$
und liefert die bezüglich des Offsets korrigierten Messsignale g(φ)*. Der Korrekturwert C_offset kann durch eine EOL-Messung mit Hilfe der nullten Ordnung des Fourier-Koeffizienten festgestellt werden.
Die korrigierten Messsignale g(φ)* werden in den Blöcken 2a, 2b jeweils normiert. Hierbei wird als üblicher Normierungsfaktor auf die maximale Amplitude verzichtet. Vielmehr werden die Messsignale g(φ) gemäß den Gleichungen (2) und (3) normiert: $g (φ) = A_{1} \cdot (s i n (φ) + β_{1} \cdot s i n (3 \cdot φ))$
$g (φ) = A_{2} \cdot (s i n (φ) + 90 + β_{2} \cdot s i n (3 \cdot φ + 90))$
Die Konstanten β₁ und β₂ dienen der besseren Anpassung der Normierungsfaktoren A₁, A₂. Für den Fall β₁ = β₂ gilt die maximale Amplitude als Normierungsfaktor, ansonsten sind die Normierungsfaktoren A₁, A₂ als maximale Amplitude zu groß oder zu klein gewählt. Die Konstanten können unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Die Gleichungen (2) und (3) zeigen, dass die erste Ordnung des Fourier-Koeffizienten entsprechend Gleichung (4) die richtigen Normierungsfaktoren liefern. Unter G(1) ist dabei der Fourier-Koeffizient erster Ordnung zu verstehen: $A = \frac{2}{N} G (1)$
Anschließend können die beiden Messsignale gemäß Gleichung (5) normiert werden: $g {(φ)}_{n o r m} = \frac{g *_{(φ)}}{A}$
Die weitere Korrektur der normierten Messsignale g(φ)_norm in Block 3 basiert auf einer vorläufigen Berechnung des Drehwinkels φ_pre mittels der Atan2-Funktion gemäß Gleichung (6): $φ_{p r e} = A t a n 2 (g *_{(φ)_n o r m_s i n}, g *_{(φ)_n o r m_c o s})$
In den Blöcken 4a, 4b wird die Nichtlinearität wie fehlende Sinusförmigkeit gemäß Gleichung (7) ermittelt: $g {(φ)}_{3 d .} = g {(φ_{p r e})}_{n o r m} - β * g (3 * φ_{p r e})$
Die Konstante β resultiert jeweils aus den Konstanten β₁ und β₂ der Blöcke 2a, 2b und wird bei einer Erstinbetriebnahme, beispielsweise am Bandende des Kupplungsaktors bestimmt. Der Absolutwert von β wird dabei zur Vermeidung von nichtlinearen Bereichen und großen Fehlern und Erschwerung der gesamten Korrektur in bevorzugter Weise auf kleiner als 0,1 begrenzt.
In Block 5 wird der orthogonale Fehler aus dem vorläufigen Drehwinkel φ_pre des Blocks 3 ermittelt, wobei lediglich der Sinusanteil gemäß Gleichung (8) korrigiert wird: $s i n (φ_{c o r r e c t e d}) = g {(φ_{p r e})}_{3 d_s i n} * cos (α) - g {(φ_{p r e})}_{e d_c o s} * sin (α)$
Der orthogonale Fehler α wird hierbei am Bandende des Kupplungsaktors bestimmt. Danach wird in Block 6 der relative Positionswinkel φ_relativ gemäß Gleichung (9) bestimmt: $φ_{r e l a t i v} = A t a n 2 (s i n (φ_{c o r r e c t e d}), c o s (φ))$
Verglichen mit einem Fehler ohne die Korrektur der Blöcke 1 bis 5 und sofortiger Ermittlung des Drehwinkels in Block 6 anhand der Atan2-Funktion kann der Fehler durch Korrektur mittels der Blöcke 1 bis 5 auf ein Zehntel, beispielsweise von 20% auf 2% reduziert werden.
In der Regel ist bei den genannten Anwendungen die Ermittlung des absoluten Drehwinkels φ erforderlich, um einen absoluten Wert des Betätigungswegs der Reibungskupplung angeben zu können. Daher wird der relative Drehwinkel φ_relativ in Block 8 in den absoluten Drehwinkel φ_absolute gemäß Gleichung (10) transformiert: $φ_{a b s o l u t e} = φ_{r e l a t i v} - φ_{0}$
Hierbei ist φ₀ der Winkelfehler zwischen dem relativen Drehwinkel φ_relativ und dem absoluten Drehwinkel φ_absolute. Beispielsweise kann der Winkelfehler φ₀ zwischen dem Positionssensor und dem Rotor gebildet sein.
In dem vorgeschlagenen Verfahren ist weiterhin eine Korrektur eines Delayeffekts vorgesehen, bei dem Winkelfehler bei hohen Drehzahlen des Rotors auftreten. Der durch hohe Drehzahlen erzeugte Winkelfehler φ_Delay ergibt sich gemäß Gleichung (11) zu: $φ_{D e l a y} = \dot{φ} \cdot T_{c a l}$
Hierbei steht φ für die Drehgeschwindigkeit, welche in Block 7 gemäß Gleichung (12) bestimmt wird: $\dot{φ} = \frac{φ_{r e a l} (t_{i + n}) - φ_{r e a l} (t_{i})}{T_{t_{i + n} - t_{t_{i}}}}$
Des Weiteren ist unter der Zeit T_cal die Zeit zu verstehen, die für die Berechnung der Blöcke 1 bis 9 benötigt wird. Zudem kann zur Erzielung einer höheren Genauigkeit die Geschwindigkeitserfassung über mehre Abtastungszeiten berechnet werden. Zuletzt wird in Block 9 der durch Delay erzeugte Winkelfehler φ_calculated nach Gleichung (13) korrigiert. $φ_{c a l c u l a t e d} = φ_{a b s o l u t e} + φ_{D e l a y}$
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

DE 102016217826 B3 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Winkelinformationen eines Positionssensors insbesondere für einen Kupplungsaktor mit einer Erfassung eines Drehwinkels (φ) und Mehrfachumdrehungen eines Rotors eines Elektromotors zur Axialverlagerung zumindest eines Kolbens mittels eines Spindelgetriebes, wobei der Positionssensor einen ortsfesten 2D-Hallsensor und einen um die Drehachse des Rotors angeordneten Magnetring mit über den Umfang abwechselnden Nord- und Südpolen aufweist und mittels zwei analoger Ausgänge des Positionssensors vom Drehwinkel des Rotors abhängige Sinus- und Cosinussignale von einer Auswerteeinheit erfasst und anhand einer Atan2-Funktion ein Drehwinkelsignal des Rotors bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinus- und Cosinussignale vor der Durchführung der Atan2-Funktion korrigiert werden, korrigierte Sinus- und Cosinussignale bestimmt werden, um einen orthogonalen Fehler und Nichtlinearitäten zu korrigieren und das Drehwinkelsignal anhand der ersten Ordnung eines Fourier-Koeffizienten zu normieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Offsets, Amplitudenunterschiede, orthogonale Fehler und/oder Nichtlinearitäten vor der Durchführung der Atan2-Funktion korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturwert des Offsets mittels einer EOL-Messung und der nullten Ordnung deren Fourier-Koeffizienten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorläufiger Drehwinkel ((φ_pre) mittels der Atan2-Funktion berechnet, anschließend eine orthogonale Korrektur erfolgt und anschließend der endgültige Drehwinkel (φ_calculated) bestimmt wird.