DE102018221713A1

DE102018221713A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Drehfrequenz eines Rads

Info

Publication number: DE102018221713A1
Application number: DE102018221713.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Scheuing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18
Also published as: CN113227796B; WO2020120131A1; US20220048481A1; JP7147066B2; CN113227796A; JP2022513820A; BR112021011243A2; KR20210098531A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Drehfrequenz eines Rads, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Drehzahlsensor (1), der ein dem Rad zugeordnetes Geberrad (2) und ein dem Geberrad (2) zugeordnetes Sensorelement (3) aufweist, wobei das Geberrad (2) über seinen Umfang gleichmäßig beabstandet zueinander verteilt angeordnete Impulsgeber (4) aufweist, deren Flanken (5) vom Sensorelement (3) zum Bestimmen der Drehfrequenz des Geberrads (2) erfasst werden. Es ist vorgesehen, dass zur Kompensation einer durch eine Exzentrizität verursachte Modulation ein Optimalfilter eingesetzt wird, und dass Modulationsparameter des Optimalfilters durch eine sequentielle Kleinste-Quadrate-Methode adaptiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Drehfrequenz eines Rads, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Drehzahlsensor, der ein dem Rad zugeordnetes Geberrad und ein dem Geberrad zugeordnetes Sensorelement aufweist, wobei das Geberrad über seinen Umfang gleichmäßig beabstandet zueinander verteilt angeordnete Impulsgeber aufweist, deren Flanken vom Sensorelement zum Bestimmen der Drehfrequenz des Geberrads erfasst werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem Steuergerät, welches das obenstehend beschriebene Verfahren bei bestimmungsgemäßem Gebrauch durchführt.
Stand der Technik
Bei Sicherheitsbremssystemen in Kraftfahrzeugen wird die Drehzahl beziehungsweise Drehfrequenz eines oder mehrerer Räder des Kraftfahrzeugs überwacht, um beispielsweise ein Blockieren des Rads oder dergleichen erkennen und verhindern zu können. In Steuergeräten von ABS- oder ESP-Systemen wird die Drehfrequenz mithilfe eines Drehzahlsensors bestimmt. Dieser weist ein mit dem Rad gekoppeltes Geberrad und ein karosseriefestes Sensorelement auf, das dem Geberrad zugeordnet ist. Das Geberrad weist eine Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneter Impulsgeber auf, die beispielsweise zahnförmig von dem Geberrad radial vorstehen und/oder als Magnetpole ausgebildet sind. Die Impulsgeber sind beabstandet zueinander angeordnet, sodass durch das Sensorelement von jedem Impulsgeber zwei Flanken erfassbar sind. Dabei kann das Geberrad optisch und/oder elektromagnetisch durch das Sensorelement abgetastet werden. Für die Bestimmung der Drehfrequenz wird die Anzahl der durch den festgelegten Messintervall detektierten Flanken auf die von einem Steuergerät gemessene Zeitdifferenz zwischen den jeweils zuletzt detektierten Flanken des vergangenen und aktuellen Messintervalls referenziert.
Fertigungstechnisch kann das Geberrad jedoch eine Exzentrizität aufweisen, wodurch sich auf die Zeitdifferenz zwischen den detektierten Flanken ein sinusförmig modellierter Teilungsfehler auswirkt. Amplitude und Phasenlage hängen dabei vom individuellen Geberrad ab, sind jedoch nicht geschwindigkeitsabhängig. Auch eine statische Unwucht des Geberrads kann zu einer Exzentrizitätsauswirkung führen, wenn sie eine radperiodische Radialkraft verursacht, welche über das mechanische System der Lagerung des Rads zu einer radperiodischen Modulation des dynamischen Rollradius führt und sich ebenfalls wie ein sinusförmig modellierter Teilungsfehler auswirkt. Im Unterschied zu der fertigungstechnischen Exzentrizität kommt es dabei jedoch typischerweise auch zu einer Änderung von Amplitude und Phasenlage in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine winkelperiodische Modulation, die durch die Exzentrizität verursacht ist, direkt im zeit-äquidistanten Frequenzsignal kompensiert wird. Dabei werden ausschließlich Signale genutzt, die ohnehin üblicherweise zur Signalaufbereitung eines Drehzahlsensors genutzt werden, sodass das Verfahren mit geringem Aufwand implementiert werden kann und auch nur geringe Ressourcen benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Kompensation der durch die Exzentrizität verursachten Modulation des Ausgangssignals des Sensorelements ein Optimalfilter eingesetzt wird, und dass Modulationsparameter des Optimalfilters durch eine sequentielle Kleinste-Quadrate-Methode adaptiert werden.
Bevorzugt wird dazu aus der erfassten Drehfrequenz des Sensorsignals ein Kurzzeitmittelwert berechnet. Dieser dient als vorteilhafte Grundlage zur Bestimmung und Kompensierung mit der Modulation.
Insbesondere wird der Kurzzeitmittelwert mittels eines PT1-Filters ermittelt. Hierdurch ist eine einfache und zeitnahe Ermittlung, mit einem insbesondere einstellbaren Filterkoeffizienten, gewährleistet.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Modulation in Abhängigkeit von dem Kurzzeitmittelwert modelliert wird. Der Kurzzeitmittelwert wird also mitberücksichtigt, wodurch sich eine gewichtete Berücksichtigung darstellen lässt.
Insbesondere wird die Modulation in Abhängigkeit von einer aktuellen Raddrehzahl modelliert. Dadurch wird also auch eine Drehgeschwindigkeit der modellierten Modulation berücksichtigt.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Bestimmung der Modulationsparameter eine Abweichung der erfassten Drehfrequenz von ihrem Kurzzeitmittelwert als Überlagerung der Modulation und einem zu minimierenden Restrauschen modelliert wird.
Vorzugsweise wird bei Bestimmung der Modulationsparameter außerdem ein vorgebbarer Korrekturfaktor insbesondere in Abhängigkeit einer aktuellen Varianz der Drehfrequenz berücksichtigt. Schwankt die Drehfrequenz, sodass sie eine Varianz aufweist, so wird der Korrekturfaktor also vorteilhafterweise angepasst, um diese Varianz zu kompensieren.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Optimalfilter einem oder mehreren frequenzselektiven Filtern vor- oder nachgeschaltet wird. Dadurch wird das Optimalfilter in eine bestehende Filterstruktur einfach eingebunden. Vorteilhafterweise sind die Anforderungen an das Dämpfungsverhalten der frequenzselektiven Filter nun durch das von dem Optimalfilter erhaltene Restrauschen bestimmt, wodurch das aufbereitete Drehzahlsignal hinsichtlich Restwelligkeit oder Messdynamik verbessert wird.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verfahren bei Unterschreiten einer vorgebbaren Drehfrequenz beendet und alle Parameter zurückgesetzt werden. Wird beispielsweise eine vorgebbare Drehfrequenz unterschritten, die darauf hindeutet, dass eine Mindestgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs von beispielsweise 1 km/h unterschritten wurde, so werden alle Parameter oder Variablen des Verfahrens zurückgesetzt, wodurch das Verfahren robust gegenüber Änderungen der Drehrichtung, Stillstandspulsen des Drehwinkelsensors sowie dem Drehstartwinkel gemacht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 einen Drehzahlsensor für ein Kraftfahrzeug in einer vereinfachten Darstellung und
2 ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehfrequenz in Form eines Signalverarbeitungsplans.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Drehzahlsensor 1 für ein Kraftfahrzeug. Der Drehzahlsensor 1 weist ein Geberrad 2 auf, dem ein Sensorelement 3 zugeordnet ist. Das Sensorelement 3 ist dabei radial dem Außenumfang des Gebrrads 2 zugeordnet und gehäusefest angeordnet. Das Geberrad 2 ist drehfest mit einer Welle, beispielsweise eines Antriebsrads des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das Geberrad 2 weist über seinen Umfang verteilt mehrere gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnete Impulsgeber 4 auf. Diese sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als radial vorstehende Kreisringsegmente oder Zähne ausgebildet, die jeweils in Umfangsrichtung durch zwei Flanken 5 begrenzt werden. Alternativ sind die Impulsgeber 4 beispielsweise als Magnetpole eines magnetischen Multipolrads, axiale Zähne und/oder Lochblenden ausgebildet. Vorliegend handelt es sich bei dem Geberrad 2 um ein Polrad mit einer Vielzahl von Polpaaren N_P , die insbesondere durch ein oder mehrere Permanentmagnete gebildet werden. Die momentane Drehfrequenz f des Rads beziehungsweise des Geberrads 2 wird insbesondere mittels eines Steuergeräts, insbesondere ABS/ESP-Steuergerät, zu einem Zeitpunkt n * ΔT dadurch bestimmt, dass die Anzahl e der in einem festgelegten Messintervall ΔT mit beispielsweise ΔT=5ms, vom Sensorelement 3 detektierte Flanken 5 des Geberrads 2 beziehungsweise der Impulsgeber 4 auf die vom Steuergerät gemessene Zeitdifferenz zwischen den jeweils zuletzt detektierten Flanken des vergangenen und des aktuellen Messintervalls t(n) - t(n) - 1 referenziert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden innerhalb des Messintervalls ΔT sechs Flanken 5_1 bis 5_6 durch das Sensorelement 3 erfasst, wobei das Geberrad 2 in der Papierebene im Uhrzeigersinn gemäß Pfeil 6 rotiert.
Theoretisch findet hierbei ein Übergang von der (idealerweise) winkel-äquidistanten Abtastung des Sensorelements, die durch die regelmäßige Anordnung der Impulsgeber auf dem Geberrad 2 gegeben ist, auf eine zeitäquidistante Abtastung im Raster ΔT im Steuergerät statt. Der Faktor dieser Abtastung oder Unterabtastung ist geschwindigkeitsabhängig. Je schneller sich das Rad dreht, desto mehr Flanken e werden in dem Zeitintervall ΔT erfasst, sodass über mehr Flanken e gemittelt wird.
Aus der nun zeit-äquidistanten Drehfrequenz werden über den Umfang des Geberrads 2 und die Anzahl der Impulsgeberpaare N_P die Drehgeschwindigkeit sowie aus deren zeitlicher Ableitung die Drehbeschleunigung bestimmt.
Fertigungstechnisch kann es zu einer konstruktiven Exzentrizität des Encoderrads kommen, das heißt zu einer Verschiebung des Schwerpunkts des Geberrads zu dem gedachten Mittel, von dem aus die Impulsgeber 4 winkeläquidistant verteilt sind. Aus der Zeitdifferenz bei konstanter Drehgeschwindigkeit zwischen den vom Sensorelement 3 erfassten/detektierten Flanken 5 (winkeläquidistantes Signal) wirkt sich diese Exzentrizität in erster Näherung wie ein mit der Periode N_P sinusförmig modellierter Teilungsfehler aus. Die Amplitude und Phasenlage dieser Überlagerung hängen vom individuellen Geberrad 2 ab, sind jedoch nicht von der Drehgeschwindigkeit abhängig.
Eine weitere Exzentrizität kann sich durch eine statische Unwucht des Geberrads 2 ergeben. Diese Unwucht verursacht eine radperiodische Radialkraft, welche über das mechanische System einer Radaufhängung zu einer radperiodischen Modulation des dynamischen Rollradius führt und sich ebenfalls wie ein mit Periode N_P sinusförmig modellierter Teilungsfehler im Signal auswirkt. Aufgrund des Resonanzverhaltens des mechanischen Systems wird hierbei eine Änderung von Amplitude und Phasenlage in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit bewirkt.
Durch das im Folgenden beschriebene Verfahren wird die durch die Exzentrizität verursachte Modulation in ein zeit-äquidistantes Frequenzsignal vorteilhaft kompensiert. Dabei ist vorgesehen, dass zur Kompensation ein Optimalfilter eingesetzt wird, dessen Modulationsparameter durch eine sequenzielle Kleinste-Quadrate-Methode adaptiert werden.
Vorteilhafterweise wird dieses Optimalfilter zusätzlich zu frequenzselektiven Filtern eingesetzt, insbesondere wird das Optimalfilter den frequenzselektiven Filtern vorgeschaltet. Vorteilhafterweise sind die Anforderungen an deren Dämpfungsverhalten nun nur das Rest-Rauschen bestimmt. Hierdurch kann das aufbereitete Drehzahlsignal hinsichtlich Restwelligkeit oder Messdynamik verbessert werden. Durch das vorteilhafte Verfahren werden ausschließlich bereits zur Signalaufbereitung ohnehin genutzte Signale verwendet, sodass gegenüber einer Kompensation im winkel-äquidistanten Signal ein wesentlich geringerer Implementierungs- und Ressourcenaufwand notwendig ist.
Das vorteilhafte Verfahren soll mit Hilfe des in 2 gezeigten Ablaufdiagramms oder Signalflussdiagramm erläutert werden.
Erfindungsgemäß wird aus der Radfrequenz f(n) zunächst ihr Kurzzeitmittelwert f_M(n) berechnet, beispielsweise durch PT1-Filterung mit einem einstellbaren Filterkoeffizient c1 mit z.B. Wert 0,1: $f_{M} (n) = f_{M} (n - 1) + c_{1} \cdot (f (n) - f_{M} (n - 1))$
Die durch Exzentrizität verursachte radperiodische Modulation g(n) wird modelliert als mit f_M gewichtete Überlagerung $g (n) = f_{M} (n) \cdot (A_{R} \cdot c o s s (n) + A_{I} \cdot s i n s (n))$
wobei A_R und A_I die noch zu schätzenden Modulationsparameter und s(n) den durch Akkumulation der Flankenzahlen bestimmten momentanen Radwinkel wiedergeben: $s (n) = \frac{2 π}{N_{P}} \cdot [(\sum_{i = 0}^{n} e (i)) m o d N_{P}]$
Hierbei wird eine kontinuierliche Erfassung aller Flanken sowie eine konstante Raddrehrichtung angenommen. Vorzugsweise wird das Verfahren bei Unterschreiten einer Mindestgeschwindigkeit (z.B. 1 km/h) angehalten und alle Variablen werden zurückgesetzt, hierdurch wird das Verfahren robust gegenüber Änderungen der Drehrichtung, Stillstandspulsen des Sensors, sowie dem auf Verteilung zwischen A_R und A_I wirkenden Radstartwinkel gemacht.
Der Modellansatz für g(n) ist so gewählt, dass bei geeigneter Schätzung von A_R und A_I eine mit Periode N_P sinusförmige Modulation im korrigierten Frequenzsignal $f_{c o r r} (n) = f (n) - g (n)$
kompensiert wird (Optimalfilter-Ansatz). Die Schätzung von A_R und A_I zur Laufzeit erfolgt, wie bereits erwähnt, über ein Kleinste-Quadrate-Verfahren, indem die Abweichung der momentanen Radfrequenz f(n) von ihrem Kurzzeitmittelwert f_M(n) als Überlagerung der Modulation g(n) und einem zu minimierendem Restrauschen modelliert wird: $\sum_{i - 0}^{n} {| f (i) - f_{M} (i) - g (i) |}^{2} \to m i n$
oder in Matrix-Schreibweise: ${‖ \underset{\underline{\underline{M}}}{\underset{︸}{[\begin{matrix} f_{M} (n) \cdot cos s (n) & f_{M} (n) \cdot sin s (n) \\ f_{M} (n - 1) \cdot cos s (n - 1) & f_{M} (n - 1) \cdot sin s (n - 1) \\ ⋮ & ⋮ \end{matrix}]}} \cdot [\begin{matrix} A_{R} \\ A_{I} \end{matrix}] - \underset{\underline{F}}{\underset{︸}{[\begin{matrix} f_{M} (n) - f (n) \\ f_{M} (n - 1) - f (n - 1) \\ ⋮ \end{matrix}]}} ‖}^{2} \to min$
mit der Kleinste-Quadrate-Lösung $[\begin{matrix} A_{R} \\ A_{I} \end{matrix}] = {({\underline{\underline{M}}}^{T} \underline{\underline{M}})}^{- 1} {\underline{\underline{M}}}^{T} \underline{F}$
Vorzugsweise werden die bei der Matrix-Invertierung entstehenden, mit n anwachsenden Summen durch ihre Kurzzeitmittelwerte ersetzt. In einer besonders ressourcenschonenden Ausprägung werden diese Kurzzeitmittelwerte durch PT1-gefilterte Mittelwerte approximiert, so dass die Schätzung dann auf $A_{R} = \frac{S 2 \cdot S 4 - S 3 \cdot S 5}{S 1 \cdot S 2 - S 3^{2}} u n d A_{I} = \frac{S 1 \cdot S 5 - S 3 \cdot S 4}{S 1 \cdot S 2 - S 3^{2}}$
reduziert werden kann, mit den iterativ gefilterten Summengrößen und einstellbarem Parameter c (mit z.B. c=0,4) $S 1 (n) = S 1 (n - 1) + c \cdot ({(f_{M} (n) \cdot c o s s (n))}^{2} - S 1 (n - 1))$
$S 2 (n) = S 2 (n - 1) + c \cdot ({(f_{M} (n) \cdot s i n s (n))}^{2} - S 2 (n - 1))$
$S 3 (n) = S 3 (n - 1) + c \cdot (f_{M}^{2} (n) \cdot c o s s (n) \cdot s i n s (n) - S 3 (n - 1))$
$S 4 (n) = S 4 (n - 1) + c \cdot (f_{M} (n) \cdot c o s s (n) \cdot (f (n) - f_{M} (n)) - S 4 (n - 1))$
$S 5 (n) = S 5 (n - 1) + c \cdot (f_{M} (n) \cdot s i n s (n) \cdot (f (n) - f_{M} (n)) - S 5 (n - 1))$
In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens wird der Parameter c in Abhängigkeit der momentanen Varianz von f(n) gewählt, so dass die Adaptionsgeschwindigkeit der Summengrößen bei höherer Varianz abnimmt.
Alternativ werden die Summengrößen als echte gleitende Mittelwerte bestimmt, zum Beispiel für S1(n) in der Form $S 1 (n) = \frac{1}{L} \cdot \sum_{i = n - L + 1}^{n} {(f_{M} (i) \cdot c o s s (i))}^{2}$
mit beispielsweise L=8, (gilt für S2 bis S5 analog).
In einer weiter optimierten Ausprägung wird der aus Summation bis zum Ende des Messintervalls ermittelte Radwinkel s(n) durch den mittleren Radwinkel des Messintervalls s_M(n) ersetzt $s_{M} (n) = \frac{2 π}{N_{P}} [(\frac{e (n)}{2} + \sum_{i = 0}^{n - 1} e (i)) m o d N_{P}]$
Vorzugsweise sind alle Filterparameter (wie angegeben) so zu wählen, dass die Gruppenlaufzeit klein gegenüber der zu erwartenden Signaldynamik ist. Dann kann die Adaption auch den geschwindigkeitsabhängigen Amplituden und Phasenänderungen einer möglicherweise überlagerten Radunwucht folgen und das beschriebene Verfahren wird auch diese kompensieren.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Drehfrequenz eines Rads, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Drehzahlsensor (1), der ein dem Rad zugeordnetes Geberrad (2) und ein dem Geberrad (2) zugeordnetes Sensorelement (3) aufweist, wobei das Geberrad (2) über seinen Umfang gleichmäßig beabstandet zueinander verteilt angeordnete Impulsgeber (4) aufweist, deren Flanken (5) vom Sensorelement (3) zum Bestimmen der Drehfrequenz des Geberrads (2) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation einer durch eine Exzentrizität verursachte Modulation ein Optimalfilter eingesetzt wird, und dass Modulationsparameter des Optimalfilters durch eine sequentielle Kleinste-Quadrate-Methode adaptiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der erfassten Drehfrequenz ein Kurzzeitmittelwert berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzzeitmittelwert mittels eines PT1-Filters ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation in Abhängigkeit von dem Kurzzeitmittelwert modelliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation in Abhängigkeit von einer aktuellen Raddrehzahl ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Modulationsparameter eine Abweichung der aktuellen erfassten Drehfrequenz von ihrem Kurzzeitmittelwert als Überlagerung der Modulation und einem zu minimierenden Restrausch modelliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Modulationsparameter ein vorgebbarer Korrekturfaktor insbesondere in Abhängigkeit einer aktuellen Varianz der Drehfrequenz berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimalfilter einem oder mehreren frequenzselektiven Filtern vor- oder nachgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Unterschreiten einer vorgebbaren Drehfrequenz beendet und alle Parameter zurückgesetzt werden.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Drehfrequenz, insbesondere eines Rads eines Kraftfahrzeugs, mit einem Drehzahlsensor (1), der ein dem Rad zugeordnetes Geberrad (2) und ein dem Geberrad (2) zugeordnetes Sensorelement (3) aufweist, wobei das Geberrad (2) über seinen Umfang gleichmäßig oder beabstandet voneinander verteilt angeordnete Impulsgeber (4) aufweist, deren Flanken (5) vom Sensorelement (3) zur Bestimmung der Drehfrequenz erfassbar sind, gekennzeichnet durch ein Steuergerät, das speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.