DE102020100720A1 - Verfahren zur Störfeldkompensation einer Messung eines Drehwinkels eines Rotors einer Kraftfahrzeuglenkung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störfeldkompensation einer Messung eines Drehwinkels eines Rotors einer Kraftfahrzeuglenkung (1) mittels eines magnetoresistiven Sensors oder eines zweidimensionalen Hall-Sensors, wobei der magnetoresistive Sensor oder der zweidimensionale Hall-Sensor zwei um 90° zueinander phasenverschobene Sensorsignale liefert und das magnetische Störfeld (Bdist) auf einen Gleichstrom (IDC) zurückzuführen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:- Bestimmen eines künstlichen Offsets für das erste Sensorsignal (OffsetsSIN,artifical) und für das zweite Sensorsignal (OffsetCOS,artifical) und- Addieren der künstlichen Offsets (OffSetSIN,artifical, OffsetCOS,artifical) zu dem jeweiligen analogen Sensorsignal zur Kompensation des magnetischen Störfeldes (Bdist).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störfeldkompensation einer Messung eines Drehwinkels eines Rotors einer Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung.
• Winkelsensoren werden in einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung unteranderem dazu eingesetzt, ein Rotorlagesensor (RPS) eines Elektromotors der Kraftfahrzeuglenkung zu erzeugen. Derzeit verwendete Winkelsensoren sind magnetische Sensoren, deren Messung sehr leicht durch externe magnetische Felder gestört werden kann. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Störfeldbeseitigung oder Störfeldkompensation bekannt. In der Offenlegungsschrift DE 10 2010 040 584 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Störfeldkompensation offenbart, bei dem vor Inbetriebnahme der Lenkung die Wirkung eines magnetischen Störfeldes auf ein Sensorrohsignal ermittelt wird, um daraus ein Kompensationssignal zu erzeugen. Weiterhin zeigt die Offenlegungsschrift DE 198 49 910 A1 einen Lenkwinkelsensor, aufweisend einen MR-Sensor, der zwei um 90° zueinander phasenverschobene elektrische Sensorsignale liefert, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Aus diesen Signalen wird der Winkel zwischen dem MR-Sensor und dem Magnetfeld berechnet und der Sensorsignalbetrag der beiden Sensorsignale sowie die Änderung des Sensorsignalbetrages in Abhängigkeit vom berechneten Winkel bestimmt und in Abhängigkeit dieser Betragsänderung eine Offsetregelung der Sensorsignale vorgenommen.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Störfeldkompensation anzugeben, das magnetische Störfelder aus einem RPS-Signal eines magnetischen Rotorpositionssensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung entfernt.
• Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zur Störfeldkompensation einer Messung eines Drehwinkels eines Rotors einer Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung, die dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen können den Unteransprüchen entnommen werden.
• Demnach ist ein Verfahren zur Störfeldkompensation einer Messung eines Drehwinkels eines Rotors einer Kraftfahrzeuglenkung mittels eines magnetoresistiven Sensors oder eines zweidimensionalen Hall-Sensors bekannt, wobei der magnetoresistive Sensor oder der zweidimensionale Hall-Sensor zwei um 90° zueinander phasenverschobene Sensorsignale (sin und cos) liefert und das magnetische Störfeld auf einen Gleichstrom zurückzuführen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
• - Bestimmen eines künstlichen Offsets für das (erste) Sinus-Sensorsignal und für das (zweite) Cosinus-Sensorsignal und
• - Addieren der künstlichen Offsets zu dem jeweiligen analogen Sensorsignal zur Kompensation des magnetischen Störfeldes.
• Vorzugsweise wird zur Bestimmung der künstlichen Offsets die Stromstärke des Gleichstroms gemessen oder geschätzt.
• Die Bestimmung der künstlichen Offsets hängt bevorzugt von einem design-spezifischen Parameter ab, der einmalig für die Kraftfahrzeuglenkung (Hardware Design) bestimmt wird.
• Es ist vorteilhaft, wenn die Messung der Stromstärke durch eine Software einer elektronischen Steuereinheit der Kraftfahrzeuglenkung während der Laufzeit der Software bestimmt wird.
• Die künstlichen Offsets rufen vorzugsweise einen künstlichen Drehwinkelfehler in der Messung des Drehwinkels in der ersten Harmonischen hervor, der etwa die gleiche Amplitude und eine entgegengesetzte Phase wie der durch das Störfeld des Gleichstroms hervorgerufene Drehwinkelfehler in der ersten Harmonischen hat. Dadurch kann eine einfache Kompensation des Störfeldes bei der Berechnung des Drehwinkels erfolgen.
• Bevorzugt ergibt sich der störfeldkompensierte Drehwinkel α_calc aus folgender Gleichung: $${\alpha }_{calc}={\text{tan}}^{-1}\frac{SI{N}_{MR,normalized}}{CO{S}_{MR,normalized}},$$

  

  wobei $$SI{N}_{MR,normalized}=Offse{t}_{SIN,artifical}+\text{sin}\left({\alpha }_{dist}\right),$$

  

  $$CO{S}_{MR,normalized}=Offse{t}_{COS,artifical}+\text{cos}\left({\alpha }_{dist}\right)$$

  

  und $${\alpha }_{dist}={\text{tan}}^{-1}\frac{SI{N}_{B_{resul\text{ tan}t}}}{CO{S}_{B_{resul\text{ tan}t}}},$$

  

  wobei SIN_Bresultant und COS_Bresultant die sin- und cos-Othogonalprojektion des aus magnetischen Störfeld und Magnetfeld des Sensors resultierenden magnetischen Fluxvektors B_resultant sind.
• Dabei ist es vorteilhaft, wenn 9N_{B ajoai} =B_RPS *sin(α)+ B_dist,*sin(δ) und
  COS_{B result tant} = B_RPS*cos(α)+ B_dist*cos(δ) ist, wobei B_RPS der magnetische Fluxvektor des RPS Magneten, B_dist der magnetische Fluxvektor des DC-Störfeldes, α der tatsächliche Drehwinkel des Magneten und δ der Winkel des Störfeldes zur cos-Achse ist, welcher abhängig von dem Hardware Design ist.
• Vorzugsweise ist der magnetoresistive Sensor ein AMR-, GMR- oder TMR-Sensor.
• Weiterhin ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einer Steuereinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
• 1: eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges,
• 2: ein Diagramm eines analogen RPS-Signals mit magnetischen Störfeldvektor,
• 3: ein dreidimensionales Diagramm des Winkelfehlers aufgetragen gegen einen künstlichen Offset des cos-Ausgangssignal des RPS-Signals und einen künstlichen Offset des sin-Ausgangssignal des RPS-Signals, sowie
• 4: ein Diagramm in dem die optimalen künstlichen Offsets gegen die Feldstärke des magnetischen Störfeldes aufgetragen sind.
• In der 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 4 übertragen. Das Ritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 50 einer Zahnstange 5. Die Zahnstange 5 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 5 mit Spurstangen 6 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 6 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 7 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 5 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 7. Die gelenkten Räder 7 erfahren über eine Fahrbahn 70 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegenwirkt. Zum Verschwenken der Räder 7 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 8 mit einem Rotorlagesensor (RPS) einer Servoeinheit 9 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen.
  Die Lenkwelle 3 weist eine mit dem Lenkrad 2 verbundene Eingangswelle 30 und eine mit dem Lenkritzel 4 verbundene Ausgangswelle 31 auf. Die Eingangswelle 30 und die Ausgangswelle 31 sind drehelastisch über einen nicht gezeigten Drehstab miteinander gekoppelt. Eine Drehmomentsensoreinheit erfasst die Verdrehung der Eingangswelle 30 gegenüber der Ausgangswelle 31 als ein Maß des an der Lenkwelle 3 oder des Lenkrades 2 manuell ausgeübten Drehmomentes. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit 9 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit. Die Servoeinheit 9 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 9, 90, 91 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 5 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 9, 90, 91 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 5 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 9, 90, 91 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servoeinheit kann dabei als Überlagerungslenkung an der Lenksäule oder als Hilfskraftunterstützungseinrichtung an dem Ritzel 4 oder der Zahnstange 5 angeordnet sein.
• Bei dem Rotorlagesensor handelt es sich um einen Magnetfeldsensor, bevorzugt um einen zweidimensionalen Hall-Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor, insbesondere AMR-, GMR-,TMR-Sensor. Solche Sensoren sind anfällig für magnetische Störfelder, die einen Winkelfehler erzeugen.
• Abhängig von der Art des Störfeldes (Gleichstrom, Drehstrom, Wechselstrom) hat der Winkelfehler einen unterschiedlichen Oberwellengehalt.
• In der elektronischen Steuereinheit (ECU) entstehen vom Gleichstrom hervorgerufene magnetische Störfelder beispielsweise durch einen Batterieleitungsrahmen oder Spulen. Der Einfluss des Störfeldes kann durch Messung der Stromstärke durch die Software der ECU während der Laufzeit bestimmt werden.
• Gleichstrom verursacht einen Drehwinkelfehler in der ersten Harmonischen mit einer Amplitude, die abhängig von der Stromstärke des Gleichstroms ist und einer Phase, die abhängig vom Design der ECU ist. Bei den Signalen des Rotorlagesensors handelt es sich um zwei um 90° zueinander versetzte Sinussignale, aus denen über eine Arcustangens-Berechnung ein Drehwinkel des Rotors berechnet werden kann.
• In 2 ist das Signal des RPS mit und ohne magnetischem Störfeld dargestellt, wobei auf der y-Achse der sin-Anteil und auf der x-Achse der cos-Anteil aufgetragen sind. Der Vektor B_resultant gibt den magnetischen Fluxvektor des RPS Magneten mit Störfeld wieder. α_dist ist der Drehwinkel des resultierenden magnetischen Feldes. B_RPS ist der magnetische Fluxvektor des RPS Magneten und B_dist der magnetische Fluxvektor des DC-Störfeldes, welches proportional zu der Stromstärke des Gleichstroms ist. α ist der tatsächliche Drehwinkel des Magneten des RPS und δ ist die Richtung des DC-Störfeldes zur cos-Achse, diese Richtung ist abhängig von dem Hardware Design der elektronischen Steuereinheit.
• Für den Fall, dass das magnetische Störfeld auf einen Gleichstrom zurückzuführen ist und von der ECU-Software vorhergesagt werden kann, kann seine Wirkung auf das RPS-Signal durch eine geringe Kompensation des analogen RPS-Signals eliminiert werden.
• Die sin- und cos-Orthogonalprojektion des resultierenden magnetischen Fluxvektors B_resultant ergibt sich, wie folgt: $$SI{N}_{B_{resul\text{ tan}t}}=B_{RPS}\ast \text{sin}\left(\alpha \right)+B_{dist}\ast \text{sin}\left(\delta \right),$$

  

  $$CO{S}_{B_{resul\text{ tan}t}}=B_{RPS}\ast \text{cos}\left(\alpha \right)+B_{dist}\ast \text{cos}\left(\delta \right).$$

  
• Aus diesen Projektionen lässt sich α_dist berechnen: $${\alpha }_{dist}={\text{tan}}^{-1}\frac{SI{N}_{B_{resul\text{ tan}t}}}{CO{S}_{B_{resul\text{ tan}t}}}$$

  

  Da die Ausgangssignale des magnetoresistiven Sensors oder des zweidimensionalen Hall-Sensors proportional zu sin(α_dist ) und cos(α_dist ) sind, folgt: $$SI{N}_{MR}=Offse{t}_{SIN}+Amp{l}_{SIN}\ast \text{sin}\left({\alpha }_{dist}\right),$$

  

  COS_MR= Offset_COS+Ampl_COS*cos(α_dist), wobei OffSet_SIN ist ein Offset des analogen SIN Ausgangssignals des RPS und Offset_COS ist ein Offset des analogen COS Ausgangssignals des RPS, welche normalerweise V_dd/2 sind, wobei Vdd die Versorgungsspannung des Sensors ist. Ampl_SIN ist die Amplitude des analogen SIN Ausgangssignals des RPS und Amplcos ist die Amplitude des analogen COS Ausgangssignals des RPS, welche normalerweise 1V betragen.
• Es wurde festgestellt, dass ein künstlicher Offset der beiden analogen RPS-Signale ebenfalls zu einem Drehwinkelfehler in der ersten Harmonischen führt, wie dies bei einem durch Gleichstrom hervorgerufenen magnetischen Störfeld der Fall ist.
• Der künstliche Offset für die Signale kann daher so gewählt werden, dass sich die beiden Fehler in der ersten Harmonischen durch eine entgegengesetzte Phase und eine gleiche Amplitude gegenseitig aufheben.
• Nach Normierung der analogen Signale ergeben sich diese, wie folgt: $$SI{N}_{MR,normalized}=Offse{t}_{SIN,artifical}+\text{sin}\left({\alpha }_{dist}\right),$$

  

  $$CO{S}_{MR,normalized}=Offse{t}_{COS,artifical}+\text{cos}\left({\alpha }_{dist}\right),$$

  

  wobei OffSet_{SIN, artifical} ein künstlicher Offset für das sin-Signal und Offset_{COS, artifical} ein künstlicher Offset für das cos-Signal ist, die zur Kompensation von B_dist verwendet werden.
• Der störfeldkompensierte Drehwinkel ergibt sich aus folgender Gleichung: $${\alpha }_{calc}={\text{tan}}^{-1}\frac{SI{N}_{MR,normalized}}{CO{S}_{MR,normalized}}.$$

  

  Der Fehler des störfeldkompensierten Drehwinkels α_error ergibt sich aus:
• α_error =α-α_calc, wobei α der tatsächliche Drehwinkel des RPS-Magneten ist.
• Wie in 3 dargestellt ist, gibt es für einen bestimmten Wert des design-spezifischen Parameter δ und ein bestimmtes Störfeld B_dist ein optimales OffSet_{SIN/COS, artifical} Wertepaar bei dem der Winkelfehler α_error minimal ist und das magnetische Störfeld so gut wie möglich kompensiert ist.
• Die optimalen OffSet_{SIN, artifical} und Offset_{COS, artifical} können für einen bestimmten Wert des design-spezifischen Parameters δ aus dem in 4 dargestellten Diagramm entnommen werden.
• Da das magnetische Störfeld B_dist linear abhängig von der Stromstärke der Gleichstrom-Batterie (IDC) ist, kann die Abhängigkeit in ein Verhältnis zwischen künstlichem Offset und Gleichstrom-Stromstärke gesetzt werden. Diese Verhältnisse r_SIN(δ) und r_COS(δ) definieren dann einen optimalen künstlichen SIN/COS Offset entsprechend der Gleichstrom-Stromstärke I_DC: $$Offse{t}_{SIN,artifical}=r_{SIN}\left(\delta \right)\ast I_{DC},$$

  

  $$Offse{t}_{COS,artifical}=r_{COS}\left(\delta \right)\ast I_{DC}.$$

  
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102010040584 A1 [0002]
• DE 19849910 A1 [0002]

Claims (9)

1. Verfahren zur Störfeldkompensation einer Messung eines Drehwinkels eines Rotors einer Kraftfahrzeuglenkung (1) mittels eines zweidimensionalen Hall-Sensors oder eines magnetoresistiven Sensors, wobei der magnetoresistive Sensor oder der zweidimensionale Hall-Sensor zwei um 90° zueinander phasenverschobene Sensorsignale liefert und das magnetische Störfeld (B_dist) auf einen Gleichstrom (I_DC) zurückzuführen ist, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte umfasst sind: - Bestimmen eines künstlichen Offsets für das erste Sensorsignal (Offset_SIN, _artifical) und für das zweite Sensorsignal (Offset_{COS,artifical}) und - Addieren der künstlichen Offsets (OffSet_SIN, _artifical, Offset_COS, _artifical) zu dem jeweiligen analogen Sensorsignal zur Kompensation des magnetischen Störfeldes (B_dist).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der künstlichen Offsets (OffSet_SIN, _artifical, Offset_COS, _artifical) die Stromstärke (I_DC) des Gleichstroms gemessen oder geschätzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der künstlichen Offsets (OffSet_SIN, _artifical, Offset_COS, _artifical) von einem design-spezifischen Parameter abhängt, der einmalig für die Kraftfahrzeuglenkung (1) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Stromstärke (I_DC) durch eine Software einer elektronischen Steuereinheit (ECU) der Kraftfahrzeuglenkung (1) während der Laufzeit der Software bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die künstlichen Offsets (OffSet_SIN, _artifical, Offset_COS, _artifical) einen künstlichen Drehwinkelfehler in der Messung des Drehwinkels in der ersten Harmonischen hervorrufen, der etwa die gleiche Amplitude und eine entgegengesetzte Phase wie der durch das Störfeld des Gleichstroms (B_dist) hervorgerufene Drehwinkelfehler in der ersten Harmonischen hat.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der störfeldkompensierte Drehwinkel (α_calc) sich aus folgender Gleichung ergibt: $${\alpha }_{calc}={\text{tan}}^{-1}\frac{SI{N}_{MR,normalized}}{CO{S}_{MR,normalized}},$$

   

   wobei $$SI{N}_{MR,normalized}=Offse{t}_{SIN,artifical}+\text{sin}\left({\alpha }_{dist}\right),$$

   

   $$CO{S}_{MR,normalized}=Offse{t}_{COS,artifical}+\text{cos}\left({\alpha }_{dist}\right)$$

   

   und $${\alpha }_{dist}={\text{tan}}^{-1}\frac{SI{N}_{B_{resul\text{ tan}t}}}{CO{S}_{B_{resul\text{ tan}t}}},$$

   

   wobei SIN_Bresultant und COS_Bresultant die sin- und cos-Othogonalprojektion des aus magnetischen Störfeld und Magnetfeld des Sensors resultierenden magnetischen Fluxvektors (B_resultant) sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass $$SI{N}_{B_{resul\text{ tan}t}}=B_{RPS}\ast \text{sin}\left(\alpha \right)+B_{dist}\ast \text{sin}\left(\delta \right)\text{ und}$$

   

   $$CO{S}_{B_{resul\text{ tan}t}}=B_{RPS}\ast \text{cos}\left(\alpha \right)+B_{dist}\ast \text{cos}\left(\delta \right),$$

   

   wobei B_RPS der magnetische Fluxvektor des RPS Magneten, B_dist der magnetische Fluxvektor des DC-Störfeldes, α der tatsächliche Drehwinkel des Magneten und δ der Winkel des Störfeldes zur cos-Achse ist, welcher abhängig von dem Hardware Design ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor ein AMR-,GMR- oder TMR-Sensor ist.
9. Elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung (1) mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.

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