DE102020105254A1 - Method for determining an angular position of a shaft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle (1), wobei in einem ersten Schritt anhand eines radial versetzt zu der Welle (1) angeordneten XMR-Sensors (2) ein eine Winkelposition der Welle (1) repräsentierendes Signal eines mit der Welle (1) fest verbundenen Magneten (3) erfasst wird, und in einem zweiten Schritt eine analytische Winkelfehlerkompensation dieses erfassten Signals erfolgt, indem, unter Antrieb der Welle (1) mit konstanter Drehzahl, entweder durch den XMR-Sensor (2) oder durch einen weiteren Referenzwinkelsensor das sich in Abhängigkeit der Winkelposition der Welle (1) ändernde Magnetfeld des Magneten (3) über zumindest eine volle Umdrehung der Welle (1) abgetastet wird, im Anschluss daran eine Änderung eines Gradienten eines Amplitudenverlaufs des Magnetfeldes ermittelt wird, danach, unter Heranziehen zumindest zweier bei unterschiedlichen Drehwinkeln vorliegender Gradientenwerte, ein Korrekturwert ermittelt wird, mittels welchem Korrekturwert weiterhin ein Winkelfehler der aus dem Signal des XMR-Sensors nach dem ersten Schritt abgenommenen Winkelposition bestimmt wird, und schließlich der Winkelfehler zur Korrektur der aus dem von dem XMR-Sensor (2) abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet wird.The invention relates to a method for determining an angular position of a shaft (1), in a first step using an XMR sensor (2) arranged radially offset from the shaft (1) a signal representing an angular position of the shaft (1) with the Shaft (1) firmly connected magnet (3) is detected, and in a second step an analytical angle error compensation of this detected signal is carried out by, while driving the shaft (1) with constant speed, either by the XMR sensor (2) or by another reference angle sensor, the magnetic field of the magnet (3), which changes as a function of the angular position of the shaft (1), is scanned over at least one full revolution of the shaft (1), then a change in a gradient of an amplitude curve of the magnetic field is determined, then, using at least two gradient values present at different angles of rotation, a correction value is determined by means of which Ko correction value, an angle error of the angular position taken from the signal of the XMR sensor after the first step is determined, and finally the angular error is used to correct the angular position determined from the signal emitted by the XMR sensor (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle, vorzugsweise einer Rotorwelle eines Elektromotors / Aktors, der weiter bevorzugt zur Kupplungsbetätigung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.The invention relates to a method for determining an angular position of a shaft, preferably a rotor shaft of an electric motor / actuator, which is more preferably used for clutch actuation in a motor vehicle.
Gattungsgemäße Verfahren sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die WO 2018 / 219 388 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteiles, insbesondere eines Elektromotors für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges. Bei diesem Verfahren wird die Winkelposition des sich drehenden Bauteils von einer radial beabstandet zur Drehachse des sich drehenden Bauteiles positionierten Sensorik abgenommen, wobei ein fest und konzentrisch an dem sich drehenden Bauteil angeordneter Magnetring ein sich gegenüber der Sensorik änderndes Magnetfeld aufbaut, das von der Sensorik detektiert wird. Zudem wird ein von der Sensorik abgenommenes Signal hinsichtlich der Winkelposition ausgewertet. Diese Auswertung des von der Sensorik abgenommenen Signals findet hinsichtlich einer Amplitudeninformation des Magnetfeldes statt, wobei aus dieser Amplitudeninformation ein Korrekturparameter ermittelt wird, mittels welchem ein Winkelfehler der aus dem Signal der Sensorik abgenommenen Winkelposition bestimmt wird. Der Winkelfehler wird dann zur Korrektur der aus dem von der Sensorik abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet.Generic methods are already sufficiently known from the prior art. For example, WO 2018/219 388 A1 discloses a method for determining an angular position of a rotating component, in particular an electric motor for a clutch actuation system of a vehicle. In this method, the angular position of the rotating component is picked up by a sensor system positioned radially at a distance from the axis of rotation of the rotating component, with a magnet ring that is fixedly and concentrically arranged on the rotating component building up a magnetic field that changes with respect to the sensor system and that is detected by the sensor system will. In addition, a signal picked up by the sensor system is evaluated with regard to the angular position. This evaluation of the signal picked up by the sensor system takes place with regard to amplitude information of the magnetic field, with this amplitude information being used to determine a correction parameter by means of which an angular error in the angular position obtained from the signal of the sensor system is determined. The angle error is then used to correct the angular position determined from the signal emitted by the sensor system.
Somit sind aus dem Stand der Technik bereits Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition bei so genannten Off-Axis-Sensoranordnungen, d.h. Sensoranordnungen, bei denen sich ein Sensor radial versetzt zu einer einen Magneten aufweisenden Welle befindet, bekannt. Mit der WO 2018 / 219 388 A1 ist eine Methode offenbart, um die Abweichung eines Amplitudenverlaufs, dargestellt durch eine Ellipse in einer Lissajous-Darstellung, von einem Kreis zu korrigieren. Der Winkelfehler kann dabei durch den Quotienten der langen zur kurzen Achse der Ellipse bestimmt werden.Thus, methods for determining an angular position in so-called off-axis sensor arrangements, i.e. sensor arrangements in which a sensor is located radially offset from a shaft having a magnet, are already known from the prior art. WO 2018/219 388 A1 discloses a method for correcting the deviation of an amplitude curve, represented by an ellipse in a Lissajous representation, from a circle. The angle error can be determined by the quotient of the long to the short axis of the ellipse.
In der Praxis hat es sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass dieses Verfahren, je nach Ausgabewert des vorhandenen Sensors, relativ aufwändig oder gar impraktikabel sein kann. Des Weiteren ist für diese Messung ein, meist separater und relativ aufwändig aufgebauter Hallsensor vorzusehen.In practice, however, it has been found to be disadvantageous that this method can be relatively complex or even impractical, depending on the output value of the existing sensor. Furthermore, a usually separate and relatively complexly constructed Hall sensor is to be provided for this measurement.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle zur Verfügung zu stellen, das mit möglichst effizient arbeitenden und einfach aufgebauten Sensoren eine genauere Ermittlung der Winkelposition ermöglicht.It is therefore the object of the present invention to eliminate these disadvantages known from the prior art and to provide a method for determining an angular position of a shaft which enables the angular position to be determined more precisely with sensors that work as efficiently as possible and are of simple construction.
Dies wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Demnach ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle beansprucht, wobei in einem ersten Schritt anhand (genau / ausschließlich) eines radial versetzt zu der Welle angeordneten XMR-Sensors ein eine Winkelposition der Welle repräsentierendes Signal eines mit der Welle fest verbundenen Magneten erfasst wird, und in einem zweiten Schritt eine analytische Winkelfehlerkompensation dieses erfassten Signals erfolgt, indem zeitlich vor oder nach dem ersten Schritt, unter Antrieb der Welle mit konstanter Drehzahl, entweder durch den XMR-Sensor oder durch einen weiteren Referenzwinkelsensor das sich in Abhängigkeit der Winkelposition der Welle ändernde Magnetfeld des Magneten über zumindest eine volle Umdrehung der Welle abgetastet wird, im Anschluss daran eine Änderung eines Gradienten eines Amplitudenverlaufs des Magnetfeldes ermittelt wird, danach, unter Heranziehen zumindest zweier bei unterschiedlichen Drehwinkeln vorliegender Gradientenwerte, ein Korrekturwert ermittelt wird, mittels welchem Korrekturwert weiterhin ein Winkelfehler der aus dem Signal des XMR-Sensors nach dem ersten Schritt abgenommenen Winkelposition bestimmt wird, und schließlich der Winkelfehler zur Korrektur der aus dem von dem XMR-Sensor abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet wird.This is achieved according to the invention by the method according to
Dadurch ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle umgesetzt, das unabhängig von dem Ausgabewert des vorhandenen XMR-Sensors eine verlässliche, fehlerkorrigierte Ermittlung der Winkelposition ermöglicht.As a result, a method for determining an angular position of a shaft is implemented, which enables a reliable, error-corrected determination of the angular position independently of the output value of the existing XMR sensor.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.Further advantageous embodiments are claimed with the subclaims and explained in more detail below.
Als zweckmäßig hat es sich herausgestellt, wenn in dem zweiten Schritt die Welle mit einer niedrigeren Drehzahl als in dem ersten Schritt angetrieben wird.It has been found to be useful if, in the second step, the shaft is driven at a lower speed than in the first step.
Für die Berechnung ist es zudem zweckmäßig, wenn ein erster Gradientenwert bei einer Winkelposition von 0° und ein zweiter Gradientenwert bei einer Winkelposition von 90° in dem zweiten Schritt zur Ermittlung des Korrekturwertes verwendet werden.For the calculation, it is also useful if a first gradient value at an angular position of 0 ° and a second gradient value at an angular position of 90 ° are used in the second step to determine the correction value.
In der Praxis ist es von Vorteil, wenn der XMR-Sensor in dem ersten Schritt einen Winkelwert ausgibt.In practice, it is advantageous if the XMR sensor outputs an angle value in the first step.
Alternativ hierzu ist es auch zweckdienlich, wenn der XMR-Sensor in dem ersten Schritt (unter Betrachtung in einem (2D-) Koordinatensystem) einen, auf einer x-Achse liegenden, ersten Lagewert und einen, auf einer senkrecht zu der x-Achse ausgerichteten y-Achse liegenden, zweiten Lagewert ausgibt.Alternatively, it is also useful if the XMR sensor in the first step (considering in a (2D) coordinate system) outputs a first position value lying on an x-axis and a second position value lying on a y-axis oriented perpendicular to the x-axis.
Zudem hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn in dem zuletzt genannten Fall anhand der beiden Lagewerte, unter Verwendung einer arctan2-Funktion, ein Winkelwert errechnet wird.In addition, it has proven to be useful if, in the last-mentioned case, an angle value is calculated on the basis of the two position values using an arctan2 function.
Für dieses Verfahren, d.h. vorrangig zum Durchführen der ersten und zweiten Schritte, ist es bevorzugt, wenn ausschließlich ein Sensor (vorzugsweise der XMR-Sensor) zum Einsatz kommt. Dadurch ist das Verfahren möglichst einfach umsetzbar.For this method, i.e. primarily for performing the first and second steps, it is preferred if only one sensor (preferably the XMR sensor) is used. This makes the process as easy to implement as possible.
Demnach ist es auch zweckmäßig, wenn die Abtastung nach dem zweiten Schritt anhand des XMR-Sensors am Ende einer Montagekette (End-Of-Line) einer die Welle, den XMR-Sensor und den Magneten aufweisenden Messanordnung, vorzugsweise einem die Messanordnung aufweisenden Aktor, durchgeführt wird.Accordingly, it is also expedient if the scanning after the second step using the XMR sensor at the end of an assembly chain (end-of-line) of a measuring arrangement having the shaft, the XMR sensor and the magnet, preferably an actuator having the measuring arrangement, is carried out.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird somit die Performance eines XMR- (AMR- / GMR- / TMR-) Winkelsensors für eine Off-Axis-Anwendung vom E-Motor vorzugsweise ohne zusätzlichen Sensor ermöglicht. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen systematischen Fehler in einer End-Of-Line oder einer Online-Messung eines entsprechenden Systems durch Messung mit einem Referenzwinkelsensor oder unmittelbar mit dem vorhandenen XMR-Sensor zu bestimmen und dann im laufenden Betrieb entsprechend auszugleichen. Je nach Messwertart schlägt die Erfindung eine von zwei Berechnungsmöglichkeiten zur Bestimmung des Fehlers vor. Fallabhängig werden für Gradienten G oder G* jeweils zwei Werte (Gradientenwerte) bei unterschiedlichen Winkeln, insbesondere bei 0° und 90°, bestimmt. Auf typische Weise wird der Quotient der Ellipsenachsen bestimmt, wobei dieser aber nicht direkt ermittelt wird. Aus diesem Quotienten kann dann gemäß einer weiteren Formel der Fehler des Gemessenen vom Tatsächlichen bestimmt werden. In einem Fall wird ein Winkel und in einem anderen Fall werden die Sinus- / Cosinus-Werte eines Winkels gemessen / vom Sensor ausgegeben. Die Welle wird dabei auf typische Weise mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben. Der Winkelfehler ist dann über eine tatsächlich gemessene Winkelbeschleunigung bestimmbar. Hierzu wird von einem Sensor die Winkelbeschleunigung gemessen. Aus dieser kann dann ein Faktor bestimmt werden, der dem Faktor einer Lissajous-Figur entspricht. Aus diesem Faktor kann dann der Fehler ausgerechnet und dann ausgeglichen werden.In other words, the performance of an XMR (AMR / GMR / TMR) angle sensor for an off-axis application is made possible by the electric motor, preferably without an additional sensor. The object of the invention is to determine a systematic error in an end-of-line or online measurement of a corresponding system by measuring with a reference angle sensor or directly with the existing XMR sensor and then to compensate for it accordingly during operation. Depending on the type of measured value, the invention proposes one of two calculation options for determining the error. Depending on the case, two values (gradient values) are determined for gradients G or G * at different angles, in particular at 0 ° and 90 °. The quotient of the elliptical axes is typically determined, but this is not determined directly. From this quotient, the error of the measured from the actual can then be determined according to a further formula. In one case an angle is measured and in another case the sine / cosine values of an angle are measured / output by the sensor. The shaft is typically driven at constant speed. The angular error can then be determined via an actually measured angular acceleration. For this purpose, the angular acceleration is measured by a sensor. From this a factor can then be determined which corresponds to the factor of a Lissajous figure. The error can then be calculated from this factor and then compensated.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.The invention will now be explained in more detail below with reference to figures, in which context various exemplary embodiments are also shown.
Es zeigen:
-
1 ein Flussdiagramm zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei ein vorhandener XMR-Sensor direkt einen Winkelwert ausgibt, -
2 ein Flussdiagramm zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem weiteren zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem der XMR-Sensor einen x- und einen y-Wert ausgibt, -
3 eine perspektivische Darstellung einer zum Durchführen des Verfahrens nach einem der1 und2 einsetzbaren Messanordnung, -
4 eine Lissajous-Darstellung einer durch die Messanordnung nach3 erfassten Messreihe zur Darstellung der von dem XMR-Sensor erfassten Amplitudenwerte entlang einer vollen Umdrehung einer durch den XMR-Sensor erfassten Welle, -
5 ein Diagramm zum Darstellen eines Verhältnisses zwischen einem Winkel / einer Winkelposition und einer Auflösung / einem Gradienten der in4 erfassten Messreihe, -
6 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verhältnisses zwischen einem ermittelten Korrekturwert ( ) in Abhängigkeit eines Verhältnisses zweier Gradientenwerte (G(90°) und G(0°), sowie -
7 ein Diagramm zum Darstellen eines üblichen Verhältnisses zwischen einem Drehwinkel und einem gemessenen Winkel.
-
1 a flowchart for performing a method according to the invention according to a first embodiment, an existing XMR sensor directly outputting an angle value, -
2 a flowchart for performing a method according to the invention according to a further second exemplary embodiment, in which the XMR sensor outputs an x value and a y value, -
3 a perspective view of a for performing the method according to one of the1 and2 usable measuring arrangement, -
4th a Lissajous representation of a through the measuring arrangement according to3 Recorded series of measurements to display the amplitude values recorded by the XMR sensor along a full revolution of a shaft recorded by the XMR sensor, -
5 FIG. 13 is a diagram showing a relationship between an angle / an angular position and a resolution / a gradient of the FIG4th recorded series of measurements, -
6th a diagram to illustrate a relationship between a determined correction value () as a function of a ratio of two gradient values (G (90 °) and G (0 °), and -
7th a diagram showing a usual relationship between a rotation angle and a measured angle.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung.The figures are merely of a schematic nature and are used exclusively for understanding the invention.
Mit
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der bevorzugte Einsatzbereich der Messanordnung
Wie in
Mit
Die
Mit
Mit
Dieser Winkelwert wird im Anschluss daran, in einem zweiten Schritt, zum Berechnen / Darstellen eines für diesen Winkelwert vorliegenden Gradienten G* verwendet. Ein Beispiel hierzu ist
Eine Bestimmung des Gradienten G* an der Winkelposition erfolgt in diesem zweiten Schritt auf Grundlage folgender Gleichung 1:
Somit wird vorzugsweise ein erster Gradientenwert bei einer Winkelposition von 0° (G*(0°)) und ein zweiter Gradientenwert bei einer Winkelposition von 90° (G*(90°)) berechnet, mit denen im Anschluss der Korrekturwert berechnet wird.Thus, a first gradient value is preferably calculated at an angular position of 0 ° (G * (0 °)) and a second gradient value is calculated at an angular position of 90 ° (G * (90 °)), with which the correction value is then calculated.
Im Anschluss daran wird der ermittelte Korrekturwert verwendet, um den zuvor mit dem XMR-Sensor
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition der Welle
Die Gleichung 2 zeigt weitere grundsätzliche Zusammenhänge zwischen den Winkelfunktionen und dem Korrekturwert . Dadurch wird der Winkelfehler direkt berechnet.
Der Winkelfehler wird zur Korrektur des erfassten Winkelwertes von diesem Winkelwert subtrahiert.The angle error is subtracted from this angle value to correct the detected angle value.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach
Die beiden gemäß dieser Ausführung erfassten Teilsignale (x- und y-Wert) sind mit der Lissajous-Darstellung in
Im Vergleich dazu entspricht die Lissajous-Darstellung für den XMR Sensor
Die Auflösung ist mathematisch definiert als die erste Ableitung vom Winkel. Zudem kann der Winkel mit zwei orthogonalen Informationen mit der Gleichung 6 bestimmt werden. Für ein Off-Axis -System kann der Winkel somit mit der Gleichung 7 berechnet werden.
Über folgende Verhältnisse, wie durch die Gleichungen 8 bis 10 ausgedrückt, gelangt man über den Gradienten zurück zur Gleichung 1.
Bei 90° entspricht der Gradient G der Position von B gemäß
Weiterhin ist in
Nach
Mit anderen Worten ausgedrückt, erfolgt ein erfindungsgemäßes Verfahren entweder nach der Variante a) oder b) wie folgt:
- Wenn der XMR-Sensor
2 (z.B. TMR) nur die Winkelinformation liefert:- - Abtastung mit einer geringen Frequenz bei einer konstanten Drehzahl / Abtastung mit einem externen Referenzwinkelsensor
- - Abbilden des Gradienten im Prozess G* cal
- - Bestimmen von nach der Gleichung 1 im Prozess cal
- - Bestimmen des Winkelfehlers nach der Gleichung 2 im Prozess cal
- - Winkelfehlerkompensation
- Wenn der XMR-Sensor
2 (z.B. TMR) x und y Information liefert:- - Winkel bestimmen mit der Atan2 Funktion
- - Abtastung mit einer geringen Frequenz bei einer konstanten Drehzahl / Abtastung mit einem externen Referenzwinkelsensor
- - Abbilden des Gradienten im Prozess G cal
- - Bestimmen von im Prozess cal
- - Bestimmen des Winkelfehlers nach der Gleichung 2 im Prozess cal
- - Winkelfehlerkompensation
- When the XMR sensor
2 (e.g. TMR) only provides the angle information:- - Sampling with a low frequency at a constant speed / sampling with an external reference angle sensor
- - Mapping the gradient in the G * cal process
- - Determination of according to
equation 1 in the process cal - - Determination of the angle error according to
equation 2 in the process cal - - Angular error compensation
- When the XMR sensor
2 (e.g. TMR) x and y information provides:- - Determine the angle with the Atan2 function
- - Sampling with a low frequency at a constant speed / sampling with an external reference angle sensor
- - Mapping the gradient in the G cal process
- - Determine in the process cal
- - Determination of the angle error according to
equation 2 in the process cal - - Angular error compensation
Der (vorzugsweise TMR-) Winkelsensor
Eine weitere Vorstellung ist bei einem End-Of-Line -Prozess mit einem externen Winkelsensor
Daher kann eine Hypothese definiert werden, dass der Quotient vom Maximum A zum Minimum B der Änderung des Gradienten G dem Parameter entspricht. Die weitere Simulation nach
Dieses Ergebnis kann auch mathematische bewiesen werden. Denn die Atan2-Funktion kann mathematisch nach Gleichung 6 formuliert werden. Daher kann die Atan2-Funktion für einen Amplitudenunterschied / TMR-Off-Axis -Anwendung zur Gleichung 7 umgeschrieben werden. Zudem kann der Gradient der Gleichung nach der Gleichung 8 gelöst werden. Somit ist der Gradient bei dem Winkel 90° nach Gleichung 9 und für die Position / den Winkel 0° nach Gleichung 10 zu ermitteln. Daher kann der Quotient mit der Gleichung 1 bestimmt werden. Die Gleichung 1 entspricht dem Zustand vor der orthogonalen Zerlegung (durch Sternpunkte gebildete Ellipse in
Die Signalflusspläne der beiden Möglichkeiten sind in den
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Wellewave
- 22
- XMR-SensorXMR sensor
- 33
- Magnetmagnet
- 44th
- MessanordnungMeasuring arrangement
- 55
- DrehachseAxis of rotation
Claims (8)
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