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 claim 1. Accordingly, a method for determining an angular position of a shaft is claimed, in a first step using (precisely / exclusively) an XMR sensor arranged radially offset from the shaft, a signal representing an angular position of the shaft from a magnet firmly connected to the shaft is detected, and in a second step, an analytical angular error compensation of this detected signal is carried out by temporally before or after the first step, with the shaft being driven at constant speed, either by the XMR sensor or by a further reference angle sensor that changes depending on the angular position of the shaft Magnetic field of the magnet is scanned over at least one full revolution of the shaft, then a change in a gradient of an amplitude curve of the magnetic field is determined, then a correction value is determined using at least two gradient values present at different angles of rotation which correction value is used to determine an angle error of the angular position taken from the signal of the XMR sensor after the first step, and finally the angular error is used to correct the angular position determined from the signal emitted by the XMR sensor.

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 der 1 und 2 einsetzbaren Messanordnung,
  • 4 eine Lissajous-Darstellung einer durch die Messanordnung nach 3 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 in 4 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.
Show it:
  • 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 the 1 and 2 usable measuring arrangement,
  • 4th a Lissajous representation of a through the measuring arrangement according to 3 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 FIG 4th 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 3 wird zunächst eine übliche Messanordnung 4 gezeigt, die, wie nachfolgend beschrieben, eine Off-Axis-Anordnung aufweist. Die Messanordnung 4 weist eine Welle 1 auf, an der ein, ein permanent erregtes Magnetfeld erzeugender Magnet 3 fest angebracht ist. Dieser Magnet 3 ist als ein konzentrisch zu der Welle 1 ausgebildeter Magnetring umgesetzt. Der Magnet 3 sitzt auf einer radialen Außenseite der Welle 1 und ist fest an dieser aufgenommen. Radial außerhalb der Welle 1 (in Bezug auf eine Drehachse 5 der Welle 1) sitzt gemäß der Off-Axis-Anordnung ein XMR-Sensor 2, der zur Erfassung eines sich mit Drehung der Welle 1 ändernden Magnetfeldes des Magneten 3 dient, um somit eine Winkelposition der Welle 1 zu ermitteln.With 3 is first a common measurement setup 4th shown, which, as described below, has an off-axis arrangement. The measuring arrangement 4th exhibits a wave 1 on which a magnet that generates a permanently excited magnetic field 3 is firmly attached. This magnet 3 is as a concentric to the shaft 1 trained magnetic ring implemented. The magnet 3 sits on a radial outside of the shaft 1 and is firmly attached to this. Radially outside the shaft 1 (in relation to an axis of rotation 5 the wave 1 ) an XMR sensor is located according to the off-axis arrangement 2 that is used to capture one moving with rotation of the shaft 1 changing magnetic field of the magnet 3 serves to thus provide an angular position of the shaft 1 to investigate.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der bevorzugte Einsatzbereich der Messanordnung 4 ein Aktor zur Kupplungsbetätigung ist, der weiter bevorzugt einen Elektromotor mit einer Rotorwelle aufweist. Die Welle 1 ist vorzugsweise drehfest mit der Rotorwelle verbunden bzw. unmittelbar durch diese Rotorwelle ausgebildet.In this context, it should be pointed out that the preferred area of application of the measuring arrangement 4th is an actuator for clutch actuation, which further preferably has an electric motor with a rotor shaft. The wave 1 is preferably non-rotatably connected to the rotor shaft or formed directly by this rotor shaft.

Wie in 4 durch eine Lissajous-Darstellung gezeigt, erfolgt gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren (in einem Kalibriervorgang) eine Ermittlung eines zeitlichen Verlaufs mehrerer Amplitudenwerte einer gemessenen Magnetfeldkomponente. Hierzu wird die Welle 1 mit einer konstanten Drehzahl / Geschwindigkeit angetrieben. Mittels des einen XMR-Sensors 2 oder alternativ mittels eines weiteren Referenzwinkelsensors wird die Winkelposition des Magneten 3 / der Welle 1 anhand des Magnetfeldes abgetastet.As in 4th Shown by a Lissajous representation, according to a method according to the invention (in a calibration process) a determination of a time profile of several amplitude values of a measured magnetic field component takes place. To do this, the wave 1 driven at a constant speed / speed. Using one XMR sensor 2 or alternatively, the angular position of the magnet is determined by means of a further reference angle sensor 3 / the wave 1 scanned using the magnetic field.

Mit 4 ist der der erfindungsgemäßen Berechnung zugrundeliegende Zusammenhang zwischen der Anordnung des XMR-Sensors 2 und einer damit verbundenen Auflösungsänderung entlang einer Drehrichtung / Umfangsrichtung der Welle 1 gezeigt. Demnach kommt es aufgrund der Off-Axis-Anordnung bei einer Analyse der Amplitudenwerte des erfassten Signalverlaufs, wie in 4 in einer Lissajous-Darstellung veranschaulicht, zum Ausbilden eines Kreises mit unterschiedlicher Dichte (der Messpunkte) / unterschiedlichem Winkelgradienten.With 4th is the relationship between the arrangement of the XMR sensor on which the calculation according to the invention is based 2 and an associated change in resolution along a direction of rotation / circumferential direction of the shaft 1 shown. Accordingly, due to the off-axis arrangement, an analysis of the amplitude values of the recorded signal curve occurs, as in FIG 4th illustrated in a Lissajous representation for forming a circle with different density (of the measuring points) / different angular gradients.

Die 4 stellt weiterhin dar, dass wenn man den Winkel mit einem XMR-Sensor 2 erfasst, der x- und y-Informationen erfasst die Lissajous-Darstellung einem Kreis entspricht. Ein XMR-Sensor 2, der nur einen Winkel ausgibt (ohne x-, y-Information), erlaubt primär keine Lissajous-Darstellung, diese kann dann jedoch durch eine orthogonale Zerlegung, wie nachfolgend beschrieben, erzeugt werden. Wenn das Magnetfeld prinzipiell mit einem 2D-Hall Sensor oder durch ein Magnetfeld-Scanning aufgenommen wird, dann entspricht die Lissajous-Darstellung einer Ellipse.the 4th further shows that when looking at the angle with an XMR sensor 2 captured, the x and y information captured the Lissajous representation corresponds to a circle. An XMR sensor 2 , which only outputs an angle (without x, y information), primarily does not allow a Lissajous representation, but this can then be generated by an orthogonal decomposition, as described below. If the magnetic field is recorded with a 2D Hall sensor or by magnetic field scanning, then the Lissajous representation corresponds to an ellipse.

Mit 7 wird schließlich deutlich, dass die somit im Betrieb (in einem ersten Schritt des Verfahrens) gemessene Winkelposition von einem tatsächlichen Drehwinkel abweichen kann und folglich ein bestimmter Winkelfehler vorhanden ist. Mit dem nachfolgend detailliert beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition der Welle 1 wird dieser Winkelfehler berechnet und zum Ausgeben der tatsächlichen Winkelposition der Welle 1 mit dem zuvor gemessenen Signal des XMR-Sensors 2 verrechnet.With 7th Finally, it becomes clear that the angular position thus measured during operation (in a first step of the method) can deviate from an actual angle of rotation and consequently a certain angular error is present. With the method described in detail below for determining the angular position of the shaft 1 this angle error is calculated and used to output the actual angular position of the shaft 1 with the previously measured signal from the XMR sensor 2 offset.

Mit 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt anhand des genau einen XMR-Sensors 2 ein die Winkelposition der Welle repräsentierendes Signal, hier unmittelbar ein Winkelsignal / ein Winkelwert erfasst und ausgegeben. Der Winkelwert ist mit dem griechischen Buchstaben gekennzeichnet.With 1 a first embodiment of the method according to the invention is shown. In a first step, exactly one XMR sensor 2 a signal representing the angular position of the shaft, here an angular signal / angular value is detected and output directly. The angle value is marked with the Greek letter.

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 5 zu entnehmen. Der Gradient G* ist nach 5 genau abzuklären. Hierzu macht man sich die zuvor bereits erwähnte Tatsache zu Nutze, dass bei einer konstanten Drehzahl die gemessene Winkelgeschwindigkeit (Winkelgradient) eigentlich konstant ist; bei einem XMR Sensor 2 bei einer Off-Axis-Anordnung dieser Gradient G* jedoch doch nicht konstant ist.This angle value is then used, in a second step, to calculate / display a gradient G * present for this angle value. An example of this is 5 refer to. The gradient G * is after 5 to be clarified exactly. For this purpose, one makes use of the previously mentioned fact that at a constant speed the measured angular velocity (angular gradient) is actually constant; with an XMR sensor 2 in the case of an off-axis arrangement, however, this gradient G * is not constant after all.

Eine Bestimmung des Gradienten G* an der Winkelposition erfolgt in diesem zweiten Schritt auf Grundlage folgender Gleichung 1: G * ( 90 ° ) G * ( 0 ° ) = γ

Figure DE102020105254A1_0001
The gradient G * at the angular position is determined in this second step on the basis of the following equation 1: G * ( 90 ° ) G * ( 0 ° ) = γ
Figure DE102020105254A1_0001

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 2 erfassten Winkelwert / das Winkelsignal zu korrigieren, was durch den Winkelfehler dargestellt ist. Somit wird letztendlich ein korrigierter Winkelwert ausgegeben.The correction value determined is then used to adjust the value previously determined with the XMR sensor 2 to correct the detected angle value / the angle signal, which is represented by the angle error. A corrected angle value is thus ultimately output.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition der Welle 1 prinzipiell End-Of-Line , d.h. am Ende einer entsprechenden Montagekette des Aktors stattfindet, oder alternativ Online , d.h. während des Betriebes / im Einsatzbereich des Aktors stattfinden kann. Bevorzugt ist jedoch die Ausführung am Ende der Montagekette, wobei dann ausschließlich ein Sensor in Form des XMR-Sensors 2 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens (d.h. sowohl zum Durchführen des ersten Schrittes als auch des zweiten Schrittes) eingesetzt wird. Die Ermittlung der Gradientenwerte nach dem zweiten Schritt erfolgt demnach vorzugsweise mit demselben XMR-Sensor 2 wie in dem ersten Schritt, bspw. bei der End-Of-Line -Messung. Alternativ wird dies gemäß weiter Ausführungen mit dem Referenzwinkelsensor, der hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt ist, umgesetzt.In this context, it should be noted that the method for determining the angular position of the shaft 1 principally end-of-line, ie takes place at the end of a corresponding assembly chain of the actuator, or alternatively online, ie can take place during operation / in the area of application of the actuator. However, the embodiment at the end of the assembly chain is preferred, in which case only one sensor in the form of the XMR sensor 2 is used to carry out the method according to the invention (ie both to carry out the first step and the second step). The gradient values are therefore preferably determined using the same XMR sensor after the second step 2 as in the first step, e.g. with the end-of-line measurement. Alternatively, according to further explanations, this is implemented with the reference angle sensor, which is not shown here for the sake of clarity.

Die Gleichung 2 zeigt weitere grundsätzliche Zusammenhänge zwischen den Winkelfunktionen und dem Korrekturwert . Dadurch wird der Winkelfehler direkt berechnet. ε = a r c t a n [ ( γ 1 ) t a n ( θ ) γ + t a n 2 ( θ ) ]

Figure DE102020105254A1_0002
Equation 2 shows further fundamental relationships between the Trigonometric functions and the correction value. This means that the angle error is calculated directly. ε = a r c t a n [ ( γ - 1 ) t a n ( θ ) γ + t a n 2 ( θ ) ]
Figure DE102020105254A1_0002

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 2 ist es alternativ auch möglich, dass ein XMR-Sensor 2 zum Einsatz kommt, der x- und y-Werte ausgibt. Dies wird durch eine orthogonale Zerlegung (Siehe Gleichung 3 und 4) ermöglicht. S c o s = c o s ( θ )

Figure DE102020105254A1_0003
S s i n = s i n ( θ ) = c o s ( θ+ π 2 )
Figure DE102020105254A1_0004
According to a second embodiment 2 it is alternatively also possible that an XMR sensor 2 is used, which outputs x and y values. This is made possible by an orthogonal decomposition (see equations 3 and 4). S. c O s = c O s ( θ )
Figure DE102020105254A1_0003
S. s i n = s i n ( θ ) = c O s ( θ + π 2 )
Figure DE102020105254A1_0004

Die beiden gemäß dieser Ausführung erfassten Teilsignale (x- und y-Wert) sind mit der Lissajous-Darstellung in 4 graphisch illustriert. Normalerweise, wie bereits erwähnt, sollte die Lissajous-Darstellung eines Magnetfeldes in einer Off-Axis -Anwendung einer Ellipse mit einer Kurzachse b und einer Langachse a entsprechen. Zudem sollte die Auflösung / der Gradient konstant sein. Der Quotient der beiden Achsen lässt sich somit nach der Gleichung 5 mit dem griechischen Buchstaben formulieren. γ= b a

Figure DE102020105254A1_0005
The two partial signals recorded according to this embodiment (x and y value) are shown in FIG 4th graphically illustrated. Normally, as already mentioned, the Lissajous representation of a magnetic field in an off-axis application should correspond to an ellipse with a short axis b and a long axis a. In addition, the resolution / gradient should be constant. The quotient of the two axes can thus be formulated according to equation 5 with the Greek letter. γ = b a
Figure DE102020105254A1_0005

Im Vergleich dazu entspricht die Lissajous-Darstellung für den XMR Sensor 2 nach der orthogonalen Zerlegung einem Kreis mit einer sich über den Umfang ändernden Auflösung. Diese Änderung ist von abhängig, welche Herleitung im Folgenden beschrieben ist.In comparison, the Lissajous representation corresponds to the XMR sensor 2 after the orthogonal decomposition a circle with a resolution that changes over the circumference. This change depends on which derivation is described below.

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. θ = a t a n 2 ( y , x ) = 1 i l n ( x + i y x 2 + y 2 )

Figure DE102020105254A1_0006
θ o f f = 1 i l n ( γ x + i y γ 2 x 2 + y 2 )
Figure DE102020105254A1_0007
The resolution is mathematically defined as the first derivative of the angle. In addition, the angle can be determined with two pieces of orthogonal information using equation 6. For an off-axis system, the angle can thus be calculated using equation 7. θ = a t a n 2 ( y , x ) = 1 i l n ( x + i y x 2 + y 2 )
Figure DE102020105254A1_0006
θ O f f = 1 i l n ( γ x + i y γ 2 x 2 + y 2 )
Figure DE102020105254A1_0007

Über folgende Verhältnisse, wie durch die Gleichungen 8 bis 10 ausgedrückt, gelangt man über den Gradienten zurück zur Gleichung 1. G * ( θ ) = θ = ( θ x θ y ) = ( γ y γ 2 x 2 + y 2 γ x γ 2 x 2 + y 2 )

Figure DE102020105254A1_0008
G * ( 90 ° ) = ( γ b b 2 0 ) = γ b
Figure DE102020105254A1_0009
G * ( 0 ° ) = ( 0 γ a γ 2 a 2 ) = 1 γ a
Figure DE102020105254A1_0010
The following relationships, as expressed by equations 8 to 10, return to equation 1 via the gradient. G * ( θ ) = θ = ( θ x θ y ) = ( - γ y γ 2 x 2 + y 2 γ x γ 2 x 2 + y 2 )
Figure DE102020105254A1_0008
G * ( 90 ° ) = ( γ b b 2 0 ) = γ b
Figure DE102020105254A1_0009
G * ( 0 ° ) = ( 0 γ a γ 2 a 2 ) = 1 γ a
Figure DE102020105254A1_0010

Bei 90° entspricht der Gradient G der Position von B gemäß 4 (x=0, y=b). Bei G (0°) entspricht der Gradient G der Position von A (x=a, y=0). Somit wird die Auflösung eines Off-Axis -Systems wiederum durch die Gleichung G * ( 90 ° ) G * ( 0 ° ) = γ 2 a b = γ ,

Figure DE102020105254A1_0011
die auf der Gleichung 1 basiert, bestimmt.At 90 ° the gradient G corresponds to the position of B according to 4th (x = 0, y = b). At G (0 °) the gradient G corresponds to the position of A (x = a, y = 0). Thus, the resolution of an off-axis system is in turn given by the equation G * ( 90 ° ) G * ( 0 ° ) = γ 2 a b = γ ,
Figure DE102020105254A1_0011
which is based on Equation 1 is determined.

Weiterhin ist in 4 schematisch zu erkennen, dass durch die orthogonale Zerlegung die Kontur in x-Richtung um das 1/ -fache expandiert ist. D.h. die Auflösung in y-Richtung ist um das -fache vergrößert. Somit wird die Auflösung für den XMR-Sensor 2, insbesondere TMR-Sensor, für Off-Axis -Anwendungen mit der Gleichung 11 bestimmt. G ( 90 ° ) G ( 0 ° ) = γ G * ( 90 ° ) G * ( 0 ° ) = γ 2

Figure DE102020105254A1_0012
Furthermore, in 4th It can be seen schematically that the orthogonal decomposition has expanded the contour in the x direction by 1 / times. This means that the resolution in the y direction is increased by times. This is the resolution for the XMR sensor 2 , especially TMR sensor, intended for off-axis applications with equation 11. G ( 90 ° ) G ( 0 ° ) = γ G * ( 90 ° ) G * ( 0 ° ) = γ 2
Figure DE102020105254A1_0012

Nach 2 wird somit im Anschluss daran der Gradient G berechnet, um im Anschluss daran wiederum den Korrekturwert zu erhalten. Anhand des Korrekturwert wird dann wiederum der Winkelfehler berechnet und letztendlich ein korrigierter Winkelwert ausgegeben.To 2 the gradient G is thus subsequently calculated in order to subsequently obtain the correction value again. On the basis of the correction value, the angle error is then in turn calculated and, ultimately, a corrected angle value is output.

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
In other words, a method according to the invention takes place either according to variant a) or b) as follows:
  • 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 2 liefert in der Praxis oft nicht direkt die Winkelinformation; stattdessen wird sie in einem orthogonalen Koordinatensystem zu einem Sinus- und Kosinus-Signal (S_cos und S_sin) nach den Gleichungen 3 und 4 zerlegt. Dabei entspricht der Buchstabe dem gemessenen Winkel. Bei einem On-Axis -System bekommt man durch diese Zerlegung ideale Sinus- und Kosinus-Signal, während bei einem Off-Axis -System Sinus- und Kosinus-Signal mit harmonischen Störungen erzeugt werden. In einer Lissajous Darstellung kann der Einfluss dieses Prozesses erkannt werden, wobei die Form der Signale von einer Ellipse wiederum zu einem Kreis transformiert wird (4). Mit der Darstellung der berechneten Punkte kann eine Inhomogenität der Punkte beobachtet werden; d.h. die Auflösung ist unterschiedlich. In der Praxis kann dieser Effekt so verstanden werden, dass, wenn während einer Rotation mit einer konstanten Geschwindigkeit ein Signal mit einer geringeren Abtastungsfrequenz aufgenommen wird, die zeitliche Auflösung inkonstant ist. The (preferably TMR) angle sensor 2 in practice often does not provide the angle information directly; instead, it is broken down in an orthogonal coordinate system into a sine and cosine signal (S_cos and S_sin) according to equations 3 and 4. The letter corresponds to the measured angle. With an on-axis system, this decomposition produces ideal sine and cosine signals, while with an off-axis system, sine and cosine signals with harmonic interference are generated. The influence of this process can be recognized in a Lissajous representation, whereby the shape of the signals is transformed from an ellipse to a circle ( 4th ). With the representation of the calculated points, an inhomogeneity of the points can be observed; ie the resolution is different. In practice, this effect can be understood to mean that if a signal with a lower sampling frequency is recorded during a rotation at a constant speed, the temporal resolution is inconstant.

Eine weitere Vorstellung ist bei einem End-Of-Line -Prozess mit einem externen Winkelsensor 2 die Punkte aufzunehmen (LUT-Kalibrierung), wobei der Gradient inkonstant ist. Die Änderung des Gradienten wird nochmal in der 5 dargestellt. Eine weitere Beobachtung zeigt, dass sich das Maximum auf der Position A befindet, während sich das Minimum auf der Position B befindet. Die Positionen A und B sind um 90° zueinander versetzt. Die Positionen A und B entsprechen jenen Stellen, an denen die lange und kurze Achse liegt.Another idea is an end-of-line process with an external angle sensor 2 record the points (LUT calibration), the gradient being inconstant. The change in the gradient is shown again in the 5 shown. Another observation shows that the maximum is at position A, while the minimum is at position B. Positions A and B are offset from one another by 90 °. Positions A and B correspond to the places where the long and short axes are located.

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 6 zeigt eine lineare Beziehung zwischen dem Quotienten von G und 2.Therefore, a hypothesis can be defined that the quotient of the maximum A to the minimum B corresponds to the change in the gradient G of the parameter. The further simulation after 6th shows a linear relationship between the quotient of G and 2 .

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 4). Nach der orthogonalen Zerlegung wird sich die Empfindlichkeit in x-Richtung nochmal um vergrößern. Schließlich erhält man die Gleichung 11, die identisch zur Gleichung 1 ist.This result can also be proven mathematically. Because the Atan2 function can be formulated mathematically according to equation 6. Therefore, the Atan2 function for an amplitude difference / TMR off-axis application can be rewritten as equation 7. In addition, the gradient of the equation can be solved according to equation 8. Thus, the gradient for the angle 90 ° is to be determined according to equation 9 and for the position / angle 0 ° according to equation 10. Therefore, the quotient can be determined using Equation 1. Equation 1 corresponds to the state before the orthogonal decomposition (ellipse formed by star points in 4th ). After the orthogonal decomposition, the sensitivity in the x-direction will increase again by. Finally, equation 11 is obtained, which is identical to equation 1.

Die Signalflusspläne der beiden Möglichkeiten sind in den 1 und 2 dargestellt.The signal flow diagrams of the two options are in the 1 and 2 shown.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Wellewave
22
XMR-SensorXMR sensor
33
Magnetmagnet
44th
MessanordnungMeasuring arrangement
55
DrehachseAxis of rotation

Claims (8)

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.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) from a signal associated with the shaft (1) permanently 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) at constant speed, either by the XMR sensor (2) or by another reference angle sensor depending on the angular position of the shaft (1) changing magnetic field of the magnet (3) over at least a full revolution of the shaft (1) is scanned, 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 correction value an angle error continues to be determined 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). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt die Welle (1) mit einer niedrigeren Drehzahl als in dem ersten Schritt angetrieben wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that in the second step the shaft (1) is driven at a lower speed than in the first step. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 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.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der XMR-Sensor (2) in dem ersten Schritt einen Winkelwert ausgibt.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the XMR sensor (2) outputs an angle value in the first step. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der XMR-Sensor (2) in dem ersten Schritt einen, auf einer x-Achse liegenden, ersten Lagewert und einen, auf einer senkrecht zu der x-Achse ausgerichteten y-Achse liegenden, zweiten Lagewert ausgibt.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the XMR sensor (2) in the first step 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. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der beiden Lagewerte, unter Verwendung einer arctan2-Funktion, ein Winkelwert errechnet wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that an angle value is calculated based on the two position values using an arctan2 function. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt genau ein Sensor (2) zum Einsatz kommt.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that exactly one sensor (2) is used in the second step. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung nach dem zweiten Schritt anhand des XMR-Sensors (2) am Ende einer Montagekette einer die Welle (1), den XMR-Sensor (2) und den Magneten (3) aufweisenden Messanordnung (4) durchgeführt wird.Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the scanning is carried out after the second step using the XMR sensor (2) at the end of an assembly chain of a measuring arrangement (4) having the shaft (1), the XMR sensor (2) and the magnet (3) .
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