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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Rekonstruktion eines Winkelsignals aus dem Sensorsignal eines
Drehwinkelsensors gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Drehwinkelsensoranordnung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 6.
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Drehwinkelsensoren werden in einer
Vielzahl von Applikationen eingesetzt, um Winkelstellungen von drehenden
Gegenständen
zu messen. Üblicherweise
werden magnetische oder optische Sensoren verwendet, mit denen eine
berührungslose Messung
möglich
ist. Eine Applikation aus dem Automobilbereich ist z.B. die Ermittlung
des Lenkrad- oder Lenkwinkels eines Kfz.
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1 zeigt
eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung zur Messung
des Drehwinkels einer rotierenden Achse 1, die in Richtung des
Pfeils A gedreht werden kann. Die dargestellte Meßanordnung
umfaßt
einen an einem Ende der Achse 1 angeordneten Sensor 2 mit
einer daran angeschlossenen Auswerteeinheit 4, wobei der
Sensor 2 mit einem stationär angeordneten Geber 3 zusammenwirkt.
Der Geber 3 umfasst in diesem Fall einen Dauermagneten,
der im Sensor 2z.B. eine Spannung induziert. Als Sensorelement
können
beispielsweise Hall-Sensoren, magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren),
Magnetotransistoren, etc. verwendet werden.
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Ein typischer Drehwinkelsensor, wie
er vielfach für
die Erfassung des Lenkradwinkels in einem Kfz verwendet wird, hat
beispielsweise die in 2a dargestellte
Kennlinie. Wie zu erkennen ist, umfaßt das Sensorsignal αs des
Sensors 2 den gesamten Meßbereich (z.B. zwischen –800° und +800° Lenkradeinschlag αL),
so dass am Ausgang des Sensors 2 bzw. der Auswerteeinheit 4 der
tatsächliche
Lenkradwinkel αL ausgegeben wird. Eine Lenkbewegung, wie
sie in 2b mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt
ist, bei der das Lenkrad aus der Nullstellung (αL=0°) bis zum
Anschlag nach rechts (z.B. αL=800°) eingeschlagen
und von dort bis zur Nullstellung zurückgedreht wird, wird daher
vom Sensor 2 eindeutig abgebildet. Das Sensorsignal 7 ist
in der 2b deswegen stufenartig
dargestellt, weil es sich in diesem Beispiel um ein digitalisiertes
Signal 7 handelt.
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Das Sensorsignal 7 kann
von weiteren im Fahrzeug angeordneten Systemen 4, wie z.B.
von einem Fahrdynamikregelungssystem (z.B. ESP: Electronic Stability
Program) weiterverarbeitet werden.
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Sensoren 2 mit einer über einen
großen Messbereich
linearen Kennlinie haben den Nachteil, dass sie relativ aufwendig
konstruiert und somit teuer sind.
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Es ist daher wünschenswert, andere, einfacher
aufgebaute Standard-Sensoren zur Winkelmessung zu verwenden, die
insbesondere keine Mittel zur Zählung
von vollen Umdrehungen und keine Drehrichtungserkennung benötigen. Ein
solcher Sensor kann beispielsweise aus mehreren MR-Sensorelementen
realisiert sein.
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Die Sensorkennlinie eines solchen
Drehwinkelsensors ist beispielhaft in 3a dargestellt.
Wie zu erkennen ist, umfaßt
der Meßbereich
des Drehwinkelsensors nur einen Teilbereich (von –p bis +p) eines
Gesamtmeßbereichs
für einen
Drehwinkel αL. Für
Winkel αL, die über
den Teilmeßbereich
(z.B. zwischen –120° und +120°) hinausgehen,
wiederholt sich die Kennlinie 5 des Sensors periodisch.
Zwischen den einzelnen Perioden der Kennlinie 5, die auch
als Segmente S bezeichnet werden können, zeigt die Kennlinie 5 jeweils
einen Kennliniensprung 8. Umfasst der Teilmessbereich des
Drehwinkelsensors z.B. Winkel zwischen –120° und +120°, so werden Drehwinkel αL,
die in diesem Bereich liegen, eindeutig angezeigt. Bei einem Drehwinkel
von 121° liefert
der Drehwinkelsensor dagegen ein Ausgangssignal αS, welches
einem Drehwinkel von –119° entspricht.
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Eine Drehbewegung einer Achse, wie
sie in 3b mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt
ist, wird daher zu dem, Sensorsignal 7 führen. Ein
solches Sensorsignal 7 kann nicht unmittelbar von einer nachgeordneten
Einrichtung 4, wie z.B. einem Fahrdynamikregelungssystem,
verarbeitet werden, da das Sensorsignal 7 nicht eindeutig
ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
aus einem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors, der eine periodische
Kennlinie mit mehreren Segmenten aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten,
ein Winkelsignal zu rekonstruieren, das den tatsächlichen Drehwinkel eines Gegenstandes
seit Initialisierung des Sensors eindeutig wiedergibt.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 und 6 angegebenen Merkmale. Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung
besteht darin, das Sensorsignal des Drehwinkelsensors zu überwachen
und positive oder negative Signalsprünge im Sensorsignal zu ermitteln.
Bei Feststellung eines Signalsprungs wird ein Segmentwert erzeugt,
der angibt, in welchem Segment der Sensorkennlinie der aktuell gemessene
Drehwinkel seit Initialisierung des Sensors liegt. Aus dem Segmentwert und
dem Sensorsignal kann eine Auswerteeinheit den tatsächlichen
Gesamt-Drehwinkel (seit Initialisierung des Sensors) in einfacher
Weise ermitteln und somit ein eindeutiges Winkelsignal rekonstruieren. Somit
kann ein besonders einfach aufgebauter und damit kostengünstiger
Drehwinkelsensor benutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die positiven und negativen Signalsprünge im Sensorsignal
durch Schwellenwertüberwachung
der Änderungsrate
des Sensorsignals ermittelt. D.h., es wird ein Signalsprung angenommen,
wenn die Änderungsgeschwindigkeit
des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Ob es sich um einen positiven (von kleineren Werten zu größeren Werten)
oder einen negativen (von größeren Werten
zu kleineren Werten) Signalsprung handelt, kann durch Vergleich
der vom Drehwinkelsensor gelieferten Winkelwerte in einfacher Weise
ermittelt werden.
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Vorzugsweise ist ein Segmentzähler vorgesehen,
der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors einen vorgegebenen
Segmentwert SN (z.B. SN=0) enthält
und der bei Vorliegen eines positiven oder negativen Signalsprungs
z.B. inkrementiert oder dekrementiert wird. Bei einer Sensorkennlinie,
wie sie in 3a dargestellt
ist, wird der Segmentzähler bei
Vorliegen eines negativen Signalsprungs vorzugsweise um 1 inkrementiert
und bei Vorliegen eines positiven Signalsprungs um 1 dekrementiert.
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Die Auswerteeinheit kann aus dem
aktuellen Sensorsignal in Verbindung mit dem zugehörigen Segmentwert
in einfacher Weise das tatsächliche Winkelsignal
rekonstruieren. Hierzu addiert die Verarbeitungseinheit vorzugsweise
einen Winkel zum Sensorsignal, der eine Funktion des Segmentwertes ist.
Beispielsweise wird ein Winkel SN*α(S) zum Sensorsignal hinzuaddiert,
wobei SN der Segmentwert und α(S)
ein der Segmentgröße entsprechender
Winkel ist.
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Eine erfindungsgemäße Drehwinkelsensoranordnung
umfaßt
einen Drehwinkelsensor, der eine periodische Kennlinie mit mehreren Segmenten
aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten, sowie eine Verarbeitungseinheit
die in der Lage ist, aus dem Sensorsignal und einem Segmentwert
ein Winkelsignal zu rekonstruieren, das die tatsächliche Drehbewegung einer
Vorrichtung seit Initialisierung des Drehwinkelsensors eindeutig
wiedergibt, wobei die Verarbeitungseinheit wie vorstehend beschrieben arbeitet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Beispiel einer Meßanordnung
zur Messung eines Drehwinkels einer rotierenden Achse;
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2a die
Kennlinie eines aus dem Stand der Technik bekannten Drehwinkelsensors;
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2b das
Sensorsignal des Drehwinkelsensors von 2a;
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3a die
Sensorkennlinie eines bekannten Drehwinkelsensors mit periodischer
Kennlinie;
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3b das
Sensorausgangssignal des Sensors von 3a;
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4a ein
Sensorsignal eines Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie;
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4b den
Zählerstand
eines Segmentzählers
bei Vorliegen des Signals von 4a;
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4c das
rekonstruierte Winkelsignal; und
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5 ein
Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte
bei der Rekonstruktion eines Winkelsignals aus einem Sensorsignal.
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Bezüglich der Erläuterung
der 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung
verwiesen.
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4a zeigt
ein Sensorsignal 7 eines Drehwinkelsensors 2 mit
einer periodischen Kennlinie, wie sie in 3a beispielhaft dargestellt ist. Die
Signalsprünge
a–d im
Sensorsignal 7 ergeben sich dadurch, dass der tatsächliche
Drehwinkel αL der Welle 1 über die Teilmessbereichsgrenzen –p,+p des
Drehwinkelsensors 2 hinausläuft. Dies wird im folgenden anhand
eines anschaulichen Beispiels näher
erläutert.
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Zur Bestimmung des Lenkradwinkels
eines Kfz wird beispielsweise eine Anordnung verwendet, wie sie
in 1 dargestellt ist.
Der Drehwinkelsensor 2 ist beispielsweise in der Lage,
Drehwinkel in einem Teilmessbereich von –180° (–p) bis +180° (+p) zu messen.
Dieser Teilmessbereich entspricht dem Segment SO der Sensorkennlinie
von 3a. Drehwinkel,
die außerhalb
dieses Segments SO liegen, werden in den gleichen Messbereich abgebildet,
wodurch eine eindeutige Positionsangabe nicht möglich ist. D.h., ein Winkel
von +185° wird
denselben Sensorausgangswert erzeugen wie ein Drehwinkel von –175°.
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Läuft
die Drehbewegung der Welle 1 zum Zeitpunkt t1 über die Segmentgrenze +p hinaus,
so vollzieht das Sensorausgangssignal einen Rücksprung a auf den Sensorausgangswert
des nächsten Segments
S1. Der tatsächliche
Drehwinkel αL der Achse 1 befindet sich im Zeitabschnitt
t1 bis t2 also im Segment 1 der Sensorkennlinie von 3a.
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Zum Zeitpunkt t2 unterschreitet der
Drehwinkel αL wiederum die Segmentgrenze zwischen dem Segment
S0 und S1. Das Sensorsignal springt somit zum Zeitpunkt t2 (4a) auf den Endwert des
Segments S0. Dieser positive Signalsprung ist mit dem Bezugszeichen
b gekennzeichnet. Zwischen den Zeitpunkten t2,t3 befindet sich der
tatsächliche
Drehwinkel daher im Segment S0.
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Bei weiterem Zurückdrehen der Achse unterschreitet
der Drehwinkel dann die untere Segmentgrenze –p des Segments S0 und das
Sensorsignal 1 springt mit einem positiven Signalsprung
c (siehe Kennlinie von 3a)
auf den Endwert des Segments S–1. Der tatsächliche
Drehwinkel αL befindet sich somit im Segment S–1.
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Wird die Drehrichtung der Achse zwischen den
Zeitpunkten t3 und t4 umgekehrt, und überschreitet der tatsächliche
Drehwinkel zum Zeitpunkt t4 die Segmentgrenze zwischen dem Segment
S–1 und
dem Segment S0, so erfolgt im Sensorsignal 7 ein negativer
Signalsprung d.
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Das Segment, in dem sich der tatsächliche Drehwinkel
(seit Initialisierung des Sensors 2) befindet, wird mit
Hilfe eines Segmentwertes SN dargestellt, wie er in 4b gezeigt ist. Die Drehwinkelsensoranordnung
von 1 umfaßt hierzu
einen Segmentwertzähler,
der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors einen vorgegebenen
Wert (vorzugsweise 0) aufweist und der in Abhängigkeit davon, ob ein positiver
oder ein negativer Signalsprung im Sensorsignal von 4a auftritt, entweder inkrementiert oder
dekrementiert wird.
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Ein Signalsprung wird von der Signalverarbeitungseinheit 4 dadurch
erkannt, dass die Signaländerungsrate
des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Die Verarbeitungseinheit 4 kann nun in einfacher Weise
das in 4c gezeigte Winkelsignal 9 rekonstruieren.
Hierzu addiert sie zum aktuellen Sensorsignal 7 jeweils
das SN-fache einer Segmentbreite, z.B. SN*360°, wobei SN der Segmentwert ist.
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Bei dem vorangegangenen Beispiel
wurde davon ausgegangen, dass sich die Achse 1 bei der Initialisierung
des Drehwinkelsensors 2 in der Nullstellung, also im Segment
S0 befindet. Befindet sich die Achse 1 dagegen in einer
Winkelposition außerhalb
des Segments S0, so muß das
Winkelsignal 2 noch um diese Abweichung korrigiert werden.
Der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors 2 vorliegende
Offset kann beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, dass die
Achsstellung beim Ausschalten des Sensors 2 gespeichert
wird (vorausgesetzt, die Achse 1 wird bei ausgeschaltetem
Sensor nicht bewegt).
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Im Falle eines Lenkradwinkelsensors
in einem Kfz, erfolgt die Initialisierung des Sensors 2 z.B. beim
Einschalten der Zündung
und das Ausschalten des Sensors 2 beim Ausschalten der Zündung. Da beim
Ausschalten der Zündung
das Lenkrad in Parkstellung üblicherweise
blockiert ist, entspricht die Winkelstellung des Lenkrades beim
erneuten Einschalten der Zündung
der Position des Lenkrades beim vorhergehenden Ausschalten.
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Weitere Maßnahmen zur Erkennung eines Offsets
des Drehwinkelsensors 2, wie beispielsweise die Verwendung
eines zusätzlichen
Sensors, sind ebenfalls denkbar.
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5 zeigt
die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Rekonstruktion
eines Winkelsignals 9 aus dem Sensorsignal 7 eines
Drehwinkelsensors 2, der eine periodische Kennlinie 3 mit mehreren
Segmenten S aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge 8 auftreten.
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Dabei wird in einem ersten Schritt
15 das Sensorsignal 7 eingelesen und in Schritt 16 positive und
negative Signalsprünge
a–d des
Sensorsignals 7 erfasst. Bei Feststellen eines Signalsprungs
in Schritt 17 wird ein Segmentwert SN erzeugt, der angibt, in welchem
Segment S der Sensorkennlinie 3 der aktuell gemessene Drehwinkel αL liegt.
In Schritt 18 kann die Auswerteeinheit 4 aus dem Sensorsignal 7 und dem
Segmentwert SN den Gesamt-Drehwinkel seit Initialisierung des Sensors 2 ermitteln.
Hierzu addiert die Auswerteeinheit 4 beispielweise einen
Winkel zu Sensorsignal 7, der eine Funktion des Segmentwertes
SN und der Segmentbreite ist.
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- 1
- Achse
- 2
- Sensor
- 3
- Geber
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Sensor-Kennlinie
- 6
- Bewegungsverlauf
- 7
- Sensorausgangssignal
- 8
- Kennliniensprünge
- 9
- Rekonstruiertes
Winkelsignal
- 15-16
- Verfahrensschritte
- S
- Segment
- SN
- Segmentnummer
- αL
- Drehwinkel
- αS
- vom
Sensor angezeigter Drehwinkel
- +p, –p
- Segmentgrenzen
- t1-t4
- Zeitpunkte
- a–d
- Signalsprünge