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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Startsegments eines Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Drehwinkelsensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
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Drehwinkelsensoren werden in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt, um Winkelstellungen von drehenden Gegenständen zu messen. Die Messung erfolgt dabei in der Regel berührungslos mit Hilfe magnetischer oder optischer Geber. Eine Anwendung aus dem Automobilbereich ist z. B. die Ermittlung des Lenkwinkels oder Lenkradwinkels 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 2 z. 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 (der auch eine Signalverarbeitungseinheit aufweisen kann) 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 (Auswerteeinheit 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 aufwändig 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 lineare 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.
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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 z. B. 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 mit Signalsprüngen 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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Zur Erzeugung des rekonstruierten (eindeutigen) Sensorsignals 9, Lw kann beispielsweise ein Verfahren angewendet werden, bei dem das Sensorsignal 7 Schwellenwert überwacht und dabei festgestellt wird, wann ein Signalsprung (a–d; 4a) auftritt. Je nach Richtung des Signalsprungs bedeutet dies einen Übergang von einem Segment auf ein nächst höheres oder ein nächst niedrigeres Segment. Der Segmentübergang wird von einem Segmentzähler registriert, der eine vorgegebenen Segmentwert SN (4b) inkrementiert oder dekrementiert. Aus dem Segmentwert SN und dem aktuell gemessenen Winkel kann die Auswerteeinheit 4 in einfacher Weise ein rekonstruiertes Winkelsignal 9 (4c) berechnen, das den Bewegungsverlauf seit Initialisierung des Sensors 2 eindeutig wiedergibt.
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Im Falle einer Lenkradwinkelmessung in einem Kfz wird zum Zeitpunkt der Initialisierung (z. B. Zündung EIN) des Sensors 2 üblicherweise angenommen, dass sich die Achse 1 im Segment S0, nahe der Nullage der Achse befindet. Befindet sich die Achse 1 bei der Initialisierung des Sensors jedoch außerhalb des Segments S0 (z. B. bei 400° oder 500°), so muss das Sensorsignal 7 um diesen Null-Offset entsprechend korrigiert werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehwinkelsensoranordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, mit dem aus dem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie ein eindeutiger Gesamtwinkel bezüglich einer Nulllage eines sich drehenden Gegenstandes ermittelt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 und 3 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, die als Startsegment möglichen Segmente im Laufe einer Drehbewegung einzuschränken und diejenigen Segmente, die in Anbetracht eines vorliegenden Sensorausgangssignals nicht plausibel sind, d. h., die nicht als Startsegment in Frage kommen können, sukzessive auszuschließen. Bei Initialisierung des Drehwinkelsensors ist das Startsegment unbestimmt und kann zwischen einem maximalen Segment SNmax und einem minimalen Segment SNmin liegen. Die Segmente SNmin und SNmax sind durch vorgegebene Messbereichsgrenzen (z. B. rechter und linker Anschlag eines Lenkrads bei z. B. –800° und +800°) bestimmt. Im Laufe einer Drehbewegung wird dieser Bereich eingeschränkt, bis das Startsegment eindeutig bestimmt werden kann.
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Erfolgt beispielsweise durch eine Drehbewegung ein Signalsprung im Sensorsignal von einem Segment Sn auf ein Segment Sn + 1, so kann es sich bei dem Segment Sn nicht um das maximale Segment SNmax gehandelt haben. Das Segment SNmax ist somit als Startsegment nicht plausibel und scheidet daher aus. Gleiches gilt für das minimale Segment SNmin bei einem Signalsprung im Sensorsignal, der einen Übergang von einem Segment Sn auf ein Segment Sn – 1 andeutet. Auf diese Weise werden die als Startsegment möglichen Segmente (anfangs können dies alle Segmente zwischen dem minimalen Segment SNmin und dem maximalen Segment SNmax sein) schrittweise eingeschränkt, bis das Startsegment genau bestimmt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Startsegments hat dabei im wesentlichen folgende Schritte: Einlesen des mit Signalsprüngen behafteten Sensorsignals in eine Auswerteeinheit, die in der Lage ist, positive und negative Signalsprünge im Sensorsignal zu erfassen und bei Feststellen eines Signalsprungs eine Zahl Z zu erzeugen. Die Zahl Z ist dabei der Zählerstand eines Zählers, der die Anzahl der Segmentübergänge seit Initialisierung des Drehwinkelzähler zählt. Die Auswerteeinheit berechnet aus der maximalen Segmentnummer SNmax und der größten, seit Initialisierung des Drehwinkelsensors ermittelten Zahl Zmax ein größtes plausibles Startsegment SNplmax, und aus der minimalen Segmentnummer SNmin und der seit Initialisierung des Drehwinkelsensors ermittelten kleinsten Zahl Zmin ein kleinstes plausibles Startsegment SNplmin. Nach einer ausreichenden Anzahl von Segmentübergängen stimmen das kleinste plausible Startsegment SNplmin und das größte plausible Startsegment SNplmax überein, womit das Startsegment (d. h. das bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors vorliegende Segment) gefunden ist. Das Sensorsignal oder ein daraus abgeleitetes Signal, wie beispielsweise das rekonstruierte Winkelsignal kann nun um das Startsegment korrigiert werden.
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Vorzugsweise wird zunächst das mit Signalsprüngen behaftete Sensorsignal auf der Grundlage der ermittelten Signalnummer zu einem eindeutigen Winkelsignal rekonstruiert und das rekonstruierte Winkelsignal um das Startsegment korrigiert.
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Eine erfindungsgemäße Drehwinkelsensoranordnung umfaßt einen Drehwinkelsensor, der eine periodische Kennlinie mit mehreren Segmenten aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten, sowie eine Auswerteeinheit, wobei der Drehwinkelsensor nur einen begrenzten Winkelbereich zwischen einem minimalen Segment und einem maximalen Segment misst. Die Auswerteeinheit, welcher das Sensorsignal zugeführt wird, ist dabei derart eingerichtet, dass sie eines der vorstehend genannten Verfahren ausführen kann.
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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;
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5 eine Übersicht über die Rekonstruktion und Nullpunktkorrektur eines Sensorsignals eines Sensors mit periodischer Kennlinie; und
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6 den gesamten Winkelbereich zwischen einem minimalen Segment SNmin und einem maximalen Segment SNmax (z. B. –800° bis +800° Lenkradeinschlag eines Kfz), der von dem Drehwinkelsensor 2 gemessen werden kann.
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Bezüglich der Erläuterung der 1 bis 4c wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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5 zeigt eine Drehwinkelsensoranordnung, umfassend einen Drehwinkelsensor 2 mit periodischer Kennlinie 5 (3a), und ein Fahrdynamikregelungssystem 4 (ESP).
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Die Auswerteeinheit 4 ist dabei derart eingerichtet, dass sie das vom Lenkradwinkelsensor 2 gelieferte, nicht eindeutige Sensorsignal (siehe 4a) zunächst in ein rekonstruiertes Sensorsignal 9 (siehe 4c) transformiert (Block 27) und das rekonstruierte Sensorsignal 9 um das Startsegment korrigiert (Block 28). Die Prozedur 29 dient dabei zum Auffinden des Startsegments (= Null-Offset). Das Ergebnis dieses Verfahrens ist ein eindeutiger Lenkradwinkel Lwin, der Werte im gesamten Messbereich, z. B. zwischen –800° und +800° aufweisen kann.
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Das Auffinden des Startsegments (Segment, in dem die Achse 1 bzw. das Lenkrad bei der Initialisierung des Sensors 2 steht) in der Prozedur 29 wird im folgenden beispielhaft näher erläutert.
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Bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors (Zündung ein) kann sich das Lenkrad in einer beliebigen Position befinden, d. h., das zugehörige Segment S ist nicht bekannt. Das Startsegment kann also im Bereich zwischen SNmin und SNmax liegen. Üblicherweise wird davon ausgegangen, dass sich das Lenkrad in der Nullstellung (bei 0°) befindet und dem Startsegment somit die Zahl Z = 0 zugewiesen. Wie erwähnt, wird die Zahl Z bei Vorliegen eines negativen Signalsprungs a, d im Sensorsignal 7 inkrementiert und bei Vorliegen eines positiven Signalsprungs d, c dekrementiert. Erfolgt zum Zeitpunkt t1 (siehe 4a) ein negativer Signalsprung a, so wird die Zahl Z entsprechend inkrementiert (siehe 6). Daraus kann zum Zeitpunkt t1 gefolgert werden, dass das Startsegment nicht das maximale Segment SNmax = 5 gewesen sein kann. Das maximale Segment SNmax = 5 kann somit als nicht plausibel ausgeklammert werden (siehe schraffierter Bereich).
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Zum Zeitpunkt t2 springt die Zahl Z zurück auf den Wert Null. Daraus kann keine neue Erkenntnis über ein mögliches Startsegment gewonnen werden. Erst zum Zeitpunkt t3, bei dem die Zahl Z aufgrund eines positiven Signalsprungs c auf den Wert –1 dekrementiert wird, kann das minimale Segment SNmin = –5 als mögliches plausibles Startsegment ausgeschlossen werden.
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Im folgenden werden nur Lenkbewegungen durchgeführt, aus denen keine neue Erkenntnis über das mögliche Startsegment gewonnen werden kann.
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Erst zum Zeitpunkt t5, zu dem die Zahl Z auf einen Wert –2 zurückspringt, kann auch das Segment S–4 als mögliches plausibles Startsegment ausgeklammert werden. Die als Startsegment möglichen Segmente werden bei ausreichend großen Lenkbewegungen immer weiter eingegrenzt, bis schließlich nur noch ein mögliches Segment S als Startsegment übrig bleibt. Das Startsegment kann dann bestimmt werden, wenn sämtliche Segmente S zwischen SNmin und SNmax durchlaufen wurden.
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Im folgenden wird eine mathematische Darstellung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erläutert, wie sie in der Auswerteeinheit 4 implementiert sein kann. Das Startsegment kann zu Beginn, bei Initialisierung des Drehwinkelsensors 2 jedes Segment zwischen den Messbereichsgrenzen SNmin und SNmax sein. In diesem Zustand sind also alle möglichen Segmente S plausibel. Bei Auftreten eines Signalsprungs a–d kann ein größtes und ein kleinstes plausibles Startsegment SNplmax, SNplmin bestimmt werden, wobei gilt: SNplmax = SNmax – Zmax SNplmin = SNmin – Zmin
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Dabei ist Zmax, Zmin die seit Initialisierung (Zündung ein) des Drehwinkelsensors 2 größte bzw. kleinste aufgetretene Zahl Z.
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Das Startsegment ist gefunden, wenn nach einer ausreichend großen Anzahl von Segmentübergängen über mehrere Lenkradumdrehungen der plausible Bereich auf nur ein plausibles Segment eingeschränkt ist und gilt:
SNplmax = SNplmin = Startsegment.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehachse
- 2
- Sensor
- 3
- Geber
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Kennlinie
- 6
- Bewegungsablauf
- 7
- Sensorsignal
- 8
- Kennliniensprünge
- 9
- Rekonstruiertes Sensorsignal
- 27
- Signalrekonstruktion
- 28
- Startsegment-Korrektur
- 29
- Finden des Startsegments
- S
- Segment
- –p, +p
- Segmentgrenzen
- Z
- Zahl
- αS
- Sensorwinkel
- αL
- Messwinkel
- t
- Zeit
- SNmin,
- minimale Segmentnummer
- SNmax
- maximale Segmentnummer
- SNplmin
- kleinstes plausibles Segment
- SNplmax
- größtes plausibles Segment
