DE10303495A1 - Verfahren zur Offset-Bestimmung von Winkelsensorsignalen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Offset-Bestimmung von Winkelsensorsignalen X, Y, welche einen zu bestimmenden Winkel phi auf der Grundlage eines dem Winkel über ein Sinus-Argument (2phi) zugeordneten Sinus-Signals (Y) und eines dem Winkel phi über ein Kosinus-Argument (2phi) zugeordneten Kosinus-Signals (X) bestimmen, weist die nachfolgenden Schritte auf: DOLLAR A Zunächst wird eine erste Winkelposition bestimmt, bei der das Sinus-Signal (Y) ein Extremum aufweist. Bei dieser ersten Winkelposition wird dann das Kosinus-Signal bestimmt und der dortige Signalwert als Kosinus-Offset (DELTAx¶0¶) abgelegt. Außerdem wird eine zweite Winkelposition bestimmt, bei der das Kosinus-Signal (X) ein Extremum aufweist. Das Sinus-Signal (Y) bei dieser zweiten Winkelposition wird bestimmt und als Sinus-Offset abgelegt. Ein derartiges Verfahren zur Offset-Bestimmung erfordert eine Messwerterfassung nur in einem realtiv geringen Bereich überstrichener Winkel, ohne dabei an Genauigkeit einzubüßen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Offset-Bestimmung von Winkelsensorsignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Zur Messung mechanischer Winkel werden häufig Winkelpositionssensoren, wie z. B. AMR- oder GMR-Sensoren (AMR: Anisotropic Magneto Resistance, GMR: Giant Magneto Resistance) eingesetzt, die jeweils ein Sinus- und ein Kosinus-Signal erzeugen, die dem zu bestimmenden Winkel zugeordnet sind und aus denen der zu messende Winkel errechnet wird. Weitere gattungsgemäße Sensoren sind beispielsweise Hall-Sensoren sowie optische oder mikromechanische Geber.
• AMR-Sensoren werden beispielsweise zur Lenkwinkelmessung in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der zu bestimmende Winkel wird bei derartigen bekannten Sensoren über eine elektronische Auswertung der zugehörigen Sinus- und Kosinus-Signale des Sensors ermittelt. Solche Sinus/Kosinus-Signale sind häufig mit Offsets behaftet, die zu Messabweichungen und somit zu einer fehlerhaften Winkelbestimmung führen können. Offsets können insbesondere bei Einsatz der Sensoren unter hohen Temperaturen auftreten, wie sie beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs vorherrschen. Bei herkömmlichen Winkelsensoren kommt es unter solchen Bedingungen zu nicht vernachlässigbaren Messfehlern. Es ist daher erforderlich, den Offset im jeweiligen Betriebszustand zu ermitteln, und bei der Auswertung der Sinus/Kosinus-Signale zu berücksichtigen.
• Aus der DE 199 28 482 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Dort wird anhand dreier Messwertpaare von Winkelsensorsignalen der Offset eines hypothetischen Kreises, der durch den Messwertpaaren entsprechende Punkte verläuft, bestimmt. Bei einer derartigen Offset-Bestimmnung können die Fehler jedoch relativ groß werden, wenn die aufgenommenen Messwerte z. B. durch Rauschen gestört, die zugrundeliegenden Signale gegenüber der optimalen Sinus-Form verzerrt, die Messwerte dicht beieinander liegen oder die Amplituden der beiden Sinus/Kosinus-Signale nicht exakt gleich groß sind. Eine handhabbare Messgenauigkeit wird bei diesem Verfahren sowie bei anderen bekannten Verfahren zur Offset-Bestimmung von Winkelsensorsignalen nur dadurch erreicht, dass in einem sehr weit gespreizten Bereich von Winkelpositionen Messungen durchgeführt werden. Dies ist insbesondere dann nicht realisierbar, wenn die zu messenden Winkelpositionen keinen derart großen Bereich überstreichen. Dieses Problem stellt sich z. B. bei der Erfassung von Winkelpositionen eines Wischerblatts eines Scheibenwischers.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass auch bei Vermessen eines eingeschränkten Bereichs angefahrener Winkelpositionen eine möglichst genaue Offset-Bestimmung gegeben ist.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
• Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Winkelposition der Extremwerte des Sinus- und des Kosinus-Signals durch den Offset unbeeinflusst bleiben, wodurch an der jeweiligen Winkelposition der Offset des jeweils anderen Winkelfunktionssignals bestimmt werden kann. Da die Winkelmessung auf den Bereich um jeweils einen Extremwert des Sinus-Signals und des Kosinus-Signals eingeschränkt bleiben kann, genügt eine Messung in einem eingeschränkten Bereich von Winkelpositionen zur ausreichend genauen Offset-Bestimmung. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch bei der Winkelpositionserfassung von Wischerblättern, die einen Winkelbereich überstreichen, der kleiner ist als 135°.
• Ein Auswertebereich nach Anspruch 2 ist besonders an die Signalausgabe eines AMR-Sensors angepasst. Da die Winkelfunktions-Argumente bei AMR-Sensoren das Doppelte der erfassten Winkelposition beinhalten, genügt eine Erfassung der Winkelposition in einem Bereich, der nur geringfügig größer ist als 45°, nämlich zwischen einem geringfügig unter 45° und einem geringfügig über 90° liegenden Winkelpositionswert.
• Ein Analog/Digital-Wandler gemäß Anspruch 3 führt zur Möglichkeit einer digitalen Auswertung der Winkelmessdaten zur Offset-Bestimmung.
• Eine Tiefpassfilterung nach den Ansprüchen 4 oder 5 eliminiert höherfrequentes Signalrauschen.
• Eine Wahl des Verhältnisses der Abtastzeit zur Filterzeitkonstante nach Anspruch 6 führt zur Möglichkeit, den Tiefpassfilter durch Subtraktionen, Additionen und Schiebeoperationen zu realisieren, was den Auswerteaufwand erheblich reduziert.
• Eine Mittelung nach Anspruch 7 erhöht die Genauigkeit bei der Bestimmung der Offset-Werte.
• Eine Extremwertbestimmung in einem nach Anspruch 8 abgegrenzten Bereich führt zu einer Verringerung des Rechenaufwandes.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
• 1 schematisch eine Scheibenwischervorrichtung mit Wischer-Winkelpositionserfassung;
• 2 ein Diagramm, welches die Verläufe eines Winkelsensorsignals X, Y in Abhängigkeit von der zu bestimmenden Winkelposition φ eines Wischerblatts darstellt,
• 3 einen typischen Winkelpositionsverlauf eines Wischerblatts einer Gegenwisch-Scheibenwischervorrichtung über die Zeit, und
• 4 ein Diagramm mit Winkelsensorsignalen X, Y beim Winkelpositionsverlauf nach 3.
• 1 zeigt schematisch eine Scheibenwischervorrichtung 1. Ein Wischerblatt 2 steht hierbei über eine berührungslose Messstrecke 3 mit einem Winkelpositionssensor 4, einem anisotropen Magnetwiderstands-(AMR-)Sensor, in Verbindung. Letzterer steht über eine Signalleitung 5 mit einem Analog/Digital-(A/D-)Wandler 6 eines Auswerterechners 7 in Verbindung.
• Der Winkelpositionssensor 4 liefert Winkelsensorsignale X' und Y', die jeweils aus einem Offset- und einem sinus- bzw. kosinusförmig von einem zu bestimmenden Winkel φ, der Winkelposition des Wischerblatts 2 auf einer Fahrzeugscheibe, abhängigen Anteil mit der Amplitude A bestehen. Diese Abhängigkeit lässt sich wie folgt schreiben: X' = X0 + Acos(2φ) (1a) Y' = Y0 + Asin(2φ) (1b)
• Das Argument des Sinus- und das des Kosinus-Signals ist jeweils 2φ. Hierbei bezeichnen X₀ und Y₀ Gesamt-Offset-Werte der beiden Winkelsensorsignale X', Y'. Die Gesamt-Offset-Werte X₀ und Y₀ lassen sich in zwei Anteile aufteilen, nämlich in einen nicht temperaturabhängigen sogenannten Grund-Offset (x₀ bzw. y₀) und in einen temperaturabhängigen Offset (Δx₀ bzw. Δy₀). Die Gesamt-Offset-Werte X₀ und Y₀ lassen sich also wie folgt schreiben: X0 = x0 + Δx0 (2a) Y0 = y0 + Δy0 (2b)
• Die vom Winkelpositionssensor 4 erfassten Winkelsensorsignale X', Y' liegen zunächst als analoge Signale vor und werden vom A/D-Wandler 6 in Digital-Signale umgewandelt. Anschließend werden die durch Kalibrierung bestimmbaren Grund-Offsets x₀, y₀ abgezogen. Die Grund-Offset-korrigierten Winkelsensorsignale X, Y liegen dann in folgender Form vor: X = Δx0 + Acos(2φ) (3a) Y = Δxo + Asin(2φ) (3b)
• Diese prinzipielle Abhängigkeit der Gesamt-Offset-korrigierten Winkelsensorsignale X, Y von der Winkelposition φ ist in 2 dargestellt. Die noch nicht korrigierten temperaturabhängigen Offsets Δx₀, Δy₀ führen zu einem Versatz der Winkelfunktions-Kurven parallel zur Hochachse des dort dargestellten Diagramms.
• Die nachfolgende Auswertung der Signale X, Y des Winkelpositionssensors 4 kann beschränkt bleiben auf einen Bereich von Winkelpositionen φ, der als untere Grenze einen Wert von φ aufweist, der 45° benachbart ist, jedoch kleiner ist als 45°, und als obere Grenze einen Wert von φ aufweist, der dem Wert 90° benachbart ist, jedoch größer ist als 90°. Ein Beispiel für einen derartigen Auswertebereich 8 zwischen einer unteren Grenze φ₁ ≅ 35° und einer oberen Grenze von φ_u ≅ 100° ist in 2 dargestellt. Das Argument der Kosinus- bzw. Sinus-Funktionen für die Sensorsignale X, Y variiert folglich in einem Bereich zwischen einer unteren Grenze, die dem Wert 90° benachbart ist, jedoch kleiner ist als 90°, und einer oberen Grenze, die dem Wert 180° benachbart ist, jedoch größer ist als 180°.
• Während eines praktischen Wischerbetriebs ist die zeitliche Abhängigkeit der Winkelposition φ des Wischerblatts 3 z. B. wie in 3 dargestellt. Das Wischerblatt 2 überstreicht dabei einen Winkelbereich von 70° und benötigt für einen Hin- und Herlauf eine Sekunde.
• 4 zeigt die Abhängigkeit der Grund-Offset-korrigierten Winkelsensorsignale X, Y im zeitlichen Verlauf beim Wischerbetrieb nach 3.
• Nach der A/D-Wandlung im A/D-Wandler 6 werden die Grund-Offsetkorrigierten Winkelsensorsignale X, Y zunächst tiefpassgefiltert. Hierbei ergibt sich das gefilterte Signal für einen (k+1)-ten Abtastvorgang aus den Messsignalen und den gefilterten Signalen des vorhergehenden Abtastvorgangs:

  
• T_A bezeichnet hierbei die Abtastzeit. T_filt bezeichnet hierbei eine Filterzeitkonstante. Wenn bei der Tiefpass-Filterung die Abtastzeit T_A und die Filterzeitkonstante T_filt nach folgendem Verhältnis vorgegeben werden:

  

  wobei N₁ ganzzahlig ist, lässt sich das Tiefpassfilter durch Subtraktionen, Additionen und Schiebeoperationen auf einem Mikrocontroller des Auswerterechners 7 realisieren. Auf diese Weise kann die Rechenzeit des Auswerterechners 7 erheblich reduziert werden.
• Anschließend wird das Maximum des Sinus-Signals Y_filt in einem Winkelpositionsbereich bestimmt, in dem sich das Kosinus-Signal X_filt in der Nähe von 0 befindet. Hierzu werden zunächst Grenzwerte u_bound, l_bound (vgl. 4) vorgegeben, in denen sich das Kosinus-Signal X_filt befinden muss, damit in den zugehörigen Winkelpositionsbereich eine Maximumbestimmung des Sinus-Signals Y_filt erfolgt. Die Grenzwerte u_bound, l_bound werden so gewählt; dass ihre Absolutwerte in jedem Fall größer sind als der größte zu erwartende temperaturabhängige Offset. Es ergeben sich aktuelle Werte der temperaturabhängigen Offsets Δx'₀, Δy'₀. In einer Abfolge logische Operatio nen lässt sich die Bestimmung des aktuellen temperaturabhängigen Offsets Δx'₀ folgendermaßen schreiben:
  Wenn (X_filt > l_bound) und (X_filt < u_bound)
  Wenn (Y_filt > Y_max)
  Y_max = Y_filt
  Δx'₀ = X_filt
  sonst
  Y_max = 0
• Die in analoger Weise erfolgende Bestimmung des temperaturabhängigen Sinus-Offsets Δy'₀ über eine Minimumbestimmung des Kosinus-Signals X_filt lässt sich in entsprechender Weise schreiben als:
  Wenn (Y_filt > l_bound) und (Y_filt < u_bound)
  Wenn (X_filt < X_min)
  X_min = X_filt
  Δy'₀ = Y_filt
  sonst
  X_min = 0.
• Wenn der Winkelsensorsignalbereich {l_bound ... u_bound} verlassen wird, werden die bestimmten aktuellen temperaturabhängigen Offset-Werte Δx'₀, Δy'₀ als Zwischen-Offset-Werte Δx^Z ₀, Δy^z ₀ zwischengespeichert. Zwei aus aufeinanderfolgenden Messungen des Winkelpositionssensors 4 gewonnene Zwischen-Offset-Werte werden anschließend zur Verbesserung der Messgenauigkeit gemittelt.
• Die so gewonnenen gemittelten temperaturabhängigen Zwischen-Offset-Werte werden anschließend entsprechend dem Tiefpassfilter-Gleichungen 4a, 4b tiefpassgefiltert, wobei gemittelte Zwischen-Offset-Werte aus mehreren Messungen verwendet werden. Das Verhältnis aus Abtastzeit T_A und Filterzeitkonstante T_filt bei diesem zweiten Tiefpassfilter wird folgendermaßen gewählt:

  

  wobei N₂ wieder ganzzahlig ist.
• Die Eingangswerte für diese zweite Tiefpassfilterung sind die oben angesprochenen paarweise gemittelten temperaturabhängigen Zwischen-Offset-Werte.
• Als Ergebnis dieser zweiten Tiefpassfilterung ergibt sich der Kosinus-Offset Δx₀ und der Sinus-Offset Δy₀.
• Die korrigierten Werte des Winkelpositionssensors X_cor und Y_cor ergeben sich somit zu: Xcor = X – Δx0 (7a) Ycor = Y – Δy0 (7b) Diese korrigierten Winkelpositionssensorsignale können dann zur exakten Bestimmung der Winkelposition des Wischerblatts 2 mit Hilfe bekannter Berechnungsverfahren herangezogen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Offset-Bestimmung von Winkelsensorsignalen X, Y, welche einen zu bestimmenden Winkel φ auf der Grundlage eines dein Winkel φ über ein Sinus-Argument zugeordneten Sinus-Signals und eines dem Winkel φ über ein Kosinus-Argument zugeordneten Kosinus-Signals bestimmen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bestimmen einer ersten Winkelposition, bei der das Sinus-Signal ein Extremum aufweist, – Bestimmen des Kosinus-Signal bei der ersten Winkelposition, – Ablegen des bestimmten Kosinus-Signals als Kosinus-Offset, – Bestimmen einer zweiten Winkelposition, bei der das Kosinus-Signal ein Extremum aufweist, – Bestimmen des Sinus-Signals bei der zweiten Winkelposition, – Ablegen des bestimmten Sinus-Signals als Sinus-Offset.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinus-Signal und das Kosinus-Signal in einem Bereich von Winkelpositionen ausgewertet werden, in dem das Sinus-Argument und das Kosinus-Argument, was den Winkelabstand zwischen dem Extremum des Sinus-Signals und dem Extremum des Kosinus-Signals angeht, zwischen – einer unteren Grenze, die dem Wert 90° benachbart ist, jedoch kleiner ist als 90°, und – einer oberen Grenze, die dein Wert 180° benachbart ist, jedoch größer ist als 180°, variieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Einsetzen eines Analog/Digital-Wandlers (6) zur Erzeugung eines digitalen Ko sinus-Signals und eines digitalen Sinus-Signals aus zunächst gemessenen analogen Winkelsensorsignalen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Tiefpassfilterung der digitalen Kosinus- und Sinus-Signale nach der A/D-Wandlung.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Tiefpassfilterung der bestimmten Offset-Werte.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Tiefpassfilterung die Abtastzeit (T_A) und die Filterzeitkonstante (T_filt) nach folgendem Verhältnis vorgegeben werden: TA/Tfilt = 2(–N), wobei N ganzzahlig ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Mitteln von Kosinus-Offset und von Sinus-Offset über eine Mehrzahl bestimmter Offset-Werte.
8. sVerfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung eines Extremums des Sinus-Signals bzw. des Kosinus-Signals in einem Bereich von Winkelpositionen erfolgt, in denen das Kosinus-Signal bzw. das Sinus-Signal in einem Bereich um 0 zwischen einer unteren Grenze l_bound und einer oberen Grenze u_bound vorliegt.