DE10338859A1

DE10338859A1 - Verfahren zur Bestimmung von Phasenverschiebungen von sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz

Info

Publication number: DE10338859A1
Application number: DE10338859A
Authority: DE
Inventors: Micha Heinz; Wolfgang Joeckel; Stephan Reutzel
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Phasenverschiebungen von sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: DOLLAR A Ermitteln von vier zeitgleichen Spannungswerten, wobei jeweis ein Sinus- und ein Cosinuswert einem Sensor zugeordnet sind, DOLLAR A Normieren der Spannungswerte bezüglich von Amplitudenschwankungen und DOLLAR A Ermitteln der Phasenverschiebung in einem Modell nach Maßgabe der normierten Spannungswerte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Phasenverschiebungen von sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz (Spannungsverläufen).
Die Erfindung wird vorzugsweise im Bereich der Kraftfahrzeugsensorik, insbesondere SWT- und Drehmoment-Sensorik verwendet. Unter dem Akronym "SWT-Sensor" werden an sich bekannten Sensoranordnungen zur Messung der Seitenwandtorsion eines Fahrzeugreifens verstanden, bei denen in die Reifenseitenwand magnetische Strukturen eingearbeitet sind, welche einen magnetischen Encoder bilden.
An sich bekannte elektronische Steuergeräte, z.B. zur Regelung von Kraftfahzeugbremsen (ASB, ESP-Steuergeräte), verarbeiten eine Vielzahl von Sensorsignalen außerhalb und innerhalb des Steuergerätegehäuses angeordneter Sensorbaugruppen, wie Raddrehzahlsensoren, Gierratensensoren, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren etc. Bei den oben erwähnten SWT-Sensoren werden in an sich bekannter Weise mindestens zwei im wesentlichen sinusförmige Signale erfasst. Bekannt ist, die an dem Reifen angreifenden Kräfte während der Reifenrotation aus der von der Stellung abhängigen Torsions-Deformation des Reifens zwischen einem radial inneren Be reich des Rades oder der Nabe und einem radial äußeren Bereich des Reifens (Gürtelbereich) in mindestens einer nicht rotierenden Stellung zu bestimmen (WO 96/10505). Hierzu ist gemäß der DE 44 35 160 A1 mindestens ein magnetfelderzeugener, ringförmiger Encoder mit wechselnden Polen in der Seitenwand des Reifens vorgesehen. Dem Encoder ist mindestens eine stationär am Chassis angebrachte Sensoreinrichtung mit Messwertaufnehmer zugeordnet. Eine zweite Sensoreinrichtung mit Messwertaufnehmer kann als herkömmlicher Raddrehzahlsensor ausgebildet werden. Bei diesen herkömmlichen Raddrehzahlsensoren ist der Encoder am Radlager befestigt. Durch diese Anordnung der Encoder und Messwertaufnehmer tritt bei einer Verformung des Reifens infolge der am Reifen angreifenden Kräfte eine Änderung der auswertbaren Phasenlage zwischen den von den Messwertaufnehmern abgegebenen Messsignalen auf. Über die Phasenverschiebung der beiden sinusförmigen Signale wird die Seitenwandtorsion gemessen. Die Phasenverschiebung der beiden gleichfrequenten Sinussignale stellt daher ein Maß für das zu messende Drehmoment bzw. ein Maß für die auf den Reifen wirkende Kraft dar. Zusätzlich zur Phasenauswertung kann auch eine Amplitudenauswertung vorgenommen werden, die Aufschluß über die Seitenwandverformung des Reifens gibt.
Darüber hinaus ist es aus der DE 196 26 843 A1 bekannt, die Drehfrequenz der Reifenlauffläche mit einem Reifensensor und die Drehfrequenz der Bremstrommel bzw. -scheibe mit einem herkömmlichen Raddrehzahlsensor zu bestimmen und die Meßwerte jeweils für sich auszuwerten und dann diese Ergebnisse in Beziehung zueinander zu setzen. Die eingesetzte Sensoreinrichtung und deren Messergebnisse werden zur Schlupfermittlung bei ABS- oder ASR-Funktionen eingesetzt.
In der WO97/44673 wird mit den mindestens zwei örtlich versetzten Sensoreinrichtungen zusätzlich zu der Messung der Dreh- oder Winkelbewegungen die Torsionsbeanspruchung des Reifens bzw. der Reifenwand zur Messung der übertragenen Momente und/oder des Kraftschlussbeiwertes eingesetzt.
In der WO 01/19655 A1 und der WO 01/19656 sind Auswerteinheiten beschrieben, die die Signalaufbereitung und –verarbeitung der sinusförmigen Signale beschreiben. Die Auswertung der Sensorsignale basiert auf einer inversen Tangensfunktion. Darüber hinaus ist es bekannt, die Phasenermittlung durch Differenz-Zeitmessung der Nulldurchgänge relativ zur Periodendauer durchzuführen.
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit der die Phasenverschiebung zweier sinusförmiger Signale gleicher Frequenz ermittelt werden kann.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gattungsgemässes Verfahren zum Bestimmen von Phasenverschiebungen von sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz mit den folgenden Schritten durchgeführt wird, Ermitteln von vier zeitgleichen Spannungswerten, wobei jeweils ein Sinus- und ein Cosinuswert einem Sensor zugeordnet sind, Normieren der Spannungswerte bezüglich von Amplitudenschwankungen, und Ermitteln der Phasenverschiebung in einem Modell nach Maßgabe der normierten Spannungswerte.
Vorteilhaft ist, dass die Normierung nach den Beziehungen
Usin1_max = Ucos1_max – √(sin1² + cos1²)
Usin2_max = Ucos2_max = √(sin2² + cos2²)
Usin1_normiert = Ucos1_normiert = Usin1/Usin1_max
Usin2_normiert = Ucos2_normiert = Usin2/Usin2_max erfolgt.
Weiterhin wird vorteilhaft durch die Schritte Ermitteln von Usin_diff durch Subtrahieren des zweiten Sinuswertes vom ersten Sinuswert Ermitteln von Ucos_diff durch Subtrahieren des zweiten Cosinuswertes vom ersten Cosinuswert die Maximalamplitude von Usin_diff nach der Beziehung
Usin_diffmax ² = Usin_diff ²+ Ucos_diff ²
Usin_diffmax = √(Usin_diff ²+ Ucos_diff ²) ermittelt. Usin_diffmax folgt der Funktion 2–2·cosα, wobei α die Phasenverschiebung der Eingangssignale ist.
Die Ermittlung des Differenzwinkels erfolgt vorteilhaft nach der Beziehung
Δφ = arccos ((2- Usin_diffmax ²)/2).
Das Verfahren wird vorzugsweise bei der Ermittlung von Größen eines Fahrzeuges eingesetzt, die das Fahrverhalten des Fahrzeugs wiedergeben. Es dient der Ermittlung eines Lenkmoments bei einem Fahrzeug oder der Ermittlung von Kräften, die an einem Reifen eines Fahrzeugs angreifen.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren mit dem auf einfachste Weise und mit geringstem Hardwareaufwand die Phasenverschiebung, und, wenn erforderlich, auch der Spitzenwert der Amplitude aus nur 4 abgetasteten Signalwerten (Spannungen) pro Periode errechnet wird (Echtzeit), ohne die Vorgeschichte zu kennen.
Die Genauigkeit ist nur abhängig von der Auflösung der A/D-Wandler, Rundungsfehler im μP und vom Klirrfaktor der Eingangssignale. Da der Rechenprozeß eine Normierung enthält, gehen Amplitudenschwankungen nicht in das Messergebnis ein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 eine Ausführung einer erfindungsgemässen Schaltung zur Auswertung eines Drehmoments, insbesondere Lenkmoments eines Kraftfahrzeugs
2 eine Ausführung einer erfindungsgemässen Schaltung zur Auswertung von Kräften, insbesondere Reifenkräften eines Kraftfahrzeugs..., und
3 eine Darstellung der Funktion 2–2·cosa (Ausgangskennline in Abhängigkeit von dem Differenzwinkels)
Je nach Eingangssignalen werden geringfügig unterschiedliche Ausführungen eingesetzt:
Beispiel a), Drehmomentsensor, 1
In 1 werden zwei Sensorelemente 1, 1' mit jeweils einem Sinus- und einem Cosinus-Ausgang 7, 8 bzw. 7', 8' eingesetzt. Es handelt sich bei den Sensorelementen vorzugsweise um magnetoresistive Brückenstrukturen. Die Auswertung der in Verstärkerstufen 9, 10 bzw. 9', 10' verstärkten Sensorsignale, welche mittels eines A/D Wandlers 3 in einen Mikrocontroller 11 eingelesen werden, stehen hier zur modellbasierten Be rechnung eines Ausgangssignals 12 bereit. Die Phase, und somit das Drehmoment wird sofort nach Power-On im statischen und im dynamischen Fall berechnet. Vorzugsweise wird in jeden A/D-Wandler-Eingang (hier nicht gezeigt) durch Einfügen eines Sample&Hold-Verstärkers die Genauigkeit erhöht (kein zeitlicher Abtastfehler durch Multiplexer).
Beispiel b) SWT-Sensor, 2
Die in 2 dargestellte Schaltung weist im wesentlichen die gleichen Bauteile/-elemente auf, so dass lediglich die Unterschiede zu der Schaltung nach 1 beschrieben werden. In 2 liefert jedes Sensorelement 1, 1' am Ausgang 7, 7' genau ein Sinussignal. Auch hier werden jeweils für jedes Sensorelement Cosinus-Signale mittels analogen Differenziergliedern 4 bzw. 4' gebildet. Hierdurch ist eine untere Grenzfrequenz nötig. Auch hier kann durch Einfügen von Sample&Hold-Verstärker in jeden A/D-Wandler-Eingang die Genauigkeit erhöht werden.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren wird in der Schaltungsanordung gemäß Figur 1 ausgeführt:
1. Schritt
Messen der Sensorsignalspannungen Usin1, Ucos1, Usin2, Ucos2 zum Zeipunkt t = x.
2. Schritt

a) Berechnung von Usinl_max = Ucos1_max = √(Ssin1² + cos1²)
b) Berechnung von Usin2_max = Ucos2_max = √(sin2² + cos2²)
c) Berechnung von Usin1_normiert = Ucos1_normiert = Usin1/Usin1_max
d) Berechnung von Usin2_normiert = Ucos2_normiert = Usin2/Usin2_max

Durch die in Schritt 2 beschriebene Normierung der Eingangssignale lassen sich Amplitudenschwankungen beseitigen.
3. Schritt

Usin_diff = Usin2_normiert – Usin1_normiert
Ucos_diff = Ucos2_normiert – Ucos1_normiert

Die Subtraktion von zwei Sinus – bzw. Cosinusschwingungen ergibt wiederum eine Sinus – bzw. Cosinusschwingung, deren Amplituden von der Phasenverschiebung abhängen. Durch die Normierung in Schritt 2 ist diese Amplitude nur noch von der Phasenverschiebung der Ausgangssignale und nicht von deren Amplitude abhängig.
4. Schritt

Usin_diffmax ² = Usin_diff ² + Ucos_diff ²
Usin_diffmax = √(Usin_diff ² + Ucos_diff ²)

In Schritt 4 wird die Maximalamplitude von Usin_diff ermittelt. Usin_diffmax folgt der Funktion 2–2·cosa, wobei α die Phasenverschiebung der Eingangssignale ist. Die Ausgangskennlinie in Abhängigkeit des Differenzwinkels ist in nachfolgender 3 dargestellt.
5. Schritt

Berechnung von Δφ = arccos ((2- Usin_diffmax ²)/2)

In Schritt 4 wird der Differenzwinkel bestimmt. Das Ergebnis ist ein auf +/– 90°_elektrisch eindeutiger Winkelwert.
Es ist möglich, eine Erweiterung des Messbereichs auf +/– 180° durch differenzieren oben angeführter Funktion und Fallunterscheidung zu realisieren.
Neben dem in den Schritten 1 bis 5 angegebene Verfahren besteht alternativ die Möglichkeit eine Verarbeitung der vorliegenden Sensorsignale auf Basis von inversen Tangensfunktionen durchzuführen. Hierzu wird aus beiden Sinus- und Cosinusfunktionen der arctan-Wert errechnet und danach die Differenz beider Werte gebildet.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Phase durch Differenz-Zeitmessung der Nulldurchgänge relativ zur Periodendauer zu ermitteln.
Die Erfindung hat folgende Vorteile:
Beispiel 1

– Amplitudenschwankungen z.B. verursacht durch Luftspaltänderungen, Lagerspiel usw. gehen nicht in das Ergebnis ein.
– Einfacher Schaltungsaufbau durch minimale Anzahl von Komponenten: 2 Sensoren, ein 4-fach Operationverstärker, ein Mikrocontroller 2, ein Spannungsregler.

Beispiel 2

– Zur Ermittlung von Phasenverschiebung und Signalamplitude ist lediglich ein Rechenablauf nötig.
– Einfacher Schaltungsaufbau durch minimale Anzahl von Komponenten pro Rad: zwei Sensoren, zwei Differenzverstärker, zwei Differenzierglieder, Sample/Hold, ein Mikrocontroller mit 4-Kanal A/D-Wandler, Hierdurch wird drastische Kostenreduzierung erhalten.
– Keine Datenspeicherung notwendig,
– Phasenlage unabhängig vom Polteilungsfehler (da beide Signale von einer Quelle (Magnetspur) abgeleitet werden)
– Kein Lernen des Polmusters mehr nötig.
– Phaseninformation und Amplitudeninformation liegen zu jedem Zeitpunkt vor (bisher Berechnung nach Ablauf einer Periode)
– Amplitude wird errechnet und nicht mehr gemessen.

Besonders vorteilhaft ist anzusehen, daß mit geringstem Schaltungsaufwand, sowohl statisch als auch dynamisch, eine sehr genaue Phasenmessung durchgeführt werden kann, ohne die Vorgeschichte zu kennen. Es reicht das zeitgleiche Messen von vier Spannungswerten der Sinus- und Cosinusfunktionen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Phasenverschiebungen von sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz, mit den Schritten Ermitteln von vier zeitgleichen Spannungswerten, wobei jeweils ein Sinus- und ein Cosinuswert einem Sensor zugeordnet sind, Normieren der Spannungswerte bezüglich von Amplitudenschwankungen, und Ermitteln der Phasenverschiebung in einem Modell nach Maßgabe der normierten Spannungswerte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Normierung nach den Beziehungen Usin1_max = Ucos1_max = √(sin1² + cos1²) Usin2_max = Ucos2_max = √(sin2² + cos2²) Usin1_normiert = Ucos1_normiert = Usin1/Usin1_max Usin2_normiert = Ucos2_normiert = Usin2/Usin2_max erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die modellbasierten Schritte Ermitteln von Usin_diff durch Subtrahieren des zweiten Sinuswertes vom ersten Sinuswert Ermitteln von Ucos_diff durch Subtrahieren des zweiten Cosinuswertes vom ersten Cosinuswert und Ermitteln der Maximalamplitude von Usin_diff nach der Beziehung Usin_diffmax ² = Usin_diff ² + Ucos_diff ² Usin_diffmax = √(Usin_diff ² + Ucos_diff ²
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Usin_diffmax der Funktion 2–2·cosa folgt, wobei α die Phasenverschiebung der Eingangssignale ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ermittlung des Differenzwinkels nach der Beziehung Δφ = arccos ((2- Usin_diffmax ²)/2) erfolgt .
Ermittlung eines Lenkmoments bei einem Fahrzeug, gekennzeichnet durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Ermittlung von Kräften, die an einem Reifen eines Fahrzeugs angreifen, gekennzeichnet durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.