DE10345734B4

DE10345734B4 - Verfahren und Anordnung zur Korrektur der Auswertung der Schaltschwellen bei einer Magnetsensoranordnung

Info

Publication number: DE10345734B4
Application number: DE10345734A
Authority: DE
Inventors: Klaus Walter; Rasmus Rettig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: US20050073297A1; US6888345B2; FR2860587B1; FR2860587A1; DE10345734A1; JP2005106822A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Korrektur der Auswertung der Schaltschwellen bei einer Magnetsensoranordnung vorgeschlagen, bei dem die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Schaltflanken dadurch ausgewertet werden, dass das Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes (12; 11) zu einer Signalabgabe führt. Im Verlauf eines Messzyklusses für jede 1) dadurch festgelegt, dass das jeweiligen Maximum und Minimum jeder Schaltflanke ermittelt und der hieraus ermittelte Mittelwert als individueller Schwellwert (11) nichtflüchtig abgespeichert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur der Auswertung der Schaltschwellen der Signale einer Magnetsensoranordnung, insbesondere zur Auswertung der Bewegung eines Geberrades, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bekannt sind hierbei sogenannte aktive Drehzahl- und Positionssensoren, wie sie z. B. zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Diese Sensoren arbeiten als Phasengeber, Drehzahlgeber oder als sogenannter Drehzahlfühler, wobei die im Zusammenhang mit diesen Sensoren eingesetzten integrierten Schaltungen zur Messwerterfassung- und auswertung, z. B. sogenannte Sensor-ASICs, bei einer magnetischen Stimulation aus jeder magnetischen Flanke eine elektrische Flanke, d. h. einen Wechsel eines binären Ausgangssignals von Low nach High oder umgekehrt oder einen elektrischen Puls definierter Länge erzeugen.
Für sich gesehen sind magnetische Sensoren bekannt, die beispielsweise mit festen Schaltschwellen arbeiten. Diese Sensorschaltkreise haben feste Schaltschwellen ohne Korrekturmöglichkeiten, wodurch Geberradfehler daher direkt im Ausgangssignal des Sensors wiedergegeben werden. Es gibt andererseits auch sogenannte selbstkalibrierende Sensoren, die die Minima und Maxima der Messwertes bestimmen und dann ihre Schaltschwelle z. B. auf einen generellen Mittelwert korrigieren. Hierbei ändern Fehler im Geberrad die Amplituden von Extrema, die für die Bestimmung der Schaltschwellenkorrektur herangezogen werden und erzeugen damit Fehler im Ausgangssignal des Sensors.
Weiterhin sind für sich gesehen auch programmierbare Sensoren bekannt, bei denen zusätzlich zu einer Selbstkalibrierung eine Einschaltschaltschwelle sowie eine Position der Zielschaltschwelle zwischen den magnetischen Extrema nichtflüchtig programmiert werden kann. Beides erfolgt integral für das ganze Geberrad, wobei auch in diesem Fall Exzentrizitäten im Geberrad Winkelfehler in den Ausgangssignalen des Sensors erzeugen können.
In allen diesen Fällen können somit Geberradfehlern, wie z. B. Teilungsfehlern bei Multipolrädern oder auch Exzentrizitäten, z. B. von Nockenwellengeberrädern, nicht gezielt korrigiert werden.
Es ist beispielsweise aus der DE 197 50 304 A1 eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung mittels eines Impulsrades bekannt, bei der eine Drehrichtungserkennung dadurch möglich ist, dass in einer Drehrichtung eine Änderung des Abstandes der impulsauslösendenden Elemente vorgenommen worden ist und sich damit das Tastverhältnis ändert.
Die Offenlegungsschrift DE 19749791 A1 befasst sich mit einem Auswerteverfahren für ein Ausgangssignal einer Sensoreinrichtung, die aus einem mit äquidistant angeordneten Zähnen versehenen, drehbaren Polrad und einem induktiven Sensor besteht. Mittels des Auswerteverfahrens werden Beschädigungen an dem Polrad, insbesondere defekte oder fehlende Zähne, zuverlässig erkannt und angezeigt. Zur Erkennung einer Beschädigung an dem Polrad werden die während einer vollständigen Umdrehung auftretenden, plötzlichen Änderungen in dem Ausgangssignal registriert und mit bereits zuvor registrierten Änderungen aus einer vorhergehenden, vollständigen Umdrehung verglichen.
Die Patentschrift EP 05 63 347 B1 befasst sich mit einem Verfahren zur Adaption von mechanischen Toleranzen eines Geberrades, das mit einer sich drehenden Welle einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht und eine Anzahl von Markierungen aufweist, deren Abstände näherungsweise gleich sind. Ferner ist ein Aufnehmer vorhanden, der das sich drehende Geberrad abtastet und eine von der Lage der Markierungen abhängige Pulsfolge liefert. Eine der Anzahl der Markierungen entsprechende Anzahl von Segmentdauern wird ermittelt und für die zweite und jede folgende Segmentdauer wird die Abweichung zur ersten Segmentdauer bestimmt.
Die Offenlegungsschrift DE 10 139 149 A1 befasst sich mit einem Sensor beschrieben, dessen Ausgangssignal davon abhängt, ob eine erfasste Größe über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Der beschriebene Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er während des Betriebes überprüft, ob durch einen bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert eine ordnungsgemäße Festlegung des auszugebenden Signals gewährleistet werden kann, und dass er dann, wenn festgestellt wird, dass dies nicht der Fall ist, eine diesen Umstand repräsentierende Information ausgibt.
Die Offenlegungsschrift WO 01/122037 A1 beschreibt ein Sensorsystem welches magnetische Sensierungselemente und Schaltkreise umfasst, mittels derer die An- beziehungsweise Abwesenheit eines Gegenstands, beispielsweise eines Zahns eines Getrieberades in einem ersten Betriebsmodus festgestellt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Bei einer Weiterbildung des eingangs genannten Verfahrens zur Korrektur der Auswertung der Schaltschwellen bei einer Magnetsensoranordnung, bei dem die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Schaltflanken dadurch ausgewertet werden, dass das Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes zu einer Signalabgabe führt, wird erfindungemäß in vorteilhafter Weise im Verlauf eines Messzyklusses für jede Schaltflanke eine individueller Schwellwert festgelegt. Diese Festlegung erfolgt hier dadurch, dass das jeweiligen Maximum und Minimum jeder Schaltflanke ermittelt und der hieraus ermittelte Mittelwert als individueller Schwellwert nichtflüchtig abgespeichert wird.
Kern der Erfindung ist somit die nichtflüchtige Speicherung und Einzelkorrektur der Schaltschwellen für jede einzelne magnetische Flanke, so dass Fehlers des Geberelements korrigiert werden können. Es wird damit auf einfache Weise eine Verbesserung der eingangs erwähnten Sensoren dahingehend erreicht, so dass Ungenauigkeiten, welche durch Fehler in der magnetischen Stimulation, wie z. B. durch Teilungsfehler oder Exzentrizitäten in einem Geberrad als Geberelement entstehen, minimiert oder vollständig unterdrückt werden können und eine optimale Anpassung zwischen dem Geberelement und dem Sensor zu erreichen ist.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Beginn eines Messzyklusses durch eine Markierung auf dem Geberelement in Form einer erhöhten Periodenlänge zwischen zwei Schaltflanken erkennbar wird. Alternativ kann der Beginn eines Messzyklusses auch durch eine Markierung auf dem Geberelement in Form eines erhöhten magnetischen Maximums erkannt werden.
Bei der Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors kann ein voreingestellter Wert für jeden Schwellwert gespeichert sein, der jeweils beim ersten Durchlauf eines Messzyklusses korrigiert wird.
Mit einem Rechenbaustein zur Auswertung der jeweiligen Maxima und Minima der Schaltflanken kann auf einfache Weise eine Berechnung des jeweiligen Mittelwertes als Schwellwert durchgeführt werden. Weiterhin kann in vorteilhafter Weise ein nichtflüchtiger Speicherbaustein vorgesehen werden, in dem die jeweiligen Schwellwerte eines Messzyklusses abgespeichert werden.
Die Magnetsensoranordnung kann bevorzugt zur Auswertung der Umdrehung oder des Drehwinkels eines Geberrades als Geberelement herangezogen werden, wobei die Schaltflanken durch magnetfeldbeeinflussende oder -erzeugende Bauteile erzeugt werden und die Sensoren Hall-Elemente oder magnetoresistive Elemente sind, die auf einer AMR- oder GMR-Basis aufgebaut sind.
Mit der Erfindung können über eine Einzelkorrektur der Schaltschwelle für jede einzelne Schaltflanke hinaus, auch globale Korrekturen, wie Z. B. Temperaturkompensation oder auch eine globale Amplitudenkorrektur auf einfache Weise genutzt werden. Die Programmierung der Einzelschaltschwellen sollte dabei am wirklich genutzten Geberrad ggf. sogar entsprechend der Anwendung im Motor oder auch im Fahrzeug erfolgen. Es ist somit gewährleistet, dass durch die Einzelkorrektur der Schaltschwelle für jede einzelne magnetische Flanke, die Fehler des Geberrades lokal korrigiert werden können.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Korrektur der Schaltsignale eines Geberrades in einer Magnetsensoranordnung,
2 und 3 jeweils eine Darstellung von Schaltflanken der Magnetsensoranordnung in Bezug auf eine feste Schaltschwelle ohne große Fehlereinflüsse sowie eine Darstellung von Schaltflanken der Magnetsensoranordnung in Bezug auf eine feste Schaltschwelle mit Fehlereinflüssen und
4 eine Darstellung von Schaltflanken der Magnetsensoranordnung mit erfindungsgemäßen individuell eingestellten Schwellwerten bei den Schaltflanken.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erfassung der Drehbewegung eines im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannten und hier nicht dargestellten Geberrades, z. B. zur Erzeugung von Impulsen für vorgegebene Drehwinkel, relativ zu einer Sensoranordnung gezeigt.
1 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zunächst ein hier nicht näher dargestellter Sensor in einem nichtprogrammierten Zustand beispielsweise in eine Kraftfahrzeug eingebracht wird und nun ein Testbetrieb zur Kalibrierung erfolgt. Nach dem Einschalten der Sensoranordnung wird eine in den Blöcken 1 und 2 prinzipiell angegebene Synchronisation der Sensoranordnung mit dem Geberrad durchgeführt.
Im Block 3 nach der 1 ist dann der Synchronbetrieb mit der jeweils aktualisierten Schaltschwelle für jede einzelne Schaltflanke angegeben, wobei aus -einem nichtflüchtigen Speicher gemäß Block 4 Sn Werte (mit n = Anzahl der Perioden eines Geberrades) ausgelesen und die Schaltschwelle für jede einzelne Flanke eines magnetischen Pulses aktualisiert wird. Es folgt dann gemäß Block 5 der Synchronbetrieb mit Korrektur. Während des nachfolgenden Betriebes können dann die Einzelschaltschwellen gezielt einzeln z. B. durch eine Mittelwertbildung der lokalen Minima und Maxima oder durch globale Korrekturen, wie z. B. einer Temperaturkorrektur korrigiert werden, wobei die Berücksichtigung der im Rahmen des Kalibrierungsprozesses nichtflüchtig gespeicherten Einzelschaltschwellen zur Korrektur von Geberradfehlern besonders vorteilhaft ist.
In 2 und 3 ist zur Erläuterung des Hintergrundes der Erfindung dargestellt, wie sich die Amplituden A eines Ausgangssignals 6 einer Magnetsensoranordnung während der Erfassung über der Zeit t verhält, wenn keine oder eine deutliche Exzentrizität des Geberrades vorhanden ist und eine übliche feste Schaltschwelle 7 eingestellt ist. Während in dem Fall ohne Exzentrizität nach der 2 keine großen Fehler zwischen der festen Schaltschwelle 7 und einem jeweiligen Mittelwert 8 der Schaltflankenmaxima und -minima erzeugt werden, so treten bei einer deutlichen Exzentrizität des Geberrades nach dem Verlauf des Ausgangssignals 6 aus der 3 hier signifikante Abweichungen auf.
Die erfindungsgemäß angegebenen Verfahrensmerkmale mit einer individuellen Schaltschwelle gemäß des Kurvenverlaufs 10 aus 4 können bei einer Magnetsensoranordnung zur Drehwinkelerfassung, beispielsweise an Aggregaten in einem Kraftfahrzeug, mit einem sogenannten Sensor-ASIC als integrierter Schaltkreis realisiert werden. Dieser Sensor-ASIC ermöglicht eine spezifisch programmierbare Schaltschwelle 11 für jede einzelne magnetische Flanke sowie eine voreingestellte sog. Default-Schaltschwelle 12 für den Einschaltzustand im Synchronisationsbereich 13 der 4.
Ein solcher Schaltkreis verfügt notwendigerweise über einen nichtflüchtigen Speicher, der beispielsweise in Form eines PROMs oder (E)EPROMs ausgeführt sein kann. Weiterhin verfügt der Schaltkreis über eine Schnittstelle, über die die einzelnen Schaltschwellen angesprochen und verändert werden können. Über die Schaltschwellen hinaus wird auch die Anzahl n an magnetischen Perioden in einer Umdrehung des Geberrades hinterlegt.
Um die programmierten Schaltschwellen an der richtigen Position des Geberrades zu aktivieren muss der Schaltkreis die Referenz- oder Nullposition des Geberrades erkennen. Die Erkennung kann entweder über eine Markierung, wie z. B. einer deutlich, z. B. um einen Faktor 2, erhöhten Periodenlänge, beispielsweise breite Lücke/breiter Zahn, oder auch durch die Nutzung eines absoluten magnetischen Maximums 14 nach der 4 auf dem Geberradumfang geschehen.
Nach dem Einschalten startet die Sensoranordnung nach dem Block 1 aus der 1 mit der programmierten Default-Schaltschwelle 12 und es erfolgt die Synchronisation gemäß Block 2 aus der 1 und dem Bereich 13 nach der 4. Hierbei bestimmt und merkt die Sensoranordnung Minima und Maxima der magnetischen Amplituden des Verlaufs 10 sowie ihre zeitlichen Positionen und zählt, wie oft die voreingestellte Default-Schaltschwelle 12 durchschritten wird. Nachdem das Geberrad eine volle Umdrehung durchlaufen hat, d. h. 2·n mal die Schaltschwelle durchschritten wurde, wird die Referenzflanke ermittelt.
Hierzu kann, wie zuvor beschrieben, im einfachsten Fall die dem absoluten Maximum 14 einer Umdrehung des Geberrades folgende magnetische Flanke verwendet werden, die sich nach einer vollen Umdrehung eindeutig erkennen lässt. Sobald diese wieder durchlaufen wird ist die Synchronisation nach dem Bereich 13 abgeschlossen und der Sensor ändert gemäß Block 3 nach der 1 und in dem an den Bereich 13 anschließenden Bereich der 4 seine Schaltschwelle 11 entsprechend seiner internen Liste im nichtflüchtigen Speicher und kann auf diese Weise z. B. Exzentrizitäten des Geberrades gezielt korrigieren. Der Zeitpunkt des Wechsels der Schaltschwelle von einem Listeneintrag zum nächsten ist dabei in einer Weise zu wählen, dass es nicht zu Doppelpulsen kommt.

Claims

Verfahren zur Korrektur der Auswertung der Schaltschwellen bei einer Magnetsensoranordnung, bei dem – die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Schaltflanken dadurch ausgewertet werden, dass das Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes (9; 6) zu einer Signalabgabe führt, dadurch gekennzeichnet, dass – im Verlauf eines Messzyklusses für jede Schaltflanke ein individueller Schwellwert (11) dadurch festgelegt wird, dass das jeweiligen Maximum und Minimum jeder Schaltflanke ermittelt und der hieraus ermittelte Mittelwert als individueller Schwellwert (11) nichtflüchtig abgespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Beginn eines Messzyklusses durch eine Markierung auf dem Geberelement in Form einer erhöhten Periodenlänge zwischen zwei Schaltflanken erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Beginn eines Messzyklusses durch eine Markierung auf dem Geberelement in Form eines erhöhten magnetischen Maximums (14) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – bei der Inbetriebnahme der Magnetsensoranordnung ein voreingestellter Wert (12) für den Schwellwert gespeichert ist, der nach dem ersten Durchlauf eines Messzyklusses korrigiert wird.
Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Magnetsensoranordnung zwei magnetfeldempfindliche Sensoren aufweist, die ortsnah dem zu erfassenden Element gegenüberliegen und jeweils ein, dem vom Element beeinflussten Magnetfeld entsprechendes, Signal abgeben, wobei – ein Rechenbaustein zur Auswertung der jeweiligen Maxima und Minima der Schaltflanken und zur Berechnung des jeweiligen Mittelwertes als Schwellwert (11) sowie ein nichtflüchtiger Speicherbaustein vorhanden ist, in dem die jeweiligen Schwellwerte (11) eines Messzyklusses abgespeichert werden.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Magnetsensoranordnung zur Auswertung der Umdrehung oder des Drehwinkels eines Geberrades als Geberelement angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaltflanken durch magnetfeldbeeinflussende oder -erzeugende Bauteile erzeugt werden und die Sensoren Hall-Elemente oder magnetoresistive Elemente sind, die auf einer AMR- oder GMR-Basis aufgebaut sind.