DE19928482A1 - Verfahren zum Offsetabgleich von Winkelsensoren - Google Patents
Verfahren zum Offsetabgleich von WinkelsensorenInfo
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Abstract
Verfahren zum Offsetabgleich von Winkelsensoren, welche einen zu bestimmenden Winkel auf der Grundlage eines dem Winkel zuordnenbaren Sinussignals und eines dem Winkel zuordnenbaren Cosinussignals bestimmen, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Bestimmung des Sinussignals und des Cosinussignals für wenigstens drei unterschiedliche Winkel zum Erhalt von wenigstens drei jeweils ein Sinussignal und ein Cosinussignal enthaltenden Wertepaaren, DOLLAR A - Darstellung der wenigstens drei Wertepaare in einem wenigstens zweidimensionalen, eine Sinussignal-Cosinussignalebene darstellenden Koordinatensystem und DOLLAR A - Bestimmung eines den abzugleichenden Offset darstellenden Punktes in dem Koordinatensystem, bezüglich dessen die wenigstens drei Wertepaare auf einem Kreisbogen liegen.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Offsetabgleich von Winkelsensoren, welche einen zu
bestimmenden Winkel auf der Grundlage eines dem Winkel
zuordnenbaren Sinus- und eines dem Winkel zuordnenbaren
Cosinus-Signals bestimmen.
Zur Messung von mechanischen Winkeln werden häufig
Meßmethoden eingesetzt, die auf der Auswertung von Sinus-
und Cosinus-Signalen eines Sensors beruhen. Als Beispiele
sind in diesem Zusammenhang zu nennen Resolver als
induktive Geber, anisotropische magnetoresistive Sensoren
(AMR-Sensoren), Sensoren, welche den giant
magnetoresistiven Effekt ausnutzen (GMR-Sensoren),
Hallsensoren als magnetische Winkelgeber sowie optische
oder mikromechanische Geber.
AMR-Sensoren werden beispielsweise zur Lenkradwinkelmessung
eingesetzt. Der zu bestimmende Winkel wird bei derartigen
Sensoren über eine elektronische Bearbeitung der Sinus- und
Cosinus-Signale des Sensors, welche dem zu bestimmenden
Winkel zuordenbar sind, bestimmt.
Die Winkelgenauigkeit derartiger Sinus-Cosinus-Sensoren
wird durch Offset-Effekte begrenzt. Offset-Effekte können
insbesondere bei Einsatz der Sensoren unter hohen
Temperaturen auftreten. Beispielsweise führt eine
Winkelmessung im Kfz-Motorraum, in welchem typischerweise
hohe Temperaturen herrschen, bei herkömmlichen
Winkelsensoren zu nicht zu vernachlässigenden
Offseteffekten. Hierdurch ist es notwendig, Fertigungs- und
Betriebstoleranzbänder für die mechanischen, magnetischen,
optischen oder mikromechanischen Bauteile derartiger
Sensoren möglichst niedrig anzusetzen, wodurch ihre
Bereitstellungskosten steigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines
Verfahrens, mit welchem in einfacher Weise die
Winkelgenauigkeit bei Winkelsensoren, insbesondere bei
Winkelmessungen unter hohen Temperaturen, verbessert werden
kann, ohne daß allzu strenge Anforderungen an
Betriebstoleranzbänder gestellt werden müssen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Offset eines
Winkelsensors in einfacher Weise während des Betriebes
berechnet und kompensiert werden. Hierdurch ist gegenüber
herkömmlichen Lösungen eine Erhöhung der Winkelgenauigkeit
möglich, insbesondere sind Winkelmessungen bei hohen
Temperaturen, beispielsweise im Kfz-Motorraum, in
zufriedenstellender Weise realisierbar. Die Erfindung
erlaubt eine Erhöhung der Fertigungs- bzw.
Betriebstoleranzbänder für die mechanischen, magnetischen,
optischen oder mikromechanischen Bauteile der eingesetzten
Sensoren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des
Offsets Osin des Sinussignals entsprechend einer Gleichung
Osin = 1/2 * {Ucos(1) - Ucos(3) + [((Usin(2) - Usin(1)) * (Usin(2) + Usin
(1))/(Ucos(2) - Ucos(1)] - [(Usin(3) - Usin(2)) * (Usin(3) + Usin(2)/
(Ucos(3) - Ucos(2)]}[(Usin(2) - Usin(1))/(Ucos(2) - Ucos(1) -
(Usin(3) - Usin(2))/(Ucos(3) - Ucos (2))],
und die Bestimmung des Offsets Ocos des Cosinussignals
entsprechend einer Gleichung
Ocos = 1/2 * {Usin(1) - Usin(3) + [((Ucos(2) - Ucos(1)) * (Ucos(2) +
Ucos(1))/(Usin(2) - Usin(1)] - [(Ucos(3) - Ucos(2)) * (Ucos(3) +
Ucos(2)/(Usin(3) - Usin(2)]}/[(Ucos(2) - Ucos(1))/(Usin(2) -
Usin(1)) - (Ucos(3) - Ucos(2))/(Usin(3) - Usin(2))],
wobei Usin(i), Ucos(i) die bestimmten Sensorsignale für die
Positionen i = 1, 2, 3 darstellen.
Die angegebenen Formeln beinhalten lediglich elementare
Operationen bezüglich dreier Meßwertpaare für jeweils
unterschiedliche Winkel. Weitere Berechnungsarten,
insbesondere trigonometrische Berechnungsarten, sind
ebenfalls möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der
beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 ein Schaubild zur schematischen Darstellung von
einem Winkel zuordnenbaren Sinus- bzw.
Cosinussignalen,
Fig. 2 ein Schaubild zur Darstellung des Offsets eines
idealen Sensors,
Fig. 3 ein Schaubild zur Darstellung des Offsets eines
realen Sensors, und
Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Grundlage
dreier unterschiedlicher Winkelstellungen eines
zu bestimmenden Winkels.
Zahlreiche Winkelsensoren erzeugen für bestimmte
Winkelstellungen, welche beispielsweise als Winkel zwischen
dem Sensor und einem drehbaren Dauermagneten darstellbar
sind, zwei verschiedene Signalwerte, welche den Sinus- bzw.
den Cosinus des zu bestimmenden Winkels entsprechen.
Derartige Sinus- bzw. Cosinussignale sind in Fig. 1
schematisch dargestellt. Ein cosinusförmiges Signal ist
hierbei mit Ucos, und ein sinusförmiges Signal mit Usin
bezeichnet. Man erkennt, daß bei einem Winkel ϕ von 0° ein
Signal Usin von 0, und ein Signal Ucos von 1 vorliegt, was
einem idealen Sensor ohne Offset entspricht. Die Signale
eines derartigen idealen Sensors für die Winkelmessung sind
Usin(ϕ) = A * sin(ϕ), und Ucos(ϕ) = A * cos(ϕ), wobei Usin und Ucos
die Sensorsignale sind, A die Amplitude des Signals und ϕ
den mechanischen Winkel darstellt. Auf der Grundlage zweier
derartiger Meßwerte kann der mechanische Winkel
beispielsweise durch die Beziehung arctan(Usin(ϕ)/Ucos(ϕ))
berechnet werden.
Der ideale Zustand, in welchem kein Offset der Signale des
Winkelsensors auftritt, ist noch einmal in Fig. 2 anhand
eines weiteren Schaubildes dargestellt. Hierbei ist auf der
Abszissenachse das Signal Usin, und auf der Ordinatenachse
das Signal Ucos aufgetragen. Da die Offsetwerte beider
Signale gleich 0 sind, d. h. Osin = 0 und Ocos = 0, liegen
sämtliche erfaßten Wertepaare Ucos, Usin auf einem
Kreisbogen K.
Bei realen bzw. verfügbaren Winkelsensoren tritt jedoch
bezüglich beider Signale ein Offset auf, so daß sich
ergibt:
Usin (ϕ) = Osin + A * sin (ϕ), und
Ucos (ϕ) = Ocos + A * cos (ϕ).
Usin (ϕ) = Osin + A * sin (ϕ), und
Ucos (ϕ) = Ocos + A * cos (ϕ).
Das Auftreten eines derartigen Offsets verfälscht
tatsächlich durchgeführte Winkelmessungen. Dieser reale
Zustand ist in Fig. 3 dargestellt. Man erkennt, daß die
Offsetwerte Osin und Ocos von 0 verschieden sind. Die bei
Vorliegen eines derartigen Offsets erhaltenen Wertepaare
liegen auf einem Kreisbogen K', welcher jedoch nicht den
idealen Nullpunkt, sondern den Punkt (Osin, Ocos) als
Mittelpunkt besitzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun eine einfache
Bestimmung der Offsetwerte Osin und Ocos, so daß auf der
Grundlage dieser bestimmten Offsetwerte eine bereinigte
Winkelberechnung durchführbar ist.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem liegt in der
Bestimmung des Mittelpunktes eines Kreises, von dem
lediglich unterschiedliche Punkte auf dem Kreisbogen
bekannt sind.
Die Lösung dieses Problems wird nun anhand der Fig. 4
näher erläutert. In dem dort dargestellten Beispiel wird
der Mittelpunkt 0 des Kreises auf der Grundlage dreier
Punkte 1, 2, 3, welche auf dem Kreisbogen K' liegen,
bestimmt. Die Koordinaten der jeweiligen Punkte lauten:
1: Usin(1), Ucos(1),
2: Usin(2), Ucos(2), und
3: Usin(3), Ucos(3).
1: Usin(1), Ucos(1),
2: Usin(2), Ucos(2), und
3: Usin(3), Ucos(3).
Im vorliegenden Beispiel wird also die Bestimmung des
Mittelpunkts 0 des Kreises K' auf der Grundlage der drei
Kreispunkte 1, 2, 3 dargestellt. Hierbei entsprechen die
Koordinaten des Kreismittelpunktes 0 den Koordinaten des
Offsets, nämlich Osin, Ocos.
Da alle drei Punkte auf dem Kreis K' liegen, gelten die
folgenden Bedingungen:
[(Ocos - Ucos(1)] * [(Ocos - Ucos(1)] + [(Osin - Usin(1)] * [(Osin -
Usin(1)] = [(Ocos - Ucos(2)] * [(Ocos - Ucos(2)] + [(Osin - Usin(2)] *
[(Osin - Usin(2)],
und
[(Ocos - Ucos(2)] * [(Ocos - Ucos(2)] + [(Osin - Usin(2)] * [(Osin -
Usin(2)] = [(Ocos - Ucos(3)] * [(Ocos - Ucos(3)] + [(Osin - Usin(3)] *
[(Osin - Usin(3)].
Durch Lösung dieser Gleichungen ergeben sich die folgenden
Werte für die Koordinaten des Mittelpunktes des Kreises K',
d. h. die Offsetwerte Osin, Ocos:
Osin = 1/2 * {Ucos(1) - Ucos(3) + [((Usin(2) - Usin(1)) * (Usin(2) + Usin
(1))/(Ucos(2) - Ucos(1)] - [(Usin(3) - Usin(2)) * (Usin(3) + Usin(2)/
(Ucos(3) - Ucos(2)]}/[(Usin(2) - Usin(1))/(Ucos(2) - Ucos(1) -
(Usin(3) - Usin(2))/(Ucos(3) - Ucos(2))],
Ocos = 1/2 * {Usin(1) - Usin(3) + [((Ucos(2) - Ucos(1)) * (Ucos(2) +
Ucos(1))/(Usin(2) - Usin(1)] - [(Ucos(3) - Ucos(2)) * (Ucos(3) +
Ucos(2)/(Usin(3) - Usin(2)]}/[(Ucos(2) - Ucos(1))/(Usin(2) -
Usin(1)) - (Ucos(3) - Ucos(2))/(Usin(3) - Usin(2))].
Die Formeln zur Darstellung der Offsetwerte Osin, Ocos
beinhalten lediglich elementare Operationen der drei
Meßwertpaare bei den unterschiedlichen Winkeln. Die
Offsetwerte Osin, Ocos sind daher auf der Grundlage des
angegebenen Berechnungsverfahrens in einfacher Weise
bestimmbar.
Es sei angemerkt, daß sich die Temperatur während der
Erfassung der drei Meßwertpaare 1, 2, 3 nicht verändern
sollte, da der Radius des Kreises K' von der Temperatur
abhängig ist, so daß Temperaturänderungen zu
Ungenauigkeiten führen können.
An sich bekannte mathematische Rechenverfahren zur
Winkelberechnung auf der Grundlage von Sinus- bzw.
Cosinussignalen können erfindungsgemäß um den dargestellten
automatischen Offsetabgleich erweitert werden.
Das dargestellte Verfahren erlaubt einen automatischen
Offsetabgleich bei dynamischen Drehbewegungen. An den
eigentlichen Sensoren wird keine Änderung durchgeführt, sei
es vom Layout, der Verpackung oder der Herstellung. Die
Änderung findet lediglich an einer Auswerteschaltung statt,
so daß herkömmliche Sensoren bei entsprechender
Modifikation der Auswerteschaltung weiter verwendbar sind.
Wenn die Auswerteschaltung einem Mikroprozessor zugeordnet
ist, muß lediglich die Software geändert werden, indem das
angegebene Rechenverfahren für die Berechnung und
Kompensation des Offsets eingefügt wird. Selbstverständlich
sind ebenfalls hardwaremäßige Erweiterungen der
Auswerteelektronik denkbar. Mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten sowie
neue Diagnosemöglichkeiten für sicherheitsrelevante
Systeme. Als Beispiele seien in diesem Zusammenhang genannt
ESP (electronic stability program), sowie EPS (electronic
power steering) mit Sensoren für Lenkradwinkel-
Drosselverstell- und Drehmomentmessungen.
Das dargestellte Verfahren ist insbesondere bei der
berührungslosen Lenkradwinkelmessung und Drehmomentmessung,
unabhängig von einem eingesetzten Meß- bzw. Sensorprinzip,
vorteilhaft einsetzbar.
Claims (2)
1. Verfahren zum Offsetabgleich von Winkelsensoren, welche
einen zu bestimmenden Winkel auf der Grundlage eines dem
Winkel zuordnenbaren Sinussignals und eines dem Winkel
zuordnenbaren Cosinussignals bestimmen, mit folgenden
Schritten:
- - Bestimmung des Sinussignals und des Cosinussignals für wenigstens drei unterschiedliche Winkel (1, 2, 3) zum Erhalt von wenigstens drei jeweils ein Sinussignal und ein Cosinussignal enthaltenden Wertepaaren (Usin(1), Ucos(1); Usin(2), Ucos(2); Usin(3), Ucos(3));
- - Darstellung der wenigstens drei Wertepaare in einem wenigstens zweidimensionalen, eine Sinussignal- Cosinussignalebene darstellenden Koordinatensystem, und
- - Bestimmung eines den abzugleichenden Offset darstellenden Punktes in dem Koordinatensystem, bezüglich dessen die wenigstens drei Wertepaare auf einem Kreisbogen liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Offset Osin des Sinussignals entsprechend einer
Gleichung
Osin = 1/2 * {Ucos(1) - Ucos(3) + [((Usin(2) - Usin(1)) * (Usin(2) + Usin(1))/(Ucos(2) - Ucos(1) - [(Usin(3) - Usin(2)) * (Usin(3) + Usin(2)/(Ucos(3) - Ucos(2)]}/[(Usin(2) - Usin(1))/(Ucos(2) - Ucos(1) - (Usin(3) - Usin(2))/(Ucos(3) - Ucos(2))]
und der Offset Ocos des Cosinussignals entsprechend einer Gleichung
Ocos = 1/2 * {Usin(1) - Usin(3) + [((Ucos(2) - Ucos(1)) * (Ucos(2) + Ucos(1))/(Usin(2) - Usin(1)] - [(Ucos(3) - Ucos(2)) * (Ucos(3) + Ucos(2)/(Usin(3) - Usin(2)]}/[(Ucos(2) - Ucos(1))/(Usin(2) - Usin(1)) - (Ucos(3) - Ucos(2))/(Usin(3) - Usin(2))]
bestimmt wird,
wobei Usin(i), Ucos(i) die bestimmten Sensorsignale für die Positionen i = 1, 2, 3 darstellen.
Osin = 1/2 * {Ucos(1) - Ucos(3) + [((Usin(2) - Usin(1)) * (Usin(2) + Usin(1))/(Ucos(2) - Ucos(1) - [(Usin(3) - Usin(2)) * (Usin(3) + Usin(2)/(Ucos(3) - Ucos(2)]}/[(Usin(2) - Usin(1))/(Ucos(2) - Ucos(1) - (Usin(3) - Usin(2))/(Ucos(3) - Ucos(2))]
und der Offset Ocos des Cosinussignals entsprechend einer Gleichung
Ocos = 1/2 * {Usin(1) - Usin(3) + [((Ucos(2) - Ucos(1)) * (Ucos(2) + Ucos(1))/(Usin(2) - Usin(1)] - [(Ucos(3) - Ucos(2)) * (Ucos(3) + Ucos(2)/(Usin(3) - Usin(2)]}/[(Ucos(2) - Ucos(1))/(Usin(2) - Usin(1)) - (Ucos(3) - Ucos(2))/(Usin(3) - Usin(2))]
bestimmt wird,
wobei Usin(i), Ucos(i) die bestimmten Sensorsignale für die Positionen i = 1, 2, 3 darstellen.
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