DE19928482A1

DE19928482A1 - Verfahren zum Offsetabgleich von Winkelsensoren

Info

Publication number: DE19928482A1
Application number: DE19928482A
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart; Franz Jost
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2000-12-28
Also published as: WO2000079220A1; JP2003502681A; EP1105697A1; AU5964200A; US6496784B1

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).

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).

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

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.