DE4220883B4

DE4220883B4 - Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors

Info

Publication number: DE4220883B4
Application number: DE4220883A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Phys. Dr. Schwendemann; Andreas Dipl.-Ing. Koch (Fh)
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2012-06-26
Also published as: DE4220883A1

Abstract

Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors, zur Bestimmung des Drehwinkels Lw einer Welle, insbesondere der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, der zwei gegeneinander verschobene, sich nach einer Umdrehung der Welle wiederholende Feinsignale u1, u2 erzeugt, die in einem Bereich positive und in einem Bereich negative Steigungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Feinsignale u1, u2 gleichzeitig zur Winkelbestimmung verwertet werden, wobei der Bereich, der einer Umdrehung der Welle entspricht, in vier Quadranten eingeteilt wird und eine Gewichtungsfunktion G1(Lw) so definiert wird, daß sie die Feinsignale u1, u2 in vorgebbaren Bereichen an den Quadrantengrenzen unterdrückt und die Gewichtungsfunktion G1 so festgelegt wird, daß sie in einem ersten Bereich (13) den Wert 0 und in einem zweiten Bereich (14) den Wert 1 aufweist und in den dazwischenliegenden Bereichen (15, 16) lineare positive bzw. negative Steigung aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors zur Bestimmung der Stellung einer Welle, insbesondere der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Erkennung der genauen Stellung der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs werden Lenkwinkelsensoren bzw. Lenkradwinkelsensoren eingesetzt, die aus einem ersten Sensorelement, das ein, den gesamten möglichen Drehbereich der Lenksäule abdeckendes Grobsignal erzeugt und zwei weiteren Sensorelementen, die zwei, üblicherweise um 90° gegeneinander verschobene Feinsignale erzeugen, bestehen. Die Feinsignale wiederholen sich nach einer Umdrehung der Welle, d.h., sie sind periodisch mit einer Periodendauer von 360° bezogen auf den Lenkradwinkel.

Die Feinsignale sind über einen weiten Bereich linear, im Bereich ihrer Maxima und Minima sind sie jedoch nicht linear und damit schwer auszuwerten.

Ein Lenkwinkelsensor, der ein Grobsignal und zwei Feinsignale erzeugt, ist beispielsweise aus der DE 40 18 187 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist der genaue Aufbau des Lenkwinkelsensors beschrieben und es wird weiterhin angedeutet, daß Probleme beim Auswerten der von diesen Sensor gelieferten Ausgangssignale bestehen. Wie diese Probleme gelöst werden können, wird jedoch nicht angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß eine einfache Auswertemöglichkeit gegeben wird, bei der zur Erkennung der Stellung einer Welle mittels eines Lenkwinkelsensors gleichzeitig das Grobsignal und die beiden Feinsignale ausgewertet werden, wobei durch eine Gewichtungsfunktion die problematischen Stellen ausgeblendet bzw, unterdrückt werden können.

Durch Invertierung der Feinsignale in den Bereichen, in denen sie negative Steigung aufweisen, ist eine besonders zuverlässige Auswertung möglich, Sprünge in den berechneten Winkellagen bzw. Lenkwinkel werden vermieden.

Das Auswerten der Feinsignale ohne vorhergehende Invertierung spart Speicherplatz und weist ebenfalls die Vorteile auf, daß bei der Berechnung des Lenkwinkels keine Hysterese auftritt, unabhängig von der Lenkrichtung und daß außerdem die abgerundeten Spitzen bzw. Minima und Maxima der Feinsignale ebenfalls vollständig ausgeblendet werden. Lenkwinkelsprünge werden ebenfalls zuverlässig vermieden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

Zeichnung
In der Zeichnung sind Kennlinien, wie sie von einem Lenkwinkelsensor abgegeben werden, dargestellt. Solche Kennlinien werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Lenkradwinkelbestimmung ausgewertet.
In 1 ist das Grobsignal sowie die beiden Feinsignale über den Lenkradwinkel aufgetragen, 2 zeigt einen Ausschnitt der Feinsignalkennlinien, 3 zeigt die umgerechneten Kennlinien nach einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren und in 4 ist die Gewichtungsfunktion für die Kennlinie 1 aufgetragen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die von einem, beispielsweise aus der DE 40 18 187 A1 bekannten Lenkwinkelsensor abgegebenen Ausgangssignale sind in 1 dargestellt. Dabei sind Spannungen ug, u1, u2 in Volt (V) über dem Lenkradwinkel LW in Grad (°) dargestellt.
Die Kurve ug stellt den Spannungsverlauf des Grobsignales dar, das über den gesamten möglichen Lenkradwinkel zwischen – 720° und + 720° betrachtet, kontinuierlich ansteigt. Die Spannungsverläufe u1 und u2 sind die Feinsignale, die eine Periode von 360° aufweisen und gegeneinander um 90° versetzt sind.
In 2 sind die Feinsignale u1, u2 vergrößert dargestellt, gleichzeitig sind einzelne Quadranten Q1, Q2, Q3, Q4 angegeben, in die der Lenkradwinkel unterteilt wird.
In 2 sind weiterhin Spannungsgrenzwerte definiert, die den linearen Kennlinienbereich vom nichtlinearen trennen, dabei ist der obere Grenzwert mit ug1 bezeichnet und der untere mit ug2. Die Maxima der nicht. abgerundeten theoretischen Kennlinien sind mit umax bezeichnet, die Minima entsprechend mit umin.
In 3 sind die umgerechneten Feinsignale u1' und u2' abgebildet. Die Kennlinien mit negativer Steigung werden bezüglich um invertiert, so daß nur noch Kennlinien mit positiver Steigung auftreten. Diese Invertierung erfolgt dabei quadrantenweise, wie 2 zu entnehmen ist.
Das Feinsignal u1 nach 2 wird in den Quadranten 4 und 3 invertiert, das Feinsignal u2 wird in den Quadranten 1 und 4 invertiert. Die in den 2 und 3 mit 10, 11 und 12 bezeichneten Punkte verdeutlichen, wie sich die Schnittpunkte der Feinsignale u1, u2 bzw. der durch geeignete Invertierung erzeugten Feinsignale u1', u2' mit den oberen und unteren Grenzwerten ug1, ug2 bei der Invertierung verschieben.
In 4 ist die Gewichtsfunktion G1 über dem Lenkradwinkel LW aufgetragen, diese Gewichtungsfunktion schwankt zwischen dem Wert 0 und dem Wert 1, dabei ist jeweils ein Bereich 13 = 0, ein Bereich 14 = 1 und die dazwischenliegenden Bereiche 16 und 17 weisen konstante Steigungen (positiv bzw. negativ) auf.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors, bei dem die drei in 1 dargestellten Signale bzw. Spannungsverläufe ug, u1, u2 ausgewertet werden, ist in einem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, die Feinsignale u1', u2' so auszuwerten, daß aus dem Feinsignal u1' ein Lenkradwinkel Lw1 berechnet wird und aus dem Feinsignal u2' ein Lenkradwinkel Lw2.
Diese Berechnung erfolgt, indem die Spannung u1', u2' durch die Steigung m der Feinsignalkennlinien dividiert wird und zu diesem Wert eine Konstante k(Qu) in Abhängigkeit vom Quadranten und eine Konstante k(Um) in Abhängigkeit vom Umdrehungszähler, der beim Beginn jeder Messung initialisiert wird, addiert wird. Weitere Konstanten, von denen eine vom Nullpunktoffset (k(Off)) sowie eine von der Phasenbeziehung (k(Ph)) abhängt, werden noch addiert. Die Berechnungen erfolgen demnach nach der Gleichung: Lw1,2 = u1',2'/m + k(Qu) + k(Um) + k(Off) + k(Ph)
Die Berechnung des Lenkradwinkels Lw erfolgt aus den beiden Lenkwinkeln Lw1 und Lw2, indem diese in geeigneter Weise mit der in 4 dargestellten Gewichtsfunktion G1 multipliziert werden. Dabei gilt: Lw = G1·Lw1 + (1 – G1)·Lw2
Bei dieser Berechnung des Lenkradwinkels wird sichergestellt, daß stets beide Feinsignale zur Berechnung herangezogen werden, die kritischen Bereiche der Feinsignale, in denen diese nichtlinear sind, werden gerade ausgeblendet, so daß keine Ungenauigkeiten auftreten können.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Feinsignale nicht wie in 3 dargestellt so aufbereitet, daß keine negativen Steigungen mehr vorhanden sind, sondern es werden direkt die in 2 dargestellten Feinsignale u1, u2 ausgewertet. Dazu werden die Lenkradwinkel Lw1 bzw. Lw2 aus dem Feinsignal u1 bzw. u2 quadrantenweise berechnet. Es gelten dabei die folgenden Formeln:
für Quadrant 1 bzw. 2: Lw1 = 180°·(u1 – umin)/umax – umin) – k1(Ph) für Quadrant 3 bzw. 4: Lw1 = 180°·(umax – u1)/umax – umin) – k2(Ph) für Quadrant 2 bzw. 3: Lw2 = 180°·(u2 – umin)/umax – umin) – k3(Ph) für Quadrant 1 bzw. 4: Lw2 = 180°·(umax – u2)/umax – umin) – k4(Ph) mit: u1 = Spannung des ersten Feinsignales
u2 = Spannung des zweiten Feinsignales
umin = unterer Grenzwert, z.B. 0.3V
um = Differenz der beiden Grenzwerte
umax = oberer Grenzwert, z.B. 4.7 V
ki(Ph) = Winkel aus Phasenbeziehung
Der Lenkradwinkel Lw wird bei diesem Ausführungsbeispiel nach derselben Formel ermittelt wie beim ersten Ausführungsbeispiel, es gilt also: Lw = G1·Lw1 + (1 – G1)·Lw2 mit den Lenkradwinkeln Lw1 und Lw2 nach der vorstehenden Formel.
Bevor die beschriebenen Verfahren ablaufen wird in der Startphase die beim Einschalten vorliegende Lenkradstellung ermittelt, von der ausgehend die Lenkradwinkelermittlung erfolgt. Diese in der Startphase ablaufende Stellungserkennung soll hier nicht näher beschrieben werden, sie wird in einer anderen Patentanmeldung ( DE 4220885 A1 ) der selben Anmelderin, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wird, beschrieben.
Die beschriebenen Verfahren beschränken sich nicht auf die Messung von Lenkradwinkeln, sondern lassen sich überall dort einsetzen, wo Signale eines Winkelsensors, die sich aus zwei gegeneinander verschobenen Feinsignalen zusammensetzen, auszuwerten sind.

Claims

Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors, zur Bestimmung des Drehwinkels Lw einer Welle, insbesondere der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, der zwei gegeneinander verschobene, sich nach einer Umdrehung der Welle wiederholende Feinsignale u1, u2 erzeugt, die in einem Bereich positive und in einem Bereich negative Steigungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Feinsignale u1, u2 gleichzeitig zur Winkelbestimmung verwertet werden, wobei der Bereich, der einer Umdrehung der Welle entspricht, in vier Quadranten eingeteilt wird und eine Gewichtungsfunktion G1(Lw) so definiert wird, daß sie die Feinsignale u1, u2 in vorgebbaren Bereichen an den Quadrantengrenzen unterdrückt und die Gewichtungsfunktion G1 so festgelegt wird, daß sie in einem ersten Bereich (13) den Wert 0 und in einem zweiten Bereich (14) den Wert 1 aufweist und in den dazwischenliegenden Bereichen (15, 16) lineare positive bzw. negative Steigung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinsignale u1, u2 in den Quadranten, in denen sie negative Steigung aufweisen, invertiert werden und die Gewichtungsfunktion G1 so definiert wird, daß sie die Feinsignale u1, u2 oder die invertierten Feinsignale u1', u2' in vorgebbaren Bereichen unterdrückt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein, den gesamten Drehbereich der Welle umfassendes Grobsignal erzeugt wird und zu Beginn der Messung daraus die absolute Lage ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umdrehungszähler zu Beginn der Messung initialisiert und beim Übergang von Quadrant 4 zu Quadrant 1 bzw. beim Übergang von Quadrant 1 zu Quadrant 4 inkrementiert bzw. dekrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein multiplikativer Zusammenhang zwischen den Feinsignalen u1, u2, u1', u2' und der Gewichtungsfunktion G1 besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Drehwinkels Lw nach der Formel: Lw = G1·Lw1 + (1 - G1)·Lw2 erfolgt, wobei Lw1 und Lw2 die aus den entsprechenden Feinsignalen u1, u2, u1', u2' ermittelten Drehwinkel sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Drehwinkel Lw1 und Lw2 nach folgenden Formeln: Lw1,2 = u1',2'/m + k(Qu) + k(Um) + k(Off) + k(Ph) erfolgt, wobei m die Steigung der Feinsignalkennlinien ist, k(Qu) und k(Um) vom Quadranten bzw. dem Umdrehungszähler abhängige Faktoren sind und k(Off) bzw. k(Ph) den Offset bzw. die Phasenbeziehung repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Drehwinkel Lw1 und Lw2 nach folgenden Formeln: für Quadrant 1 bzw. 2: Lw1 = 180°·(u1 – umin)/umax – umin) – k1(Ph) für Quadrant 3 bzw. 4: Lw1 = 180°·(umax – u1)/umax – umin) – k2(Ph) für Quadrant 2b bzw. 3: Lw2 = 180°·(u2 – umin)/umax – umin) – k3(Ph) für Quadrant 1 bzw. 4: Lw2 = 180°·(umax – u2)/umax – umin) – k4(Ph) erfolgt, wobei ki(Ph) die Phasenbeziehungen der anderen Quadranten, umin einen unteren und umax einen oberen Grenzwert, repräsentiert.