DE4220885A1

DE4220885A1 - Verfahren und Auswertung von Signalen eines Winkelsensors

Info

Publication number: DE4220885A1
Application number: DE19924220885
Authority: DE
Inventors: Engelbert Dipl Ing Tillhon; Bernd Dipl Ing Roos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1994-01-05

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Auswertung von Signalen 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 Kraftfahr zeugs werden Lenkwinkelsensoren bzw. Lenkradwinkelsensoren einge setzt 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 Fein signale 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 nichtlinear und damit schwer auszuwerten. Ein üblicher Verlauf der Feinsignale ist dreieckförmig, mit mehr oder weniger Spitzen oder abgerundeten Maximal- bzw. Mini malbereichen.

Ein Lenkwinkelsensor, der ein Grobsignal und zwei Feinsignale er zeugt, ist beispielsweise aus der DE-OS 40 18 187 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.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß eine einfache und besonders ge naue Auswertemöglichkeit ohne Winkelsprünge angegeben wird, bei der zur Erkennung der Stellung einer Welle mittels eines Lenkwinkelsen sors sowohl das Grobsignal während der Startphase als auch jeweils eines der beiden Feinsignale ausgewertet werden, wobei in Bereichen, in denen bei einem der Feinsignale Nichtlinearitäten auftreten, das andere Feinsignal zur Winkelbestimmung verwendet wird und der Über gang vom einen zum anderen Feinsignal über eine geeignete Funktion erfolgt.

Durch Spiegelung der Feinsignale an ihrer Mittelachse in den Berei chen, in denen sie negative Steigung aufweisen, ist eine besonders vorteilhafte Auswertung möglich, da dadurch die beiden Feinsignale in allen auswertbaren Bereichen eine postive Steigung aufweisen.

Beim Übergang von einem Feinsignal zum anderen werden in besonders vorteilhafter Weise während einer Korrekturphase Korrekturen vorge nommen, die infolge von Toleranzen des Sensors, beispielsweise auf grund von Linearitätsfehlern oder weil der Signalversatz nicht genau 90° beträgt, auftreten können.

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

Zeichnung

In der Zeichnung sind Kennlinien, wie sie von einem Lenkwinkelsensor abgegeben werden, dargestellt, solche Kennlinien werden bei dem er findungsgemäßen Verfahren zur Lenkradwinkelbestimmung ausgewertet.

In Fig. 1 ist das Grobsignal sowie die beiden Feinsignale über dem Lenkradwinkel aufgetragen, weiterhin sind die gespiegelten Signale eingetragen. Fig. 2 zeigt den Korrekturbereich beim Übergang von einem Feinsignal zum anderen, wobei der Ist-Winkel über dem Soll-Winkel aufgetragen ist.

In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Signalspiegelung be schreibt, angegeben, in Fig. 4 ist ein Flußdiagramm angegeben, das das Auswerteverfahren zur Ermittlung des Lenkradwinkels aufzeigt und in Fig. 5 ein Flußdiagramm des Verfahrens, das nach dem Start vorgang abläuft, angegeben.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die von einem, beispielsweise aus der DE-OS 40 18 187 bekannten Lenkwinkelsensor abgegebenen Ausgangssignale sind in Fig. 1 darge stellt. Dabei sind Spannungen G, A, B in Volt (V) Über dem Lenkrad winkel Lw in Grad (°) dargestellt.

Die Kurve G stellt einen Auszug des Spannungsverlaufes des Grob signales dar, das über den gesamten möglichen Lenkradwinkel zwi schen - 720° und +720° betrachtet, kontinuierlich ansteigt. Die Spannungsverläufe A und B sind die Feinsignale, die eine Periode von 360° aufweisen und gegeneinander um 90° versetzt sind und symme trisch zu einem mit m markierten Spannungsniveau verlaufen.

Als punktierte Linien sind die am Spannungsniveau m gespiegelten Teile der Feinsignale eingetragen, die vor der Spiegelung eine negative Steigung hatten.

In Fig. 1 sind weitere Spannungsniveaus gestrichelt eingetragen. Dabei bezeichnet a das absolute Minimum der Feinsignale, b das abso lute Maximum, mit m ist die Mittelachse bezeichnet. Die Niveaus e und f begrenzen einen durch ZB gekennzeichneten zuläßigen Bereich, innerhalb dieses Bereiches sind die Feinsignale A, B beziehungsweise die gespiegelten Feinsignale mit Sicherheit linear. Im Bereich zwi schen a und e sowie zwischen f und b sind die Feinsignale üblicher weise nichtlinear.

Der dargestellte Bereich von 0° bis 360° ist in vier Quadranten Q1 bis Q4 eingeteilt, die jeweils bei einem Minimum bzw. Maximum eines der Feinsignale A, B beginnen und über 360° laufen.

Zur Berechnung des Lenkwinkels LW wird immer nur eines der beiden Feinsignale A′, B′ herangezogen. Dieses Signal wird so lange be nutzt, bis der gültige Signalbereich ZB, der nach oben durch f und nach unten durch e begrenzt wird, verlassen wird, danach wird auf das andere Signale übergegangen. Der Sensorfehler wird durch eine gleitende lineare Übergangskennlinie zur Vermeidung eines Sprungs ausgeglichen.

Im folgenden wird die Berechnung des Absolutlenkwinkels LW anhand des Signales A′ bzw. des Übergangs von A′ auf B′ erläutert. Dabei ist zur Veranschaulichung in Fig. 2 der Korrekturbereich darge stellt und in Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Berechnung wieder gibt, angegeben. Die Berechnungen laufen in einer nicht abgebildeten Recheneinrichtung, z. B. im Steuergerät ab, dort sind auch erforder liche Zähl- und Speichermittel vorhanden.

Die Berechnung des Absolutlenkradwinkels anhand des Signals B′ bzw. der Übergang von B′ auf A′ erfolgt nach dem gleichen Schema jedoch mit vertauschten Bezeichnungen A′ und B′. Die Startphase, d. h. die Ermittlung der Startparameter wird später erläutert.

Da für die Berechnung des Absolutlenkradwinkels LW aus den Fein signalen A und B nur Signalanteile mit Positiver Steigung verwendet werden sollen, werden die Feinsignalanteile mit negativer Steigung zunächst an der Mittelachse m gespiegelt. Es liegen dann nur noch gleiche Geradenstücke A′ bzw. B′ vor, wobei es sich dabei um 180°-Bereiche abzüglich der nicht definierten Bereiche, die größer als f bzw. kleiner als e sind, handelt. Die einzelnen Geradenstücke weisen gegeneinander einen 90° Versatz auf.

In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm angegeben, das die Signalspiegelung und die Offsetbestimmung für die Startphase angibt. Dabei wird in einem ersten Schritt S1 geprüft, ob das Signal A oberhalb der Mit telachse m liegt. Ist A größer als m, wird im Schritt S2 geprüft, ob das Signal B oberhalb der Mittelachse m liegt. Wird im Schritt S1 erkannt, daß das Signal A unterhalb der Mittelachse m liegt, wird im Schritt S3 ebenso wie im Schritt S2 geprüft, ob das Signal B ober halb der Mittelachse m liegt.

Wird im Schritt S2 erkannt, daß B großer m ist, wird der Quadrant Q3 erkannt, es gilt dann:

A′ = - A + (a+b)
B′ = B.

Wird im Schritt S2 erkannt, daß B kleiner m ist, wird der Quadrant Q2 erkannt, es gilt dann:

A′ = A
B′ = B.

Wird im Schritt S3 erkannt, daß B größer m ist, wird der Quadrant Q4 erkannt, es gilt dann:

A′ = -A + (a+b)
B′ = -B + (a+b).

Ist dagegen im Schritt S3 B kleiner m, wird der Quadrant Q1 erkannt, es gilt dort:

A′ = A
B′ = -B + (a+b).

Diese Festlegungen der Quadranten sind im Flußdiagramm nach Fig. 3 als Schritte S4, S5, S6 und S7 bezeichnet.

An diese Schritte schließen sich weitere Schritte S8 bis S11 an, in denen jeweils der in der Startphase geltende Offset festgelegt wird. Dabei gilt für Q3:

A_off = 180°
B_off = 90°.

Entsprechend gilt für die übrigen Quadranten:

Q2: A_off = 0°
B_off = 90°.
Q4: A_off = 180°
B_off = 270°
Q1: A_off = 0°
B_off = -90°.

Mit den so aufbereiteten Feinsignalen A′ und B′ wird die weitere Berechnung des Lenkwinkels LW vorgenommen.

In Fig. 4 ist ein Flußdiagramm angegeben, das die Lenkwinkelsen sorauswertung anhand eines Beispieles erläutert. Dabei wird ausge gangen vom Feinsignal A′ und ein Übergang auf das Feinsignal B′ vor genommen. Dieser Übergang erfordert zusätzlich eine Korrektur, die anhand der Fig. 2 in Verbindung mit dem Flußdiagramm nach Fig. 4 erläutert werden kann.

In Fig. 2 ist der IST-Winkel über dem Soll-Winkel aufgetragen, dabei sind die aufbereiteten Feinsignale A′, B′, die sich aus Gera denstücken mit Positiver Steigung zusammensetzen, angegeben. Mit u ist die Umschaltschwelle bezeichnet, die den Bereich markiert, in dem von einem Feinsignal zum anderen übergegangen werden soll. Dabei ist in Fig. 2 nur der Sensorfehler, nicht der 90° Versatz darge stellt.

Die Punkte k-1, . . . k+i bezeichnen die einzelnen Abtastungen. Der Abstand von B′′ nach Z ist mit s bezeichnet, d gibt eine mögliche Lenkwinkeländerung an. s und k sind jeweils von der Abtastung abhän gig, eine mögliche Übergangskennlinie ist mit Z bezeichnet.

Ausgehend von einer Signalspiegelung wie sie anhand des Flußdiagram mes der Fig. 3 beschrieben wurde, wird im ersten Schritt S12 ge prüft, ob das Signal A′ innerhalb eines gültigen 180°-Bereiches liegt. Es wird also geprüft, ob A′ großer als e und kleiner als f ist. Zusätzlich wird auch noch geprüft, ob |A′ (k) - A′ (k-1)| kleiner m - a ist und die Korrektur inaktiv ist.

Sind diese Bedingungen erfüllt, wird im Schritt S13 U = A′ gesetzt, es wird damit A für die Berechnung des Lenkwinkels LW verwendet.

Wird im Schritt S12 erkannt, daß die Bedingungen nicht erfüllt sind, wird im Schritt S14 geprüft, ob die Korrektur inaktiv ist. Unter Korrektur ist die Phase zu verstehen, in der ein Übergang von einem Feinsignal zum anderen erfolgt.

Wird im Schritt S14 erkannt, daß die Korrektur inaktiv ist, wird im Schritt S15 die Korrektur aktiv geschaltet es beginnt dann der Über gang vom Feinsignal A′ zum Feinsignal B′. Dieser Übergang erfolgt auf der in Fig. 2 mit Z bezeichneten Übergangskennlinie. Die Fest legung dieser Übergangskennlinie Z wird im folgenden erläutert, zur Veranschaulichung dient Fig. 2.

Nachdem im Schritt S15 die Korrektur aktiv geschaltet ist, wird im Schritt S16 überprüft, ob der sogenannte 180°-Bereich unterschritten ist.

In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis des Schritts S16 werden in den Schritten S17 und S18 die Sensorfehler s (k-1) ermittelt, wobei für den Fall, daß der 180°-Bereich unterschritten ist als Sensor fehler s (k-1) = B′ (k-1) -A′ (k-1) - (m-a) gesetzt wird und gleich zeitig der 90°-Bereichszähler V um 1 zurückgesetzt wird. Weiterhin wird ein Merker M auf seinem Wert "unterschritten" gesetzt.

Wird im Schritt S16 erkannt, daß der 180°-Bereich überschritten ist, wird im Schritt S18 der Sensorfehler (k-1) = B′ (k-1) - A′ (k-1) + (m-a) bestimmt. Der 90°-Bereichs zähler V wird gleichzeitig um 1 erhöht und der Merker M in seinem Zustand "überschritten" gesetzt.

Ausgehend von den in den Schritten S17 und S18 definierten Sensor fehlern wird im Schritt S19 die Lenkwinkeländerung d (k+n) = B′ (k+n) - B′ (k+n-1) berechnet.

Mit k ist dabei eine bestimmte Abtastung gemeint, n bezeichnet einen laufenden Index, wobei gilt n = 0, 1, . . . , i.

Für die in Schritt S19 berechnete Lenkwinkeländerung d (k+n) wird im Schritt S20 geprüft, ob der Sensorfehler s (k-1) Positiv ist und gleichzeitig der Merker M überschritten ist oder ob der Sensorfehler s (k-1) negativ ist und gleichzeitig der Merker M auf "unterschrit ten" steht. Sind die Bedingungen des Schritts S20 erfüllt, wird die Abweichung s (k+n) berechnet nach der Gleichung:
s (k+n) = s (k+n-1) - N × d (k+n). Dieser Schritt ist im Flußdiagramm als S21 bezeichnet.

Wird dagegen im Schritt S20 erkannt, daß die Bedingungen nicht er füllt sind, wird die Abweichung im Schritt S22 nach der Gleichung:

s (k+n) = s (k+n-1) + N × d (k+n) berechnet.

Mit diesen berechneten Werten wird im Schritt S23 die Übergangsfunk tion Z berechnet, wobei fuhr den Schritt k +n fuhr die Funktion Z gilt:

Z (k+n) = B′ (k+n) - s (k+n).

Im Anschluß an Schritt S23 wird im Schritt S24 geprüft, ob die Ab weichung s (k+n) = 0 ist oder eine Vorzeichenänderung erfahren hat.

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, hat die Kurve Z das Feinsignal B′ erreicht oder überschritten. In diesem Fall wird im Schritt S25 die Korrektur inaktiv geschaltet und das Signal B aktiv geschaltet. Es ist damit die Korrekturphase abgeschlossen und das Signal B wird für die weitere Lenkwinkelberechnung verwendet. In Schritt S26 wird daher U = B′ (k+n) gesetzt.

Ist die Bedingung des Schritts S24 nicht erfüllt, wird im Schritt 527 geprüft, ob |s(k+n)|kleiner |s(k-1)| ist, ist diese Bedingung erfüllt, wird im Schritt S28 die Korrekturfunktion Z gebildet, wobei gilt: Z (k+n) = B′ (k+n) - s (k+n). Im Schritt S29 wird dann für die auszuwertende Spannung U gesetzt: U = Z (k+n).

Wird im Schritt S27 mit nein entschieden, wird im Schritt S30 die Korrektur inaktiv geschaltet und das Signal A wieder aktiv geschal tet. Im Schritt S31 wird dann geprüft, ob der Merker M "unterschrit ten" ist.

Ist der Merker unterschritten, wird im Schritt S32 der Zählwert v um 1 erhöht, es gilt: v = v + 1. Im Schritt S33 wird dann für die aus zuwertende Spannung U gesetzt: U = A′ (k+n).

Wird im Schritt S31 erkannt, daß der Merker M nicht "unterschritten" ist, wird der Zähler um 1 erniedrigt, es gilt also: v = v - 1. Für die auszuwertende Spannung gilt der im Schritt 33 angegebene Wert. Mit den so aufbereiteten Werten für U wird in Schritt S34 der Lenk winkel berechnet nach der Gleichung:

LW = 180°/(b-a) × (U-a) + v × 90° - FG_off.

Die übrigen Berechnungen erfolgen nach dem gleichen Schema wie im Flußdiagramm nach Fig. 3 beschrieben, allerdings mit vertauschten Bezeichnungen A′ und B′.

Falls während der Korrekturphase die Drehrichtung verändert wird, so daß wieder A′ erreicht wird, gilt: |s (k+n)| (k-1|. Ist diese Bedingung erfüllt, wird die Korrekturphase ebenfalls beendet und das Signal A′ wieder zur Berechnung des Lenkwinkels verwendet, es gilt dann:

LW = 180°/(b-a) × (A′(k+n) - a) + v × 90° - FG_off.

In diesem Fall muß die bei Beginn der Korrekturphase durchgeführte Veränderung des Bereichszählers V wieder rückgängig gemacht werden. Für den Zählwert v gilt: v = v +- 1.

Zur Beeinflussung des Verlaufs der Kennlinie Z wird noch ein Bewer tungsfaktor N definiert. Mit diesen Faktor N wird die Änderung d des Signales B′ gewertet, so daß der Verlauf der Kennlinie Z flacher oder steiler gemacht werden kann, je nach Erfordernis. Bei der Fest legung des Wertes für N ist darauf zu achten, daß bei maximal mögli chem s (k-1) die Korrekturphase spätestens nach 90° Drehung (even tuell mit einem Sicherheitsabstand, dann nach z. B. 60° beendet sein muß, da sonst eine erneute Signalumschaltung mit anschließender Kor rektur erfolgt. Es gilt:

N <|s (k-1)_max|60°.

Für den Offset FG_off gilt: 0 < FG_off < 360°. Mit diesem Offset ist eine beliebige Zuordnung der Feinsignalkennlinien zu der Grob-Sollkennlinie möglich.

Damit das in Fig. 3 aufgezeigte Verfahren zur Lenkwinkelbestimmung ablaufen kann, muß in der Startphase zu Beginn der 90°-Bereichs zähler V bestimmt werden. Die Erläuterung dieses Verfahrens soll anhand des in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramms erfolgen.

Ausgehend von der bereits im Flußdiagramm der Fig. 4 beschriebenen Signal-Spiegelung und Offsetbestimmung wird in einem Schritt S36 eine Feinsignal-Auswertung getroffen, wobei geprüft wird, ob A′ in nerhalb eines gültigen 180°-Bereiches liegt, es wird also die Bedin gung geprüft: e < A′ < f.

Ist diese Bedingung erfüllt, wird im Schritt S37 die Verwendung von A′ angenommen, es wird gesetzt:

U = A′
Offset = A_off.

Wird im Schritt S36 erkannt, daß A′ nicht innerhalb eines gültigen 180°-Bereiches liegt, wird das Feinsignal B′ verwendet, es gilt dann:

U = B′
Offset = B_off.

Es folgt dann im nächsten Schritt S39 die Berechnung des Winkels innerhalb einer Feinsignalperiode, also innerhalb von 0 bis 360°, wobei gilt:

lwf360 = 180°/(b-a) × (U - a) + Offset - FG_off.
Mit: U = A′ oder (B′)
Offset = A_off oder (B_off).

Da durch die Offsetverschiebung FG_off negative Ergebnisse lwf360 auftreten können, muß eine Korrektur lwf360 mit 360° erfolgen, so daß grundsätzlich Ergebnisse im Bereich von 0 bis 360° vorliegen. Dazu wird im Schritt S40 geprüft, ob lwf360 negativ ist.

Wird im Schritt S40 erkannt, daß lwf360 negativ ist, wird im Schritt 541 gesetzt lwf360 = lwf360 + 360°.

Die Berechnung von lwg erfolgt dann im Schritt S42 nach der Glei chung: lwg = 4 × 360°/(b-a) × (G-a).

Wobei weiter gilt, daß: Vielfache (Rest) =|lwg - lwf360|/360°, wobei unter Vielfachen ein ganzzahliges Ergebnis zu verstehen ist und mit Rest der Divisionsrest gemeint ist.

Im Schritt S43 wird geprüft, ob dieser Rest < 360° - Sigma ist, wobei Sigma den maximal möglichen Fehler des Grobsignals darstellt. Mit diesem Schritt wird demnach sichergestellt, daß die Korrektur, d. h. die Erhöhung der "Vielfachen" um 1 immer dann stattfindet, wenn der "ungenaue" lwg-Wert kleiner ist als der tatsächliche Winkel. Wenn lwg großer ist und der Rest kleiner ist als Sigma erfolgt keine Inkrementierung des Zählers.

Im Flußdiagramm nach Fig. 5 wird demnach in dem Fall, daß Schritt 543 erfüllt ist, im Schritt S44 das Vielfache um 1 erhöht. Im an schließenden Schritt S45 wird dann der Lenkwinkel berechnet nach der Gleichung:

lw = lwf360 + Vielfache × 360°
v = (lw(180°(b-a) × (U-a))+ FG_off)90°.

Claims

1. Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Winkelsensors, zur Bestimmung der Stellung einer Welle, insbesonders der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, der ein, den gesamten Drehbereich der Welle umfassendes Grobsignal und zwei weitere gegeneinander verschobene, sich nach einer Umdrehung der Welle wiederholende Feinsignale er zeugt, die in einem Bereich Positive und in einem Bereich negative Steigungen aufweisen und symmetrisch zu einer Mittelachse (m) sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinsignale (A, 3) an der Mittel achse m gespiegelt werden und zur Bestimmung des Lenkwinkels (Lw) die Bereiche der Feinsignale (A′, B′) mit gleicher, vorzugsweise mit Positiver Steigung ausgewertet werden, die innerhalb eines zuläßigen Bereiches (ZB) liegen, wobei immer nur ein Feinsignal (A′ oder B′) ausgewertet wird und bei Annäherung dieses Feinsignales an die Gren ze des zuläßigen Bereiches auf das andere Feinsignal übergegangen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Über gang von einem Feinsignal zum anderen über eine gleitende lineare Kennlinie (Z) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenn linie (Z) abhängig ist von der Lenkwinkeländerung, wobei ein Bewer tungsfaktor N vorgesehen ist, mit dem die Lenkwinkeländerung gewich tet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase ein Bereichszähler, der die 90°-Bereiche zählt initialisiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Absolutdrehwinkels nach der Formel: Lw = 180°/(b-a) _* (A′-a) + v _* 90° - FG_offerfolgt, wobei v der Zählwert des Bereichszählers und FG_off der Offset bei Beginn der Berechnung ist.