EP1105697A1 - Verfahren zum offsetabgleich von winkelsensoren - Google Patents

Verfahren zum offsetabgleich von winkelsensoren

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EP1105697A1
EP1105697A1 EP00945622A EP00945622A EP1105697A1 EP 1105697 A1 EP1105697 A1 EP 1105697A1 EP 00945622 A EP00945622 A EP 00945622A EP 00945622 A EP00945622 A EP 00945622A EP 1105697 A1 EP1105697 A1 EP 1105697A1
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EP
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ucos
usm
usin
offset
angle
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EP00945622A
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Anton Dukart
Franz Jost
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D1/00—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
    • G01D1/16—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving a value which is a function of two or more values, e.g. product or ratio
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00

Definitions

  • the present invention relates to a method for offset adjustment of angle sensors which determine an angle to be determined on the basis of a sine signal which can be assigned to the angle and a cosine signal which can be assigned to the angle.
  • Measuring methods based on the evaluation of sine and cosine signals from a sensor are often used to measure mechanical angles.
  • Examples in this context include resolvers as inductive sensors, anisotropic magnetoresistive sensors (AMR sensors), sensors that use the giant magnetoresistive effect (GMR sensors), Hall sensors as magnetic angle sensors and optical or micromechanical sensors.
  • resolvers as inductive sensors, anisotropic magnetoresistive sensors (AMR sensors), sensors that use the giant magnetoresistive effect (GMR sensors), Hall sensors as magnetic angle sensors and optical or micromechanical sensors.
  • AMR sensors are used, for example, to measure steering wheel angles.
  • the angle to be determined is determined by electronic processing of the sine and cosine signals of the sensor, which can be assigned to the angle to be determined.
  • the angular accuracy of such sine-cosine sensors is limited by offset effects. Offset effects can occur especially when using the sensors at high temperatures. For example, an angle measurement in the motor vehicle engine compartment, in which typically high temperatures prevail, leads to offset effects which are not negligible in conventional angle sensors. This makes it necessary to set production and operating tolerance bands as low as possible for the mechanical, magnetic, optical or micromechanical components of such sensors, as a result of which their provision costs increase.
  • the object of the present invention is to provide a method with which the angular accuracy in the case of angle sensors, in particular in the case of angular measurements at high temperatures, can be improved in a simple manner without having to make too strict demands on the operating tolerance bands.
  • the offset Osin of the sine signal is determined in accordance with an equation
  • Osin l / 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 (l)) / (Ucos (2) -Ucos (1) - (Usin (3) -Usin (2)) / (Ucos (3) - Ucos (2))],
  • Ocos 1/2 * ⁇ Usin (l) -Usin (3) + [((Ucos (2) -Ucos (1)) * (Ucos (2) + Ucos (1)) / (Usin (2) -Usin (l)] - [(Ucos (3) -Ucos (2)) * (Ucos (3) + Ucos (2) / (Usin (3) -Usin (2)] ⁇ / [(Ucos (2) -Ucos (1)) / (Usin (2) - Usin (l)) - (Ucos (3) -Ucos (2)) / (Usin (3) -Usin (2))],
  • FIG. 1 shows a diagram for the schematic representation of sine or cosine signals that can be assigned to an angle
  • FIG. 2 shows a diagram to show the offset of an ideal sensor
  • Figure 3 is a graph showing the offset of a real sensor
  • Figure 4 is a graph showing the inventive method based on three different angular positions of an angle to be determined.
  • a cosmic signal is here with Ucos, and a sinusoidal one
  • the method according to the invention now enables simple determination of the offset values Osin and Ocos, so that a corrected angle calculation can be carried out on the basis of these specific offset values.
  • the problem underlying the invention lies in the determination of the center point of a circle, of which only different points on the circular arc are known.
  • the center 0 of the circle is determined on the basis of three points 1, 2, 3, which lie on the circular arc K '.
  • the coordinates of the respective points are:
  • the determination of the center 0 of the circle K ' is shown on the basis of the three circle points 1, 2, 3.
  • the coordinates of the center of the circle 0 correspond to the coordinates of the offset, namely Osin, Ocos. Since all three points lie on the circle K ', the following conditions apply:
  • Osin l / 2 * ⁇ Ucos (l) -Ucos (3) + [((Usin (2) - Usin (1)) * (Usin (2) + Usin (1)) / (Ucos (2) -Ucos (l)] - [(Usm (3) -
  • Ocos 1/2 * ⁇ Usin (l) -Usin (3) + [((Ucos (2) -Ucos (1)) * (Ucos (2) + Ucos (1)) / (Usin (2) -Usin (l)] - [(Ucos (3) -Ucos (2)) * (Ucos (3) + Ucos (2) / (Usin (3) -Usin (2)] ⁇ / [(Ucos (2) -Ucos (1)) / (Usin (2) - Usin (l)) - (Ucos (3) -Ucos (2)) / (Usin (3) -Usin (2))].
  • the formulas for representing the offset values Osin, Ocos only contain elementary operations of the three Measured value pairs at the different angles.
  • the offset values Osin, Ocos can therefore be determined in a simple manner on the basis of the specified calculation method.
  • the temperature should not change during the acquisition of the three pairs of measured values 1, 2, 3, since the radius of the circle K 'depends on the temperature, so that temperature changes can lead to inaccuracies.
  • the method shown allows an automatic offset adjustment for dynamic rotary movements. No changes are made to the actual sensors, be it the layout, the packaging or the manufacture. The change only takes place on one
  • Evaluation circuit instead, so that conventional sensors can continue to be used with appropriate modification of the evaluation circuit.
  • the evaluation circuit is assigned to a microprocessor, the software only has to be changed by inserting the specified calculation method for the calculation and compensation of the offset.
  • hardware extensions of the evaluation electronics are also conceivable. New methods open up by means of the method according to the invention Possible uses as well as new diagnostic options for safety-relevant systems. Examples in this context are ESP (electronic stability program) and EPS (electronic power steering) with sensors for steering wheel angle, throttle adjustment and torque measurements.
  • the method shown can be used particularly advantageously in the case of non-contact steering wheel angle measurement and torque measurement, regardless of the measurement or sensor principle used.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

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: Bestimmung des Sinussignals und des Cosinussignals für wenigstens drei unterschiedliche Winkel zum Erhalt von wenigstens drei jeweils ein Sinusssignal und ein Cosinussignal enthaltenden Wertepaaren, 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 Wertpaare auf einem Kreisbogen liegen.

Description

Verfahren zum Offsetabgleich von Winkelsensoren
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 zuordnenbar 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 fuhrt 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 Betriebstoleranzbander 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 Betriebstoleranzbander gestellt werden müssen.
Diese Aufgabe wird gelost durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Offset eines Winkelsensors in einfacher Weise wahrend des Betriebes berechnet und kompensiert werden. Hierdurch ist gegenüber herkömmlichen Losungen 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. Betriebstoleranzbander für die mechanischen, magnetischen, optischen oder mikromechanischen Bauteile der eingesetzten Sensoren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemaßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteranspruche .
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Offsets Osin des Sinussignals entsprechend einer Gleichung
Osin=l/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(l) ) / (Ucos (2) -Ucos (1) - (Usin (3) -Usin (2 ) ) / (Ucos (3) - Ucos (2) )],
und die Bestimmung des Offsets Ocos des Cosinussignals entsprechend einer Gleichung
Ocos=l/2*{Usin(l)-Usin(3)+[ ( (Ucos (2) -Ucos (1) ) * (Ucos (2)+ Ucos (1) )/ (Usin (2) -Usin(l) ]-[ (Ucos (3) -Ucos (2) ) * (Ucos (3) + Ucos (2) / (Usin (3) -Usin (2) ] }/ [ (Ucos (2) -Ucos ( 1 ) ) / (Usin (2 ) - Usin(l) ) -(Ucos (3) -Ucos (2) ) / (Usin ( 3) -Usin (2 ) ) ] ,
wobei Usin(i), Ucos(i) die bestimmten Sensorsignale für die Positionen i=l, 2, 3 darstellen.
Die angegebenen Formeln beinhalten lediglich elementare Operationen bezuglich dreier Meßwertpaare für jeweils unterschiedliche Winkel. Weitere Berechnungsarten, insbesondere trigonometrische Berechnungsarten, sind ebenfalls möglich.
Das erfmdungsgemaße Verfahren wird nun anhand der beigefugten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt :
Figur 1 ein Schaubild zur schematischen Darstellung von einem Winkel zuordnenbaren Sinus- bzw. Cosinussignalen,
Figur 2 ein Schaubild zur Darstellung des Offsets eines idealen Sensors,
Figur 3 ein Schaubild zur Darstellung des Offsets eines realen Sensors, und
Figur 4 ein Schaubild zur Darstellung des erfmdungsgemaßen 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 Figur 1 schematisch dargestellt. Ein cosmusformiges Signal ist hierbei mit Ucos, und ein sinusförmiges
Signal mit Usin bezeichnet. Man erkennt, daß bei einem Winkel φ von 0° ein Signal Usm 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*sιn (φ) , und Ucos (φ) =A*cos (φ) , wobei Usm 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 (Usm (φ) /Ucos (φ) ) berechnet werden.
Der ideale Zustand, in welchem kein Offset der Signale des Winkelsensors auftritt, ist noch einmal in Figur 2 anhand eines weiteren Schaubildes dargestellt. Hierbei ist auf der Abszissenachse das Signal Usm, und auf der Ordmatenachse das Signal Ucos aufgetragen. Da die
Offsetwerte beider Signale gleich 0 sind, d.h. Osιn=0 und Ocos=0, liegen sämtliche erfaßten Wertepaare Ucos, Usm, auf einem Kreisbogen K.
Bei realen bzw. erfugbaren Winkelsensoren tritt jedoch bezüglich beider Signale ein Offset auf, so daß sich ergibt :
Usm (φ) =Osm+A*sm (φ) , und Ucos (φ) =Ocos+A*cos (φ) .
Das Auftreten eines derartigen Offsets verfälscht tatsächlich durchgeführte Winkelmessungen. Dieser reale Zustand ist in Figur 3 dargestellt. Man erkennt, daß die Offsetwerte Osm 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 erfmdungsgemaße Verfahren ermöglicht nun eine einfache Bestimmung der Offsetwerte Osin und Ocos, so daß auf der Grundlage dieser bestimmten Offsetwerte eine bereinigte Winkelberechnung durchfuhrbar 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 Losung dieses Problems wird nun anhand der Figur 4 naher 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: Usm(l), Ucos(l),
2: Usm(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 (!)]*[ (Ocos -Ucos (!)]+[ (Osin-Usin (l)]*[(Osin- Usin ( 1 ) ]=[ (Ocos-Ucos (2 ) ]*[ (Ocos-Ucos (2 ) ]+[ (Osin-Usin (2 ) ] [(Osιn-üsin(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 Losung dieser Gleichungen ergeben sich die folgenden Werte für die Koordinaten des Mittelpunktes des Kreises K', d.h. die Offsetwerte Osin, Ocos:
Osin=l/2*{Ucos (l)-Ucos (3)+[( (Usin (2) - Usin (1) )*(Usin(2)+Usin (1) ) / (Ucos (2) -Ucos (l)]-[(Usm (3) -
Usin (2) ) * (Usin(3)+Usin(2) / (Ucos (3) -Ucos (2 ) ]}/[ (Usin (2 ) - Usin(l) ) / (Ucos (2) -Ucos (1) - (Usin ( 3) -Usin (2 ) ) / (Ucos (3)- Ucos(2) )],
Ocos=l/2*{Usin(l) -Usin (3)+ [ ( (Ucos (2) -Ucos (1) ) * (Ucos (2) + Ucos (1) )/ (Usin (2) -Usin(l) ] - [ (Ucos (3) -Ucos (2) ) * (Ucos (3)+ Ucos (2) / (Usin (3) -Usin (2) ] }/ [ (Ucos (2) -Ucos ( 1 ) ) / (Usin (2 ) - Usin(l) ) - (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 wahrend der Erfassung der drei Meßwertpaare 1, 2, 3 nicht verandern sollte, da der Radius des Kreises K' von der Temperatur abhangig ist, so daß Temperaturanderungen zu Ungenauigkeiten fuhren können.
An sich bekannte mathematische Rechenverfahren zur Winkelberechnung auf der Grundlage von Sinus- bzw. Cosinussignalen können erfindungsgemaß 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 hardwaremaßige Erweiterungen der Auswerteelektronik denkbar. Mittels des erfindungsgemaßen Verfahrens eroffnen sich neue Einsat zmoglichkeiten sowie neue Diagnosemoglichkeiten 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 beruhrungslosen Lenkradwinkelmessung und Drehmomentmessung, unabhängig von einem eingesetzten Meß- bzw. Sensorprinzip, vorteilhaft einsetzbar.

Claims

Ansprüche
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 em Smussignal und em
Cos ussignal enthaltenden Wertepaaren (Usm(l), Ucos(l);
Usin (2), Ucos(2); Usm(3), Ucos(3)). -Darstellung der wenigstens drei Wertepaare in einem wenigstens zweidimensionalen, eine Smussignal- Cosmussignalebene darstellenden Koordinatensystem, und
-Bestimmung eines den abzugleichenden Offset darstellenden
Punktes in dem Koordinatensystem, bezuglich 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
Osιn=l/2*{Ucos (l)-Ucos (3) +[ ( (Usm (2 ) -
Usm(l) ) * (Usm(2)+Usιn(l) ) / (Ucos (2) -Ucos ( 1 ) ]-[ (Usm (3) - Usm (2) ) * (Usm(3)+Usm(2) / (Ucos (3) -Ucos (2) ]}/[ (Usin (2) -
Usιn(l) ) / (Ucos (2) -Ucos (1) - (Usm (3) -Usin (2) ) / (Ucos (3)- Ucos (2) )] und der Offset Ocos des Cosmussignals entsprecnend einer
Gleichung
Ocos=l/2*{Usιn(l) -Usm (3) + [ ( (Ucos (2) -Ucos (1) ) * (Ucos (2) +
Ucos (1) ) / (Usm (2) -Usm (1) ]- [ (Ucos (3) -Ucos (2) ) * (Ucos (3) +
Ucos (2) / (Usm (3) -Usm (2) ] }/ [ (Ucos (2) -Ucos ( 1 ) ) / (Usm (2 ) -
Usm (1) ) -(Ucos (3) -Ucos (2) ) / (Usm (3) -Usm (2) ) ] , bestimmt wird wobei Usιn(ι), Ucos(ι) die bestimmten Sensorsignale für die
Positionen 1=1,2,3 darstellen.
EP00945622A 1999-06-22 2000-06-08 Verfahren zum offsetabgleich von winkelsensoren Withdrawn EP1105697A1 (de)

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