EP1585941A1 - Rekonstruktion eines winkelsignals aus dem sensorsignal eines drehwinkelsensors - Google Patents

Rekonstruktion eines winkelsignals aus dem sensorsignal eines drehwinkelsensors

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EP1585941A1
EP1585941A1 EP03797956A EP03797956A EP1585941A1 EP 1585941 A1 EP1585941 A1 EP 1585941A1 EP 03797956 A EP03797956 A EP 03797956A EP 03797956 A EP03797956 A EP 03797956A EP 1585941 A1 EP1585941 A1 EP 1585941A1
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rotation
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EP03797956A
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Hilko Hakvoort
Arie-Govert Aanen
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion eines Winkelsignals (9) aus einem Sensorsignal (7) eines Drehwinkelsensors (2), der eine periodische, mehrere Segmente (S) aufweisende Kennlinie (5) hat, in der Kennliniensprünge (8) auftreten. Zur Rekonstruktion des Winkelsignals (9) wird vorgeschlagen, positive und negative Signalsprünge (a-d) des Sensorsignals (7) zu ermitteln und bei Feststellung eines positiven oder negativen Signalsprungs (a-d) eine Segmentnummer (SN) zu erzeugen. Eine Auswerteeinheit (4) kann auf der Grundlage der Segmentnummer (SN) und des Sensorsignals (7) das Winkelsignal (9) rekonstruieren.

Description

Beschreibung
Rekonstruktion eines Winkelsignals aus dem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Winkelsignals aus dem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende DrehwinkelSensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
DrehwinkelSensoren werden in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt, um Winkelstellungen von drehenden Gegenständen zu messen. Üblicherweise werden magnetische oder optische Sensoren verwendet, mit denen eine berührungslose Messung möglich ist. Eine Applikation aus dem Automobilbereich ist z.B. die Ermittlung des Lenkrad- oder Lenkwinkels eines Kfz.
Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung zur Messung des Drehwinkels einer rotierenden Achse 1, die in Richtung des Pfeils A gedreht werden kann. Die dargestellte Meßanordnung umfaßt einen an einem Ende der Achse 1 angeordneten Sensor 2 mit einer daran angeschlossenen Auswerteeinheit 4, wobei der Sensor 2 mit einem stationär angeordneten Geber 3 zusammenwirkt. Der Geber 3 umfasst in diesem Fall einen Dauermagneten, der im Sensor 2 z.B. eine Spannung induziert. Als Sensorelement können beispielsweise Hall-Sensoren, magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) , Magnetotransistoren, etc. verwendet werden.
Ein typischer Drehwinkelsensor, wie er vielfach für die Erfassung des Lenkradwinkels in einem Kfz verwendet wird, hat beispielsweise die in Fig. 2a dargestellte Kennlinie. Wie zu erkennen ist, umfaßt das Sensorsignal s des Sensors 2 den gesamten Meßbereich (z.B. zwischen -800° und +800° Lenkradeinschlag L) , so dass am Ausgang des Sensors 2 bzw. der Auswerteeinheit 4 der tatsächliche Lenkradwinkel L ausgegeben wird. Eine Lenkbewegung, wie sie in Fig. 2b mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt ist, bei der das Lenkrad aus der Nullstellung (o.Tj=0°) bis zum Anschlag nach rechts (z.B. L=800°) eingeschlagen und von dort bis zur Nullstellung zurückgedreht wird, wird daher vom Sensor 2 eindeutig abgebildet. Das Sensorsignal 7 ist in der Fig. 2b deswegen stufenartig dargestellt, weil es sich in diesem Beispiel um ein digitalisiertes Signal 7 handelt.
Das Sensorsignal 7 kann von weiteren im Fahrzeug angeordneten Systemen 4, wie z.B. von einem Fahrdynamikregelungssystem (z.B. ESP: Electronic Stability Program) weiterverarbeitet werden .
Sensoren 2 mit einer über einen großen Messbereich linearen Kennlinie haben den Nachteil, dass sie relativ aufwendig konstruiert und somit teuer sind.
Es ist daher wünschenswert, andere, einfacher aufgebaute Standard-Sensoren zur Winkelmessung zu verwenden, die insbesondere keine Mittel zur Zählung von vollen Umdrehungen und keine Drehrichtungserkennung benötigen. Ein solcher Sensor kann beispielsweise aus mehreren MR-Sensorelementen realisiert sein.
Die Sensorkennlinie eines solchen Drehwinkelsensors ist beispielhaft in Fig. 3a dargestellt. Wie zu erkennen ist, umfaßt der Meßbereich des Drehwinkelsensors nur einen Teilbereich (von -p bis +p) eines Gesamtmeßbereichs für einen Drehwinkel αL. Für Winkel αL, die über den Teilmeßbereich (z.B. zwischen -120° und +120°) hinausgehen, wiederholt sich die Kennlinie 5 des Sensors periodisch. Zwischen den einzelnen Perioden der Kennlinie 5, die auch als Segmente S bezeichnet werden können, zeigt die Kennlinie 5 jeweils einen Kennliniensprung 8. Umfasst der Teilmessbereich des Drehwinkelsensors z.B. Winkel zwischen -120° und +120°, so werden Drehwinkel αL, die in diesem Bereich liegen, eindeutig angezeigt. Bei einem Drehwinkel von 121° liefert der Drehwinkelsensor dagegen ein Ausgangssignal αs, welches einem Drehwinkel von -119° entspricht.
Eine Drehbewegung einer Achse, wie sie in Fig. 3b mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt ist, wird daher zu dem Sensorsignal 7 führen. Ein solches Sensorsignal 7 kann nicht unmittelbar von einer nachgeordneten Einrichtung 4, wie z.B. einem Fahrdynamikregelungssystem, verarbeitet werden, da das Sensorsignal 7 nicht eindeutig ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, aus einem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors, der eine periodische Kennlinie mit mehreren Segmenten aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten, ein Winkelsignal zu rekonstruieren, das den tatsächlichen Drehwinkel eines Gegenstandes seit Initialisierung des Sensors eindeutig wiedergibt .
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 und 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen .
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, das Sensorsignal des Drehwinkelsensors zu überwachen und positive oder negative Signalsprünge im Sensorsignal zu ermitteln. Bei Feststellung eines Signalsprungs wird ein Segmentwert erzeugt, der angibt, in welchem Segment der Sensorkennlinie der aktuell gemessene Drehwinkel seit Initialisierung des Sensors liegt. Aus dem Segmentwert und dem Sensorsignal kann eine Auswerteeinheit den tatsächlichen Gesamt-Drehwinkel (seit Initialisierung des Sensors) in einfacher Weise ermitteln und somit ein eindeutiges Winkelsignal rekonstruieren. Somit kann ein besonders einfach aufgebauter und damit kostengünstiger Drehwinkelsensor benutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die positiven und negativen Signalsprünge im Sensorsignal durch Schwellenwertüberwachung der Änderungsrate des Sensorsignals ermittelt. D.h., es wird ein Signalsprung angenommen, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Ob es sich um einen positiven (von kleineren Werten zu größeren Werten) oder einen negativen (von größeren Werten zu kleineren Werten) Signalsprung handelt, kann durch Vergleich der vom Drehwinkelsensor gelieferten Winkelwerte in einfacher Weise ermittelt werden.
Vorzugsweise ist ein Segmentzähler vorgesehen, der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors einen vorgegebenen Segmentwert SN (z.B. SN=0) enthält und der bei Vorliegen eines positiven oder negativen Signalsprungs z.B. inkrementiert oder dekrementiert wird. Bei einer Sensorkennlinie, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist, wird der Segmentzähler bei Vorliegen eines negativen Signalsprungs vorzugsweise um 1 inkrementiert und bei Vorliegen eines positiven Signalsprungs um 1 dekrementiert.
Die Auswerteeinheit kann aus dem aktuellen Sensorsignal in Verbindung mit dem zugehörigen Segmentwert in einfacher Weise das tatsächliche Winkelsignal rekonstruieren. Hierzu addiert die Verarbeitungseinheit vorzugsweise einen Winkel zum Sensorsignal, der eine Funktion des Segmentwertes ist. Beispielsweise wird ein Winkel SN*α(S) zum Sensorsignal hinzuaddiert, wobei SN der Segmentwert und (S) ein der Segmentgröße entsprechender Winkel ist.
Eine erfindungsgemäße Drehwinkelsensoranordnung umfaßt einen Drehwinkelsensor, der eine periodische Kennlinie mit mehreren Segmenten aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten, sowie eine Verarbeitungseinheit die in der Lage ist, aus dem Sensorsignal und einem Segmentwert ein Winkelsignal zu rekonstruieren, das die tatsächliche Drehbewegung einer Vorrichtung seit Initialisierung des Drehwinkelsensors eindeutig wiedergibt, wobei die Verarbeitungseinheit wie vorstehend beschrieben arbeitet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel einer Meßanordnung zur Messung eines Drehwinkels einer rotierenden Achse;
Fig. 2a die Kennlinie eines aus dem Stand der Technik bekannten Drehwinkelsensors;
Fig. 2b das Sensorsignal des Drehwinkelsensors von Fig. 2a;
Fig. 3a die Sensorkennlinie eines bekannten Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie;
Fig. 3b das Sensorausgangssignal des Sensors von 3a;
Fig. 4a ein Sensorsignal eines Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie;
Fig. 4b den Zählerstand eines Segmentzählers bei Vorliegen des Signals von Fig. 4a;
Fig. 4c das rekonstruierte Winkelsignal; und
Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte bei der Rekonstruktion eines Winkelsignals aus einem Sensorsignal .
Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen . Fig. 4a zeigt ein Sensorsignal 7 eines Drehwinkelsensors 2 mit einer periodischen Kennlinie, wie sie in Fig. 3a beispielhaft dargestellt ist. Die Signalsprünge a-d im Sensorsignal 7 ergeben sich dadurch, dass der tatsächliche Drehwinkel αL der Welle 1 über die Teilmessbereichsgrenzen -p,+p des Drehwinkelsensors 2 hinausläuft. Dies wird im folgenden anhand eines anschaulichen Beispiels näher erläutert .
Zur Bestimmung des Lenkradwinkels eines Kfz wird beispielsweise eine Anordnung verwendet, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Der Drehwinkelsensor 2 ist beispielsweise in der Lage, Drehwinkel in einem Teilmessbereich von -180° (-p) bis +180° (+p) zu messen. Dieser Teilmessbereich entspricht dem Segment SO der Sensorkennlinie von Fig. 3a. Drehwinkel, die außerhalb dieses Segments SO liegen, werden in den gleichen Messbereich abgebildet, wodurch eine eindeutige Positionsangabe nicht möglich ist. D.h., ein Winkel von +185° wird denselben Sensorausgangswert erzeugen wie ein Drehwinkel von -175°.
Läuft die Drehbewegung der Welle 1 zum Zeitpunkt tl über die Segmentgrenze +p hinaus, so vollzieht das Sensorausgangssignal einen Rücksprung a auf den Sensorausgangswert des nächsten Segments Sl . Der tatsächliche Drehwinkel αL der Achse 1 befindet sich im Zeitabschnitt tl bis t2 also im Segment 1 der Sensorkennlinie von Fig. 3a.
Zum Zeitpunkt t2 unterschreitet der Drehwinkel αL wiederum die Segmentgrenze zwischen dem Segment SO und Sl . Das Sensorsignal springt somit zum Zeitpunkt t2 (Fig. 4a) auf den Endwert des Segments SO . Dieser positive Signalsprung ist mit dem Bezugszeichen b gekennzeichnet. Zwischen den Zeitpunkten t2,t3 befindet sich der tatsächliche Drehwinkel daher im Segment SO. Bei weiterem Zurückdrehen der Achse unterschreitet der Drehwinkel dann die untere Segmentgrenze -p des Segments SO und das Sensorsignal 1 springt mit einem positiven Signalsprung c (siehe Kennlinie von Fig. 3a) auf den Endwert des Segments S_ι. Der tatsächliche Drehwinkel αL befindet sich somit im Segment S_ι .
Wird die Drehrichtung der Achse zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 umgekehrt, und überschreitet der tatsächliche Drehwinkel zum Zeitpunkt t4 die Segmentgrenze zwischen dem Segment S_ι und dem Segment SO, so erfolgt im Sensorsignal 7 ein negativer Signalsprung d.
Das Segment, in dem sich der tatsächliche Drehwinkel (seit Initialisierung des Sensors 2) befindet, wird mit Hilfe eines Segmentwertes SN dargestellt, wie er in Fig. 4b gezeigt ist. Die Drehwinkelsensoranordnung von Fig. 1 umfaßt hierzu einen Segmentwertzähler, der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors einen vorgegebenen Wert (vorzugsweise 0) aufweist und der in Abhängigkeit davon, ob ein positiver oder ein negativer Signalsprung im Sensorsignal von Fig. 4a auftritt, entweder inkrementiert oder dekrementiert wird.
Ein Signalsprung wird von der Signalverarbeitungseinheit 4 dadurch erkannt, dass die Signaländerungsrate des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Die Verarbeitungseinheit 4 kann nun in einfacher Weise das in Fig. 4c gezeigte Winkelsignal 9 rekonstruieren. Hierzu addiert sie zum aktuellen Sensorsignal 7 jeweils das SN-fache einer Segmentbreite, z.B. SN*360°, wobei SN der Segmentwert ist.
Bei dem vorangegangenen Beispiel wurde davon ausgegangen, dass sich die Achse 1 bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors 2 in der Nullstellung, also im Segment SO befindet. Befindet sich die Achse 1 dagegen in einer Winkelposition außerhalb des Segments SO, so muß das Winkelsignal 2 noch um diese Abweichung korrigiert werden. Der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors 2 vorliegende Offset kann beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, dass die Achsstellung beim Ausschalten des Sensors 2 gespeichert wird (vorausgesetzt, die Achse 1 wird bei ausgeschaltetem Sensor nicht bewegt) .
Im Falle eines Lenkradwinkelsensors in einem Kfz, erfolgt die Initialisierung des Sensors 2 z.B. beim Einschalten der Zündung und das Ausschalten des Sensors 2 beim Ausschalten der Zündung. Da beim Ausschalten der Zündung das Lenkrad in Parkstellung üblicherweise blockiert ist, entspricht die Winkelstellung des Lenkrades beim erneuten Einschalten der Zündung der Position des Lenkrades beim vorhergehenden Ausschalten.
Weitere Maßnahmen zur Erkennung eines Offsets des Drehwinkelsensors 2, wie beispielsweise die Verwendung eines zusätzlichen Sensors, sind ebenfalls denkbar.
Fig. 5 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Rekonstruktion eines Winkelsignals 9 aus dem Sensorsignal 7 eines Drehwinkelsensors 2 , der eine periodische Kennlinie 3 mit mehreren Segmenten S aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge 8 auftreten.
Dabei wird in einem ersten Schritt 15 das Sensorsignal 7 eingelesen und in Schritt 16 positive und negative Signalsprünge a-d des Sensorsignals 7 erfasst. Bei Feststellen eines Signalsprungs in Schritt 17 wird ein Segmentwert SN erzeugt, der angibt, in welchem Segment S der Sensorkennlinie 3 der aktuell gemessene Drehwinkel αL liegt. In Schritt 18 kann die Auswerteeinheit 4 aus dem Sensorsignal 7 und dem Segmentwert SN den Gesamt-Drehwinkel seit Initialisierung des Sensors 2 ermitteln. Hierzu addiert die Auswerteeinheit 4 beispielweise einen Winkel zu Sensorsignal 7, der eine Funktion des Segmentwertes SN und der Segmentbreite ist.
Bezugszeichenliste
1 Achse
2 Sensor
3 Geber
4 Auswerteeinheit
5 Sensor-Kennlinie
6 Bewegungsverlauf
7 Sensorausgangssignal
8 Kennliniensprünge
9 Rekonstruiertes Winkelsignal 15-18 Verfahrensschritte
S Segment
SN Segmentnummer αL Drehwinkel αs vom Sensor angezeigter Drehwinkel
+p, -p Segmentgrenzen tl-t4 Zeitpunkte a-d Signalsprünge

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Rekonstruktion eines Winkelsignals (9) aus dem Sensorsignal (7) eines Drehwinkelsensors (2), der eine periodische Kennlinie (5) mit mehreren Segmenten (S) aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge (8) auftreten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erfassen von positiven und negativen SignalSprüngen (a-d) im Sensorsignal (7),
Erzeugen eines Segmentwerts (SN) nach Feststellung eines Signalsprungs (a-d) , der angibt, in welchem Segment (S) ein aktuell gemessener Drehwinkel (αL) liegt, und Rekonstruieren des Winkelsignals (9) aus dem Sensorsignal (7) und dem Segmentwert (SN) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass positive und negative Signalsprünge (a-d) im Sensorsignal (7) durch Schwellenwertüberwachung der Änderungsrate des Sensorsignals (7) erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Segmentwert (SN) bei Erkennung eines positiven oder negativen Signalsprungs inkrementiert oder dekrementiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum aktuellen Sensorsignal (7) ein Winkel addiert wird; der eine Funktion des Segmentwertes (SN) und der Segmentbreite ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Offset-Korrektur des rekonstruierten Winkelsignals (9) durchgeführt wird.
6. Drehwinkelsensoranordnung mit einem Drehwinkelsensor (2), dessen Messbereich nur einen Teilbereich (-p,+p) des Gesamt- Messbereichs umfasst und der eine periodische Kennlinie (5) mit mehreren Segmenten (S) aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge (8) auftreten, und einer Auswerteeinheit
(4) , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) derart eingerichtet ist, dass sie positive und negative Signalsprünge (a-d) im Sensorsignal (7) erfasst, nach dem Auftreten eines positiven oder negativen Signalsprungs (a-d) jeweils einen neuen Segmentwert (SN) ermittelt und aus dem Sensorsignal (7) und dem Segmentwert (SN) ein eindeutiges Winkelsignal (9) rekonstruiert.
7. Drehwinkelsensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) das Sensorsignal (7) Schwellenwert überwacht, um positive und negative Signalsprünge (a-d) zu erkennen.
8. Drehwinkelsensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) einen Segmentzähler umfaßt, der bei Erkennen eines positiven oder negativen Signalsprungs (a-d) inkrementiert oder dekrementiert wird.
9. Drehwinkelsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) jeweils einen Winkel zum Sensorsignal (7) addiert, der eine Funktion des Segmentwerts (SN) und der Segmentbreite ist.
10. Drehwinkelsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erkennung eines Offsets bei der Initialisierung der Drehwinkelsensoranordnung (2,4) vorgesehen sind.
EP03797956A 2002-11-28 2003-07-08 Rekonstruktion eines winkelsignals aus dem sensorsignal eines drehwinkelsensors Withdrawn EP1585941A1 (de)

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