WO2005124286A1 - Verfahren und anordnung zur korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden sensorsystems - Google Patents

Verfahren und anordnung zur korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden sensorsystems Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung (1) vorgeschlagen, bei der sinus- und kosinusförmige Messsignale (xi, yi) ausgewertet werden, die durch Abtas­ten eines bewegten Messobjekts (2) gewonnen worden sind. Zur Korrektur der Winkel- und/oder Phasenfehler der Mess­signale (xi, yi) besteht das Verfahren aus einem Abgleich­und einem nachfolgendem Korrekturverfahren. Im Abgleich­verfahren werden Korrekturparameter (m1, m2) bereitge­stellt und im Korrekturverfahren wird aus jedem Messwert­paar (xi, yi) ein korrigiertes Messwertpaar (xi, yi) er­mittelt.

Description

Verfahren und Anordnung zur Korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Es sind an sich bereits Sensorsysteme für einen zu messenden Winkel bei einem rotierenden Messobjekt oder einem zu messenden Abstand bei einem sich linear bewegenden Messobjekt bekannt, bei denen die zu gewinnende Information durch ein Paar von sinus- und kosinusförmigen Messsignalen repräsentiert wird. Die Information liegt dabei in der Regel in der Amplitude und/oder in der Phase dieser Messsignale. Hierbei treten in den Messsignalen oft Winkel- oder Phasenfehler auf, die durch Fertigungstoleranzen oder sonstige schaltungstechnischen Besonderheiten in der Sensoranordnung bedingt sind.
Für sich gesehen ist auch bekannt, dass solche Sensoranordnungen nach dem GMR-Prinzip (GMR = giant magneto re- sistance) aufgebaut werden, um den Winkel eines Magnetfeldes zu bestimmen. Solche GMR-Winkelsensoren liefern idealerweise die Signale:
Figure imgf000004_0001
mit der Amplitude A. Aus diesen Signalen ließe sich dann im Prinzip der zu messende Winkel α eindeutig bestimmen. Allerdings besitzen solche GMR-Winkelsensoren systematische Fehler, so dass die Ausgänge die folgenden Signale liefern:
Figure imgf000004_0002
y = A • sin( +δ ) + y*
Da die eigentlich gesuchte Größe der Winkel α ist, stellen die Werte x0 und y0 die Offsets des Winkelsensors dar. Die Signalamplituden Ai und A2 sind hierbei im allgemeinen -unterschiedlich groß und die Phasenverschiebung zwischen den Größen x und y ist nicht genau 90°, sie weist nach dem Offsetabzug und einer Normierung auf die gleiche Amplitude einen Phasenfehler α auf.
Beispielsweise ist aus der DE 101 54 153 AI ein Verfahren zum Offsetabgleich eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems bekannt, bei dem zwar die Werte für x0 und yo aus Messungen bestimmt werden, jedoch müssen bei diesem bekannten Verfahren, die Bedingungen für die Amplituden Aχ=A2 und für den Phasenfehler α=0 erfüllt sein.
Außerdem ist aus der DE 100 34 733 AI ein Verfahren bekannt, bei dem die Amplituden Ai und A2 bzw. die Werte x0 und y0 sowie der Phasenfehler α aus den Messdaten berech- net werden. Hierbei ist jedoch die Berechnung sehr aufwendig und damit bei einem Einsatz als Abgleichverfahren sehr zeitkritisch. Da die zugrundeliegenden Gleichungen nichtlinear in den gesuchten Parametern sind, muss eine nichtlineare Regression durchgeführt werden, wobei Itera- tions- bzw. Näherungsverfahren eingesetzt werden, die die benötigten Rechenzeiten unkalkulierbar machen. Die Konvergenzeigenschaften der bekannten Verfahren hängen jedoch stark von der Wahl einer geeigneten Anfangslösung ab, so dass bei einer ungünstigen Wahl solche Verfahren nachteilig sein können.
Vorteile der Erfindung
Das eingangs erwähnte gattungsgemäßen Verfahren zur Korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems, bei dem sinus- und kosinusförmige Messsignale ausgewertet werden, die durch Abtasten eines bewegten Messobjekts gewonnen worden sind und dabei Winkel- oder Phasenfehler der Messsignale korrigiert werden, wird in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass das Verfahren aus einem Abgleich- und einem nachfolgendem Korrekturverfahren besteht, wobei im Abgleichverfahren aus einer vorgegebenen Anzahl von Messwertpaaren durch Drehung des Magnetfeldes nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate und durch Lösung eines linearen Gleichungssystems Offsetwerte der sinus- und kosinusförmige Messsignale und Korrekturparameter bereitgestellt werden. Dann wird im Korrekturverfahren aus jedem Messwertpaar ein korrigiertes Messwertpaar ermittelt und der zu messende Winkel wird in vorteilhafter Weise mit einem geeig- neten Algorithmus aus den jeweils korrigierten Messwertpaaren ermittelt .
Die im erfindungsgemäßen Abgleichverfahren ermittelten Messwertpaare liegen auf Ellipsen, wobei die Bestimmung der Ellipsenparameter nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate durchgeführt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das jeweilige Fehlerquadrat nach den Ellipsenparametern abgeleitet und die jeweilige Ableitung als notwendige Bedingung für ein Minimum auf null gesetzt. Aus den jeweiligen Ableitungen kann nunmehr das lineare Gleichungssystem aufgestellt werden, so dass mit einem geeigneten Eliminations erfahren das GleichungsSystem nach den gesuchten Ellipsenparametern aufgelöst wird und hieraus die Offsetwerte und die Korrekturparameter ermittelt werden.
Weiterhin wird eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen, bei der die Sensoranordnung gemeinsam mit einer Auswerteschaltung zur Korrektur der Messwerte auf einem integrierten Mikrochip aufgebaut ist. Der Mikrochip mit der Sensoranordnung und der Auswerteschaltung weist hierbei bevorzugt Schnittstellen zur Ein- und/oder Ausgabe von Daten und/oder Parametern auf. Als vorteilhaftes Anwendungsbeispiel ist der Mikrochip mit der Sensoranordnung und der Auswerteschaltung als Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt.
Mit der Erfindung ist es somit auf einfache Weise möglich in einem ersten Verfahrensteil die Sensorfehler eines individuellen Sensorselements zu analysieren und die zugehörigen Parameter zu bestimmen. In einem zweiten Verfahrensteil können dann mittels der Auswerteschaltung die Sensorfehler korrigiert bzw. kompensiert werden. Der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht insbesondere darin, dass für die Bestimmung der notwendigen Sensorparameter keinerlei Iterationen oder Näherungen wie beim Stand der Technik notwendig sind. Das Ergebnis der Auswertung steht somit nach immer der gleichen Rechenzeit zur Verfügung. Dies ist besonders wichtig beim Abgleich der Sensorauswerteschaltung während der Herstellung, da hier mit einem festen Herstellungstakt gearbeitet werden muss .
Für die Berechnung der Sensorparameter können beliebig viele Messwerte N, z.B. N=100, herangezogen werden; sie werden alle nach dem Prinzip der kleinste Fehlerquadratsumme berücksichtigt. Weiterhin werden nicht alle bisher benötigten Parameter bestimmt, sondern nur die Parameter, die für die Korrektur der Sensorsignale benötigt werden, hier sind es nur vier Parameter.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer solchen Anordnung zur Durchführung eines Abgleichverfahrens in einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung und
Figur 2 ein Blockschaltbild zur Durchführung des Korrekturverfahrens und der Ermittlung des Ausgangssignals der winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist in ein Blockschaltbild einer Anordnung dargestellt, mit der die von einem Sensor 1, z.B. mit einem in der Beschreibungseinleitung erwähnten AMR- oder GMR-Sensor, zur Winkel- oder Abstandsmessung gelieferten Sinus- und Cosinus-Signale x,y weiterverarbeitet werden. Der Sensor 1 erfasst hierbei die durch eine Winkeldrehung α bewirkte Änderung des Magnetfeldes eines Magneten 2. Es erfolgt dann innerhalb einer Abgleichschaltung 3 in einem Baustein 4 eine Erfassung von N Messwertpaaren x,y mit N, i=l...N, z.B. N=100, Messwertpaaren Xι,yι. Anschließend wird die im Folgenden erläuterte Parameterberechnung in einem Baustein 5 durchgeführt, so dass an einem Ausgang 6 hier die Parameter x0,yo,mι,m2 zur weiteren Auswertung in einer anhand Figur 2 beschriebenen Auswerteschaltung weiterverarbeitet werden können.
Durch Drehung des Magneten 2 , dessen Magnetfeldrichtung im Sensor 1 erfasst wird, werden die im Abgleichverfahren ermittelten Messwertpaare x_.,yι, verarbeitet, die auf Ellipsen liegen und folgender Gleichung genügen:
f(x,y) ~ Wj - x2 + 2 - w2 -x - y+w3 - y2 + 2 - w4 -x + 2 - w5 - y + l = 0.
Hierbei stellen wobei die Parameter wι...w5 die Parameter der Ellipse dar. Um diese Parameter wι...w5 aus den Messwertpaare xι,yι zu bestimmen, wird ein sogenannter Klein- ster-Fehlerquadrat-Ansatz zur Bestimmung des Fehlerquadrats g gemacht:
Figure imgf000008_0001
Das Fehlerquadrat g ist hierbei bezüglich der gesuchten Ellipsenparameter W1...W5 zu minimieren. Dazu wird das Fehlerquadrat g nach den Ellipsenparameter W1...W5 abgeleitet und die jeweilige Ableitung als notwendige Bedingung für ein Minimum auf null gesetzt: dg_ = 0,/ = 1....5 dWj
Hieraus kann ein lineares GleichungsSystem gebildet werden, das dann nach den gesuchten Ellipsenparametern
Wi. .W5, z.B. mit Hilfe des Gausschen Eliminationsverfahrens oder einer anderen geeigneten bekannten Methode, aufgelöst werden kann.
Ein solche Gleichung kann wie folgt aussehen: sx4 2- sx3y sx2y2 2- ,sx3 2 - sx2y sx3y 2 ■ sx2y2 sxy3 2 ■ sx2y 2 ■ sxy2 sx2y2 2 ■ sxy3 sy4 2 ■ sxy2 2 • sy3 sx3 2 ■ sxly sxy2 2 ■ sx2 2 ■ sxy sx2y 2 • sxy3 sy3 2 • sxy 2 • sy2
Figure imgf000009_0001
Die Berechnung der in dem obigen Gleichungs system benötigten 13 verschiedenen Zahlenwerte erfolgt aus den Messdaten xι, yι nach folgenden Beziehungen :
N N Λ. x = ∑*. sy =∑y{ sxy = ∑xi -yi 1=1 1=1
N N sx2 = ∑xf sy2 = ∑yf sx2y = ∑xf yt 1=1 1=1 i=\
N N N sx3 = ∑x* sy3 = ∑y sxy2 = ∑xt -yf 1=1 ι=l (=1 N N N sx4 = ∑xf Sy4 = ∑yi A sxy3 = ∑χ. -y ι=l i=l i=l sx3y = ∑x -y{ ι=l
Aus den nunmehr gefundenen Ellipsenparametern W1...W5 können dann die gesuchten Offsetwerte x0.y0 und die oben erwähnten Parameter π und m2 berechnet werden:
_ w2 -w5 -w3 -w4 x„ = w1 -w3 - w2
W2 -W4-Wj -w5 w w3 -w2
Zur Berechnung der beiden Parameter mi und m2 müssen zunächst Zwischenwerte v und r gebildet werden:
Figure imgf000010_0001
Nun lassen sich die gesuchten Parameter mi und m2 wie folgt berechnen:
Figure imgf000010_0002
Die gesuchten Offsetwerte x0,y0 und die Parameter mi und m2 werden dann, wie anhand der Figur 1 beschrieben, am Ausgang 6 hinterlegt und in der aus der Figur 2 ersieht- lichen Auswerteschaltung 7 wird in einem Korrekturbaustein 8 das korrigierte Messwertpaar i',yι' nach folgenden Beziehungen ermittelt: X; X0 und y = m -xi' +m2.[yi -y.)
Der in der Anordnung nach den Figuren 1 und 2 zu messende Winkel α, entsprechend der Drehung des Magneten 2, kann dann in der Auswerteschaltung 7 in einem Baustein 9 aus α = arc{x + i-y') r beispielsweise nach einem sogenannten CORDIC-Algorithmus oder einer aus der Programmiersprache C bekannten atan2-Funktion, eindeutig und genau berechnet und einem Ausgang 10 der Auswerteschaltung 7 zur Verfügung gestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1) Verfahren zur Korrektur einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung (1) , bei der - sinus- und kosinusförmige Messsignale (x_.,yi) ausgewertet werden, die durch Abtasten eines bewegten Messobjekts in einem Magnetfeld gewonnen worden sind und bei dem - Winkel- und/oder Phasenfehler der Messsignale (Xi.y±) korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verfahren zur Korrektur der winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung aus einem Abgleich- und einem nachfolgendem Korrekturverfahren besteht, wobei - im Abgleichverfahren aus einer vorgegebenen Anzahl (N aus i=l...N) von Messwertpaaren (x_.,y_.) durch Drehung des Magnetfeldes nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate und durch Lösung eines linearen GleichungsSystems Offsetwerte (x_,yo) der sinus- und kosinusförmige Messsignale (x_.,y_.) und Korrekturparameter (mι,m2) bereitgestellt werden und dass - im Korrekturverfahren aus jedem Messwertpaar (x_.,y_.) ein korrigiertes Messwertpaar (x_/ ,y_ ) ermittelt wird. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der zu messende Winkel (α) mit einem Algorithmus aus den jeweils korrigierten Messwertpaaren {x_/,y_/) ermittelt wird.
3) Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet:, dass
- der zu messende Winkel (α) im Korrekturverfahren nach der Beziehung oc = are{x'+i • y') ermittelt wird.
4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das korrigierte Messwertpaar (x_/,y_/) im Korrekturverfahren nach den Beziehungen und y = »fr• xt' +τκ_. iyt -j/.l ermittelt wird.
5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die im Abgleichverfahren ermittelten Messwertpaare (xi.yi) auf Ellipsen liegen, die folgender Gleichung genügen:
- f(x,y) = Wι -x2 + 2-w2 - x- y + w3 - y2 + 2- w4 - x + 2-w5 - y+l,
- wobei die Bestimmung der Ellipsenparameter (wι...w5) nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate (g) mit N
- g = ∑f xi, i)2 = Ω^ durchgeführt wird. ι=l 6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Fehlerquadrat (g) nach den Ellipsenparametern (W1...W5) abgeleitet und die jeweilige Ableitung als notwendige Bedingung für ein Minimum auf null gesetzt wird und dass
- aus den jeweiligen Ableitungen das lineare Gleichungssystem aufgestellt wird, so dass mit einem geeigneten Eliminationsverfahren das Gleichungssystem nach den gesuchten Ellipsenparametern <wι...w5) aufgelöst wird und hieraus die Offsetwerte ( orYo) und die Korrekturparameter (mι,m2) ermittelt werden.
7) Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sensoranordnung gemeinsam mit einer Abgleich- und Auswerteschaltung (3,7) zur Korrektur der Messwerte auf einem integrierten Mikrochip aufgebaut sind.
8) Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Mikrochip mit der Sensoranordnung und der Abgleich- und Auswerteschaltung (3,7) Schnittstellen (6,10) zur Ein- und/oder Ausgabe von Daten und/oder Parametern aufweist. 9) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Mikrochip mit der Sensoranordnung und der Auswerteschaltung als Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
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