Verfahren zur Bestimmung eines Schaltpunktes bei der Auswertung der Signale einer Maqnetsensoranordnunq
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Schaltpunktes bei der Auswertung der Signale einer Magnetsensoranordnung, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Bekannt sind Magnetsensoranordnungen als aktive Drehzahl- und Positionssensoren, wie sie zum Beispiel zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei beruhen insbesondere inkrementelle Sensoren häufig auf der Detektion eines differenziellen Magnetfeldes. Ein durch ein magnetfeldbeeinflussendes Geberelement moduliertes magnetisches Eingangssignal wird mit einem geeigneten Sensor zum Beispiel durch den Hall- oder den sogenannten XMR-Effekt in eine elektrische Spannung umgewandelt. Die-
ses periodische Signal wird einem Vergleicher zugeführt, der es abhängig davon, ob das elektrische Signal oberhalb oder unterhalb einer Schaltschwelle liegt, in ein binäres Signal umwandelt.
Für sich gesehen ist es bekannt, dass diese Sensoren mit einem Vergleicher mit fester Hysterese, z.B. ein sog. Schmitt-Trigger, eingesetzt werden. Hiermit wird ein Versatz des Schaltpunktes aus dem Nulldurchgang des magnetischen Signals heraus bewirkt. Bei einer sinusförmigen Anregung führt dies jedoch zu einer Verschlechterung des Jitterverhaltens, da die Steigung des magnetischen Signals im Nulldurchgang maximal ist.
Aus der US 2003 0231 129 Al ist es beispielsweise bekannt, dass hierbei eine versteckte Hysterese eingesetzt wird. Der Vergleicher für das Umsetzen in das elektrische Ausgangssignal wird bei dieser bekannten Anordnung nur aktiviert, wenn zuvor andere Schaltschwellen über- oder unterschritten wurden. Somit kann das Schalten im Nulldurchgang mit dem Erfordernis einer Hysterese zur Verhinderung von fehlerhaften, z.B. durch Rauschen induzierten, Ausgangssignalen verbunden werden.
Weiterhin ist auch aus der EP 0 875 774 A2 bekannt, dass Magnetsensoren mit einer sogenannten adaptiven Hysterese ausgestattet werden, die in Abhängig vom Peak-Peak-Betrag ihres Ausgangssignals ihre Hysterese auf einen festen Prozentwert setzen. Kritisch ist bei dieser bekannten Anordnung insbesondere das Verhalten des Sensors beim Auftreten von Luftspaltschlägen, d.h. schlagartigen Änderungen des Luftspaltes. Wird der Luftspalt schnell größer, so verringert sich die magnetische Eingangsamplitude des Sensors so schnell, dass die Hysterese nicht nachgeregelt wird und der Sensor Signalflanken verlieren kann. Die
Größe der Hysterese bestimmt daher hier weiterhin maßgeblich über den maximal zulässigen Luftspalt den maximalen Abstand zwischen Sensor und einem Geberrad, mit welchem der Sensor noch korrekte Ausgangssignale ohne fehlende Flanken generiert.
Stand der Technik ist somit zusammenfassend der Einsatz von festen Schaltschwellen mit fester Hysterese bzw. die Anpassung im Betrieb auf die Signalamplitude bzw. den Peak-Peak-Betrag der magnetischen Eingangssignale.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eignen sich für Magnetfelder, die über der Zeit einen sinusförmigen Verlauf zeigen. Insbesondere bei hallbasierten Differenzfeld-Sensoren sind diese Magnetfelder für große Teilungen von Geberrädern als magnetfeldbeeinflussende Geberelemente jedoch nicht mehr sinusförmig, sondern weisen Sattelpunke auf. Die magnetische Position des Sattelpunktes ist dabei abhängig von der Position des Sensors gegenüber dem Geberrad.
Abhängig vom meridialen Versatz des Sensors kann man typischerweise einen vertikalen Versatz des Sattelpunktes bis +/-20% des Peak-Peak-Wertes aus dem Nullpunkt heraus beobachten. Liegt die Schaltschwelle des Sensors auf der Höhe des Sattelpunktes, so schaltet der Sensor nicht eindeutig definiert und sein Ausgangssignal zeigt einen deutlich erhöhten Jitter, was die Nutzbarkeit des Signals als Messgröße zur Ermittelung z.B. der Fahrzeuggeschwindigkeit bei einem Drehzahlsensor stark verschlechtert.
Eine Lösung des eingangs beschriebenen Problems kann durch die Wahl einer Hysterese in der Weise erfolgen, dass die resultierenden Schaltpunkte immer mehr als 20% vom offsetkorrigierten Nullpunkt des Signals entfernt liegen. Der Nachteil eines solchen Ansatzes liegt darin,
dass im Falle einer sinusförmigen Anregung der Schaltpunkt weit vom optimalen Schaltpunkt bei Null entfernt liegt und damit der Jitter erhöht wird. Weiterhin verschlechtert die Erhöhung der Hysterese das Verhalten des Sensors im Falle von Luftspaltsprüngen, die kurzzeitig deutlich verringerte Signalamplituden erzeugen. Liegen diese unterhalb der eingestellten 20% der Ursprungsamplitude so gehen Sensorsignale verloren.
Vorteile der Erfindung
Bei einer Weiterbildung des eingangs genannten Verfahrens zur Bestimmung eines Schaltpunktes bei einer Magnetsensoranordnung, bei dem die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Schaltflanken in der Magnetsensoranordnung dadurch ausgewertet werden, dass das Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes zu einer Signalabgabe führt, wird das Ausgangssignal der Magnetsensoranordnung erfindungsgemäß in einem vorgegebenen zeitlichen Fenster des Signalbereichs analysiert und ein optimaler Schaltpunkt hinsichtlich der Steigung und/oder der Lage im Bereich des Nulldurchgangs der Schwingung des Ausgangssignals ermittelt.
Mit der Erfindung ist eine optimale Wahl der Schaltpunkte eines Magnetsensors unter Vermeidung der eingangs beschriebenen Nachteile möglich, das heißt, ein Schaltpunkt ist so wählbar, dass seine Abweichung vom offsetkorri- gierten Nullpunkt minimal ist und gleichzeitig sichergestellt ist, dass er in einem Bereich maximaler Steigung des Eingangssignals und keinesfalls auf einem Sattelpunkt liegt.
Gemäß der Erfindung kann in vorteilhafter Weise aus dem Ausgangssignal im vorgegebenen Zeitfenster eine numerische Ableitung nach der Zeit erzeugt und der optimale Schaltpunkt bei der maximalen Steigung des abgeleiteten Signals gewählt werden. Eine zusätzliche Gewichtung bei der Auswahl des Schaltpunktes kann dahingehend vorgenommen werden, dass bevorzugt eine Lage des Schaltpunktes im Bereich des Nulldurchganges des Ausgangssignals vorgenommen wird. Vorteilhaft ist es auch, wenn bei der Auswahl des optimalen Schaltpunktes ein Schwellwert für die Steigung vorgegeben wird, der minimal erreicht werden muss.
In vorteilhafter Weise kann zur Erkennung einer Schaltflanke im Verlauf eines Messzyklusses das jeweilige Maximum und Minimum ermittelt und der hieraus ermittelte Mittelwert errechnet werden. Eine Offsetkorrektur kann durch Veränderung der Hysterese dergestalt vorgenommen werden, dass bei Erkennung einer Schaltflanke die kontinuierlich aus Vor- und Folgewerten berechnete Steigung des Signals geprüft wird und dass für den Fall, dass die Steigung kleiner ist als ein vorgegebener Wert, die Hysterese solange erhöht wird bis der Schaltpunkt in einem Bereich ausreichender Steigung des Ausgangssignals der Magnetsensoranordnung liegt.
Es ist hierbei auch möglich, die Hysterese solange zu erhöhen bis der Schaltpunkt im Zeitpunkt der maximalen Steigung im Bereich ausreichender Steigung des Ausgangssignals der Magnetsensoranordnung liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ein Schaltpunkt in Sattelpunkten des Signals, d.h. mit der Steigung Null, oder in Wendepunkten, d.h. bei minimaler Steigung, ausgeschlossen werden.
Zeichnunq
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Geberrades mit einer Zahn-Lücken-Kontur und einen gegenüberliegenden Magnetsensor nach dem Stand der Technik, der mit einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung die von der Zahn-Lücken-Kontur bei einer Drehung hervorgerufenen Magnetfeldänderungen detektiert und daraus Schaltflanken erzeugt,
Figur 2a, 2b einen detaillierten Verlauf des magnetischen Eingangssignals des Magnetsensors nach der Figur 1 und das entsprechende elektrische Ausgangssignal mit einer festen Hysterese für die Schaltpunkte nach dem Stand der Technik,
Figur 3 den Verlauf des elektrischen Ausgangssignals eines magnetischen Differenzfeldsensors mit Sattelpunkten und fester Hysterese nach dem Stand der Technik,
Figur 4a und 4b den Verlauf des elektrischen Ausgangssignals eines magnetischen Differenzfeldsensors mit Sattelpunkten (4a) und der numerischen Ableitung (4b) mit erfindungsgemäßen Schaltpunkten für das Ausgangssignal,
Figur 5 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung nach den Figuren 4a und 4b und
Figur 6 ein Beispiel für die Differentation des Signals nach dem Blockschaltbild der Figur 5.
Beschreibunq des Ausführunqsbeispiels
In Figur 1 ist das Prinzip der Erfassung von magnetfeldbeeinflussenden Oberflächenstrukturen auf einem Geberrad 1 gezeigt, wobei hier eine Zahn-Lücken-Kontur Z,L vorhanden ist, die beim Vorbeidrehen unter einem aus dem in der Beschreibungseinleitung Stand der Technik bekannten Magnetfeldsensor 2 hier einen idealisiert in Block 3 dargestellten sinusförmigen Verlauf des Messsignals erzeugt.
Aus dem Signal nach dem Block 3 der Figur 1 wird nun mit herkömmlichen schaltungstechnischen Methoden gemäß Block 4 ein binäres Signal in Form eines Rechtecksignals erzeugt, dessen Schaltflanken idealerweise genau im Nulldurchgang des sinusförmigen Signals nach dem Block 3 liegen. Das Rechtsignal aus Block 4 kann nunmehr einem hier nicht dargestellten Steuergerät zugeführt werden.
In Figur 2a ist ein Verlauf 10 des magnetischen Eingangssignals über die volle Umdrehung von 360° des Geberrades nach der Figur im Detail gezeigt, das beispielsweise mit den magnetfeldbeeinflussenden Zähnen Z während einer Umdrehung diesen annähernd sinusförmigen Verlauf erzeugt.
In Figur 2b ist ein binäres Ausgangssignal 12 gezeigt, dessen Schaltpunkte genau im Nulldurchgang des Signals 1 liegen (strichpunktiert) und es ist weiterhin ein binäres Ausgangssignal 13 (durchgezogene Linie) gezeigt, das mit einem Vergleicher mit fester Hysterese zwischen den Bereichen +2 und -2 des magnetischen Eingangssignals 10 schaltet.
Aus Figur 3 ist darüber hinaus ein Differenzfeld 14 eines ebenfalls für sich gesehen bekannten Differenzfeldsensors
zu entnehmen, das deutliche Sattel 15 im Zeitverlauf t im Bereich des Nulldurchgangs des Signalverlaufs des Differenzfeldes 14 aufweist. Solche für sich gesehen bekannten Differenzfeldsensoren basieren in der Regel auf den in der Beschreibungseinleitung genannten Hallsensoren als magnetfeldempfindliche Sensoren 2 nach der Figur 1. Insbesondere sind diese Magnetfelder für große Teilungen von Geberrädern als magnetfeldbeeinflussende Geberelemente jedoch nicht mehr sinusförmig, sondern weisen durch Überschneidungen Sattel 15 auf. Die Position der Sattel 15 im Signalverlauf 14 ist dabei abhängig von der Position des Sensors 2 gegenüber dem Geberrad 1.
Das unten in der Figur 3 ebenfalls über der Zeit t aufgetragene Ausgangssignal 16 schaltet als Rechtecksignal auch hier anhand einer festen Hysterese im Bereich zwischen den Werten +10 und -10 des magnetischen Signals des Differenzfeldes 14.
Gemäß der Signalverläufe in Figur 4a und 4b soll nun gezeigt werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Schaltpunkt des Rechtecksignals nach den vorherigen Figuren innerhalb der Sattel 15 oder der Wendepunkte des Verlaufs 110 des magnetischen Differenzfeldes gemäß der Figur 4a ausgeschlossen werden kann und möglichst im Bereich großer Steigungen des Signals 110 liegt. In der Figur 4b ist die erste Ableitung 111 über der Zeit t des Signalverlaufs 110 nach der Figur 4a dargestellt, die beispielsweise mit herkömmlich bekannten numerischen Methoden ermittelt werden kann und sich mit geringem Aufwand digital realisieren lässt, wie es anhand Figur 5 und Figur 6 gezeigt wird.
In der Figur 4a ist ein Amplitudenbereich A des Signalverlaufs 110 gezeigt, in dem jeweils der Schaltpunkt für
eine erfindungsgemäß korrigierte Schaltschwelle des zuvor beschriebenen Rechtecksignals nach den vorherigen Figuren liegen soll, woraus sich ein resultierender Bereich B ü- ber der Zeitachse t für die Position der erwünschten Schaltpunkte ergibt.
Es wird hier eine Offsetkorrektur dergestalt vorgenommen, dass zur Erkennung einer Schaltflanke die kontinuierlich aus Vor- und Folgewerten berechnete Steigung 111 (Figur 4b) des Signals 110 (Figur 4a) geprüft wird und dass für den Fall, dass die Steigung kleiner ist als ein vorgegebener Wert C die Hysterese solange erhöht wird bis der Schaltpunkt E in einem Bereich ausreichender Steigung des Ausgangssignals der Magnetsensoranordnung liegt. Gemäß einer anderen Alternative wird die Hysterese solange erhöht wird bis der Schaltpunkt nach der Figur 4b im Zeitpunkt F der maximalen Steigung des Ausgangssignals 110 (Figur 4a) der Magnetsensoranordnung liegt.
Das Blockschaltbild nach der Figur 5 Zeigt zwei Hallzellen Hl und H2 jeweils als Sensoren 2 gemäß der Figur 1, die nach einer Differenzbildung in einem Baustein S einer Signalverarbeitung unterzogen werden und danach wird mit einem Analog/Digital-Wandler A/D das Signal 110 nach Figur 4a erzeugt. Anschließend erfolgt in einem Baustein ND eine numerische Differentation zur Erzeugung des Signals 111 nach der Figur 4b.
Als Beispiel für die numerische Differentation im Baustein ND ist in der Figur 6 ein Schieberegister SR mit in die Registerblöcke hier eingetragenen numerischen Werten gezeigt, mit dem ein numerisch differenziertes Signal am Ausgang entsprechend der Figur 4b erzeugt werden kann.