WO2016024001A1 - Verfahren zum ermitteln eines orthogonalitätsfehlers zwischen zwei sensorsignalen - Google Patents

Verfahren zum ermitteln eines orthogonalitätsfehlers zwischen zwei sensorsignalen Download PDF

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WO2016024001A1
WO2016024001A1 PCT/EP2015/068711 EP2015068711W WO2016024001A1 WO 2016024001 A1 WO2016024001 A1 WO 2016024001A1 EP 2015068711 W EP2015068711 W EP 2015068711W WO 2016024001 A1 WO2016024001 A1 WO 2016024001A1
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angle
corrected
correction value
determining
rotation angle
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PCT/EP2015/068711
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Jens GLEISSBERG
Markus Irth
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Continental Automotive Gmbh
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    • 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
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/24476—Signal processing
    • 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
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a corrected angle of rotation of a raw angle of rotation detected by means of an angle sensor, an angle sensor arrangement and a drive device for carrying out such a method.
  • the document DE 10 2010 003 201 AI is known in which a method for Be ⁇ tuning a rotation angle with an angle measuring unit is disclosed.
  • the rotation angle can be corrected by means of a correction value so that the influence of a false angle F on the value of the rotation angle is reduced. This is an error, resulting from a not quite exact orthogonality between a sine and cosine-shaped sensor signal of the sensor element resul ⁇ advantage.
  • the invention was based on the basic concept of providing a method by means of which the correction value determination as well as the introduction of the correction value into the rotation angle calculation can be integrated as simply as possible into existing processes.
  • the determination unit On the basis of the method according to the invention, in particular the determination unit, a particularly flexible implementation of the error correction in an already set operation is possible. Furthermore, it is possible to adapt the possibilities for calculating or determining the correction value as required, for example, depending on the requirements for the accuracy of the calculation of the correction value.
  • a determination unit is used to determine the correction value. In this way, the way in the investigation unit, as the corrective ⁇ turwert is determined to be set flexibly.
  • the inventive method is characterized in advantageous ⁇ legally developed such that corrected for both Rohmoswinkelsignale by means of the correction value of rotation angle signals are determined and the corrected rotational angle is calculated using both the corrected rotational angle signals. In this way it is ensured that both raw rotation angle signals are corrected in such a way that they essentially assume their desired value.
  • the method according to the invention is advantageously further developed in that the corrected rotational angle signals are normalized to normalized rotational angle signals, preferably to a value range between -1 and 1.
  • the corrected rotational angle signals are processed so that the determination of the corrected rotational angle is independent, of the Scaling the Rohnavwinkelsignale can be done.
  • the inventive method can thus be applied to a variety of sensor types readily.
  • a method for determining a corrected rotary angle (x_tl) of a Rohmoswinkels detected by an angle sensor (x) and angle sensor signal is pre ⁇ propose, the function of the Rohfwinkels (x) first and second Rohfitwinkelsignale (s_r, c_r) outputs or sensor signals, which have a periodic course and are in an orthogonal relationship to one another, wherein due to the error (y) a deviation from the orthogonal relationship between the sensor signals may occur, comprising the steps:
  • the inventive method is characterized in advantageous ⁇ legally further developed in that the corrected, preferably normalized, Rohmoswinkelsignale are continuously accessed for determining the correction value.
  • the so-called on-line determination of the correction value allows an even more precise determination of the correction value.
  • the external effects on the Rohrewinkelsignale as well as other influences that lead to a change in Orthogon Cheshous can be taken into account in this way continuously. Also, this way can Also a vibration behavior of the orthogonality error with in the correction value are taken into account.
  • this embodiment can be particularly advantageous in order to determine an accurate steering assistance torque.
  • the inventive method is characterized in advantageous ⁇ legally further developed in that the second or 2 * n-th harmonic of the radius signal is determined by means of a Fourier transformation, preferably discrete Fourier transformation.
  • the discrete Fourier transformation makes it possible to perform the aforementioned method with as little computation as possible.
  • the inventive method is characterized in advantageous ⁇ legally further developed in that the imaginary part of the second or 2 * n-th harmonic of the Ra ⁇ diussignals is used for calculating the correction value.
  • This embodiment is based on the idea that the error has an immediate effect on the amplitude of the second or an integral multiple of the second harmonic of the radius signal and therefore an analysis of the amplitude of the second harmonic gives a direct indication of the magnitude of the error.
  • this off ⁇ guide die based on the recognition that the error in the second harmonic of the radius signal occurs with a phase shift of 90 ° to the angle of rotation, so that the imaginary part of the upper shaft results in an exclusion of the error.
  • the inventive method is characterized in advantageous ⁇ legally further developed in that the value of the imaginary part of the harmonic only at intended angles of rotation (X_ST) is determined. In this way it is ensured that within one revolution the imaginary part of the 2nd or 2nd nth harmonic for an angle is not calculated several times.
  • the inventive method is characterized in advantageous ⁇ legally further developed in that the correction value is determined once for each sensor. The so-called offline calculation or determination of the correction value requires little effort due to the one-time calculation and can also be carried out by means of external calculation units, as a result of which manufacturing costs of sensor arrangements can be kept low.
  • the object is further achieved by means of a Winkelelsensoran ⁇ order with a sensor unit for detecting the RohFEwin kelsignale and an evaluation unit for carrying out a method according to one of the aforementioned embodiments.
  • the object is also achieved by means of a drive ⁇ device with an electric motor, in particular for a steering assistance device, a control device for controlling the electric motor, and with an angle sensor arrangement according to the aforementioned embodiment.
  • Fig. 2 is an exemplary illustration of a
  • FIG. 3 is a block diagram of an angle sensor arrangement for
  • FIG. 5 is a block diagram for performing a comparison test between an absolute target angle value and the corrected rotation angle
  • Fig. 6-8 is a comparison of the results with and without rotation angle correction.
  • FIG. 1 shows the construction of an angle sensor 101, which is used in the angle sensor arrangement 100 shown in FIG.
  • the angle sensor 101 has an angle encoder 102.
  • the angle encoder 102 is a rotational angle signal x, which are detected by two sensor elements ⁇ 103s, 103c.
  • Each sensor element 103s, 103c generates from the rotation angle signal x of the angle sensor 103 a raw rotation angle signal s_r and c_r, which is used for calculating or for determining the corrected rotation angle x_tl.
  • FIG. 3 shows an angle sensor arrangement 100 with which the method according to the invention can be carried out.
  • the win ⁇ kelsensoran Aunt comprises on the one hand the angle sensor 101. This is connected to a correction unit 110.
  • the correction unit 110 is in turn with a normalization unit 130 connected.
  • the normalization unit is connected to an angle calculation unit 140.
  • the angle ⁇ sensor arrangement 100 comprises a determination unit 150 for determining the correction value y.
  • the determination unit 150 is connected to the correction unit 120, and provides this to the corrective ⁇ y turwert available. Connected in the sense of the exemplary embodiment means a connection for the transmission of signals or data. Preferably, these are a Da ⁇ tentagen. In the figures, the compounds are each represented by an arrow. It is not necessarily necessary that the angle sensor arrangement has a standardization unit 140. This is advantageous, however.
  • the method is carried out in such a way that on the one hand the determination unit 150 determines a correction value y and provides this value to the correction unit 120.
  • the correction value is applied to at least one of the raw rotation angle signals s_r, c_r by means of the correction unit for determining at least one corrected rotation angle signal s_oc, c_oc, from which the corrected rotation angle x_tl is calculated on the basis of at least one of the corrected rotation angle signals s_oc, c_oc.
  • corrected rotational angle signals s_oc, c_oc are determined for both raw ⁇ rotation angle signals s_r, c_r by means of the correction value (y) and the corrected rotation angle x_tl is calculated by means of both corrected rotation angle signals s_oc, c_oc.
  • this embodiment also includes the step of normalizing the corrected rotation angle signals s_oc, c_oc to normalized rotation angle signals s_n, c_n. The normalization is preferably carried out in such a way that the standardized rotation angle signals s_c, c_n are then within a range of values between -1 and 1.
  • the exemplary embodiment has the property that the corrected and standardized raw rotational-angle signals s_n, c_n are continuously retrieved to determine the correction value.
  • the normalized rotation angle signals s_n, c_n are forwarded to a computing unit 151, in which a radius signal e is calculated by means of the equation s_n 2 + c_n 2 .
  • the correction value y is then calculated or determined in the determination unit 150 on the basis of the radius signal.
  • FIG. 4 shows the structure of the determination unit 150 in more detail.
  • the determination unit 150 comprises on the one hand DFT block 152 and on the other hand an integration block 153.
  • the second harmonic is calculated from the radius signal e by means of a discrete Fourier transformation. Since only the imaginary component is decisive for determining the orthogonality error or the correction value y, the calculation can be further simplified. Ie. instead of the
  • the current corrected angle of rotation x_tl is retrieved and a check 154 is made as to whether the current corrected angle of rotation x_tl corresponds to a predetermined angle of rotation x_ST stored in a memory.
  • the corrected rotation angle x_tl can also be uncorrected.
  • the calculation of the summand e_2, im is performed, which is illustrated by the arrow 155.
  • the calculation of the sinusoidal signal can also be replaced by the use of a table with the sine values matching the position x_ST.
  • the value y must be the sum
  • FIG. 5 shows a structure with which a simulation of the method according to the invention was carried out.
  • the construction essentially corresponds to the construction of the angle sensor arrangement 100.
  • the value of a reference sensor x_ref was used to make a comparison between the value of the reference sensor x_ref and the corrected rotation angle x_tl.
  • the raw angles of rotation x were performed on real resolvers with subsequent simulation of the angle error, ie the angle error was artificially added.
  • the signals x_ref, x_tl, s_r and c_r were recorded. There were different
  • the angle x_tl calculated by the model can be compared with the reference angle x_ref and forms the angle difference x_diff, comp.
  • the angle error without
  • the upper diagram shows the angle error without compensation x_diff as a red / dashed line.
  • the com ⁇ pensêt value x_diff_comp is as a blue / solid line.
  • the signal y as the determined orthogonality error is shown as a green / solid line and the signal y_s as a blue / dashed line as the determined residual orthogonality error.
  • An angle sensor for detecting a rotation angle comprising a sensor element that outputs the sensor signals as a function of a win ⁇ kelgebers, which have a periodic course and are mathematically in an orthogonal relationship to each other, and

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehwinkels (x_t1) eines mittels eines Winkelsensors erfassten Rohdrehwinkels (x), der in Abhängigkeit des Rohdrehwinkels (x) erste und zweite Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) ausgibt, die einen periodischen Verlauf aufweisen und in einem orthogonalen Verhältnis zueinander stehen, wobei aufgrund des Fehlers (y) eine Abweichung vom orthogonalen Verhältnis zwischen den Sensorsignalen auftreten kann, aufweisend die Schritte: Ermitteln eines Korrekturwertes (y) mittels einer Ermittlungseinheit zum Ermitteln des Korrekturwertes (y) und Bereitstellen des Korrekturwertes (y) an eine Korrektureinheit, Anwenden des Korrekturwertes auf mindestens eines der Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) mittels der Korrek-tureinheit zum Ermitteln mindestens eines kor-rigierten Drehwinkelsignals (s_oc, c_oc), und Berechnen des korrigierten Drehwinkels (x_t1) anhand mindestens eines der korrigierten Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc).

Description

Verfahren zum Ermitteln eines Orthogonalitätsfehlers zwischen zwei Sensorsignalen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehwinkels eines mittels eines Winkelsensors erfassten Rohdrehwinkels, eine Winkelsensoranordnung und eine Antriebseinrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik ist die Druckschrift DE 10 2010 003 201 AI bekannt, bei der ein Verfahren zum Be¬ stimmen eines Drehwinkels mit einer Winkelmesseinheit offenbart ist. In dieser Druckschrift wird offenbart, wie der Drehwinkel mittels eines Korrekturwertes so korrigiert werden kann, dass der Einfluss eines Fehlwinkels F auf den Wert des Drehwinkels verringert wird. Hierbei handelt es sich um einen Fehler, der sich aus einer nicht ganz exakten Orthogonalität zwischen einem sinus- und kosinus-förmigen Sensorsignal des Sensorelements resul¬ tiert .
In der prioritätsbegründenden Anmeldung DE 10 2014 216224.6 ist ferner ein Verfahren offenbart, das eine andere Möglichkeit als in der vorgenannten Druckschrift zum Bestimmen des Orthogonalitätsfehlers bzw. eine Korrekturwertes zum Korri¬ gieren des Orthogonalitätsfehlers zwischen den beiden Winkelsignalen aufzeigt.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit aufzuzeigen, womit eine korrigierte Drehwinkelberechnung bzw. -ermittlung präzise und auf einfache Weise durchführbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche, die durch Be- zugnahme ausdrücklich zum Gegenstand der Beschreibung gemacht werden .
Der Erfindung lag der Grundgedanke zugrunde ein Verfahren aufzuzeigen, mittels dessen die Korrekturwertermittlung als auch die Einbringung des Korrekturwertes in die Drehwinkelberechnung möglichst einfach in bestehende Prozesse integrierbar ist. Anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der Ermittlungseinheit, ist eine besonders flexible Umsetzung der Fehlerkorrektur in einem bereits eingestellten Betrieb möglich. Des Weiteren ist es möglich die Möglichkeiten zur Berechnung oder Ermittlung des Korrekturwertes je nach Bedarf anzupassen, bspw. je nach Anforderungen an die Genauigkeit der Berechnung des Korrekturwertes. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird zu- sätzlich zu einer Korrektureinheit eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln des Korrekturwertes eingesetzt. Auf diese Weise kann in der Ermittlungseinheit die Art und Weise, wie der Korrek¬ turwert ermittelt wird flexibel eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass für beide Rohdrehwinkelsignale mittels des Korrekturwertes korrigierte Drehwinkelsignale ermittelt werden und der korrigierte Drehwinkel mittels beider korrigierter Drehwinkelsignale berechnet wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beide Rohdrehwinkelsignale derart korrigiert werden, dass sie im Wesentlichen ihren Sollwert annehmen .
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft- erweise weitergebildet, dass die korrigierten Drehwinkelsignale zu normierten Drehwinkelsignalen normiert werden, vorzugsweise auf einen Wertebereich zwischen -1 und 1. Mittels der Normierung werden die korrigierten Drehwinkelsignale so aufbereitet, so dass die Ermittlung des korrigierten Drehwinkels unabhängig, der Skalierung der Rohdrehwinkelsignale erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auf eine Vielzahl von Sensortypen ohne weiteres angewendet werden. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehwinkels (x_tl) eines mittels eines Winkelsensors erfassten Rohdrehwinkels (x) bzw. Winkelsensorsignal vorge¬ schlagen, der in Abhängigkeit des Rohdrehwinkels (x) erste und zweite Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) bzw. Sensorsignale ausgibt, die einen periodischen Verlauf aufweisen und in einem orthogonalen Verhältnis zueinander stehen, wobei aufgrund des Fehlers (y) eine Abweichung vom orthogonalen Verhältnis zwischen den Sensorsignalen auftreten kann, aufweisend die Schritte:
Ermitteln eines Korrekturwertes (y) mittels einer Er- mittlungseinheit zum Ermitteln des Korrekturwertes (y) und
Bereitstellen des Korrekturwertes (y) an eine Korrektur¬ einheit,
Anwenden des Korrekturwertes auf mindestens eines der Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) mittels der Korrek-tureinheit zum Ermitteln mindestens eines korri¬ gierten Drehwinkelsignals (s_oc, c_oc) , und
Berechnen des korrigierten Drehwinkels (x_tl) anhand mindestens eines der korrigierten Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc) .
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass die korrigierten, vorzugsweise normierten, Rohdrehwinkelsignale laufend zum Ermitteln des Korrekturwertes abgerufen werden. Die sogenannte Onli- ne-Ermittlung des Korrekturwertes erlaubt eine noch präzisere Ermittlung des Korrekturwertes. Die äußeren Einwirkungen auf die Rohdrehwinkelsignale als auch sonstige Einflüsse, die zu einer Veränderung des Orthogonalitätsfehlers führen, können auf diese Weise laufend berücksichtigt werden. Auch kann auf diese Weise auch ein Schwingungsverhalten des Orthogonalitätsfehlers mit in den Korrekturwert laufend berücksichtigt werden. Insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich, beispielsweise bei einer Lenkunterstützung, kann diese Ausführungsform besonders vor- teilhaft sein, um eine genaue Lenkunterstützungsmoment zu ermitteln .
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in besonders vorteilhafterweise weitergebildet, dass das Ermitteln des Korrekturwertes die Schritte umfasst:
Bilden eines Radiussignals mittels der Quadratsummen der korrigierten oder normierten Rohdrehwinkelsignale,
Ermitteln der 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals, mit n gleich einer ganzen positiven Zahl, und
- Ermitteln des Fehlers anhand eines um 90° zum Drehwinkel phasenverschobenen Wertes der Amplitude an der zweiten Oberwelle.
Diese Weise der Ermittlung der Fehlerkorrektur ist besonders einfach umsetzbar und hat sich als ein besonders stabiles und genaues Verfahren zur Ermittlung der Fehlerkorrektur erwiesen. Es kann sowohl online als auch offline durchgeführt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt dabei darin, dass der Fehler anhand des Radiussignals ermittelbar ist, der allein auf Basis der beiden Rohdrehwinkelsignale bestimmbar ist. Da diese Signale ohnehin zur Bestimmung des Drehwinkels notwendig sind bedarf es keiner Änderung bestehender Drehwinkelsensoren. Es ist kein Referenzsensorsignal notwendig, mit dem die Sensorsignale einzeln verglichen werden könnten, um den Fehler in den einzelnen Sensorsignalen zu ermitteln. Das Verfahren kann daher besonders einfach in bestehende Systeme integriert werden, da die zur Auswertung der Sensorsignale notwendigen elektronischen Mitteln ohnehin vorhanden sind. Die mathematische Herleitung ergibt sich wie folgt. Die Amplitude des Radiussignals ist mittels der Gleichung e_orth(x) = sin2 (x)+cos2 (x+y) abbildbar, wobei x für den Wert des Drehwinkel und y für den Wert des Fehlers steht. Sofern der Fehler y = 0 ist, wird die vorgenannte Bedingung des Additionstheorems erfüllt. Die Amplitude des Radiussignals hat unter anderem bei einem Winkel von 45° ein Maximum, so dass das Radiussignal bei x=45° folgenden Wert annimmt: e_orth(45°) = l-sin(y)
Für die Bestimmung von e_orth(45°) aus den gemessenen Signalen, müssen andere Fehler im Raudiussignal e_orth(x) bzw. e ausgeblendet werden. Das kann durch eine Oberwellenanalyse mittels Fouriertransformation geschehen. Dabei entspricht der Betrag des Imaginärteils der 2. Oberwelle im Ergebnis der Fouriertransformation dem Wert e_orth(45°). Vorteilhaft die dabei die vollständige Unterdrückung von anderen Fehlern im Signal e_orth(x) durch die alleinige Betrachtung der zweiten Oberwelle, wie beispielsweise Offset-, Verstärkungs- oder Deachsierungsfehlern, weil diese nicht auf die 2. Oberwelle wirken. Da im Ergebnis der Fouriertransformation die Amplituden berechnet werden, aber y den Spitze-Spitze-Wert (vom Minimalwert bis Maximalwert) beschreibt, muss der Betrag des Imaginärteils der 2. Oberwelle verdoppelt werden: y = aresin [2 * (e_orth, 2 *n . , im) ]
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass die zweite oder 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals mittels einer Fourier Transformation ermittelt wird, vorzugsweise diskreten Fourier Transformation. Die diskrete Fourier Transformation ermöglicht das vorgenannte Verfahren mit einem möglichst geringen Rechenaufwand durchzuführen .
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass zum Berechnen des Korrekturwert der imaginäre Anteil der zweiten oder 2*n-ten Oberwelle des Ra¬ diussignals verwendet wird. Dieser Ausführungsform liegt der Gedanke zugrunde, dass der Fehler sich auf die Amplitude der zweiten oder einer ganzzahligen vielfachen der zweiten Oberwelle des Radiussignals unmittelbar auswirkt und daher eine Analyse der Amplitude der zweiten Oberwelle einen direkten Aufschluss über die Größe des Fehlers gibt. Insbesondere basiert diese Aus¬ führungsform auf der Erkenntnis, dass der Fehler in der zweiten Oberwelle des Radiussignals mit einer Phasenverschiebung von 90° zum Drehwinkel auftritt, so dass der imaginäre Anteil der Oberwelle einen Ausschluss über den Fehler ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass der Korrekturwert anhand der Gleichung y = Σ [aresin (2*e_2*n, im) ] oder vorzugsweise anhand y = Σ [2*e_2*n, im] berechnet wird, wobei e_2*n,im der Wert des imaginären Anteils der zweiten oder 2*n-ten Oberwelle ist. Insbesondere mit der letzteren Vereinfachung wird eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der der Rechenaufwand zum Ermitteln des Korrekturwertes weiter verringerbar ist. Es beruht dabei auf der Annahme, dass sich der Korrekturwert i. d. R. innerhalb eines kleinen Wertebereichs um Null liegt und somit diese Annahme für eine Vielzahl von An¬ wendungsfällen zu einer vereinfachten Rechenweise führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass der Wert des imaginären Anteils der Oberwelle nur an vorgesehenen Drehwinkeln (x_ST) ermittelt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass innerhalb einer Umdrehung der imaginäre Anteil der 2. bzw. 2*n-ten Oberwelle für einen Winkel nicht mehrmals berechnet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass die Werte des imaginären Anteils der Oberwelle an den Drehwinkeln x_ST = {0,l,l*2n/N, 2*2n/N, (N-l) *2n/N} berechnet wird, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Hierdurch wird die Berechnung des imaginären Anteils auf feste Winkel bzw. Winkelpositionen fixiert. Das hat den Vorteil, dass die Be¬ rechnung des imaginären Anteils unabhängig von der Geschwindigkeit ermittelbar ist, mit der sich der Drehwinkel ändert. Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch in vorteilhaft¬ erweise weitergebildet, dass der Korrekturwert einmalig für jeden Sensor festgelegt wird. Die sogenannte offline Berechnung oder Ermittlung des Korrekturwertes ist aufgrund der einmaligen Berechnung aufwandsarm und kann auch mittels externer Re- cheneinheiten durchgeführt werden, wodurch Herstellungskosten von Sensoranordnungen niedrig gehalten werden können.
Die Aufgabe wird ferner gelöst mittels einer Winkelsensoran¬ ordnung mit einer Sensoreinheit zum Erfassen der Rohdrehwin- kelsignale und einer Auswerteeinheit zum durchführen eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ausführungsformen.
Ferner wird die Aufgabe auch gelöst mittels einer Antriebs¬ einrichtung mit einem elektrischen Motor, insbesondere für eine Lenkunterstützungsvorrichtung, einer Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Motors, und mit einer Winkelsensoranordnung nach der vorgenannten Ausführungsform.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand mehrerer Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Winkelsensors für eine Winkelsensoranordnung,
Fig. 2 eine beispielhafte Darstellung eines
Orthogonalitätsfehlers im Winkelsensor,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Winkelsensoranordnung zum
Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 eine detaillierte Darstellung einer Ermittlungs¬ einheit aus dem Blockschaltbild aus Figur 3,
Fig. 5 ein Blockschaltbild zum Durchführen eines Vergleichstests zwischen einem absoluten Sollwinkelwert und des korrigierten Drehwinkels, und
Fig. 6-8 ein Vergleich der Ergebnisse mit und ohne Drehwinkelkorrektur .
Einige Bezugszeichen in den Figuren weisen jeweils einen kleingestellten Index auf, der in der nachfolgenden Beschreibung ersatzweise mittels des Zeichens „ " beschrieben wird. Figur 1 zeigt den Aufbau eines Winkelsensors 101, der in der Figur 3 gezeigten Winkelsensoranordnung 100 zum Einsatz kommt. Der Winkelsensor 101 hat zum einen Winkelgeber 102. Der Winkelgeber 102 gibt einen Drehwinkelsignal x vor, die von zwei Sensor¬ elementen 103s, 103c erfasst werden. Jedes Sensorelement 103s, 103c erzeugt aus dem Drehwinkelsignal x des Winkelgebers 103 ein Rohdrehwinkelsignal s_r und c_r, der zur Berechnung bzw. zum Ermitteln des korrigierten Drehwinkels x_tl verwendet wird.
Bei den Rohdrehwinkelsignalen s_r, c_r handelt es sich um ein periodisches Signal, beispielsweise ein Sinus-und ein Kosi¬ nus-Signal, die um 90° zueinander Phasen verschoben sind. Aufgrund der Orthogonalen Beziehung zwischen den Sensorsignalen sollten die Sensorsignale die Bedingung gemäß dem Additions¬ theorem sin2 (x) + cos2 (x) = 1 einhalten, mit x als Wert des Drehwinkels. Aufgrund unterschiedlicher Ursachen, die bspw. einmalig in der Produktion des Winkelsensors 102 auftreten können oder äußere Einflüsse im Betrieb, die permanent vorhanden sind, kann es zu einer Abweichung des Orthogonalen Verhältnisses zwischen den beiden Rohdrehwinkelsignalen s_r und c_r kommen. In Figur 2 ist beispielhaft ein Fehlerfall aufgezeigt bei der das eigentliche Rohdrehwinkelsignal s_r einen Orthogonalitätsfehler aufweist und daher fehlerhafterweise den Verlauf der Kurve s_r_err annimmt. In der Folge entspricht die Phasenverschiebung zwischen den beiden Rohdrehwinkelsignalen nicht 90° sondern 90°+y. Das Erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht diesen Fehler als Korrekturwert y zu bestimmen. In Figur 3 ist eine Winkelsensoranordnung 100 gezeigt mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen lässt. Die Win¬ kelsensoranordnung umfasst zum einen den Winkelsensor 101. Dieser ist mit einer Korrektureinheit 110 verbunden. Die Korrektureinheit 110 ist wiederum mit einer Normierungseinheit 130 verbunden. Die Normierungseinheit ist mit einer Winkel Berechnungseinheit 140 verbunden. Ferner umfasst die Winkel¬ sensoranordnung 100 eine Ermittlungseinheit 150 zum ermitteln des Korrekturwertes y. Die Ermittlungseinheit 150 ist mit der Korrektureinheit 120 verbunden und stellt diesem den Korrek¬ turwert y zur Verfügung. Verbunden heißt im Sinne des Aus¬ führungsbeispiels eine Verbindung zur Übertragung von Signalen oder Daten. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Da¬ tenverbindung. In den Figuren sind die Verbindungen jeweils mittels eines Pfeils dargestellt. Es ist nicht zwangsläufig notwendig, dass die Winkelsensoranordnung eine Normierungs¬ einheit 140 aufweist. Dies ist jedoch vorteilhaft.
Das Verfahren wird in der Weise durchgeführt, dass zum einen die Ermittlungseinheit 150 einen Korrekturwert y ermittelt und diesen Wert an die Korrektureinheit 120 bereitstellt. Der Korrekturwert wird mindestens eines der Rohdrehwinkelsignale s_r, c_r mittels der Korrektureinheit zum Ermitteln mindestens eines korrigierten Drehwinkelsignals s_oc, c_oc angewendet, woraus der korrigierten Drehwinkels x_tl anhand mindestens eines der korrigierten Drehwinkelsignale s_oc, c_oc berechnet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist es so, dass für beide Roh¬ drehwinkelsignale s_r, c_r mittels des Korrekturwertes (y) korrigierte Drehwinkelsignale s_oc, c_oc ermittelt werden und der korrigierte Drehwinkel x_tl mittels beider korrigierter Drehwinkelsignale s_oc, c_oc berechnet wird. Ferner umfasst dieses Ausführungsbeispiel auch den Schritt, des Normierens der korrigierten Drehwinkelsignale s_oc, c_oc zu normierten Drehwinkelsignalen s_n, c_n . Vorzugsweise erfolgt das Normieren derart, dass die normierten Drehwinkelsignale s_c, c_n dann innerhalb eines Wertebereichs zwischen -1 und 1 liegen.
Des weiteren weist das Ausführungsbeispiel die Eigenschaft auf, dass die korrigierten und normierten Rohdrehwinkelsignale s_n, c_n laufend zum Ermitteln des Korrekturwertes abgerufen werden. Hierzu werden, wie in Figur 3 sehen, die normierten Drehwinkelsignale s_n, c_n an eine Recheneinheit 151 weitergegeben, in der eine Radiussignal e mittels der Gleichung s_n2+c_n2 berechnet wird. Anhand des Radiussignals wird dann der Korrekturwert y in der Ermittlungseinheit 150 berechnet bzw. ermittelt. In Figur 4 ist der Aufbau der Ermittlungseinheit 150 näher gezeigt.
Die Ermittlungseinheit 150 umfasst zum einen DFT-Block 152 und zum anderen einen Integrationsblock 153.
Innerhalb des DFT-Blocks 152 wird aus dem Radiussignal e die 2. Oberwelle mittels einer diskreten Fouriertransformation berechnet. Da für die Ermittlung des Orthogonalitätsfehlers bzw. des Korrekturwertes y nur der imaginäre Anteil entscheidend ist, kann die Berechnung weiter vereinfacht werden. D. h. anstatt die
Berechnung über die Gleichung
Figure imgf000013_0001
durchzuführen, kann die Berechnung durch die Gleichung
if-l l=s
weiter spezifiziert werden.
Jedoch wird das nur für bestimmte Winkelpositionen bzw. Winkel durchgeführt. Dazu wird der aktuelle korrigierte Drehwinkel x_tl abgerufen und eine Überprüfung 154 durchgeführt, ob der aktuelle korrigierte Drehwinkel x_tl einem in einem Speicher hinterlegten vorgegebenen Drehwinkel x_ST entspricht. In einem ersten Durchlauf kann der korrigierte Drehwinkel x_tl auch unkorrigiert vorliegen. Vorzugsweise liegen die Werte des vorgegebenen Drehwinkels an Stützpunkten x_ST, die wie folgt festgelegt sein können : x ST = {0,1,1*2π/Ν, 2*2π/Ν, ..., (N-l) *2π/Ν}
Ist dies der Fall, wird die Berechnung des Summanden e_2,im durchgeführt, was durch den Pfeil 155 veranschaulicht wird. Die Berechnung des Sinussignals kann auch durch die Verwendung einer Tabelle mit den zur Position x_ST passenden Sinuswerten ersetzt werden . Aus dem imaginären Anteil der zweiten Oberwelle e_2,im kann dann mittels der Gleichung ein Einzelkorrekturwert y_s=arcsin (2*e_2, im) berechnet werden. Aufgrund der Annahme, dass sich die Werte des imaginären Anteils der zweiten Oberwelle nahe um Null liegen kann auch eine Vereinfachung vorgenommen werden, nämlich y_s=2 *e_2 , im
Für die Kompensation des Orthogonalitätsfehlers muss der Wert y aus der Summe
Y = Y + Y_s gebildet werden, da bei Rückspeisung des bestimmten Kompenationswertes y sich ein Orthogonalitätsfehler von y_s=0 ergeben würde. Der Initialwert von y ist 0. Zur Vermeidung von plötzlichen Sprüngen im Winkelsignal x_tl, sollte das Signal y eine Änderungsbegrenzung besitzen, was beispielsweise durch eine Begrenzung des Werts von y_s einfach realisiert werden kann. Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach¬ folgend in den Figuren 5 bis 8 dargestellt. Figur 5 zeigt einen Aufbau, mit der eine Simulation des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wurde. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Winkelsensoranordnung 100. Zum Vergleich der Wirksamkeit der Winkelsensoranordnung 100 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde der Wert eines Referenzsensors x_ref herangezogen, um einen Vergleich zwischen dem Wert des Referenzsensors x_ref und des korrigierten Drehwinkels x_tl vornehmen zu können. Die Rohdrehwinkel x wurden an realen Resolvern mit anschließender Simulation des Winkelfehlers vorgenommen, d. h. der Winkelfehler wurde künstlich hinzugefügt. Die Signale x_ref, x_tl, s_r und c_r wurden aufgezeichnet. Es wurden unterschiedliche
Orthogonalitätsfehler verwendet, wie nachfolgend beschrieben.
Während der Simulation werden die Signale s_r und c_r als Stimuli in das Model geführt. Damit sind zwei Systeme zur Winkelbe¬ rechnung realisiert, die exakt die gleichen Eingangsdaten erhalten. Zum einen die Modelsimulation mit automatischer Orthogonalitätskompensation mittels des Korrekturwertes y. Darüber hinaus wurde noch ein Steuergerät ohne Orthogonalitätskompensation zum Vergleich herangezogen.
Der vom Model errechnete Winkel x_tl kann mit dem Referenzwinkel x_ref verglichen werden und bildet die Winkeldifferenz x_diff,comp. Daneben wird der Winkelfehler ohne
Orthogonalitätskomensation aus den gemessenen Werten des
Steuergerätes als x_diff zum Vergleich berechnet.
Beiden Systemen werden etwa 3,2s Zeit zum Einschwingen geben, bevor die Simulation die automatische Orthogonalitätskorrektur durchführt. Damit kann die Wirkung visuell gut dargestellt werden . Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen die Ergebnisse für Resolver mit eingespeisten Orthogonalitätsfehlern
- Figur 6: 0,154°el
- Figur 7 : 0, 655°el
- Figur 8: -0,3°el.
Im oberen Diagramm ist jeweils der Winkelfehler ohne Kompensation x_diff als rote / gestrichelte Linie dargestellt. Der kom¬ pensierte Wert x_diff_comp ist als blaue / durchgezogene Linie. Zum Zeitpunkt t=3,75s wurde der erste Wert für den Orthogonalitätsfehler bestimmt und der
Orthogonalitätskompensation zugeführt. Die Wirkung ist deutlich zu sehen, der Winkelfehler besitzt keine dominante 2. Ordnung mehr .
Im unteren Diagramm sind als grüne / durchgezogene Linie das Signal y als der ermittelte Orthogonalitätsfehler und als blaue / gestrichelte Linie das Signal y_s als der ermittelten Rest-Orthogonalitätsfehler dargestellt .
In den Figuren 6 bis 8 kann man die deutliche Reduzierung des Orthogonalitätsfehlers erkennen. In der hier gezeigten Anwendung hat der verbleibende Winkelfehler keine kritische Größe mehr. Der Kompensationswert y wurde ohne Glättung direkt angewendet, wodurch besonders in Figur 7 Winkelsprünge bei der Änderung von y aufgetreten sind. Dafür kann man gut erkennen, wie y_s einmalig den Wert von y annimmt, um anschließend auf dem Niveau der Erkennungsgenauigkeit zu bleiben. Glättet man y, zeigen die Signale y und y_s ein Einschwingverhalten.
Zu beachten ist, dass der Kompensationswert der Spit¬ ze-Spitze-Wert des harmonischen Winkelfehlers ist. Er hat damit den 2-fachen Wert des y_s= aresin (e_2 , im ) . Weiterhin ist gut zu erkennen, dass die Korrektur des Orthogonalitätsfehlers die Winkelverschiebung in Höhe des Orthogonalitätsfehlers besei¬ tigt .
Nachfolgend sind weitere vorteilhafte Varianten aufgelistet, die mit den vorgenannten Ausführungsformen kombinierbar sind:
1. Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers (y) zwischen zwei Sensorsignalen (sl, s2) in einem Winkelsensor, der in Abhängigkeit eines Winkelgebers die Sensorsignale (sl, s2) ausgibt, die einen periodischen Verlauf aufweisen und mathematisch in einem orthogonalen Verhältnis zueinander stehen, wobei aufgrund des Fehlers (y) eine Abweichung vom orthogonalen Verhältnis zwischen den Sensorsignalen auftreten kann, aufweisend die Schritte:
Bilden eines Radiussignals (e_orth) mittels der Quadratsummen der Sensorsignale,
Ermitteln der 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals (e_orth) , mit n gleich einer ganzen positiven Zahl , und
Ermitteln des Fehlers eines um 90° zum Drehwinkelwert phasenverschobenen Wert der Amplitude an der zweiten Oberwelle .
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Ermitteln eines Frequenzanteils oder -anteile der Radiussignals mittels einer Fourier Transformation, und
Ermitteln des Fehlers anhand des imaginären Anteils des Frequenzanteils oder der Frequenzanteile der zweiten Oberwelle .
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fourier Transformation mittels einer schnellen und / oder diskreten Fourier Transformation durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch, Berechnen des Fehlers y mittels der Gleichung y = aresin I e_orth, 2 *n . , im I ermittelt wird, wobei e_orth, 2. , im den imaginären Anteil der Amplitude der 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals abbildet .
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reale Anteil der 2*n-ten Oberwelle als Maßstab für einen Skalierungsfehler verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im laufenden Betrieb verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor Inbetriebnahme eines Winkelsensors durchgeführt wird, insbesondere mittels einer externen Recheneinheit.
Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers (y) zwischen zwei Sensorsignalen (sl, s2) in einem Winkelsensor, der in Abhängigkeit eines Winkelgebers die Sensorsignale (sl, s2) ausgibt, die einen periodischen Verlauf aufweisen und mathematisch in einem orthogonalen Verhältnis zueinander stehen, wobei aufgrund des Fehlers (y) eine Abweichung vom orthogonalen Verhältnis zwischen den Sensorsignalen auftreten kann, aufweisend die Schritte:
Ermitteln eines Drehwinkels (x) aus den Sensorsignalen (sl, s2),
Ermitteln eines Umwandlungswertes durch Ausführen einer Fourier Transformation für den ermittelten Drehwinkel,
Ermitteln des Fehlers anhand des Umwandlungswertes. Winkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels, umfassend ein Sensorelement, das in Abhängigkeit eines Win¬ kelgebers die Sensorsignale ausgibt, die einen periodischen Verlauf aufweisen und mathematisch in einem orthogonalen Verhältnis zueinander stehen, und
eine Recheneinheit zum durchführen des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen eines korrigierten Drehwinkels (x_tl) eines mittels eines Winkelsensors erfassten Roh¬ drehwinkels (x) , der in Abhängigkeit des Rohdrehwinkels (x) erste und zweite Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) ausgibt, die einen periodischen Verlauf aufweisen und in einem orthogonalen Verhältnis zueinander stehen, wobei aufgrund des Fehlers (y) eine Abweichung vom orthogonalen Verhältnis zwischen den Sensorsignalen auftreten kann, aufweisend die Schritte :
Ermitteln eines Korrekturwertes (y) mittels einer Ermittlungseinheit zum Ermitteln des Korrekturwertes (y) und Bereitstellen des Korrekturwertes (y) an eine Korrektureinheit,
Anwenden des Korrekturwertes auf mindestens eines der Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) mittels der Korrek¬ tureinheit zum Ermitteln mindestens eines korrigierten Drehwinkelsignals (s_oc, c_oc) , und
Berechnen des korrigierten Drehwinkels (x_tl) anhand mindestens eines der korrigierten Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) mittels des Kor¬ rekturwertes (y) korrigierte Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc) ermittelt werden und der korrigierte Drehwinkel (x_tl) mittels beider korrigierter Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Normieren der die korrigierten Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc) zu normierten Drehwinkelsignalen (s_n, c_n) , vorzugsweise auf einen Wertebereich zwischen -1 und 1. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierten, vorzugsweise nor¬ mierten, Rohdrehwinkelsignale (s_oc, c_oc / s_n, c_n) laufend zum Ermitteln des Korrekturwertes abgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierten Drehwinkelsignale (s_oc, c_oc) oder die normierten Drehwinkelsignale (s_n, c_n) in Abhängigkeit des korrigierten Drehwinkels (x_tl) zum Ermitteln des Korrekturwertes (y) abgerufen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Korrekturwertes die Schritte umfasst:
Bilden eines Radiussignals (e) mittels der Quadratsummen der korrigierten oder normierten Rohdrehwinkelsignale (s_oc, c_oc / s_n, c_n) ,
Ermitteln der 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals (e) , mit n gleich einer ganzen positiven Zahl, und Ermitteln des Fehlers anhand eines um 90° zum Drehwinkel (x) phasenverschobenen Wertes der Amplitude an der zweiten Oberwelle.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite oder 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals (e) mittels einer Fourier Transformation ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen des Korrekturwert der imaginäre Anteil der zweiten oder 2*n-ten Oberwelle des Radiussignals (e) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert anhand der Gleichung y = Σ 2*arcsin(e 2*n,im) oder vorzugsweise anhand
y = Σ 2*e_2*n, im
berechnet wird, wobei e_2*n,im der Wert des imaginären Anteils der zweiten oder 2*n-ten Oberwelle ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des imaginären Anteils der Oberwelle nur an vorgesehenen Drehwinkeln (x_ST) ermittelt wird .
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des imaginären Anteils der Oberwelle an den Drehwinkeln x_ST = {0,l,l*2n/N, 2*2n/N, (N-l) *2n/N}
berechnet wird, wobei N eine positive ganze Zahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (y) einmalig für jeden Sensor festgelegt wird. 13. Winkelsensoranordnung mit einer Sensoreinheit zum Erfassen der Rohdrehwinkelsignale (s_r, c_r) und einer Auswerte¬ einheit zum durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11. 14. Antriebseinrichtung mit einem elektrischen Motor, insbesondere für eine Lenkunterstützungsvorrichtung, einer Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Motors, und mit einer Winkelsensoranordnung nach Anspruch 12.
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