WO2021170170A1 - Verfahren zum bestimmen einer winkelposition einer welle - Google Patents

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WO2021170170A1
WO2021170170A1 PCT/DE2021/100072 DE2021100072W WO2021170170A1 WO 2021170170 A1 WO2021170170 A1 WO 2021170170A1 DE 2021100072 W DE2021100072 W DE 2021100072W WO 2021170170 A1 WO2021170170 A1 WO 2021170170A1
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angular position
sensor
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xmr
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PCT/DE2021/100072
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Jie Zhou
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/2449—Error correction using hard-stored calibration data

Definitions

  • the invention relates to a method for determining an angular position of a shaft, preferably a rotor shaft of an electric motor / actuator, which is more preferably used for clutch actuation in a motor vehicle.
  • WO 2018/219 388 A1 discloses a method for determining an angular position of a rotating component, in particular an electric motor for a clutch actuation system of a vehicle.
  • the angular position of the rotating component is picked up by a radially spaced from the axis of rotation of the rotating component positioned sensor, with a fixed and concentrically arranged on the rotating component magnetic ring builds a magnetic field that changes with respect to the sensor system, which is generated by the Sensor technology is detected.
  • a signal picked up by the sensor system is evaluated with regard to the angular position.
  • This evaluation of the signal taken from the sensor system takes place with regard to amplitude information of the magnetic field, with this amplitude information being used to determine a correction parameter by means of which an angle error in the angular position taken from the signal from the sensor system is determined. The angle error is then used to correct the angular position determined from the signal emitted by the sensor system.
  • WO 2018/219 388 A1 discloses a method for correcting the deviation of an amplitude curve, represented by an ellipse in a Lissajous representation, from a circle.
  • the angle error can be determined by the quotient of the long to the short axis of the ellipse.
  • this method depending on the output value of the existing sensor, can be relatively complex or even impractical.
  • a usually separate and relatively complexly constructed Hall sensor is to be provided for this measurement.
  • a method for determining an angular position of a shaft in a first step using (precisely / exclusively) an XMR sensor arranged radially offset from the shaft, an angular position of the shaft representing the signal of a magnet fixedly connected to the shaft is detected , and in a second step an analytical angular error compensation of this detected signal is carried out by temporally before or after the first step, while driving the shaft at constant speed, either by the XMR sensor or by another reference angle sensor that changes depending on the angular position of the Shaft changing magnetic field of the magnet is scanned over at least one full revolution of the shaft, then a change in a gradient of an amplitude curve of the magnetic field is determined, then, using at least two gradient values at different angles of rotation, a correction value is determined It determines by means of which correction value an angle error of the angular position taken from the signal of the XMR sensor after the first step is determined, and finally the
  • the XMR sensor outputs an angle value in the first step.
  • the XMR sensor aligns a first position value on an x-axis and one on a perpendicular to the x-axis in the first step (considering in a (2D) coordinate system) Outputs the second position value lying on the second y-axis.
  • the scanning after the second step is carried out using the XMR sensor at the end of an assembly chain (end-of-line) of a measuring arrangement having the shaft, the XMR sensor and the magnet, preferably one having the measuring arrangement Actuator.
  • the performance of an XMR (AMR / GMR / TMR) angle sensor for an off-axis application of the electric motor is preferably made possible without an additional sensor.
  • the invention has the task of determining ei NEN systematic errors in an end-of-line or online measurement of a corresponding system by measuring with a reference angle sensor or directly with the existing XMR sensor and then compensating for it accordingly during operation .
  • the invention proposes one of two calculation options for determining the error.
  • two values gradient values
  • the quotient of the elliptical axes is typically determined, but this is not determined directly.
  • the error of the measured from the actual can then be determined according to a further formula.
  • an angle is measured and in another case the sine / cosine values of an angle are measured / output by the sensor.
  • the shaft is driven in a typical manner at a constant speed.
  • the angular error can then be determined via an actually measured angular acceleration.
  • the Winkelbe acceleration is measured by a sensor. From this a factor can then be determined which corresponds to the factor of a Lissajous figure. The error can then be calculated from this factor and then compensated.
  • FIG. 1 shows a flowchart for carrying out a method according to the invention according to a first exemplary embodiment, an existing XMR sensor directly outputting an angle value
  • FIG. 2 shows a flowchart for carrying out a method according to the invention according to a further second exemplary embodiment, in which the XMR sensor outputs an x value and a y value
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of a method for carrying out the method according to one of FIGS. 1 and 2 usable measuring arrangement
  • FIG. 4 shows a Lissajous representation of a series of measurements taken by the measurement arrangement according to FIG.
  • FIG. 5 shows a diagram for illustrating a relationship between an angle / an angular position and a resolution / a gradient of the series of measurements recorded in FIG. 4, FIG.
  • FIG. 6 shows a diagram to illustrate a relationship between a determined correction value () as a function of a relationship between two gradient values (G (90 °) and G (0 °), as well as
  • FIG. 7 is a diagram showing a typical relationship between a rotation angle and a measured angle.
  • FIG. 3 initially shows a conventional measuring arrangement 4 which, as described below, has an off-axis arrangement.
  • the measuring arrangement 4 has a shaft 1 to which a magnet 3, which generates a permanently excited magnetic field, is fixedly attached.
  • This magnet 3 is implemented as a concentric to the shaft 1 alreadybil deter magnet ring.
  • the magnet 3 is seated on a radial outside of the shaft 1 and is firmly held on it.
  • Radially outside the shaft 1 (with respect to an axis of rotation 5 of the shaft 1) sits an XMR sensor 2 according to the off-axis arrangement, which is used to detect a magnetic field of the magnet 3 that changes with the rotation of the shaft 1, in order to thus to determine an angular position of the shaft 1.
  • the preferred area of application of the measuring arrangement 4 is an actuator for clutch actuation, which furthermore preferably has an electric motor with a rotor shaft.
  • the shaft 1 is preferably non-rotatably connected to the rotor shaft or formed directly from this rotor shaft.
  • a determination of a time profile of a plurality of amplitude values of a measured magnetic field component takes place.
  • the shaft 1 is driven at a constant speed / speed.
  • the angular position of the magnet 3 / shaft 1 is scanned using the magnetic field by means of one XMR sensor 2 or, alternatively, by means of a further reference winch sensor.
  • FIG. 4 the computation according to the invention underlying connexion between the arrangement of the XMR sensor 2 and an associated change in resolution along a direction of rotation / circumferential direction of the shaft 1 is shown. Accordingly, due to the off-axis arrangement, when analyzing the amplitude values of the recorded signal curve, as illustrated in FIG. 4 in a Lissajous representation, a circle with different densities (of the measuring points) / different angular gradients is formed.
  • FIG. 4 also shows that if the angle is recorded with an XMR sensor 2, the x and y information recorded, the Lissajous representation corresponds to a circle.
  • An XMR sensor 2 which only outputs an angle (without x, y information), primarily does not permit a Lissajous representation, but this can then be generated by an orthogonal decomposition, as described below. If the magnetic field is recorded in principle with a 2D Hall sensor or by magnetic field scanning, then the Lissajous representation corresponds to an ellipse.
  • a first embodiment of the method according to the invention is provided.
  • a signal representing the angular position of the shaft here an angular signal / an angular value, is detected and output.
  • the angle value is marked with the Greek letter.
  • This angle value is then used, in a second step, to calculate / display a gradient G * present for this angle value.
  • An example of this is shown in FIG.
  • the gradient G * is to be clarified exactly according to FIG.
  • a first gradient value is preferably calculated at an angular position of 0 ° (G * (0 °)) and a second gradient value is calculated at an angular position of 90 ° (G * (90 °)), with which the correction value is then calculated.
  • the determined correction value is used to correct the angle value / the angle signal previously recorded with the XMR sensor 2, which is achieved by the angle error is shown. A corrected angle value is thus ultimately output.
  • the method for determining the angular position of the shaft 1 principally takes place end-of-line, ie at the end of a corresponding assembly chain of the actuator, or alternatively online, ie during operation / in the area of application of the actuator can take place.
  • the execution at the end of the assembly chain is preferred, in which case only one sensor in the form of the XMR sensor 2 is used to carry out the method according to the invention (i.e. to carry out both the first step and the second step).
  • the gradient values are therefore preferably determined after the second step with the same XMR sensor 2 as in the first step, for example in the end-of-line measurement.
  • this is implemented with the reference angle sensor, which is not shown here for the sake of clarity.
  • Equation 2 shows further fundamental relationships between the angle functions and the correction value. This means that the angle error is calculated directly.
  • the angle error is subtracted from this angle value to correct the captured angle value.
  • an XMR sensor 2 which outputs x and y values. This is made possible by an orthogonal decomposition (see equations 3 and 4).
  • Equation 3 - Equation 4:
  • the two partial signals (x and y values) detected according to this embodiment are graphically illustrated with the Lissajous representation in FIG. 4.
  • the Lissajous representation of a magnetic field in an off-axis application should correspond to an ellipse with a short axis b and a long axis a.
  • the resolution / gradient should be constant.
  • the quotient of the two axes can thus be formulated according to equation 5 with the Greek letter.
  • the Lissajous representation for the XMR sensor 2 corresponds, after the orthogonal decomposition, to a circle with a resolution that changes over the circumference. This change depends on which derivation is described below.
  • the resolution is mathematically defined as the first derivative of the angle.
  • the angle can be determined with two pieces of orthogonal information using equation 6.
  • the angle can thus be calculated using equation 7.
  • Equation 7 The following relationships, as expressed by equations 8 to 10, return to equation 1 via the gradient.
  • the orthogonal decomposition has expanded the contour in the x direction by a factor of 1. I.e. the resolution in the y-direction is increased by -fold.
  • the resolution for the XMR sensor 2, in particular the TMR sensor, for off-axis applications is thus determined using equation 11.
  • the gradient G is then calculated in order to then obtain the correction value again.
  • the angle error is then calculated in turn and, ultimately, a corrected angle value is output.
  • a method according to the invention takes place either according to variant a) or b) as follows:
  • the XMR sensor 2 e.g. TMR
  • the XMR sensor 2 e.g. TMR
  • x and y information If the XMR sensor 2 (e.g. TMR) provides x and y information:
  • the (preferably TMR) angle sensor 2 often does not provide the Win kelinformation directly in practice; instead, it is broken down into an orthogonal coordinate system to form a sine and cosine signal (S_cos and S_sin) according to equations 3 and 4.
  • the letter corresponds to the measured angle.
  • this decomposition produces ideal sine and cosine signals, while with an off-axis system, sine and cosine signals with harmonic interference are generated.
  • the influence of this process can be recognized in a Lissajous representation, the shape of the signals being transformed from an ellipse to a circle (FIG. 4). With the representation of the calculated points, an inhomogeneity of the points can be observed; ie the resolution is different.
  • this effect can be understood to mean that if a signal with a lower sampling frequency is recorded during a rotation at a constant speed, the temporal resolution is inconstant.
  • Another idea is to record the points in an end-of-line process with an external angle sensor 2 (LUT calibration), the gradient being inconsistent. The change in the gradient is shown again in FIG. 5. Another observation shows that the maximum is at position A, while the minimum is at position B. Positions A and B are offset from one another by 90 °. Positions A and B correspond to the places where the long and short axes are located.
  • a flypothesis can be defined that the quotient from maximum A to minimum B corresponds to the change in gradient G to the parameter.
  • the further simulation according to FIG. 6 shows a linear relationship between the quotient of G and 2
  • Equation 1 corresponds to the situation before the orthogonal decomposition (ellipse formed by star points in FIG. 4). After the orthogonal decomposition, the sensitivity in the x-direction will increase again by. Finally, equation 11 is obtained, which is identical to equation 1.
  • FIGS. 1 and 2 The signal flow plans of the two possibilities are shown in FIGS. 1 and 2 shown.
  • List of reference symbols Shaft XMR sensor Magnet measuring arrangement Rotary axis

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle (1), wobei in einem ersten Schritt anhand eines radial versetzt zu der Welle (1) angeordneten XMR-Sensors (2) ein eine Winkelposition der Welle (1) repräsentierendes Signal eines mit der Welle (1) fest verbundenen Magneten (3) erfasst wird, und in einem zweiten Schritt eine analytische Winkelfehlerkompensation dieses erfassten Signals erfolgt, indem, unter Antrieb der Welle (1) mit konstanter Drehzahl, entweder durch den XMR-Sensor (2) oder durch einen weiteren Referenzwinkelsensor das sich in Abhängigkeit der Winkelposition der Welle (1) ändernde Magnetfeld des Magneten (3) über zumindest eine volle Umdrehung der Welle (1) abgetastet wird, im Anschluss daran eine Änderung eines Gradienten eines Amplitudenverlaufs des Magnetfeldes ermittelt wird, danach, unter Heranziehen zumindest zweier bei unterschiedlichen Drehwinkeln vorliegender Gradientenwerte, ein Korrekturwert ermittelt wird, mittels welchem Korrekturwert weiterhin ein Winkelfehler der aus dem Signal des XMR-Sensors nach dem ersten Schritt abgenommenen Winkelposition bestimmt wird, und schließlich der Winkelfehler zur Korrektur der aus dem von dem XMR-Sensor (2) abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet wird.

Description

Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle, vorzugsweise einer Rotorwelle eines Elektromotors / Aktors, der weiter bevorzugt zur Kupplungsbetätigung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.
Gattungsgemäße Verfahren sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich be kannt. Beispielsweise offenbart die WO 2018 / 219 388 A1 ein Verfahren zur Bestim mung einer Winkelposition eines sich drehenden Bauteiles, insbesondere eines Elekt romotors für ein Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges. Bei diesem Verfah ren wird die Winkelposition des sich drehenden Bauteils von einer radial beabstandet zur Drehachse des sich drehenden Bauteiles positionierten Sensorik abgenommen, wobei ein fest und konzentrisch an dem sich drehenden Bauteil angeordneter Magnet ring ein sich gegenüber der Sensorik änderndes Magnetfeld aufbaut, das von der Sensorik detektiert wird. Zudem wird ein von der Sensorik abgenommenes Signal hin sichtlich der Winkelposition ausgewertet. Diese Auswertung des von der Sensorik ab genommenen Signals findet hinsichtlich einer Amplitudeninformation des Magnetfel des statt, wobei aus dieser Amplitudeninformation ein Korrekturparameter ermittelt wird, mittels welchem ein Winkelfehler der aus dem Signal der Sensorik abgenomme nen Winkelposition bestimmt wird. Der Winkelfehler wird dann zur Korrektur der aus dem von der Sensorik abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet.
Somit sind aus dem Stand der Technik bereits Verfahren zum Bestimmen einer Win kelposition bei so genannten Off-Axis-Sensoranordnungen, d.h. Sensoranordnungen, bei denen sich ein Sensor radial versetzt zu einer einen Magneten aufweisenden Welle befindet, bekannt. Mit der WO 2018 / 219 388 A1 ist eine Methode offenbart, um die Abweichung eines Amplitudenverlaufs, dargestellt durch eine Ellipse in einer Lissajous-Darstellung, von einem Kreis zu korrigieren. Der Winkelfehler kann dabei durch den Quotienten der langen zur kurzen Achse der Ellipse bestimmt werden. In der Praxis hat es sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass dieses Verfahren, je nach Ausgabewert des vorhandenen Sensors, relativ aufwändig oder gar imprakti kabel sein kann. Des Weiteren ist für diese Messung ein, meist separater und relativ aufwändig aufgebauter Hallsensor vorzusehen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposi tion einer Welle zur Verfügung zu stellen, das mit möglichst effizient arbeitenden und einfach aufgebauten Sensoren eine genauere Ermittlung der Winkelposition ermög licht.
Dies wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Demnach ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle beansprucht, wobei in einem ersten Schritt anhand (genau / ausschließlich) eines radial versetzt zu der Welle angeordneten XMR-Sensors ein eine Winkelposition der Welle repräsentieren des Signal eines mit der Welle fest verbundenen Magneten erfasst wird, und in einem zweiten Schritt eine analytische Winkelfehlerkompensation dieses erfassten Signals erfolgt, indem zeitlich vor oder nach dem ersten Schritt, unter Antrieb der Welle mit konstanter Drehzahl, entweder durch den XMR-Sensor oder durch einen weiteren Re ferenzwinkelsensor das sich in Abhängigkeit der Winkelposition der Welle ändernde Magnetfeld des Magneten über zumindest eine volle Umdrehung der Welle abgetastet wird, im Anschluss daran eine Änderung eines Gradienten eines Amplitudenverlaufs des Magnetfeldes ermittelt wird, danach, unter Heranziehen zumindest zweier bei un terschiedlichen Drehwinkeln vorliegender Gradientenwerte, ein Korrekturwert ermittelt wird, mittels welchem Korrekturwert weiterhin ein Winkelfehler der aus dem Signal des XMR-Sensors nach dem ersten Schritt abgenommenen Winkelposition bestimmt wird, und schließlich der Winkelfehler zur Korrektur der aus dem von dem XMR-Sensor ab gegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet wird.
Dadurch ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle umge setzt, das unabhängig von dem Ausgabewert des vorhandenen XMR-Sensors eine verlässliche, fehlerkorrigierte Ermittlung der Winkelposition ermöglicht. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Als zweckmäßig hat es sich herausgestellt, wenn in dem zweiten Schritt die Welle mit einer niedrigeren Drehzahl als in dem ersten Schritt angetrieben wird.
Für die Berechnung ist es zudem zweckmäßig, wenn ein erster Gradientenwert bei ei ner Winkelposition von 0° und ein zweiter Gradientenwert bei einer Winkelposition von 90° in dem zweiten Schritt zur Ermittlung des Korrekturwertes verwendet werden.
In der Praxis ist es von Vorteil, wenn der XMR-Sensor in dem ersten Schritt einen Winkelwert ausgibt.
Alternativ hierzu ist es auch zweckdienlich, wenn der XMR-Sensor in dem ersten Schritt (unter Betrachtung in einem (2D-) Koordinatensystem) einen, auf einer x-Achse liegenden, ersten Lagewert und einen, auf einer senkrecht zu der x-Achse ausgerich teten y-Achse liegenden, zweiten Lagewert ausgibt.
Zudem hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn in dem zuletzt genannten Fall anhand der beiden Lagewerte, unter Verwendung einer arctan2-Funktion, ein Winkelwert errechnet wird.
Für dieses Verfahren, d.h. vorrangig zum Durchführen der ersten und zweiten Schritte, ist es bevorzugt, wenn ausschließlich ein Sensor (vorzugsweise der XMR-Sensor) zum Einsatz kommt. Dadurch ist das Verfahren möglichst einfach umsetzbar.
Demnach ist es auch zweckmäßig, wenn die Abtastung nach dem zweiten Schritt an hand des XMR-Sensors am Ende einer Montagekette (End-Of-Line) einer die Welle, den XMR-Sensor und den Magneten aufweisenden Messanordnung, vorzugsweise ei nem die Messanordnung aufweisenden Aktor, durchgeführt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird somit die Performance eines XMR- (AMR- / GMR- / TMR-) Winkelsensors für eine Off-Axis-Anwendung vom E-Motor vorzugs weise ohne zusätzlichen Sensor ermöglicht. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ei nen systematischen Fehler in einer End-Of-Line oder einer Online-Messung eines ent sprechenden Systems durch Messung mit einem Referenzwinkelsensor oder unmittel bar mit dem vorhandenen XMR-Sensor zu bestimmen und dann im laufenden Betrieb entsprechend auszugleichen. Je nach Messwertart schlägt die Erfindung eine von zwei Berechnungsmöglichkeiten zur Bestimmung des Fehlers vor. Fallabhängig wer den für Gradienten G oder G* jeweils zwei Werte (Gradientenwerte) bei unterschiedli chen Winkeln, insbesondere bei 0° und 90°, bestimmt. Auf typische Weise wird der Quotient der Ellipsenachsen bestimmt, wobei dieser aber nicht direkt ermittelt wird. Aus diesem Quotienten kann dann gemäß einer weiteren Formel der Fehler des Ge messenen vom Tatsächlichen bestimmt werden. In einem Fall wird ein Winkel und in einem anderen Fall werden die Sinus- / Cosinus-Werte eines Winkels gemessen / vom Sensor ausgegeben. Die Welle wird dabei auf typische Weise mit konstanter Ge schwindigkeit angetrieben. Der Winkelfehler ist dann über eine tatsächlich gemessene Winkelbeschleunigung bestimmbar. Flierzu wird von einem Sensor die Winkelbe schleunigung gemessen. Aus dieser kann dann ein Faktor bestimmt werden, der dem Faktor einer Lissajous-Figur entspricht. Aus diesem Faktor kann dann der Feh ler ausgerechnet und dann ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei ein vorhandener XMR-Sen- sor direkt einen Winkelwert ausgibt,
Fig. 2 ein Flussdiagramm zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem weiteren zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem der XMR-Sen- sor einen x- und einen y-Wert ausgibt, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Fign. 1 und 2 einsetzbaren Messanordnung,
Fig. 4 eine Lissajous-Darstellung einer durch die Messanordnung nach Fig. 3 er fassten Messreihe zur Darstellung der von dem XMR-Sensor erfassten Amplitudenwerte entlang einer vollen Umdrehung einer durch den XMR- Sensor erfassten Welle,
Fig. 5 ein Diagramm zum Darstellen eines Verhältnisses zwischen einem Winkel / einer Winkelposition und einer Auflösung / einem Gradienten der in Fig. 4 erfassten Messreihe,
Fig. 6 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verhältnisses zwischen einem ermittelten Korrekturwert ( ) in Abhängigkeit eines Verhältnisses zweier Gradientenwerte (G(90°) und G(0°), sowie
Fig. 7 ein Diagramm zum Darstellen eines üblichen Verhältnisses zwischen einem Drehwinkel und einem gemessenen Winkel.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver ständnis der Erfindung.
Mit Fig. 3 wird zunächst eine übliche Messanordnung 4 gezeigt, die, wie nachfolgend beschrieben, eine Off-Axis-Anordnung aufweist. Die Messanordnung 4 weist eine Welle 1 auf, an der ein, ein permanent erregtes Magnetfeld erzeugender Magnet 3 fest angebracht ist. Dieser Magnet 3 ist als ein konzentrisch zu der Welle 1 ausgebil deter Magnetring umgesetzt. Der Magnet 3 sitzt auf einer radialen Außenseite der Welle 1 und ist fest an dieser aufgenommen. Radial außerhalb der Welle 1 (in Bezug auf eine Drehachse 5 der Welle 1 ) sitzt gemäß der Off-Axis-Anordnung ein XMR-Sen sor 2, der zur Erfassung eines sich mit Drehung der Welle 1 ändernden Magnetfeldes des Magneten 3 dient, um somit eine Winkelposition der Welle 1 zu ermitteln. ln diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der bevorzugte Einsatzbe reich der Messanordnung 4 ein Aktor zur Kupplungsbetätigung ist, der weiter bevor zugt einen Elektromotor mit einer Rotorwelle aufweist. Die Welle 1 ist vorzugsweise drehfest mit der Rotorwelle verbunden bzw. unmittelbar durch diese Rotorwelle aus gebildet.
Wie in Fig. 4 durch eine Lissajous-Darstellung gezeigt, erfolgt gemäß einem erfin dungsgemäßen Verfahren (in einem Kalibriervorgang) eine Ermittlung eines zeitlichen Verlaufs mehrerer Amplitudenwerte einer gemessenen Magnetfeldkomponente.
Hierzu wird die Welle 1 mit einer konstanten Drehzahl / Geschwindigkeit angetrieben. Mittels des einen XMR-Sensors 2 oder alternativ mittels eines weiteren Referenzwin kelsensors wird die Winkelposition des Magneten 3 / der Welle 1 anhand des Magnet feldes abgetastet.
Mit Fig. 4 ist der der erfindungsgemäßen Berechnung zugrundeliegende Zusammen hang zwischen der Anordnung des XMR-Sensors 2 und einer damit verbundenen Auf lösungsänderung entlang einer Drehrichtung / Umfangsrichtung der Welle 1 gezeigt. Demnach kommt es aufgrund der Off-Axis-Anordnung bei einer Analyse der Amplitu denwerte des erfassten Signalverlaufs, wie in Fig. 4 in einer Lissajous-Darstellung ver anschaulicht, zum Ausbilden eines Kreises mit unterschiedlicher Dichte (der Mess punkte) / unterschiedlichem Winkelgradienten.
Die Fig. 4 stellt weiterhin dar, dass wenn man den Winkel mit einem XMR-Sensor 2 erfasst, der x- und y-lnformationen erfasst die Lissajous-Darstellung einem Kreis ent spricht. Ein XMR-Sensor 2, der nur einen Winkel ausgibt (ohne x-, y-lnformation), er laubt primär keine Lissajous-Darstellung, diese kann dann jedoch durch eine orthogo nale Zerlegung, wie nachfolgend beschrieben, erzeugt werden. Wenn das Magnetfeld prinzipiell mit einem 2D-Hall Sensor oder durch ein Magnetfeld-Scanning aufgenom men wird, dann entspricht die Lissajous-Darstellung einer Ellipse.
Mit Fig. 7 wird schließlich deutlich, dass die somit im Betrieb (in einem ersten Schritt des Verfahrens) gemessene Winkelposition von einem tatsächlichen Drehwinkel ab- weichen kann und folglich ein bestimmter Winkelfehler vorhanden ist. Mit dem nach folgend detailliert beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition der Welle 1 wird dieser Winkelfehler berechnet und zum Ausgeben der tatsächlichen Winkelposition der Welle 1 mit dem zuvor gemessenen Signal des XMR-Sensors 2 verrechnet.
Mit Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar gestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt anhand des genau einen XMR-Sensors 2 ein die Winkelposition der Welle repräsentierendes Signal, hier unmittelbar ein Winkel signal / ein Winkelwert erfasst und ausgegeben. Der Winkelwert ist mit dem griechi schen Buchstaben gekennzeichnet.
Dieser Winkelwert wird im Anschluss daran, in einem zweiten Schritt, zum Berechnen / Darstellen eines für diesen Winkelwert vorliegenden Gradienten G* verwendet. Ein Beispiel hierzu ist Figur 5 zu entnehmen. Der Gradient G* ist nach Figur 5 genau ab zuklären. Flierzu macht man sich die zuvor bereits erwähnte Tatsache zu Nutze, dass bei einer konstanten Drehzahl die gemessene Winkelgeschwindigkeit (Winkelgradient) eigentlich konstant ist; bei einem XMR Sensor 2 bei einer Off-Axis-Anordnung dieser Gradient G* jedoch doch nicht konstant ist.
Eine Bestimmung des Gradienten G* an der Winkelposition erfolgt in diesem zwei ten Schritt auf Grundlage folgender Gleichung 1 :
- Gleichung 1 :
Figure imgf000009_0001
Somit wird vorzugsweise ein erster Gradientenwert bei einer Winkelposition von 0° (G*(0°)) und ein zweiter Gradientenwert bei einer Winkelposition von 90° (G*(90°)) be rechnet, mit denen im Anschluss der Korrekturwert berechnet wird.
Im Anschluss daran wird der ermittelte Korrekturwert verwendet, um den zuvor mit dem XMR-Sensor 2 erfassten Winkelwert / das Winkelsignal zu korrigieren, was durch den Winkelfehler dargestellt ist. Somit wird letztendlich ein korrigierter Winkelwert ausgegeben.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Bestim men der Winkelposition der Welle 1 prinzipiell End-Of-Line , d.h. am Ende einer ent sprechenden Montagekette des Aktors stattfindet, oder alternativ Online , d.h. wäh rend des Betriebes / im Einsatzbereich des Aktors stattfinden kann. Bevorzugt ist je doch die Ausführung am Ende der Montagekette, wobei dann ausschließlich ein Sen sor in Form des XMR-Sensors 2 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfah rens (d.h. sowohl zum Durchführen des ersten Schrittes als auch des zweiten Schrit tes) eingesetzt wird. Die Ermittlung der Gradientenwerte nach dem zweiten Schritt er folgt demnach vorzugsweise mit demselben XMR-Sensor 2 wie in dem ersten Schritt, bspw. bei der End-Of-Line -Messung. Alternativ wird dies gemäß weiter Ausführun gen mit dem Referenzwinkelsensor, der hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt ist, umgesetzt.
Die Gleichung 2 zeigt weitere grundsätzliche Zusammenhänge zwischen den Winkel funktionen und dem Korrekturwert . Dadurch wird der Winkelfehler direkt berechnet.
- Gleichung 2:
(7— 1)-tan(0) e — arctan +tan2 (Q )
Der Winkelfehler wird zur Korrektur des erfassten Winkelwertes von diesem Win kelwert subtrahiert.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist es alternativ auch möglich, dass ein XMR-Sensor 2 zum Einsatz kommt, der x- und y-Werte ausgibt. Dies wird durch eine orthogonale Zerlegung (Siehe Gleichung 3 und 4) ermöglicht.
Gleichung 3:
Figure imgf000010_0001
- Gleichung 4:
Figure imgf000011_0001
Die beiden gemäß dieser Ausführung erfassten Teilsignale (x- und y-Wert) sind mit der Lissajous-Darstellung in Fig. 4 graphisch illustriert. Normalerweise, wie bereits er wähnt, sollte die Lissajous-Darstellung eines Magnetfeldes in einer Off-Axis -Anwen dung einer Ellipse mit einer Kurzachse b und einer Langachse a entsprechen. Zudem sollte die Auflösung / der Gradient konstant sein. Der Quotient der beiden Achsen lässt sich somit nach der Gleichung 5 mit dem griechischen Buchstaben formulieren.
- Gleichung 5:
Figure imgf000011_0002
Im Vergleich dazu entspricht die Lissajous-Darstellung für den XMR Sensor 2 nach der orthogonalen Zerlegung einem Kreis mit einer sich über den Umfang ändernden Auflösung. Diese Änderung ist von abhängig, welche Herleitung im Folgenden be schrieben ist.
Die Auflösung ist mathematisch definiert als die erste Ableitung vom Winkel. Zudem kann der Winkel mit zwei orthogonalen Informationen mit der Gleichung 6 bestimmt werden. Für ein Off-Axis -System kann der Winkel somit mit der Gleichung 7 berech net werden.
Gleichung 6:
Figure imgf000011_0003
Gleichung 7:
Figure imgf000011_0004
Über folgende Verhältnisse, wie durch die Gleichungen 8 bis 10 ausgedrückt, gelangt man über den Gradienten zurück zur Gleichung 1.
Gleichung 8:
Figure imgf000012_0001
Gleichung 9:
Figure imgf000012_0002
Gleichung 10:
Figure imgf000012_0003
Bei 90° entspricht der Gradient G der Position von B gemäß Figur 4 (x=0, y=b). Bei G (0°) entspricht der Gradient G der Position von A (x=a, y=0).
Somit wird die Auflösung eines Off-Axis -Systems wiederum durch die Gleichung
Figure imgf000012_0004
7 , die auf der Gleichung 1 basiert, bestimmt.
Weiterhin ist in Fig. 4 schematisch zu erkennen, dass durch die orthogonale Zerle gung die Kontur in x-Richtung um das 1/ -fache expandiert ist. D.h. die Auflösung in y- Richtung ist um das -fache vergrößert. Somit wird die Auflösung für den XMR-Sensor 2, insbesondere TMR-Sensor, für Off-Axis -Anwendungen mit der Gleichung 11 be stimmt.
- Gleichung 11:
Figure imgf000012_0005
Nach Fig. 2 wird somit im Anschluss daran der Gradient G berechnet, um im An schluss daran wiederum den Korrekturwert zu erhalten. Anhand des Korrekturwert wird dann wiederum der Winkelfehler berechnet und letztendlich ein korrigierter Win kelwert ausgegeben. Mit anderen Worten ausgedrückt, erfolgt ein erfindungsgemäßes Verfahren entweder nach der Variante a) oder b) wie folgt:
Wenn der XMR-Sensor 2 (z.B. TMR) nur die Winkelinformation liefert:
- Abtastung mit einer geringen Frequenz bei einer konstanten Drehzahl / Abtas tung mit einem externen Referenzwinkelsensor
- Abbilden des Gradienten im Prozess G* cal
- Bestimmen von nach der Gleichung 1 im Prozess cal
- Bestimmen des Winkelfehlers nach der Gleichung 2 im Prozess cal
- Winkelfehlerkompensation
Wenn der XMR-Sensor 2 (z.B. TMR) x und y Information liefert:
- Winkel bestimmen mit der Atan2 Funktion
- Abtastung mit einer geringen Frequenz bei einer konstanten Drehzahl / Abtas tung mit einem externen Referenzwinkelsensor
- Abbilden des Gradienten im Prozess G cal
- Bestimmen von im Prozess cal
- Bestimmen des Winkelfehlers nach der Gleichung 2 im Prozess cal
- Winkelfehlerkompensation
Der (vorzugsweise TMR-) Winkelsensor 2 liefert in der Praxis oft nicht direkt die Win kelinformation; stattdessen wird sie in einem orthogonalen Koordinatensystem zu ei nem Sinus- und Kosinus-Signal (S_cos und S_sin) nach den Gleichungen 3 und 4 zerlegt. Dabei entspricht der Buchstabe dem gemessenen Winkel. Bei einem On- Axis -System bekommt man durch diese Zerlegung ideale Sinus- und Kosinus-Signal, während bei einem Off-Axis -System Sinus- und Kosinus-Signal mit harmonischen Störungen erzeugt werden. In einer Lissajous Darstellung kann der Einfluss dieses Prozesses erkannt werden, wobei die Form der Signale von einer Ellipse wiederum zu einem Kreis transformiert wird (Fig. 4). Mit der Darstellung der berechneten Punkte kann eine Inhomogenität der Punkte beobachtet werden; d.h. die Auflösung ist unter schiedlich. In der Praxis kann dieser Effekt so verstanden werden, dass, wenn wäh rend einer Rotation mit einer konstanten Geschwindigkeit ein Signal mit einer geringe ren Abtastungsfrequenz aufgenommen wird, die zeitliche Auflösung inkonstant ist. Eine weitere Vorstellung ist bei einem End-Of-Line -Prozess mit einem externen Win kelsensor 2 die Punkte aufzunehmen (LUT-Kalibrierung), wobei der Gradient inkons tant ist. Die Änderung des Gradienten wird nochmal in der Fig. 5 dargestellt. Eine wei tere Beobachtung zeigt, dass sich das Maximum auf der Position A befindet, während sich das Minimum auf der Position B befindet. Die Positionen A und B sind um 90° zu einander versetzt. Die Positionen A und B entsprechen jenen Stellen, an denen die lange und kurze Achse liegt.
Daher kann eine Flypothese definiert werden, dass der Quotient vom Maximum A zum Minimum B der Änderung des Gradienten G dem Parameter entspricht. Die weitere Simulation nach Fig. 6 zeigt eine lineare Beziehung zwischen dem Quotienten von G und 2
Dieses Ergebnis kann auch mathematische bewiesen werden. Denn die Atan2-Funk- tion kann mathematisch nach Gleichung 6 formuliert werden. Daher kann die Atan2- Funktion für einen Amplitudenunterschied / TMR-Off-Axis -Anwendung zur Gleichung 7 umgeschrieben werden. Zudem kann der Gradient der Gleichung nach der Glei chung 8 gelöst werden. Somit ist der Gradient bei dem Winkel 90° nach Gleichung 9 und für die Position / den Winkel 0° nach Gleichung 10 zu ermitteln. Daher kann der Quotient mit der Gleichung 1 bestimmt werden. Die Gleichung 1 entspricht dem Zu stand vor der orthogonalen Zerlegung (durch Sternpunkte gebildete Ellipse in Fig. 4). Nach der orthogonalen Zerlegung wird sich die Empfindlichkeit in x-Richtung nochmal um vergrößern. Schließlich erhält man die Gleichung 11 , die identisch zur Gleichung 1 ist.
Die Signalflusspläne der beiden Möglichkeiten sind in den Fign. 1 und 2 dargestellt. Bezuqszeichenliste Welle XMR-Sensor Magnet Messanordnung Drehachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle (1 ), wobei in einem ersten Schritt anhand eines radial versetzt zu der Welle (1) angeordneten XMR- Sensors (2) ein eine Winkelposition der Welle (1) repräsentierendes Signal eines mit der Welle (1 ) fest verbundenen Magneten (3) erfasst wird, und in einem zwei ten Schritt eine analytische Winkelfehlerkompensation dieses erfassten Signals erfolgt, indem, unter Antrieb der Welle (1) mit konstanter Drehzahl, entweder durch den XMR-Sensor (2) oder durch einen weiteren Referenzwinkelsensor das sich in Abhängigkeit der Winkelposition der Welle (1 ) ändernde Magnetfeld des Magneten (3) über zumindest eine volle Umdrehung der Welle (1 ) abgetastet wird, im Anschluss daran eine Änderung eines Gradienten eines Amplitudenver laufs des Magnetfeldes ermittelt wird, danach, unter Heranziehen zumindest zweier bei unterschiedlichen Drehwinkeln vorliegender Gradientenwerte, ein Kor rekturwert ermittelt wird, mittels welchem Korrekturwert weiterhin ein Winkelfeh ler der aus dem Signal des XMR-Sensors nach dem ersten Schritt abgenomme nen Winkelposition bestimmt wird, und schließlich der Winkelfehler zur Korrektur der aus dem von dem XMR-Sensor (2) abgegebenen Signal ermittelten Winkel position verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt die Welle (1) mit einer niedrigeren Drehzahl als in dem ersten Schritt an getrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Gradientenwert bei einer Winkelposition von 0° und ein zweiter Gradientenwert bei einer Winkelposition von 90° in dem zweiten Schritt zur Ermittlung des Korrek turwertes verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der XMR-Sensor (2) in dem ersten Schritt einen Winkelwert ausgibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass derXMR-Sensor (2) in dem ersten Schritt einen, auf einer x-Achse liegenden, ers ten Lagewert und einen, auf einer senkrecht zu der x-Achse ausgerichteten y- Achse liegenden, zweiten Lagewert ausgibt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der beiden Lagewerte, unter Verwendung einer arctan2-Funktion, ein Winkelwert errechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt genau ein Sensor (2) zum Einsatz kommt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung nach dem zweiten Schritt anhand des XMR-Sensors (2) am Ende einer Montagekette einer die Welle (1), den XMR-Sensor (2) und den Magneten (3) aufweisenden Messanordnung (4) durchgeführt wird.
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