DE10052609A1 - Verfahren zur Kompensation einer Offsetdrift eines Winkelmessers - Google Patents
Verfahren zur Kompensation einer Offsetdrift eines WinkelmessersInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Kompensation einer Offset-Drift eines Winkelmessers vorgeschlagen. Der Winkelmesser (1) ist an einer drehbaren Welle (3) angeordnet und weist einen Geber (2) auf, der von einem zugeordneten Sensorelement (5) abgetastet wird und entsprechend dem Drehwinkel der Welle (3) ein sinus- und cosinusförmiges Signal an eine Auswerteeinheit (10) liefert. Da die gemessenen Signale sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur als auch in Abhängigkeit von der Betriebsdauer eine Offset-Drift aufweisen, muss diese korrigiert werden. Zur Kompensation des Temperatur-Offsets wird vorgeschlagen, ein Polynom dritter Ordnung zu verwenden. Darüber hinaus wird zur Korrektur der Langzeit-Drift eine Mittelwertbildung durchgeführt und damit die Drift allmählich korrigiert. Überschreitet die Langzeit-Drift einen vorgegebenen Grenzwert, dann wird mit Hilfe einer Diagnosefunktion dieser Fehler erfasst und eine entsprechende Meldung ausgegeben.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Kompensation
einer Offset-Drift eines Winkelmessers nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Verfahren zur elektrischen Messung eines
Drehwinkels sind schon bekannt. Dabei werden Messmethoden
eingesetzt, mit denen sinusförmige und cosinusförmige
Signale eines Sensors ausgewertet werden. Beispielsweise
werden magnetoresistive Sensoren wie AMR- oder GMR-Sensoren
(anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance)
verwendet, die mit Hilfe von zwei Vollbrücken jeweils ein
Sinus- und Cosinus-Signal liefern. Für eine korrekte
Umrechnung in eine Winkelfunktion müssen die Amplituden des
Sinus- und Cosinus-Signals gleich groß sein und dürfen
keinen Offset aufweisen. Während die gleiche Amplitudenhöhe
durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden kann, lassen
sich Offset-Werte, die insbesondere durch Temperatureinfluss
und Dauerbelastung auftreten, nicht ohne Weiteres
vorhersagen oder vorherbestimmen. Das führt dazu, dass im
Laufe der Einsatzdauer eines derartigen Winkelmessers sich
die Genauigkeit erheblich ändert, so dass er gegebenenfalls
dann nicht mehr verwendbar ist. Bei Anwendungen zur
Drehwinkelbestimmung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug
werden jedoch sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und
Stabilität über die Lebensdauer erwartet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation einer
Offset-Drift eines Winkelmessers mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
dass bei der Winkelbestimmung ein auftretender Offset-Wert
stets korrigierend berücksichtigt wird. Dadurch wird die
Winkelmessung zuverlässiger und bleibt in dem vorgegebenen
Genauigkeitsbereich konstant, so dass beispielsweise darauf
basierende Steuerungsvorgänge zuverlässig durchführbar sind.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens
möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Offset-Werte in
einem vorgegebenen Temperatur-Intervall bestimmt werden.
Insbesondere für die im Kraftfahrzeug relevanten
Temperaturen ergibt sich damit eine temperaturabhängige
Offset-Bestimmung, die unabhängig von Umgebungs- oder
Motortemperaturen stets gleichwertige Messergebnisse
liefert.
Insbesondere ist vorteilhaft, dass die Ermittlung des
Offsets bzw. des Temperatur-Koeffizienten bei wenigstens
zwei vorgegebenen Temperaturen erfolgt, so dass
Zwischenwerte auf einfache Weise durch Interpolation
berechnet werden können. Darüberhinaus führt dies bei der
Kalibrierung zu weniger Prüfaufwand.
Günstig ist auch, dass der Algorithmus für den Offset durch
einen nicht linearen Temperatur-Koeffizienten bestimmt
werden kann. Beispielsweise kann der Temperatur-Koeffizient
durch ein Polynom dritter Ordnung beschrieben werden. Dieses
Polynom gibt eine gute Nährung für das Temperaturverhalten
eines Sensors.
Um einen einfachen Zugriff auf die entsprechenden Offset-
Werte zu haben, erfolgt die Ablage der Offset-Werte
vorzugsweise in einer Tabelle. Zwischenwerte lassen sich
dann durch einfache Interpolation vorteilhaft bestimmen.
Als besonders günstig wird weiterhin angesehen, dass
insbesondere das Langzeitverhalten während des Betriebes des
Winkelmessers durch einfache Mittelung der Offset-Werte
bestimmt werden kann. Die Bestimmung von mindestens einem
der beiden Brückenoffsets (COS, SIN) während des Betriebs
ist immer dann möglich, wenn der elektrische Winkel einen
Bereich von wenigstens 180° überstreicht. Beispielsweise
genügt im Fall von AMR-Sensoren, bei denen der elektrische
Winkel das Zweifache des mechanischen Winkels ist, dafür ein
mechanischer Winkelbereich von wenigstens 90°.
Durch Speicherung und Mittelung der ermittelten Offset-Werte
lässt sich der zu korrigierende Offset allmählich anpassen,
so dass Sprungfunktionen vermieden werden. Das erhöht die
Sicherheit der Messung.
Bevorzugte Anwendungen sind bei einem nach optischem Prinzip
arbeitende Sensoren gegeben. Alternativ lassen sich Offset-
Werte auch an magnetoresistiven Sensoren erfassen und
korrigieren.
Vorteilhaft ist weiterhin, die Messgenauigkeit des
Winkelsensors mit Hilfe einer Diagnosefunktion zu
überwachen. Fehlfunktionen können dann leicht angezeigt
werden. Insbesondere bei Überschreitung eines vorgegebenen
Grenzwertes für den Offset kann ein Alarmsignal ausgegeben
werden, so dass elektronische Einrichtungen entsprechend
reagieren können.
Die Anwendung des Verfahrens bei einem Winkelmesser in einem
Kraftfahrzeug, beispielsweise an einer Lenkwelle erscheint
deswegen besonders günstig, weil hier besonders hohe
Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsanforderungen an die
Messeinrichtung gestellt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Winkelmesser an einer drehbaren Welle,
Fig. 2 zeigt eine Tabelle,
Fig. 3 zeigt Diagramme mit Winkelsignalen,
Fig. 4 zeigt eine weitere Tabelle,
Fig. 5 zeigt Diagramme mit Offset-Kurven und
Fig. 6 zeigt Offset-Diagramme bei Langzeitdrift.
Fig. 1 zeigt einen Winkelmesser 1, der an geeigneter Stelle
einer Welle 3 angeordnet ist. Die Welle 3 ist beispielsweise
eine Lenkwelle oder Lenkstange eines Kraftfahrzeugs.
Alternativ ist vorgesehen, den Winkelsensor 1 auch am Ende
der Welle 3 anzuordnen.
Der Winkelsensor 1 weist im Wesentlichen einen Geber 2 auf,
der beispielsweise als Ring ausgebildet ist und eine oder
mehrere Markierungen aufweisen kann. Diese Markierungen
können optisch, induktiv, magnetisch oder wie sonst üblich
ausgebildet sein. Des Weiteren ist ein Sensor 5 vorgesehen,
der aufgrund seiner Anordnung und Ausbildung die
Markierungen des Gebers 2 abtastet und entsprechende
elektrische Signale an eine Auswerteeinheit 10 sendet, mit
der er vorzugsweise auf der gleichen Leiterplatte 4
angeordnet ist. Um die Bauform klein zu halten, ist in der
Leiterplatte 4 eine Aussparung 8 vorgesehen, in die der
Geber 2 teilweise eintaucht.
Eine bevorzugte Ausführungsform weist einen magnetisierten
Geber 2 auf, der von einem magnetoresistiven Sensor 5
abgetastet wird. Der Sensor 5 ist beispielsweise ein AMR-
oder GMR-Sensorelement und liefert aufgrund seiner
Konstruktion an getrennten Ausgängen ein sinus- und
cosinusförmiges Signal in Abhängigkeit vom Drehwinkel der
Welle 3.
In alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, den Geber 2
am Ende der Welle 3 anzuordnen, wobei beispielsweise der
Geber 2 als flächig magnetisierter zylindrischer oder
quarderförmiger Magnet ausgeführt ist. Das Prinzip der
Ausbildung des Sensors 5 und der Winkelmessung ist per se
bekannt. Der Sensor 5 weist im Wesentlichen zwei um 45°
gedrehte AMR-Vollbrücken oder alternativ zwei um 90°
gedrehte GMR-Vollbrücken auf, die das Sinus- bzw. Cosinus-
Signal liefern. Die Winkelbestimmung erfolgt dann mit einer
Arcustangens-Operation, die auf das Sinus- und das Cosinus-
Signal angewendet wird.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Funktionsweise
dieser Anordnung näher erläutert. Zur genauen
Winkelbestimmung müssen die Sinus- und Cosinus-Signale die
gleiche Amplitude besitzen und dürfen keine Offset
aufweisen. Dies ist insbesondere über den beispielsweise im
Kraftfahrzeugbereich geltenden Temperaturbereich zu
erfüllen. Erfahrungsgemäß hat es sich jedoch gezeigt, dass
eine Offset-Drift sowohl mit zunehmender Temperatur als auch
über die Lebensdauer der Sensoren 5 (Langzeit-Drift)
eintritt. Dies führt unter Umständen dazu, dass sich die
Messgenauigkeit eines bei Raumtemperatur abgeglichenen
Sensors 5 im Laufe der Beanspruchungszeit und insbesondere
bei einer hohen Temperatur stark verschlechtern kann.
Fig. 2 zeigt im oberen Teil der Tabelle zunächst eine
Formel zur Berechnung der Sinus- und Cosinus-
Signalspannungen unter Berücksichtigung der
temperaturabhängigen Offsets TCVoffset und dem Offset
LTDoffset, der durch die Dauerbeanspruchung auftritt. Im
unteren Teil der Tabelle der Fig. 2 sind einige Parameter
aufgeführt, welche an handelsüblichen Sensoren gemessen
werden können.
Fig. 3 zeigt im Einzelnen, wie sich die Sinus- und Cosinus-
Signale in Abhängigkeit von der Temperatur ändern können. Im
linken Teil der Fig. 3 ist das Sinus- und Cosinus-Signal
für Raumtemperatur in gestrichelten Linien und für erhöhte
Temperatur in durchgezogenen Linien dargestellt. Dabei wurde
ein großflächig magnetisierter Geber verwendet, so dass eine
volle Sinusschwingung (Periode) einem Drehwinkel von 180°
entspricht. Bei einer vollen Umdrehung werden somit zwei
Perioden abgebildet. In diesem Fall liegt keine Offset-Drift
vor. Die beiden Diagramme in der Mitte der Fig. 2 zeigen
dagegen Sinus- und Cosinus-Kurven, die mit einem positiven
bzw. negativen Offset versehen sind. Im rechten Diagramm
wurden die resultierenden Winkelfehler aufgetragen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Tabelle, die das Offset-Verhalten
bei einer Langzeitbetrachtung wiedergibt. Im linken Teil der
Tabelle sind die Anfangswerte dargestellt. Der Winkelfehler
beträgt hier ±1,3°. Die beiden Tabellen im rechten Teil der
Fig. 4 zeigen dagegen die Fehlerwinkel mit ±2,9° bzw.
±3,6° nach 5000 Stunden Dauerbelastung. Die Betrachtungen
wurden jeweils für die Betriebstemperatur 150°C
durchgeführt.
Fig. 5 zeigt drei weitere Diagramme mit Offset-Kurven, die
in einem Temperaturintervall von -50° bis +150° ermittelt
wurden. Das linke Diagramm der Fig. 5 mit der gepunkteten
Kennlinie zeigt dabei Messwerte für den Offset der ersten
Brücke des Sensors 5 (Cosinus-Brücke) und vergleichbar das
mittlere Diagramm für die zweite Brücke (Sinus-Brücke) des
gleichen Sensors 5. Die durchgezogenen Kurven wurden
vergleichsweise gerechnet (Fit) und stellen die
Näherungsfunktion dar, die durch ein Polynom dritter Ordnung
erzielt wird. Das rechte Diagramm der Fig. 5 zeigt den
Fehler des Messwinkels (Error°), der sich aus der Arcus-
Tangens-Bildung der Sinus- und Cosinussignale ergibt, wobei
deren Offset mittels der Polynom-Näherungsfunktionen
weitgehend eliminiert wurde.
Die dargestellten Kurven wurden exemplarisch gemessen und
der nichtlineare Offset-Verlauf der Cosinus-Brücke (linkes
Diagramm) und der Sinus-Brücke (mittleres Diagramm) eines
einzelnen Sensors 5 über den beispielhaft gewählten und für
ein Kraftfahrzeug üblichen Temperaturbereich von -50°C bis
+150°C. Wie durch die durchgezogenen Linien erkennbar ist,
lässt sich der nicht lineare Temperatur-Koeffizient, d. h.
der Offset durch das Polynom dritter ordnung relativ gut
beschreiben und somit der gemessene Drehwinkel wirkungsvoll
korrigieren. Wie das rechte Diagramm zeigt, ist der
resultierende Winkelfehler nur noch sehr gering.
Für die Berechnung (Fit) genügen wenigstens zwei,
vorzugsweise werden 3-4 Stützwerte verwendet. Jeder Sensor
wird dazu auf die entsprechenden Temperaturwerte aufgeheizt,
die Offsets bestimmt und die Näherungsfunktion berechnet.
Das Ergebnis wird vorzugsweise in einer Tabelle gespeichert
und ist somit leicht zugänglich. Dies erfolgt in einem
Kalibriermodus nach Fertigstellung des Sensors. Im späteren
Betrieb dient der Widerstand der AMR-Elemente, die als
Brücke ausgebildet sind, zusätzlich als Temperatur-Fühler.
Sein Temperaturgang ist ausreichend linear und
reproduzierbar, so dass mit dem ANR-Element selbst direkt
auch die Temperatur gemessen werden kann.
In der Fertigung oder beim Einbau des Sensors müssen die
Offset-Temperatur-Koeffizienten jedes Sensors bestimmt
werden, da der genaue Offset-Verlauf nicht vorhersagbar ist.
Zur Bestimmung der Stützwerte für den Fit wird bei den
eingestellten Temperaturen z. B. ein Referenz-Magnet über
den Sensor gedreht. Der jeweilige Offset kann dann durch
Anpassung der aufgenommenen Sinus- und Cosinus-Signale oder
durch Mittelwertbildung berechnet werden. Alternativ zum
drehenden Referenzmagneten kann ein Elektromagnet zur
Richtungsvorgabe benutzt werden.
Fig. 6 zeigt schematisch die zeitliche Entwicklung des
Offsets bei einer Hochtemperaturlagerung, wobei in
vorgegebenen Zeitabständen Zwischenmessungen durchgeführt
wurden. Die linke Achse des Diagramms zeigt dabei die
Offset-Drift an, während die rechte Achse die dadurch
resultierenden Fehlerwinkel bei Raumtemperatur (25°C) bzw.
bei 150°C wiedergibt. Die beiden dargestellten Kurven
unterscheiden sich dadurch, dass bei der gepunkteten Kurve
keine thermische Vorbelastung durchgeführt wurde. Die
durchgezogene Kennlinie gibt dagegen das Offset-Verhalten
nach einer durchgeführten Temperaturbelastung (Burn-In)
wieder, die der Dauerbelastung vorgeschaltet wurde.
Die Erfahrungen zeigen, dass jeder Sensor sich
unterschiedlich verhält, so dass eine genaue Vorhersage über
die auftretende Offset-Drift nicht möglich ist. Um dennoch
die Langzeit-Offset-Drift korrigieren zu können, wird
erfindungsgemäß folgendes Korrekturverfahren vorgeschlagen:
Beim Lenkvorgang wird aus den Signalamplituden durch eine
Mittelwertbildung der Offset bestimmt. Überstreicht bei
Verwendung eines AMR-Sensors der Lenkwinkel wenigstens 90°,
d. h. der elektronische Winkel beträgt zwei Mal den
mechanischen Winkel, also 180°, so kann mindestens einer der
beiden Brückenoffsets durch Mittelung berechnet werden, da
die beiden Brücken des AMR-Sensors in einem 45°-Winkel
zueinander angeordnet sind. Der so ermittelte Offset wird
gespeichert und allmählich korrigiert. Diese allmähliche
Korrektur, die beispielsweise schaltungsmäßig durch einen
Tiefpass realisiert wird, verhindert sprunghafte Änderungen
des Offsets. Solche sprungweisen Änderungen würden
zwangsweise auftreten, weil die Abweichungen zwischen dem
wahren Offset-Temperaturgang und dem berechneten (Fit) nicht
von Langzeit-Offset-Drifts unterschieden werden können.
Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung wird
auch darin gesehen, dass die ermittelten Winkel- bzw.
Offset-Werte mittels einer Diagnosefunktion überwacht
werden. Beim Überschreiten einer vorgegebenen Grenze kann
dann eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.
Die Einführung einer Diagnosefunktion ist wichtig, weil bei
dem üblicherweise zur Arcus-Tangens-Berechnung eingesetzten
Cordic-Algorithmus automatisch die Summe der Quadrate der
Sinus- und Cosinussignale berechnet wird. Dieser Wert sollte
entsprechend der bekannten mathematischen Beziehung
sin2ϕ, + cos2ϕ = 1
konstant sein. Tatsächlich bewegt der Wert sich je nach
Größe des Temperatur-Koeffizienten der Signal-Amplituden und
Offsets in einem bestimmten Wertebereich und liefert damit
eine Relation zwischen einem Fehlerwinkel und der
Einsatzdauer des Sensors. Beim Temperaturabgleich nach
Fertigstellung des Sensors wird der Wertebereich dieses
Diagnosefaktors aufgenommen. Der maximal tolerierbare
Fehlerwinkel lässt sich in einen maximalen Diagnosewert
umrechnen. Sobald sich der Sensor im späteren Betrieb diesem
Wert als vorgegebenem Grenzwert nähert oder den Wert im
Laufe der Lebensdauer überschreitet, wird das oben erwähnte
Warnsignal ausgegeben. Dadurch können sowohl zu starke
Langzeiz-Drifts, aber auch fehlerhafte Änderungen bei den
Sensorelementen vorteilhaft erfasst werden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Kompensation einer Offset-Drift eines
Winkelmessers (1), dessen Sensorelement (5) einen an
einer Welle (3) angeordneten Geber (2) abtastet, wobei
das Sensorelement (5) entsprechend des Drehwinkels der
Welle (3) ein sinus- und cosinusförmiges Signal an eine
Auswerteeinheit (10) liefert, die aus den empfangenen
Signalen vorzugsweise durch eine Arcus-Tangens-Bildung
den Drehwinkel bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswerteeinheit (10) einen Algorithmus aufweist, mit
dem aus den gemessenen Sinus- und Cosinus-Werten oder
daraus abgeleiteten Werten ein Offset-Wert ermittelt
wird und mit dem in Abhängigkeit von der Temperatur
und/oder der Zeit die Sensorsignale und damit der
Drehwinkel korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Offset-Werte in einem vorgegebenen Temperatur-
Intervall bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Temperatur-Intervall für im Kraftfahrzeug relevante
Temperaturen vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Offset-
Werte und/oder eines Temperatur-Koeffizienten in einem
Kalibrierschritt bei wenigstens zwei vorgegebenen
Temperaturstufen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus einen nicht
linearen Temperatur-Koeffizienten aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der nicht lineare Temperatur-Koeffizient durch ein
Polynom dritter Ordnung beschrieben wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Offset-
Werte in einer Tabelle abgelegt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Zwischenwerte für den Offset durch Interpolation
bestimmt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des
Winkelmessers durch wiederholte Winkelmessungen ein
Langzeit-Offset-Wert durch Mittelwertbildung berechnet
wird, wobei die Berechnung des Langzeit-Offsets bei
Überschreiten eines 90°-Drehwinkels erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der gemittelte Offset-Wert gespeichert und zur
allmählichen Korrektur herangezogen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Korrekturen an
einem Sensor (5) und/oder Geber (2) durchgeführt wird,
der nach einem optischen Prinzip arbeitet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Offset-Korrekturen an einem
Sensor (5) und/oder Geber (2) durchgeführt wird, der
nach einem magnetoresistiven Prinzip arbeitet.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer
Diagnosefunktion ein Überschreiten einer vorgegebenen
Offset-Grenze ausgegeben wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (1) an
einer Lenkwelle (3) eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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