DE102004024398A1

DE102004024398A1 - Verfahren und Vorrichtungen zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors

Info

Publication number: DE102004024398A1
Application number: DE102004024398A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Hammerschmidt; David Tatschl; Wolfgang Granig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: DE102004024398B4; US7203618B2; US20050278137A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift für eine Fehlerkompensation eines Winkelsensors (100), der ausgebildet ist, um eine erste Komponente (106') einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente (107') einer Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und, basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift, einen Winkel (PHICORR) der Richtung zu bestimmen, das einen Schritt des Erfassens von Werten einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Komponente bestehenden Komponentenpaaren (152) zur Berechnung von Offset- und/oder Amplituden- und/oder Achs-Winkelfehler. Eine Variante besteht aus einem Einsetzen der Komponentenwertepaare in ein Ellipsen-Gleichungssystem, was einen Schritt des Ermittels von mindestens einem Ellipsenkoeffizienten (144) aus dem Ellipsen-Gleichungssystem und einen Schritt des Einstellens der Bestimmungsvorschrift abhängig von dem einen bestimmten Ellipsenkoeffizienten (145) oder der Mehrzahl von bestimmten Ellipsenkoeffizienten (145) umfaßt. Eine weitere Variante ist die Bestimmung von ausgesuchten Punkten, Extremwerten oder Nullpunkten, zur Ermittlung der Offset- und/oder Amplituden- und/oder Achs-Winkelfehler.

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Verfahren und Vorrichtungen zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift, wie sie insbesondere bei Winkelsensoren eingesetzt werden können.

Winkelsensoren werden beispielsweise im Automobilbereich zum Bestimmen einer Fahrtrichtung eingesetzt. Die Winkelerfassung basiert dabei üblicherweise auf einer Magnetfeldmessung durch einen Magnetfeldsensor. Die erfassten Messwerte werden nachfolgend ausgewertet. Basierend auf den Messwerten, die einer erfassten Magnetfeldrichtung anzeigen, wird ein Winkel berechnet.

Zur Magnetfeldmessung werden Sensorelemente, beispielsweise AMR-, GMR- oder Hall-Sensoren verwendet, die sich durch zwei unterschiedliche Vormagnetisierungsrichtungen unterscheiden. Verschaltet man diese Elemente zu einer Brücke, so ergibt sich eine Differenzspannungsabhängigkeit von der Magnetfeldrichtung, die einer Sinusfunktion folgt. Baut man noch eine zweite Brücke dazu, deren Sensorelementvorzugsrichtung orthogonal zu der der ersten Brücke steht, so ergibt sich eine zweite um 90 Grad verschobene Differenzspannung, also eine Kosinusfunktion. Diese beiden Differenzspannungen bilden einen Vektor, der bei Magnetfeldrotation in der Spannungsebene eine Kreisbahn beschreibt. Diese Kreisbahn wird im folgenden als Meßkreis bezeichnet.

13 zeigt eine mögliche Realisierung eines Magnetfeldsensors 1301 in Form einer GMR-Meßbrücke. Der Magnetfeldsensor 1301 weist erste Sensorelemente 1302 auf, die auf eine erste Vorzugsrichtung 1304 ausgerichtet sind, sowie zweite Sensorelemente 1303, die auf eine zweite Vormagnetisierungsrichtung 1305 ausgerichtet sind. Vier erste Sensorelemente 1302 sind zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet. Ebenso sind vier zweite Sensorelemente 1303 zu einer zweiten Brückenschaltung zusammengeschaltet. Die erste Meßbrücke ist ausgebildet, um eine Komponente der ersten Vorzugsrichtung 1304 eines Magnetfeldes zu erfassen, und die zweite Meßbrücke ist ausgebildet, um eine zweite Komponente der zweiten Vorzugsrichtung 1304 des zu erfassenden Magnetfelds zu erfassen. Die erste Meßbrücke ist ausgebildet, um eine erste Brückenspannung Ux 1306 zu erzeugen, die der ersten Komponente des Magnetfelds, nämlich der Komponente entlang der ersten Vormagnetisierungsrichtung oder Vorzugsrichtung, entspricht. Die zweite Meßbrücke ist ausgebildet zum Erzeugen einer zweiten Brückenspannung Uy 1307, die einer zweiten Komponente, nämlich der Komponente des zu erfassenden Magnetfelds entlang der zweiten Vormagnetisierungsrichtung, entspricht.

Das Prinzip der Drehwinkelmessung basiert darauf, daß ein zweidimensionales Koordinatensystem ausreichend zur Bestimmung eines Winkels ist. Das Meßsystem liefert einen X-Wert und einen Y-Wert, bezogen auf einen Ursprung des Koordinatensystems, beispielsweise die in 13 gezeigten Spannungen Ux, Uy eines Meßpunkts. Aus diesem XY-Wertepaar kann mittels mikroprozessortauglichen Verfahren der zugehörige Winkel des Messpunktes berechnet werden. Liegen nun alle Meßpunkte auf einer Kreisbahn, so beschreibt der errechnete Winkel die absolute Position des Drehwinkels genau. Wird beispielsweise ein Magnet über zwei Magnetsensoren gedreht und ist z. B. ein Sensor in die X-Achse ausgerichtet und der zweite Sensor in die Y-Achse, so wird die Sinus- und Kosinuskomponente der Kreisbewegung detektiert. Über die Argustangensfunktion atan y/x kann auf den Winkel geschlossen werden. Da der Winkel eine Richtung des Messpunktes bezogen auf das Koordinatensystem angibt, kann diese Applikation als Winkelsensor eingesetzt werden.

14 verdeutlicht das Prinzip der Winkelmessung. In einem rechtwinkligen Koordinatensystem wird eine X-Komponente und eine Y-Komponente aufgetragen. Eine erste Komponente 1406, in diesem Fall die X-Komponente, wird in Richtung einer ersten Achse 1411a, in diesem Fall der X-Achse, aufgetragen, die einer erfassten Magnetfeldrichtung 1408 entsprechen. Eine zweite Komponente 1407, in diesem Fall die Y-Komponente, wird in Richtung entlang zweiten Achse 1411b, in diesem Fall einer Y-Achse, aufgetragen. Aus den, beispielsweise von dem in 13 gezeigten Magnetfeldsensor, erfaßten X- und Y-Komponenten kann ein Winkel A der Magnetfeldrichtung 1408 berechnet werden. Der Richtungsvektor der Magnetfeldrichtung 1408 entspricht einer Diagonalen eines durch die X-Komponente 1406 und die Y-Komponente 1407 aufgespannten Rechtecks. Der Winkel A der Magnetfeldrichtung 1408 läßt sich somit durch eine Argustangensberechnung aus der X-Komponente 1406 und der Y-Komponente 1407 berechnen.

Liegen die Meßpunkte jedoch nicht mehr auf einer Kreisbahn, sondern auf einer geneigten, verschobenen Ellipsenbahn mit nichtorthogonalen Achsen, so kommt es zu einer Abweichung des errechneten Winkels vom tatsächlichen Winkel einer zu erfassenden Richtung.

Abweichungen von der Orthogonalität zwischen den beiden Brückenelementen, Unterschiede in den Brückensensitivitäten und unterschiedliche Offsetfehler führen zu einer Abweichung von der idealen Kreisbahn. Der allgemeine Bahnverlauf ist elliptisch, hat einen verschobenen Mittelpunkt und eine geneigte Achsenlage. Die genannten Einflüsse sind grundsätzlich alterungs- und temperaturabhängig.

Durch die Fertigung und Montage des Winkelsensors ergeben sich ebenfalls Fehler, die in der Anwendung des Sensorelements wieder eliminiert werden müssen, um eine entsprechend hohe Meßgenauigkeit des Winkels zu gewährleisten. Dabei können drei Fehlerarten auftreten.

Ein Offsetfehler bewirkt einen Offset in der X- und/oder Y-Achse. Bedingt durch die Fertigung und Temperaturen im Betrieb ist mit einem Offset zu rechnen. Dies führt zu einer Verschiebung des Meßkreises.

Ein Amplitudenfehler bewirkt eine Amplitude in der X- und/oder Y-Achse. Bedingt durch die Fertigung und speziell der Temperatur ist mit einem Amplitudenfehler zu rechnen. Dies führt zu einer Verzerrung des Kreises in eine Ellipse, die jedoch die Hauptachsen noch in der X- oder Y-Achse hat.

Zu einem Winkelfehler zwischen der X- und Y-Komponente kommt es, wenn die Sensoren nicht um 90 Grad positioniert oder die Sensoren nicht exakt gefertigt sind.

Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß aus der Summe der auftretenden Fehler aus dem darzustellenden Kreis eine allgemeine Ellipse wird, die in jedem beliebigen Winkel um den Nullpunkt verschoben liegen kann.

15 zeigt eine durch Einflüsse bedingte Verzerrung der Kreisbahn zu einer Ellipsenbahn. Eine fehlerbehaftete X-Komponente 1506' sowie eine fehlerbehaftete Y-Komponente 1507' einer erfassten Magnetfeldrichtung 1508' spannen ein Vektordiagramm auf, aus dem sich ein fehlerbehafteter Winkel A' der erfaßten Magnetfeldrichtung berechnen läßt. Durch die fehlerbehaftete X-Komponente 1506' und die fehlerbehaftete Y-Komponente 1507' wird von dem Richtungsvektor 1508' kein Kreis um den Ursprung der X-Achse 1411a und der Y-Achse 1411b beschrieben, sondern eine Ellipse 1510' um einen Mittelpunkt einer fehlerbehafteten X-Achse 1511a' und einer fehlerbehafteten Y-Achse 1511b'. Ein Ursprung 1512 des Kreiskoordinatensystems weist von einem Ursprung 1512' des Ellipsenkoordinatensystems ab. Zudem sind die Achsen des Ellipsenkoordinatensystems 1511a', 1511b' gegenüber den Kreisachsen 1411a, 1411b gedreht. Die fehlerbehafteten Ellipsenachsen 1511a', 1511b' können zudem einen von 90 Grad abweichenden Winkel zueinander aufweisen.

Um den Offsetfehler und den Amplitudenfehler bzw. Gainfehler einzudämmen, besteht die Lösung einer fixen Kalibrierung des Offsets und Gain nach der Fertigung. Dies hat jedoch den Nachteil, daß Offset und Gainfehler, die während des Betriebes auftreten, nicht kompensiert werden können. Winkelfehler werden derzeit nicht kalibriert.

DE 10154153 A1 beschreibt eine Lösung, bei der nur eine Offset-Kompensation mit einem Achsschnittverfahren und einem N-Punkte-Verfahren verwendet wird. Dabei ist jedoch ein Regelkreis nötig, mit allen Problemen wie Einschwingen, Stabilität usw..

DE 10154154 A1 verwendet einen Amplitudenwert einer Resultierenden, um daraus über eine Tabelle eine Temperatur-Offset-Kompensation zu bewerkstelligen. Auch hier wird weder der Gain noch der Winkelfehler korrigiert.

DE 10052609 A1 verwendet ein Polynom dritten Grades zur Offset-Kompensation. Dieses Polynom muß bei der Herstellung bestimmt werden und ist für den Rest der Lebenszeit konstant. Hierbei wird auch keine Gain- oder Winkelkorrektur vorgenommen.

Durch eine fehlende automatische Kalibrierungsmöglichkeit muß jede Sensorzelle bei der Fertigung in Betrieb genommen und kalibriert werden. In einer kostspieligen Kalibrierung müssen Meßpunkte aufgenommen werden, die im ungünstigsten Fall auch unter verschiedenen Umgebungsbedingungen, z. B. verschiedenen Temperaturen zu erfassen sind. Dazu ist ein Testaufbau mit einem rotierenden Magnetfeld erforderlich, da verschiedene Winkelpositionen benötigt werden. Ein in Hardware (HW) realisierter Digitalblock führt die Winkelberechnung aus. Das können z. B, iterative Verfahren wie der CORDIC- (CORDIC; CORDIC = coordinate rotation digital Computer) Algorithmus, Multiplizierverfahren oder Tabellenverfahren sein. Der Chip berechnet Feldamplitude und Feldwinkel, die über ein Sensorkontrollchipinterface ausgelesen werden. Ein externes Programm wertet die ausgelesenen Meßpaare aus und bestimmt entsprechende Korrekturkoeffizienten. Diese werden dann in einen nichtvolatilen Speicher im Sensorchip geschrieben. Da die Kalibrierung nur einmal vorgenommen wird, werden Laufzeiteinflüsse und Sensoreinbaueinflüsse nicht kompensiert. Um die Spezifikation über den Temperaturbereich einhalten zu können, muß eine aufwendige und flächenintensive Temperaturkompensationsschaltung verwendet werden und die Dauer der Kalibrierungsmessungen wird durch die langen Temperaturänderungszeiten erheblich gesteigert und damit verteuert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit eines Winkelsensors ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors gemäß den Ansprüchen 1, 9 und 17 sowie Vorrichtungen zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors gemäß den Ansprüchen 23, 24 und 25 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors, der ausgebildet ist, um eine erste Komponente einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel der Richtung zu bestimmen, das folgende Schritte aufweist:
Erfassen von fünf Komponentenwertepaaren für fünf unterschiedliche Richtungen, wobei ein Komponentenwertepaar einen ersten Komponentenwert für die erste Komponente und einen zweiten Komponentenwert für die zweite Komponente umfasst; und
Einstellen der Bestimmungsvorschrift abhängig von den fünf Komponentenwertepaaren.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors, der ausgebildet ist, um eine erste Komponente einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel der Richtung zu bestimmen, das folgende Schritte aufweist:
Erfassen eines ersten Maximalwerts und eines ersten Minimalwerts einer vorbestimmten der ersten und zweiten Komponente; und
Einstellen der Bestimmungsvorschrift abhängig von dem ersten Maximalwert und dem ersten Minimalwert.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors, der ausgebildet ist, um eine erste Komponente einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel der Richtung zu bestimmen, das folgende Schritte aufweist:
Erfassen eines einem Nulldurchgang der ersten Komponente zugeordneten Paars von ersten Nulldurchgangswerten für die zweite Komponente; und
Bestimmen eines Korrekturfaktors für die zweite Komponente basierend auf dem Paar von ersten Nulldurchgangswerten, wobei der Korrekturfaktor Teil der Bestimmungsvorschrift ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Kalibrierung eines Winkelsensors, welcher einen Winkel aus zwei Komponenten eines Meßkreises ermittelt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich eine Bestimmungsvorschrift zum Bestimmen des Winkels aus einer Mehrzahl von, durch den Winkelsensor erfaßten Richtungskomponenten einstellen läßt. Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht eine Selbstkalibrierung des Winkelsensors, do dass auf einer Ellipsenbahn befindliche fehlerbehaftete Meßpunkte so erscheinen, als wären sie auf einer idealen Kreisbahn um den Ursprung. Diese Kalibrierung kann Fertigungstoleranzen und Toleranzen, die während des Betriebs auftreten, kompensieren.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß der erfindungsgemäße Ansatz nicht nur eine Kompensation von Offsetfehlern einer Winkelmeßanordnung, sondern auch eine Kompensation von Gain- und Winkelfehlern ermöglicht. Das bedeutet insbesondere auch, daß der erfindungsgemäße Ansatz überhaupt auch dann möglich ist, wenn die erfassten Richtungskomponenten neben Offset- und Gainfehlern auch Winkelfehlern unterliegen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß den beschriebenen Verfahren ein einfacher Algorithmus zugrunde liegt, welcher auf jedem Mikrocontroller oder Hardware abgearbeitet werden kann. Eine Kompensation erfordert keine Regelung, da alle Korrekturdaten sofort errechnet werden. Eine Korrektur im Betrieb kann sogar zeitveränderliche Einflüsse kompensieren, insbesondere auch Temperatur und Alterungseinflüsse.

Arbeitet ein Algorithmus gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren während des Betriebes, also online, so können Laufzeiteinflüsse sowie Alterung und Temperaturschwankungen ständig ausgeglichen werden. Der Sensor arbeitet in seinem Optimum und seine Genauigkeit kann gesteigert werden. Ein Online Update bzw. Aktualisierung der Koeffizienten, die für das Einstellen der Bestimmungsvorschrift benötigt werden, bringt wesentliche Vorteile. Zum einen wird keine zusätzliche Temperaturkompensation auf dem Chip benötigt, da die Onlineselbstkalibrierung diese Aufgabe übernimmt. Zum anderen werden Langzeitänderungen kompensiert. Die Selbstkalibrierung ist dabei hardwareunabhängig und könnte alternativ auch nur beim ersten Mal, beispielsweise einem ersten Einschaltvorgang, ausgeführt werden. Die Selbstkalibrierung verringert Front-End-Kosten, da die Kalibrierung des Sensors selbst durchgeführt wird. Es wird keine zusätzliche Temperaturkompensation auf dem Chip benötigt, da die Onlineselbstkalibrierung diese Aufgabe übernimmt. Für die Selbstkalibrierung wird keine zusätzliche Hardware benötigt. Langzeitänderungen werden ebenfalls kompensiert. Dadurch werden Feldausfälle verringert und eine garantierbare Genauigkeit kann gesteigert werden.

Die Bestimmungsvorschrift dient zur Kompensation eines Offsetfehlers oder eines Amplitudenfehlers oder eines Orthogonalitätsfehlers des Winkelsensors. Das Bestimmen des Winkels (ΦCORR) basierend auf der ersten Komponente und der zweiten Komponente entspricht einer Winkelmessung des Winkelsensors. Die fünf Komponentenwertepaare können aufeinanderfolgenden, zur Winkelmessung verwendeten ersten Komponenten und zweiten Komponenten sein, so dass die eigentliche Messung nicht unterbrochen wird. Das Einstellen der Bestimmungsvorschrift zur ständigen Korrektur und Nachkalibrierung während des Betriebs gemessener Wertepaare bzgl. Offsetfehler und/oder Amplitudenfehler und/oder Orthogonalitätsfehler ist somit möglich, ohne dass eine eigentliche Messung unterbrochen wird.

Die Winkelkorrektur ermöglicht es, daß sogar nicht 90 Grad zueinanderstehende Komponenten für die Winkelmessung herangezogen werden können, sondern auch beliebige zwei Komponenten, sofern sie nicht beide in der gleichen Achse liegen. Es können somit auch zwei beliebige (<> 90 Grad) Komponenten des Kreises verwendet werden, d. h. auch absichtlich nicht um 90 Grad versetzte Sensoren, wie z. B. 45 Grad bei AMR-Sensoren, eingesetzt werden. In der Fertigung ist es nicht mehr notwendig, auf die genaue Herstellung und/oder Montage der X- und Y-Sensorkomponenten zu achten. Es ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Verfahren, daß sie auch bei solchen Sensoren, mit nicht 90 Grad zueinander stehenden Komponenten eingesetzt werden können.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden fünf beliebige Komponentenpaare zum Einstellen der Bestimmungsvorschrift erfaßt. Dies hat den Vorteil, daß keine spezielle Kalibrierungsmessung erforderlich ist, um spezielle Komponentenpaare zu erfassen, aufgrund deren eine Fehlerkorrektur durchgeführt wird. Die für dieses Ausführungsbeispiel benötigten fünf Komponentenpaare können aus einer laufenden Messung entnommen werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zur Errechnung aller Kompensationsdaten wie Offset-, Gain- und Winkelfehler zwischen den Komponenten vier spezielle Punkte, die einfach zu ermitteln sind, verwendet. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist es, daß trotz einer Verwendung von nur vier speziellen Punkten auch eine Kompensation von Gain- und Winkelfehlern durchgeführt werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel nutzt eine Anwendung eines speziellen einfachen Algorithmus zur Errechnung der Kompensationsdaten aus den Punkten. Die Kompensationsdaten werden in einem Schritt errechnet und können auch während des Betriebs zur Selbstkalibrierung herangezogen werden. Dies ist ohne eine Regelung durchführbar.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Winkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Meßkreis eines Winkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein fehlerbehafteter Meßkreis gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein, dem in 4 gezeigten fehlerbehafteten Meßkreis entsprechender fehlerkorrigierter Meßkreis;
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Programmiermodell des in 5 gezeigten Verfahrens;
7 ein Blockschaltbild eines Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein fehlerbehafteter Meßkreis gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Einstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine Abbildung eines fehlerbehafteten Meßkreises auf einen fehlerkorrigierten Meßkreis;
11 ein fehlerbehafteter Meßkreis gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Einstellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 ein Meßkreis gemäß dem Stand der Technik; und
15 ein fehlerbehafteter Meßkreis gemäß dem Stand der Technik.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Im folgenden wird ein erstes Verfahren sowie eine erste Vorrichtung zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Gemäß diesem ersten verfahren können Offset-, Gain- bzw. Amplituden- und Winkel- bzw. Orthogonalitätsfehler eines Winkelsensors mittels fünf Meßpunkten kompensiert werden.
1 zeigt einen Winkelsensor 100 zum Bestimmen eines Winkels einer zu erfassenden Richtung. Der Winkelsensor 100 weist einen Sensor 101, eine Einrichtung 122 zur Winkelberechnung sowie eine Vorrichtung 124 zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift auf. Der Winkelsensor 100 ist ausgebildet, um basierend auf einer ersten Komponente 106' und einer zweiten Komponente 107' gemäß einer Bestimmungsvorschrift einen fehlerkorrigierten Winkel Φ_CORR zu bestimmen.
Der Sensor 101 kann der in 13 gezeigte Magnetfeldsensor sein. Der Sensor 101 weist einen Sensor X als Erfassungsrich tung 101a für die erste Komponente 106' des Magnetfeldes an diesem Ort bzgl. einer ersten Achse und einen Sensor Y als Erfassungsrichtung 101b für die zweite Komponente 107' des Magnetfeldes an diesem Ort bzgl. einer zweiten Achse auf. Der Sensor 101 ist ausgebildet, um die erste Komponente 106' der zu erfassenden Richtung entlang der ersten Achse und die zweite Komponente 107' der zu erfassenden Richtung entlang der zweiten Achse zu erfassen und die erste Komponente in Form einer X-Komponente sowie die zweite Komponente in Form einer Y-Komponente auszugeben. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Richtung entlang der ersten Achse einer X-Richtung und die Richtung entlang der zweiten Achse einer Y-Richtung. Die X-Komponente sowie die Y-Komponente sind fehlerbehaftet. Daher ist auch ein aus der X-Komponente und der Y-Komponente berechneter Winkel Φ fehlerbehaftet. Der Winkelsensor 100 ist ausgebildet, um einen fehlerfreien Winkel Φ_CORR aus den fehlerbehafteten Komponenten 106', 107' zu erzeugen.
Der fehlerfreien Winkel Φ_CORR wird von dem Winkelsensor 100 gemäß einer Bestimmungsvorschrift aus der X-Komponente sowie der Y-Komponente bestimmt.
Die Einrichtung 122 zur Winkelberechnung berechnet gemäß einer Arcustangensfunktion den fehlerbehafteten Winkel Φ aus der fehlerbehafteten X-Komponente sowie der fehlerbehafteten Y-Komponente.
Die Vorrichtung 124 zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Auswahleinrichtung 132 zum Auswählen von X-Komponentenwerten X_N und Y-Komponentenwerten Y_N, abhängig von einem durch die Einrichtung 122 zur Winkelberechnung bestimmten fehlerhaften Winkel Φ_N. Die Vorrichtung 124 zum Einstellen weist ferner eine Tabelle 133 zum Speichern der ausgewählten Komponentenpaare X_N, Y_N, mit dem zugehörigen Winkels Φ_N auf. Ferner weist die Vorrichtung 124 zum Einstellen eine Lösungseinrichtung 134, eine Parametertabelle 135 sowie eine Korrektureinrichtung 136 auf. Die Tabelle 133 ist mit der Winkelberechnungseinrichtung 132 verbunden und empfängt von dieser ausgewählte Komponentenwertepaare 142. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Tabelle 133 fünfzehn Speicherzellen auf, in denen jeweils eine X-Komponente X_N, eine Y-Komponente Y_N sowie ein fehlerbehafteter Winkel Φ für fünf erfaßte Richtungen gespeichert werden. Die in der Tabelle 133 gespeicherten Werte werden als Berechnungswerte 143 an die Lösungseinrichtung 134 bereitgestellt. Die Lösungseinrichtung 134 ist ausgebildet, um die Berechnungswerte 143 in ein Gleichungssystem einzusetzen und Koeffizienten des Gleichungssystems zu ermitteln.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Gleichungssystem ein Ellipsen-Gleichungssystem und die zu bestimmenden Koeffizienten sind Ellipsen-Koeffizienten. Die von der Lösungseinrichtung 134 berechneten Ellipsen-Koeffizienten werden als Parameter 144 an die Parametertabelle 135 bereitgestellt und von dieser gespeichert. Die Parametertabelle 135 ist wiederum ausgebildet, um die gespeicherten Parameter 144 als Korrekturparameter 145 an die Korrektureinrichtung 136 auszugeben. Die Korrektureinrichtung 136 ist ausgebildet zum Empfangen des fehlerbehafteten Winkels Φ, der von der Winkelberechnungseinrichtung 122 berechnet wird. Die Korrektureinrichtung 136 ist ausgebildet zum Bestimmen des Winkels Φ_CORR gemäß einer Bestimmungsvorschrift aus dem fehlerbehafteten Winkel Φ, der aus der von dem Sensor 101 bereitgestellten X-Komponente X_N sowie der Y-Komponente Y_N bestimmt wurde. Die Korrektureinrichtung 136 ist ferner ausgebildet, um die Bestimmungsvorschrift abhängig von den Korrekturparametern 145 einzustellen. Die dermaßen eingestellte Bestimmungsvorschrift ermöglicht es, den Winkel Φ_CORR so zu bestimmen, daß der Winkel Φ_CORR dem tatsächlichen Winkel der von dem Sensor 101 zu erfassenden Richtung entspricht.
Die Winkelauswahleinrichtung 132 ist ausgebildet, um Komponentenpaare (X_N, Y_n) aus den von dem Sensorelement 101 ausgegebenen Komponentenwerten X_N, Y_N auszuwählen. Die Winkelaus wahleinrichtung 132 ist dabei ausgebildet, um Komponentenpaare 142 zu unterschiedlichen Winkelstellungen auszuwählen. Würden die ausgewählten Komponentenpaare 142 übereinander liegen bzw, sich nur um einen geringen Winkelunterschied voneinander unterscheiden, so wäre keine sichere Berechnung von Korrekturparametern 145 möglich. Um zu gewährleisten, daß sich die Komponentenpaare 142 voneinander unterscheiden, kann die Winkelauswahleinrichtung mit einem Schleppzeiger bzw. mit Winkelschwellen, die den Messbereich in kleinere Messabschnitte unterteilen, ausgebildet sein.
Ein Winkel, wie er von dem Winkelsensor ausgegeben wird, ist ein Winkel bzgl. einer Referenzrichtung, die in einer Ebene verläuft, die von den Achsen aufgespannt wird, entlang derer Sensor X und Sensor Y die Komponenten des Magnetfeldes messen. Der Winkelsensor ist ausgebildet, um die erste Komponente einer Richtung entlang der ersten Achse und die zweite Komponente der Richtung entlang der zweiten Achse zu erfassen, so dass bei Variation der Richtung um 360° ein Vektor aus der ersten Komponente und der zweiten Komponente in einem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Ellipsenbahn beschreibt. Eine Richtung ist dabei eine Richtung jeglicher physikalischen Größe wie z.B Kraft oder Magnetfeld.
2 zeigt eine mögliche Auswahl von fünf Meßpunkten durch die in 1 gezeigte Winkeluswahleinrichtung 132. Die Meßpunkte #1, #2, #3, #4, #5 sind in einem Koordinatensystem mit einer X-Achse 211a, die einer von einem Sensor erfaßten Spannungskomponente in X-Richtung entspricht, sowie einer Y-Achse 211b, die einer von dem Sensor erfaßten Y-Spannungskomponente entspricht, eingetragen. Die zu den Meßpunkten gehörenden Richtungsvektoren 208a–e spannen einen Meßkreis auf. Zusätzlich zu den fünf Meßpunkten ist ein Bezugsrichtungswert α₀ eingetragen, der eine Bezugsrichtung festlegt, von der die zu bestimmenden Winkel gemessen werden. In diesem Ausführungsbeispiel weisen benachbarte Richtungsvektoren, beispielsweise der Richtungsvektor 208b und der Richtungsvektor 208e, jeweils einen Winkelunterschied von 20 Grad auf. Die Auswahleinrichtung ist also ausgebildet, um nach der Erfassung eines Meßpunktes einen nächsten Meßpunkt erst dann zu erfassen, wenn ein Winkel von +20 Grad oder –20 Grad überstrichen wurde. Dazu kann die Auswahleinrichtung mit einer Speichervorrichtung ausgestattet sein, die bereits erfaßte Winkelwerte speichert. Beispielsweise über einen Schleppzeiger, der eine Differenz zwischen einem aktuellen Winkelwert und einem bereits gespeicherten Winkelwert bildet, kann verhindert werden, daß weitere Richtungsvektoren in einem Bereich erfaßt werden, von dem bereits Richtungsvektorparameter abgespeichert wurden. Alternativ können auch Schwellwerte eingesetzt werden, die den Messbereich in unterschiedliche Teilbereiche unterteilen. Wird ein neuer Winkelwert erfasst, so kann über die gespeicherten Winkelwerte festgestellt werden, ob bereits ein Winkelwerte in dem gleichen Teilbereich erfasst ist. In diesem Fall wird der neue Winkelwert nicht gespeichert.
Aufgrund einer Beabstandung von jeweils 20 Grad zwischen zwei benachbarten Richtungsvektoren befinden sich alle Richtungsvektoren der fünf Meßpunkte in einem Bereich, der durch die gestrichelten Linien max gekennzeichnet ist. Dieser Bereich umfaßt einen Winkelbereich von jeweils 5 × 20 Grad um den Bezugsrichtungsvektor 208a. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein angular threshold gleich 20 Grad. Es kann jedoch auch ein anderer Mindestwinkel definiert werden. Vorzugsweise werden die Winkel, die einen Abstand zwischen zwei Richtungsvektoren festlegen, so definiert, daß die Richtungsvektoren möglichst gleichmäßig über dem gesamten Meßkreis verteilt sind.
3a zeigt einen fehlerbehafteten Bezugsrichtungsvektor 308a', der in das in 2 beschriebene Koordinatensystem eingetragen ist. Der fehlerbehafteten Bezugsrichtungsvektor zeigt eine Richtung einer von einem fehlerbehaftenen Sensor erfassten Messpunkten an. Fehlerhafte Richtungsvektoren spannen in diesem Fall, wie in 15 beschrieben, keinen Meßkreis, sondern eine Meßellipse 310' auf. Die Ellipsenachsen 311a', 311b' sind gegenüber den Achsen 211a, 211b des Bezugskoordinatensystems verschoben, verzerrt und gedreht. Ein Offsetfehler der fehlerbehafteten Richtungskomponenten macht sich durch einen Offset 312 bemerkbar, der eine Verschiebung des Schnittpunktes der Ellipsenachsen 311a', 311b' gegenüber dem Schnittpunkt der Achsen 211a, 211b bewirkt. Der Winkelfehler bewirkt, daß die Ellipsenachsen 311a', 311b' nicht senkrecht aufeinander stehen, sondern einen Winkelfehler 313 aufweisen, der einen Wert Δ aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Bezugsrichtungsvektor 308a einer Richtung einer Lenkradnullstellung, auch Wheel Zero Position genannt.
4 zeigt eine fehlerkorrigierte Form des Bezugsrichtungsvektors 408a, aus 3. Der Bezugsrichtungsvektor 408a ist wiederum in dem Ursprungskoordinatensystem eingezeichnet. Die korrigierten Richtungsvektoren spannen nun einen Meßkreis auf und der Bezugsrichtungsvektor definiert einen Bezugswinkel α₀, von dem im folgenden Winkel aufgetragen werden.
5 zeigt ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors beschreibt. Das Verfahren kann dabei in einer Vorrichtung zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift, wie sie in 1 gezeigt ist, eingesetzt werden.
In einem ersten Schritt 551 werden fünf Komponentenwertepaare erfaßt. Diese fünf Komponentenwertepaare können direkt von einem Sensor bereitgestellt werden oder aus einer Speichereinrichtung ausgelesen werden. Bei einem Kalibrierungsvorgang während des Betriebs werden vorzugsweise Komponentenwertepaare aus einer direkt ablaufenden Messung verwendet. Diese fünf Komponentenwertepaare sind fehlerbehaftet und definieren daher Richtungsvektoren, die keinen Kreis beschreiben, sondern eine Ellipse. Abhängig von den fünf Komponentenwertepaaren wird die Bestimmungsvorschrift eingestellt.
In einem zweiten Schritt 552 werden die fünf Komponentenwertepaare in ein Gleichungssystem, vorzugsweise ein Ellipsen-Gleichungssystem, eingesetzt.
Aus diesem Ellipsen-Gleichungssystem werden in einem dritten Schritt 554 Koeffizienten, in diesem Fall also Ellipsen-Koeffizienten, ermittelt. Mit diesen Ellipsen-Koeffizienten läßt sich die Ellipse beschreiben, die von den fehlerbehafteten Richtungsvektoren beschrieben wird.
Aus der Kenntnis der Ellipsen-Koeffizienten wird nun in einem vierten Schritt 556 die Bestimmungsvorschrift zum Bestimmen eines Winkels einer Richtung eingestellt. Die Bestimmungsvorschrift wird dabei so eingestellt, daß Meßfehler korrigiert werden.
Werden im dritten Schritt 554 alle fünf Ellipsen-Koeffizienten ermittelt, so lassen sich sowohl Offset-, Amplituden- als auch Winkelfehler kompensieren. Ist von vornherein bekannt, daß einzelne Fehlerkomponenten zu vernachlässigen sind oder nicht berücksichtigt werden sollen, so ist es alternativ möglich, nur einige der Ellipsen-Koeffizienten zu berechnen. Abhängig von den berechneten Ellipsen-Koeffizienten kann dann beispielsweise nur der Offsetfehler oder nur der Amplitudenfehler oder nur der Winkelfehler oder eine beliebige Kombination der Fehlerarten kompensiert werden. Das beschriebene Verfahren kann einmalig bei der Fertigung eines Winkelsensors, einmalig bei der ersten Inbetriebnahme oder auch fortlaufend während des Betriebs erfolgen. Es ist auch möglich, das beschriebene Verfahren dazu zu nutzen, um festzustellen, ob die erfaßten Richtungskomponenten fehlerbehaftet sind oder nicht. Wird festgestellt, daß die erfaßten Richtungskomponenten fehlerbehaftet sind, so kann das Verfahren vollständig ausgeführt werden und die Bestimmungsvorschrift entsprechend eingestellt werden.
Der Selbstkalibrierungsalgorithmus basiert auf der Tatsache, daß jeder Meßpunkt auf einer Ellipsenbahn liegt. Die allgemeine Ellipsengleichung beschreibt die Lage, Neigung und Form einer Ellipse durch fünf Parameter unter Zuhilfenahme von zwei Gleichungen. Eine Gleichung beschreibt die X-Koordinate des Meßpunkts, die zweite Gleichung beschreibt die Y-Koordinate. Die fünf Parameter sind:

– Amplitudenfaktor der X-Komponente des Meßpunkts
– Amplitudenfaktor der Y-Komponente des Meßpunkts
– Offset des Ellipsenzentrums vom Ursprung in X-Richtung
– Offset des Ellipsenzentrums vom Ursprung in Y-Richtung
– Winkeloffset zwischen den Ellipsenachsen

Eine Bestimmung der Koeffizienten erfolgt folgendermaßen. Zu jedem gültigen Meßzeitpunkt bekommt beispielsweise ein Mikrocontroller, der die von dem Sensor ausgegebenen Werte empfängt und verarbeitet, X-Wert und Y-Wert des Meßpunktes übertragen.
Da die Winkelberechnung (Argustangens) zu dieser Zeit auch schon funktioniert, liefert diese einen Winkelwert dazu. Dieser Winkelwert basiert aber auf der Annahme, daß die Meßpunkte auf einer Kreisbahn, einem Sonderfall einer Ellipse, liegen. Daher stellt dieser Winkelwert eine Näherung dar. Er muß korrigiert werden. Er eignet sich aber sehr gut als Startwert für die Berechnung der Ellipsenbahn-Koeffizienten. Um die n Koeffizienten zu bekommen, werden n Winkelmessungen benötigt. Das führt zu einem nichtlinearen Gleichungssystem, das aus 2n Gleichungen und 2n Unbekannten besteht. Es kann eine Berechnungsmatrix gebildet werden.
Ein numerischer Lösungsalgorithmus, beispielsweise ein Newton'sches Näherungsverfahren, löst dieses Gleichungssystem. Um den sicheren Erfolg des Verfahrens zu gewährleisten, braucht es Startwerte oder Schätzwerte:

– Amplitudenfaktor der X-Komponente des Meßpunktes soll 1 sein.
– Amplitudenfaktor der Y-Komponente des Meßpunktes soll 1 sein.
– X-Offset des Ellipsenzentrums vom Ursprung soll 0 sein.
– Y-Offset des Ellipsenzentrums vom Ursprung soll 0 sein.
– Winkeloffset soll 0 sein.
– Die Ellipsenachsen sollen orthogonal sein.
– Nichtkorrigierte Winkelwerte aus der CORDIC-Berechnung dienen als Startwerte für die Winkel der Meßpunkte.

Um eine hohe Genauigkeit der Kalibrierung zu erreichen, muß gewährleistet werden, daß die aufgenommenen Winkelwerte nicht zu dicht beieinander liegen, da dies den Einfluß von Quantisierungsfehlern auf die Kalibrierung steigern. Hier könnte z. B. ein programmierbarer Schleppzeiger mit Hysterese, der für ausreichend viel Winkelabstand sorgt, verwendet werden. Im Idealfall allerdings sind Meßpunkte über die Kreisbahn gleich verteilt. Um diese Verteilung zu erreichen, könnten z. B. auch Winkelwertschwellen der Form 360°/n vordefiniert werden.
Eine Korrektur der Winkelwerte kann folgendermaßen erfolgen. Die berechneten Ellipsen-Koeffizienten können für die Korrektur des Winkelwertes verwendet werden. Dabei korrigieren Amplitudenfaktorpaare und Offsetpaare die XY-Punktwertepaare. Der Winkeloffset geht in die Berechnung des Drehwinkels ein. Der berechnete und korrigierte Drehwinkel beschreibt nun eine ideale Kreisbahn. Mögliche Abweichungen entstehen durch Quantisierungsfehler. Eine erneute Kalibrierung kann jederzeit durchgeführt werden, so daß Temperaturdrifts und/oder Alterungserscheinungen kompensiert werden, ohne z. B. die Temperatur zu messen oder die Alterungseffekte zu kennen.
Bei einem Erstbetrieb bzw. einem Neustart nach einem System-Reset sind die Initialwerte, die für die Koeffizienten gesetzt werden:

– Initial Amplitudenfaktor der X-Komponente ist 1.
– Initial Amplitudenfaktor der Y-Komponente ist 1.
– X-Offset des Ellipsenzentrums vom Ursprung ist 0.
– Y-Offset des Ellipsenzentrums vom Ursprung ist 0.
– Winkeloffset ist 0.

Diese Initialwerte entsprechen den Koeffizienten einer idealen Kreisbahn. Alternativ können auch Koeffizienten eingesetzt werden, die bei einem vorangegangenen Kalibrierungsvorgang ermittelt wurden.
Des weiteren wird eine Nullstellung definiert. Dazu wird üblicherweise zu Beginn ein Bezugswinkel definiert, der eine Drehwinkelnullstellung speichert. Dieser Bezugswinkel legt auch den Winkel des Bezugskoordinatensystems bezogen auf die elliptische Form des nichtkalibrierten Sensorsystems fest. Dieser Winkel muß zumindest bei der erstmaligen Transformation des Koordinatensystems mittransformiert werden. Alle weiteren errechneten Winkelwerte beziehen sich auf diesen Bezugswinkel.
Ein extern ausgelöster Interrupt kann dem Controller anzeigen, daß ein aktueller Winkelwert als Bezugswinkel abgelegt werden soll. Nach dieser Einstellung kann die Selbstkalibrierung zu arbeiten beginnen.
Ein Onlineupdate der Koeffizienten ist möglich. Das Updaten der Koeffizienten während des Betriebs und nach erfolgter Erstkalibrierung bringt wesentliche Vorteile.
6 zeigt ein Winkelsensorprogrammiermodell 600, wie es beispielsweise in einem Mikrocontroller eingesetzt werden kann, um den in 1 beschriebenen Winkelsensor mit einem gemäß dem in 5 beschriebenen Verfahren zu realisieren. Das Programmiermodell basiert auf, von einem Sensor 101, in diesem Fall einem GMR-Magnetfeldsensor, bereitgestellten X- Komponenten und Y-Komponenten einer erfaßten Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel einer Spannung U_x in X-Richtung 106 sowie einer Spannung U_y in Y-Richtung 107 bereitgestellt. Das Programmiermodell 600 weist eine Vektor Loading Einrichtung 660 zum Laden der von dem Sensor 101 bereitgestellten Komponenten 106, 107, eine Koeffizientenarithmetikeinrichtung 661 zum Berechnen von Lösungskoeffizienten, eine Koeffizienzupdateeinrichtung 662 zum Aktualisieren der Koeffizienten, die durch die Koeffizienzarithmetikeinrichtung 661 bereitgestellt werden, eine CORDIC-Arithmetikeinrichtung 663 zum Durchführen eines CORDIC-Algorithmus, um aus den Komponenten 106, 107 einen Winkel zu berechnen und an eine Zero-Angle-Correction-Einrichtung 664 bereitzustellen, die eine Einstellung eines berechneten Winkels auf eine Bezugsrichtung vornimmt, eine Angle-Drag-Indicator-Einrichtung 665 zum Verteilen der Winkelwerte über den Kreis, eine Kontrolleinrichtung 666 zum Steuern sowie eine FLASH-Einrichtung 667 zum Speichern von Flash-Koeffizienten [a, a0, b, b0, Delta Phi], einem Phi-Vektor [Phi0, p1, p2, p3, p4, p5], einem Drag-Indicator [Phi n, Phi p], einer Gewichtung weight [1.0, 0.8, 0.5, 0.2], einem Threshold [20, 40, 60, 70], einer Systemvariable sysvar [c, cc, thc, vc, ...], einem Input Set [ux1, uy1, ux2, uy2, ..., ux5, uy5].
Die Einrichtung 660 verarbeitet die Werte [ux1, uy1, ..., ux3, uy3) und [Phi1, ..., Phi3). Die Einrichtung 661 verarbeitet die Werte [a, a0, b, b0, d]. Die Einrichtung 662 verarbeitet die Werte [a', a0', b', b0', d). Die Einrichtung 663 verarbeitet die Werte Amplitude, Phi corr. Die Einrichtung 664 verarbeitet den Wert Phi0. Die Einrichtung 665 verarbeitet die Werte Phi up, Phi dn, vec count, set count und die Einrichtung 666 verarbeitet die Werte Update weight und Phi treshold. Die beschriebenen Parameterwerte sind beispielhaft gewählt.
Die Einrichtungen des Programmiermodells 600 sind über einen Bus 668 miteinander verbunden. Dem Programmiermodell 600 wird zusätzlich ein Signal 669 in Form eines set0-Signals zugeführt, das mit den beschriebenen Einrichtungen verbunden ist.
Im folgenden wird ein zweites Verfahren sowie eine zweite Vorrichtung zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gemäß diesem zweiten Verfahren können Offset-, Gain- und Winkelfehler eines Winkelsensors kompensiert werden.
7 zeigt ein Blockschaltbild einem zweiten Ausführungsbeispiels eines Winkelsensors 700 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Winkelsensor 700 ist ausgebildet, so daß abhängig von unterschiedlichen Richtungen in einer durch eine erste Achse und eine zweite Achse aufgespannten Ebene Komponentenpaare erfaßt werden, die eine Ellipse beschreiben. Der Winkelsensor 700 weist eine Sensoreinrichtung 101, die ausgebildet ist, um eine erste Komponente 106 einer zu erfassenden Richtung entlang einer ersten Achse sowie eine zweite Komponente 107 der zu erfassenden Richtung entlang einer zweiten Achse auszugeben. Die erste Komponente 106 ist im folgenden als X-Komponente und die zweite Komponente 107 als Y-Komponente bezeichnet. Der Winkelsensor 700 weist ferner eine Winkelberechnungseinrichtung 722 zum Berechnen eines Winkels beispielsweise gemäß dem CORDIC-Algorithmus über eine Arcustangensfunktion sowie eine Vorrichtung 724 zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift des Winkelsensors 700 auf.
Die Vorrichtung 724 zum Einstellen weist eine Erfassungseinrichtung in Form einer Haltelogik 733 sowie eine Kalibrierungsalgorithmuseinrichtung 735 sowie Korrektureinrichtungen 736a, 736b und 736c auf. Die Korrektureinrichtungen 736a, 736b sind jeweils zweifach ausgeführt, eine für jede der Komponenten 106 und 107.
Die Haltelogik ist ausgebildet zum Empfangen von Werten der X-Komponente 106 sowie der Y-Komponente 107. Maximalwerte und Minimalwerte der erfaßten Komponenten werden von der Haltelo gik 733 gespeichert. In diesem Ausführungsbeispiel speichert die Haltelogik 733 einen Maximalwert der X-Komponente Xmax sowie den dazugehörigen Y-Wert Y(Xmax) sowie einen maximalen Y-Wert Ymax sowie den zugehörigen X-Komponentenwert X(Ymax). Die Haltelogik 733 speichert ferner einen minimalen X-Komponentenwert Xmin sowie den dazugehörigen Y-Komponentenwert Y(Xmin) und einen minimalen Y-Komponentenwert Ymin und den zugehörigen X-Komponentenwert X(Ymin). Diese Maximal- und Minimalwerte werden entweder während einer Kalibrierungsmessung, bei der der gesamte Meßkreis einmal abgefahren wird, erfaßt oder alternativ während des laufenden Betriebs erfaßt und fortlaufend aktualisiert. Die Haltelogik 733 ist ausgebildet, um die gespeicherten Werte über Maximalwert- und Minimalwertleitungen 742 an die Kalibrierungseinrichtung 735 bereitzustellen.
Die Kalibrierungseinrichtung 735 ist ausgebildet, um aus den empfangenen Maximalwerten und Minimalwerten einen Offsetkorrekturfaktor, einen Gainkorrekturfaktor und einen Winkelkorrekturfaktor zu ermitteln. Die Korrekturfaktoren sind Teil der Bestimmungsvorschrift. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Korrektureinrichtungen 736a als Addierer ausgebildet, die den Offsetkorrekturfaktor Offset corr von der Kalibrierungseinrichtung 735 sowie die X-Komponente 106 und die Y-Komponente 107 von dem Sensor 101 empfangen. Die Korrektureinrichtungen 736a sind ausgebildet, um sowohl eine offsetkorrigierte X-Komponente als auch eine offsetkorrigierte Y-Komponente an die Korrektureinrichtungen 736b bereitzustellen. Die Korrektureinrichtungen 736b sind als Multiplizierer ausgebildet, die zusätzlich einen Gainkorrekturfaktor Gain_corr von der Kalibrierungseinrichtung 735 empfangen und ausgebildet sind, um den Gainkorrekturfaktor auf die offsetbereinigte X-Komponente sowie die offsetbereinigte Y-Komponente aufzumultiplizieren, um eine offsetkorrigierte und gainkorrigierte X-Komponente X_tmp sowie eine offsetkorrigierte und gainkorrigierte Y-Komponente Y_tmp zu erhalten.
Die korrigierte X-Komponente X_tmp wird an die Winkelberechnungseinrichtung 722 bereitgestellt.
Die korrigierte Y-Komponente Y_tmp wird von der Korrektureinrichtung 736c in Form einer Y-Komponentenkorrektureinrichtung Y-CORR empfangen. Die Korrektureinrichtung 736c ist ebenfalls ausgebildet, um den Winkelkorrekturfaktor Angle_corr zu empfangen und mit der korrigierten Y-Komponente Y_tmp zu verknüpfen, um eine winkelkorrigierte Y-Komponente an die Winkelberechnungseinrichtung 722 bereitzustellen. Die korrigierten X-Komponenten und Y-Komponenten 746 sind sowohl offsetbereinigt als auch gainbereinigt und winkelbereinigt. Die Winkelberechnungseinrichtung 722 ist ausgebildet zum Empfangen der korrigierten X- und Y-Komponenten 746 und zum Berechnen eines korrigierten und mit Angle bezeichneten Winkels. Der korrigierte Winkel Angle entspricht einem tatsächlichen Winkel der von dem Sensor 101 zu erfassenden Richtung.
Abhängig von den Gegebenheiten kann es ausreichend sein, nur eine Offsetkorrektur oder nur eine Gainkorrektur durchzuführen. In diesem Fall sind die Ausgänge der Offsetkorrektureinrichtungen 736a bzw. die Ausgänge der Gainkorrektureinrichtungen 736b direkt mit der Winkelberechnungseinrichtung 722 verbunden. Die übrigen Korrektureinrichtungen sind nicht erforderlich. Zur Durchführung einer Offsetkorrektur und einer Gainkorrektur sind nur die Maximalwerte und Minimalwerte Xmax, Ymax, Xmin, Ymin erforderlich, nicht jedoch die dazugehörigen Werte der jeweils anderen Komponente. Auch ist es möglich, eine Offsetkorrektur bzw. eine Gainkorrektur jeweils nur für die X-Komponente oder nur für die Y-Komponente durchzuführen. In diesem Fall sind nur der Maximalwert und Minimalwert der Komponente, für die die Offsetkorrektur oder die Gainkorrektur durchgeführt werden soll, erforderlich. Zur Durchführung der Winkelkorrektur ist zusätzlich zu den Maximalwerten und Minimalwerten ein einem Maximalwert oder Minimalwert zugeordneter Wert der jeweils anderen Komponente erforderlich. Beispielsweise ist der zu dem maximalen X-Komponentenwert Xmax zugeordnete Y-Komponentenwert Y(Xmax) ausreichend. Die übrigen drei zugeordneten Werten X(Ymax), Y(Xmin), X(Ymin) sind nicht erforderlich. Alternativ kann auch nur eine X-Komponente oder nur eine Y-Komponente bereinigt werden.
8 zeigt die Lage der in 7 beschriebenen Maximalwerte und Minimalwerte auf einem fehlerbehafteten Messkreis 810. Ein Mittelpunkt des fehlerhaften Meßkreises 810 liegt somit nicht auf einem Schnittpunkt der X-Achse 811a sowie der Y-Achse 811b. Zudem stehen die Achsen 811a', 811b' des fehlerhaften Meßkreises in Form einer Ellipse nicht senkrecht aufeinander. Eine Senkrechtstellung wird durch die Fehlerkorrektur erreicht, so daß eine rechnerische X-Achse 811a'' sowie eine rechnerische Y-Achse 811b'' senkrecht aufeinander stehen. Die Maximalwerte und Minimalwerte der X-Komponente sowie der Y-Komponente sind Berührungspunkte eines Rechtecks, das die Ellipse 810 umgibt, wobei Seiten des Rechtecks parallel zu der X-Achse 811a bzw. der Y-Achse 811b liegen. Gezeigt ist ein maximaler X-Wert (Xmax; Y(Xmax)), ein minimaler X-Wert (Xmin; Y(Xmin)), ein maximaler Y-Wert (X(Ymax); Ymax), und ein minimaler Y-Wert (X(Ymin); Ymin). Diese Werte werden von der in 7 gezeigten Halteeinrichtung 733 gespeichert.
9 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors, wie es bei dem in 7 gezeigten Winkelsensor eingesetzt werden kann.
In einem ersten Schritt 951a werden Maximalwerte und Minimalwerte einer ersten Komponente einer Richtung entlang einer ersten Achse und einer zweiten Komponenten der Richtung entlang einer zweiten Achse erfaßt. Aus den erfaßten Maximalwerten und Minimalwerten wird in einem zweiten Schritt 952a ein Offsetkorrekturfaktor für jede Achse ermittelt, der bereits verwendet werden kann, um die Bestimmungsvorschrift zum Bestimmen eines Winkels einer zu erfassenden Richtung so einzustellen, daß ein Offsetfehler kompensiert wird. Die erfaßten Maximalwerte und Minimalwerte werden ferner in einem zweiten Schritt 953b zum Bestimmen eines Gainkorrekturfaktors für jede Achse eingesetzt. Der Gainkorrekturfaktor kann bereits genutzt werden, um die Bestimmungsvorschrift so einzustellen, daß ein Gainfehler des zu bestimmenden Winkels korrigiert wird. In einem vierten Schritt 955 wird aus dem Offsetkorrekturfaktor und dem Gainkorrekturfaktor ein Offset-Gain-Korrekturfaktor ermittelt, der eingesetzt werden kann, um die Bestimmungsvorschrift so einzustellen, daß ein Offsetfehler und ein Gainfehler des zu bestimmenden Winkels kompensiert wird. Um zusätzlich einen Winkelfehler korrigieren zu können, wird in einem fünften Schritt 951b zusätzlich ein, zu einem der Maximalwerte oder Minimalwerte gehörender Wert der jeweils anderen Komponente erfaßt und in einem sechsten Schritt 956 zusammen mit dem Offset-Gain-Korrekturfaktor zur Bestimmung einer Abbildungsvorschrift eingesetzt, um die Bestimmungsvorschrift so einzustellen, daß offset-, gain- und winkelbereinigte bzw. achsen-winkelfehlerbereinigte Komponentenwerte erzeugt werden, aus denen schließlich ein offset-, gain- und winkelfehlerbereinigter Winkelwert bestimmt werden kann.
Die in 9 beschriebenen Verfahrensschritte können auch parallel bearbeitet werden. Insbesondere können der erste Schritt 951a des Erfassens sowie der fünfte Schritt 951b zusammen ausgeführt werden und der vierte Schritt 955 des Bestimmens sowie der sechste Schritt 956 des Bestimmens direkt nach dem Erfassen der Werte in den Schritten 951a und 951b ausgeführt werden.
Das anhand von 9 beschriebene Verfahren basiert auf der Bestimmung von ausgesuchten Punkten, insbesondere Extremwerten oder Nullpunkten, zur Ermittelung der Offset- und/oder Amplituden- und/oder Achs-Winkelfehler.
10 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Verfahren sowie Vorrichtungen. Ein fehlerbehafteter Winkelsensor stellt fehlerhafte Meßpunkte bereit, aus denen ein Winkel einer erfaßten Richtung ermittelt werden soll. Die gemessenen Punkte sind in 10 durch xxxxx gekennzeichnet und liegen auf einer Ellipse. Um eine fehlerfreie Winkelbestimmung durchführen zu können, werden die gemessenen Punkte xxxxx, die auf einer Ellipse liegen, auf einen Kreis abgebildet. Die Punkte des gewünschten Kreises sind durch ----- gekennzeichnet. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen eine Abbildung der gemessenen Punkte xxxxx auf die gewünschten Punkte -----. Die gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen korrigierten Punkte sind durch ooooo gekennzeichnet. Wie der 10 zu entnehmen ist, liegen die korrigierten Punkten ooooo auf den gewünschten Punkten ----- des gewünschten Kreises. Somit ist nach der Korrektur eine fehlerfreie Winkelbestimmung über beispielsweise eine Argustangensfunktion möglich. Die korrigierten Punkte ooooo sind Simulationsergebnisse.
Das anhand der 7–9 beschriebene Verfahren basiert darauf, daß es möglich ist, mit vier ausgewählten Punkten einer Ellipse diese so zu korrigieren, daß letztendlich wieder ein Kreis daraus wird. Ein erster Punkt ist dabei [Xmax, Y(Xmax)], ein zweiter Punkt ist [X(Ymax), Ymax], ein dritter Punkt ist [Xmin, Y(Xmin)] und ein vierter Punkt ist [X(Ymin), Ymin]. Grundsätzlich sind für eine Bestimmung einer Kurve zweiten Grades, wie es die Ellipse ist, fünf Punkte notwendig. Bei diesem Verfahren wird aber die Tatsache ausgenutzt, daß die min- und max-Werte letztendlich am korrigierten Kreis so liegen müssen, daß die jeweils andere Komponente Null ist. Damit sind genau vier Punkte genau definiert und es ist möglich, damit Offset und Gain zu korrigieren. Die fünfte Unbekannte ist die Unsymmetrie, d. h. jeder Wert der anderen Komponente, beim Maximalwert der jeweils betrachteten Komponente. Nach der Offset- und Gain-Kompensation ergibt sich immer eine Ellipse, die 45 Grad geneigt zum Koordinatensystem liegt, oder ein Kreis. Somit sind die jeweils anderen Komponenten gleichgroß.
Die Bestimmung von Offset-Werte X_Offset und Y_Offset wird folgendermaßen durchgeführt. Die Berechnungen werden dabei vorzeichenrichtig durchgeführt. X_Offset = (Xmax + Xmin)/2 Y_Offset = (Ymax + Ymin)/2
Die Bestimmung der Gainkorrekturen X_Gain, Y_Gain erfolgt, vorzeichenrichtig gerechnet, folgendermaßen: X_Gain = (Xmax – Xmin)/2 Y_Gain = (Ymax – Ymin)/2
Eine Korrektur von Offset- und Gainfehler X_tmp, Y_tmp erfolgt folgendermaßen: X_tmp = (X – X_Offset)/X_Gain Y_tmp = (Y – Y Offset)/Y_Gain
Nun kann der Winkelfehler zwischen den Sensor-X- und Sensor-Y-Komponenten korrigiert werden. Dieser Fehler ist folgendermaßen definiert. A ist der zu messende Winkel und F ist der Fehlerwinkel. Es gilt nun:
sin(F) = Y(Xmax) oder X(Ymax) oder Y(Xmin) oder X(Ymin), wie oben beschrieben.
Eine Rückrechnung erfolgt über die Gleichung sin(A+F) = sin(A)·cos(F) + cos(A)·sin(F), und mit Hilfe der Kreisgleichung sin²(F) + cos²(F) = 1 und cos (F) = sqrt (1 – Y² (Xmax)).
Eine Korrektur der Y-Komponente erfolgt über eine Drehung, X = Basis(X_rechn)F = Drehwinkel. sin(A+F) = sin(A)·cos(F) + cos(A)·sin(F) = Y ist, wobei gilt:
sin(F) = Y(Xmax), cos(F) = sqrt(1 – Y²(Xmax)),
sin(A) = Y_corr, cos(A) = X_tmp.
Selbstverständlich muß die Offset- und Gainkorrektur auch bei Y(Xmax) berücksichtigt werden: sinf = (Y(Xmax) – Y_Offset)/Y_Gain cosf = sqrt(1 – sinf2) Y_tmp = Y_corr·cosf + X_tmp·sinf Y_corr = [Y_tmp – X_tmp·sinf)/cosf (Y-rechn)
Der zu messende Winkel ist nun A = Arcustangens(Y_corr/X_tmp).
Im folgenden wird ein drittes Verfahren sowie eine dritte Vorrichtung zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gemäß diesem dritten Verfahren können Offset- und Gainfehler eines Winkelsensors kompensiert werden.
Das nachfolgend anhand der 11 und 12 beschriebene Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift kann auf dem in 7 gezeigten Winkelsensor 700 ausgeführt werden. Dazu ist die Haltelogik 733 ausgebildet, um Nulldurchgangswerte der X-Komponente 106 und der Y-Komponente 107 zu speichern. Ein Nulldurchgangswert ist ein Wert, bei dem die X-Komponente den Wert Null aufweist bzw. bei dem die Y-Komponente den Wert Null aufweist. Die zu diesen Nulldurchgangswerten zugeordneten Werte der jeweils anderen Komponente werden in der Haltelogik 733 gespeichert und an die Kalibrierungseinrichtung 735 weitergeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch nur eine Offsetkorrektur und eine Gain korrektur durchgeführt werden. Die Winkelkorrektureinrichtung 736c ist daher in diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich und die Ausgangssignale der Gainkorrektureinrichtungen 736b können direkt mit der Winkelberechnungseinrichtung 722 verbunden werden.
Das Verfahren basiert auf einer Auswertung eines, einem Nulldurchgang der ersten Komponente zugeordneten Paares von Nulldurchgangswerten sowie einem, einem Nulldurchgang der zweiten Komponente zugeordneten Paares von Nulldurchgangswerten für die zweite Komponente.
11 zeigt einen fehlerhaften Meßkreis 1110 in Form einer Ellipse. Die Achsen der Ellipse 1111a', 1111b' sind mit X_real und Y_real gekennzeichnet und sind gegenüber den Kreisachsen 1111a und 1111b, die mit X und Y bezeichnet sind, verschoben. Ein erstes Nulldurchgangswertepaar X1(Y0) sowie das Komponentenwertepaar X2(Y0) entsprechen einem Nulldurchgang der Y-Komponente bezogen auf die Y-Achse 1111b. Die Nulldurchgangspaare Y1(X0) und Y2(X0) entsprechen einem Nulldurchgang der X-Komponente durch die X-Achse 1111a. Die durch die Ellipse 1110 definierten Komponentenpaare weisen einen Offsetfehler und einen Gainfehler auf. Dies ist daraus ersichtlich, daß es sich bei dem fehlerhaften Meßkreis 1110 nicht um einen Kreis, sondern um eine Ellipse handelt, und dadurch, daß ein Schnittpunkt der Ellipsenachsen 1111a', 1111b' gegenüber einem Schnittpunkt der Kreisachsen 1111a, 1111b verschoben ist. Schnittpunkte Y_real1(X_real0), Y_real2(X_real0), X_real1(Y_real0), X_real2(Y_real0) der Kreisachsen 1111a, 1111b mit der Ellipse sind offsetbereinigte Nulldurchgangswerte des Winkelsensors.
12 zeigt ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors, wobei der Winkelsensor ausgebildet ist, um die in 11 gezeigten zwei Komponenten mit dem Korrekturfaktor zu skalieren.
In einem ersten Schritt 1251 werden die in 11 dargestellten Nulldurchgangswerte der ersten und zweiten Komponente erfaßt.
Gemäß einem ersten Teilverfahren werden in einem zweiten Schritt 1253a die Nulldurchgangswerte in ein Gleichungssystem eingesetzt. In einem dritten Schritt 1256a wird das Gleichungssystem gelöst, um einen Offset- und einen Gainkorrekturfaktor zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Teilverfahren wird basierend auf den erfaßten Nulldurchgangswerten ein Offsetkorrekturfaktor in einem vierten Schritt 1253b bestimmt. Basierend auf dem Offsetkorrekturfaktor wird in einem fünften Schritt 1256b ein offsetbereinigter Nulldurchgangswert erfaßt, um einen Gainkorrekturfaktor zu bestimmen. Diese Variante erfolgt mehrstufig und benötigt eine zweite Messung, um zusätzlich zu dem Offsetkorrekturfaktor den Gainkorrekturfaktor zu bestimmen. Die zweite Messung wird dabei bereits offsetkorrigiert durchgeführt.
Gemäß diesem Verfahren werden zur Bestimmung eines Offsetkorrekturfaktors und eines Gainkorrekturfaktors vier markante Punkte verwendet, nämlich ein erster Punkt [X1(Y0), 0], ein zweiter Punkt [0, Y1(X0)], ein dritter Punkt [X2, Y(0)] und ein vierter Punkt [0, Y2(X0)]. In dieser Variante ist es möglich, mit diesen vier Punkten Offset- und Gainfehler zu kompensieren. Winkelfehler zwischen X- und Y-Komponente darf keiner vorhanden sein.
Gemäß dem ersten Teilverfahren werden in einer ersten Stufe die Offsetwerte X_Offset, Y_Offset in einer vorzeichenrichtig ausgeführten Berechnung bestimmt: X_Offset = (X1(Y0) + X2(Y0))/2 Y_Offset = (Y1(X0) + Y2(X0))/2
Eine Offsetkorrektur basiert auf der folgenden Rechnung, wobei offsetkorrigierte Werte mit X_tmp, Y_tmp bezeichnet sind: X_tmp = (X – X_Offset) Y_tmp = (Y – Y Offset)
In einer nochmaligen Messung des Kreises und Feststellung von X und Y, wobei der Offset nun korrigiert und Null sein müßte, wenn kein Winkelfehler existiert, werden in einer zweiten Stufe die Gainkorrekturen X_Gain, Y_Gain vorzeichenrichtig bestimmt: X_Gain = X(Y0) Y_Gain = Y(X0)
Eine Korrektur von Offset- und Gainfehlern basiert auf der folgenden Rechnung: X_tmp2 = X/X_Gain Y_tmp2 = Y/Y_Gain
Eine weitere Möglichkeit, gemäß dem zweiten Teilverfahren ist die direkte Errechnung der Offset- und Gainwerte über diese vier Punkte. Dazu muß ein Gleichungssystem aufgestellt werden und entsprechend gelöst werden.
Alternativ können die Maximal-/Minimalpunkte und die Achs-Punkte herangezogen werden, um die Offset-, Gain- und Winkelfehler zu kompensieren.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beispielhaft gewählt. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Verfahren auch für andere Winkelsensoren eingesetzt werden, die nicht auf einer Magnetfeldmessung beruhen, aber eine Winkelbestimmung basierend auf erfassten Richtungskomponenten durchführen. Der in 1 beschriebene Sensor 100 kann auch bloß aus den Elementen 101, 122, 136, 135 bestehen. Der in 7 beschriebene Sensor 700 kann auch bloß aus den Elementen 101, 722 und 736a-c bestehen. Alternativ ist auch eine dreidimensionale Winkelmessung möglich. In diesem Fall ist ein dritter Sensor Z (nicht gezeigt in den Figuren) erforderlich, um eine dritte Richtungskomponente zu erfassen.
Abhängig von den Gegebenheiten können die erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, daß das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Die beschriebenen Verfahren können in Hardware gebaut sein, in Software auf einem Mikrocontroller on Chip oder extern auf einem Computer berechnet werden. Ein Ablauf der Verfahren ist auf einem Mikrocontroller oder in Hardware möglich. Insbesondere ist eine Selbstkalibration mit einem der oben genannten Verfahren Online während des laufenden Betriebes möglich.
Alle hier beschriebenen Verfahren können zur Fehlerkompensation einerseits bei der Herstellung eines Winkelsensors verwendet werden sowie auch während des laufenden Betriebes, um Offset-, Amplituden- und Achs-Winkeländerungen während des Betriebes, z.B. aufgrund thermischer Erwärmung, zu kompensieren.

100: Winkelsensor
101: Sensor
101a: X-Sensor
101b: Y-Sensor
106': fehlerbehaftete X-Komponente
107': fehlerbehaftete Y-Komponente
ΦCorr: Winkel
Φ: fehlerbehafteter Winkel
122: Winkelberechnung
124: Fehlerkompensation
132: Auswahleinrichtung
133: Tabelle
134: Berechnungseinrichtung
135: Parametertabelle
136: Korrektureinrichtung
142: Komponentenpaar
143: Berechnungswerte
144: Parameter
145: Korrekturparameter
#1–#5: Meßpunkte
211a: X-Achse
211b: Y-Achse
208a–f: Richtungsvektoren
209: Winkel
308'a: fehlerbehaftete Bezugsrichtung
310': fehlerbehafteter Meßkreis
311a': fehlerbehaftete X-Achse
311b': fehlerbehaftete Y-Achse
312: Offsetfehler
313: Winkelfehler
408a: Bezugsrichtung
410: Meßkreis
551–556: Schritte des ersten Verfahrens
600: Winkelsensor
660: Vektor Loading
661: Koeffizientenarithmetik
662: Koeffizientenupdate
663: CORDIC-Arithmetik
664: Nullwinkelkorrektur
665: Winkelschleppzeiger
666: Kontrolleinrichtung
667: FLASH-Speicher
668: Bus
669: Set-Signal
700: Winkelsensor
709: Winkel
722: Winkelberechnung
724: Vorrichtung zum Einstellen
733: Haltelogik
735: Kalibrierungseinrichtung
736a–c: Korrektureinrichtung
742: Maximalwerteleitung
744a–c: Korrekturparameter
746: korrigierte X- und Y-Komponente
810: fehlerhafter Meßkreis
811a: X-Achse
811b: Y-Achse
811a': fehlerhafte X-Achse
811b': fehlerhafte Y-Achse
811a'': rechnerische X-Achse
811b'': rechnerische Y-Achse
951a,b: Schritte eines zweiten Verfahrens
953a,b: Schritte eines zweiten Verfahrens
955: Schritte eines zweiten Verfahrens
956: Schritte eines zweiten Verfahrens
1110: fehlerbehafteter Meßkreis
1111a: X-Achse
1111b: Y-Achse
1111a': fehlerbehaftete X-Achse
1111': fehlerbehaftete Y-Achse
1251: Schritte eines dritten Verfahrens
1253a,b: Schritte eines dritten Verfahrens
1256a,b: Schritte eines dritten Verfahrens
1301: Sensor
1302: Sensorelemente
1303: Sensorelemente
1304: Magnetfeldrichtung
1305: Magnetfeldrichtung
1306: X-Komponente
1307: Y-Komponente
1406: X-Komponente
1407: Y-Komponente
1408: Richtung
A: Winkel
1410: Meßkreis
1411a: X-Achse
1411b: Y-Achse
1506': fehlerbehaftete X-Komponente
1507': fehlerbehaftete Y-Komponente
1508': fehlerbehaftete Richtung
A': fehlerbehafteter Winkel
1510': fehlerbehafteter Meßkreis
1511a': X-Achse
1511': fehlerbehaftete Y-Achse
1512: Ursprung
1512': fehlerbehafteter Ursprung

Claims

Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors (100), der ausgebildet ist, um eine erste Komponente (106') einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente (107') der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel (ΦCORR) der Richtung zu bestimmen, das folgende Schritte aufweist: Erfassen (551) von fünf Komponentenwertepaaren (142) für fünf unterschiedliche Richtungen, wobei ein Komponentenwertepaar einen ersten Komponentenwert für die erste Komponente und einen zweiten Komponentenwert für die zweite Komponente umfasst; und Einstellen (556) der Bestimmungsvorschrift abhängig von den fünf Komponentenwertepaaren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Bestimmungsvorschrift zur Kompensation eines Offsetfehlers oder eines Amplitudenfehlers oder eines Orthogonalitätsfehlers des Winkelsensors (100) dient.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Bestimmen des Winkels (ΦCORR) basierend auf der ersten Komponente (106') und der zweiten Komponente (107') einer Winkelmessung des Winkelsensors entspricht und wobei die fünf Komponentenwertepaaren (142) aufeinanderfolgende, zur Winkelmessung verwendete erste Komponenten und zweite Komponenten sind, so dass das Einstellen der Bestimmungsvorschrift einer ständigen Korrektur oder Nachkalibrierung des Winkelsensors dient und, so dass die eigentliche Messung nicht unterbrochen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Erfassens der fünf Komponentenwertepaare (142) einen Mindestwinkel zwischen den Richtungen der fünf Komponentenwertepaaren definiert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Winkelmeßbereich des Sensors durch eine Mehrzahl von Winkelschwellen in eine Mehrzahl von Messbereichen unterteilt ist, und wobei der Schritt des Erfassens abhängig von den Winkelschwellen stattfindet, derart, daß die fünf unterschiedlichen Richtungen jeweils einen Winkel in einem unterschiedlichen Messbereich aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Einstellens einen Schritt des Einsetzens (552) der fünf Komponentenwertepaare in ein Ellipsen-Gleichungssystem und ein Ermitteln (554) von mindestens einem Ellipsenkoeffizienten aus dem Ellipsen-Gleichungssystem aufweist, und wobei die Bestimmungsvorschrift abhängig von dem einen bestimmten Ellipsenkoeffizienten oder der Mehrzahl von bestimmten Ellipsenkoeffizienten erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt des Ermittelns des zumindest einen Ellipsenkoeffizienten einen Schritt des Bildens einer Berechnungsmatrix und einen Schritt des Ausführens eines numerischen Lösungsalgorithmus, um die Ellipsenkoeffizienten zu bestimmen, umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner einen Schritt des Einstellens einer Bezugsrichtung als Folge eines Bezugssignals umfasst, und wobei der Winkelsensor derart ausgebildet ist, dass der Winkel in Bezug auf die Bezugsrichtung definiert ist.
Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors (700), der ausgebildet ist, um eine erste Komponente (106) der Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente (107) einer Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel (Angle) der Richtung zu bestimmen, das folgende Schritte aufweist: Erfassen (951a) eines ersten Maximalwerts (Xmax, Ymax) und eines ersten Minimalwerts (Xmin, Ymin) einer vorbestimmten der ersten und zweiten Komponente; und Einstellen (953a, 953b, 955) der Bestimmungsvorschrift abhängig von dem ersten Maximalwert und dem ersten Minimalwert.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Schritt des Einstellens (953a) einen Schritt des Bestimmens eines Offsetkorrekturfaktors (Offset_corr) basierend auf einer ersten Mittelwertbildung des ersten Maximalwerts (Xmax, Ymax) und des ersten Minimalwerts (Xmin, Ymin) umfaßt, und der Winkelsensor ausgebildet ist, um basierend auf dem Offsetkorrekturfaktor einen offsetbereinigten Wert für die vorbestimmte der ersten und zweiten Komponente und basierend auf dem offsetbereinigten Wert den Winkel zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Schritt des Einstellens ferner einen Schritt des Bestimmens (953b) eines Gainkorrekturfaktors (Gain_corr) basierend auf einer zweiten Mittelwertbildung des ersten Maximalwerts und des ersten Minimalwerts umfaßt, um basierend auf dem Gainkorrekturfaktors einen gainbereinigten Wert für die vorbestimmte der ersten und zweiten Komponente und basierend auf dem gainbereinigten Wert den Winkel zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Schritt des Erfassens einen Schritt des Erfassens eines zweiten Maximalwerts (Xmax, Ymax) und eines zweiten Minimalwerts (Xmin, Ymin) der anderen der vorbestimmten ersten und zweiten Komponente aufweist, und wobei der Schritt des Einstellens (953a) einen Schritt des Bestimmens eines weiteren Offsetkorrekturfaktors basierend auf einer weiteren ersten Mittelwertbildung des zweiten Maximalwerts (Xmax, Ymax) und des zweiten Minimalwerts (Xmin, Ymin) und ferner einen Schritt des Bestimmens (953b) eines weiteren Gainkorrekturfaktors basierend auf einer weiteren zweiten Mittelwertbildung des zweiten Maximalwerts und des zweiten Minimalwerts umfasst, um basierend auf dem weiteren Offsetkorrekturfaktor und dem weiteren Gainkorrekturfaktor einen offsetbereinigten Wert und einen gainbereinigten Wert für die andere der vorbestimmten ersten und zweiten Komponente und basierend auf dem offsetbereinigten Wert und dem gainbereinigten Wert den Winkel zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Schritt des Erfassens einen Schritt des Erfassens eines zweiten Maximalwerts (Xmax, Ymax) und eines zweiten Minimalwerts (Xmin, Ymin) der anderen der ersten und zweiten Komponente und einen Schritt des Erfassens, für diejenige Richtung, da die erste Komponente den ersten Minimalwert (Xmin) oder den ersten Maximalwert (Xmax) annimmt, eines zugehörigen Werts (Y(Xmax), Y(Xmin)), den die zweite Komponente annimmt, oder des Erfassens, für diejenige Richtung, da die zweite Komponente den zweiten Minimalwert (Ymin) oder den zweiten Maximalwert (Ymax) annimmt, eines zugehörigen Werts (X(Ymax), X(Ymin)), den die erste Komponente annimmt, aufweist, und wobei der Schritt des Bestimmens ein Bestimmen (956), aus dem zugehörigen Wert, dem ersten Minimalwert, dem zweiten Maximalwert, dem zweiten Minimalwert und dem zweiten Maximalwert, einer Abbildungsvorschrift aufweist, und wobei der Winkelsensor ausgebildet ist, um anhand der Abbildungsvorschrift aus dem offset- und dem gainbereinigten Wert korrigierte Werte zu erhalten und basierend auf diesen korrigierten Werten den um Offsetfehler, Gainfehler und Achsen-Winkelfehler korrigierten Winkel zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Winkelsensor ausgebildet ist, um die erste Komponente mittels einem ersten Magnetfeldsensor (101a) und die zweite Komponente mittels einem zweiten Magnetfeldsensor (101b) zu erfassen, und wobei der Schritt des Erfassens (951a) ein Erzeugen eines Magnetfeldes mit rotierender Magnetfeldrichtung und die Erfassung der ersten und zweiten Magnetfeldrichtung mittels des ersten und zweiten Magnetfeldsensors aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Schritt des Bestimmens derart ausgeführt wird, dass der Winkelsensor ausgebildet sein kann, um den Offsetkorrekturfaktor (Offset_corr) und den vorbestimmten der ersten und zweiten Komponente vorzeichenrichtig zu addieren, um den offsetbereinigten Wert zu erhalten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Schritt des Bestimmens derart ausgeführt wird, dass der Winkelsensor ausgebildet sein kann, um den Gainkorrekturfaktors (Gain_corr) und den vorbestimmten der ersten und zweiten Komponente zu multiplizieren, um den gainbereinigten Wert zu erhalten.
Verfahren zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors (700), der ausgebildet ist, um eine erste Komponente (106) einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente (107) der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel (Angle) der Richtung zu bestimmen, das folgende Schritte aufweist: Erfassen (1251) eines einem Nulldurchgang der ersten Komponente zugeordneten Paars von ersten Nulldurchgangswerten (Y1(X0); Y2(X0)) für die zweite Komponente; und Bestimmen (1256a, 1256b) eines Korrekturfaktors für die zweite Komponente basierend auf dem Paar von ersten Null durchgangswerten, wobei der Korrekturfaktor Teil der Bestimmungsvorschrift ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Bestimmens einen Schritt des Einsetzens (1253a) der ersten Nulldurchgangswerte (Y1(X0); Y2(X0)) in ein erstes Gleichungssystem und einen Schritt des Lösens (1256a) des Gleichungssystems, um den Korrekturfaktor zu erhalten, umfasst, wobei der Korrekturfaktor ein Offset- oder Gainkorrekturfaktor für die zweite Komponente ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Bestimmens einen Schritt des Bestimmens (1253b) eines vorläufigen Korrekturfaktors für die zweite Komponente, basierend auf dem Paar von ersten Nulldurchgangswerten (Y1(X0); Y2(X0), sowie einen Schritt des Erfassens (1256b), unter Einbeziehung des vorläufigen Korrekturfaktors, eines, einer vorläufigen korrigierten ersten Komponente zugeordneten vorläufig korrigierten ersten Nulldurchgangswerts (Y_real1(X_real0), Y_real2(X_real0)), und Bestimmen des Korrekturfaktors basierend auf dem vorläufigen Korrekturfaktor und dem vorläufig korrigierten ersten Nulldurchgangswert.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Schritt des Bestimmens (1253b) des vorläufigen Korrekturfaktors eine erste Mittelwertbildung aus dem Paar von ersten Nulldurchgangswerten ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die Richtung eine Richtung eines physikalischen Feldes am Ort des Winkelsensors ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Schritt des Bestimmens einen weiteren Schritt des Bestimmens eines zweiten Korrekturfaktors für die zweite Komponente gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 umfaßt.
Vorrichtung (124) zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors (100), der ausgebildet ist, um eine erste Komponente (106') einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente (107') der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel (ΦCORR) der Richtung zu bestimmen, mit folgenden Merkmalen: einer Erfassungseinrichtung (133), die ausgebildet ist, um fünf Komponentenwertepaare für fünf unterschiedliche Richtungen zu erfassen, wobei ein Komponentenwertepaar einen ersten Komponentenwert für die erste Komponente und einen zweiten Komponentenwert für die zweite Komponente umfasst; und einer Einstelleinrichtung (136), die ausgebildet ist, um die Bestimmungsvorschrift abhängig von den fünf Komponentenwertepaaren einzustellen.
Vorrichtung (724) zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors (700), der ausgebildet ist, um eine erste Komponente (106) einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente (107) der Richtung entlang einer zweiten Achse zu empfangen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel der Richtung zu bestimmen, mit folgenden Merkmalen: einer Erfassungseinrichtung (733), die ausgebildet ist, um einen ersten Maximalwert (Xmax, Ymax) und einen ersten Minimalwert (Xmin, Ymin) einer der vorbestimmten der ersten oder zweiten Komponente zu erfassen; und einer Einstellungseinrichtung (735), die ausgebildet ist, um die Bestimmungsvorschrift abhängig von dem ersten Maximalwert und dem ersten Minimalwert einzustellen.
Vorrichtung zum Einstellen einer Bestimmungsvorschrift eines Winkelsensors, der ausgebildet ist, um eine erste Komponente einer Richtung entlang einer ersten Achse und eine zweite Komponente der Richtung entlang einer zweiten Achse zu erfassen, und basierend auf der ersten und zweiten Komponente gemäß der Bestimmungsvorschrift einen Winkel der Richtung zu bestimmen, mit folgenden Merkmalen: einer Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um ein, einem Nulldurchgang der Komponente zugeordneten Paars von ersten Nulldurchgangswerten für die zweite Komponente zu erfassen; und einer Bestimmungseinrichtung, die ausgebildet ist, um einen Korrekturfaktor für die zweite Komponente basierend auf dem Paar von ersten Nulldurchgangswerten zu bestimmen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1, 9 oder 17, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.