DE102005062125A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangssignals - Google Patents

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangssignals (46) für einen magneto-resistiven Winkelsensor wird ein periodischer Fehleranteil für mindestens ein Rohsignal (20, 22) ermittelt. Dabei entspricht eine Periodenlänge des mindestens einen Rohsignals (20, 22) einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodenlänge des periodischen Fehleranteils. Dieser periodische Fehleranteil wird bei einer Signalauswertung für das mindestens eine Rohsignal (20, 22) kompensiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangssignals, eine Vorrichtung, einen magnetorestistiven Winkelsensor, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
• Lenkwinkelsensoren der dritten, vierten und fünften Generation beruhen auf dem Messprinzip der AMR(anisotropic magneto-resistive)- und GMR(giant magneto-resistive)-Technologie. Hierbei ist ein großer Fehleranteil auf einen Anisotropiefehler entsprechender AMR- oder GMR-Elemente der Lenkwinkelsensoren zurückzuführen. Dieser Fehleranteil macht sich in einem nicht zu vernachlässigendem Fehlerbeitrag in Ausgangssignalen für Winkel und Winkelgeschwindigkeit von Lenkwinkelsensoren bemerkbar.
• Die Druckschrift DE 103 06 127 A1 betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Feststellung der Richtung eines Magnetfelds. In dieser Druckschrift wird festgestellt, dass ein Einfluss von Anisotropiefehlern von GMR-Sensoren auf eine 360°-Auswertung durch geeignete Maßnahmen, insbesondere durch geeigneten Entwurf einer Übertragungsfunktion, unterdrückt werden kann.
• Die Druckschrift EP 1 308 696 A2 betrifft einen Winkelmesser mit Offset-Kompensation sowie ein Verfahren zur Kompensation eines Offset-Drifts des Winkelmessers. Hierbei wird ein zu messender Winkel auf Grundlage eines entsprechenden Sinus-Signals und Kosinus-Signals bestimmt. Zur Offset-Kompensation wird hierbei zunächst eine Amplitude des Kosinus- und/oder Sinus-Signals ermittelt, ein zugehöriger Offsetwert wird auf Grundlage des ermittelten Amplitudenwertes bestimmt. Damit können die vom Winkelmesser erzeugten Sinus- und Kosinus-Signale und somit ein Winkel-Messwert korrigiert werden.
• Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, ein magneto-restistiver Winkelsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 vorgestellt.
• Vorteile der Erfindung
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangssignals für einen magneto-resistiven Winkelsensor wird ein periodischer Fehleranteil für mindestens ein Rohsignal ermittelt. Dabei entspricht eine Periodenlänge des mindestens einen Rohsignals einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodenlänge des periodischen Fehleranteils. Dieser periodische Fehleranteil wird bei einer Signalauswertung für das mindestens eine Rohsignal kompensiert.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausgangssignals für einen magneto-resistiven Winkelsensor weist ein Kompensationsglied zur Korrektur eines periodischen Fehleranteils eines Rohsignals, wobei eine Periodenlänge des Rohsignals einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodenlänge des periodischen Fehleranteils entspricht, auf.
• Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Speichern von Daten auf, die den zu kompensierenden periodischen Fehleranteil in dem Rohsignal darstellen. Diese Daten können insbesondere am Ende einer Fertigung des Winkelsensors gemessen werden, und, gegebenenfalls rechnerisch modifiziert, der Speichereinrichtung der Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
• Der erfindungsgemäße magneto-resistive Winkelsensor weist mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf.
• Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, ausgeführt wird.
• Die Erfindung betrifft des weiteren ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, ausgeführt wird.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine weitgehende Kompensation eines Anisotropiefehlers des magnetoresistiven Winkelsensors oder eines entsprechenden Lenkwinkelsensors und somit auch eines AMR-(anisotropic magneto-resistive)- oder GMR-(giant magneto-resistive)-Elements. Durch die Kompensation des Anisotropiefehlers kann eine Genauigkeit von Winkelsensoren und deren Ausgangssignalen wie Winkel und Winkelgeschwindigkeit verbessert werden.
• Der Anisotropiefehler von GMR-Elementen lässt sich im wesentlichen auf einen sog. 120°-Fehleranteil in den Rohsignalen für Sinus und Kosinus zurückführen. Unter einem derartigen 120°-Fehleranteil versteht man einen periodischen Fehleranteil, der sich alle 120° wiederholt, d.h. bezogen auf eine volle Umdrehung von 360° eines GMR-Elements ergeben sich drei Perioden dieses 120°-Fehleranteils.
• Bei einem AMR-Element zeigt sich der Anisotropiefehler im wesentlichen in einem 60°-Fehler der Rohsignale für Sinus und Kosinus. Da jedoch das GMR-Element bezogen auf das AMR-Element einen doppelt so großen Messbereich aufweist, sind Betrachtungen bezüglich des Rohsignals wieder identisch, da bereits nach 180° eine volle Periode des Nutzsignals durchlaufen ist. Aus diesem Grund wird für die weitere Betrachtung lediglich das GMR-Element mit einem Messbereich von 360° herangezogen.
• Spektralanteile der Rohsignale eines exemplarischen GMR-Elements sind messtechnisch ermittelt worden und anhand der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt. Hierbei sind Spektralanteile der Rohsignale des GMR-Elements auf ein jeweiliges Nutzsignal, hier eine 360°-Spektrallinie, normiert.
• Tabelle 1

  
• Wie anhand von Tabelle 1 deutlich zu erkennen ist, überwiegt hier der 120°-Fehleranteil. In diesem Beispiel beträgt eine Amplitude des 120°-Fehleranteils beim Sinus-Rohsignal 6,72 der Amplitude des Nutzsignals, beim Kosinus-Rohsignal beträgt dieser Wert 5,79% der Amplitude des Nutzsignals.
• Mit Hilfe eines zusätzlichen Kompensationsglieds in einem Algorithmus in einer bisherigen Signalauswertung können die 120°-Fehleranteile der jeweiligen Rohsignale weitgehend kompensiert werden. Bei einer neuen, erweiterten Signalauswertung werden die periodischen Fehleranteile in den nachfolgend dargestellten Algorithmen für das Sinus-Rohsignal (1) und für das Kosinus-Rohsignal (2) abgearbeitet: X2 = X1 – CX (4 X1 3 + 3 X1) (1)hierbei entspricht X₂ einem anisotropie-korrigierten Sinuswert und X₁ einem offset-korrigierten Sinuswert des ursprünglich gemessenen Sinus-Rohsignals sowie C_X dem Korrekturfaktor für den periodischen Fehleranteil des Sinus-Rohsignals; Y2 = Y1 – CY (4 Y1 3 + 3 Y1) (2)hierbei entspricht Y₂ einem anisotropie-korrigierten Kosinuswert und Y₁ einem offset-korrigierten Kosinuswert des ursprünglich gemessenen Kosinus-Rohsignals sowie C_Y dem Korrekturfaktor für den periodischen Fehleranteil des Kosinus-Rohsignals.
• Dabei handelt es sich bei C_X und C_Y um Konstanten, die bspw. an einem Bandende-Prüfstand, also nach Fertigstellung des Winkelsensors, ermittelt und in geeigneter Weise in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Signalauswertung des Winkelsensor, insbesondere in einer Recheneinheit des Winkelsensors, abgespeichert werden können. Diese beiden Konstanten besitzen Werte im Bereich der normierten Amplitude des jeweiligen 120°-Fehleranteils. Zur Ermittlung dieser Konstanten C_X und C_Y am Bandende-Prüfstand oder im Rahmen einer entsprechenden Endkontrolle empfiehlt sich ein sogenannter LS-Schätzer, gemäß einem Verfahren der kleinsten Quadrate, wodurch ein Gesamt-Winkelfehler minimiert werden kann.
• Die vorliegende Erfindung ist in bevorzugter Ausgestaltung bei allen Produkten, also magneto-resistiven Winkelsensoren oder entsprechenden Lenkwinkelsensoren anwendbar, deren Rohsignale einen zusätzlichen Fehleranteil besitzen, der eine Periodenlänge von einem Drittel einer Periodenlänge des Nutzsignals entspricht. Bei Lenkwinkelsensoren der dritten und vierten Generation ist das Nutzsignal aufgrund der AMR-Technologie ein 180°-Signal. Daher ist mit der vorliegenden Erfindung ein 60°-Fehleranteil im Rohsignal kompensierbar. Bei Lenkwinkelsensoren der fünften Generation ist das Nutzsignal aufgrund der GMR-Technologie ein 360°-Signal. Daher ist mit der Erfindung ein 120°-Fehleranteil im Rohsignal kompensierbar. Die bislang nicht kompensierten Anisotropiefehler bei AMR- und GMR-Elementen können nunmehr weitgehend kompensiert werden, womit eine Genauigkeit der Lenkwinkelsensoren hinsichtlich der Ausgangssignale für Winkel und Winkelgeschwindigkeit erhöht wird.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
• Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt ein Flussdiagramm zu einer Signalauswertung gemäß dem Stand der Technik.
• 2 zeigt ein Schaubild mit einem Ausgangs-Winkelsignal, das Nichtlinearitäten aufweist.
• 3 zeigt ein Flussdiagramm zu einer erweiterten Signalauswertung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in bevorzugter Ausführungsform.
• 4 zeigt ein Schaubild zu einer Gegenüberstellung von Winkelfehlern für Winkel, die gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden.
• Bei dem in der von 1 gezeigten Flussdiagramm zu einer Signalauswertung gemäß dem Stand der Technik ist vorgesehen, dass ein Sinus-Rohsignal 2 und ein Kosinus-Rohsignal 4 jeweils in einem Offset-Glied 6 einer Offset-Korrektur unterzogen werden. Für derart offset-korrigierte Rohsignale erfolgt nachfolgend in einer Komponente 8 eine Amplituden- und Phasenkorrektur. Danach. erfolgt in einer Komponente 10 eine Arkustangens-Bildung, die einen Winkel 12 als Ausgangssignal dieses Verfahrens liefert.
• 2 zeigt entlang einer Ordinate 14 ein über einer Abszisse 16 für ein Referenzmaß aufgetragenes Ausgangssignal 18. Ein derartiges Ausgangssignal 18 ist mit dem in 1 gezeigten Verfahren ermittelt, dabei ergeben sich Nichtlinearitäten, die in dem Ausgangssignal 18 deutlich zu erkennen sind. Des weiteren ergibt sich ein zusätzlicher Fehlerbetrag in einer aus dem Ausgangssignal 18 abgeleiteten Winkelgeschwindigkeit.
• 3 zeigt ein Flussdiagramm zu einer bevorzugten Ausführungsform einer erweiterten Signalauswertung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren. Hier wird ein Sinus-Rohsignal 20 in einem Offset-Korrekturglied 24 einer Offset-Korrektur unterzogen, wodurch sich ein offsetkorrigierter Sinuswert 26 für das Sinus-Rohsignal 20 ergibt. Entsprechend wird ein Kosinus-Rohsignal 22 in einem Offset-Korrekturglied 25 einer Offset-Korrektur unterzogen, wodurch sich ein offset-korrigierter Kosinuswert 28 für das Kosinus-Rohsignal 22 ergibt.
• Diese beiden offset-korrigierten Werte 26, 28 weisen jeweils einen zusätzlichen 120°-Fehleranteil von ca. 5% einer Amplitude eines jeweiligen Nutzsignals auf.
• Anschließend wird bei der erweiterten Signalauswertung (3) der offset-korrigierte Sinuswert 26 in einem Kompensationsglied 30 einer Anisotropie- bzw. 120°-Korrektur unterzogen, der offset-korrigierte Kosinuswert 28 wird ebenfalls in einem Kompensationsglied 32 einer Anisotropie- bzw. 120°-Korrektur unterzogen. Die bei diesen 120°-Korrekturen 30, 32 benutzten Konstanten C_X und C_Y werden mit Hilfe eines LS-Schätzers ermittelt und fließen bei der erweiterten Signalauswertung in ein Kompensationsglied ein. Die beiden Konstanten C_X und C_Y sind in diesem Beispiel gleich groß, da beide Rohsignale 20, 22 denselben 120° Fehleranteil von ca. 5% besitzen.
• Bei Durchführung der 120°-Korrekturen 30, 32 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein anisotropiekorrigierter Sinuswert 34 und ein anisotropie-korrigierter Kosinuswert 36 bereitgestellt. In einem nachfolgenden Schritt werden der anisotropie-korrigierte Sinuswert 34 und der anisotropie-korrigierte Kosinuswert 36 in einer Komponente 38 einer Amplituden- und Phasenkorrektur unterzogen. Auf Grundlage dessen ergeben sich ein Sinus-Nutzsignal 40 sowie ein Kosinus-Nutzsignal 42. Unter Arkustangens-Bildung mittels einer Komponente 44 wird auf Grundlage dieser Nutzsignale 40, 42 ein Ausgangssignal 46 für einen Winkel bereitgestellt.
• In dem in 4 gezeigten Schaubild ist entlang einer ersten, linken Ordinate 48 über einer Abszisse 50 für den Winkel ein Winkelfehler 52, wie er sich gemäß der bisherigen Signalauswertung ergibt, aufgetragen. Entlang der zweiten, rechten Ordinate 54 ist über der Abszisse 50 für den Winkel ein Winkelfehler 56, wie er sich gemäß der erweiterten, erfindungsgemäßen Signalauswertung ergibt, aufgetragen. Eine Gegenüberstellung dieser Winkelfehler 52, 56 zeigt, dass der 120°-Fehleranteil in den Rohsignalen mit der bisherigen Signalauswertung zu einem 90°-Fehleranteil im Winkelfehler 52 führt. Ein Grund für diese Transformation zu einem anderen Spektralanteil ist die nichtlineare Funktion Arkustangens. Die erweiterte Signalauswertung führt hingegen bei einem transformierten 120°-Fehleranteil in den Rohsignalen zu einem 45°-Fehleranteil im Winkelfehler 56.
• Ein Vorteil der erweiterten Signalauswertung zeigt sich bei der Betrachtung der Amplituden der Winkelfehler 52 und 56. Aus 4 geht hervor, dass mit der bisherigen Signalauswertung ein Winkelfehler 52 von bis zu 2,866° besteht (linke Ordinate 48). Mit der erweiterten Signalauswertung reduziert sich der Winkelfehler hingegen auf eine Amplitude von lediglich 0,0215° (rechte Ordinate 54). Dies bedeutet, dass der Winkelfehler 52 der bisherigen Signalauswertung um einen Faktor 133 größer als der Winkelfehler 56 gemäß der erweiterten, erfindungsgemäßen Signalauswertung ist.
• Der Winkelfehler 52 lässt sich somit drastisch reduzieren. Ein Wert einer aus dem Winkel abgeleiteten Winkelgeschwindigkeit wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit entsprechend verbessert.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangssignals (46) für einen magneto-resistiven Winkelsensor, bei dem ein periodischer Fehleranteil für mindestens ein Rohsignal (20, 22) ermittelt wird, wobei eine Periodenlänge des mindestens einen Rohsignals (20, 22) einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodenlänge des periodischen Fehleranteils entspricht, und bei dem dieser periodische Fehleranteil bei einer Signalauswertung für das mindestens eine Rohsignal (20, 22) kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein periodischer Fehleranteil, dessen Periodenlänge einem Drittel der Periodenlänge des Rohsignals (20, 22) entspricht, kompensiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Fehleranteil durch ein Kompensationsglied bei der Signalauswertung kompensiert wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem bei der Signalauswertung ein anisotropie-korrigierter Sinuswert X₂ (34) nach folgendem Algorithmus bestimmt wird: X2 = X1 – CX (4 X1 3 + 3 X1), wobei X₁ ein offset-korrigierter Sinuswert (26) eines ursprünglich gemessenen Sinus-Rohsignals (20) und C_X ein Korrekturfaktor für den periodischen Fehleranteil des Sinus-Rohsignals (20) ist, und bei dem bei der Signalauswertung ein anisotropiekorrigierter Kosinuswert Y₂ (36) nach folgendem Algorithmus bestimmt wird: Y2 = Y1 – CY (4 Y1 3 + 3 Y1),wobei Y₁ ein offset-korrigierter Kosinuswert (28) eines ursprünglich gemessenen Kosinus-Rohsignals (22) und C_Y ein Korrekturfaktor für den periodischen Fehleranteil des Kosinus-Rohsignals (22) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem für den mindestens einen periodischen Fehleranteil für C_x und C_Y jeweils ein konstanter Wert benutzt wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Wert für den Fehleranteil am Ende einer Fertigung des Winkelsensors gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Fehleranteil mit einem LS-Schätzer, der einen Gesamt-Winkelfehler minimiert, ermittelt wird.
8. Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausgangssignals (46) für einen magneto-resistiven Winkelsensor, mit wenigstens einem Kompensationsglied (30, 32) zur Korrektur eines periodischen Fehleranteils für mindestens ein Rohsignal (20, 22), wobei eine Periodenlänge des mindestens einen Rohsignals (20, 22) einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodenlänge des periodischen Fehleranteils entspricht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, mit einer Einrichtung zum Speichern von Daten, welche den Anteil des periodischen Fehlers an dem Rohsignal darstellen.
10. Magneto-resistiver Winkelsensor, der eine Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 aufweist.
11. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, ausgeführt wird.
12. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, ausgeführt wird.