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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, ein Lenksystem sowie ein Verfahren zur Asymmetrie-Kompensation eines Positionsgebers in einem elektromechanischen Lenksystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Behebung von Einflüssen auf eine Kompensationsmaßnahme während des Betriebes (wie z. B. einer veränderten Temperatur).
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Im Stand der Technik wird für die Rotorpositionsermittlung eines Synchronmotors in einer elektromechanischen Lenkung ein Positionsgeber mit zwei Messkanälen verwendet, die eine Sinus- und Cosinus-Funktion des Drehwinkels des Rotors abbilden. Dies kann zum Beispiel mittels eines Resolvers erfolgen. Die Übertragungsfaktoren für Sinus- und Cosinus-Wicklungen sind unterschiedlich, da die Wicklungen (fertigungsbedingt) asymmetrisch sind und einer betriebsbedingten Temperaturveränderung unterliegen. Üblicherweise wird in einem Resolver eine Trägerfrequenz generiert, mit welcher der Resolver erregt wird. Diese Trägerfrequenz erfährt im Resolver eine temperaturabhängige Phasenverschiebung, die beim Abtasten mittels Analog-Digital-Wandler (ADC) als eine Veränderung des Übertragungsfaktors zutage tritt. Eine statische Ausgleichskorrektur ist in diesem Fall für eine elektromechanische Lenkung nicht ausreichend, da eine solche Lenkung erhöhte Anforderungen an die Momentenwelligkeit und damit an die Qualität des Positionssignals hat. Die im Stand der Technik bekannten statischen Ausgleichsverfahren sind für die erhöhten Anforderungen an die Momentenwelligkeit und die Qualität des Positionssignals nur bedingt geeignet. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorstehend identifizierten Bedarf zu stillen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Asymmetrie-Kompensation eines Positionsgebers (z. B. eines Resolvers) in einem elektromechanischen Lenksystem gelöst. Zunächst werden ein Sinus-Signal und ein Cosinus-Signal des Positionsgebers erfasst. Dies kann durch an unterschiedlichen azimutalen Positionen des Resolvers angeordnete Induktionsspulen erfolgen, welche einen oder mehrere, auf dem Rotor des Positionsgebers angeordnete Permanentmagnete erfassen können. Anschließend wird ein gegebenenfalls im Sinus-Signal beziehungsweise im Cosinus-Signal vorhandener Offsetwert entfernt. Zur Asymmetrie-Kompensation wird anschließend das Sinus-Signal auf einen ersten amplitudenabhängigen Wert des Cosinus-Signals normiert. Der amplitudenabhängige Wert kann beispielsweise der Amplitudenhub des Cosinus-Signals sein. In entsprechender Weise wird das Cosinus-Signal auf einen ersten amplitudenabhängigen Wert des Sinus-Signals normiert, für welchen Entsprechendes gilt. Der Signalhub kann beispielsweise durch Ermittlung eines jeweiligen Maximal- und Minimal-Wertes der Amplitude und eine anschließende Differenzbildung ermittelt werden. Diese Ermittlung kann kontinuierlich erfolgen, solange sie nicht zurückgesetzt beziehungsweise neu initialisiert wird. Anschließend wird eine volle elektrische Umdrehung des Positionsgebers ermittelt. Die „elektrische“ Umdrehung kann insbesondere mit einer mechanischen Umdrehung des Positionsgebers übereinstimmen. Im Anschluss an die volle elektrische Umdrehung des Positionsgebers werden ein aktualisierter amplitudenabhängiger Wert des Sinus-Signals und ein aktualisierter amplitudenabhängiger Wert des Cosinus-Signals ermittelt. Auch dies kann eine jeweilige Maximal- und Minimalwertermittlung umfassen. Anschließend wird erneut normiert, indem das nun anliegende Sinus-Signal auf den aktualisierten amplitudenabhängigen Wert des Cosinus-Signals und das nun anliegende Cosinus-Signal auf den aktualisierten amplitudenabhängigen Wert des Sinus-Signals bezogen wird. Dies kann beispielsweise eine Division umfassen. Durch die aktualisierten amplitudenabhängigen Werte können veränderte Randbedingungen bestmöglich berücksichtigt werden, was zu besonders geringen Toleranzen bei der Ermittlung der Drehposition des elektromechanischen Lenksystems führt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt können auch die Bereinigung des Sinus-Signals und des Cosinus-Signals um den jeweiligen Offsetwert im Ansprechen auf eine Ermittlung der vollen elektrischen Umdrehung des Positionsgebers erneut erfolgen. Sofern seit der letzten Offsetwert-Ermittlung eine Veränderung des Offsetwerts stattgefunden hat, kann das erfindungsgemäße Verfahren noch genauere Ergebnisse liefern.
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Bevorzugt kann das vom Positionsgeber ausgegebene Sinus-Signal einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen werden, bevor eine weitere Verarbeitung (Bereinigung um Offset und/oder Normieren) erfolgt. In entsprechender Weise kann das um den Offset bereinigte Sinus-Signal und/oder das normierte Sinus-Signal analog-digital-gewandelt werden. Insbesondere eine Bereinigung des Offsets lässt sich in der digitalen Domäne sehr einfach und mit wenig Rechenaufwand durchführen. Entsprechende Möglichkeiten zur Analog-Digital-Wandlung ergeben sich für das Cosinus-Signal. Das digitale Winkelsignal kann anschließend abgespeichert werden, wozu insbesondere ein 16-Bit-Fixed-Point-Format verwendet werden kann. Beispielsweise kann anhand des abgespeicherten Winkelsignals eine Veränderung der Positionswinkelerfassung über der Zeit festgestellt und eine erneute Ermittlung amplitudenabhängiger Werte zur Normierung des Sinus-Signals und des Cosinus-Signals angestoßen werden.
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Bekanntlich kann aus dem Sinus-Signal und dem Cosinus-Signal (welche beide erfindungsgemäß offsetbereinigt und normiert sein können) ein Arkustangenssignal mit zwei Argumenten errechnet werden, aus welchem eine Veränderung des Drehwinkels des Positionsgebers (z. B. um 90°) erfasst werden kann. Die Anzahl der Veränderungen des Drehwinkels um 90° elektrisch können gezählt werden, sodass nach einer Anzahl von vier 90°-Umdrehungen eine vollständige Umdrehung des Rotors des Positionsgebers erfolgt sein muss. Die Arkustangensfunktion kann durch Einsatz einer vorausberechneten Tabelle für Eingangswerte im Bereich von 0 bis pi/4 implementiert werden. Für den Bereich von pi/4 bis pi/2 kann die Formel arctan(sin/cos) = pi/2-arctan(cos/sin) verwendet werden. Bevorzugt wird diese Tabelle durch Darstellung des Winkelsignals in dem vorgenannten 16-Bit-Fixed-Point-Format dargestellt. Dabei entspricht der Minimalwert –32.768 dem Winkelwert –pi (oder –180°) und der Maximalwert +32.767 dem Winkelwert +pi (oder +180°). Das Ermitteln der Veränderung des Drehwinkels kann bevorzugt anhand zweier höchstwertiger Bits des Arkustangens erfolgen. Auf diese Weise ist eine eindeutige Beschreibung des aktuellen 90°-Bereiches durch einen möglichst geringen Rechenaufwand möglich.
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Auch die Ermittlung der Arkustangensfunktion kann anhand einer Tabelle erfolgen, welche für Wertepaare des bereinigten und normierten Sinus-Signals und des bereinigten und normierten Cosinus-Signals jeweilige Arkustangenswerte bereithält. Somit kann die Berechnung der Arkustangensfunktion vollständig in der digitalen Domäne erfolgen.
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Die Identifikation einer Umdrehung um 90° (elektrisch) kann – wie oben ausgeführt – mit Hilfe einer zweiten Tabelle erfolgen. Dafür wird der in einem vorherigen Berechnungszyklus ermittelte Winkelwert abgespeichert. Es werden die zwei Bits mit den höchsten Stellenwerten eines aktuellen Winkelwertes und die zwei Bits eines vorherigen Winkelwertes einander gegenüber gestellt. So ergeben sich vier Bits und 16 mögliche Kombinationen. Beispielsweise kann eine Tabelle mit 16 Einträgen angelegt werden. Jedes Element entspricht einer Kombination und stellt eine Veränderung des Umdrehungszählers dar. Wenn die zwei höchsten Bits der beiden Winkelwerte gleich sind, dann ist das entsprechende Element in der Tabelle gleich 0 und damit findet keine Veränderung des Zählers statt. Wenn die zwei höchsten Bits beider Winkelwerte nicht gleich sind, dann wird der Zähler um „1“ erhöht beziehungsweise verringert. Eine volle elektrische Umdrehung wird für den Zeitraum erkannt, in welchem der Zählerwert um fünf größer oder kleiner geworden ist (Drehsinn positiv oder negativ). In diesem Fall werden zwei Offsets und ein Korrekturfaktor neu berechnet. Der Offsetwert wird pro Kanal als Mittelwert aus den ermittelten Maximal- und Minimal-Werten der Sinus- und Cosinus-Signale berechnet. Der Einsatz der Arkustangensfunktion für die Winkelberechnung fordert lediglich die Gleichheit der Amplituden von Sinus- und Cosinus-Signal, lässt die tatsächliche Amplitude der Signale außer Betracht. Das heißt, dass der Korrekturfaktor für den Sinus-Kanal (über welchen das Sinussignal erhalten wird) gleich 1 angenommen werden darf. Dies vereinfacht die Korrekturfaktorenrechnung. Der Korrekturfaktor für den Cosinus-Kanal (der Kanal, über welchen das Cosinus-Signal erhalten wird), kann über das folgende Verhältnis bestimmt werden: Kcos = (MAXsin – MINsin)/(MAXcos – MINcos), wobei MAXsin und MINsin die ermittelten Maximal- und Minimal-Werte des Sinuskanals und entsprechend MAXcos und MINcos die gefundenen Maximal- und Minimal-Werte des cos-Kanals sind. Nach der Berechnung der vier Korrekturparameter kann die Ermittlung der Maximal- und Minimal-Werte sowie die Erkennung der vollen elektrischen Umdrehung zurückgesetzt beziehungsweise initialisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht also eine situationsgerechte, adaptive Veränderung der Ausgleichsfaktoren bei der Auswertung von Sinus- und Cosinus-Signalen eines Positionsgebers. Es wird eine neuartige Umdrehungserkennung sowie eine neuartige Struktur des Signalflusses eines Umdrehungszählers sowie eine neuartige Berechnung der Korrekturparameter vorgeschlagen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem vorgeschlagen, welches einen Positionsgeber, einen Sinus-Signalgeber, einen Cosinus-Signalgeber, Speichermittel und eine Auswerteeinheit umfasst. Der Positionsgeber ist eingerichtet, in Verbindung mit dem Sinus-Signalgeber und dem Cosinus-Signalgeber drehwinkelabhängige Signale zu erzeugen. Die Speichermittel sind eingerichtet, Offsetwerte und amplitudenabhängige Werte der Signale des Sinus-Signalgebers und des Cosinus-Signalgebers der Auswerteeinheit bereitzustellen bzw. von der Auswerteeinheit zu empfangen und abzuspeichern. Auf diese Weise ist das Lenksystem eingerichtet, ein Verfahren gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt auszuführen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend derart ersichtlich denjenigen des vorgenannten Verfahrens, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel (z. B. ein PKW, ein Transporter, ein LKW, ein Luft- und/oder Wasserfahrzeug) vorgeschlagen, welches ein Lenksystem gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Das Lenksystem kann insbesondere als elektromechanisches Lenksystem ausgestaltet sein. Bevorzugt ist es eingerichtet, lenkbare Räder des Fortbewegungsmittels anzusteuern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Lenksystems in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittel;
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2 eine Detailansicht auf Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Positionsgebers;
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3a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ermittelten Sinus-Signals;
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3b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ermittelten Cosinus-Signals;
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4 ein Signalflussdiagramm zu Adaptiven-Asymmetrie-Kompensation eines Positionsgebers bei der Ausführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Asymmetrie-Kompensation eines Positionsgebers in einem elektromechanischen Lenksystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen PKW 10 als Fortbewegungsmittel, innerhalb dessen ein Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Lenksystems 1 angeordnet ist. Ein Lenkhandrad 6 ist über eine Lenksäule 7 mit einem Lenkgetriebe 8 verbunden, über welches eine Zahnstange 9 die vorderen Räder 11 des PKW 10 auszurichten vermag. Zur Unterstützung des Anwenders ist ein Resolver 2 an der Lenksäule 7 angeordnet und über eine Signalleitung 15 informationstechnisch mit einem elektronischen Steuergerät 14 als Auswerteeinheit verbunden. Der Resolver 2 ist als Beispiel eines erfindungsgemäßen Positionsgebers zu verstehen, auf welchen in Verbindung mit 2 näher eingegangen wird. Das elektronische Steuergerät 14 weist eine Leistungsendstufe 12 auf, über welche ein Elektromotor 13 zur Aufbringung eines Lenkunterstützungsmomentes angesteuert werden kann.
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2 zeigt Komponenten eines Resolvers 2 als Positionsgeber. Ein Rotor 32 ist mechanisch mit einer Drehung des Elektromotors (Position 13 in 1) gekoppelt und weist eine Drehrichtung P auf. Bekanntermaßen kann der Rotor 32 auch auf einer selben Welle wie der Rotor des Elektromotors angeordnet sein. 90° zueinander in Rotationsrichtung (Pfeil P) versetzt sind ein Sinus-Signalgeber 29 und ein Cosinus-Signalgeber 30 angeordnet und eingerichtet, vom Rotor 32 erzeugte Magnetfelder (nicht dargestellt) zu erfassen und einem elektronischen Steuergerät 14 als Auswerteeinheit zuzuführen. Die Auswerteeinheit kann eine erfindungsgemäße Signalverarbeitung ausführen und sich hierzu Instruktionen bedienen, welche in einem Datenspeicher 31 bereitgehalten werden. Der Datenspeicher 31 weist überdies Speicherkapazität auf, um digitalisierte Signale der Signalgeber 29, 30 abzuspeichern und für eine anschließende Signalverarbeitung (z. B. Offset-Bereinigung und Normierung) bereitzuhalten.
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3a zeigt ein Beispiel eines Sinus-Signals, wie es vom Sinus-Signalgeber 29 siehe 2) aufgenommen werden könnte. Für die Normierung des entsprechenden Cosinus-Signals (siehe 3b) werden ein Maximalwert 3 und ein Minimalwert 4 ermittelt und betragsmäßig addiert. Diese Summe kann zur Normierung des Cosinus-Signals verwendet werden.
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3b zeigt ein Cosinus-Signal, wie es von einem Cosinus-Signalgeber 30 (siehe 2) ermittelt werden könnte. Ein Minimalwert 5 und ein Maximalwert 6 stellen Beispiele für amplitudenabhängige Werte dar, welche zur Ermittlung eines Signalhubes des Cosinus-Signals und anschließend zur Normierung des Sinus-Signals (siehe 3a) in entsprechender Weise verwendet werden können.
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4 zeigt ein Signalflussdiagramm zur Signalverarbeitung des Sinus-Signals sinφ sowie des Cosinus-Signals cosφ, welche von einem Sinus-Signalgeber und einem Cosinus-Signalgeber (Bezugszeichen 29, 30 in 2) bereitgestellt werden. In einem Min/Max-Beobachter 16 werden Minimal- und Maximal-Werte für das Sinus- und das Cosinus-Signal ermittelt und anschließend kanalweise in Addierern 17 zusammengeführt. In einem Multiplizierer 33 wird das Ergebnis der Summierung halbiert und zur Offset-Kompensation in Addierern 17 zu den Eingangssignalen addiert. Ein Asymmetrie-Kompensator 19 erhält die Min/Max-Werte des Min/Max-Beobachters 16 und errechnet in einem Korrekturgliedermittler 20 zunächst kanalweise die Differenzen der Signale. Anschließend werden die Differenzen zur Ermittlung eines Korrekturfaktors durcheinander geteilt und in einem Multiplizierer 33 mit dem Offset-bereinigten Cosinus-Signal multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 33 und das Offset-bereinigte Sinus-Signal werden einer Auswerteeinheit 25 zugeführt, welche eine Arkustangens-Funktion mit zwei Argumenten ausgibt. Dieses Arkustangens-Signal wird einem weiteren Verzögerungsglied 18 zugeführt, welches das Signal in Form eines 16-Bit-Wertes einem Schiebeoperator 26 zuführt, welcher den 16-Bit Wert um 14 Bits nach rechts verschiebt. Die größten zwei Bits werden einer Tabelle 27 aus 16 Elementen zugeführt. Die Tabelle 27 erhält zudem ein unabhängig vom Verzögerungsglied 18 verarbeitetes Arkustangens-Signal. Das Ausgangssignal 28 der Tabelle 27 besteht in einem Wert, welcher stellvertretend für eine Umdrehung um 90° beziehungsweise pi/2 steht. Ein Wert von „0“ steht für keine erkennbare Drehung, während die Wert „+1“ beziehungsweise „–1“ für Vierteldrehungen in positiver beziehungsweise negativer Drehrichtung stehen. Sobald im Umdrehungszähler 24 fünfmal nacheinander ein Wert ungleich 0 mit demselben Vorzeichen registriert wurde, was durch eine Summier-Schleife aus den Elementen 17 und 18 erkannt wird, erfolgt in einer Umdrehungserkennung 21 die Ausgabe eines Triggersignals 22 an den Asymmetrie-Kompensator 19 zur Neuberechnung des Korrekturfaktors Kcos sowie die Ausgabe eines RESET-Signals 23 an den Min/Max-Beobachter 16.
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5 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Asymmetrie-Kompensation eines Positionsgebers in einem elektromechanischen Lenksystem. In Schritt 100 werden ein Sinus-Signal und ein Cosinus-Signal des Positionsgebers erfasst. Der Positionsgeber kann als Resolver ausgestaltet sein. In Schritt 200 werden das Sinus-Signal und das Cosinus-Signal um einen jeweiligen Offsetwert bereinigt. In Schritt 300 wird das Sinus-Signal auf einem ersten amplitudenabhängigen Wert des Cosinus-Signals und in Schritt 400 das Cosinus-Signal auf einen ersten amplitudenabhängigen Wert des Sinus-Signals normiert. In Schritt 500 werden die normierten und um einen jeweiligen Offset bereinigten Signale zu einem digitalisierten Winkelsignal umgewandelt, welches in Schritt 600 in einem 16-Bit-Fixed-Point-Format abgespeichert wird. In Schritt 700 wird eine volle elektrische Umdrehung des Positionsgebers erkannt, im Ansprechen worauf in Schritt 800 ein aktualisierter amplitudenabhängiger Wert des Sinus-Signals und ein aktualisierter amplitudenabhängiger Wert des Cosinus-Signals ermittelt werden. In den Schritten 900 und 1000 werden die aktuellen Ausgangssignale des Sinus-Signalgebers beziehungsweise des Cosinus-Signalgebers Offset-bereinigt auf die aktualisierten amplitudenabhängigen Werte (kanalspezifisch) normiert, um gegebenenfalls geänderten Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen. Die kleinste Periode für die Durchführung der Kalibrierung entspricht einer vollständigen elektrischen Umdrehung. Mit dieser Periode findet die Kalibrierung so oft statt, wie es technisch maximal möglich ist. Damit wird ein bestmöglicher Beitrag zur Qualität der Drehwinkelinformation geleistet. Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Resolver
- 3
- Maximalwert des Sinus-Signals
- 4
- Minimalwert des Sinus-Signals
- 5
- Minimalwert des Cosinus-Signals
- 6
- Maximalwert des Cosinus-Signals
- 7
- Lenksäule
- 8
- Lenkgetriebe
- 9
- Zahnstange
- 10
- PKW
- 11
- Vorderräder
- 12
- Endstufe
- 13
- Elektromotor
- 14
- elektronisches Steuergerät
- 15
- Signalleitung
- 16
- Min/Max-Beobachter
- 17
- Addierer
- 18
- Verzögerungsglied
- 19
- Asymmetrie-Kompensator
- 20
- Korrekturgliedermittler
- 21
- Umdrehungserkennung
- 22
- Triggersignal
- 23
- RESET-Signal
- 24
- Umdrehungszähler
- 25
- Auswerteeinheit
- 26
- Schiebeoperator
- 27
- Tabelle
- 28
- Ausgangssignal der Tabelle
- 29
- Sinus-Signalgeber
- 30
- Cosinus-Signalgeber
- 31
- Datenspeicher
- 32
- Rotor
- 33
- Multiplizierer
- 100 bis 1000
- Verfahrensschritte
- Kcos
- Korrekturfaktor für Cosinus-Signal
- φ
- Drehwinkel des Rotors des Positionsgebers
