DE10260862A1

DE10260862A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems

Info

Publication number: DE10260862A1
Application number: DE2002160862
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-15

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Korrektur einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung (1) vorgeschlagen, bei der sinus- und kosinusförmige Messsignale (S¶1,i¶, S¶2,i¶) ausgewertet werden, die durch Abtasten eines bewegten Messobjekts gewonnen worden sind. Die Winkel- oder Phasenfehler der Messsignale werden dadurch korrigiert, dass aus einer Mehrzahl (N) von Messsignalen (S¶1,i¶, S¶2,i¶) Konstanten (r, k) zur Abschätzung und Korrektur des Winkel- oder des Phasenfehlers (deltaPHI) und/oder der Amplitude (A) der Messsignale (S¶1,i¶, S¶2,i¶) hergeleitet werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es sind an sich bereits Sensorsysteme für einen zu messenden Winkel bei einem rotierenden Messobjekt oder einem zu messenden Abstand bei einem sich linear bewegenden Messobjekt bekannt, bei denen die zu gewinnende Information durch ein Paar von sinus- und kosinusförmigen Messsignalen repräsentiert wird. Die Information liegt dabei in der Regel in der Amplitude und/oder in der Phase dieser Messsignale. Hierbei treten in den Messsignalen oft Winkel- oder Phasenfehler auf, die durch Fertigungstoleranzen oder sonstige schaltungstechnischen Besonderheiten in der Sensoranordnung bedingt sind.
Beispielsweise ist aus der DE 41 02 655 A1 ein induktiver Abstandssensor bekannt, bei dem zur Korrektur schaltungstechnisch bedingter Messfehler ein Referenzsensor ange ordnet ist, dessen Referenzsignal zur Fehlerkompensation, insbesondere aufgrund einer nicht ausreichend konstanten Spannungsversorgung der Messschaltungsanordnung, herangezogen wird.
Vorteile der Erfindung
Mit dem eingangs erwähnten gattungsgemäßen Verfahren zur Korrektur eines winkel- und/oder abstandsmessenden Sensorsystems, bei dem sinus- und kosinusförmige Messsignale ausgewertet werden, die durch Abtasten eines bewegten Messobjekts gewonnen worden sind und dabei Winkel- oder Phasenfehler der Messsignale korrigiert werden, wird in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass aus einer Mehrzahl von Messsignalen mindestens eine Konstante zur Abschätzung des Winkel- oder des Phasenfehlers und/oder der Amplitude der Messsignale hergeleitet wird.
Herkömmliche berührungslos winkelmessende Sensoren sind beispielsweise auf einer sogen. AMR- oder GMR-Basis (AMR = Anisotrope Magneto Resistance oder GMR = Giant Magneto Resistance aufgebaut; Abstandsmessende Systeme sind vorzugsweise auf einer Lidar- oder Radarbasis konstruiert. Bei den AMR- und GMR-Sensoren wird der Winkel eines Magnetfelds relativ zur Sensoroberfläche gemessen. Dadurch lassen sich auf einfache Weise berührungslose Winkelsensoren realisieren. Wenn der Magnetfeldwinkel mit Φ bezeichnet wird, so erhält man am Sensorausgang im Idealfall folgende Signale:
beim AMR-Sensor S₁=A*cos (2*Φ) und S₂=A*sin (2*Φ) bzw.
beim GMR Sensor S₁=A*cos (Φ) und S₂=A*sin (Φ), wobei A die Signalamplitude darstellt.
Bei Radar- oder Lidarsensoren (Laser-Radar) wird dabei ein Signal mit einer Frequenz f_o ausgesendet und an einem Ziel im Abstand d reflektiert. Am Empfänger lässt sich dann das um die Zeit dt=2*d/c (c Lichtgeschwindigkeit) verzögerte Sendesignal beobachten. Dies wirkt sich in einer Phasenverschiebung Φ = -2π*f_o*2*d/c aus. Wird das Sendesignal mit dem Empfangssignal multipliziert und werden dann hochfrequente Anteile entfernt, so erhält man ein erstes Signal S₁ (S₁=A*cos(Φ)). Wird das Sendesignal um 90° durch einen Phasenschieber gedreht und wiederum das Empfangssignal damit multipliziert und die hochfrequenten Anteile vom Ergebnis entfernt, so erhält man ein zweites Signal S₂ (S₂=A*sin(Φ)) analog zu den Signalen beim zuvor beschriebenen GMR-Sensor.
Hierbei sind jedoch häufig sind die beiden Signale S₁ und S₂ nicht genau um 90° zueinander phasenverschoben, nämlich S₂=A*sin(Φ+δΦ). Der Winkelfehler ist somit δΦ und kann bei den GMR- und AMR-Sensoren durch Fertigungs-Toleranzen verursacht sein. Bei Radar- und Lidarsystemen ist häufig der erwähnte 90°-Phasenschieber toleranzbehaftet. Wird der Phasenfehler nicht korrigiert, so sind Messungen des Winkels bzw. der Entfernung ungenau. Gemäß der Erfindung wird nun in vorteilhafter Weise aus einer Anzahl N von Messsignalen S_1,i und S_2,i, mit i = 1...N, eines der zuvor erwähnten Messsysteme (z.B. AMR, GMR, Radar, Lidar) der Phasenfehler δΦ und optional die Amplitude A mit den in den Ansprüchen 2 bis 5 einzelnen angegebenen Rechenschritten näherungsweise ermittelt. Ist der Phasenfehler δΦ nunmehr bekannt, so lassen sich seine Auswirkungen auf die Messgröße rechnerisch beseitigen.
Der Hintergrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass für ideale Messsignale S_1,i=A*cos(Φ_i) und S_2,i=A*sin(Φ_i+δΦ), mit den im Anspruch 2 angegebenen Defi nitionen für die Größen M_i und T_i, die folgende Beziehung für einen Fehler e gilt: ei = Mi + r*Ti – k = 0
Sind die Messwerte S_1,i und S_2,i von einem Rauschen und sonstigen Störungen überlagert, so gilt das rechte Gleichheitszeichen hier nur näherungsweise. Die Konstanten r und k hängen folgendermaßen von A und δΦ ab: r = –2 * sin(δΦ) k = A2 * cos (δΦ)2
Bildet man dann die Summe E der Fehlerquadrate e_i
und berechnet das Minimum von E bezüglich der Konstanten r und k, so ergeben sich die in den zuvor erwähnten Patentansprüchen angegebenen Lösungen für die Konstanten r und k.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Verfahrens weist in vorteilhafter zum Beispiel am Ausgang des Sensorsystems an denen die analogen Messsignale anliegen, jeweils Analog/Digital-Wandler zur Erzeugung digitaler Messsignale auf. Weiterhin ist eine Korrektureinrichtung zur Korrektur der digitalen Messsignale und ein Berechnungsbaustein zur Berechnung der Konstanten r und k aus den Messsignalen vorhanden, wobei die erste Konstante r auf einen Eingang der Korrektureinrichtung zur Berechnung des korrigierten Messsignals geführt ist.
Weiterhin kann an einem weiteren Ausgang des Berechnungsbausteins die Konstante k zur Berechnung der Amplitude der Messsignale anliegen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer solchen Schaltungsanordnung zur Korrektur der Ausgangssignale eines erfindungsgemäßen Sensorsystems,
2 ein Diagramm der unkorrigierten Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale des Sensorsystems nach der 1 und
3 ein Diagramm der korrigierten Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale des Sensorsystems nach der 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist in ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung dargestellt, mit der die von einem Sensorsystem 1 zur Winkel- oder Abstandsmessung gelieferten Sinus- und Cosinus-Signale, z.B. mit einem in der Beschreibungseinleitung erwähnten AMR- oder GMR-Sensor bzw. mit einem Radar- oder Lidar-System, zur Fehlerkorrektur in Analog-Digital-Wandlern 2 und 3 digitalisiert und weiterverarbeitet werden. Falls die Messsignale einen Offset bein halten, so sollte dieser in an sich bekannter Weise vorher entfernt werden.
In 2 sind die digitalisierten Messwerte S₁ und S₂, beispielsweise bei einem AMR-Sensor als S₁=A*cos(2*Φ) und S₂=A*sin(2*Φ+δΦ) für eine Anzahl N Messungen, z.B. N=400, mit den jeweiligen Messsignalen S_1,i und S_2,i (i = 1....N) in einer S₁/S₂-Ebene dargestellt, wobei hieraus ersichtlich ist, dass sich aufgrund eines Winkelfehlers eine ovale Kontur der Messsignale einstellt.
Die Messsignale S₁ und S₂ werden nun anhand der in der 1 gezeigten Schaltungsanordnung jeweils einer Korrektureinrichtung 4 und einem Berechnungsbaustein 5 zugeführt. Am Ausgang des Berechnungsbausteins 5 steht eine Konstante r als Korrekturgröße für die Korrektureinrichtung 4, zur Berechnung korrigierter Messsignale S_1,i und Sk_2,i, und eine Konstante k zur Korrektur der Amplitude A der Messsignale an. Der Wert für r kann dabei z.B. auch als Konstante einmalig offline aus einem Eichdatensatz gewonnen werden. Im Folgenden wird jedoch beschrieben, wie der Wert für r laufend online aus den letzten N aktuellen Messsignalen als Datensatz neu berechnet wird.
Die Konstanten r und k werden gemäß des Ausführungsbeispiels so ermittelt, dass zunächst die Quadratsumme M_i der Messsignale Mi = S2 1,i + S2 2,i (1)und das Produkt Ti = S1,i*S2,i (2)ermittelt wird.
Aus diesen Größen M_i und T_i werden nun Summenwerte Sm, St, Smt und Stq sowie eine Determinante D wie folgt ermittelt:
D=N*Stq–St2 (7).
Aus diesen Größen werden dann im Berechnungsbaustein 5 die Konstanten wie folgt ermittelt:
In der Korrektureinrichtung 4 wird dann beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel aus den jeweiligen Messsignalen S₁ und S₂ unter Einbeziehung der Konstanten r und k jeweils ein korrigiertes Messsignal nach der Beziehung
Die Amplituden A der Messsignale S₁ und S₂ können dann noch nach der Beziehung
In 3 sind nunmehr analog zur Darstellung nach der 2 die korrigierten Messsignale in einer S₁/Sk₂-Ebene dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die so korrigierte Messsignale einen Kreis bilden.

Claims

Verfahren zur Korrektur einer winkel- und/oder abstandsmessenden Sensoranordnung (1), bei der – sinus- und kosinusförmige Messsignale (S_1,i, S_2,i) ausgewertet werden, die durch Abtasten eines bewegten Messobjekts gewonnen worden sind und bei dem – Winkel- oder Phasenfehler der Messsignale korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass – aus einer Mehrzahl (N) von Messsignalen (S_1,i, S_2,i) mindestens eine Konstante (r, k) zur näherungsweisen Ermittlung des Winkel- oder des Phasenfehlers (6Φ) und/oder der Amplitude (A) der Messsignale (S_1,i, S_2,i) hergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Wert für die Konstanten (r, k) einmalig offline aus einem Eichdatensatz gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einer Mehrzahl (N, i = 1...N) Messungen aus den jeweiligen Messsignalen (S_1,i, S_2,i) die Quadratsumme Mi = S2 1,i + S2 2,i (1) und – das Produkt Ti = S1,i * S2,i (2), – ermittelt werden und dass – aus diesen Größen (M_i,T_i) Summenwerte (Sm,St,Smt,Stq) und eine Determinante (D) zur Berechnung der Konstanten (r,k) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Summenwerte und die Determinante (Sm,St,Smt,Stq,D) wie folgt berechnet werden:
– D=N*Stq–St2 (7) – und dass aus diesen Größen die Konstanten (r,k) wie folgt ermittelt werden:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – aus den jeweiligen Messsignalen (S_1,i, S_2,i) und den Konstanten (r,k) jeweils ein korrigiertes Messsignal nach der Beziehung
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – aus den Konstanten (r,k) die Amplituden der Messsignale nach der Beziehung
Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – am Ausgang des Sensorsystems (1) an denen die analogen Messsignale (A* cos(Φ),A*sin(Φ+δΦ)) anliegen, jeweils Analog-/Digital-Wandler (2, 3) zur Erzeugung digitaler Messsignale (S_1,i, S_2,i) angeschaltet sind, dass – eine Korrektureinrichtung (4) zur Korrektur der digitalen Messsignale (S_1,i, S_2,i) vorhanden ist und dass – ein Berechnungsbaustein (5) zur Berechnung der Konstanten (r,k) aus den Messsignalen (S_1,i, S_2,i) vorhanden ist, wobei die erste Konstante (r) auf einen Korrektureingang der Korrektureinrichtung (4) zur Berechnung des korrigierten Messsignals (Sk_2,i) geführt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – an einem weiteren Ausgang des Berechnungsbausteins (5) die Konstante (k) zur Berechnung der Amplitude (A) der Messsignale (A*cos(Φ),A*sin(Φ+δΦ)) anliegt.