EP1585941A1 - Reconstruction of an angle signal from the signal of a sensor for angles of rotation - Google Patents

Reconstruction of an angle signal from the signal of a sensor for angles of rotation

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EP1585941A1
EP1585941A1 EP03797956A EP03797956A EP1585941A1 EP 1585941 A1 EP1585941 A1 EP 1585941A1 EP 03797956 A EP03797956 A EP 03797956A EP 03797956 A EP03797956 A EP 03797956A EP 1585941 A1 EP1585941 A1 EP 1585941A1
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EP
European Patent Office
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signal
sensor
angle
segment
rotation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03797956A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hilko Hakvoort
Arie-Govert Aanen
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1585941A1 publication Critical patent/EP1585941A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the invention relates to a method for the reconstruction of an angle signal from the sensor signal of a rotation angle sensor according to the preamble of claim 1 and a corresponding rotation angle sensor arrangement according to the preamble of claim 6.
  • Rotation angle sensors are used in a variety of applications to measure the angular positions of rotating objects. Magnetic or optical sensors are usually used, with which a contactless measurement is possible. An application from the automotive sector is e.g. the determination of the steering wheel or steering angle of a motor vehicle.
  • the measuring arrangement shown comprises a sensor 2 arranged at one end of the axis 1 with an evaluation unit 4 connected to it, the sensor 2 interacting with a transmitter 3 arranged in a stationary manner.
  • the encoder 3 comprises a permanent magnet, which in the sensor 2 e.g. induced a voltage. Hall sensors, magnetoresistive sensors (MR sensors), magnetotransistors, etc. can be used as the sensor element.
  • a typical rotation angle sensor as is often used for the detection of the steering wheel angle in a motor vehicle, has, for example, the characteristic curve shown in FIG. 2a.
  • the sensor signal s of the sensor 2 comprises the entire measuring range (for example between -800 ° and + 800 ° steering wheel lock L ), so that the actual steering wheel angle L is output at the output of sensor 2 or evaluation unit 4.
  • the sensor signal 7 is shown in steps in FIG. 2b because it is a digitized signal 7 in this example.
  • the sensor signal 7 can be from other systems 4 arranged in the vehicle, such as e.g. processed by a vehicle dynamics control system (e.g. ESP: Electronic Stability Program).
  • ESP vehicle dynamics control system
  • Such a sensor can be realized, for example, from several MR sensor elements.
  • the measuring range of the rotation angle sensor comprises only a partial range (from -p to + p) of a total measuring range for a rotation angle ⁇ L.
  • the characteristic curve 5 of the sensor is repeated periodically for angles ⁇ L which go beyond the partial measuring range (for example between -120 ° and + 120 °). Between the individual periods of the characteristic curve 5, which can also be referred to as segments S, the characteristic curve 5 shows one in each case Characteristic jump 8. If the partial measuring range of the rotation angle sensor includes, for example, angles between -120 ° and + 120 °, rotation angles ⁇ L which are in this range are clearly displayed. At an angle of rotation of 121 °, on the other hand, the angle of rotation sensor supplies an output signal ⁇ s which corresponds to an angle of rotation of -119 °.
  • a rotary movement of an axis, as shown in FIG. 3b with the reference number 6, will therefore lead to the sensor signal 7.
  • Such a sensor signal 7 cannot be sent directly from a downstream device 4, e.g. a vehicle dynamics control system, because the sensor signal 7 is not unique.
  • the essential idea of the invention is to monitor the sensor signal of the rotation angle sensor and to determine positive or negative signal jumps in the sensor signal. If a signal jump is detected, a segment value is generated, which indicates in which segment of the sensor characteristic curve the currently measured angle of rotation has been since the sensor was initialized. An evaluation unit can determine the actual total angle of rotation (since the sensor was initialized) in a simple manner from the segment value and the sensor signal, and thus an unambiguous angle signal reconstruct. A particularly simple and therefore inexpensive rotation angle sensor can thus be used.
  • the positive and negative signal jumps in the sensor signal are determined by threshold value monitoring of the rate of change of the sensor signal. That is, a signal jump is assumed when the rate of change of the sensor signal exceeds a predetermined threshold. Whether the signal jump is positive (from smaller values to larger values) or a negative (from larger values to smaller values) can be determined in a simple manner by comparing the angle values supplied by the angle of rotation sensor.
  • SN a predefined segment value
  • the segment counter is preferably incremented by 1 when there is a negative signal jump and decremented by 1 when there is a positive signal jump.
  • the evaluation unit can easily reconstruct the actual angle signal from the current sensor signal in conjunction with the associated segment value.
  • the processing unit preferably adds an angle to the sensor signal, which is a function of the segment value. For example, an angle SN * ⁇ (S) is added to the sensor signal, where SN is the segment value and (S) is an angle corresponding to the segment size.
  • a rotation angle sensor arrangement comprises a rotation angle sensor which has a periodic characteristic curve with a plurality of segments, between which jumps in the characteristic curve occur, as well as a processing unit which is able to reconstruct from the sensor signal and a segment value an angle signal which clearly reproduces the actual rotary movement of a device since the initialization of the rotary angle sensor, the processing unit operating as described above.
  • FIG. 1 shows an example of a measuring arrangement for measuring an angle of rotation of a rotating axis
  • FIG. 2b shows the sensor signal of the rotation angle sensor from FIG. 2a
  • 3a shows the sensor characteristic of a known rotation angle sensor with a periodic characteristic
  • FIG. 3b shows the sensor output signal of the sensor from FIG. 3a
  • 4a shows a sensor signal of a rotation angle sensor with a periodic characteristic
  • FIG. 4b shows the counter reading of a segment counter when the signal from FIG. 4a is present
  • FIG. 5 shows a flowchart to illustrate the essential method steps in the reconstruction of an angle signal from a sensor signal.
  • FIG. 4a shows a sensor signal 7 of a rotation angle sensor 2 with a periodic characteristic curve, as is shown by way of example in FIG. 3a.
  • the signal jumps ad in the sensor signal 7 result from the fact that the actual angle of rotation ⁇ L of the shaft 1 extends beyond the partial measuring range limits -p, + p of the angle of rotation sensor 2. This is explained in more detail below using an illustrative example.
  • the sensor output signal jumps back a to the sensor output value of the next segment S1.
  • the actual angle of rotation ⁇ L of the axis 1 is in the time period tl to t2, that is to say in segment 1 of the sensor characteristic curve of FIG. 3a.
  • the angle of rotation ⁇ L again falls below the segment boundary between the segments SO and S1.
  • the sensor signal thus jumps to the end value of the segment SO at time t2 (FIG. 4a).
  • This positive signal jump is identified by the reference symbol b.
  • the actual angle of rotation is therefore in the segment SO. If the axis is turned back further, the angle of rotation then falls below the lower segment limit -p of the segment SO and the sensor signal 1 jumps to the end value of the segment S_ ⁇ with a positive signal jump c (see characteristic curve of FIG. 3a). The actual angle of rotation ⁇ L is thus in the segment S_ ⁇ .
  • axis 1 is in the zero position, that is to say in segment SO, when the angle of rotation sensor 2 is initialized. If, on the other hand, axis 1 is in an angular position outside the segment SO, it must Angle signal 2 can still be corrected by this deviation.
  • the offset present when the angle of rotation sensor 2 is initialized can be taken into account, for example, by storing the axis position when sensor 2 is switched off (provided axis 1 is not moved when the sensor is switched off).
  • sensor 2 is initialized e.g. when switching on the ignition and switching off sensor 2 when switching off the ignition. Since the steering wheel is usually blocked in the park position when the ignition is switched off, the angular position of the steering wheel when the ignition is switched on again corresponds to the position of the steering wheel when it was previously switched off.
  • FIG. 5 shows the essential method steps of a method for the reconstruction of an angle signal 9 from the sensor signal 7 of a rotation angle sensor 2, which has a periodic characteristic curve 3 with a plurality of segments S, between which characteristic curve jumps 8 occur.
  • the sensor signal 7 is read in a first step 15 and positive and negative signal jumps ad of the sensor signal 7 are recorded in step 16.
  • a segment value SN is generated, which indicates in which segment S of the sensor characteristic curve 3 the currently measured angle of rotation ⁇ L lies.
  • the evaluation unit 4 can determine the total angle of rotation from the sensor signal 7 and the segment value SN since the sensor 2 was initialized. For this purpose, the evaluation unit 4 adds an angle to the sensor signal, for example 7, which is a function of the segment value SN and the segment width.

Abstract

The invention relates to a method for reconstructing an angle signal (9) from a signal (7) of a sensor for angles of rotation. Said sensor comprises a periodic characteristic which encompasses several segments (S) and in which points of discontinuity (8) occur. In order to reconstruct the angle signal (9), positive and negative jumps (a-d) of the sensor signal (7) are determined and a segment number (SN) is generated if a positive or negative signal jump (a-d) is detected. An evaluation unit (4) is able to reconstruct the angle signal (9) based on the segment number (SN) and the sensor signal (7).

Description

Beschreibungdescription
Rekonstruktion eines Winkelsignals aus dem Sensorsignal eines DrehwinkelsensorsReconstruction of an angle signal from the sensor signal of a rotation angle sensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Winkelsignals aus dem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende DrehwinkelSensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.The invention relates to a method for the reconstruction of an angle signal from the sensor signal of a rotation angle sensor according to the preamble of claim 1 and a corresponding rotation angle sensor arrangement according to the preamble of claim 6.
DrehwinkelSensoren werden in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt, um Winkelstellungen von drehenden Gegenständen zu messen. Üblicherweise werden magnetische oder optische Sensoren verwendet, mit denen eine berührungslose Messung möglich ist. Eine Applikation aus dem Automobilbereich ist z.B. die Ermittlung des Lenkrad- oder Lenkwinkels eines Kfz.Rotation angle sensors are used in a variety of applications to measure the angular positions of rotating objects. Magnetic or optical sensors are usually used, with which a contactless measurement is possible. An application from the automotive sector is e.g. the determination of the steering wheel or steering angle of a motor vehicle.
Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung zur Messung des Drehwinkels einer rotierenden Achse 1, die in Richtung des Pfeils A gedreht werden kann. Die dargestellte Meßanordnung umfaßt einen an einem Ende der Achse 1 angeordneten Sensor 2 mit einer daran angeschlossenen Auswerteeinheit 4, wobei der Sensor 2 mit einem stationär angeordneten Geber 3 zusammenwirkt. Der Geber 3 umfasst in diesem Fall einen Dauermagneten, der im Sensor 2 z.B. eine Spannung induziert. Als Sensorelement können beispielsweise Hall-Sensoren, magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) , Magnetotransistoren, etc. verwendet werden.1 shows a measuring arrangement known from the prior art for measuring the angle of rotation of a rotating axis 1, which can be rotated in the direction of arrow A. The measuring arrangement shown comprises a sensor 2 arranged at one end of the axis 1 with an evaluation unit 4 connected to it, the sensor 2 interacting with a transmitter 3 arranged in a stationary manner. In this case, the encoder 3 comprises a permanent magnet, which in the sensor 2 e.g. induced a voltage. Hall sensors, magnetoresistive sensors (MR sensors), magnetotransistors, etc. can be used as the sensor element.
Ein typischer Drehwinkelsensor, wie er vielfach für die Erfassung des Lenkradwinkels in einem Kfz verwendet wird, hat beispielsweise die in Fig. 2a dargestellte Kennlinie. Wie zu erkennen ist, umfaßt das Sensorsignal s des Sensors 2 den gesamten Meßbereich (z.B. zwischen -800° und +800° Lenkradeinschlag L) , so dass am Ausgang des Sensors 2 bzw. der Auswerteeinheit 4 der tatsächliche Lenkradwinkel L ausgegeben wird. Eine Lenkbewegung, wie sie in Fig. 2b mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt ist, bei der das Lenkrad aus der Nullstellung (o.Tj=0°) bis zum Anschlag nach rechts (z.B. L=800°) eingeschlagen und von dort bis zur Nullstellung zurückgedreht wird, wird daher vom Sensor 2 eindeutig abgebildet. Das Sensorsignal 7 ist in der Fig. 2b deswegen stufenartig dargestellt, weil es sich in diesem Beispiel um ein digitalisiertes Signal 7 handelt.A typical rotation angle sensor, as is often used for the detection of the steering wheel angle in a motor vehicle, has, for example, the characteristic curve shown in FIG. 2a. As can be seen, the sensor signal s of the sensor 2 comprises the entire measuring range (for example between -800 ° and + 800 ° steering wheel lock L ), so that the actual steering wheel angle L is output at the output of sensor 2 or evaluation unit 4. A steering movement, as shown in Fig. 2b with the reference numeral 6, in which the steering wheel is turned from the zero position (or Tj = 0 °) to the right (eg L = 800 °) and from there to the zero position is turned back, is therefore clearly mapped by sensor 2. The sensor signal 7 is shown in steps in FIG. 2b because it is a digitized signal 7 in this example.
Das Sensorsignal 7 kann von weiteren im Fahrzeug angeordneten Systemen 4, wie z.B. von einem Fahrdynamikregelungssystem (z.B. ESP: Electronic Stability Program) weiterverarbeitet werden .The sensor signal 7 can be from other systems 4 arranged in the vehicle, such as e.g. processed by a vehicle dynamics control system (e.g. ESP: Electronic Stability Program).
Sensoren 2 mit einer über einen großen Messbereich linearen Kennlinie haben den Nachteil, dass sie relativ aufwendig konstruiert und somit teuer sind.Sensors 2 with a linear characteristic curve over a large measuring range have the disadvantage that they are constructed in a relatively complex manner and are therefore expensive.
Es ist daher wünschenswert, andere, einfacher aufgebaute Standard-Sensoren zur Winkelmessung zu verwenden, die insbesondere keine Mittel zur Zählung von vollen Umdrehungen und keine Drehrichtungserkennung benötigen. Ein solcher Sensor kann beispielsweise aus mehreren MR-Sensorelementen realisiert sein.It is therefore desirable to use other, more simply constructed standard sensors for angle measurement, which in particular require no means for counting full revolutions and no detection of the direction of rotation. Such a sensor can be realized, for example, from several MR sensor elements.
Die Sensorkennlinie eines solchen Drehwinkelsensors ist beispielhaft in Fig. 3a dargestellt. Wie zu erkennen ist, umfaßt der Meßbereich des Drehwinkelsensors nur einen Teilbereich (von -p bis +p) eines Gesamtmeßbereichs für einen Drehwinkel αL. Für Winkel αL, die über den Teilmeßbereich (z.B. zwischen -120° und +120°) hinausgehen, wiederholt sich die Kennlinie 5 des Sensors periodisch. Zwischen den einzelnen Perioden der Kennlinie 5, die auch als Segmente S bezeichnet werden können, zeigt die Kennlinie 5 jeweils einen Kennliniensprung 8. Umfasst der Teilmessbereich des Drehwinkelsensors z.B. Winkel zwischen -120° und +120°, so werden Drehwinkel αL, die in diesem Bereich liegen, eindeutig angezeigt. Bei einem Drehwinkel von 121° liefert der Drehwinkelsensor dagegen ein Ausgangssignal αs, welches einem Drehwinkel von -119° entspricht.The sensor characteristic of such a rotation angle sensor is shown by way of example in FIG. 3a. As can be seen, the measuring range of the rotation angle sensor comprises only a partial range (from -p to + p) of a total measuring range for a rotation angle α L. The characteristic curve 5 of the sensor is repeated periodically for angles α L which go beyond the partial measuring range (for example between -120 ° and + 120 °). Between the individual periods of the characteristic curve 5, which can also be referred to as segments S, the characteristic curve 5 shows one in each case Characteristic jump 8. If the partial measuring range of the rotation angle sensor includes, for example, angles between -120 ° and + 120 °, rotation angles α L which are in this range are clearly displayed. At an angle of rotation of 121 °, on the other hand, the angle of rotation sensor supplies an output signal α s which corresponds to an angle of rotation of -119 °.
Eine Drehbewegung einer Achse, wie sie in Fig. 3b mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt ist, wird daher zu dem Sensorsignal 7 führen. Ein solches Sensorsignal 7 kann nicht unmittelbar von einer nachgeordneten Einrichtung 4, wie z.B. einem Fahrdynamikregelungssystem, verarbeitet werden, da das Sensorsignal 7 nicht eindeutig ist.A rotary movement of an axis, as shown in FIG. 3b with the reference number 6, will therefore lead to the sensor signal 7. Such a sensor signal 7 cannot be sent directly from a downstream device 4, e.g. a vehicle dynamics control system, because the sensor signal 7 is not unique.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, aus einem Sensorsignal eines Drehwinkelsensors, der eine periodische Kennlinie mit mehreren Segmenten aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten, ein Winkelsignal zu rekonstruieren, das den tatsächlichen Drehwinkel eines Gegenstandes seit Initialisierung des Sensors eindeutig wiedergibt .It is therefore the object of the present invention to reconstruct an angle signal from a sensor signal of a rotation angle sensor that has a periodic characteristic curve with a plurality of segments between which characteristic line jumps occur, which clearly reproduces the actual angle of rotation of an object since the sensor was initialized.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 und 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen .This object is achieved according to the invention by the features specified in claims 1 and 6. Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, das Sensorsignal des Drehwinkelsensors zu überwachen und positive oder negative Signalsprünge im Sensorsignal zu ermitteln. Bei Feststellung eines Signalsprungs wird ein Segmentwert erzeugt, der angibt, in welchem Segment der Sensorkennlinie der aktuell gemessene Drehwinkel seit Initialisierung des Sensors liegt. Aus dem Segmentwert und dem Sensorsignal kann eine Auswerteeinheit den tatsächlichen Gesamt-Drehwinkel (seit Initialisierung des Sensors) in einfacher Weise ermitteln und somit ein eindeutiges Winkelsignal rekonstruieren. Somit kann ein besonders einfach aufgebauter und damit kostengünstiger Drehwinkelsensor benutzt werden.The essential idea of the invention is to monitor the sensor signal of the rotation angle sensor and to determine positive or negative signal jumps in the sensor signal. If a signal jump is detected, a segment value is generated, which indicates in which segment of the sensor characteristic curve the currently measured angle of rotation has been since the sensor was initialized. An evaluation unit can determine the actual total angle of rotation (since the sensor was initialized) in a simple manner from the segment value and the sensor signal, and thus an unambiguous angle signal reconstruct. A particularly simple and therefore inexpensive rotation angle sensor can thus be used.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die positiven und negativen Signalsprünge im Sensorsignal durch Schwellenwertüberwachung der Änderungsrate des Sensorsignals ermittelt. D.h., es wird ein Signalsprung angenommen, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Ob es sich um einen positiven (von kleineren Werten zu größeren Werten) oder einen negativen (von größeren Werten zu kleineren Werten) Signalsprung handelt, kann durch Vergleich der vom Drehwinkelsensor gelieferten Winkelwerte in einfacher Weise ermittelt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the positive and negative signal jumps in the sensor signal are determined by threshold value monitoring of the rate of change of the sensor signal. That is, a signal jump is assumed when the rate of change of the sensor signal exceeds a predetermined threshold. Whether the signal jump is positive (from smaller values to larger values) or a negative (from larger values to smaller values) can be determined in a simple manner by comparing the angle values supplied by the angle of rotation sensor.
Vorzugsweise ist ein Segmentzähler vorgesehen, der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors einen vorgegebenen Segmentwert SN (z.B. SN=0) enthält und der bei Vorliegen eines positiven oder negativen Signalsprungs z.B. inkrementiert oder dekrementiert wird. Bei einer Sensorkennlinie, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist, wird der Segmentzähler bei Vorliegen eines negativen Signalsprungs vorzugsweise um 1 inkrementiert und bei Vorliegen eines positiven Signalsprungs um 1 dekrementiert.A segment counter is preferably provided which contains a predefined segment value SN (e.g. SN = 0) when the angle of rotation sensor is initialized and which, e.g. if there is a positive or negative signal jump, e.g. is incremented or decremented. In the case of a sensor characteristic curve, as shown in FIG. 3a, the segment counter is preferably incremented by 1 when there is a negative signal jump and decremented by 1 when there is a positive signal jump.
Die Auswerteeinheit kann aus dem aktuellen Sensorsignal in Verbindung mit dem zugehörigen Segmentwert in einfacher Weise das tatsächliche Winkelsignal rekonstruieren. Hierzu addiert die Verarbeitungseinheit vorzugsweise einen Winkel zum Sensorsignal, der eine Funktion des Segmentwertes ist. Beispielsweise wird ein Winkel SN*α(S) zum Sensorsignal hinzuaddiert, wobei SN der Segmentwert und (S) ein der Segmentgröße entsprechender Winkel ist.The evaluation unit can easily reconstruct the actual angle signal from the current sensor signal in conjunction with the associated segment value. For this purpose, the processing unit preferably adds an angle to the sensor signal, which is a function of the segment value. For example, an angle SN * α (S) is added to the sensor signal, where SN is the segment value and (S) is an angle corresponding to the segment size.
Eine erfindungsgemäße Drehwinkelsensoranordnung umfaßt einen Drehwinkelsensor, der eine periodische Kennlinie mit mehreren Segmenten aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge auftreten, sowie eine Verarbeitungseinheit die in der Lage ist, aus dem Sensorsignal und einem Segmentwert ein Winkelsignal zu rekonstruieren, das die tatsächliche Drehbewegung einer Vorrichtung seit Initialisierung des Drehwinkelsensors eindeutig wiedergibt, wobei die Verarbeitungseinheit wie vorstehend beschrieben arbeitet.A rotation angle sensor arrangement according to the invention comprises a rotation angle sensor which has a periodic characteristic curve with a plurality of segments, between which jumps in the characteristic curve occur, as well as a processing unit which is able to reconstruct from the sensor signal and a segment value an angle signal which clearly reproduces the actual rotary movement of a device since the initialization of the rotary angle sensor, the processing unit operating as described above.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein Beispiel einer Meßanordnung zur Messung eines Drehwinkels einer rotierenden Achse;1 shows an example of a measuring arrangement for measuring an angle of rotation of a rotating axis;
Fig. 2a die Kennlinie eines aus dem Stand der Technik bekannten Drehwinkelsensors;2a shows the characteristic curve of a rotation angle sensor known from the prior art;
Fig. 2b das Sensorsignal des Drehwinkelsensors von Fig. 2a;FIG. 2b shows the sensor signal of the rotation angle sensor from FIG. 2a;
Fig. 3a die Sensorkennlinie eines bekannten Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie;3a shows the sensor characteristic of a known rotation angle sensor with a periodic characteristic;
Fig. 3b das Sensorausgangssignal des Sensors von 3a;3b shows the sensor output signal of the sensor from FIG. 3a;
Fig. 4a ein Sensorsignal eines Drehwinkelsensors mit periodischer Kennlinie;4a shows a sensor signal of a rotation angle sensor with a periodic characteristic;
Fig. 4b den Zählerstand eines Segmentzählers bei Vorliegen des Signals von Fig. 4a;4b shows the counter reading of a segment counter when the signal from FIG. 4a is present;
Fig. 4c das rekonstruierte Winkelsignal; und4c the reconstructed angle signal; and
Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte bei der Rekonstruktion eines Winkelsignals aus einem Sensorsignal .5 shows a flowchart to illustrate the essential method steps in the reconstruction of an angle signal from a sensor signal.
Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen . Fig. 4a zeigt ein Sensorsignal 7 eines Drehwinkelsensors 2 mit einer periodischen Kennlinie, wie sie in Fig. 3a beispielhaft dargestellt ist. Die Signalsprünge a-d im Sensorsignal 7 ergeben sich dadurch, dass der tatsächliche Drehwinkel αL der Welle 1 über die Teilmessbereichsgrenzen -p,+p des Drehwinkelsensors 2 hinausläuft. Dies wird im folgenden anhand eines anschaulichen Beispiels näher erläutert .With regard to the explanation of FIGS. 1 to 3, reference is made to the introduction to the description. FIG. 4a shows a sensor signal 7 of a rotation angle sensor 2 with a periodic characteristic curve, as is shown by way of example in FIG. 3a. The signal jumps ad in the sensor signal 7 result from the fact that the actual angle of rotation α L of the shaft 1 extends beyond the partial measuring range limits -p, + p of the angle of rotation sensor 2. This is explained in more detail below using an illustrative example.
Zur Bestimmung des Lenkradwinkels eines Kfz wird beispielsweise eine Anordnung verwendet, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Der Drehwinkelsensor 2 ist beispielsweise in der Lage, Drehwinkel in einem Teilmessbereich von -180° (-p) bis +180° (+p) zu messen. Dieser Teilmessbereich entspricht dem Segment SO der Sensorkennlinie von Fig. 3a. Drehwinkel, die außerhalb dieses Segments SO liegen, werden in den gleichen Messbereich abgebildet, wodurch eine eindeutige Positionsangabe nicht möglich ist. D.h., ein Winkel von +185° wird denselben Sensorausgangswert erzeugen wie ein Drehwinkel von -175°.For example, an arrangement as shown in FIG. 1 is used to determine the steering wheel angle of a motor vehicle. The rotation angle sensor 2 is for example able to measure rotation angles in a partial measuring range from -180 ° (-p) to + 180 ° (+ p). This partial measuring range corresponds to the segment SO of the sensor characteristic of FIG. 3a. Rotation angles that lie outside this segment SO are mapped in the same measuring range, which means that an unambiguous position cannot be specified. That is, an angle of + 185 ° will produce the same sensor output value as an angle of rotation of -175 °.
Läuft die Drehbewegung der Welle 1 zum Zeitpunkt tl über die Segmentgrenze +p hinaus, so vollzieht das Sensorausgangssignal einen Rücksprung a auf den Sensorausgangswert des nächsten Segments Sl . Der tatsächliche Drehwinkel αL der Achse 1 befindet sich im Zeitabschnitt tl bis t2 also im Segment 1 der Sensorkennlinie von Fig. 3a.If the rotary movement of shaft 1 at time tl extends beyond the segment limit + p, the sensor output signal jumps back a to the sensor output value of the next segment S1. The actual angle of rotation α L of the axis 1 is in the time period tl to t2, that is to say in segment 1 of the sensor characteristic curve of FIG. 3a.
Zum Zeitpunkt t2 unterschreitet der Drehwinkel αL wiederum die Segmentgrenze zwischen dem Segment SO und Sl . Das Sensorsignal springt somit zum Zeitpunkt t2 (Fig. 4a) auf den Endwert des Segments SO . Dieser positive Signalsprung ist mit dem Bezugszeichen b gekennzeichnet. Zwischen den Zeitpunkten t2,t3 befindet sich der tatsächliche Drehwinkel daher im Segment SO. Bei weiterem Zurückdrehen der Achse unterschreitet der Drehwinkel dann die untere Segmentgrenze -p des Segments SO und das Sensorsignal 1 springt mit einem positiven Signalsprung c (siehe Kennlinie von Fig. 3a) auf den Endwert des Segments S_ι. Der tatsächliche Drehwinkel αL befindet sich somit im Segment S_ι .At time t2, the angle of rotation α L again falls below the segment boundary between the segments SO and S1. The sensor signal thus jumps to the end value of the segment SO at time t2 (FIG. 4a). This positive signal jump is identified by the reference symbol b. Between the times t2, t3, the actual angle of rotation is therefore in the segment SO. If the axis is turned back further, the angle of rotation then falls below the lower segment limit -p of the segment SO and the sensor signal 1 jumps to the end value of the segment S_ι with a positive signal jump c (see characteristic curve of FIG. 3a). The actual angle of rotation α L is thus in the segment S_ι.
Wird die Drehrichtung der Achse zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 umgekehrt, und überschreitet der tatsächliche Drehwinkel zum Zeitpunkt t4 die Segmentgrenze zwischen dem Segment S_ι und dem Segment SO, so erfolgt im Sensorsignal 7 ein negativer Signalsprung d.If the direction of rotation of the axis is reversed between times t3 and t4, and if the actual angle of rotation at time t4 exceeds the segment limit between segment S_ι and segment SO, then a negative signal jump d occurs in sensor signal 7.
Das Segment, in dem sich der tatsächliche Drehwinkel (seit Initialisierung des Sensors 2) befindet, wird mit Hilfe eines Segmentwertes SN dargestellt, wie er in Fig. 4b gezeigt ist. Die Drehwinkelsensoranordnung von Fig. 1 umfaßt hierzu einen Segmentwertzähler, der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors einen vorgegebenen Wert (vorzugsweise 0) aufweist und der in Abhängigkeit davon, ob ein positiver oder ein negativer Signalsprung im Sensorsignal von Fig. 4a auftritt, entweder inkrementiert oder dekrementiert wird.The segment in which the actual angle of rotation has been (since sensor 2 was initialized) is represented with the aid of a segment value SN, as shown in FIG. 4b. For this purpose, the rotation angle sensor arrangement of FIG. 1 comprises a segment value counter which has a predetermined value (preferably 0) when the rotation angle sensor is initialized and which either increments or decrements depending on whether a positive or a negative signal jump occurs in the sensor signal of FIG. 4a becomes.
Ein Signalsprung wird von der Signalverarbeitungseinheit 4 dadurch erkannt, dass die Signaländerungsrate des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Die Verarbeitungseinheit 4 kann nun in einfacher Weise das in Fig. 4c gezeigte Winkelsignal 9 rekonstruieren. Hierzu addiert sie zum aktuellen Sensorsignal 7 jeweils das SN-fache einer Segmentbreite, z.B. SN*360°, wobei SN der Segmentwert ist.A signal jump is recognized by the signal processing unit 4 in that the signal change rate of the sensor signal exceeds a predetermined threshold value. The processing unit 4 can now easily reconstruct the angle signal 9 shown in FIG. 4c. For this purpose, it adds the SN times a segment width to the current sensor signal 7, e.g. SN * 360 °, where SN is the segment value.
Bei dem vorangegangenen Beispiel wurde davon ausgegangen, dass sich die Achse 1 bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors 2 in der Nullstellung, also im Segment SO befindet. Befindet sich die Achse 1 dagegen in einer Winkelposition außerhalb des Segments SO, so muß das Winkelsignal 2 noch um diese Abweichung korrigiert werden. Der bei der Initialisierung des Drehwinkelsensors 2 vorliegende Offset kann beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, dass die Achsstellung beim Ausschalten des Sensors 2 gespeichert wird (vorausgesetzt, die Achse 1 wird bei ausgeschaltetem Sensor nicht bewegt) .In the previous example, it was assumed that axis 1 is in the zero position, that is to say in segment SO, when the angle of rotation sensor 2 is initialized. If, on the other hand, axis 1 is in an angular position outside the segment SO, it must Angle signal 2 can still be corrected by this deviation. The offset present when the angle of rotation sensor 2 is initialized can be taken into account, for example, by storing the axis position when sensor 2 is switched off (provided axis 1 is not moved when the sensor is switched off).
Im Falle eines Lenkradwinkelsensors in einem Kfz, erfolgt die Initialisierung des Sensors 2 z.B. beim Einschalten der Zündung und das Ausschalten des Sensors 2 beim Ausschalten der Zündung. Da beim Ausschalten der Zündung das Lenkrad in Parkstellung üblicherweise blockiert ist, entspricht die Winkelstellung des Lenkrades beim erneuten Einschalten der Zündung der Position des Lenkrades beim vorhergehenden Ausschalten.In the case of a steering wheel angle sensor in a motor vehicle, sensor 2 is initialized e.g. when switching on the ignition and switching off sensor 2 when switching off the ignition. Since the steering wheel is usually blocked in the park position when the ignition is switched off, the angular position of the steering wheel when the ignition is switched on again corresponds to the position of the steering wheel when it was previously switched off.
Weitere Maßnahmen zur Erkennung eines Offsets des Drehwinkelsensors 2, wie beispielsweise die Verwendung eines zusätzlichen Sensors, sind ebenfalls denkbar.Further measures for detecting an offset of the angle of rotation sensor 2, such as the use of an additional sensor, are also conceivable.
Fig. 5 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Rekonstruktion eines Winkelsignals 9 aus dem Sensorsignal 7 eines Drehwinkelsensors 2 , der eine periodische Kennlinie 3 mit mehreren Segmenten S aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge 8 auftreten.5 shows the essential method steps of a method for the reconstruction of an angle signal 9 from the sensor signal 7 of a rotation angle sensor 2, which has a periodic characteristic curve 3 with a plurality of segments S, between which characteristic curve jumps 8 occur.
Dabei wird in einem ersten Schritt 15 das Sensorsignal 7 eingelesen und in Schritt 16 positive und negative Signalsprünge a-d des Sensorsignals 7 erfasst. Bei Feststellen eines Signalsprungs in Schritt 17 wird ein Segmentwert SN erzeugt, der angibt, in welchem Segment S der Sensorkennlinie 3 der aktuell gemessene Drehwinkel αL liegt. In Schritt 18 kann die Auswerteeinheit 4 aus dem Sensorsignal 7 und dem Segmentwert SN den Gesamt-Drehwinkel seit Initialisierung des Sensors 2 ermitteln. Hierzu addiert die Auswerteeinheit 4 beispielweise einen Winkel zu Sensorsignal 7, der eine Funktion des Segmentwertes SN und der Segmentbreite ist. The sensor signal 7 is read in a first step 15 and positive and negative signal jumps ad of the sensor signal 7 are recorded in step 16. When a signal jump is detected in step 17, a segment value SN is generated, which indicates in which segment S of the sensor characteristic curve 3 the currently measured angle of rotation α L lies. In step 18, the evaluation unit 4 can determine the total angle of rotation from the sensor signal 7 and the segment value SN since the sensor 2 was initialized. For this purpose, the evaluation unit 4 adds an angle to the sensor signal, for example 7, which is a function of the segment value SN and the segment width.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Achse1 axis
2 Sensor2 sensor
3 Geber3 encoders
4 Auswerteeinheit4 evaluation unit
5 Sensor-Kennlinie5 sensor characteristic
6 Bewegungsverlauf6 course of movement
7 Sensorausgangssignal7 sensor output signal
8 Kennliniensprünge8 jumps in the characteristic
9 Rekonstruiertes Winkelsignal 15-18 Verfahrensschritte9 Reconstructed angle signal 15-18 process steps
S SegmentS segment
SN Segmentnummer αL Drehwinkel αs vom Sensor angezeigter DrehwinkelSN segment number α L rotation angle α s rotation angle displayed by the sensor
+p, -p Segmentgrenzen tl-t4 Zeitpunkte a-d Signalsprünge + p, -p segment limits tl-t4 times a-d signal jumps

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Rekonstruktion eines Winkelsignals (9) aus dem Sensorsignal (7) eines Drehwinkelsensors (2), der eine periodische Kennlinie (5) mit mehreren Segmenten (S) aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge (8) auftreten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:1. A method for the reconstruction of an angle signal (9) from the sensor signal (7) of a rotation angle sensor (2), which has a periodic characteristic curve (5) with a plurality of segments (S), between which characteristic line jumps (8) occur, characterized by the following steps:
Erfassen von positiven und negativen SignalSprüngen (a-d) im Sensorsignal (7),Detection of positive and negative signal jumps (a-d) in the sensor signal (7),
Erzeugen eines Segmentwerts (SN) nach Feststellung eines Signalsprungs (a-d) , der angibt, in welchem Segment (S) ein aktuell gemessener Drehwinkel (αL) liegt, und Rekonstruieren des Winkelsignals (9) aus dem Sensorsignal (7) und dem Segmentwert (SN) .Generation of a segment value (SN) after detection of a signal jump (ad) which indicates in which segment (S) a currently measured angle of rotation (α L ) lies, and reconstruction of the angle signal (9) from the sensor signal (7) and the segment value ( SN).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass positive und negative Signalsprünge (a-d) im Sensorsignal (7) durch Schwellenwertüberwachung der Änderungsrate des Sensorsignals (7) erfasst werden.2. The method according to claim 1, characterized in that positive and negative signal jumps (a-d) in the sensor signal (7) are detected by threshold value monitoring of the rate of change of the sensor signal (7).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Segmentwert (SN) bei Erkennung eines positiven oder negativen Signalsprungs inkrementiert oder dekrementiert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the segment value (SN) is incremented or decremented upon detection of a positive or negative signal jump.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum aktuellen Sensorsignal (7) ein Winkel addiert wird; der eine Funktion des Segmentwertes (SN) und der Segmentbreite ist.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an angle is added to the current sensor signal (7); which is a function of the segment value (SN) and the segment width.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Offset-Korrektur des rekonstruierten Winkelsignals (9) durchgeführt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an offset correction of the reconstructed angle signal (9) is carried out.
6. Drehwinkelsensoranordnung mit einem Drehwinkelsensor (2), dessen Messbereich nur einen Teilbereich (-p,+p) des Gesamt- Messbereichs umfasst und der eine periodische Kennlinie (5) mit mehreren Segmenten (S) aufweist, zwischen denen Kennliniensprünge (8) auftreten, und einer Auswerteeinheit6. Rotation angle sensor arrangement with a rotation angle sensor (2), the measuring range of which only comprises a partial range (-p, + p) of the total measuring range and which has a periodic characteristic curve (5) with several segments (S), between which jumps in the characteristic curve (8) occur , and an evaluation unit
(4) , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) derart eingerichtet ist, dass sie positive und negative Signalsprünge (a-d) im Sensorsignal (7) erfasst, nach dem Auftreten eines positiven oder negativen Signalsprungs (a-d) jeweils einen neuen Segmentwert (SN) ermittelt und aus dem Sensorsignal (7) und dem Segmentwert (SN) ein eindeutiges Winkelsignal (9) rekonstruiert.(4), characterized in that the evaluation unit (4) is set up in such a way that it detects positive and negative signal jumps (ad) in the sensor signal (7), after the occurrence of a positive or negative signal jump (ad) a new segment value (SN ) determined and reconstructed from the sensor signal (7) and the segment value (SN) a unique angle signal (9).
7. Drehwinkelsensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) das Sensorsignal (7) Schwellenwert überwacht, um positive und negative Signalsprünge (a-d) zu erkennen.7. Rotation angle sensor arrangement according to claim 6, characterized in that the evaluation unit (4) monitors the sensor signal (7) threshold value in order to recognize positive and negative signal jumps (a-d).
8. Drehwinkelsensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) einen Segmentzähler umfaßt, der bei Erkennen eines positiven oder negativen Signalsprungs (a-d) inkrementiert oder dekrementiert wird.8. Rotation angle sensor arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the evaluation unit (4) comprises a segment counter which is incremented or decremented when a positive or negative signal jump (a-d) is detected.
9. Drehwinkelsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis9. Rotation angle sensor arrangement according to one of claims 6 to
8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) jeweils einen Winkel zum Sensorsignal (7) addiert, der eine Funktion des Segmentwerts (SN) und der Segmentbreite ist.8, characterized in that the evaluation unit (4) each adds an angle to the sensor signal (7) which is a function of the segment value (SN) and the segment width.
10. Drehwinkelsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis10. Rotation angle sensor arrangement according to one of claims 6 to
9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erkennung eines Offsets bei der Initialisierung der Drehwinkelsensoranordnung (2,4) vorgesehen sind. 9, characterized in that means for detecting an offset are provided during the initialization of the rotation angle sensor arrangement (2, 4).
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