DE10247319B3

DE10247319B3 - Verfahren zur Tiltiwinkelkompensation einer Sensoranordnung zur Erfassung einer Bewegung oder eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE10247319B3
Application number: DE10247319A
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner; Axel Wenzler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: KR20040032782A; KR101011348B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Tiltwinkelkompensation einer Sensoranordnung zur Erfassung einer Bewegung oder eines Drehwinkels an bewegten mechanischen Bauteilen vorgeschlagen, bei dem Phasenmesswerte ausgewertet werden, die durch Abtasten von mehreren Phasengeberspuren mittels jeweils zugeordneter senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bauteils übereinander angeordneter Sensoren erzeugt werden. Eine Bestimmung des Tiltwinkels (PHI) als Winkellage der Sensoren senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bauteils wird mittels eines Faktors (q) vorgenommen, der durch eine lineare Transformation eines Vektors aus N Phasenmesswerten in einen N-1 dimensionalen Raum ermittelt wird. Aus N-1 Gleichungen mit den Abweichungen (dTi) wird nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein Wert für den Faktor (q) ermittelt und aus den Werten des Faktors (q) werden jeweils Messfehler (DELTAalpha¶i¶) für jede Phasengeberspur ermittelt und von den gemessenen Phasenmesswerten abgezogen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung oder eines Drehwinkels, insbesondere eines Drehwinkels an Achsen oder Wellen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Beispielsweise müssen zur Erfassung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wirkenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen des Lenkrades gemessen werden. Hierbei sind Inkrementalwinkelgeber anwendbar, die eine Winkelstellung aufgrund der Auswertung von optisch, magnetisch oder sonst wie durch die Drehung erzeugten und mit geeigneten Mitteln detektierten Impulsen auswerten. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit und insbesondere zur Messung des Drehmomentes aufgrund einer Torsion an der drehenden Welle werden eine Mehrzahl solcher inkrementalen, in der Regel periodisch auftretenden Messwerte aus gewertet, sodass hier mehrere Phasenmesswerte auftreten, aus denen die zu messende Größe, wie z.B. der Drehwinkel, eine Winkeldifferenz oder der Abstand zu einem Ziel, zu bestimmen ist.

Zur Auswertung solcher Phasenmesswerte wird im Fall von mehr als zwei Phasensignalen beispielsweise ein in der DE 101 42 449 A1 beschriebenes Verfahren vorgeschlagen. Hier werden die gemessenen Phasenwerte mittels einem linearen Transformationsverfahren rechnerisch umgeformt und mit einer vorgegebenen Gewichtung ausgewertet. Hier ist somit ein Verfahren beschrieben, das aus N mehrdeutigen, ev. auch gestörten Phasenmesswerten einen hochgenauen, robusten und eindeutigen Phasenmesswert erzeugt. Das Verfahren findet Anwendung z.B. bei einem optischen Winkelsensor, bei dem N parallele Spuren auf einem Zylinder aufgebracht sind. Auf jeder der N Spuren (i = 1...N) befinden sich n_i Perioden einer Phaseninformation, die z.B. im optischen Fall durch n_i Perioden von Hell-Dunkelübergängen repräsentiert wird. Andere Sensorprinzipien, z.B. magnetisch oder kapazitiv, sind hier auch möglich. Auch können die Spuren des Sensors statt auf einem Zylinder auf einer Ebene aufgebracht sein, beispielsweise bei einem Wegsensor.

Bekannt ist außerdem aus der DE 195 06 938 A1 , dass die Phasensignale durch die einfache oder auch mehrfache Anwendung eines klassischen oder modifizierten Noniusverfahrens ausgewertet werden können. Weiterhin ist zur Ermittlung einer Winkeldifferenz aus der DE 101 42 448 A1 ebenfalls bekannt, dass die Phasenmesswerte gewichtet aufsummiert und daraus dann der ganzzahlige und nichtganzzahlige Anteil ermittelt wird.

Weiterhin ist es auch noch aus der DE 43 01 971 A1 und der DE 100 18 298 A1 bekannt, dass bei einer Wegerfassung mit Sensoren auch die Winkellage der Sensoren senkrecht zur Bewegungsrichtung des zu erfassenden Bauteils und ein ev. daraus resultierender Messfehler bei der Auswertung berücksichtigt wird.

Das gattungsgemäße Verfahren kann hier beispielsweise mit einer entsprechenden Sensoranordnung, wie erwähnt an der Lenkwelle eines Fahrzeugs als sogenannter Torque-Angle-Sensor (TAS) eingesetzt werden, wobei diese Phaseninformationen optisch oder magnetisch erfasst und in entsprechende, hier elektrische Phasensignale umgewandelt werden. Bei diesen und anderen vergleichbaren Anwendungen mit einer entsprechenden Sensoranordnung für die Erfassung der Phasensignale können Messfehler beispielsweise durch eine Schieflage des Sensorkopfes gegenüber den Sensorspuren entstehen, wobei der Winkel der Schieflage als sogenannter Tiltwinkel das Messergebnis verfälschen kann.

Mit dem eingangs erwähnten gattungsgemäßen Verfahren zur Erfassung der Bewegung oder des Drehwinkels an bewegten mechanischen Bauteilen können Phasenmesswerte ausgewertet werden, die durch Abtasten von mehreren übereinander angeordneten Phasengeberspuren durch ebenfalls senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bauteils übereinander eingebauten und den Spuren jeweils zugeordneten Sensoren erzeugt werden. Die Phasenmesswerte können mittels einer linearen Transformation eines Vektors aus N Phasenmesswerten in einen N-1 dimensionalen Raum rechnerisch transformiert werden.

Mit der Erfindung kann in vorteilhafter Weise eine Bestimmung des Tiltwinkels dadurch vorgenommen werden, dass mittels eines Faktors eine Berechnung der durch den Tiltwinkel verursachten Phasenfehler und eine anschließende Korrektur vorgenommen wird. Hierzu werden die unten folgenden Verfahrensschritte vorgeschlagen, die anhand des Ausführungsbeispiels noch näher erläutert werden.

Abweichungen der transformierten nichtganzzahligen Messwerte gegenüber den benachbarten ganzzahligen Messwerten werden mit einem an sich aus der eingangs erwähnten DE 101 42 449 A1 bekannten Verfahren quantisiert und aus N-1 Gleichungen mit den Abweichungen wird nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein Wert für den Faktor ermittelt. Aus dem Wert des Faktors werden jeweils die Messfehler für jede Phasengeberspur ermittelt und von den gemessenen Phasenmesswerten abgezogen.

Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn die Bestimmung des Tiltwinkels durch Messungen bei unterschiedlichen Winkellagen des Sensors an dem zu messenden Bauteil durchgeführt wird.

Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, die Phasen-Signale eines optischen Torque-Angle-Sensor (TAS) in optimaler Weise auszuwerten und dabei den Abgleich des Tiltwinkels bei Sensoren der zuvor beschriebenen Art durchzuführen. Der Abgleich kann sowohl einmalig bei der Herstellung oder beim Einbau als auch online im Betrieb des Sensors erfolgen. Bei der Online-Kompensation lassen sich z.B. auch Tiltwinkel ausgleichen, die durch temperatur- oder alterungsabhängige Verformungen der Sensorgeometrien bewirkt werden.

Der Abgleich erfolgt erfindungsgemäß mit einer separaten Rechneranordnung, beispielsweise in einem Steuergerät, so dass keine mechanische Eingriffe in den Sensor notwendig sind und für den Tiltabgleich ist auch kein sonst erforderlicher Referenzwinkelgeber erforderlich. Die Abgleichparameter können z.B. auch in einem Flash-Speicher des Steuergerätes abgelegt werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine prinzipielle Anordnung von Phasengeberspuren an einer Welle, z.B. bei einem optischen Torque-Angle-Sensor (TAS), und
2 die Anordnung von drei übereinander angeordneten Phasengeberspuren im Detail mit der Einbaulage eines Sensors oder der Winkellage beispielsweise eines Zylinders.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist in einer schematischen Ansicht eine Achse 1 als rotierendes Bauelement gezeigt, deren Drehwinkel aus Phasengeberspuren mit einer Sensoranordnung ermittelbar ist, die prinzipiell aus der in der Beschreibungseinleitung als Stand der Technik erwähnten DE 101 42 448 A1 bekannt ist.
Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anhand einer mehrdimensionalen Phasenauswertung der Signale von in 2 gezeigten optischen Signalgebern 2 bis 4 als Phasengeberspuren. Bei dem hier gezeigten Ausschnitt einer Abwicklung von 3 Spuren eines Zylinders werden in den einzelnen Spuren n₁, n₂ bzw. n₃ Perioden pro Umdrehung durchlaufen. Die Soll-Ausrichtung eines hier nicht näher gezeigten Lesekopfes für die Spuren 2 bis 4 ist mit der Linie 5 gestrichelt gezeichnet; die tatsächliche Einbaulage (Ist-Ausrichtung) ist mit der durchgezogenen Linie 6 dargestellt. Der Tiltwinkel Φ bezeichnet den Winkel zwischen den Linien 5 und 6.
Der Lesekopf misst in jeder Spur 2 bis 4 die Phasenwinkel α_i der Hell-/Dunkelübergänge. Dreht sich der Zylinder in einer Spur um eine Periode, d.h. ein Schwarz-Weiß-Paar, weiter, so durchläuft der entsprechende Phasenwinkel α_i einen Bereich von 2?. Aus den periodischen und damit mehrdeutigen Phasenwinkeln der N Phasengeberspuren (hier Spuren 2 bis 4) kann mit Hilfe des im eingangs erwähnten Stand der Technik DE 101 42 449 A1 beschriebenen Algorithmus die eindeutige Winkellage eines zylindrischen Phasengebers oder Sensors bzw. die jeweilige Position im Fall eines Linearweggebers ermittelt werden.
Weist beispielsweise der Lesekopf einen Tiltwinkel Φ, mit dem Punkt D als bekanntem Drehpunkt, auf, dann gilt für die dadurch verursachten Messfehler Δα_i der Phasenwinkel α_i: Δαi = Q * di * ni (1)
Hierbei bezeichnen d_i den jeweiligen Abstand der i-ten Spur zum Drehpunkt D, d.h. Spur 2 mit dem Abstand d_1. usw. Der Faktor q ist nunmehr aus Messwerten zu bestimmen; er hängt vom Tiltwinkel Φ und von der Sensorgeometrie ab. Für den Fall eines Zylinders mit dem Radius R als Träger der Phasengeberspuren gilt beispielsweise:
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt nun darauf ab, aus Messwerten (Δα_i + α_i) den Faktor q zu bestimmen. Dann können aus der Gleichung (1) die systematischen Messfehler Δα_i bestimmt und aus den gemessenen Werten herausgerechnet werden. Nach der zuvor erwähnten DE 101 42 449 A1 ist der erste Schritt zur Berechnung des eindeutigen Winkels des Zylinders die Multiplikation des Vektors der mehrdeutigen Winkelwerte α_i mit einer Matrix A und nachfolgend mit einer Matrix B. Durch diese Transformationen wird ein Vektor aus N Messwerten in einen (N-1) dimensionalen Raum T gemäß der folgenden Gleichung abgebildet.
Abgekürzt gilt M₁ = B * A (4) M₁ ist eine speziell gewählte (N-1) mal N Matrix, wobei insbesondere für M₁ gilt:
Werden die Messwerte als ideal angenommen, so sind die Koordinaten der transformierten Messwerte wegen der Gleichung (5) stets ganzzahlig. Die Messfehler Δα_i bewirken allerdings, dass die transformierten Messwerte nicht mehr ganzzahlig sind. Es werden nun die Abweichungen dT_i der Werte T_i gegenüber ganzzahlig quantisierten, z.B. gegenüber den nächstgelegenen ganzzahligen Nachbarpunkten, betrachtet. dTi = Ti – (Ti)quantisiert (6)
Es gilt nunmehr für die Abweichung:
Hiermit liegen N-1 Gleichungen für die Unbekannte q vor und es kann nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein optimaler Wert für den Faktor q angegeben werden. Hierbei ist nunmehr die Fehlerquadratsumme bezüglich q zu minimieren. e21 (q) + e22 (q) + ... + e2N-1 (q) (8)
Die Einzelfehler e_i berechnen sich wie folgt:
Die hier auftretenden Konstanten g_i berechnen sich zu:
Eine Lösung für den Faktor q ergibt sich nun aus der Beziehung:
Aus dem so nach der Gleichung (11) berechneten Faktor q werden nun die Messfehler Δα_i nach der Gleichung (1) berechnet und von den gemessenen Phasenwinkeln abgezogen. Für eine genauere Bestimmung des vom Tiltwinkels Φ verursachten Messfehlers ist es vorteilhaft, wenn mehrere Messwerte, z.B. 100, bei unterschiedlichen Winkelstellungen, beispielsweise des Zylinders mit den Phasengeberspuren oder der Stellung des Linearsensors, aufgenommen werden und dann jeweils die Werte für dT_i zu ermitteln. Die zuvor beschriebenen Gleichungen sind dann auf die Mittelwerte der Werte dT_i anzuwenden.

Claims

Verfahren zur Erfassung der Bewegung oder des Drehwinkels an bewegten mechanischen Bauteilen, bei dem – Phasenmesswerte ausgewertet werden, die durch Abtasten von mehreren Phasengeberspuren mittels jeweils zugeordneter senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bauteils übereinander angeordneter Sensoren erzeugt werden und bei dem – die Phasenmesswerte mittels einer linearen Transformation eines Vektors aus N Phasenmesswerten (α_i) in einen N-1 dimensionalen Raum transformiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Bestimmung des Tiltwinkels (Φ) als Winkellage der Sensoren senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bauteils und der dadurch verursachten Messfehler (Δα_i) mittels eines Faktors (q) vorgenommen wird, der mit folgenden Verfahrensschritten ermittelt wird: – Abweichungen (dT_i) der transformierten nichtganzzahligen Phasenmesswerte gegenüber den benachbarten ganzzahligen Phasenmesswerten werden berechnet, – aus N-1 Gleichungen mit den Abweichungen (dT_i) wird nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein Wert für den Faktor (q) ermittelt und – aus dem Wert des Faktors (q) werden jeweils die Messfehler (Δα_i) für jede Phasengeberspur ermittelt und von den gemessenen Phasenmesswerten (α_i) abgezogen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bestimmung des Tiltwinkels (Φ) durch Messungen bei unterschiedlichen Winkellagen der Sensoren an dem zu messenden Bauteil durchgeführt wird.