DE102008002000B4 - Sensoranordnung mit einer Offsetstellung und Verfahren zur Offsetstellung bei einer Sensoranordnung - Google Patents

Abstract

Sensoranordnung mit einer Offsetstellung, wobei die Sensoranordnung einen Inertialsensor aufweist, wobei die Offsetstellung einen getakteten Summierer (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetstellung mindestens ein Mittel zur Division (2) eines Eingangssignalwerts (E) durch eine Anzahl A aufweist, und wobei für die Anzahl A von Takten, je Takt ein von dem Mittel zur Division (2) ausgegebener Wert in dem Summierer (4) speicherbar ist.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung mit einer Offsetstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Offsetregelungen für Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus dem Dokument DE 198 06 752 A1 eine Offsetregelung für ein Sensormodul, insbesondere für Beschleunigungssensoren und Drucksensoren bekannt, wobei die Offsetregelung einen Istwert erfasst, diesen mit einem Sollwert vergleicht und bei einer Abweichung den erfassten Wert auf den Sollwert regelt, wobei eine Überwachungseinrichtung integriert ist, die einen analogen oder digitalen, getakteten Summierer beinhaltet, wobei die Überwachungseinrichtung die mit einem beliebigen Faktor gewichtete Abweichung zwischen Ist- und Sollwert aufsummiert.
• Mittels Offsetregelung werden Veränderungen des Nullpunkts, die auch als Offsetdrift bezeichnet werden, gemessen und mit Hilfe eines Regelkreises ausgeglichen. Diese Veränderungen können an den unterschiedlichsten Komponenten, insbesondere dem eigentlichen Sensorelement, welches zur Erfassung einer physikalischen Größe dient, und den Verbindungen zwischen Sensorelement und Signalverarbeitung auftreten. Die Ursachen für die Offsetdrifts liegen beispielsweise in der Alterung der Komponenten und Verbindungen oder sie können durch Temperaturveränderungen, die die Eigenschaften der Komponenten und deren Verbindungen beeinflussen, hervorgerufen werden. Mit der Offsetregelung können solche Einflüsse ausgeschaltet werden, indem ein Nullpunktabgleich stattfindet, so dass aufgrund einer Verschiebung des Nullpunkts das Messergebnis nicht verfälscht wird.
• Nachteilig bei den bekanten Offsetregelungen ist jedoch, dass die Zeit, welche zur Einstellung eines anfänglichen Offset benötigt wird, abhängig von der Größe des Offset selbst ist und somit stark variieren kann.
• Offenbarung der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Offsetstellung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein anfänglicher Offset relativ genau und dabei schnell und unabhängig von der Größe des Offset eliminiert werden kann. Dadurch dass die Offsetstellung mindestens ein Mittel zur Division eines Eingangssignalwerts durch eine Anzahl A aufweist, wobei für die Anzahl A von Takten, je Takt ein von dem Mittel zur Division ausgegebener Wert in dem Summierer speicherbar ist, lässt sich durch den in dem Summierer gespeicherten Wert der anfängliche Offset innerhalb von einer konstanten Anzahl von A Takten auf näherungsweise Null stellen. Je größer der anfängliche Offset ist, desto größer ist die Korrektur je Takt. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird der Mittelwert von A Eingangssignalwerten ermittelt. Eine Genauigkeit der Offsetstellung σ_M kann vorteilhaft durch die bekannte Formel der Varianz des Mittelwerts angegeben werden und hängt nur von einem Eingangsrauschen σ_R und der Anzahl A der Takte ab: σ_M = σ_R / √A. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung benötigt vorteilhafterweise keinen zusätzlichen Speicher, da eine beliebige, weitergehende Offsetregelung für den weiteren Betrieb der Sensoranordnung auf die selben Komponenten zugreift wie die Offsetstellung. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung benötigt weiterhin vorteilhaft keine Rückkopplung für die Offsetstellung. So wird die Offsetstellung vorteilhaft platzsparend bezüglich der begrenzten Fläche eines ASIC realisiert (application specific integrated circuit, auch Custom-Chip, eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist).
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Summierer eine Mehrzahl von Eingängen aufweist, welche über einen Umschalter steuerbar sind. Besonders bevorzugt ist ein erster Eingang mit einem ersten Mittel zur Division des Eingangssignalwerts durch eine erste Anzahl A und eine zweiter Eingang mit einem zweiten Mittel zur Division des Eingangssignalwerts durch eine zweite, von der ersten Anzahl A verschiedene Anzahl B verbunden. Durch die Mehrzahl von Eingängen können mit geringem zusätzlichen Aufwand zwei oder mehr unterschiedliche Anzahlen A, B von Takten beziehungsweise Divisoren implementiert werden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein weiterer Eingang für ein Signal einer zusätzlichen Offsetregelung vorgesehen ist. Dadurch wird vorteilhaft eine zweistufige Korrektur des Offset realisiert, wobei beide Stufen der Regelung auf die selben Bauelemente zugreifen. Als zusätzliche Offsetregelung im Sinne der Erfindung ist jede Offsetregelung anzusehen, welche insbesondere während des fortlaufenden Sensorbetriebs, also dauerhaft eine Offsetkorrektur bereitstellt. Im Gegensatz dazu dient die Offsetstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung im Wesentlichen zu einer möglichst schnellen Korrektur eines zu Beginn des Sensorbetriebs auftretenden Offset.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Mittel zur Division ein Register für eine bitweise Verschiebung eines Werts aufweist. Die bitweise Verschiebung (bit-shift) eines digitalisierten Werts stellt eine vorteilhaft einfache Realisierung einer Divisionsoperation dar. Ein entsprechendes Register benötigt besonders wenig ASIC-Fläche.
• Die erfindungsgemäße Sensoranordnung weist vorzugsweise einen Inertialsensor auf, besonders bevorzugt einen Drehratensensor. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen verwendet, beispielsweise für Systeme wie ABS, ESP, Airbag oder eine Fahrwerkregelung. Weiterhin bevorzugt wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung in Werkzeugmaschinen, insbesondere bei Robotern eingesetzt.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Offsetstellung einer Sensoranordnung, wobei nach einem Triggern der Offsetstellung taktweise ein Wert eines Eingangssignals durch eine Anzahl A dividiert und in einen Summierer geschrieben wird, wobei die Offsetstellung nach einer Anzahl A von Takten beendet wird.
• Besonders vorteilhaft wird somit ein Verfahren zur Offsetstellung einer Sensoranordnung realisiert, welches im Vergleich zum Stand der Technik einen anfänglichen Offset relativ genau und dabei schnell und unabhängig von der Größe des Offset eliminiert. Die Offsetstellung ist in jedem Fall nach A Takten abgeschlossen. Der Summierer hat zu diesem Zeitpunkt einen Mittelwert von genau A Eingangssignalwerten gespeichert. Die Anzahl A von Takten kann zwar nur ganzzahlig positiv sein, der Fachmann erkennt jedoch, dass eine Division durch eine Fließkommazahl, welche zumindest annähernd gleich der Anzahl A ist, zu einem ähnlichen Ergebnis einer schnellen Offsetstellung führen würde. Eine solche Variante fällt daher ebenfalls unter den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass für die Anzahl A eine positive ganze Zahl gewählt wird, also eine natürliche Zahl ungleich Null. Das Verfahren gemäß dieser Weiterbildung bzw. dieses Verfahren implementierende Schaltungen realisieren somit die folgende Rechenoperation: $$\text{Speicherwert des Summierers}={\displaystyle \sum _{\text{t}=1}^{\text{A}}1\text{/A}}\cdot \text{Wert des Eingangssignals E}\left(\text{t}\right)$$

  
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass für die Anzahl A eine Zahl gewählt wird, welcher einer Zweierpotenz entspricht. Eine solche Division ist schaltungstechnisch vorteilhaft mit geringem Aufwand realisierbar. Besonders bevorzugt wird die Division durch eine bitweise Verschiebung durchgeführt. Die bitweise Verschiebung bietet für digitalisierte Werte eine vorteilhaft einfache Realisierung der Divisionsoperation dar.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei dem Triggern der Offsetstellung ein in dem Summierer gespeicherter Wert vor dem Schreiben des ersten Werts gelöscht wird. Diese Ausführungsform erlaubt vorteilhaft ein erneutes Triggern der Offsetstellung.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem Triggern ein Offsetabgleich durchgeführt wird, wobei ein Initialwert des Summierers mit einem Vorgabewert abgeglichen wird. Dies erlaubt beispielsweise vorteilhaft die Erkennung von Sensorfehlfunktionen. Sofern der Initialwert des Summierers, also der im ersten Takt geschriebene Wert beispielsweise so groß ist, dass er nicht durch eine normale Offsetdrift hervorgerufen sein kann, besteht vorteilhaft die Möglichkeit, eine Fehlermeldung auszugeben.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem Beenden der Offsetstellung Werte einer zusätzlichen Offsetregelung in den Summierer geschrieben werden. Dadurch wird vorteilhaft eine zweistufige Korrektur des Offset realisiert. Als zusätzliche Offsetregelung im Sinne der Erfindung ist jede Offsetregelung anzusehen, welche insbesondere während des gesamten Sensorbetriebs, also dauerhaft eine Offsetkorrektur bereitstellt. Im Gegensatz dazu dient die Offsetstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung im Wesentlichen zu einer möglichst schnellen Korrektur eines zu Beginn des Sensorbetriebs auftretenden Offset. Die Bezeichnung Offsetstellung dient zur sprachlichen Abgrenzung gegenüber Offsetregelungen, welche in der Regel auf Rückkopplung basieren, was bei der vorliegenden Offsetstellung nicht der Fall ist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Figurenliste
• Es zeigen
• 1 ein schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 2 ein schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 3 ein Diagramm zur Darstellung der Offsetstellung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Ausführungsformen der Erfindung
• In 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei ein Eingangssignal E von einem Sensor mit einem unbekannten, anfänglichen Offset behaftet ist. Der Sensor ist vorzugsweise ein Inertialsensor, insbesondere ein Drehratensensor. Der Eingang eines Summierers 4 ist mit dem Ausgang eines Umschalters 7 verbunden. Der Summierer 4 weist beispielsweise ein summierendes Glied und ein Verzögerungsglied in einer Rückkopplungsschleife auf. Der Umschalter 7 weist einen Taktgeber 6 auf und ist zwischen einer ausgeschalteten Stellung 41, einem Eingang für die Offsetstellung 42 und einem weiteren Eingang 51 für eine zusätzliche Offsetregelung schaltbar. Der Umschalter 7 bildet hier mit dem Summierer 4 einen getakteten Summierer. Bei einem Triggern der erfindungsgemäßen Offsetstellung wird in jedem Takt der Wert des Eingangssignals E in einem Mittel zur Division 2 durch eine Anzahl A dividiert. Die Anzahl A ist ein konstanter, festgelegter Wert, insbesondere ganzzahlig und größer als Null. Das Ergebnis der Division wird über den Eingang 42 des Umschalters 7 in den Summierer 4 geschrieben. Der gespeicherte Wert des Summierers 4 wird in einem Block 8 von dem Wert des Eingangsignals E abgezogen und dadurch der Offset korrigiert. Das korrigierte Sensorsignal ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Der beschriebene Vorgang wird für eine Anzahl von A Takten wiederholt. Danach wird die Offsetstellung beendet. Mit dieser Vorgehensweise wird ein Mittelwert von einer Anzahl von A Werten des Eingangssignals E ermittelt. Somit wird die folgende Rechenoperation implementiert: $$\text{Speicherwert des Summierers}={\displaystyle \sum _{\text{t}=1}^{\text{A}}1\text{/A}}\cdot \text{Wert des Eingangssignals E}\left(\text{t}\right).$$

  
• Der weitere Eingang 51 ist für eine zusätzliche Offsetregelung vorgesehen. Dabei wird das korrigierte Sensorsignal 9 über eine Rückkopplung 52 in eine Signum-Funktion 5 geleitet und anschließend gegebenenfalls über einen Verstärker 53 in den Summierer geschrieben. Bei einem erneuten Triggern der Offsetstellung wird der in dem Summierer 4 gespeicherte Wert zunächst gelöscht.
• In 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die im Zusammenhang mit 1 bereits erläuterten Elemente hier die gleiche Funktion erfüllen. Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 besteht darin, dass der Umschalter 7 einen zweiten Eingang 43 der Offsetstellung aufweist, welcher mit einem zweiten Mittel zur Division 2' des Eingangssignalwerts E durch eine zweite, von der ersten Anzahl A verschiedene Anzahl B verbunden ist. Die Offsetstellung kann hier wahlweise durch Verbinden des ersten Eingangs 42 oder des zweiten Eingangs 43 mit dem Summierer erfolgen, je nachdem welche Anzahl von Takten, A oder B, gewünscht oder vorteilhafter ist. Der Fachmann erkennt, dass der Umschalter 7 noch weitere Eingänge für weitere Mittel zur Division durch jeweils unterschiedlichen Anzahlen aufweisen kann, was hier nicht dargestellt ist.
• Die 3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Offsetstellung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gewählte Anzahl A von Takten beträgt 40 bei eine Taktrate von 1 Kilohertz. In dem Diagramm ist ein Signal in beliebiger Einheit über der Zeit in Millisekunden dargestellt. Ein erstes Signal E1 weist einen Offset von 40 Einheiten auf, ein zweites Signal E2 einen Offset von 100 Einheiten. Die Offsetstellung wird jeweils nach 100 Millisekunden getriggert. Beide Signale E1 und E2 sind bei 140 Millisekunden, also nach 40 Takten, auf einen Wert von etwa Null korrigiert. Da die Offsetstellung nach 40 Takten beendet wird, verlaufen beide Signale E1 und E2 parallel im Bereich der Nulllinie.

Claims (12)

1. Sensoranordnung mit einer Offsetstellung, wobei die Sensoranordnung einen Inertialsensor aufweist, wobei die Offsetstellung einen getakteten Summierer (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetstellung mindestens ein Mittel zur Division (2) eines Eingangssignalwerts (E) durch eine Anzahl A aufweist, und wobei für die Anzahl A von Takten, je Takt ein von dem Mittel zur Division (2) ausgegebener Wert in dem Summierer (4) speicherbar ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Summierer (4) eine Mehrzahl von Eingängen (41, 42, 43, 51) aufweist, welche über einen Umschalter (7) steuerbar sind.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Eingang (42) mit einem ersten Mittel zur Division (2) des Eingangssignalwerts (E) durch eine erste Anzahl A und eine zweiter Eingang (43) mit einem zweiten Mittel zur Division (2') des Eingangssignalwerts (E) durch eine zweite, von der ersten Anzahl A verschiedene Anzahl B verbunden ist.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Eingang (51) für ein Signal einer zusätzlichen Offsetregelung vorgesehen ist.
5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Division (2) ein Register für eine bitweise Verschiebung eines Werts aufweist.
6. Verfahren zur Offsetstellung einer Sensoranordnung, wobei die Sensoranordnung einen Inertialsensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Triggern der Offsetstellung taktweise ein Wert eines Eingangssignals (E) durch eine Anzahl A dividiert und in einen Summierer (4) geschrieben wird, wobei die Offsetstellung nach einer Anzahl A von Takten beendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei für die Anzahl A eine positive ganze Zahl gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei für die Anzahl A eine Zahl gewählt wird, welcher einer Zweierpotenz entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Division durch eine bitweise Verschiebung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Triggern der Offsetstellung ein in dem Summierer (4) gespeicherter Wert vor dem Schreiben des ersten Werts gelöscht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Triggern ein Offsetabgleich durchgeführt wird, wobei ein Initialwert des Summierers (4) mit einem Vorgabewert abgeglichen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beenden der Offsetstellung Werte einer zusätzlichen Offsetregelung in den Summierer (4) geschrieben werden.

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