DE10226988A1 - Determining shaft angle from 3 single turn angle sensor signals involves computing virtual intermediate parameters, determining number of revolutions, adding to first sensor signal plus 360 degrees - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Drehwinkels einer Welle aus dem Winkel-Signal eines ersten Winkelsensors und dem Winkel-Signal eines zweiten Winkelsensors, wobei der erste Winkelsensor und der zweite Winkelsensor starr mit der Welle gekoppelt sind, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen erstem Winkelsensor und Welle einerseits und das Übersetzungsverhältnis zwischen zweitem Winkelsensor und Welle andererseits voneinander verschieden sind, und mit einem mit der Welle über einen Drehstab gekoppelten Ritzelwinkelsensor.The invention relates to a method for determining the angle of rotation of a shaft from the angle signal a first angle sensor and the angle signal of a second angle sensor, wherein the first angle sensor and the second angle sensor rigid with the shaft are coupled, the gear ratio between first angle sensor and shaft on the one hand and the transmission ratio between second angle sensor and shaft on the other hand different from each other and with one coupled to the shaft via a torsion bar Pinion angle sensor.
Solche Anordnungen werden bspw. bei Steer-by-Wire-Lenkanlagen als Lenkaktuator oder Lenkradaktuator mit zwei redundant ausgeführten Elektromotoren eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Einsatzgebiet beschränkt.Such arrangements are used, for example, in steer-by-wire steering systems as a steering actuator or steering wheel actuator with two redundant electric motors used. However, the invention is not in this area of application limited.
Um die Herstellungskosten der Winkelsensoren zu minimieren, setzt man in der Regel sog. Single-Turn-Sensoren ein, die einen Messbereich von 0° bis 360° haben. Wenn dieser Sensor um einen Winkel > 360° gedreht wird, beginnt er wieder bei 0° Dies bedeutet, dass bspw. das Ausgangssignal eines solchen Winkelsensors bei einer Drehung um 180° genau gleich ist wie bei einer Drehung um 540°. Da in Kraftfahrzeugen üblicherweise die Lenksäule von Anschlag zu Anschlag um vier Umdrehungen, entsprechend 1.440°, gedreht wird, ist es notwendig, eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels der Lenksäule vornehmen zu können. Dies geschieht nach dem sog. Nonius-Verfahren, indem man aus den Signalen des ersten Winkelsensors und des zweiten Winkelsensors, die sich wegen der unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse voneinander unterscheiden, sowie des Signals des mit der Welle gekoppelten Ritzelwinkelsensors den Drehwinkel der Lenksäule ermittelt.To the manufacturing costs of the angle sensors to minimize, so-called single-turn sensors are usually used a measuring range from 0 ° to Have 360 °. If this sensor is rotated by an angle> 360 ° it starts again at 0 ° This means that, for example, the output signal of such an angle sensor at a Rotation by 180 ° exactly is the same as for a rotation of 540 °. Because usually in motor vehicles the steering column turned from stop to stop by four turns, corresponding to 1,440 ° , it is necessary to clearly determine the angle of rotation the steering column to be able to make. This is done according to the so-called Nonius method, by using the Signals from the first angle sensor and the second angle sensor, due to the different gear ratios differ from each other, as well as the signal of the coupled with the shaft Pinion angle sensor determines the angle of rotation of the steering column.
Die Ermittlung des Drehwinkels der Lenksäule wird u. a. dadurch erschwert, dass der erste Winkelsensor und der zweite Winkelsensor ihre Signale nicht immer gleichzeitig an ein Steuergerät oder eine Auswerteeinheit schicken und in der Regel die Taktfrequenz, mit der der erste Winkelsensor, der zweite Winkelsensor, der Ritzelwinkelsensor und das Steuergerät betrieben werden, nicht gleich ist. Deshalb können die von erstem Winkelsensor, zweitem Winkelsensor und Ritzelwinkelsensor beim Steuergerät vorliegenden Signale nicht unmittelbar zu einer eindeutigen Bestimmung des Drehwinkels der Lenksäule direkt herangezogen werden.Determining the angle of rotation of the steering column we you. a. difficult because the first angle sensor and the second angle sensor their signals are not always on at the same time control unit or send an evaluation unit and usually the clock frequency, with which the first angle sensor, the second angle sensor, the pinion angle sensor and the control unit operated, is not the same. Therefore, from the first angle sensor, second angle sensor and pinion angle sensor present in the control unit Signals do not immediately lead to a clear determination of the angle of rotation the steering column be used directly.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, die Signale des ersten Winkelsensors, des zweiten Winkelsensors und des Ritzelwinkelsensors trotz der genannten Schwierigkeiten eindeutig und auf einfache Weise auszuwerten, so dass die Ermittlung des Drehwinkels der Lenksäule auch bei unterschiedlichen Taktfrequenzen und/oder zeitlichen Verschiebungen zwischen dem Eingang der von den genannten Sensoren eingehenden Signale erfolgen kann.With the method according to the invention however, it is possible the signals of the first angle sensor, the second angle sensor and the pinion angle sensor despite the difficulties mentioned to evaluate clearly and easily, so that the determination the angle of rotation of the steering column even with different clock frequencies and / or time shifts between the input of the incoming sensors Signals can be made.
Dieses Verfahren basiert auf den
drei im Folgenden aufgeführten
Verfahrensschritten:
- Berechnen einer ersten virtuellen Zwischengröße (φαS)
nach der Formel
mit:
δV
A
1: Winkel-Signal
des ersten Winkelsensors
δV
A
2:
Winkel-Signal des zweiten Winkelsensors
k: Konstante; bei vier
Lenkradumdrehungen von Lenkanschlag zu Lenkanschlag, entsprechend 1440°, gilt für k:
- Calculate a first virtual intermediate variable (φ αS ) according to the formula
With:
δ V A 1 : angle signal of the first angle sensor
δ V A 2 : angle signal of the second angle sensor
k: constant; for four steering wheel turns from steering stop to steering stop, corresponding to 1440 °, the following applies to k:
– Berechnen einer zweiten virtuellen
Zwischengröße (φges) nach
der Formel
mit:
m:
Konstante
δRi1: Winkel-Signal des Ritzelwinkelsensors
k:
Konstante
- Calculate a second virtual intermediate variable (φges) according to the formula
With:
m: constant
δ Ri1 : Angle signal from the pinion angle sensor
k: constant
Ermitteln der Zahl der Umdrehungen (n) und Addieren des Winkel-Signals (δV A 1) eines ersten Winkelsensors zu dem Produkt aus der Zahl der Umdrehungen (n) und 360°.Determine the number of revolutions (n) and add the angle signal (δ V A 1 ) of a first angle sensor to the product of the number of revolutions (n) and 360 °.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach durchzuführen, benötigt nur eine geringe Rechenleistung und ermöglicht trotz unterschiedlicher Taktfrequenzen, mit denen die genannten Sensoren abgetastet werden und/oder zeitlichen Verschiebungen zwischen dem Eingang der Signale eine eindeutige und zuverlässige Bestimmung des Drehwinkels der Lenksäule. Dabei ist das Verfahren robust gegenüber Störungen und stellt nur geringe Anforderungen an die hardware.The method according to the invention is simple to carry out, only requires a low computing power and enables despite different Clock frequencies with which the sensors mentioned are scanned and / or temporal shifts between the input of the signals a clear and reliable Determination of the angle of rotation of the steering column. Here is the procedure robust against interference and makes little demands on the hardware.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Zahl der Umdrehungen der Welle der Lenksäule durch eine ganzzahlige Division der zweiten virtuellen Zwischengröße durch 360° erfolgt und der Divisionsrest verloren geht. Dadurch hat man auf einfache Weise die Zahl der Umdrehungen der Welle, die zur eindeutigen Ermittlung des Drehwinkels der Lenksäule erforderlich ist, bestimmt .In a variant of the method according to the invention it is intended that the number of revolutions of the shaft of the steering column an integer division of the second virtual intermediate size 360 ° is done and the remainder of the division is lost. This makes it easy the number of revolutions of the shaft used for the unambiguous determination the angle of rotation of the steering column is determined.
Alternativ kann die Zahl der Umdrehungen der
Lenksäule
auch nach folgendem Verfahren ermittelt werden:
– Bilden
einer Differenz (ΔδV
A
1) eines Winkel-Signals (δV
A
1(t)) des ersten
Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals
– Erhöhen der Zahl (n) der Umdrehungen
der Welle, wenn die Differenz
– Erniedrigen
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn die Differenz
– Beibehalten
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn der Betrag der Differenz
- Forming a difference (Δ δV A 1 ) of an angle signal (δ V A 1 (t)) of the first angle sensor at time t and an angle signal
- Increase the number (n) of revolutions of the shaft when the difference
- Decrease the number (n) of revolutions of the shaft if the difference
- Maintain the number (n) of revolutions of the shaft when the amount of the difference
Dieses Verfahren erlaubt es fortlaufend die Zahl der Umdrehungen der Lenksäule zu aktualisieren. Dabei wird der Effekt ausgenützt, dass der Fahrer eines Fahrzeuges in dem Zeitraum zwischen zwei Abtastungen des ersten Winkelsensors die Lenksäule des Fahrzeugs nicht so schnell drehen kann, dass sich das Ausgangssignal des ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t von dem Winkel-Signal zum Zeitpunkt t – 1 um mehr als 90° bis maximal 120° unterscheidet. Deshalb ist es möglich, mit Sicherheit sagen zu können, dass wenn die Differenz eines Winkel-Signals des ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals des ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t – 1 > 180° ist, die Lenksäule eine Umdrehung weitergedreht wurde. In gleicher Weise kann man deshalb sagen, dass die Zahl der Umdrehungen der Welle um 1 erniedrigt werden kann, wenn die o. g. Differenz kleiner als –180° ist. In diesem Fall muss die Zahl der Umdrehungen der Lenksäule um 1 erniedrigt werden. In allen anderen Fällen, wenn nämlich der Betrag der o. g. Differenz ≤ 180° ist, kann die Zahl der Umdrehungen der Lenksäule gleich bleiben. Wenn nun zu der Zahl der Umdrehungen der Lenksäule multipliziert mit 360° noch der aktuell ermittelte Winkel des Ritzelwinkelsensors addiert wird, ist die Ermittlung des Drehwinkels der Lenksäule eindeutig erfolgt.This procedure allows it to continue update the number of turns of the steering column. there the effect is exploited, that the driver of a vehicle in the period between two scans of the first angle sensor is not the steering column of the vehicle can quickly turn that the output signal of the first angle sensor or of the second angle sensor at time t from the angle signal at time t - 1 by more than 90 ° to differs by a maximum of 120 °. Therefore it is possible to be able to say with certainty that if the difference of an angle signal of the first angle sensor or the second angle sensor at time t and an angle signal of the first angle sensor or the second angle sensor at the time t - 1> 180 °, that steering column was turned one turn. In the same way you can say that the number of revolutions of the shaft will be decreased by 1 can if the above Difference is less than -180 °. In this case, the Number of turns of the steering column be decreased by 1. In all other cases, namely when Amount of the above Difference is ≤ 180 °, can the number of turns of the steering column remain the same. If so to the number of turns of the steering column multiplied by 360 ° or the currently determined angle of the pinion angle sensor is added, the angle of rotation of the steering column has been clearly determined.
Zur weiteren Vereinfachung dieses Verfahrens kann auch die Differenz eines Winkel-Signals des ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals des ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t – 1 mittels einer Division durch 360 normiert werden und die normierte Differenz gerundet werden. Das Ergebnis dieser Rundung kann –1, 0 oder +1 betragen. Dieses Ergebnis wird zur aktuellen Zahl der Umdrehungen der Welle bzw. der Lenksäule addiert.To further simplify this The method can also be the difference of an angle signal of the first Angle sensor or the second angle sensor at time t and an angle signal of the first angle sensor or the second angle sensor at the time t - 1 be normalized by dividing by 360 and the normalized Difference to be rounded. The result of this rounding can be –1, 0 or +1. This result becomes the current number of revolutions the shaft or the steering column added.
Es hat sich in praktischen Versuchen als vorteilhaft herausgestellt, wenn zur Initialisierung der Zahl der Umdrehungen der Welle das zuerst genannte Verfahren, welches auf einer ganzzahligen Division der zweiten virtuellen Zwischengröße basiert, durchgeführt wird und nach erfolgter Initialisierung das Verfahren angewandt wird, welches auf der Basis der Differenz eines Winkel-Signals zum Zeitpunkt t und t – 1 aufbaut.It has been put into practical trials found to be advantageous when initializing the number of the revolutions of the shaft the first-mentioned method, which is based on an integer division of the second virtual intermediate variable and after initialization, the procedure is applied, which is based on the difference of an angle signal at time t and t - 1 builds.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Drehwinkels eines Lenkgetriebes einer Fahrzeuglenkung, insbesondere einer Steer-by-Wire-Lenkung, oder eines Lenkradaktuators einer Steer-by-Wire-Lenkung eingesetzt werden.The method according to the invention can be particularly advantageous to determine the angle of rotation of a steering gear of a vehicle steering system, in particular a steer-by-wire steering, or a steering wheel actuator steer-by-wire steering.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.Other advantages and beneficial Embodiments of the invention are the following drawing, their description and the claims can be found.
Zeichnungdrawing
Es zeigen:Show it:
-
1 eine schematische Darstellung einer Steer-by-Wire-Lenkung,1 a schematic representation of a steer-by-wire steering, -
2 eine schematische Darstellung eines Lenkaktuators,2 1 shows a schematic representation of a steering actuator, -
3 ein Blockschaltbild der Regelung des Lenkaktuators und3 a block diagram of the control of the steering actuator and -
4 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung der ersten und zweiten virtuellen Zwischengröße.4 a representation of the inventive method for calculating the first and second virtual intermediate variable. -
5 zeigt die Weiterverarbeitung der zweiten virtuellen Zwischengröße und5 shows the further processing of the second virtual intermediate size and -
6 zeigt ausschnittsweise den Verlauf der berechneten Größen in Abhängigkeit des Drehwinkels der Lenksäule.6 shows a section of the course of the calculated quantities depending on the angle of rotation of the steering column.
Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments
Ein Lenkrad
Die in
Im Unterschied zu konventionellen
Lenkanlagen wird das Hydro-Servolenkgetriebe
Der Lenkaktuator
Der Lenkaktuator
Der erste Elektromotor
Deshalb weichen die Zähnezahl
des Ritzels
Aus diesem Grund kann bei Verwendung
eines Lenkaktuators
Ein Steuergerät
In
Die Zähnezahl Z2 des
zweiten Ritzels
Der Winkel δV
A
1
2 wird
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Im Folgenden werden die oben eingeführten Bezeichnungen
für die
verschiedenen Signale der Winkelsensoren
In
Ausgangsgröße eines Robust Position Controllers
RPC, der mit der Größe δLR – δV
A
2 beaufschlagt wird,
ist eine Spannung US
Q im
rotorfesten Koordinatensystem. Diese Spannung USQ kann
beim Auftreten von Dauerschwingungen ggf. mit einem Friction Force
Compensator FFC beeinflusst werden. Die Summe der vom Robust Position
Controller RPC und vom Friction Force Controller FFC ausgegebenen Spannungen
wird in einem Constraint Torque Controller CTC als Eingangsgröße verwendet.
Der Constraint Torque Controller CTC verteilt die Spannung von der
Momentenregelung auf eine Raumzeigermodulation RZM. Diese ermittelt
die Schaltzeiten zur Ansteuerung des Lenkaktuatos
Mit den Ausgangsgrößen der
Raumzeigermodulation RZM wird der Lenkaktuator
Da die aus dem an sich bekannten Nonius-Prinzip berechnete Winkelinformation sehr störungsempfindlich und deshalb für die Positionsregelung, vor allem im Bereich von Steer-by-Wire-Lenkungen, nicht zuverlässig genug ist, müssen die o. g. Winkel-Signale nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufbereitet werden.Since the known from the Nonius principle calculated angle information very sensitive to interference and therefore for position control, especially in the area of steer-by-wire steering, does not reliable is enough the above Angle signals are processed according to the inventive method.
Grundsätzlich erlaubt das Nonius-Prinzip
die Bestimmung eines Drehwinkels an einem Zahnrad durch Winkelmessung
an zwei kleineren Zahnrädern mit
unterschiedlicher Zähnezahl.
Diese Voraussetzung ist bei dem Lenkaktuator
Anhand der
Mit Hilfe dieser ersten virtuellen
Zwischengröße φαS und
dem Ritzelwinkel δRi1 wird in einer zweiten Berechnungsstufe
eine zweite virtuelle Zwischengröße φges nach
der folgenden Formel berechnet:
Das weitere Vorgehen zur Bestimmung
des Ist-Werts δV
A
1 des
Leitrads
Zur Initialisierung des Zählers
Sobald die Initialisierung des Zählers
Anschließend wird in einer Sprungerkennung Δ das Winkel-Signal δV
A
1 durch 360° geteilt
und anschließend
gerundet. Daraus ergibt sich ebenfalls die Zahl n der Umdrehungen
der Lenksäule.
Bei der Sprungerkennung Δ wird
der Effekt ausgenutzt, dass das Lenkrad
– Bilden
einer Differenz (ΔδV
A
1) eines Winkel-Signals (δV
A
1(t)) des ersten
Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals (δV
A
1(t – 1))des
ersten Winkelsensors zum Zeitpunkt t – 1,
– Erhöhen der Zahl (n) der Umdrehungen
der Welle, wenn die Differenz (ΔδV
A
1) > 180° ist,
– Erniedrigen
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn die Differenz (ΔδV
A
1) < –180° ist oder
– Beibehalten
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn der Betrag der Differenz
(|ΔδV
A
1|) < 180° ist.Then, in a jump detection Δ, the angle signal δ V A 1 is divided by 360 ° and then rounded. This also gives the number n of revolutions of the steering column. With the jump detection Δ, the effect is exploited that the steering wheel
- Forming a difference (Δ δV A 1 ) of an angle signal (δ V A 1 (t)) of the first angle sensor at the time t and an angle signal (δ V A 1 (t - 1)) of the first angle sensor at the time t - 1,
Increasing the number (n) of revolutions of the shaft if the difference (Δ δV A 1 ) is> 180 °,
- Decreasing the number (n) of revolutions of the shaft if the difference (Δδ V A 1 ) is <-180 ° or
- Maintaining the number (n) of revolutions of the shaft when the amount of the difference (| Δ δV A 1 |) is <180 °.
Bei diesem Verfahren der Sprungerkennung ist somit ein Sicherheitsfaktor von 2 vorhanden.In this procedure the jump detection is thus a safety factor of 2 is available.
Alternativ kann auch die Differenz
AδV
A
1 mittels einer
Division durch 360 normiert werden und diese normierte Differenz ΔδV
A
1,norm gerundet
werden. Das Ergebnis der Rundung wird zur Zahl n der Umdrehungen
der Welle addiert. Diese alternative Ermittlung der Zahl n wird
vom Zähler
In
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt mit Hilfe
von einfachen Single-Turn-Winkelsensoren eine störungsunempfindliche Ermittlung
des Drehwinkels einer Welle durchzuführen, auch wenn die verschiedenen
Winkelsensoren
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| DE2002126988 DE10226988A1 (en) | 2002-06-18 | 2002-06-18 | Determining shaft angle from 3 single turn angle sensor signals involves computing virtual intermediate parameters, determining number of revolutions, adding to first sensor signal plus 360 degrees |
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| DE (1) | DE10226988A1 (en) |
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