ITMI20012208A1 - Procedimento per la compensazione di un cosidetto offset-drift di un misuratore d'angolo - Google Patents

Description

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Stato della tecnica

L'invenzione si riferisce ad un procedimento per la compensazione di un offset-drift di un misuratore di angolo secondo il tipo della rivendicazione principale. Sono già noti dei procedimenti per la misurazione elettrica di un angolo di rotazione. A tale scopo vengono impiegati dei metodi di misurazione, con i quali vengono elaborati i segnali sinusoidali e cosinusoidali di un sensore. Per esempio vengono utilizzati dei sensori magnetoresistivi come sensori AMR o GR (anisotropie magnetoresistance , giant magnetoresistance) , i quali, con l'ausilio di due ponti completi, forniscono rispettivamente un segnale seno e coseno. Per un corretto calcolo in una funzione di angolo, le ampiezze del segnale seno e coseno devono essere uguali e non devono presentare alcun offset. Mentre la stessa ampiezza può essere raggiunta mediante provvedimenti costruttivi, i valori offset, i quali subentrano in particolare attraverso un'influenza della temperatura, non possono essere previsti o predetti anticipatamente. Ciò comporta che nel corso della durata d'intervento di un tale misuratore d'angolo, la precisione varia notevolmente, per cui tale misuratore non è eventualmente più utilizzabile. Nel caso di applicazioni per la determinazione dell'angolo di rotazione, per esempio in un autoveicolo, si richiedono tuttavia elevate esigenze di precisione e stabilità per la durata utile.

Vantaggi dell'invenzione

Il procedimento secondo l'invenzione per la compensazione di un offset-drift di un misuratore di angolo con le caratteristiche caratterizzanti della rivendicazione principale presenta rispetto a ciò il vantaggio che nel caso della determinazione angolare viene considerato un valore off-set costantemente corretto. In questo modo, la misurazione dell'angolo diventa più affidabile e rimane costante nel prestabilito campo di precisione, per cui i processi di comando basati per esempio su esso risultano affidabilmente eseguibili.

Attraverso i provvedimenti esposti nelle rivendicazioni dipendenti sono possibili dei miglioramenti e perfezionamenti vantaggiosi del procedimento indicato nella rivendicazione principale. Particolarmente vantaggioso è il fatto che i valori off-set vengano determinati in un prestabilito intervallo di tempo. In particolare, per le temperature rilevanti nell'autoveicolo si ottiene quindi una determinazione offset dipendente dalla temperatura, la quale fornisce sempre dei costanti risultati di misurazione, indipendentemente dalle temperature ambientali o del motore.

Risulta particolarmente vantaggioso il fatto che il rilevamento dell'offset ovvero del coefficiente di temperatura avvenga nel caso di almeno due prestabilite temperature, per cui è facilmente possibile calcolare dei valori intermedi mediante interpolazione. Inoltre, ciò comporta meno dispendio di prova durante la calibratura .

Risulta inoltre vantaggioso il fatto che l'algoritmo per l'offset possa essere stabilito mediante un coefficiente di temperatura non lineare. Per esempio, il coefficiente di temperatura può essere descritto mediante un polinomio di terzo ordine. Questo polinomio offre una buona approssimazione per il comportamento della temperatura di un sensore.

Per avere un semplice accesso ai corrispondenti valori di offset, l'archiviazione dei valori di offset avviene preferibilmente in una tabella. I valori intermedi possono essere vantaggiosamente determinati mediante una semplice interpolazione.

In modo particolarmente vantaggioso si prevede inoltre il fatto che il comportamento a lungo termine venga determinato durante il funzionamento del misuratore di angolo, formando semplicemente la media dei valori di offset. La determinazione di almeno uno dei due offset di ponte (COS, SIN) durante il funzionamento è quindi poi solo possibile, quando l'angolo elettrico copre una zona di almeno 180°. Per esempio è sufficiente quando nel caso di sensori AMR, in cui l'angolo elettrico è il doppio dell'angolo meccanico, un campo angolare meccanico di almeno 90°.

Attraverso la memorizzazione e la formazione della media dei valori offset rilevati è possibile adattare gradualmente l'offset da correggere, per cui si evitano delle funzioni di salto. Ciò aumenta la sicurezza della misurazione .

Alcune applicazioni vantaggiose sono indicate nel caso di alcuni sensori operanti secondo il principio ottico. In alternativa, i valori offset possono essere corretti e rilevati anche con sensori magnetoresistivi .

Risulta inoltre vantaggioso il fatto che la precisione di misurazione del sensore di angolo venga sorvegliata mediante una funzione diagnostica. I funzionamenti erronei possono essere facilmente segnalati. In particolare in caso di superamento di un prestabilito valore limite per l'offset, è possibile emettere un segnale d'allarme, per cui possono corrispondentemente reagire dei dispositivi elettronici.

L'applicazione del procedimento in un misuratore di angolo all'interno di un autoveicolo, per esempio in corrispondenza di un albero trasversale dello sterzo, appare quindi particolarmente vantaggiosa, poiché in questo caso sono necessarie delle elevate esigenze di precisione e di affidabilità del dispositivo di misurazione .

Disegni

L'invenzione verrà a seguito descritta più dettagliatamente con riferimento ad un esempio esecutivo illustrato nei disegni, nei quali:

- la fig. 1 illustra un misuratore di angolo su un albero girevole,

- la fig. 2 illustra una tabella,

- la fig. 3 illustra dei diagrammi con segnali di angolo,

- la fig. 4 illustra un'ulteriore tabella,

- la fig. 5 illustra dei diagrammi con curve di offset,

- la fig. 6 illustra dei diagrammi offset in caso di un drift a lungo termine.

Descrizione degli esempi esecutivi La fig. 1 illustra un misuratore 1 di angolo disposto in un punto opportuno di un albero 3. L'albero 3 è per esempio un albero trasversale dello sterzo od un tirante laterale comando sterzo di un autoveicolo. In alternativa, si prevede di disporre il sensore d'angolo 1 anche all'estremità dell'albero 3.

Il sensore d'angolo 1 presenta in sostanza un rilevatore 2, il quale è per esempio realizzato quale anello e può presentare una o più tacche. Queste tacche possono essere realizzate otticamente, induttivamente, magneticamente od in modo comunemente noto. Inoltre si prevede un sensore 5 il quale, in base alla sua disposizione e realizzazione esplora le tacche del rilevatore 2 e trasmette dei corrispondenti segnali ad un'unità elaboratrice 10, con la quale esso è montato sulla stessa piastra portacircuiti 4. Per mantenere limitate le dimensioni costruttive, nella piastra portacircuiti 4 si prevede una sfinestratura 8, nella quale s'immerge parzialmente il rilevatore 2.

Una forma esecutiva preferita presenta un rilevatore magnetizzato 2, il quale viene esplorato da un sensore 5 magnetoresistivo . Il sensore 5 è per esempio un elemento sensore AMR o GMR e fornisce, in virtù del suo montaggio su uscite separate, un segnale sinusoidale e cosinusoidale in modo dipendente dall'angolo di rotazione dell'albero 3.

In una forma esecutiva alternativa si prevede che il rilevatore 2 sia disposto all'estremità dell'albero 3, laddove per esempio il rilevatore 2 è realizzato quale magnete piatto cilindrico o di forma parallelepipeda rettangolare. Il principio di realizzazione del sensore 5 e della misurazione dell'angolo è di per sé noto. Il sensore 5 presenta in sostanza due ponti completi AMR ruotati di 45° od in alternativa due ponti completi GMR ruotati di 90°, i quali forniscono il segnale seno ovvero coseno. La determinazione angolare avviene poi attraverso un'operazione arcotangente, applicata al segnale seno e coseno.

Il funzionamento di questa disposizione verrà descritto più dettagliatamente con riferimento alle seguenti figure. Per un'esatta determinazione angolare, i segnali seno e coseno devono avere la stessa ampiezza e non possono presentare un offset. Ciò deve essere mantenuto in particolare sul campo di temperatura valido per esempio nell'ambito degli autoveicoli. L'esperienza ha tuttavia dimostrato che un offset-drift subentra sia con il crescere della temperatura, che per la durata utile dei sensori 5 (drift a lungo termine). A seconda delle circostanze, ciò comporta che la precisione di misurazione di un sensore 5 tarato alla temperatura ambiente può fortemente peggiorare nel corso del tempo di sollecitazione ed in particolare in presenza di elevate temperature.

La fig. 2 illustra nella parte superiore della tabella innanzi tutto la formula per il calcolo delle tensioni di segnale seno e coseno, considerando anche l'offset dipendente dalla temperatura e l'offset il quale subentra a seguito di una sollecitazione duratura. Nella parte inferiore della tabella della fig. 2 sono indicati alcuni parametri, i quali possono essere misurati con sensori comunemente in commercio.

La fig. 3 illustra nel dettaglio come i segnali seno e coseno possono variare in modo dipendente dalla temperatura. Nella parte sinistra della fig. 3 è illustrato il segnale seno e coseno per la temperatura ambiente con linee tratteggiate e per una maggiore temperatura a linee piene. A tale scopo è stato impiegato un rilevatore magnetizzato a grande superficie, per cui una completa oscillazione seno (periodo) corrisponde ad un angolo di rotazione di 180°. Nel caso di una completa rotazione vengono quindi riprodotti due periodi. In questo caso non è presente alcun offset-drift. I due diagrammi nel centro della fig. 2 mostrano invece delle curve seno e coseno, le quali sono munite di un offset positivo ovvero negativo. Nel diagramma di destra sono stati riportati i risultanti errori angolari.

La fig. 4 illustra un'ulteriore tabella che riproduce il comportamento offset sul lungo periodo. Nella parte sinistra della tabella sono illustrati dei valori iniziali. L'errore angolare ammonta in questo caso a /- 1,3°. Le due tabelle nella parte destra della fig. 4 illustrano invece un angolo errato con /-2,9° ovvero /- 3,6° dopo 5000 ore di sollecitazione continua. Le osservazioni sono state eseguite rispettivamente per la temperatura d'esercizio di 150°C.

La fig. 5 illustra tre ulteriori diagrammi con curve offset, le quali sono state rilevate in un intervallo di temperatura da -50° a 150°. Il diagramma di sinistra della fig. 5 con linea caratteristica punteggiata mostra nel contempo dei valori di misurazione per l'offset del primo ponte del sensore 5 (ponte coseno) e comparabilmente il diagramma centrale per il secondo ponte (ponte seno) dello stesso sensore 5. Le curve piene sono state comparabilmente calcolate (Fit) e rappresentano la funzione d'approssimazione che si ottiene mediante un polinomio di terzo ordine. Il diagramma di destra della fig. 5 mostra l'errore dell'angolo di misurazione (error°) che risulta dalla formazione arcotangente dei segnali seno e coseno, laddove il loro offset è stato eliminato mediante le funzioni di approssimazione polinomiche.

Le curve illustrate sono state misurate a titolo d'esempio e mostrano l'andamento offset non lineare del ponte coseno (diagramma di sinistra) ed il ponte seno (diagramma centrale) di un singolo sensore 5 in rapporto al campo di temperatura di -50°C a 150°C in genere presente in un autoveicolo e scelto solo a titolo d'esempio. Come risulta evidente dalla linee piene, il coefficiente di temperatura non lineare, vale a dire l'offset può essere facilmente descritto in modo relativamente ottimale mediante il polinomio di terzo ordine, correggendo in modo efficace l'angolo di rotazione misurato. Come mostra il diagramma di destra, l'errore angolare risultante è molto piccolo.

Per il calcolo (Fit) sono sufficienti due valori di sostegno e ne vengono utilizzati preferibilmente 3-4. Ogni sensore viene riscaldato a tale scopo ai corrispondenti valori di temperatura, l'offset viene determinato e la funzione di approssimazione viene calcolata .

Il risultato viene registrato preferibilmente in una tabella ed è quindi facilmente accessibile. Ciò avviene in un modo di calibrazione dopo la preparazione del sensore. Durante il successivo funzionamento, la resistenza degli elemento AMR, i quali sono realizzati a ponte, serve in aggiunta quale sensore di temperatura. Il suo andamento di temperatura è sufficientemente lineare e riproducibile, per cui con l'elemento AMR è possibile misurare direttamente anche la temperatura.

Nell'ambito della produzione o durante il montaggio del sensore è necessario determinare i coefficienti della temperatura offset di ogni sensore, poiché non è possibile prestabilire l'esatto andamento offset. Per determinare i valori di sostegno per il Fit, nel caso delle temperature impostate viene per esempio ruotato un magnete di riferimento attraverso il sensore. Il rispettivo offset può poi essere calcolato mediante adattamento dei segnali seno e coseno rilevati o mediante la formazione della media. In alternativa al magnete di riferimento rotante si può utilizzare un elettromagnete per stabilire la direzione.

La fig. 6 illustra in via schematica lo sviluppo temporale dell'offset nel caso di uno spostamento della temperatura elevata, laddove delle misurazioni intermedie vengono eseguite a prestabiliti intervalli di tempo. L'asse sinistro del diagramma mostra l'offset-drift, mentre l'asse destro riproduce l'angolo errato risultante da ciò a temperatura ambiente (25°C) ovvero a 150°C. Le due curve illustrate si differenziano fra loro per il fatto che nel caso della curva punteggiata non è stata eseguita una sollecitazione preliminare termica. La linea caratteristica piena indica invece il comportamento offset secondo una sollecitazione di temperatura eseguita (burn-in), la quale è stata inserita a monte della sollecitazione permanente.

L'esperienza ha dimostrato che ogni sensore si comporta in modo differente, per cui non è possibile eseguire una precisa previsione sull'offset-drift. Per potere tuttavia correggere l'offset-drift a lungo termine si propone secondo l'invenzione il seguente procedimento di correzione: durante il processo di sterzatura, dalle ampiezze di segnale viene determinato l'offset con la formazione della media. Quando, con l'utilizzo di un sensore AMR, l'angolo di sterzatura copre almeno 90°, vale a dire che l'angolo elettronico ammonta a due volte l'angolo meccanico, quindi a 180°, allora è possibile calcolare mediante la formazione della media almeno uno dei due offset di ponte, poiché i due ponti del sensore AMR sono disposti ad un angolo di 45° fra loro. L'offset così rilevato viene memorizzato e gradualmente corretto. Questa correzione graduale, la quale viene realizzata per esempio dal punto di vista circuitale per mezzo di un passabasso, impedisce delle variazioni improvvise dell'offset. Tali variazioni improvvise si verificherebbero in modo obbligato, poiché le deviazioni fra l'effettivo andamento della temperatura di offset e quello calcolato (Fit) non sarebbero differenziabili dai offset-drift a lungo termine.

Un ulteriore aspetto sostanziale dell'invenzione è considerato anche dal fatto che i valori di angolo o di offset rilevati vengono sorvegliati mediante una funzione diagnostica. All'atto del superamento di un prestabilito limite, è poi possibile emettere una corrispondente segnalazione di errore.

L'impiego di una funzione di diagnosi è importante poiché, nel caso dell'algoritmo di Cordic impiegato in genere per il calcolo arcotangente, viene automaticamente calcolata la somma dei quadrati dei segnali seno e coseno. Questo valore dovrebbe essere costante, corrispondentemente al noto rapporto matematico: 1. Effettivamente, il valore, a seconda della grandezza del coefficiente di temperatura delle ampiezze di segnale e offset, si aggira in un determinato campo di valore e fornisce quindi la relazione fra un angolo errato e la durata d'intervento del sensore. Durante la taratura della temperatura dopo la preparazione del sensore, viene rilevato il campo di valore di questo fattore di diagnosi. L'angolo errato massimo tollerabile può essere trasformato in un massimo valore di diagnosi. Non appena il sensore viene approssimato durante il successivo funzionamento quale valore limite prestabilito o supera il valore durante la durata utile, viene emesso il segnale di allarme precedentemente menzionato. In questo modo si possono vantaggiosamente rilevare sia dei drift a lungo termine troppo forti, ma anche delle variazioni erronee degli elementi sensori.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la compensazione di un offsetdrift di un misuratore (1) di angolo, il cui elemento sensore (5) esplora un rilevatore (2) disposto su un albero (3), laddove l'elemento sensore (5), corrispondentemente all'angolo di rotazione dell'albero (3), fornisce un segnale sinusoidale o cosinusoidale ad un'unità elaboratrice (10), la quale dai segnali ricevuti determina l'angolo di rotazione mediante la formazione di un'arcotangente, caratterizzato dal fatto che l'unità elaboratrice (10) presenta un algoritmo, con il quale, dai valori seno e coseno misurati o dai valori derivati da essi, viene rilevato un valore di offset e con i quali, in modo dipendente dalla temperatura e/o il tempo, vengono corretti i segnali dei sensori e quindi l'angolo di rotazione.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i valori di offset vengono stabiliti entro un prestabilito intervallo di temperatura .
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che viene prestabilito l'intervallo di temperatura per le temperature rilevanti nell'autoveicolo.
4. 4. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni , caratterizzato dal fatto che il rilevamento dei valori di offset e/o di un coefficiente di temperatura avviene in un passo di calibratura con almeno due prestabiliti livelli di temperatura.
5. 5. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'algoritmo presenta un coefficiente di temperatura non lineare .
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il coefficiente di temperatura non lineare viene descritto per mezzo di un polinomio di terzo ordine.
7. 7. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che i valori di offset rilevati vengono registrati in una tabella.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che vengono determinati dei valori intermedi per l'offset mediante interpolazione.
9. 9. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che durante l'esercizio del misuratore d'angolo, attraverso ripetute misurazione d'angolo, viene calcolato un valore di offset a lungo termine mediante formazione della media, laddove il calcolo dell'offset a lungo termine avviene in caso di superamento di un angolo di rotazione di 90°.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il valore di offset rilevato viene memorizzato e preso in considerazione per la correzione graduale.
11. 11. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che le correzioni offset vengono eseguite su un sensore (5) e/o rilevatore (2), il quale opera secondo un principio ottico.
12. 12. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 1 a 10, caratterizzato dal fatto che le correzioni offset vengono eseguite su un sensore (5) e/o rilevatore (2), il quale opera secondo un principio magnetoresistivo .
13. 13. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che con l'ausilio di una funzione di diagnosi viene segnalato un superamento di un prestabilito limite di offset.
14. 14. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il sensore (1) di angolo è disposto su un albero trasversale dello sterzo (3) di un autoveicolo.