Compensation of the systematic angle error caused by air gap variations using Decision Feedback Equalizer approach

Abstract

Das Messen des Winkels und der Geschwindigkeit von rotierenden Wellen ist eine der wichtigsten Aufgaben im Automobilbereich. Für derartige Messungen können verschiedene Messsysteme verwendet werden, die auf unterschiedlichen Verfahren (optisch, kapazitiv, induktiv, magnetisch, usw.) beruhen. Magnetische Sensoren sind sehr robust gegen äußere Einflüsse wie z.B. Verschmutzung durch Öl und Staub oder Temperaturvariationen. Wegen ihrer hohen Robustheit werden magnetische Sensoren vor allem in Motorapplikationen sehr häufig verwendet. Ein Nachteil magnetischer Winkelmesssysteme ist hingegen deren geringe Genauigkeit von 1° bis 2°.<br />Ein in Motorapplikationen häufig verwendetes Winkelmesssystem besteht aus einer magnetisch kodierten Scheibe und einem Magnetfeldsensor. Die Scheibe wird an der rotierenden Welle montiert und der Sensor befindet sich an einer fixen Winkelposition. Dreht sich die Welle, so bewegt sich die Kodierung der Scheibe am Sensor vorbei. Das am Sensor auftretende Magnetfeld wird durch physikalische Effekte erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses elektrische Sensorsignal ist eine elektrische Abbildung der Kodierung der Scheibe. Ist dem Motorsteuergerät die Kodierung der Scheibe bekannt, so kann es durch das Auswerten des elektrischen Sensorsignals den Winkel und die Geschwindigkeit der Welle bestimmen.<br />Heutige Sensoren verwenden meist einen Nulldurchgangsdetektor, um die analoge Spannung in ein binäres Signal umzuwandeln. Der Nulldurchgang des analogen Signals kann sehr genau bestimmt werden und Winkelmessungen mit einer Genauigkeit von 0.06° sind möglich. Verändert sich jedoch der Luftspalt zwischen der kodierten Scheibe und dem Magnetfeldsensor, so kommt es zu einer Verschiebung der Nulldurchgänge und es entsteht dadurch ein systematischer Messfehler von bis zu 2°.<br />In Motorapplikationen ändert sich der Luftspalt unter anderem durch mechanische Fertigungstoleranzen und Vibrationen. Fertigungstoleranzen können nicht verhindert werden. Vibrationen werden in Zukunft sogar zunehmen, da das Gewicht von Motoren weiter reduziert werden wird. Da Änderungen des Luftspalts auftreten, kann der systematische Winkelfehler nicht verhindert werden. Die Genauigkeit des Messsystems kann nur durch die Kompensation des systematischen Fehlers erhöht werden.<br />Durch neue Technologien von mikroelektronischen Schaltungen ist es heute möglich, auf relativ geringer Chipfläche bereits komplexe digitale Signalverarbeitung durchzuführen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwiefern digitale Signalverarbeitung eingesetzt werden kann, um den systematischen Winkelfehler zu kompensieren.<br />Die vorgestellte digitale Filterstruktur basiert auf dem so genannten »Decision Feedback Equalizer« (DFE), der vor allem in der digitalen Nachrichtentechnik verwendet wird. Der DFE wurde modifiziert und für die Anwendung in Messsystemen optimiert. Der modifizierte DFE kompensiert die Verschiebung der Nulldurchgänge und erhöht damit die Winkelgenauigkeit. Durch die Modifikation konnte die zur Realisierung benötigte Hardware, im Vergleich zum herkömmlichen DFE, stark reduziert werden.<br />Die Filterkoeffizienten des modifizierten DFEs werden durch einen adaptiven Algorithmus bestimmt. Die Filterkoeffizienten werden dabei nicht direkt, sondern über ein physikalisches Modell der Messanordnung adaptiert. Adaptiert man die physikalischen Parameterwerte anstelle der Filterkoeffizienten, so wird die Robustheit und Geschwindigkeit der Adaption erhöht. Zudem sind die physikalischen Parameterwerte (z.B. der Luftspalt) dem Algorithmus nach abgeschlossener Adaption bekannt und können für andere Zwecke verwendet werden.<br />Die Komplexität des modifizierten DFEs und adaptiven Algorithmus kann reduziert werden, indem man einen Systemtakt verwendet, der synchron zur Geschwindigkeit der rotierenden Welle ist. Die Nockenwelle wird durch die unterschiedlichen Phasen des Verbrennungsmotors (z.B. Kompression, Explosion) kurzzeitig beschleunigt oder abgebremst. Eine Phasenregelschleife (»phase locked loop«) kann diesen Geschwindigkeitsfluktuationen nicht folgen. Deshalb wird zur Erzeugung des Systemtakts eine Kombination aus einer Phasenregelschleife und einer variablen Verzögerungskette (»Delay Line«) eingesetzt. Die Phasenregelschleife erzeugt ein Signal mit konstanter Frequenz, welches durch die variable Verzögerungskette phasenmoduliert wird.<br />Durch die in dieser Arbeit vorgestellte Filterstruktur kann der systematische Winkelfehler des magnetischen Messsystems kompensiert werden. In den präsentierten Simulationsergebnissen wird der systematische Fehler von 1.8° auf 0.45° reduziert. Verwendet man einen DFE mit mehr Koeffizienten und höherer Taktfrequenz, so kann der Winkelfehler weiter reduziert werden. Die Genauigkeit des Messsystems wird durch das Filterdesign bestimmt.<br />

Precise speed and angle measurements of rotating shafts are very important in mechanical engineering applications, particularly in automotive engineering. Several different sensing techniques including optical, capacitive, inductive, and magnetic technique can be used to measure the angle and speed of a rotating shaft. Because of the harsh environment within the engine compartment, a very robust sensing arrangement is required for measurements. Due to their high degree of robustness and low production costs, magnetic field sensors have been the preferred types of sensors for engine applications in recent decades. The main disadvantage of using the magnetic technique for angle measurement is its limited angle accuracy, which ranges from 1° to 2°.<br />The typical sensing arrangement in engine applications consists of a magnetically patterned wheel that is mounted on a rotating shaft, and a magnetic field sensor element mounted at a fixed angular position. The sensor element converts the applied field into an electrical signal, which upon first consideration is linear in proportion to the applied magnetic field. The output signal of the sensor element is an electric image of the pattern on the wheel. If the engine control unit knows the magnetic pattern on the wheel, it can determine the speed and angle of the rotating shaft by evaluating the electric image.<br />Sensor concepts employed today use zero crossing detection to transform the analog electrical signal into a binary sequence. The accuracy of zero crossing detection is high and allows angle measurements with an accuracy of 0.06°. However, variations of the air gap between the sensor element and pole wheel cause displacements of the zero crossing positions and can result in a systematic angle error of up to 2°.<br />The systematic angle error can be avoided by keeping the air gap constant. However, mounting and packaging tolerances, as well as mechanical vibrations, cause air gap variations. Tolerances cannot be avoided, and vibrations are expected to increase in the future due to the reduction of engine weight. Therefore, in this application, the systematic angle error cannot be avoided and must be compensated.<br />High integration densities of new semiconductor technologies allow the integration of complex digital signal processing onto a small silicon area. Due to new technologies, high processing power is also available on the small chip area of integrated sensors. The aim of this thesis is to find a solution for increasing the angle accuracy by compensating the gapdependent displacement, using the processing power available on today's integrated magnetic field sensors.<br />This thesis presents one possible solution for overcoming the problem.<br />The decision feedback equalizer (DFE), commonly used in digital communication, was modified for use in the sensing arrangement. The modified DFE is used to compensate the displacement, which improves the angle accuracy. The required hardware for the modified DFE is small compared to the conventional DFE.<br />An adaptive algorithm estimates the filter coefficients of the DFE.<br />Rather than estimating the filter coefficients directly, a simple physical model of the sensing arrangement is used. The estimation of the physical parameter values allows an increase in the adaption speed and a reduction in the complexity of the adaptive algorithm. As a further benefit, the physical parameter values (e.g., the air gap) are estimated and become known after adaption is completed.<br />The complexity of the DFE and adaptive algorithm can be reduced if the clock signal is synchronous to the rotational speed of the shaft.<br />Therefore, a modified phase locked loop (PLL) is used to generate a clock signal with variable frequency.<br />Simulations show that the displacement of the zero crossings can be compensated, and the angle accuracy can be reduced from 1.8° to 0.45°.<br />Further improvements are possible by increasing the filter length and clock frequency. The accuracy of the sensing arrangement can now be defined by design.