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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Messtechnik, genauer der Winkelmessung.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur analogen Winkelsignalauswertung mittels Messung der X- und Y-Komponente
eines magnetischen Feldes, welches dem zu messenden Winkel eindeutig
zugeordnet ist.
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Stand der Technik und Nachteile
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Verfahren
und Vorrichtungen zu Winkelmessung sind hinlänglich aus
dem Stand der Technik bekannt. Zur Messung kommen neben rein mechanischen
Verfahren insbesondere auch elektromechanische Verfahren zum Einsatz
oder solche, die dem Winkel eine bestimmte Anzahl elektrooptischer
Impulse zuordnen, beispielsweise durch die Verwendung entsprechend
kodierter Drehscheiben. Dementsprechend lassen sich inkrementelle
von kontinuierlichen Messverfahren unterscheiden.
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Je
nach Einsatzgebiet werden Drehwinkelgeber benötigt, die
mehrfache, auch sehr schnelle Drehungen sicher erfassen können,
oder auch solche, die nur für einen eingeschränkten
Winkelbereich bzw. langsame Winkeländerungsgeschwindigkeiten
einsetzbar sind. Es liegt auf der Hand, dass die für den
letztgenannten Bereich nutzbaren Vorrichtungen im Allgemeinen kostengünstiger
herstellbar sind als für den erstgenannten.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels besteht in
der Kopplung des drehbaren Gegenstandes, beispielsweise einer Lüftungsklappe,
mit einem als Stabmagneten ausgebildeten Feldgenerator, der ein
(in dessen Stärke konstantes) magnetisches Feld erzeugt.
Das magnetische Feld, dessen Ausrichtung von der Position des drehbaren
Gegenstandes bevorzugt proportional abhängig ist, ist dabei
in eine X- und Y-Komponente zerlegbar. Diese einzelnen Komponenten
werden dann beispielsweise mittels einer magnetoresistiven Brückenschaltung
erfasst.
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Am
Ausgang der Brückenschaltung erhält man dann die
Spannung Ux =
U= + ΔU·cos(2·Φ) Gl. 1 Uy = U= + ΔU·sin(2·Φ) Gl. 2
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Diese
Spannungen enthalten dabei einen Gleichanteil U=,
der beispielsweise durch einen Abgleich eliminiert werden kann.
Durch eine Division der Spannungen erhält man (Uy – U=)/(Ux – U=) = tan(2·Φ), Gl. 3wobei die
Schwankungen der Amplitude ΔU eliminiert werden. Aus der
Umkehrfunktion Arcustangens (atan) lässt sich der gesuchte
Winkel bilden: Φ = 1/2·atan[(Uy – U=)/(Ux – U=)]. Gl. 4
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Durch
Fertigungstoleranzen oder aufgrund der häufig schwer bestimmbaren
genauen Orientierung des oben genannten Stabmagneten ist dem Winkel Φ häufig
ein Offset Φ0 überlagert,
der zu beseitigen ist.
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Die
Berechnung der beschriebenen Funktionen geschieht gewöhnlich
durch die Digitalisierung der beiden Brückensignale mittels
zwei A/D-Wandlerkanälen und unter Verwendung eines digitalen
Signalprozessors. Auf diese Weise ist es möglich, die Berechnungen
sehr genau und mit einer hohen Taktrate (Signalbandbreite) auszuführen.
Insbesondere ab Taktraten von einigen Kilohertz werden jedoch aufwändige
Schaltungen benötigt, die entsprechend hohe Kosten verursachen.
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Eine
derartige Winkelmessvorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt
beispielsweise die Druckschrift
DE 202 105 48 U1 . Die Vorrichtung ist dabei
so aufgebaut, dass sie eine Brückenschaltung umfasst, bei der
die Brückenspannung anhängig von der Position
einer Verstelleinrichtung entlang eines Verstellweges variiert,
wobei die Ausgänge der Brückenschaltung mit einem
Differenzverstärker verbunden sind, der eine analoge Verstärkungsstufe
und einen digitalen Differenzierer aufweist. Die Verstelleinrichtung
ist dabei mit einem Stabmagneten gekoppelt, welcher das in Form
eines sich ändernden Magnetfeldes vorliegende Signal erzeugt,
sofern sich der Stabmagnet entlang des Verstellweges bewegt. Insbesondere
der digitale Teil der Schaltung ist, wie oben erwähnt,
nur unter entsprechenden Kosten realisierbar. Zudem findet die Vorrichtung
der Druckschrift im Rahmen der Verstelleinrichtung von Kfz-Sitzen
Verwendung, also in einem Bereich, in welchem die mittels der vorgeschlagenen
Schaltung erreichbaren hohen Frequenzen überhaupt nicht
auftreten.
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Aufgabe der Erfindung und
Lösung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist demnach, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Insbesondere soll die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitstellen, mit welchem bzw. mit welcher die Messung eines Drehwinkels
sowohl für niedrige als auch für hohe Bandbreiten
möglich und unter möglichst niedrigen Kosten realisierbar
ist.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des erfindungsgemäßen
Verfahrens nach Anspruch 1 sowie die Merkmale der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen
Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
und den Figuren zu entnehmen.
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Beschreibung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden detailliert
erläutert.
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Die
Winkelmessung einer drehenden Struktur erfolgt erfindungsgemäß mittels
einer Messung der X- und Y-Komponente eines magnetischen Feldes,
welches dem Winkel eindeutig zugeordnet ist. Das magnetische Feld
kann dabei durch einen beliebigen Feldgenerator bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die
folgenden Schritte:
- (a) Analoge Messung der
X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes mit einer magnetoresistiven
Brückenschaltung;
- (b) Analoge Division der beiden Komponenten des magnetischen
Feldes;
- (c) Analoge Ermittlung des Arcustangens der Division;
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Das
Berechnungsergebnis des Schrittes (c) entspricht dabei dem gesuchten
Winkel Φ. Die zur Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen
Feldes und zur Durchführung der Berechnungen benötigten Komponenten
werden später im Rahmen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung genauer beschrieben. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass sämtliche Berechnungsvorgänge
mittels analoger Schaltungen durchgeführt werden. Durch
die Verwendung analoger Komponenten kann einerseits eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit
erzielt werden, wobei andererseits die Kosten für die entsprechenden
Komponenten deutlich geringer sind als für Komponenten,
die eine Signalverarbeitung auf digitaler Basis durchführen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen den Schritten
(a) und (b) noch ein Schritt eingefügt, in welchem ein
eventuell vorhandener Gleichanteil eliminiert wird. Dies wird besonders
bevorzugt durch einen Abgleich erreicht.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zwischen
den Schritten (b) und (c) noch ein Schritt eingefügt, in
welchem ein eventuell vorhandener Offset des Winkels beseitigt wird.
Ein Offset des Winkels entspricht dabei einer Verdrehung des Koordinatensystems
um den Nullpunkt (0, 0), welche durch geeignete Rechenoperationen,
wie später gezeigt, beseitigt werden kann.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die im
Schritt (c) genannte analoge Ermittlung des Arcustangens angenähert
(approximiert). Für kleine Winkel kann nämlich
die exakte Berechnung, zu der entsprechend aufwändige Berechnungseinrichtungen
wie z. B. Mikrocontroller notwendig sind, durch folgenden Term angenähert
werden, der besonders einfach durch eine analoge Schaltung darstellbar
ist: atan(x) ≈ a1·x
+ a3·x3 Gl. 5
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Besonders
bevorzugt wird die analoge Ermittlung des Arcustangens mittels analoger
Multilplizierer, Addierer und Operationsverstärker durchgeführt.
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Die
Koeffizienten a1 und a3 müssen
dabei zunächst separat ermittelt werden.
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Besonders
bevorzugt ist das Ziel der Ermittlung, dass der mittlere Fehler F = [atan(x) – (a1·x
+ a3·x3)]2 Gl.
6über das Messintervall,
also den Bereich, in welchem der Winkel Φ gemessen werden
soll, minimal wird.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Anpassung der Koeffizienten a1 und
a3 mittels Simulation. Alternativ kann die
Anpassung auch durch Versuche oder durch analytische Untersuchungen
erfolgen.
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Zur
Minimierung des Fehlers F ist es aufgrund der Punktsymmetrie der
Arcustangens-Funktion zum Ursprung (x, y) = (0, 0) nötig,
den Offset Φ
0 zu minimieren, bzw.
das Eingangssignal offsetfrei zu machen. Der in Form der oben erwähnten
Verdrehung des Koordinatensystems um einen Winkel Φ
0 vorliegende Offset kann durch eine Rücktransformation
der Form
beseitigt
werden.
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Für
den Fall kleiner Winkel ist es möglich, die Rücktransformation
durch eine Annäherungslösung approximiert wird.
Dies kann beispielsweise mittels der Funktion
erreicht
werden, die ohne die aufwändige Berechnung der Sinus- und
Cosinusterme auskommt und die bekannte Annäherung nutzt,
dass für kleine Winkel der Cosinus in etwa 1 ist und der
Sinus eines Winkels in etwa dem Winkel selber entspricht.
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Besonders
bevorzugt werden zur schaltungstechnischen Realisierung der oben
genannten Rechenoperationen Operationsverstärker und analoge
Multiplizierer verwendet. Nach einer weiteren Ausführungsform wird
daher die zur Normierung notwendige Division durch einen Multiplizierer
im Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers
realisiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur
Messung von Drehwinkeln geeignet, die einen Bereich von einigen
10 Grad umfassen. Dementsprechend kann der maximale Messwinkel bei
unidirektionaler Abweichung von einer Nulllage ca. 90 Grad, und
bei einer bidirektionalen Abweichung von einer Nulllage ca. ±45
Grad betragen.
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Die
Erfindung offenbart weiter eine Vorrichtung zur Winkelmessung einer
drehenden Struktur mit einem magnetischen Feld zur Messung der X-
und Y-Komponente des magnetischen Feldes, welches dem zu messenden
Winkel der Struktur eindeutig zugeordnet ist. Dabei umfasst die
erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Komponenten:
- – einen Feldgenerator zur Erzeugung
eines magnetischen Feldes in Abhängigkeit des zu messenden
Winkels;
- – eine Feldmesseinrichtung zur Messung der X- und Y-Komponente
des magnetischen Feldes;
- – eine Berechnungseinrichtung zur Berechnung des Winkels
aus den X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes.
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Erfindungsgemäß ist
dabei vorgesehen, dass die Berechnungseinrichtung im Wesentlichen
aus analogen Schaltungskomponenten aufgebaut ist.
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Der
Feldgenerator kann dabei bevorzugt ein Stabmagnet sein. Dieser Stabmagnet
kann dabei besonders bevorzugt die Form einer Scheibe haben, von
der eine Hälfte den Südpol und die andere Hälfte
den Nordpol bildet. Alternativ kann der Stabmagnet auch eine andere
Form haben, die geeignet ist, ein Magnetfeld zwischen den beiden
Polen herauszubilden, dessen Drehung zu einer Änderung
der magnetischen Feldstärke bzw. ihrer Ausrichtung führt.
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Es
ist ferner bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Messung der X- und
Y-Komponente des magnetischen Feldes zwei magnetoresitive Brücken
umfasst. Alternativ können selbstverständlich
auch alle anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren
bzw. Schaltungen verwendet werden, um die X- und die Y-Komponente
des sich ändernden magnetischen Feldes zu messen.
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Die
erfindungsgemäß vorhandene Berechnungseinrichtung,
mit der die dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden
Berechnungen durchgeführt werden, umfasst besonders bevorzugt
im Wesentlichen Operationsverstärker und analoge Multiplizierer.
Es ist klar, dass daneben notwendigerweise auch Elemente wie elektrische
Leitungen, eine Energieversorgung etc. vorhanden sein müssen.
Durch die Verwendung ausschließlich analoger Schaltungselemente
wird dabei sichergestellt, dass die Kosten der Berechnungseinheit niedrig
bleiben, da auf teurere digitale Komponenten vollständig
verzichtet werden kann. Des Weiteren bieten die analogen Schaltungen
eine sehr hohe Berechnungsgeschwindigkeit, so dass auch schnelle
Winkeländerungen bzw. große Signalbandbreiten
durch die Schaltung abgedeckt werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass die in der
Berechnungseinrichtung eingesetzten Operationsverstärker
und analogen Multiplizierer die Funktion atan(x) ≈ a1·x + a3·x3 annähern. In diesem Zusammenhang
sei auf die 2 und die entsprechende Beschreibung
hingewiesen.
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Besonders
bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
im Bereich der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. In diesem Gebiet
ist insbesondere die Zuverlässigkeit einfacher analoger
Schaltungen gegenüber komplexen und oft fehleranfälligen
digitalen Schaltungen von besonderer Wichtigkeit.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, mit
welchem bzw. mit welcher die Messung eines Drehwinkels sowohl für
niedrige als auch für hohe Bandbreiten möglich
ist. Im Vergleich zu digitalen Schaltungen ist die erfindungsgemäße
Vorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auch unter niedrigen Kosten realisierbar.
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Figurenübersicht
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Messprinzips.
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2 zeigt
die Struktur einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Analogschaltung.
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Figurenbeschreibung
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung des Messprinzips, wie es die erfindungsgemäße
Vorrichtung, aber auch der Stand der Technik nutzt. Gezeigt ist
Feldgenerator 1 in Form eines scheibenförmigen Stabmagneten,
dessen linke Hälfte als Nordpol N und dessen rechte Hälfte
als Südpol S ausgebildet ist. Die gestrichelte Linie deutet
an, dass der Feldgenerator leicht gekippt ausgerichtet ist, d. h.
in der Summe verlaufen seine Feldlinien nicht exakt in der Horizontalen,
sondern sind um einen Winkel Φ gekippt. Diese Kippung kommt
durch eine (nicht dargestellte) mechanische Verbindung zwischen
dem Feldgenerator 1 und einem (ebenfalls nicht dargestellten)
drehbaren Gegenstand, dessen Kippung gemessen werden soll, zustande.
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Seitlich
neben dem Feldgenerator 1 ist die Feldmesseinrichtung 2 zur
Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes angeordnet.
Diese umfasst in der dargestellten Ausführungsform zwei
magnetoresistive Brücken 3A und 3B. Diese
beiden Brücken 3A und 3B sind für
die Messung der X- respektive der Y-Komponente des magnetischen
Feldes zuständig. An den Ausgängen der beiden Brücken
stehen die Spannungen Ux bzw. Uy zur
Verfügung, die den jeweiligen Feldkomponenten entsprechen.
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Die 2 zeigt
die Struktur einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Analogschaltung.
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An
den links dargestellten Eingängen liegen die mit dem Offset Φ0 überlagerten Spannungen Ux' und Uy' an. Außerdem
liegt der Gleichanteil U= an.
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Der
restliche Teil der linken Hälfte der Schaltung dient der
Umsetzung der Rücktransformation des um Φ0 gedrehten Koordinatensystems, sowie der
Umsetzung der Quotientenbildung gemäß Gl. 3. Am
Ausgang dieses Teils der Schaltung liegt erfindungsgemäß das
Ergebnis der Gl. 3 an.
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Die
rechte Hälfte der Schaltung dient der Umsetzung der in
Gl. 5 dargestellten Ersatzfunktion für den Arcustangens,
welche die Berechnung des Arcustangens annähert und insbesondere
für kleine Winkel (einige 10 Grad) ausreichende Genauigkeit
bietet. Durch Verwendung des Ersatzkoeffizienten b1 gemäß der
Formel b1 =
a3/a1 Gl. 9kann dieser
Teil der Schaltung auf besonders vorteilhafte Weise und mit analogen
Schaltungskomponenten realisiert werden. Am Ausgang dieses Teils
der Schaltung liegt schließlich ein Spannungswert an, der
dem gesuchten Winkel Φ proportional ist.
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Alle
Komponenten der beiden Teile der Gesamtschaltung bestehen aus einfachen
Operationsverstärkern und analogen Multiplizierern. Digital
arbeitende Komponenten wie z. B. A/D-Wandler sind hingegen nicht notwendig.
Auf diese Weise kann eine besonders kostengünstige Realisierung
der Schaltung erfolgen. Gleichzeitig bieten die analogen Komponenten
eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, so dass auch hohe Signalbandbreiten
verarbeitet werden können, ohne auf teure, digital arbeitende
Komponenten zurückgreifen zu müssen.
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- 1
- Feldgenerator
- 2
- Feldmesseinrichtung
- 3A,
3B
- magnetoresitive
Brücke
- Φ
- Winkel
- Φ0
- Offset
- F
- Fehler
- a1, a3
- Koeffizienten
- b1
- Ersatzkoeffizient
- Ux
- X-Komponente
der Spannung
- Uy
- Y-Komponente
der Spannung
- N
- Nordpol
- S
- Südpol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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