DE19548385C2

DE19548385C2 - Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehachse eines Gegenstandes durch einen Rechner

Info

Publication number: DE19548385C2
Application number: DE19548385A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ludwig; Wolfgang Dr Schelter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: DE19548385A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem es möglich ist, aus zwei von zwei Richtungssensoren gelieferten sinusförmigen Signalen eine absolute Winkelposition einer Drehachse zu er mitteln, dessen Wert zwischen 0° und 360° liegt.

Hierbei sind die Richtungssensoren derart ausgestaltet, daß sie jeweils als Ausgangssignal abhängig von der Winkelpositi on der zu bewertenden Drehachse ein sinusförmiges Signal auf weisen.

Die Bestimmung einer Winkelposition an der Drehachse ist in vielen technischen Anwendungsgebieten von großer Bedeutung.

Beispiele für Anwendungsgebiete liegen in dem Automobilbe reich, bei dem es zum Beispiel nötig ist, die Position der Kurbelwelle oder auch der Nockenwelle, weiterhin die Position des Getriebes zu messen oder auch ein kontaktloses Potentio meter zu verwirklichen.

Die Bestimmung von einer Winkelposition einer Drehachse eines Gegenstandes ist jedoch auch in anderen technischen Gebieten von erheblicher Bedeutung, so auch in dem Bereich von Werk zeugmaschinen. Weiterhin ist dieses Verfahren in allen tech nischen Gebieten anwendbar, in denen es gilt, eine Winkelpo sition einer Drehachse eines Gegenstandes zu messen.

Aus DE 32 01 005 ist eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur bei Positionsmeßsystemen bekannt. Hierbei wird zur Messung der Relativlage zweier Objekte die Teilung eines Maßstabes, der mit einem Objekt verbunden ist von einer Abtasteineinheit ab geta stet, die mit dem anderen Objekt verbunden ist. Dabei werden Korrekturspuren auf einer magnetischen Folie aufgetragen. Weiterhin werden in dieser Einrichtung Hallelemente einge setzt.

Diese Einrichtung bedeutet zusätzlich zu den ohnehin nötigen Richtungssensoren einen erheblichen zusätzlichen Aufwand durch zusätzliche Korrekturspuren sowie die Hallelemente.

Weiterhin wird bei dem in der bekannten Einrichtung durchge führten Meßverfahren das von dem Richtungssensor gelieferte Sinus-Cosinussignal in ein digitales Signal umgewandelt. Dies erfolgt mehrere tausend Mal pro Umdrehung.

Dieses ist für den Fall, daß man nur eine Periode über 360° vermessen will, nicht einsetzbar.

Das gleiche gilt für die bekannte magnetische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung, die in DE 32 14 794 beschrieben ist.

Aus DE 40 29 828 A1 ist eine Drehwinkelerfassungseinheit be kannt, bei der aus zwei phasenverschobenen Cosinussignalen zur Ermittlung eines Winkels der Winkelbereich von 0° bis 360° in vier Bereiche aufgeteilt wird. Die Aufteilung erfolgt derart, daß zu Beginn des Verfahrens eine Normierung der Co sinussignale durchgeführt wird. Für die normierten Cosi nussignale wird ein Vergleich derer Beträge durchgeführt. An schließend wird für eines der beiden Cosinussignale geprüft, ob der Wert des jeweiligen Cosinussignals größer ist als Null. Abhängig von den zwei Vergleichen wird ein Winkelbe reich ausgewählt, der zur Drehwinkelermittlung verwendet wird.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist vor allem darin zu sehen, daß eine Normierung der Cosinussignale zu Beginn des Verfah rens erforderlich ist.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehachse eines Ge genstandes durch einen Rechner anzugeben, welches die im vo rigen genannten Nachteile der bekannten Meßeinrichtungen ver meidet.

Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Hierbei werden zwei voneinander phasenverschobene sinusförmi ge Signale von zwei um etwa 90° versetzte, nebeneinander an geordnete Richtungssensoren ausgewertet.

Damit ergibt sich auch für die Phasenverschiebung der zwei von den Richtungssensoren gemessenen sinusförmigen Signale eine Verschiebung von etwa 90°.

Diese zwei sinusförmigen Signalverläufe werden innerhalb ei ner Periode von 0 bis 360° weiter verarbeitet.

Das gesamte Intervall von 0° bis 360° wird nun in mindestens vier Bereiche aufgeteilt, in denen jeweils einer der beiden sinusförmigen Signalverläufe als näherungsweise linear be trachtet wird.

Abhängig von den Amplitudenwerten der beiden sinusförmigen Signalverläufe für eine zu bestimmende Winkelposition der Drehachse des Gegenstandes wird nun ein relativer Winkel in einem der mindestens vier Bereiche ermittelt.

Dies erfolgt durch Phasenanpassung und Betragsanpassung einer zuvor ermittelten und gespeicherten Umkehrfunktion eines all gemeinen sinusförmigen Signals. Aus dem relativen Winkel wird unter Berücksichtigung des gewählten Bereichs nunmehr in ei nem letzten Schritt die absolute Winkelposition der Drehachse ermittelt.

Der erhebliche Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß eine einmalige Ermittlung der Werte einer Umkehrfunktion nur eines Teils eines allgemeinen sinusförmigen Signals, nämlich einem näherungsweise linearen Teilbereich des sinusförmigen Signals entsprechend den gewählten Bereichen, ausreicht.

Es ist vorteilhaft, eine obere Schranke sowie eine untere Schranke aus den Schnittpunkten der beiden phasenverschobenen sinusförmigen Signale zu bestimmen. Der jeweilige Bereich, der als Angabe zur entsprechenden Phasen- und Betragsanpas sung verwendet wird, ergibt sich dann aus der einfachen Ab frage, ob jeweils ein erstes sinusförmiges Signal oder ein zweites sinusförmiges Signal über einer oberen Schranke oder unter der unteren Schranke liegt.

Die Ermittlung des absoluten Winkels erfolgt nun ausgehend von den nur einmal zuvor ermittelten Werten der Umkehrfunkti on. Es ist nicht nötig, bei jeder Bestimmung der Winkelposi tion aufs neue die Umkehrfunktionen der von den Richtungssen soren gelieferten sinusförmigen Signale jeweils neu zu ermit teln. Dies spart erheblich die benötigte Rechenzeit bei dem durch den Rechner ausgeführten Verfahren sowie erheblichen Speicherplatzbedarf, da ja auch nur ein Teil einer Umkehr funktion eines allgemeinen sinusförmigen Signalverlaufs ge speichert werden muß.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter verein facht und damit der Rechenzeitbedarf weiter reduziert.

Es ist vorteilhaft, feste, einfache Kriterien zur Auswahl des jeweiligen Bereichs abhängig von dem aktuellen Wert des er sten sinusförmigen Signals und des zweiten sinusförmigen Si gnals zu verwenden. Durch diese Vorgehensweise wird der Re chenzeitbedarf zur Durchführung des Verfahrens weiter redu ziert.

Ferner ist es vorteilhaft, die Umkehrfunktion des mindestens einen näherungsweise linearen Teils eines allgemeinen sinus förmigen Signals durch Summenbildung von tangential an den jeweilgen Kurvenpunkt gelegten Geradengleichungen zu bestim men.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Umkehrfunktion durch Be rechnung einzelner Werte zu ermitteln und die ermittelten Werte in Tabellenform zu speichern. Durch Bildung dieser "Look-up-Table" wird eine erhebliche Reduktion des Rechen zeitbedarfs erreicht.

Sind anwendungstypische Abweichungen der von den Richtungs sensoren real gelieferten sinusförmigen Signale bekannt, ist es vorteilhaft, diese schon bei der Ermittlung der Umkehr funktion zu berücksichtigen und zu kompensieren.

Es ist möglich, daß der Rechner, bei einem einmaligen Umlauf der Winkelposition von 0°-360°, sich die Kriterien zur Bil dung der Bereiche und die Parameter der Umkehrfunktion selbst ausmißt, und sich somit selbst kalibriert.

Um negative Werte bei der Ermittlung der Winkelposition zu vermeiden ist es weiterhin vorteilhaft, zu der Umkehrfunktion einen Offsetwert zu addieren, der später bei der Berechnung des absoluten Winkels ρ_abs wieder berücksichtigt wird.

Zur Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens ist eine Tempera turkompensation, die für die einzelnen Richtungssensoren durchgeführt wird, vorteilhaft.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der gelieferten Ergebnisse ist es vorteilhaft, das erste sinusförmige Signal und/oder das zweite sinusförmige Signal vor der Durchführung des Verfah rens zu verstärken.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Skizze, in der das Funktionsprinzip eines Rich tungssensors, der als GMR-Sensor realisiert ist, dargestellt ist;

Fig. 2 eine prinzipielle Anordnung einer Welle mit einem an der Welle montierten Permanentmagneten und einem gekreuzten Richtungssensorpaar, mit der die Winkelposition der Welle be stimmt wird;

Fig. 3 eine Skizze in der über einen Winkelbereich eines Winkels ϕ von 0° bis 360° die Amplituden AW des ersten sinus förmigen Signals und des zweiten sinusförmigen Signals darge stellt sind;

Fig. 4 eine Skizze, in der die Einteilung des gesamten Win kelbereichs von 360° in in diesem Fall vier Bereiche in denen jeweils ein Teil des ersten sinusförmigen Signals oder des zweiten sinusförmigen Signals als näherungsweise linear ange sehen wird;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, in dem einzelne Verfahrensschrit te des Verfahrens dargestellt sind;

Fig. 6 ein Blockschaltbild, in der die gesamte Meßanordnung, im Rahmen dessen das Verfahren durchgeführt werden kann, dar gestellt ist, bestehend aus einem Analogteil, einem Rechner, und einem Ausgang;

Fig. 7 eine Skizze, in der das Prinzip, das dem Verfahren zugrundeliegt, also ein gekreuztes Richtungssensorpaar und ein sich drehender Permanentmagnet dargestellt sind;

Fig. 8 zwei Brückenschaltungen, die zur Temperaturkompensa tion der gesamten Anordnung beitragen;

Fig. 9 eine Schaltungsanordnung, mit der eine Sensorsignal- Aufbereitung durchgeführt wird;

Anhand der Fig. 1 bis 9 wird die Erfindung weiter erläu tert.

In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip eines Richtungssensors dargestellt.

In diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird von einem soge nannten Giant-Magneto-Resistiven (GMR) Sensor GMR ausgegan gen.

Es kann jedoch jeder Richtungssensor, der ein von der jewei ligen Winkelposition der Drehachse eines Gegenstandes G ab hängigen sinusförmigen Verlauf als Sensorsignal ausgibt, ver wendet werden.

Als Signalgeber ist ein auf dem Gegenstand G, beispielsweise einer drehbaren Welle DW, montierter Permanentmagnet PM vor gesehen (vergleiche Fig. 2).

Durch diesen Permanentmagneten PM wird ein Magnetfeld er zeugt, welches kontaktlos an den GMR-Sensor GMR ankoppelt.

Der GMR-Sensor GMR weist mindestens drei Schichten auf, eine weichmagnetische Schicht WS mit einer Magnetisierung M1, eine metallische Zwischenschicht MZ, durch die die weichmagneti sche Schicht WS und eine im weiteren beschriebene hartmagne tische Schicht HS entkoppelt werden, sowie die hartmagneti sche Schicht HS mit einer fixierten Magnetisierung M2.

Allgemein weist ein GMR-Sensor eine Widerstandsänderung ΔR/R auf, die proportional ist zu dem Cosinus der Winkeldifferenz α zwischen der Feldrichtung der Magnetisierung M1 der weichmagnetischen Schicht WS und der fixierten Magnetisierung M2 der hartmagnetischen Schicht HS.

Bei einer Drehung des Gegenstands G, also beipielsweise der drehbaren Welle DW um 360° ergibt sich also für die Wider standsänderung, die mittels eines Meßstroms MS in dem GMR- Sensor GMR gemessen werden kann, ein cosinusförmiger Signal verlauf.

Somit kann mit einem GMR-Sensor ein 180°-Feldrichtungsencoder hergestellt werden, da man allein aus dem absoluten Wider standswert nicht feststellen kann, ob man sich auf dem fal lenden Ast oder auf dem steigenden Ast der jeweils ermittel ten Cosinuskurve befindet.

Um jedoch eine Winkelposition, die sich im Winkelbereich von 0° bis 360° bewegen kann, zu bestimmen, ist es demnach nötig, zwei GMR-Sensoren GMR1, GMR2 zu verwenden, wobei die zwei GMR-Sensoren GMR1, GMR2 um etwa 90° verdreht angeordnet sind. Damit bilden sie ein gekreuztes Richtungssensorpaar GS (vergleiche Fig. 2).

Dieser prinzipielle Aufbau eines Permanentmagneten PM, dessen Magnetfeld auf das gekreuzte Sensorpaar GS wirkt, ist noch einmal, losgelöst von der drehbaren Welle DW, in Fig. 7 dar gestellt.

Bei Änderung der relativen Position des Permanentmagneten PM bezüglich des gekreuzten Sensorpaares GS liefern beide GMR- Sensoren GMR1, GMR2 Signalverläufe, die jeweils einen cosi nusförmigen bzw. einen sinusförmigen Verlauf aufweisen.

Bei einer Winkeländerung des Permanentmagneten PM von 0° bis 360°, also einer vollen Umdrehung der drehbaren Welle DW ent sprechend, liefert ein erster Richtungssensor GMR1 ein erstes sinusförmiges Signal Sig1 und ein zweiter Richtungssensor GMR2 ein zu dem ersten sinusförmigen Signal Sig1 um etwa 90° phasenverschobenes zweites sinusförmiges Signal Sig2.

Ein Beispiel der phasenverschobenen zwei sinusförmigen Si gnalverläufe Sig1, Sig2 ist in Fig. 3 dargestellt, wobei je weils die Amplitude der sinusförmigen Signale Sig1, Sig2 über einem Winkelbereich von 0° bis 360° aufgetragen ist, wobei die Amplitudenwerte A derart angenommen wurden, daß die Werte der sinusförmigen Signale zwischen 0 und 2 liegen.

Dieser beispielhaft dargestellte Verlauf schränkt die Allge meingültigkeit möglicher sinusförmiger Signale in keiner Wei se ein.

In diesem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ergibt sich also das erste sinusförmige Signal Sig1 zu:
Sig1 = cos(ϕ + 45°) + 1
und das zweite sinusförmige Signal Sig2 ergibt sich zu:
Sig2 = cos(ϕ - 45°) + 1.

Hierbei bezeichnet ein Positionswinkel ϕ den jeweiligen Win kel zwischen der aktuellen Position des Permanentmagneten zu einer vorgebbaren Ruhelage des Permanentmagneten PM.

In Fig. 4 ist nun eine Unterteilung der in Fig. 3 darge stellten Sinus-Verläufe in vier Bereiche I, II, III, IV dar gestellt, in denen entweder das erste sinusförmige Signal Sig1 oder das zweite sinusförmige Signal Sig2 als näherungs weise linear angesehen wird.

Zur Verbesserung der Genauigkeit kann es in einer Weiterbil dung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, das gesamte Intervall von 0° bis 360° in mehr als vier Bereiche zu unterteilen. Dadurch wird die Genauigkeit der linearen Nä herung verbessert.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Bereiche so einzu teilen, daß jeweils die Grenzen der Bereiche durch die Schnittpunkte des ersten sinusförmigen Signals Sig1 mit dem zweiten sinusförmigen Signal Sig2 bestimmt sind.

Dies stellt jedoch keine notwendige Annahme dar. Notwendig ist ausschließlich, daß in den Bereichen ein Ast eines der beiden sinusförmigen Signale Sig1, Sig2 näherungsweise als linear angesehen werden kann.

Für einen der Bereiche wird nun eine Umkehrfunktion eines allgemeinen sinusförmigen Signals ermittelt. Die Ermittlung kann in beliebig genauer Weise entsprechend den Möglichkei ten, zum Beispiel der Auflösung des Rechners, erfolgen. Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Umkehrfunktion für den jewei ligen Bereich liegt darin, einzelne tangentiale Geradenglei chungen für einzelne Punkte auf dem sinusförmigen Verlauf zu sammenzusetzen.

Eine alternative Vorgehensweise besteht in der Berechnung einzelner Werte der Umkehrfunktion in dem jeweiligen Bereich und einer Abspeicherung der Werte in einer Tabelle, einer so genannten "Look-up"-Tabelle.

Die logischen Entscheidungen wie Einteilung der Quadranten, können auch mit analogen Komparatoren und logischen Gattern durchgeführt werden.

Außerdem können die Umkehrfunktionen der Geradengleichungen analog gebildet werden.

Des weiteren könnte die Look-Up table der Umkehrgeraden auch in einem EPROM gespeichert werden, das seine Adreß-Daten aus einem A/D-Umsetzer erhält. Die Daten, die das EPROM bei Ein gabe-A/D-Werten ausgibt, können beliebig programmiert werden.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die ermittelte Umkehrfunk tion für den ausgewählten Bereich in einem Speicher eines zur Durchführung des Verfahrens benötigten Rechners, gespeichert.

In Fig. 4 ist weiterhin eine intuitive, sehr einfache Wahl einer oberen Schranke OG und einer unteren Schranke UG, die im weiteren detaillisert beschrieben wird, dargestellt.

In diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich die obere Schranke OG und die untere Schranke UG ebenfalls aus den Schnittpunk ten der beiden phasenverschobenen sinusförmigen Signale Sig1 und Sig2.

Es ist jedoch ohne Einschränkung möglich, die obere Schranke OG und die untere Schranke UG anders zu wählen.

Ein prinzipielles Blockschaltbild, in dem die gesamte Netz anordnung mit einem Analogteil AT, dem Rechner R sowie einem Ausgang A, beschrieben ist, ist in Fig. 6 dargestellt.

Hierbei sind in dem Analogteil AT ein erster Kanal K1 und ein zweiter Kanal K2 zur Aufnahme von jeweils dem ersten sinus förmigen Signal Sig1 und dem zweiten sinusförmigen Signal Sig2 vorgesehen.

In dem Analogteil AT sind einzelne Mittel vorgesehen, mit de nen Verbesserungen der durch das Verfahren erzielten Ergeb nisse erreicht werden, beispielsweise durch eine Temperatur kompensation oder auch durch Verstärkung der einzelnen sinus förmigen Signale Sig1, Sig2.

Diese Weiterbildungen werden im weiteren detailliert be schrieben.

In dem Rechner R ist ein Analog/Digital-Wandler AD vorgese hen. In dem Analog/Digital-Wandler AD wird das von dem Ana logteil AT aufbereitete erste sinusförmige Signal Sig1 und das zweite sinusförmige Signal Sig2 in digitale sinusförmige Signale umgesetzt.

Weiterhin ist ein Mittel zur Signalauswertung SA vorgesehen, in dem die hauptsächlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.

Ferner ist ein Mittel zur Signalausgabe PWM einer Ausgangs spannung in Form einer Pulsweiten-Modulations-Spannung darge stellt. Die pulsweiten-modulierte Spannung wird einem Ausgang A zugeführt, in dem, falls dies erwünscht ist, eine Glättung der pulsweiten-modulierte Spannung durchgeführt wird.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrens schritten des Verfahrens. Zur besseren Übersichtlichkeit wird das Verfahren in diesem Ablaufdiagramm jedoch schon für die einzelnen Spezialfälle des Ausführungsbeispiels dargestellt.

Für eine zu bestimmende Winkelposition der drehbaren Welle DW wird für die jeweilige Position der Amplitudenwert des ersten sinusförmigen Signals Sig1 und der Amplitudenwert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 von dem ersten Richtungssensor GMR1 und dem zweiten Richtungssensor GMR2 gemessen. In einem ersten Schritt 501 wird nun geprüft, ob der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 größer ist als die obere Schranke OG. Ist dies der Fall, befindet sich der Winkel somit im er sten Bereich I (vergleiche Fig. 4) und zur weiteren Ermitt lung der Winkelposition wird der Amplitudenwert des ersten sinusförmigen Signals Sig1 verwendet 502. In einem weiteren Schritt SO₃ wird ein relativer Winkel ϕ_rel mit Hilfe der ge speicherten Umkehrfunktion ermittelt. Die Ermittlung erfolgt auf folgende Weise aus dem Amplitudenwert Ampl(Sig1) des er sten sinusförmigen Signals Sig1:
ϕ_rel = arcsin(Ampl(Sig1) - 1) + 45° + offset

In einem letzten Schritt (Schritt 504) wird nun ein absoluter Winkel ϕ_abs aus dem relativen Winkel ϕ_rel bestimmt. Hierzu wird folgende Formel verwendet:
ϕ_abs = 90° - ϕ_rel + offset

Die Addition eines Offsets kann vorteilhaft sein zur Vermei dung des Auftretens negativer Werte während der Ermittlung der Winkelposition, also des absoluten Winkels ϕ_abs ist je doch nicht notwendig für das Verfahren.

Ist jedoch der Wert des zweiten Signals Sig2 nicht größer als die obere Schranke OG, wird nun geprüft, ob der Wert des er sten sinusförmigen Signals Sig1 kleiner ist als die untere Schranke UG (Schritt 511).

Ist dies der Fall, befindet sich in diesem speziellen Ausfüh rungsbeispiel also der Winkel im zweiten Bereich II (vergleiche Fig. 4). Also wird zur weiteren Berechnung der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 verwendet (Schritt 512). Entsprechend der im vorigen beschriebenen Vor gehensweise wird wiederum aus dem Amplitudenwert Ampl(Sig2) des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 mit Hilfe der Umkehr funktion der relative Winkel ϕ_rel nach folgender Vorschrift ermittelt (Schritt 513):
ϕ_rel = arcsin(Ampl(Sig2) - 1) + 45° + offset

Aus dem relativen Winkel ϕ_rel wird nunmehr nach folgender Vorschrift der absolute Winkel ϕ_abs für diesen Fall be stimmt (Schritt 514).
ϕ_abs = 180° - ϕ_rel + offset Ist jedoch der Amplitudenwert Ampl(Sig1) des ersten sinusför migen Signals Sig1 nicht kleiner als die untere Schranke UG, so wird geprüft, ob der Amplitudenwert Ampl(Sig2) des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 kleiner ist als die untere Schran ke UG (Schritt 521).

Ist dies der Fall, befindet sich der Winkel im dritten Be reich III (vergleiche Fig. 4) und zur weiteren Ermittlung der Winkelposition wird der Amplitudenwert Ampl(Sig1) des er sten sinusförmigen Signals Sig1 verwendet (Schritt 522).

Wiederum wird mit Hilfe der gespeicherten Umkehrfunktion der relative Winkel ϕ_rel bestimmt, diesmal nach der folgenden Vorschrift (Schritt 523):
ϕ_rel = arcsin(Ampl(Sig1) - 1) + 45° + offset

Aus dem relativen Winkel ϕ_rel wird wiederum der absolute Win kel ermittelt (Schritt 524):
ϕ_abs = 180° + ϕ_rel + offset

Ist jedoch der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 nicht kleiner als die untere Schranke UG, so wird ferner ge prüft, ob der Wert Ampl(Sig1) des ersten sinusförmigen Si gnals Sig1 größer ist als die obere Schranke OG (Schritt 531). Ist dies der Fall, befindet sich der Winkel also im vierten Bereich IV (vergleiche Fig. 4) und zur weiteren Er mittlung der Winkelpositionposition wird der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 verwendet (Schritt 532).

Auch hier wird der relative Winkel ϕ_rel mittels der Umkehr funktion bestimmt (Schritt 533). Dies geschieht für diesen Fall auf folgende Weise (Schritt 534):
j_rel = arcsin(Ampl(Sig2) - 1) + 45° + offset

Aus dem relativen Winkel ϕ_rel wird der absolute Winkel ϕ_abs ermittelt 534. Dies erfolgt nach der Vorschrift:
ϕ_abs = 270° + ϕ_rel + offset

Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, daß jeweils zur Be rechnung des relativen Winkels ϕ_rel abhängig von den Werten des ersten sinusförmigen Signals Sig1 und des zweiten sinus förmigen Signals Sig2 eine Betragsanpassung und eine Phasen anpassung für die einmal ermittelte Umkehrfunktion, die ja sogar nur für einen Teilbereich eines allgemeinen sinusförmi gen Signals bestimmt werden mußte, erfolgt.

Auch die Ermittlung des absoluten Winkels ϕ_abs erfolgt ledig lich unter Berücksichtigung des jeweiligen Bereichs, in dem sich der Winkel, wie sich durch die Werte des ersten sinus förmigen Signals Sig1 und des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 ergibt, befindet.

Die Ergebnisse des Verfahrens können durch eine der im fol genden beschriebenen Weiterbildungen noch verbesssert werden.

In Fig. 8 sind hierfür zwei um etwa 90°verdrehte Brücken schaltungen dargestellt in der die zwei Richtungssensoren GMR1, GMR2 in Form einer Voll-Brücke verschaltet sind. Da durch wird eine Temperaturkompensation des Grundwiderstandes der Richtungssensoren GMR1, GMR2 erreicht. Aufgrund von Tole ranzen des Grundwiderstandes der einzelnen Richtungssensoren GMR1, GMR2 kann das Ausgangssignal von einer Offsetspannung überlagert werden, deren Temperaturgang jedoch vernachlässig bar ist.

Durch die Verschaltung der beiden Richtungssensoren GMR1 und GMR2 in Form einer Voll-Brücke wird also eine Temperaturkom pensation des Grundwiderstandes der Richtungssensoren GMR1, GMR2 erzielt.

In Fig. 9 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit der eine Aufbereitung der gelieferten Sensorsignale erzielt wird. Ein an den Voll-Brücken abgreifbares Spannungssignal U_A liegt bei dem vorgestellten Ausführungsbeispiel im Bereich von ei nigen +/- 10 Milli-Volt und kann, um die Genauigkeit des sich in dem Rechner R befindenden A/D-Umsetzers AD möglichst gut auszunützen, auf eine Signalamplitude von 5 Volt angehoben werden.

Hierzu werden eine erste Verstärkerstufe V1 und eine zweite Verstärkerstufe V2 eingesetzt.

Um das an den Voll-Brücken abgreifbare Signal U_A nicht mit einem Meßstrom zu belasten, wird als erste Verstärkerstufe V1 ein Isolationsverstärker gewählt, der eine erste Vorverstär kung des Signals beispielsweise um einen Faktor 10 gewährlei stet.

In der zweiten Verstärkerstufe V2 wird ein von der ersten Verstärkerstufe V1 verstärktes Signal UV_A mit einer invertie renden Operationsverstärkerschaltung auf eine Signalamplitude von 5 Volt verstärkt und ein möglicherweise vorgesehener Offset so eingestellt, daß das Signalminimum bei 0 Volt liegt.

Ein somit erlangtes Ausgangssignal U_AA wird nunmehr dem Ana log/Digital-Umsetzer AD des Rechners R zugeführt. In dem Rechner R wird das im vorigen beschriebene Verfahren zur Win kelauswertung durchgeführt, und das Ergebnis, also der Wert des Winkels beispielsweise mit Hilfe eines Timers als puls weiten-modulierte Spannung PWM ausgegeben.

Um mit dem pulsweiten-modulierten Ausgangssignal PWM mit ei nem Ausgangssignal eines konventionellen Potentiometers ver gleichbar zu machen, kann es vorteilhaft sein, in dem Ausgang A das Puls-Weiten-modulierte Signal PWM noch zu glätten, bei spielsweise mit Hilfe eines R/C-Glieds.

Es ist weiterhin möglich, daß der Rechner, bei einem einmali gen Umlauf der Winkelposition von 0°- 360°, sich die Kriteri en zur Bildung der Bereiche und die Parameter der Umkehrfunk tion selbst ausmißt, und sich somit selbst kalibriert.

Hierbei ist beispielsweise folgende Vorgehensweise möglich:
Wird die obere Schranke durch den oberen Schnittpunkt der beiden Signale Sig1 und Sig2 bestimmt, wird der Wert der obe ren Schranke durch den Rechner selbst bestimmt.

Der Wert der oberen Schranke wird dadurch bestimmt, daß das angelegte Magnetfeld solange gedreht wird, bis das erste Si gnal Sig1 und das zweite Signal Sig2 den gleichen Wert auf weisen. Dieser Wert wird als Wert für die obere Schranke ab gespeichert.

Ebenso wird zur automatischen Bestimmung der unteren Schranke verfahren.

Befindet sich der absolute Winkel ρabs in dem ersten Bereich oder in dem vierten Bereich, so sollten für den Fall, daß für den Wertebereich des relativen Winkels Winkelbereiche größer als 90° zugelassen sind, folgende Schritte vorgesehen werden:
Erhält man absolte Winkelwerte ρ_abs in dem ersten Bereich, die kleiner als 0° sind, so muß berücksichtigt werden, daß der Winkelbereich dann vom ersten Bereich in den vierten Be reich "springt". Dazu muß der Betrag des in diesem Fall nega tiven absoluten Winkels ρabs ermittelt werden und von um den realen absoluten Winkel ρabs zu erhalten, muß dann von 360° der Betrag des negativen absoluten Winkels ρabs abgezogen werden. Somit erhält man auch für diesen Sonderfall den kor rekten absoluten Winkel ρabs.

Entsprechend wird verfahren für den Fall, daß der absolute Winkel ρ_abs größer ist als 359°.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehach se eines Gegenstandes durch einen Rechner aus einem ersten sinusförmigen Signal und einem zweiten, phasenverschobenen sinusförmigen Signal und aus einem gespeicherten Verlauf ei ner Umkehrfunktion eines sinusförmigen Signals,

1. bei dem ein Wertebereich von 0° bis 360° durch eine obere und eine untere Schranke mindestens in vier Bereiche aufge teilt wird, wobei die obere Schranke ein erster Schnittpunkt des ersten sinusförmigen Signals mit dem zweiten sinusförmi gen Signal ist und die untere Schranke ein zweiter Schnitt punkt des ersten sinusförmigen Signals mit dem zweiten sinus förmigen Signal ist, und
2. bei dem der Bereich nach folgenden Kriterien ausgewählt wird:
- 1. liegt der Wert des zweiten sinusförmigen Signals über der oberen Schranke, wird ein erster Bereich gewählt,
- 2. liegt der Wert des ersten sinusförmigen Signals unter der unteren Schranke, wird ein zweiter Bereich gewählt,
- 3. liegt der Wert des zweiten sinusförmigen Signals unter der unteren Schranke, wird ein dritter Bereich gewählt,
- 4. liegt der Wert des ersten sinusförmigen Signals über der oberen Schranke, wird ein vierter Bereich gewählt,
3. bei dem aus dem gespeicherten Verlauf der Umkehrfunktion des sinusförmigen Signals unter Berücksichtigung der Phasen anpassung und der Betragsanpassung für den ausgewählten Be reich ein relativer Winkel innerhalb des gewählten Bereichs bestimmt wird, und
4. bei dem abhängig von dem gewählten Bereich die absolute Winkelposition durch Addition eines bereichsabhängigen Win kels bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der gespeicherte Verlauf der Umkehrfunktion des si nusförmigen Signals durch Zusammensetzen von den Verlauf li nearisierenden Geradengleichungen ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der gespeicherte Verlauf der Umkehrfunktion des si nusförmigen Signals in Tabellenform durch Ermittlung einzel ner Werte der Umkehrfunktion ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zu dem sinusförmigen Signal ein Offsetwert addiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Temperaturkompensation vorgesehen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das erste sinusförmige Signal und/oder das zweite si nusförmige Signal verstärkt wird.