DE102016220188A1 - Method for correcting measurement deviations of a sine-cosine rotation sensor - Google Patents
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Abstract
Verfahren (120) zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors (100) zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils (106), wobei statische Messabweichungen des Sinus-Cosinus-Rotationssensors (100) durch eine statische Korrektur (124) kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine dynamische Korrektur (122) erfolgt. Method (120) for correcting measurement deviations of a sine-cosine rotation sensor (100) for determining a rotational speed and / or an angular position of a rotating about a rotation axis member (106), wherein static errors of the sine-cosine rotation sensor (100) by a static correction (124) are compensated, characterized in that in addition a dynamic correction (122) takes place.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils, wobei statische Messabweichungen des Sinus-Cosinus-Rotationssensors durch eine statische Korrektur kompensiert werden.
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DE 10 2013 205 905 A1 - Aus der
DE 10 2013 208 986 A1 - Aus der
DE 10 2013 211 041 A1 - Aus der
DE 10 2013 213 948 A1 - Aus der
DE 10 2013 222 366 A1 - Aus der
DE 10 2012 220 629 A1 - Aus der
DE 10 2012 205 024 A1
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Durch die Auslegung und Fertigungsstreuungen von aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren sowie durch Bauteilstreuungen in der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung entstehen winkelabhängige und statische Abweichungen in den Signalen. Bei variierenden mechanischen Fehlstellungen von Sensor-Stator zu Sensor-Rotor sowie bei Umgebungs- und Alterungseinflüssen auf die Elektronik entstehen außerdem dynamische Signalabweichungen im Betrieb. Hierdurch ergeben sich Messabweichungen bei der Winkel-, Drehzahl- und Beschleunigungsbestimmung.Due to the design and manufacturing variations of known from the prior art sensors as well as component scatters in the signal processing and analog-to-digital conversion arise angle-dependent and static deviations in the signals. With varying mechanical deformities of Sensor-stator to sensor-rotor as well as environmental and aging influences on the electronics also cause dynamic signal deviations during operation. This results in errors in the angular, speed and acceleration determination.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors zu verbessern.The invention has for its object to improve an aforementioned method for correcting errors in a sine-cosine rotation sensor.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen eines Sinus-Cosinus-Rotationssensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, dass zusätzlich zu der statischen Korrektur eine dynamische Korrektur erfolgt, lässt sich die Korrektur von Messabweichungen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weiter verbessern.The object is achieved with a method for the correction of measurement deviations of a sine-cosine rotation sensor having the features of
Die dynamische Korrektur kann zeitlich vor der statischen Korrektur erfolgen. Vorzugsweise wird die dynamische Korrektur bei der sich anschließenden statischen Korrektur berücksichtigt. Die dynamische Korrektur kann mit der statischen Korrektur verrechnet werden. Die dynamische Korrektur kann von der statischen Korrektur abgezogen werden.The dynamic correction can take place before the static correction. Preferably, the dynamic correction is taken into account in the subsequent static correction. The dynamic correction can be offset with the static correction. The dynamic correction can be subtracted from the static correction.
Zur statischen Korrektur kann eine Look-Up-Tabelle verwendet werden. Die Look-Up-Tabelle kann vor dem Beginn des Verfahrens erstellt werden. Die Look-Up-Tabelle kann anhand einer Typen- und/oder einer Stückprüfung im Vergleich mit einem hochgenauen Referenzsensor erstellt werden.For static correction, a look-up table can be used. The lookup table can be created before starting the procedure. The look-up table can be created by means of a type and / or a piece test in comparison with a high-precision reference sensor.
Während des Verfahrens kann genau ein Wert der Look-Up-Tabelle verändert werden. Während des Verfahrens können mehrere Werte der Look-Up-Tabelle verändert werden. Während des Verfahrens können sämtliche Werte der Look-Up-Tabelle verändert werden. Messabweichungen, die bereits durch die dynamische Korrektur kompensiert wurden, können mit den Werten der Look-Up-Tabelle verrechnet werden. Messabweichungen, die bereits durch die dynamische Korrektur kompensiert wurden, können aus der Look-Up-Tabelle abgezogen werden. Um die Messabweichungen aus der Look-Up-Tabelle herauszunehmen, kann eine Least-Squares-Schätzung durchgeführt werden.During the procedure, exactly one value of the look-up table can be changed. During the procedure, several values of the look-up table can be changed. During the procedure all values of the look-up table can be changed. Measurement deviations that have already been compensated by the dynamic correction can be offset with the values of the look-up table. Measurement deviations that have already been compensated by the dynamic correction can be subtracted from the look-up table. In order to remove the measurement deviations from the look-up table, a least-squares estimation can be performed.
Das um die Drehachse drehende Bauteil, dessen Drehzahl und/oder Winkelposition durch den Sinus-Cosinus-Rotationssensor ermittelt wird, kann ein Rotor sein. Der Rotor kann ein Rotor einer dynamoelektrischen Maschine sein. Der Rotor kann ein Rotor eines Elektromotors sein. Der Rotor kann ein Rotor eines kommutierten Elektromotors sein. Der Rotor kann ein Rotor eines Elektromotors in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeugs sein.The rotating around the axis of rotation component whose speed and / or angular position is determined by the sine-cosine rotation sensor may be a rotor. The rotor may be a rotor of a dynamoelectric machine. The rotor may be a rotor of an electric motor. The rotor may be a rotor of a commutated electric motor. The rotor may be a rotor of an electric motor in a clutch actuation system of a motor vehicle.
Das um die Drehachse drehende Bauteil, dessen Drehzahl und/oder Winkelposition durch den Sinus-Cosinus-Rotationssensor ermittelt wird, kann Bestandteil einer elektrischen Maschine sein. Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine sein. Die elektrische Maschine kann eine bürstenlose Gleichstrommaschine sein. Die elektrische Maschine kann wenigstens eine Phase aufweisen. Die elektrische Maschine kann insbesondere drei Phasen aufweisen. Die elektrische Maschine kann wenigstens zwei Polpaare aufweisen. Die elektrische Maschine kann insbesondere vier bis vierzehn Polpaare, insbesondere fünf Polpaare oder elf Polpaare aufweisen. Die Drehstromwicklungen können zeitlich versetzt ansteuerbar sein, um ein bewegtes Antriebsfeld zu bilden, welches an einem permanenterregten Läufer ein Antriebsmoment bewirkt. Der Läufer kann sich in einem Betrieb zu einer Wechselspannung synchron bewegen. Die elektrische Maschine kann abhängig von einer Bewegungslage des Läufers, einer Bewegungsgeschwindigkeit des Läufers und/oder einem Bewegungsmoment kommutierbar sein. Eine Frequenz und/oder eine Amplitude kann abhängig von einer Bewegungslage des Läufers, einer Bewegungsgeschwindigkeit des Läufers und/oder einem Bewegungsmoment veränderbar sein. Die elektrische Maschine kann als Motor und/oder als Generator betreibbar sein. Die elektrische Maschine kann zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug dienen. Die elektrische Maschine kann zum Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen einer Reibungskupplungsvorrichtung dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen einer Hybridtrennkupplung dienen. Die Hybridtrennkupplung kann zum Verbinden einer elektrischen Maschine mit bzw. zum Trennen einer elektrischen Maschine von einem Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen eines hydrostatischen Kupplungsaktuators dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen eines Geberzylinders eines hydrostatischen Kupplungsaktuators dienen. Die elektrische Maschine kann zum Betätigen einer Getriebevorrichtung dienen. Die elektrische Maschine kann eine Rotationsmaschine sein, bei der der Läufer als Rotor ausgeführt ist und bei einem Betrieb eine Drehbewegung ausführt. Der Rotor kann hohlwellenartig ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann eine Linearmaschine sein, bei der der Läufer bei einem Betrieb eine Linearbewegung ausführt. Die elektrische Maschine kann blockkommutiert sein. Die elektrische Maschine kann eine baulich integrierte elektrische Steuereinrichtung aufweisen. Die elektrische Maschine kann mithilfe einer baulich gesonderten elektrischen Steuereinrichtung kontrollierbar sein. Die elektrische Maschine kann wenigstens eine elektrische Leistungsschnittstelle aufweisen. Die elektrische Maschine kann wenigstens eine elektrische Signalschnittstelle aufweisen. Die elektrische Maschine kann auch als Aktuator oder Aktor bezeichnet werden.The rotating about the axis of rotation component whose speed and / or angular position is determined by the sine-cosine rotation sensor may be part of an electrical machine. The electric machine may be a synchronous machine. The electric machine may be a brushless DC machine. The electric machine may have at least one phase. The electric machine may in particular have three phases. The electric machine can have at least two pole pairs. In particular, the electric machine can have four to fourteen pole pairs, in particular five pole pairs or eleven pole pairs. The three-phase windings can be controlled offset in time to form a moving drive field, which causes a drive torque on a permanent-magnet rotor. The rotor can move synchronously in operation to an AC voltage. The electric machine can be commutated depending on a movement position of the rotor, a movement speed of the rotor and / or a movement moment. A frequency and / or an amplitude can be variable depending on a movement position of the runner, a movement speed of the runner and / or a movement moment. The electric machine can be operated as a motor and / or as a generator. The electric machine may be for use in a motor vehicle. The electric machine can be used to drive a motor vehicle. The electric machine can be used to actuate a friction coupling device. The electric machine can be used to operate a hybrid disconnect clutch. The hybrid disconnect clutch may be for connecting an electric machine to or disconnecting an electric machine from a hybrid powertrain of a motor vehicle. The electric machine can be used to actuate a hydrostatic clutch actuator. The electric machine can be used to actuate a master cylinder of a hydrostatic clutch actuator. The electric machine can be used to actuate a transmission device. The electric machine may be a rotary machine in which the rotor is designed as a rotor and performs a rotary movement during operation. The rotor can be designed like a hollow shaft. The electric machine may be a linear machine in which the rotor performs a linear movement during operation. The electric machine can be block commutated. The electric machine may have a structurally integrated electrical control device. The Electric machine can be controlled by means of a structurally separate electrical control device. The electric machine may have at least one electrical power interface. The electrical machine may have at least one electrical signal interface. The electric machine can also be referred to as an actuator or actuator.
Zur Parameterschätzung kann eine hohe Signal-Abtastrate verwendet werden. Zur Parameterschätzung kann ein Newton-Verfahren verwendet werden. Eine Schätzung der Signalabweichungen kann mittels Kalman-Filtern erfolgen. Eine Schätzung der Signalabweichungen kann mittels neuronaler Netze erfolgen.For parameter estimation, a high signal sampling rate can be used. For parameter estimation, a Newton method can be used. An estimate of the signal deviations can be made using Kalman filters. An estimate of the signal deviations can be made by means of neural networks.
Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann als ein Resolver ausgebildet sein. Als Resolver wird ein elektromagnetischer Messumformer zur Wandlung der Winkellage eines Rotors in eine elektrische Größe bezeichnet. Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann auf Basis des AMR-Effekts (Anisotroper magnetoresistiver Effekt) arbeiten. Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann auf Basis des GMR-Effekts (Riesenmagnetowiderstand) arbeiten. Der Sinus-Cosinus-Rotationssensor kann auf Basis des TMR-Effekts (Magnetischer Tunnelwiderstand) arbeiten. Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Erhöhung der Messgenauigkeit von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren, insbesondere Resolvern. In der Regel treten bei Sinus-Cosinus-Rotationssensoren statische und dynamische Signalabweichungen gemeinsam auf. Werden nur die einen oder die anderen kompensiert, verbleibt immer eine nicht kompensierte Messabweichung. Dies ist beispielsweise bei einem aus der Veröffentlichung
Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Messgenauigkeit von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren eine Kombination von offline- und online-basierter Korrektur vorgeschlagen. Hiermit können gleichzeitig sowohl statische als auch dynamische Messabweichungen kompensiert werden. Als offline-basierte Kompensation wird eine einfache Look-Up-Tabelle vorgeschlagen, welche anhand einer Typen- oder einer Stückprüfung im Vergleich mit einem hochgenauen Referenzsensor beschrieben wird. Bei dieser offline-basierten Kompensation ist es wichtig, dass die Anteile der dynamischen Kompensation aus der Look-Up-Tabelle herausgenommen werden. Dies beruht auf der Idee, dass diese dynamischen Anteile online kompensiert werden. In der Software werden eine Schätzung der Signalabweichungen und deren Kompensation vor diese Offline-Look-Up-Tabelle geschaltet. Hiermit können dynamischen Veränderungen im Betrieb kompensiert werden. Um bei zeitlich schnellen Variationen folgen zu können, wird eine hohe Signal-Abtastrate und das Newton-Verfahren zur Parameterschätzung vorgeschlagen. Durch alternative Verfahren zur Schätzung der Signalabweichungen könnten vergleichbar schnelle Parameter-Konvergenzen erreicht werden, beispielsweise mittels Kalman-Filtern oder neuronalen Netzen.According to the invention, a combination of off-line and online-based correction is proposed to increase the measurement accuracy of sine-cosine rotation sensors. This can be used to compensate both static and dynamic deviations. For offline-based compensation, a simple look-up table is proposed, which is described by means of a type or a piece test in comparison with a high-precision reference sensor. In this off-line compensation, it is important that the portions of the dynamic compensation be removed from the look-up table. This is based on the idea that these dynamic components are compensated online. In the software, an estimate of the signal deviations and their compensation are switched before this offline look-up table. This compensates for dynamic changes in operation. In order to be able to follow fast temporal variations, a high signal sampling rate and the Newton method for parameter estimation are proposed. By alternative methods of estimating the signal deviations, comparatively fast parameter convergences could be achieved, for example by means of Kalman filters or neural networks.
Die Erfindung kann bei allen Winkel- Drehzahl- und Beschleunigungsmessungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen eingesetzt werden. Ein Einsatz des beschriebenen Justierungsverfahrens ist im Bereich der elektrischen Antriebe denkbar. Hierdurch ergeben sich Vorteile bei den Sensorkosten sowie beim Wirkungsgrad und der Regelgüte.The invention can be used in all angular speed and acceleration measurements with high accuracy requirements. An application of the described adjustment method is conceivable in the field of electric drives. This results in advantages in the sensor costs as well as in the efficiency and the control quality.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Korrektur von Messabweichungen von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren zur Verfügung gestellt, das eine Kompensation von statischen und dynamischen Signalabweichungen zur Erhöhung der Messgenauigkeit ermöglicht. Insbesondere ist ein kombiniertes Justierungsverfahren von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren zur Verfügung gestellt.The invention provides a method for correcting measurement deviations of sine-cosine rotation sensors, which enables a compensation of static and dynamic signal deviations to increase the measurement accuracy. In particular, a combined adjustment method of sine-cosine rotation sensors is provided.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to figures. From this description, further features and advantages. Concrete features of this embodiment may represent general features of the invention. Features associated with other features of this embodiment may also represent individual features of the invention.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
-
1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Resolvers, -
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Messabweichungen eines Resolvers, und -
3 Winkelabweichungen unterschiedlich korrigierter Messabweichungen des Resolvers.
-
1 a schematic representation of a known from the prior art resolver, -
2 a schematic representation of a method according to the invention for the correction of errors of a resolver, and -
3 Angular deviations of differently corrected measuring deviations of the resolver.
Eine erste Statorwicklung
Ein Rotor
Eine zweite Statorwicklung
Die erste Wechselspannung
Die zweite Wechselspannung
Die erste Wechselspannung
Die dritte Wechselspannung
Die Amplituden der zweiten Wechselspannung
Durch die Auslegung und die Fertigungsstreuungen von Sinus-Cosinus-Rotationssensoren, vorliegend des Resolvers
In einem Verfahrensschritt
In einem der dynamischen Korrektur
Zur Kompensation der statischen Messabweichungen wird eine Look-Up-Tabelle in der Software hinterlegt. Die Look-Up-Tabelle enthält Informationen, die während des Verfahrens
Während der statischen Korrektur
Während des Verfahrens
Zur Kompensation der Parameterschwankungen wird folgendes Modell der gegebenenfalls demodulierten Ausgangssignale angenommen. Die individuellen Signalamplituden von Cosinus und Sinus (zweite Wechselspannung
Um die durch Amplituden- und Offset-Abweichungen entstehenden Messabweichungen aus der statischen Look-Up-Tabelle herauszunehmen, kann eine Least-Squares-Schätzung dieser Parameter und damit von den dadurch bedingten Messabweichungen durchgeführt werden. Hierzu werden die beiden obigen Gleichungen quadriert und addiert:
Die dazugehörigen Mess- und Parametervektor sowie die vereinfachte Vektorgleichung lauten damit:
Die Signalabweichungsparameter können damit anhand einer Messreihe wie folgt bestimmt werden.
Diese Parameter erlauben die Bestimmung der damit verbundenen dynamischen winkelabhängigen Messabweichungen. Diese werden von den Messabweichungen zu einem hochgenauen Referenzsensor abgezogen und das Resultat in der statischen Look-Up-Tabelle abgelegt.These parameters allow the determination of the associated dynamic angle-dependent measurement deviations. These are deducted from the measurement deviations to a high-precision reference sensor and the result is stored in the static look-up table.
Das Gleichungssystem in Matrixdarstellung zur dynamischen Online-Kompensation lautet:
Auf Basis des Quadrats der L2-Norm wird die Gütefunktion J definiert:
Die Ableitung der Gütefunktion J nach dem Parametervektor Theta ergibt sich zu:
Für das Newton-Verfahren wird außerdem die Hesse-Matrix H benötigt, also die zweite Ableitung der Gütefunktion J nach dem Parametervektor:
Der Gradient und die Hesse-Matrix werden dabei iterativ berechnet. Dazu wird das das Argument der Summenfunktion in jedem Zeitschritt bestimmt und auf den skalierten vorherigen Wert aufaddiert. Der Skalierungsfaktor wird dabei als Vergessens-Faktor bezeichnet.The gradient and the Hesse matrix are calculated iteratively. To do this, the argument of the sum function is determined in each time step and added to the scaled previous value. The scaling factor is referred to as the forgetting factor.
Mit einer Schrittweite Gamma können die Signalparameter iterativ geschätzt werden. Die Schrittweite kann adaptiert werden, beispielsweise mittels sogenanntem Backtracking. Durch eine hohe Abtastrate der Sensorsignale kann eine schnelle Konvergenz dieser Parameterschätzung sichergestellt werden.
In
In dem in
Die beschriebene Erfindung ist ebenso für andere Sinus-Cosinus-Rotationssensoren anwendbar, die beispielsweise auf Basis des AMR-Effekts (Anisotroper magnetoresistiver Effekt) und/oder GMR-Effekts (Riesenmagnetowiderstand) und/oder TMR-Effekts (Magnetischer Tunnelwiderstand) arbeiten.The described invention is equally applicable to other sine-cosine rotation sensors operating on the basis of, for example, the AMR effect (anisotropic magnetoresistance effect) and / or GMR effect (giant magnetoresistance) and / or TMR effect (magnetic tunnel resistance).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Resolverresolver
- 102102
- erste Statorwicklungfirst stator winding
- 104104
- erste Wechselspannungfirst alternating voltage
- 106106
- Rotorrotor
- 108108
- ReferenzwinkellageReference angular position
- 110110
- Drehwinkelangle of rotation
- 112112
- zweite Statorwicklungsecond stator winding
- 114114
- dritte Statorwicklungthird stator winding
- 116116
- zweite Wechselspannungsecond AC voltage
- 118118
- dritte Wechselspannungthird alternating voltage
- 120120
- Verfahrenmethod
- 122122
- Verfahrensschritt, dynamische KorrekturProcedural step, dynamic correction
- 124124
- Verfahrensschritt, statische KorrekturProcedural step, static correction
- 126126
- elektrischer Winkelelectrical angle
- 128128
- nicht korrigierte Winkelabweichunguncorrected angular deviation
- 130130
- minimale nicht korrigierte Winkelabweichungminimal uncorrected angular deviation
- 132132
- maximale nicht korrigierte Winkelabweichungmaximum uncorrected angular deviation
- 134134
- statisch korrigierte Winkelabweichungstatically corrected angular deviation
- 136136
- minimale statisch korrigierte Winkelabweichungminimal statically corrected angular deviation
- 138138
- maximale statisch korrigierte Winkelabweichungmaximum statically corrected angular deviation
- 140140
- dynamisch korrigierte Winkelabweichungdynamically corrected angular deviation
- 142142
- minimale dynamisch korrigierte Winkelabweichungminimum dynamically corrected angle deviation
- 144144
- maximale dynamisch korrigierte Winkelabweichungmaximum dynamically corrected angle deviation
- 146 146
- statisch und dynamisch korrigierte Winkelabweichungstatically and dynamically corrected angle deviation
- 148148
- minimale statisch und dynamisch korrigierte Winkelabweichungminimal statically and dynamically corrected angular deviation
- 150150
- maximale statisch und dynamisch korrigierte Winkelabweichungmaximum statically and dynamically corrected angular deviation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102013205905 A1 [0001]DE 102013205905 A1 [0001]
- DE 102013208986 A1 [0001]DE 102013208986 A1 [0001]
- DE 102013211041 A1 [0001]DE 102013211041 A1 [0001]
- DE 102013213948 A1 [0001]DE 102013213948 A1 [0001]
- DE 102013222366 A1 [0001]DE 102013222366 A1 [0001]
- DE 102012220629 A1 [0001]DE 102012220629 A1 [0001]
- DE 102012205024 A1 [0001]DE 102012205024 A1 [0001]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „Q. Lin, T. Li, Z. Zhou: Error Analysis and Compensation of the Orthogonal Magnetic Encoder, 2011 International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control“ [0011]"Q. Lin, T. Li, Z. Zhou: Error Analysis and Compensation of the Orthogonal Magnetic Encoder, 2011 International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control "[0011]
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