CN110108312B - 用于信号误差校正的方法、计算机程序、设备和编码器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于信号误差校正的方法、计算机程序、设备和编码器。其中，用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的方法(100)包括：基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定(S10)校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。该方法还包括使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计(S20)第一时间的第一校正相对位置。

Description

用于信号误差校正的方法、计算机程序、设备和编码器
技术领域
本公开涉及信号误差校正。特别地，本公开涉及一种用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的方法。该方法还涉及相应的计算机程序、设备和编码器。
背景技术
许多机器操作依赖于登记与当前机器状态有关的信息并使用所登记的信息来校正机器的操作或控制下游功能。编码器通常用于记录相关信息并将信息转换为合适的信号，诸如增量控制信号。然而，例如，由于疲劳或外部磁场干扰编码器的测量传感器，由编码器测量的信号可能受到由不完全对准的机器部件引起的扰动。例如，在生成增量控制信号时，这种扰动可能导致不完美的测量，如果没有适当地补偿，将在使用时导致下游的低效率。因此，本领域需要信号误差校正，特别是可以用于编码器的信号误差校正，诸如增量编码器。
发明内容
本公开涉及使用预期理想信号如何表现的知识来校正周期性信号误差。
特别地，本公开涉及用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的方法。该方法包括：基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。该方法还包括使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计在第一时间的第一校正相对位置。因此，该方法能够显著减少与确定相对于基准的位置相关联的周期性误差，诸如检测可旋转轴相对于机器的一部分的旋转运动。基于估计校正位置的输出信号将具有比基于相应的未校正位置的输出信号更稳定的频率。
根据一些方面，第一时间包括当前时间。根据一些方面，估计校正位置包括基于所确定的参数值集合来内插校正的相对位置。内插使得能够在参数化近似的参数值集合的范围内生成校正位置。使用当前时间使得能够估计当前时间的校正位置。在当前时间估计的校正位置通常比在先前时间估计的位置更准确。当前时间可以包括相对于初始化方法的步骤的时间的最近记录时间。当前时间可以包括相对于初始化方法的步骤的时间的未来时间。
根据一些方面，该方法还包括在周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储关于基准的时间戳相对位置集合。存储的时间戳相对位置集合使得能够基于测量的位置数据点进行内插或回归，以匹配位置变化相对于时间的预期行为，诸如跟随周期性运动。
根据一些方面，该方法还包括基于移动时间窗口更新存储的时间戳相对位置集合，其中时间窗口具有与周期性信号误差的至少一个周期的持续时间相对应的宽度。通过更新存储的时间戳相对位置集合，还可以在添加新的相对位置值并且移除旧的相对位置值时更新基于存储的时间戳相对位置集合的内插或回归。因此，当时间窗口移动时，可以更新所确定的参数值，即，所确定的参数值集合可以相对于当前条件保持最新。
根据一些方面，参数化近似包括校正相对位置相对于时间的线性关系。根据一些方面，线性关系由在初始零时间的初始相对位置s0和在第二时间t的相对位置的平均速度v与第二时间t的乘积的加和来确定，s＝s0+v·t。线性关系需要最少量的时间戳位置，因此提供计算效率最高的实现。线性关系通常提供对位置的时间依赖性的足够准确的描述，以便减少相关的周期性误差，同时提供在需要时添加非线性校正项的可能性。
根据一些方面，使用回归来执行确定参数值集合。
根据一些方面，该方法还包括输出与第一校正相对位置有关的补偿信号。输出补偿信号可以用在下游功能中以生成更精确的控制信号，诸如增量信号。根据一些其他方面，该方法还包括基于补偿信号生成增量信号。
根据一些方面，该方法还包括利用预定标准评估相对位置的变化。与预定标准的比较使得能够识别可以改善对参数集合的确定的调整的情况。利用预定标准评估相对位置的变化还使得能够根据环境如何变化来开关与估计的校正相对位置有关的信号的输出，特别是校正的相对位置与未校正的相对位置之间的差值、速度或加速度的变化。
根据一些方面，预定标准包括在第一时间的估计的第一校正相对位置与在第一时间的相应的未校正的相对位置之间超过或低于预定阈值的差值。根据一些方面，预定标准包括超过或低于预定阈值的速度。根据一些方面，预定标准包括超过或低于预定阈值的加速度。速度和/或加速度的阈值使得能够处理相对位置的方向的开始、停止和改变。速度阈值还可以使得能够处理由于高速导致的时间戳相对位置的不均匀分布。
根据一些方面，估计在第一时间的第一校正相对位置包括形成与至少一个传感器相对于基准的相对位置的变化有关的先前速度集合和与至少一个传感器相对于基准的相对位置的变化有关的当前速度的加权平均值。在某些情况下，测量误差不是谐波。例如，由于磁环编码器MRI的环段之间的气隙，MRI可以具有两个传感器。当在传感器之间切换时，内插的相位突然改变。补偿(即减少)这种非谐波干扰的一种方法是计算旧速度和新速度的加权平均值，重点是旧的速度值。换句话说，形成加权平均值使得该方法也能够应用于测量误差几乎是谐波的情况；加权平均值使得能够减少非谐波误差贡献。
本公开还涉及一种计算机程序，用于对至少一个传感器相对于基准的相对位置的位置信号进行信号误差校正。该计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在处理器中被执行时，使处理器执行所公开的方法，用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正。计算机程序实现所公开的方法并具有所公开方法的所有技术效果和优点。
本公开还涉及用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的设备。该设备包括输入信号接口，输入信号接口被配置为从传感器装置接收位置信号。设备还包括控制电路，控制电路被配置为基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。控制电路还被配置为使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计在第一时间的第一校正相对位置。设备还包括输出信号接口，输出信号接口被配置为输出与第一校正相对位置有关的补偿信号。
根据一些方面，控制电路包括处理器和存储器。存储器具有如上文和下文所公开的存储在其上的计算机程序，用于与至少一个传感器相对于基准的位置信号的信号误差校正。处理器被配置为执行存储在存储器中的计算机程序。
所公开的设备实施所公开的方法并具有所公开方法的所有技术效果和优点。
本公开还涉及用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的编码器。编码器包括传感器装置，该传感器装置包括至少一个传感器。传感器装置被配置为借助于至少一个传感器(420、520)测量相对位置。传感器装置还被配置为基于所测量的相对位置输出位置信号(pos)。编码器还包括用于位置信号的信号误差校正的设备。该设备包括输入信号接口，输入信号接口被配置为从传感器装置接收位置信号。该设备还包括控制电路。控制电路被配置为基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。控制电路还被配置为使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计在第一时间的第一校正相对位置。编码器还包括输出信号接口，该输出信号接口被配置为输出与第一校正相对位置有关的补偿信号。
所公开的编码器由此实现所公开的用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的方法，并且具有所公开方法的所有技术效果和优点。
根据一些方面，参数化近似包括校正相对位置相对于第二时间的线性关系。
根据一些方面，线性关系由在初始零时间的初始相对位置s0和在第二时间t的相对位置的平均速度v与第二时间的乘积的加和来确定，s＝s0+v·t。
根据一些方面，编码器还包括信号发生器，该信号发生器被配置为从用于信号误差校正的设备接收补偿信号。信号发生器还被配置为基于接收的补偿信号生成增量输出信号。信号发生器还配置为输出生成的增量输出信号。编码器由此被配置为使用误差校正后的位置信号用作基准或主动反馈控制，从而使得所公开的编码器能够用作换能器。
附图说明
图1a示出了所公开的信号误差校正方法的方法步骤；以及
图1b示出了图1a的周期性信号误差；
图2示出了所公开的信号误差校正方法的示例；
图3示出了用于信号误差校正的设备；
图4示出了用于信号误差校正的编码器；以及
图5示出了用于信号误差校正的编码器的示例。
具体实施方式
所公开的方法利用了这样的事实：在许多现实场景中，所生成的运动具有众所周知的行为，并且预期测量相对于基准的位置的信号将呈现取决于与位置有关的运动的某些特性。例如，在恒定速度的运动的情况下，预期速度-时间关系显示恒定的行为，即速度将相对于时间恒定。同样，预期位置将线性变化。在某些情况下，偏离这些预期行为可被视为错误。特别地，来自预期行为的周期性偏差通常可以被解释为误差，并且通过确定这些误差，可以解决这些误差的影响。
图1a示出了用于与至少一个传感器的相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的方法100的方法步骤。图1b示出了与经受恒定外部磁场的磁环编码器有关的图1a的示例周期性信号误差。该方法包括基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定S10校正的相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。一旦确定了参数化近似，就可以确定使参数化近似与当前条件集合最佳拟合的参数值。根据一些方面，通过填充测量的位置值集合(优选地均匀分布地)和对应于何时测量位置值的时间值集合来生成表格。位置值是指位置信号的测量信号值。位置值和对应的时间值对可以被视为时间戳位置集合。换句话说，该方法可以包括存储时间戳相对位置集合。时间戳相对位置集合使用时间戳相对位置集合实现参数化近似的曲线拟合，以便确定当前情况的参数值集合。
在磁环编码器的情况下，磁环可以用作基准。磁环编码器的磁环包括交替的磁北极和磁南极。可以通过诸如霍尔传感器的磁传感器来检测和区分北极和南极。因此，任意选择的北极或南极可以被定义为初始位置，磁场中测量的变化可以被解释为相对于任意选择的磁极的位置的相应变化。因此，磁环或磁环的磁极可以被定义为基准。当磁环相对于磁传感器旋转时，磁传感器测量的磁信号随着磁传感器相对于随后的磁北极和磁南极移动而改变。随后的磁北极和磁南极表示相对于限定初始位置的任意选择的磁北极或磁南极的位置变化。因此，由磁传感器测量的位置是传感器相对于基准的相对位置。
如果存在来自预期行为的周期性偏差，例如如上面针对恒定速度的情况所例示的，周期性偏差通常可以被解释为周期性误差。因此，存储的相对于基准的时间戳相对位置集合优选地在周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储。
例如，通过将在设定时间间隔的时间戳相对位置测量点添加到时间戳相对位置集合，可以动态地生成所存储的时间戳相对位置集合，即，集合的大小可以动态地增长。然后，当添加新的时间戳相对位置测量点时，可以逐渐更新正被确定的参数化近似的参数集合s0、v。然后可以在存储的时间戳相对位置集合的持续时间内内插参数化近似。然后可以将内插与测量点的原始数据进行比较，以便确定是否存在周期性误差，如果存在，则确定周期性误差的周期的持续时间。
如果至少一个传感器相对于基准的位置具有众所周知的周期性或接近周期性特性的运动，则相对于基准的相对位置的周期性运动的特性的知识可以用于确定在存储时间戳相对位置之前存储的时间戳相对位置集合的合适大小。
例如，对于磁环编码器，其中基准包括具有预定极距的磁尺，即相邻的北极和南极的中心之间的预定距离，一对北极和南极可以被分成N-1段集合，产生N均匀分布时间戳相对位置值的表。如果与相对于磁尺的位置有关的信号存在周期性误差，则每当磁尺上的磁极已经通过时，预期将重复该误差，即，误差将在对应于跨磁极移动位置的持续时间内出现。换句话说，周期性信号误差的一个周期的持续时间可以对应于相对于跨磁极的磁尺移动位置所需的持续时间。
因此，在该示例中，在一对北极和南极上相对于磁尺移动位置所需的持续时间内存储相对于磁尺的时间戳相对位置集合对应于在周期性信号误差的两个周期(北极上的一个周期和南极上的一个周期)的持续时间内存储相对于磁尺的时间戳位置集合。还可以在信号误差的一个周期的持续时间内存储相对于磁尺的时间戳相对位置集合。然而，在信号误差的两个周期的持续时间内存储相对于磁尺的时间戳相对位置集合的所示示例可能能够提供比相应的仅在周期性信号误差的一个周期的持续时间内存储的时间戳相对位置集合更准确的参数值集合的确定。在外部磁场影响磁信号的情况下，北极的信号以与南极不同的方式受到影响。但是对于每个极对，如果可以将外部磁场视为在磁极对上是恒定的，则该模式自身重复。因此，根据误差源和/或如何测量信号误差，可以将信号误差的周期性视为在一个磁极上或在两个磁极上是周期性的。
因此，在所示的示例中，时间上的第一个和最后一个表项是周期性信号误差的两个周期间隔。
换句话说，根据一些方面，该方法还包括在周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储S06相对于基准的时间戳相对位置集合。
根据一些方面，该方法还包括基于移动时间窗口更新S12所存储的时间戳相对位置集合，其中时间窗口具有与周期性信号误差的至少一个周期的持续时间相对应的宽度。在上面的示例中，当磁环编码器已经旋转了周期性信号误差的周期的两倍的距离除以段的数量N-1即步长时，更新表以使其就像一个具有一个极对大小的移动的窗口一样向前移动一步。
根据一些方面，参数化近似包括校正的相对位置s相对于第二时间t的线性关系。
换句话说，相对于基准的位置包括如下面的等式(1)中所述的表达式，
s＝s0+v·t (1)，
其中，s表示第二时间t的校正相对位置，s0表示相对于基准的初始位置，v表示在第二时间t的平均速度。因此，位置s的参数化近似是等式(1)右侧的表达式。确定S10的参数值集合包括在第二时间的初始位置s0和平均速度v。
这在图1b中进一步示出。与至少一个传感器相对于基准的位置有关的位置信号的测量产生测量位置sm，其可以被视为在图1b的上部中的相应磁极上相对于时间周期性地振荡。在图1b的中间还示出相应的速度与时间的曲线图。在恒定外部磁场正在影响与相对于基准的位置有关的磁信号的示例中，北极处的磁信号以与南极不同的方式受到影响。为了说明的目的，磁南极上的位置和速度误差振荡被示出为大于磁北极上的位置和速度误差振荡。换句话说，位置的测量误差将在磁北极和南极上不同。因此，磁北极将呈现第一周期性误差，并且磁南极将呈现第二周期性误差，第一和第二周期性误差在北极和南极的磁极对上具有总误差模式。因此，误差模式将在磁极对上重复。
当存储的时间戳位置集合跨越磁极对的距离时，这里示出为信号误差的两个周期的持续时间，磁北极上的一个周期和磁南极上的一个周期，存储的时间戳位置集合可用于确定位置相对于时间的参数化近似，这里示出为由上面的等式(1)给出的线性关系。
直线表示相对于基准的位置的内插误差校正值。换句话说，参数化近似可以用于通过将时间t的不同值插入等式(1)来提供相对于基准的校正位置。图1b的下部示出转换到输出S30与相对于基准的估计的第一校正相对位置有关的补偿信号的步骤将如何表现出来。直到初始时间t0，该方法已经存储了足以确定等式(1)的参数集合s0和v的时间戳位置。在导致初始时间的时间期间，测量的原始数据，即与相对于基准的位置有关的信号sout-pre，被输出而没有任何误差校正。在初始时间，参数化近似具有所确定的参数，以便内插相对于基准的位置的误差校正值sout-post，其在输出S30与相对于基准的估计的校正位置有关的信号的步骤中使用。将使用当前时间的内插值连续输出与相对于基准的估计的校正位置有关的输出信号，其中当前时间是指最后记录的时间值或未来时间。未来时间可以涉及对应于位置信号测量的采样频率的时间步长。换句话说，当前时间可以包括相对于初始化方法的步骤的时间的最后记录时间。当前时间可以包括相对于初始化方法的步骤的时间的未来时间。
在图1b中，示出当测量的原始数据与在相应时间的内插值匹配时发生的转变。实际上，确定参数值集合的时间可以与测量的原始数据与在相应时间的内插值匹配的时间不一致。因此，根据相同的方面，该方法包括等待直到测量的原始数据与在相应时间的内插值匹配，这具有避免在相对于基准的估计位置的突然跳跃的优点。
这在下面进一步示出。
参数化近似也可以扩展为包括其他线性和非线性项，如下面的等式(2)和(3)所例示，
Figure BDA0001965501540000111
s＝s0+v·t+b1·sin(t)+b2·cos(t)+…(3)。
等式(2)包括加速度项，其可以提供对相对于基准的位置快速变化的情况的改进拟合，从而减少相关滞后。等式(3)添加谐波函数，如果通过使用最小二乘法来执行参数值的确定，则这可能是有用的。根据一个优选的方面，当确定误差校正信号时，仅使用直线部分，即s＝s0+v·t，这将取决于s而不是确定s的原始数据。
根据一些方面，使用回归来执行确定S10参数值集合。通常可以容易地实现回归，并且可以提供具有低计算需求的实现。例如，在等式(1)中，可以通过使用线性回归来确定参数s0和v。在等式(3)中，参数s0和v可以有利地通过使用最小二乘法来确定。
根据一些方面，该方法包括改变参数化近似。根据一些其他方面，可以基于预定的设定大小标准来扩展和/或缩减时间戳位置集合。例如，等式(1)的参数化近似比等式(2)的参数化近似需要更少的时间戳位置。因此，如果预定的设定大小标准表明需要改变参数化近似，例如，从等式(1)到等式(2)，所存储的时间戳位置集合可以相应地扩展以满足对附加时间戳位置的需要。同样地，如果出现相反的情况，则可以减少(即收缩)时间戳位置集合的大小。
一旦已经确定了参数化近似的参数值集合，例如，通过使用内插，就可以使用参数化近似来估计相对于基准的位置的误差校正值。因此，该方法还包括基于使用所确定的参数值集合的参数化近似在第一时间估计S20第一校正相对位置。
可能需要在等式(1)-(3)中过滤速度v的值。回到磁环编码器的示例，例如，为了使磁尺可分开，在磁尺中通常存在一个或多个间隙。在一些示例中，磁环编码器具有至少两个传感器，该至少两个传感器在空间上偏移，使得当一个传感器在间隙中测量时，另一个传感器在磁尺上进行测量。由于间隙，当在传感器之间切换时，内插的相位可能突然改变。因此，当通过间隙时，测量误差可能不会完全呈现周期性。过滤速度值v的一种简单方法是将速度计算为速度的旧值与最后一个极对上计算的速度之间的加权平均值ds/dt。
因此，根据一些方面，估计S20校正的相对位置包括形成S21与至少一个传感器相对于基准的相对位置的变化有关的先前速度集合和与至少一个传感器相对于基准的相对位置的变化有关的当前速度的加权平均值。形成加权平均值使得能够计算地有效去除突然跳跃或不稳定性。
估计的校正位置可以用于下游过程，例如，作为增量信号发生器的输入。因此，根据一些方面，该方法包括输出S30与第一校正相对位置有关的补偿信号。根据一些其他方面，该方法包括基于补偿信号生成S40增量信号。
关于相对于基准的位置的时间依赖性，可以进一步增强该方法以解决涉及启动、停止和方向改变的情况。
例如，当从静止增加速度，即启动情况时，该方法可以包括输出原始的、未补偿的位置值，直到达到某个速度限制。换句话说，根据一些方面，该方法包括评估S08位置相对于具有预定标准的基准的变化，例如速度。根据评估，可以输出与原始的、未补偿的位置或校正位置有关的信号。
如果存储的诸如位置和相应的时间的表的时间戳位置集合被用作确定参数化近似的设定参数值的基础，如上所述，时间戳位置集合可以不包括任何在启动时的时间戳。在这种情况下，用于决定该方法何时输出与相对于基准的位置的估计的校正位置有关的信号而不是与相对于基准的位置有关的信号(即原始的、未补偿的位置值)的速度值与如例如关于上面的等式(1)-(3)中所述的速度参数v不同。一个原因是当从零速度开始时，平均速度可能是不确定的。例如，在上述磁环编码器的示例中，当从零速度开始时，最后两个磁极上的平均速度是不确定的，因为两个磁极根本就没有过去。相反，当从零速度开始时，速度被计算为在固定时间帧期间的位置即固定数量的采样位置变化。
一旦速度已经达到足够高的速度，该方法对加速或减速不是非常敏感。然而，如果速度变得如此之低以至于它再次接近零，则可以再次输出未补偿的(即原始的)位置而不是补偿位置。
因此，比较相对于基准的位置的变化的预定标准可以包括超过或低于预定阈值的速度。
比较相对于基准的位置的变化的预定标准可以包括超过或低于预定阈值的加速度。
根据一些方面，比较相对于基准的位置的变化的预定标准包括在第一时间的估计的第一校正相对位置与在第一时间的相应的未校正的相对位置之间的差值超过或低于预定阈值。
位置、速度和加速度阈值可以在预定标准中同时发生。
例如，当启动时，在可以确定S10参数值集合之前，可能需要存储S06时间戳相对位置集合。因此，在该示例中，标准可以包括速度需要超过预定阈值，与加速度需要降至预定阈值以下相同。当已经确定了参数值集合时，可以估计S20校正的相对位置。该方法还可以包括输出S30与第一校正相对位置有关的补偿信号。
根据一些方面，该方法包括当估计的校正位置等于未校正位置时输出S30补偿信号。通过在校正位置与未校正的(即原始的)位置匹配时从输出与估计校正位置有关的信号执行切换，可以避免输出中的步骤。
然后，如果估计的校正位置与相应的原始信号所指示的位置相差太多和/或超过加速度极限和/或速度太低，则未校正的(即原始的)位置可以用作输出信号而不是估计的校正位置的基础。换句话说，预定标准可以包括估计的校正位置和相应未校正位置之间的超过或低于预定阈值的差值、超过或低于预定阈值的速度以及超过或低于预定阈值的加速度中的至少一个。该方法可以包括当满足预定标准时输出与未校正的(即原始的)位置相关的信号。该方法可以包括在满足预定标准时输出S30补偿信号。
因此，总而言之，根据一些方面，该方法还包括利用预定标准评估S08相对位置的变化。根据一些方面，预定标准包括估计的校正位置与相应未校正位置之间的超过或低于预定阈值的差值。根据一些方面，预定标准包括超过或低于预定阈值的速度。根据一些方面，预定标准包括超过或低于预定阈值的加速度。
本公开还涉及用于对至少一个传感器相对于基准的相对位置的位置信号进行信号误差校正的计算机程序。计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在处理器中被执行时，使处理器执行如上下文所述的方法。
图2示出用于信号误差校正的所公开的方法200的示例。所示出的示例可以适于与磁环编码器相关的使用，例如如上面关于图1a和图1b和下面的图5所述的磁环编码器。磁环编码器可以具有包括沿着环的圆周均匀分布的交替磁极的环形的位置基准。
该方法基于使用时间戳位置集合，例如，以包括相对于基准的测量的位置以及测量位置的相应时间的表格的形式。最初，在时间戳位置集合中可能没有任何时间戳位置。例如，相对于被配置为测量关于基准的位置的一个或多个磁传感器，如果磁环编码器从静止开始并且基准开始移动，即环开始旋转，则通常是这种情况。当基准相对于一个或多个磁传感器旋转时，相对于基准的位置改变。
该方法包括基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定S10校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。该方法还包括使用确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似估计S20在第一时间的第一校正相对位置。
该方法还包括输出S30与第一校正相对位置有关的补偿信号。
在时间戳位置集合中没有存储时间戳位置的情况下，这通常将是在磁环编码器启动时应用该方法时的情况，不能确定参数化近似的参数集合。因此，该方法包括在周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储S06相对于基准的时间戳相对位置集合。
在磁环编码器的情况下，当磁环相对于一个或多个传感器旋转时，通过扫过磁环的磁极的一个或多个传感器来测量位置。一个或多个传感器以磁脉冲的形式重复记录信号。当存在外部磁场扰动或者如果磁环绕其旋转的轴相对于一个或多个传感器略微未对准时，测量的信号将在磁北极和磁南极上周期性地变化。磁极对上的周期性变化对应于周期性信号误差，其将指示一个或多个传感器相对于磁环的位置，该位置与理想情况下(例如，完美对齐的旋转轴并且没有外部磁场扰动)可预期的位置略有不同。因此，周期性信号误差的周期在磁极对(即两个磁极)上延伸。除了减少磁极对上的周期性信号误差之外，示出的示例还减少一半周期的复现信号误差。
虽然该方法可以存储S06周期性信号误差的一个持续时间的时间戳相对位置集合，但是这里将示出该方法包括在磁极对上的信号误差周期(即磁北极和磁南极的周期)的持续时间内存储S06时间戳相对位置集合的步骤。
具体地，在磁环编码器的情况下，磁北极-磁南极对的长度被分成N-1段。因此，例如，以具有N个均匀分布的位置值的表格和具有N个相应时间的表格的形式，或者以加入具有两行或列存储位置值和相应时间的对的单个表的形式，时间戳位置集合优选地被安排为接收N个时间戳位置。第一个和最后一个表项是一个磁极对的周期间隔。
当该方法初始化时，时间戳位置集合逐渐填充N个时间戳位置。在此期间，输出原始的、未校正的数据。换句话说，在可以确定S10参数值集合之前，至少一个传感器相对于基准的相对位置必须已经移动了与磁极对的空间范围相对应的距离，可以估计S20在第一时间第一校正相对位置，并且可以输出S30与第一校正相对位置有关的补偿信号。换句话说，根据一些方面，该方法可以包括利用预定标准评估S08相对于基准的相对位置的变化。根据一些其他方面，预定标准包括估计的校正位置与相应未校正位置之间的超过或低于预定阈值的差值。在该示例中，预定阈值是周期性信号误差的至少一个磁极对周期。
如上面关于图1a和图1b所述，在确定校正位置之前，相对于基准的位置的变化优选地需要达到特定速度。因此，根据一些方面，预定标准包括超过或低于预定阈值的速度。
一旦已经满足了距离和速度标准，就可以确定S10位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。根据一些方面，使用回归来确定S10参数值集合。在优选示例中，参数化近似包括位置相对于时间的线性近似。换句话说，参数化近似采用形式
s＝s0+v·t+可选项 (4)，
其中，s表示在第二时间t的校正相对位置，s0表示相对于基准的初始相对位置，v表示在第二时间t的平均速度。因此，校正的相对位置s的参数化近似是等式(4)右侧的表达式。参数化可以采用上面的等式(1)-(3)描述的任何形式。确定S10的参数值集合包括s0和v。
利用确定的参数值集合，可以估计位置的校正值。根据一些优选方面，该方法包括基于所确定的参数值集合来内插S22校正的相对位置。具体地，利用当前时间值，诸如相对于初始化方法的步骤的时间的最后记录时间或未来时间，可以通过将当前时间值插入等式(4)来获得当前位置值。因此，估计S20第一校正相对位置还基于当前时间。换句话说，第一时间可以包括当前时间。
磁环编码器的一个或多个传感器扫过磁极对所花费的时间可能比采样位置之间的时间间隔长。换句话说，一个或多个传感器的采样频率可以很高，使得在磁性基准相对于传感器移动的同一磁极上由传感器测量多个样本。直到一个或多个传感器的位置相对于磁环编码器已经移动一步，对应于周期性信号误差的磁极对周期的距离除以段的数量N-1，当基于当前时间连续估计S20第一校正相对位置时，重新使用当前参数值s0和v。
随着时间戳位置集合的时间窗口已经向前移动一步，通过添加最新磁极对的位置和时间来更新时间戳位置集合，并且从时间戳位置集合中移除最旧的时间戳位置。换句话说，该方法包括基于移动时间窗口更新S12所存储的时间戳相对位置集合，其中时间窗口具有与周期性信号误差的至少一个周期的持续时间相对应的宽度。
然后，该方法使用更新的时间戳位置集合来确定位置相对于时间的参数化近似的更新的参数值集合s0和v。然后，使用更新的参数值集合基于参数化近似来估计相对于基准的未来校正位置。该方法由此连续更新参数值集合s0和v。
取决于磁环编码器和预期应用，该方法可以进一步包括利用预定标准评估S08相对位置的变化，其中，根据一些方面，预定标准包括在第一时间的第一校正相对位置和在第一时间的相应未校正相对位置之间的超过或低于预定阈值的差值、超过或低于预定阈值的速度、或超过或低于预定阈值的加速度中的至少一个。该方法还可以包括将速度v计算为速度的旧值与最后一个极对上计算的速度之间的加权平均值ds/dt。
根据一些方面，该方法还包括基于补偿信号生成S40增量信号。
关于图2所示的所公开的方法的示例也可以部分或完全用软件实现。换句话说，关于图2所示的所公开的方法的示例可以以计算机程序实现，该计算机程序用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正。计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在处理器中被执行时，使处理器执行如上关于图2所述的方法。
图3示出用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的设备30。设备30包括输入信号接口32，其被配置为接收位置信号。
设备30还包括控制电路34。控制电路被配置为基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。控制电路还被配置为使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计在第一时间的第一校正相对位置。
设备30还包括输出信号接口36，输出信号接口被配置为输出与第一校正相对位置有关的补偿信号。因此，设备30能够执行所公开的方法，并且具有所公开的方法的所有技术效果和优点。输入信号接口和/或输出信号接口可以至少部分地实现为电子和/或光学电路。根据一些方面，控制电路34包括处理器37和存储器38。如上文和下文所述，存储器38被配置为存储实现所公开的方法的计算机程序。处理器37被配置为执行存储在存储器38上的计算机程序。
图4示出用于与至少一个传感器相对于基准405的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的编码器400。编码器400包括传感器装置410，传感器装置410包括至少一个传感器420。传感器装置410被配置为借助于至少一个传感器(420、520)测量相对位置。至少一个传感器可以被配置为测量磁性、光学、电感和/或电容位置信号。
传感器装置410还被配置为基于测量的相对位置输出位置信号pos。在磁环编码器的情况下，磁环的交替磁极将用作基准。相对于基准的位置将与一个或多个传感器在给定时间范围内已经经过多少磁极有关。
编码器400还包括用于位置信号的信号误差校正的设备40。设备40包括输入信号接口42，输入信号接口被配置为从传感器装置410接收位置信号pos。设备40还包括控制电路44。控制电路被配置为在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内基于位置信号的测量来确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。控制电路还被配置为使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计在第一时间的第一校正相对位置。编码器400还包括输出信号接口46，输出信号接口被配置为输出与第一校正相对位置有关的补偿信号comp_pos。
例如，如下面的图5所示，传感器装置可以包括另外的处理电路，该另外的处理电路在信息被传递到设备40之前处理由一个或多个传感器420测量的信号以用于信号误差校正。
根据一些方面，设备40以软件实现，即作为如上文和下文所述的计算机程序实现。在这种情况下，设备的控制电路44可以被视为编码器400的一部分，例如，传感器装置的一部分。输入信号接口42和/或输出信号接口46也可以至少部分地以软件实现。
根据一些方面，参数化近似包括校正的相对位置(s)相对于第二时间(t)的线性关系。根据一些其他方面，该线性关系由在初始零时间的初始相对位置s0和在第二时间(t)的相对位置的平均速度(v)与第二时间(t)的乘积的加和来确定，s＝s0+v·t。
根据一些方面，编码器还包括信号发生器430。信号发生器430被配置为从设备40接收补偿信号comp_pos。信号发生器430还被配置为基于接收的补偿信号comp_pos生成增量输出信号inc。信号发生器430还被配置为输出生成的增量输出信号inc。编码器400由此被配置为基于传感器的测量来提供误差校正的增量输出信号。在磁环编码器的情况下，编码器400将能够基于测量的极对提供误差校正的增量输出信号。
图5示出用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的编码器的示例。特别地，图5示出用于信号误差校正的磁环编码器的示例，其中所公开的方法在磁环编码器的背景下实现。
编码器500包括传感器装置510。传感器装置510包括两个传感器520。两个传感器520被配置为测量磁信号。
编码器包括磁环505。磁环包括沿磁环的圆周均匀分布的交替磁极。磁环还包括沿圆周的一个或多个位置处的间隙，其中不存在磁极。
磁环还被配置为绕轴旋转。由此，磁环被配置为相对于两个传感器旋转，即移动。两个传感器相对于编码器500的磁环布置，使得至少一个传感器总是能够测量来自磁环505的磁极的磁信号。当磁环旋转时，其中一个传感器最终将遇到间隙并暂时无法测量磁信号。通过具有两个传感器，传感器520可以在空间上分开，以确保两个传感器中的至少一个总是能够测量磁环505的磁信号。磁环505由此用作对位置的基准，其中位置涉及磁环例如已经关于两个传感器520旋转了多少。
当磁环执行旋转运动时，在磁北极或磁南极上测量的磁信号将取决于通过两个磁传感器520的磁北极和磁南极的变化。换句话说，基准是磁环505特别是磁环的一个或多个磁极。当首先激活磁传感器时，可以建立零距离，其中距离被测量为磁环相对于磁传感器的可能累积的旋转。当磁环相对于磁传感器旋转时，由磁传感器测量的磁信号涉及磁环相对于磁传感器的旋转。换句话说，所测量的磁场变化对应于相对于基准的行进距离，即相对旋转。然而，诸如外部恒定磁场或旋转轴的轻微未对准之类的误差源可能导致测量的磁信号偏离与下面的旋转(即位置相对于基准的变化)相关联的预期行为，这可以是被视为误差。例如，如果存在外部恒定磁场，则测量信号可以在磁北极上增强并且在磁南极减小，或反之亦然。当磁环从例如磁北极移动到下一个磁北极时，传感器预期会经历相同长度即相同的持续时间的周期性误差。然后，用于生成下游增量输出信号的内插将经历磁极对上的内插误差。换句话说，优选地在周期性信号误差的一个周期的持续时间内测量磁信号。
因此，传感器装置510被配置为借助于两个传感器520测量相对于基准505的位置，即至少一个传感器相对于基准的相对位置。传感器装置510被配置为经由模数转换器将来自相应传感器520的测量信号转换为数字信号。模数转换器确定相对于基准的位置被采样的频率。
然后将数字信号从它们的近似周期形式转换成相应的反三角函数值，例如，arctan，然后传递给合并模块，例如，多路复用器mux，用于将两个信号合并到位置信号pos中。传感器装置还被配置为基于测量的相对位置输出位置信号pos。
编码器500还包括用于位置信号的信号误差校正的设备50。设备50包括输入信号接口，该输入信号接口被配置为从传感器装置510接收位置信号pos。设备50还包括控制电路。控制电路被配置为基于在位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内的位置信号的测量来确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合。
根据一些方面，参数化近似包括校正相对位置s相对于第二时间t的线性关系。根据一些其他方面，线性关系由在初始零时间的初始相对位置s0和在第二时间t的相对位置的平均速度v与第二时间t的乘积的加和来确定，s＝s0+v·t。
控制电路还被配置为使用所确定的参数值集合和第一时间基于参数化近似来估计在第一时间的第一校正相对位置。
因此，设备50以接收信号pos的形式获取原始的未校正位置数据，并估计相对于基准(即磁环505)的校正位置。然后将相对于基准的校正位置用作如下所述用于生成增量输出信号的基础。
编码器还包括输出信号接口，输出信号接口被配置为输出与第一校正相对位置有关的补偿信号comp_pos。
编码器500还包括信号发生器530。信号发生器530被配置为从用于信号误差校正的设备50接收补偿信号comp_pos。信号发生器530还被配置为基于接收的补偿信号comp_pos生成增量输出信号inc。信号发生器530还被配置为输出所生成的增量输出信号inc。
编码器500由此被配置为输出增量输出信号，该增量输出信号已经针对由两个传感器520测量的周期性信号误差进行了校正。
根据一些方面，如上文和下文所述，设备50以软件实现，即作为用于与相对于基准的位置有关的信号的信号误差校正的计算机程序。在这种情况下，设备50的控制电路可以被视为编码器500的一部分，例如，传感器装置510的一部分。设备50的输入信号接口和/或输出信号接口也可以至少部分地以软件实现。

Claims (20)

1.一种用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的方法(100、200)，所述方法包括：
-在所述位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储(S06)相对于所述基准的时间戳相对位置集合,
-基于移动时间窗口更新(S12)所存储的时间戳相对位置集合，其中，所述时间窗口具有与所述周期性信号误差的所述至少一个周期的所述持续时间相对应的宽度,
-基于在所述周期性信号误差的所述至少一个周期的所述持续时间内的所述位置信号的测量，确定(S10)校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合，以及
-使用所确定的所述参数值集合和第一时间基于所述参数化近似来估计(S20)在所述第一时间的第一校正相对位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间包括当前时间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，估计(S20)校正相对位置包括：
-基于所确定的所述参数值集合内插(S22)所述校正相对位置。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述参数化近似包括校正相对位置s相对于第二时间t的线性关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述线性关系由在初始零时间的初始相对位置s0和在所述第二时间t的所述相对位置的平均速度v与所述第二时间t的乘积的加和来确定，
s＝s0+v·t (1)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用回归来执行确定(S10)所述参数值集合。
7.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
-输出(S30)与所述第一校正相对位置有关的补偿信号(comp_pos)。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
-基于所述补偿信号(comp_pos)生成(S40)增量信号。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
-利用预定标准评估(S08)所述相对位置的变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预定标准包括在所述第一时间的所估计的第一校正相对位置与在所述第一时间的相应的未校正相对位置之间的超过或低于预定阈值的差值。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述预定标准包括超过或低于预定阈值的速度。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述预定标准包括超过或低于预定阈值的加速度。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中，估计(S20)在所述第一时间的第一校正相对位置包括：
形成(S21)与所述至少一个传感器相对于所述基准的所述相对位置的变化有关的先前速度集合和与所述至少一个传感器相对于所述基准的所述相对位置的变化有关的当前速度的加权平均值。
14.一种非暂存性计算机可读存储介质,存储有计算机程序，用于与至少一个传感器相对于基准的相对位置有关的位置信号的信号误差校正，所述计算机程序包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在处理器中被执行时，使所述处理器执行根据权利要求1至13中任一项的所述方法。
15.一种用于与至少一个传感器相对于基准(405、505)的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的设备(30、40、50)，所述设备(30、40、50)包括：
-输入信号接口(32、42)，被配置为接收所述位置信号(pos)，
-控制电路(34、44)，被配置为：
在所述位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储相对于所述基准的时间戳相对位置集合，
基于移动时间窗口更新所存储的时间戳相对位置集合，其中，所述时间窗口具有与所述周期性信号误差的所述至少一个周期的所述持续时间相对应的宽度,
基于在所述周期性信号误差的所述至少一个周期的所述持续时间内的所述位置信号的测量，确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合，以及
使用所确定的所述参数值集合和第一时间基于所述参数化近似来估计在所述第一时间的第一校正相对位置，以及
-输出信号接口(36、46)，被配置为输出与所述第一校正相对位置有关的补偿信号(comp_pos)。
16.根据权利要求15所述的设备(30、40、50)，其中，所述控制电路(34、44)包括处理器(37、47)和存储器(38、48)，其中，所述存储器(38、48)被配置为根据权利要求14所述非暂存性计算机可读存储介质，并且其中，所述处理器(37、47)被配置为执行存储在所述存储器中的所述计算机程序。
17.根据一种用于与至少一个传感器相对于基准(405、505)的相对位置有关的位置信号的信号误差校正的编码器(400、500)，所述编码器(400、500)包括：
-传感器装置(410、510)，包括所述至少一个传感器(420、520)，所述传感器装置(410、510)被配置为：
借助于所述至少一个传感器(420、520)测量所述相对位置，
基于所测量的所述相对位置输出所述位置信号(pos)；以及
-用于所述位置信号的信号误差校正的设备(30、40、50)，所述设备(30、40、50)包括：
-输入信号接口(32、42)，被配置为从所述传感器装置(410、510)接收所述位置信号(pos)，
-控制电路(34、44)，被配置为：
在所述位置信号的周期性信号误差的至少一个周期的持续时间内存储相对于所述基准的时间戳相对位置集合,
基于移动时间窗口更新所存储的时间戳相对位置集合，其中，所述时间窗口具有与所述周期性信号误差的所述至少一个周期的所述持续时间相对应的宽度,
基于在所述周期性信号误差的所述至少一个周期的所述持续时间内的所述位置信号的测量，确定校正相对位置相对于时间的参数化近似的参数值集合，以及
使用所确定的所述参数值集合和第一时间基于所述参数化近似来估计在所述第一时间的第一校正相对位置，以及
-输出信号接口(36、46)，被配置为输出与所述第一校正相对位置有关的补偿信号(comp_pos)。
18.根据权利要求17所述的编码器(400、500)，其中，所述参数化近似包括校正相对位置s相对于第二时间t的线性关系。
19.根据权利要求18所述的编码器(400、500)，其中，所述线性关系由在初始零时间的初始相对位置s0和在所述第二时间t的所述相对位置的平均速度v与所述第二时间t的乘积的加和来确定，
s＝s0+v·t (1)。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的编码器，进一步包括：
-信号发生器(430、530)，被配置为：
从用于信号误差校正的所述设备(30、40、50)接收所述补偿信号(comp_pos)，
基于所接收的所述补偿信号(comp_pos)生成增量输出信号(inc)，以及
输出所生成的所述增量输出信号(inc)。
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