DE10019500A1 - Ermittlungsverfahren für Offset und/oder Amplitude eines sinusförmigen Erstsignals - Google Patents

Abstract

Anhand von sinusförmigen Erst- (B) und eines um etwa 90 DEG phasenversetzten sinusförmigen Zweitsignals (A) wird ein Istwinkel (alpha) ermittelt. Wenn der Istwinkel (alpha) in Winkelbereichen (2beta) um einen Nulldurchgang des Zweitsignals (A) herum liegt, wird - je nach Vorzeigen des Erstsignals (B) - aus dem Erst- (B) und dem Zweitsignal (A) ein Plus- (B+) bzw. ein Minussignal (B-) ermittelt. Aus dem Plus- (B+) und dem Minussignal (B-) werden dann Offset (OB) und/oder Amplitude (AB) des Erstsignals (B) ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ermittlungsverfahren für Offset und/oder Amplitude eines sinusförmigen Erstsignals aus dem Erstsignal und einem sinusförmigen, gegen das Erstsi­ gnal um etwa 90° phasenversetzten Zweitsignal.

Optische, magnetische und kapazitive Gebersysteme liefern oftmals zwei Rohsignale, welche die gleiche Frequenz und im wesentlichen die gleiche Amplitude aufweisen, jedoch um 90° gegeneinander phasenversetzt sind. Auch können die Rohsignale einen geringen Offset aufweisen. Die Ursache der Amplituden- und Offsetabweichungen liegen in Fertigungstoleranzen bzw. Streuungen der Gebersysteme und der in ihnen verwendeten Ab­ tastelemente. Anhand der erfassten Rohsignale wird meist eine Lage (Position oder Winkel) errechnet. Die Abweichungen der Amplituden von ihren Idealwerten und auch die Offsets führen dabei zu Folgefehlern bei der Lageberechnung.

Aus der EP 0 489 936 B1 ist bekannt, bei Nulldurchgängen des Erstsignals das Zweitsignal zu erfassen und umgekehrt bei Nulldurchgängen des Zweitsignals das Erstsignal zu erfassen. Aus den zu diesen Zeitpunkten erfassten Erst- und Zweitsigna­ len können dann die Offsets und die Amplituden der Signale ermittelt und die Signale gegebenenfalls korrigiert werden. Das aus der EP 0 489 936 B1 bekannte Verfahren setzt dabei voraus, dass zum Nulldurchgang eines der Signale das jeweils andere Signal erfassbar ist.

Im Regelfall erfolgt in der Praxis jedoch die Abtastung in regelmäßigen Zeitabständen, also unabhängig von den momenta­ nen Signalen. Ein Nulldurchgang eines der Signale fällt da­ mit, wenn überhaupt, nur zufällig auf einen der Abtastzeit­ punkte. Das Verfahren gemäß der EP 0 489 936 B1 ist daher in der Praxis entweder gar nicht oder nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand realisierbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Ermittlungsverfahren zu schaffen, bei dem auch bei Abtastung in regelmäßigen Zeitabständen ohne weite­ res Amplitude und Offset des Erstsignals ermittelbar sind.

Die Aufgabe wird durch ein Ermittlungsverfahren mit folgenden Schritten gelöst:

• - Ermitteln eines Istwinkels anhand des Erst- und des Zweit­ signals,
• - Ermitteln eines Plussignals aus dem Erst- und dem Zweitsi­ gnal, wenn der Istwinkel in einem Pluswinkelbereich um ei­ nen Pluswinkel herum liegt, bei dem das Zweitsignal im I­ dealfall exakt Null ist und das Erstsignal einen positiven Wert aufweist,
• - Ermitteln eines Minussignals aus dem Erst- und dem Zweit­ signal, wenn der Istwinkel in einem Minuswinkelbereich um einen Minuswinkel herum liegt, bei dem das Zweitsignal im Idealfall exakt Null ist und das Erstsignal einen negati­ ven Wert aufweist,
• - Ermitteln von Offset und/oder Amplitude des Erstsignals aus dem Plus- und dem Minussignal.

Es wird also bei der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zur EP 0 489 936 B1 nicht geprüft, ob ein Nulldurchgang vorliegt, sondern es wird lediglich geprüft, ob das Zweitsignal in der Nähe eines Nulldurchgangs liegt. Wenn das der Fall ist, wird unter Verwendung sowohl des Erst- als auch des Zweitsignals ein Wert ermittelt, den das Erstsignal bei diesem Nulldurch­ gang wahrscheinlich hätte.

Ersichtlich sind das Erst- und das Zweitsignal prinzipiell gleichwertig. Bei logischem Vertauschen von Erst- und Zweitsignal sind daher auch Offset und/oder Amplitude des Zweit­ signals ermittelbar.

Die Winkelbereiche liegen vorzugsweise symmetrisch um die entsprechenden Winkel herum und überstreichen mindestens 10°. Im Extremfall ist es sogar möglich, den Winkelbereich bis auf 90° auszudehnen. Vorzugsweise aber überstreichen die Winkel­ bereiche höchstens 75°. Als Optimum hat sich bei Versuchen ein Winkelbereich zwischen 30° und 60° erwiesen.

Das Ermitteln von Plus- und Minussignal ist am einfachsten, wenn hierzu das Erst- und das Zweitsignal vektoriell addiert werden. Unter dem Begriff "vektorielle Addition" ist dabei die Wurzel aus der Summe der Quadrate von Erst- und Zweitsi­ gnalen zu verstehen.

Wenn zum Ermitteln von Offset und/oder Amplitude des Erstsi­ gnals Mittelwerte vom Plus- bzw. Minussignalen gebildet wer­ den, arbeitet das Verfahren genauer und weist eine bessere Konvergenz auf.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei­ gen in Prinzipdarstellung
Fig. 1 eine Signalgebersystem,
Fig. 2 ein Zeigerdiagramm,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm und
Fig. 4 ein Signalgeberauswertungssystem.

Gemäß Fig. 1 weist ein Signalgebersystem einen Signalgeber 1 mit zwei Sensoren 2, 3 auf. Die Sensoren 2, 3 liefern Signale A und B. Die Signale A, B sind beide sinusförmig, weisen die gleiche Frequenz auf und sind - im Idealfall exakt, im Real­ fall um etwa - 90° phasenversetzt.

Die Signale A, B werden an ein Signalgeberauswertungssystem 4 weitergeleitet. Dieses wertet die Signale A, B - z. B. unter Abarbeitung eines Computerprogrammprodukts 5 - aus und ermit­ telt daraus eine Lage, z. B. eine Position x oder einen Win­ kel ϕ. Zur Ermittlung der Lage werden dabei unter anderem Amplituden AA, AB sowie Offsets OA, OB für die Signale A, B ermittelt und die erfassten Signale A, B gegebenenfalls kor­ rigiert.

In Fig. 2 sind das Signal A nach oben und das Signal B nach rechts aufgetragen. Im Idealfall, d. h., wenn beide Signale A, B gleiche Amplituden AA, AB und Offsets OA, OB von 0 auf­ weisen, ergibt sich als Figur ein Kreis K. In der Praxis sind die Amplituden AA, AB - wenn auch geringfügig - verschieden voneinander und die Offsets OA, OB - wenn auch geringfügig - von 0 verschieden. Es ergibt sich daher nicht der Kreis K, sondern eine Ellipse E.

Um die Amplituden AA, AB und die Offsets OA, OB ermitteln (und korrektieren) zu können, werden gemäß Fig. 3 in einem Schritt 6 zunächst Signale A+, A-, B+ und B- auf einen Aus­ gangswert, hier auf den Wert 1, gesetzt. Der Buchstabe steht dabei für das jeweilige Signal, das Rechenzeichen deutet an, ob es sich um ein Plus- oder ein Minussignal handelt. Sodann werden in einem Schritt 7 die Signale A, B erfasst.

Aus den Signalen A, B wird in einem Schritt 8 zunächst ein Istwinkel α ermittelt. Der Istwinkel α ergibt sich als arc­ tan (A/B). Damit ist der Istwinkel α zunächst im Bereich zwischen -90° und +90° bestimmt. Durch Berücksichtigung der Vorzeichen der Signale A, B sowie der Grenzfälle, bei denen das Signal B den Wert 0 hat, lässt sich der Istwinkel α in einem Winkelbereich von -180° bis +180° eindeutig bestimmen. Sodann erfolgt in einem Schritt 9 eine vektorielle Addition der Signale A, B zu einem Hilfswert C.

Sodann wird in Schritten 10 bis 14 geprüft, ob der Istwinkel α innerhalb eines symmetrischen Winkelbereichs der Größe 2β in der Nähe eines Nulldurchgangs eines der Signale A, B liegt. Wenn eine der Prüfungen positiv ist, wird in Schritten 15 bis 18 das korrespondierende Plus- bzw. Minussignal A+, B+, A-, B- neu berechnet. Dabei erfolgt gemäß den Schritten 15 bis 18 keine vollständige Ersetzung des jeweiligen Signals A+, B+, A-, B-. Vielmehr erfolgt eine Wichtung mit einem Ver­ gesslichkeitsfaktor k. Der Vergesslichkeitsfaktor k liegt zwischen 0 und 1. Je nach dem Wert des Vergesslichkeitsfak­ tors k werden frühere Werte mehr oder weniger stark berück­ sichtigt. Im Ergebnis werden somit Mittelwerte von Plus- bzw. Minussignalen A+, B+, A-, B- gebildet. Aus den so ermittelten Plus- und Minussignalen A+, B+, A-, B- werden dann in einem Schritt 19 die Offsets OA, OB und die Amplituden AA, AB er­ mittelt. Danach erfolgt in einem Schritt 20 eine weitere Ver­ arbeitung der Signale A, B. Die ermittelten Offsets OA, OB und Amplituden AA, AB werden dabei selbstverständlich berück­ sichtigt.

Die Winkelbereiche 2β sind gemäß Ausführungsbeispiel alle gleich. Dies ist zwar sinnvoll, nicht aber zwingend erforder­ lich. Auch ist es nicht zwingend, dass die Winkelbereich 2β symmetrisch um die Nulldurchgänge der jeweiligen Signale A, B herum liegen.

Die Winkelbereiche 2β können sich im Extremfall bis zur je­ weiligen Winkelhalbierenden zwischen den Achsen erstrecken. Maximal betragen sie also 900. Vorzugsweise aber sollten sie 75°, insbesondere 60° nicht überschreiten. Andererseits soll­ ten sie 10°, insbesondere mindestens 30°, überstreichen.

Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung des Vergesslich­ keitsfaktors k ist es auch möglich, die ermittelten Amplitu­ den AA, AB und Offsets OA, OB inkrementell zu korrigieren. Eine derartige inkrementelle Korrektur ist beispielsweise in der bereits erwähnten EP 0 489 936 B1 beschrieben.

Fig. 4 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung eines er­ findungsgemäßen Signalgeberauswertungssystems. Gemäß Fig. 4 werden die Signale A, B über Knotenpunkte 21 bis 24 einem Winkelermittler 25 und einem Amplituden- und Offsetermittler 26 zugeführt. Das Ausgangssignal des Winkelermittlers 25 wird ferner ebenfalls dem Amplituden- und Offsetermittler 26 zuge­ führt. Der Amplituden- und Offsetermittler 26 ermittelt die Amplituden AA, AB und die Offsets OA, OB gemäß dem obenste­ hend beschriebenen Verfahren. Die entsprechenden Werte werden dann dem Knotenpunkten 21 bis 24 zugeführt. In den Knoten­ punkten 21 und 22 erfolgt dabei eine Addition, weshalb diesen Knotenpunkten die Offsets OA, OB mit negativen Vorzeichen zu­ geführt werden. In den Knotenpunkten 23, 24 erfolgt eine Mul­ tiplikation, weshalb diesen Knotenpunkten 23, 24 die Kehr­ werte der Amplituden AA, AB zugeführt werden.

Würde die Schaltung gemäß Fig. 4 in das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 3 übertragen, müsste unmittelbar nach dem Erfassen der Signale A, B, also noch vor dem Ermitteln des Istwinkels α, eine Korrektur der Signale A, B gemäß den Formeln

A = (A - OA)/AA

B = (B - OB)/AB

erfolgen.

Mit dem obenstehend beschriebenen Ermittlungsverfahren lassen sich die Offsets OA, OB und die Amplituden AA, AB auch dann zuverlässig korrigieren, wenn die jeweiligen Signale A, B zu den Nulldurchgängen des jeweils anderen Signals B, A nicht vorliegen.

Claims (10)

1. Ermittlungsverfahren für Offset (OB) und/oder Amplitude (AB) eines sinusförmigen Erstsignals (B) aus dem Erstsignal (B) und einem sinusförmigen, gegen das Erstsignal (B) um etwa 90° phasenversetzten Zweitsignal (A), mit folgenden Schrit­ ten:

• - Ermitteln eines Istwinkels (α) anhand des Erst- (B) und des Zweitsignals (A),
• - Ermitteln eines Plussignals (B+) aus dem Erst- (B) und dem Zweitsignal (A), wenn der Istwinkel (α) in einem Pluswin­ kelbereich (2β) um einen Pluswinkel (0°) herum liegt, bei dem das Zweitsignal (A) im Idealfall exakt Null ist und das Erstsignal (B) einen positiven Wert aufweist,
• - Ermitteln eines Minussignals (B-) aus dem Erst- (B) und dem Zweitsignal (A), wenn der Istwinkel (α) in einem Minus­ winkelbereich (2β) um einen Minuswinkel (180°) herum liegt, bei dem das Zweitsignal (A) im Idealfall exakt Null ist und das Erstsignal (B) einen negativen Wert aufweist,
• - Ermitteln von Offset (OB) und/oder Amplitude (AB) des Erst­ signals (B) aus dem Plus- (B+) und dem Minussignal (B-).

2. Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbereiche (2β) symmetrisch um den Plus- (0°) bzw. den Minuswinkel (180°) herum liegen.

3. Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Winkel­ bereiche (2β) mindestens 10°, insbesondere mindestens 30°, überstreichen.

4. Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, dass die Winkel­ bereiche (2β) höchstens 75°, insbesondere höchstens 60°, ü­ berstreichen.

5. Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Er­ mitteln des Plus- (B+) bzw. des Minussignals (B-) das Erst- (B) und das Zweitsignal (A) vektoriell addiert werden.

6. Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Er­ mitteln von Offset (OB) und/oder Amplitude (AB) des Erstsig­ nals (B) Mittelwerte von Plus- (B+) bzw. Minussignalen (B-) gebildet werden.

7. Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch Offset (OA) und/oder Amplitude (AA) des Zweitsignals (A) ge­ mäß einem Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprü­ che ermittelt werden.

8. Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Ermittlungs­ verfahrens nach einem der obigen Ansprüche.

9. Signalgeberauswertungssystem zur Durchführung des Ermitt­ lungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

10. Signalgeberauswertungssystem nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, dass es mit einem Computerprogrammprodukt (5) nach Anspruch 7 programmiert ist.