DE10058623A1 - Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Winkellage einer drehbaren Welle läßt sich mit einer mit der Welle mitbewegten Geberanordnung mit mehreren beispielsweise als Magnetpole ausgeführten Gebern und mit einer Nehmeranordnung mit mehreren beispielsweise als Hallelemente ausgeführten Sensoren ermitteln. Die Genauigkeit, mit der die Winkellage ermittelt wird, ist jedoch gering. Das neue Verfahren soll die Ermittlung der Winkellage der Welle mit hoher Genauigkeit ermöglichen. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß die Nehmeranordnung mehrere digitale Sensorsignale und mindestens ein analoges Sensorsignal liefert, die allesamt von der Winkellage der Welle abhängig sind, und daß anhand der digitalen Sensorsignale ein Grobwert und anhand des analogen Sensorsignals oder eines aus der Menge der analogen Sensorsignale als auszuwertendes Signal selektierten analogen Sensorsignals ein Feinwert ermittelt wird und die Winkellage der Welle als Summe aus dem Grobwert und Feinwert bereitgestellt wird. DOLLAR A Steuerung von elektronisch kommutierten Motoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 43 07 337 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer Welle bekannt, das zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors verwendet wird. Ein derartiger bürstenloser Gleichstrommotor umfaßt üblicherweise einen mit einer Welle fest verbundenen und mit Permanentmagneten bestückten Rotor sowie einen Stator mit mehreren Elektromagneten, die durch einen Kommu­ tierungsvorgang in Abhängigkeit der Winkellage des Rotors bestromt werden und durch ihr Magnetfeld der Rotor antreiben. Der vorbekannte Gleichstrommotor weist ferner eine Nehmeranordnung mit als Hallsensoren ausgeführte Magnetfeldsensoren auf, die das Magnetfeld der als Geberanordnung wirkenden Magnetpole der Perma­ nentmagnete detektieren und entsprechende Detektorsignale erzeugen. Aus den Detektorsignalen wird dann die Winkellage des Rotors oder der Welle ermittelt. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß wie Winkellage der Welle nicht mit hoher Genauigkeit ermittelbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Winkella­ ge einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das mit geringem Kostenaufwand durchführbar ist und genaue Meßwerte liefert. Der Erfin­ dung liegt ferner die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird die Winkellage einer drehbaren Welle mit einer Geberanord­ nung und mit einer Nehmeranordnung erfaßt, wobei die Nehmeranordnung mehrere von der Winkellage der Welle abhängige digitale Sensorsignale und mindestens ein von der Winkellage der Welle abhängiges analoges Sensorsignal liefert. Anhand der digitalen Sensorsignale wird dabei einer von mehreren diskreten Winkelwerten als Grobwert der Winkellage der Welle ermittelt und anhand des analogen Sensorsignals oder, falls die Nehmeranordnung mehrere analoge Sensorsignale liefert, anhand eines aus der Menge der analogen Sensorsignale als auszuwertendes Signal selek­ tierten analogen Sensorsignals wird ein Feinwert ermittelt, der der Abweichung der momentanen Winkellage der Welle vom Grobwert entspricht. Die momentane Win­ kellage der Weile wird dann als Summe aus Grobwert und Feinwert bereitgestellt.

Vorzugsweise werden aufeinanderfolgende Zwischenwinkelbereiche definiert, die jeweils durch zwei der diskreten Winkelwerte, vorteilhafterweise durch zwei aufein­ anderfolgende diskrete Winkelwerte, begrenzt sind. Falls die Nehmeranordnung nur ein analoges Sensorsignal liefert, wird für jeden Zwischenwinkelbereich eine Sen­ sorgleichung aufgestellt, die den funktionellen Zusammenhang zwischen dem analo­ gen Sensorsignal und der Winkellage der Welle in diesem Zwischenwinkelbereich darstellt. Liefert die Nehmeranordnung hingegen mehrere analoge Sensorsignale, so wird für jeden Zwischenwinkelbereich eines der analogen Sensorsignale als auszu­ wertendes Signal selektiert und für jeden Zwischenwinkelbereich eine Sensorglei­ chung aufgestellt, die den funktionellen Zusammenhang zwischen dem selektierten analogen Sensorsignals und der Winkellage der Welle in diesem Zwischenwinkelbe­ reich darstellt. Die aufgestellten Sensorgleichungen enthalten dabei jeweils den Grobwert und den Feinwert als Summationskomponenten. Anhand der digitalen Sensorsignale wird der der momentanen Winkellage der Welle entsprechende Zwi­ schenwinkelbereich als aktueller Zwischenwinkelbereich ermittelt und die Winkella­ ge der Welle aus dem Momentanwert des analogen Sensorsignals bzw. des selek­ tierten analogen Sensorsignals anhand der für den aktuellen Zwischenwinkelbereich aufgestellten Sensorgleichung berechnet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens liefert die Nehmeranordnung mindestens zwei gegeneinander phasenversetzte analoge Sensorsignale, die abschnittsweise eine lineare Abhängigkeit von der Winkellage der Welle aufweisen. Unter linearer Abhängigkeit ist dabei auch ein Verlauf zu verstehen, der nur nähe­ rungsweise linear ist, d. h. ein Verlauf, der durch eine Geradengleichung dargestellt werden kann, ohne daß dies zu einem nicht vernachlässigbaren Fehler führt. Für jeden Zwischenwinkelbereich wird dann dasjenige der analogen Sensorsignale als auszuwertende Signal selektiert, das in diesem Zwischenwinkelbereich einen der Abschnitte mit linearer Abhängigkeit von der Winkellage der Welle aufweist, wobei die Selektion vorzugsweise in Abhängigkeit der digitalen Sensorsignale erfolgt. Die für die Zwischenwinkelbereiche aufzustellenden Sensorgleichungen sind dann Gera­ dengleichungen, so daß der Feinwert mit geringem Rechenaufwand ermittelbar ist.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt, die eine Nehmeranordnung mit mehreren digitalen Sensoren zur Erzeugung der digitalen Sensorsignale sowie mit mindestens einem analogen Sensor zur Erzeugung des mindestens einen analogen Sensorsignals aufweist und die eine Geberanordnung mit mehreren vorzugsweise als Magnetpole ausgebildeten Gebern aufweist, die durch die Drehung der Welle an den vorzugsweise als Magnetfeldsensoren - vorteil­ hafterweise als Hallelemente - ausgebildeten Sensoren vorbeibewegt werden. Der Winkelversatz zwischen den digitalen Sensoren ist derart gewählt, daß die digitalen Sensorsignale bei konstanter Drehgeschwindigkeit der Welle äquidistant beabstan­ dete Signalflanken aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nehmeranordnung sind zwei analoge Senso­ ren vorgesehen, die gegeneinander derart versetzt angeordnet sind, daß die von ihnen abgegebenen analogen Sensorsignale gegeneinander phasenversetzt sind, wobei der Sollwert des Phasenversatzes 90° beträgt. Dieser Sollwert muß nicht mit hoher Genauigkeit eingehalten werden. Des weiteren sind die analogen Sensoren gegenüber den digitalen Sensoren derart versetzt angeordnet, daß bei konstanter Drehgeschwindigkeit der Weile in jedem durch aufeinanderfolgende Signalflanken der digitalen Sensorsignale begrenzten Zeitbereich eines der analogen Sensorsi­ gnale einen durch eine Geradengleichung darstellbaren Verlauf, d. h. einen linearen oder näherungsweise linearen Verlauf, aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Nehmeranordnung vorzugs­ weise drei digitale Sensoren auf, wobei der Winkelversatz zwischen benachbarten digitalen Sensorenpaaren gleich 1/3 der Breite eines Gebers oder gleich 2/3 der Breite eines Gebers gewählt ist. Vorteilhafterweise sind die analogen Sensoren ge­ genüber den digitalen Sensoren versetzt angeordnet, wobei der Winkelversatz zwi­ schen einem der digitalen Sensoren und einem der analogen Sensoren gleich 5/6 der Breite eines Gebers gewählt ist. Dieser Winkelversatz muß nicht mit hoher Ge­ nauigkeit eingehalten werden.

Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Steue­ rung von bürstenlosen Gleichstrommotoren, die Ermittlung von Drehzahlen zur Re­ gelung von Antriebssträngen in Kraftfahrzeugen, die Ermittlung der Winkellage oder Drehzahl von Wellen elektrischer Antriebssysteme, mit denen in Kraftfahrzeugen eine aktive Bremskraft- oder Lenkkraftunterstützung vorgenommen wird. Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor wird vorteilhafterweise der Rotor des Motors als Gerberanordnung verwendet.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß keine hohen Anforderungen an die Positionierung der Sensoren, die physikalischen Eigenschaften der Sensoren, die Abmessungen und physikalischen Eigenschaften der Geber gestellt werden. Die Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber Herstellungstoleranzen, äußeren Störein­ flüssen und - bei der Verwendung von magnetischen Gebern - gegenüber Magnet­ feldtoleranzen ist somit gering. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Verfahren mit einer kostengünstig herstellbaren Meßvorrichtung durchführbar ist, deren Platzbe­ darf gering ist und die aufgrund der geringen Komplexität des Verfahrens eine hohe Funktionssicherheit aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßvorrichtung zur Ermittlung der Winkellage einer Welle in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm mit Sensorsignalen, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 liefert,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Sensorsignale aus Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Meßvorrichtung 10 eine mit der Welle 11 fest verbundene zylindrische Geberanordnung mit mehreren als Magnetpole P1, P2, . . . Pm ausgeführ­ ten Gebern gleicher Breite, die abwechselnd entgegengesetzte Magnetisierung auf­ weisen. Der der Breite eines Gebers entsprechende Winkel wird im folgenden als Geberwinkel oder Polwinkel bezeichnet. Die Meßvorrichtung 10 umfaßt ferner eine auf die Geberanordnung ansprechende Nehmeranordnung mit drei digitalen Senso­ ren 1, 2, 3 und zwei analogen Sensoren 4, 5, die auf einem als Leiterplatte ausge­ führten Träger 13 derart positioniert sind, daß sie sich in unmittelbarer Nähe der Magnetpole P1, P2, . . . Pm befinden. Die Magnetpole P1, P2, . . . Pm werden somit bei sich drehender Welle 11 an den Sensoren 1, 2, 3, 4, 5 vorbeibewegt. Auf dem Trä­ ger 13 sind mehrere Anschlüsse vorgesehen, und zwar ein Anschluß für die Versor­ gungsspannung Vcc der Sensoren 1, 2, . . . 5, ein Anschluß für das Bezugspotential Gnd der Sensoren 1, 2, . . . 5 und jeweils ein Anschluß für die von den Sensoren 1, 2, 3, 4, 5 abgegebenen Sensorsignale S1 bzw. S2 bzw. S3 bzw. S4 bzw. S5. Die Sen­ soren sind als Hallelemente ausgebildet. Die digitalen Sensoren 1, 2, 3 liefern digi­ tale Sensorsignale S1, S2, S3 mit Signalflanken, die dann auftreten, wenn die Gren­ zen zwischen benachbarten Magnetpolen am jeweiligen Sensor 1 bzw. 2 bzw. 3 vorbeibewegt werden.

Auf dem Träger 13 können auch Flußleitelemente 14a, 14b, 15a, 15b für die analo­ gen Sensoren 14 bzw. 15 vorgesehen sein, die eine Abschirmung der analogen Sen­ soren 4, 5 von äußeren Magnetfeldern und eine Verstärkung des von der Geber­ anordnung herrührenden und die analogen Sensoren 4, 5 durchdringenden magne­ tischen Flusses bewirken. Die führt zu einer hohen Signalamplitude der analogen Sensorsignale S4, S5 und somit zu einem günstigen Signal/Rausch-Verhältnis.

Gemäß Fig. 2 ist der Winkel γ¹² zwischen den digitalen Sensoren 1 und 2 und der Winkel γ²³ zwischen den digitalen Sensoren 2 und 3 gleich 2/3 des Polwinkels γ_m ^Pol eines Magnetpols Pm - diese Winkel können aber auch gleich 1/3 des Polwin­ kels γ_m ^Pol gewählt sein. Der Winkel γ¹⁴ zwischen dem digitalen Sensor 1 und dem analogen Sensor 4 ist gleich 5/6 des Polwinkels γ_m ^Pol und der Winkel γ⁴⁵ zwischen den analogen Sensoren 4 und 5 ist gleich 90°. Die Winkel γ¹², γ²³, γ¹⁴ und γ⁴⁵ können aber auch jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches des Polwinkels γ_m ^Pol größer gewählt werden.

Im folgenden wird das Verfahren zur Ermittlung der Winkellage der Welle 11 für den Fall beschrieben, daß die Welle gegen Uhrzeigersinn gedreht wird. Bei einer Drehung in Uhrzeigersinn wird in analoger Weise verfahren.

Wird die Welle 11 gegen Uhrzeigersinn gedreht, so erhält man für die Sensorsignale S1, S2, S3, S4, S5 die in Fig. 3 gezeigten Verläufe. Die digitalen Sensorsignale S1, S2, S3 weisen zu den im folgenden als Detektionszeitpunkte genannten Zeitpunkten T₁, T₂, T₃ . . . jeweils eine Signalflanke H₁, H₂, H₃, . . . auf. Jeder Signalflanke H₁, H₂, H₃, . . . wird in der Reihenfolge ihres Auftretens ein diskreter Winkelwert γ₁, γ₂, γ₃ . . . als Winkellage der Welle 11 zugeordnet. Die Anzahl N der pro Umdrehung der Welle 11 erhaltenen Signalflanken H₁, H₂, H₃, . . . ist gleich dem Produkt aus der Anzahl der digitalen Sensoren 1, 2, 3 und der Anzahl der Magnetpole P1, P2, . . . Pm; im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel mit 8 Magnetpolen P1, P2, . . . Pm und 3 digitalen Sen­ soren 1, 2, 3 gilt somit N = 24. Für die erste Wellenumdrehung erhält man zu den Detektionszeitpunkten T₁, T₂, . . . T_N N diskrete Winkelwerte γ₁, γ₂, . . . γ_N als mögliche Grobwerte der Winkellage der Welle 11. Die diskreten Winkelwerte der nächsten Umdrehungen unterscheiden sich von den diskreten Winkelwerten γ₁, γ₂, . . . γ_N der ersten Umdrehung durch einen zusätzlichen Versatz von 360° pro Umdrehung.

Im Idealfall, d. h. bei genauer Positionierung der digitalen Sensoren 1, 2, 3, bei idealen elektrischen Eigenschaften der digitalen Sensoren 1, 2, 3 und bei gleichen Polwinkeln γ₁ ^Pol, γ₂ ^Pol, . . . γ_m ^Pol, sind die diskreten Winkelwerte γ₁, γ₂, . . . äquidistant um 360°/N, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also um 15°, voneinander beab­ standet. Winkelabweichungen, die durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen und Schalthysteresen der digitalen Sensoren 1, 2, 3 bedingt sind, lassen sich durch eine vorteilhafterweise für beide Drehrichtungen der Welle durchgeführte Referenzmes­ sung ermitteln, so daß den Signalflanken H₁, H₂, H₃, . . . die tatsächlichen um die Winkelabweichungen korrigierten Winkelwerte als diskrete Winkelwerte γ₁, γ₂, . . . zugeordnet werden.

Die analogen Sensorsignale S4, S5 weisen Abschnitte a₁, a₂, a₃, . . . mit linearer oder in guter Näherung linearer Abhängigkeit von der Winkellage der Welle 11 auf. Beim Sensorsignal S5 sind dies die Abschnitte a_3i mit i = 1, 2, . . ., die in den durch die diskreten Winkelwerte γ_3i und γ_3i+1 begrenzten Zwischenwinkelbereichen und somit in den durch die Detektionszeitpunkte T_3i und T_3i+1 begrenzten Zeitbereichen liegen. In den übrigen Zwischenwinkelbereichen befinden sich die linearen Abschnitte a_3i-2, a_3i-1 des Sensorsignals S4.

Während des Meßvorgangs werden die analogen Sensorsignale S4, S5 zu den De­ tektionszeitpunkten T₁, T₂, . . . abgetastet. Die so erfaßten Werte U⁴ ₁, U⁴ ₂, U⁴ ₃, U⁵ ₃, U⁵ ₄, . . . der analogen Sensorsignale S4, S5 werden entsprechend den zugehörigen Detektionszeitpunkten T₁, T₂, . . . jeweils einem der diskreten Winkelwerte γ₁, γ₂, γ₃ . . . zugeordnet und für die Dauer von mindestens einer Wellenumdrehung zwischenge­ speichert.

Die Winkellage γ(t) der Welle 11 zu einem Meßzeitpunkt t ≧ T_N, beispielsweise zu dem zwischen den Detektionszeitpunkten T_k, T_k+1 liegenden Meßzeitpunkt t_x, wird gemäß der Gleichung γ(t) = α + δ(t) berechnet, wobei α den Grobwert und δ(t) den Feinwert der Winkellage γ(t) darstellt. Der Grobwert α wird anhand der digitalen Sensorsi­ gnale S1, S2, S3 ermittelt; für das in Fig. 3 gezeigte Beispiel mit zwischen den De­ tektionszeitpunkten T_k, T_k+1 liegendem Meßzeitpunkt t_x, d. h. für T_k ≦ t_x < T_k+1, gilt α = γ_k, wobei γ_k der der Signalflanke H_k zugeordnete diskrete Winkelwert ist und die Signal­ flanke H_k die zum Detektionszeitpunkt T_k auftretende Flanke eines der digitalen Sensorsignale S1, S2, S3 ist. Der Feinwert δ(t) wird durch lineare Interpolation be­ rechnet. Hierzu wird zunächst anhand der digitalen Sensorsignale S1, S2, S3 dasje­ nige der analogen Sensorsignale S4, S5 als auszuwertendes Signal ausgewählt, das in dem die Winkellage γ(t) enthaltenden Zwischenwinkelbereich γ_k . . . γ_k+1 einen Ab­ schnitt a_k mit linearer Abhängigkeit von der Winkellage der Welle 11 aufweist, d. h. es wird dasjenige der analogen Sensorsignale S4, S5 ausgewählt, das in dem den Meßzeitpunkt t_x enthaltenden und dem Zwischenwinkelbereich γ_k . . . γ_k+1 entspre­ chenden Zeitintervall T_k . . . T_k+1 bei konstanter Wellendrehzahl einen zeitlich linearen Verlauf aufweist. Für den in Fig. 3 gezeigten Meßzeitpunkt t_x ist dies das analoge Sensorsignal S5. Den Feinwert δ(t) = γ(t) - γ_k erhält man dann mit der Gleichung

wobei U(t) den Wert des selektierten analogen Sensorsignals S5 zum Meßzeitpunkt t_x darstellt, γ_k und γ_k+1 die den Detektionszeitpunkten T_k bzw. T_k+1 entsprechenden diskreten Winkelwerte darstellen, welche den auszuwertenden und die Winkellage γ(t) enthaltenden Zwischenwinkelbereich begrenzen, U_k ⁵ den dem diskreten Winkel­ wert γ_k entsprechenden Wert des selektierten analogen Sensorsignals S5 darstellt und U_k+1 ⁵ den dem diskreten Winkelwert γ_k+1 entsprechenden Wert des selektierten analogen Sensorsignals darstellt. Der Wert U_k ⁵ ist zum Meßzeitpunkt t_x bereits be­ kannt; es handelt sich hierbei um den zum Detektionszeitpunkt T_k abgetasteten Wert des selektierten analogen Sensorsignals S5. Der Wert U_k+1 ⁵ ist zum Meßzeitpunk t_x hingegen noch unbekannt; für diesen Wert wird daher ein Erwartungswert einge­ setzt. Dabei wird als Erwartungswert ein Wert gewählt, der bei der jeweils vorherigen Wellenumdrehung zu einem Zeitpunkt abgetastet und abgespeichert wurde, als die Welle sich in der dem Winkelwert γ_k+1 entsprechenden Position, d. h. in der Position γ_k+1 - 360°, befand. Für den Abschnitt a_k wird somit folgende Geradengleichung als Sensorgleichung aufgestellt:

Diese Sensorgleichung stellt den im Abschnitt a_k erwarteten funktionellen Zusam­ menhang zwischen der Wellenlage γ(t) und dem Wert U(t) des selektierten analogen Sensorsignals S5 dar.

In analoger Weise werden für den Abschnitt a_k+1 die Gleichung

und für den Abschnitt a_k+2 die Gleichung

als Sensorgleichungen aufgestellt. U(t) steht in diesen Fällen für den momentanen Wert des analogen Sensorsignals S4, da in den Abschnitten a_k+1, a_k+2 dieses Signal als auszuwertendes Signal selektiert wird. Die Werte U_k+1 ⁴, U_k+2 ⁴ und U_k+3 ⁴ stehen für die den diskreten Winkelwerten γ_k+1 bzw. γ_k+2 bzw. γ_k+3 entsprechenden Werte des selektierten analogen Sensorsignals S4, also für die zu den Detektionszeitpunkten T_k+1 bzw. T_k+2 bzw. T_k+3 gemessenen oder erwarteten Werte des analogen Sensorsi­ gnals S4. Es ist auch denkbar, die Abschnitte a_k+1 und a_k+2 zusammenzufassen und für diese zusammengefaßten Abschnitte folgende Gleichung als Sensorgleichung aufzustellen:

Die obigen für die Abschnitte a_k, a_k+1, a_k+2 aufgestellten Sensorgleichungen gelten für jeden Wert k = 3.i + N mit i = 0, 1, 2, . . ., also für die Abschnitte a₂₄, a₂₅, a₂₆, . . . bei N = 24. Die Sensorgleichungen ermöglichen die Berechnung der genauen Winkellage γ(t) der Welle 11 für jeden Meßzeitpunkt t mit t ≧ T_N. Mit jeder zusätzlichen Umdre­ hung der Welle 11 werden die Steigungen der Sensorgleichungen aktualisiert, so daß temperaturbedingte Schwankungen von Offsetspannungen oder Empfindlichkei­ ten der analogen Sensoren 4, 5 kompensiert werden.

Die für die Abschnitte a_k, a_k+1, a_k+2 aufgestellten Sensorgleichungen lassen sich aber auch zur Berechnung der Wellenlage γ(t) der Welle 11 zu innerhalb des Zeitintervalls T₁ . . . T_N liegenden Meßzeitpunkten t, also während der ersten Wellenumdrehung für die Abschnitte a₁, a₂ . . . a_N-1, einsetzen. Hierzu sind für die Werte U₁ ⁴, U₂ ⁴, U₃ ⁴, U₃ ⁵, U₄ ⁵ . . . U_N ⁴, U_N ⁵ geeignet gewählte Initialisierungswerte einzusetzen, die während der ersten Wellenumdrehung aktualisiert werden. Denkbar ist es auch, für diesen Zeit­ bereich T₁ . . . T_N auf die Berechnung des Feinwerts δ(t) gänzlich zu verzichten und die Winkellage γ(t) dem Grobwert α gleichzusetzen.

Das Verfahren läßt sich mit geringem Schaltungsaufwand realisieren. Gemäß Fig. 4 weist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens einen Mikrokon­ troller 80, einen Multiplexer 60, drei EXOR-Gatter 25, 35, 45, ein weiteres logisches Gatter 50 und drei RC-Glieder 23, 33, 43 auf. Die digitalen Sensorsignale S1, S2, S3 werden dabei jeweils einem Eingangsanschluß des Mikrokontrollers 80 und jeweils auf direktem Wege sowie jeweils über eines der RC-Glieder 23 bzw. 33. bzw. 43 einem der EXOR-Gatter 25 bzw. 35. bzw. 45 zugeführt. Die EXOR-Gatter 25, 35, 45 erzeugen somit impulsförmige Signale, wobei ein Impuls eine von der Zeitkonstanten des jeweiligen RC-Glieds abhängige Breite aufweist und zu einem Zeitpunkt auftritt, zu dem das dem jeweiligen EXOR-Gatter zugeführte Sensorsignal S1, S2, S3 eine Signalflanke aufweist. Die Ausgangssignale der EXOR-Gatter 25, 35, 45 werden schließlich in dem beispielsweise als ODER-Gatter ausgeführten logischen Gatter 50 zu einem Detektorsignal zusammengefaßt, das zu den Detektionszeitpunkten T₁, T₂, . . . Impulse aufweist, und das dem Mikrokotroller 80 als Meßsignal zugeführt wird. Die analogen Sensorsignale S4, S5 werden dem Multiplexer 60 zugeführt, mit dem eines der beiden ihm zugeführten Signale als auszuwertendes Signal selektiert wird. Der Mikrokontroller 80 umfaßt ein Rechenwerk ALU, einen Speicher ROM/RAM mit einem Bereich für das Ablaufprogramm und einem Bereich für die erfaßten Meßda­ ten, eine Eingangs-/Ausgangseinheit I/O, der die Sensorsignale S1, S2, S3 zuge­ führt werden und das ein Steuersignal für den Multiplexer 60 liefert, eine Erfas­ sungseinheit C1, der das vom Gatter 50 abgegebene Detektorsignal zugeführt wird, ein taktgesteuertes Zählwerk C2 zur Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen den Im­ pulsen des Detektorsignals sowie einen Analog-Digital-Wandler A/D, dem das Aus­ gangssignal des Multiplexers 60 als zur Auswertung selektiertes analoges Sensorsi­ gnal zugeführt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermittlung der Winkellage (γ(t)) einer drehbaren Welle (11) mit einer Geberanordnung und mit einer Nehmeranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Nehmeranordnung mehrere von der Winkellage (γ(t)) der Welle (11) abhängige digi­ tale Sensorsignale (S1, S2, S3) und mindestens ein von der Winkellage (γ(t)) der Welle abhängiges analoges Sensorsignal (S4, S5) liefert, daß anhand der digitalen Sensorsignale (S1, S2, S3) einer von mehreren diskreten Winkelwerten (γ₁, γ₂, . . .) als Grobwert (α) der Winkellage (γ(t)) der Welle (11) ermittelt wird und anhand des analogen Sensorsignals (S1, S2) oder eines aus der Menge der analogen Sensorsi­ gnale (S4, S5) als auszuwertendes Signal selektierten analogen Sensorsignals (S4, S5) ein Feinwert (δ(t)) als Abweichung der momentanen Winkellage (γ(t)) der Welle (11) vom Grobwert (α) ermittelt wird und daß die momentane Winkellage (γ(t)) der Welle (11) als Summe aus dem Grobwert (α) und Feinwert (δ(t)) bereitgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende, jeweils durch zwei der diskreten Winkelwerte (γ₁, γ₂, . . .) begrenzte Zwischenwinkel­ bereiche definiert werden, daß für jeden Zwischenwinkelbereich eine den Grobwert (α) und Feinwert (δ(t)) als Summationskomponenten aufweisende Sensorgleichung aufgestellt wird, die den erwarteten Zusammenhang zwischen dem analogen Sen­ sorsignal (S4, S5) oder dem selektierten analogen Sensorsignal (S4, S5) und der Winkellage (γ(t)) der Welle (11) darstellt, und daß die Wellenlage (γ(t)) der Welle (11) anhand der für den aktuellen Zwischenwinkelbereich geltenden Sensorgleichung aus dem Momentanwert (U(t)) des analogen Sensorsignals (S4, S5) bzw. des selektier­ ten analogen Sensorsignals (S4, S5) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nehmeranordnung mindestens zwei gegeneinander phasenversetzte analoge Sensorsignale (S4, S5) mit Abschnitten (a₁, a₂, . . .) mit linearer Abhängigkeit von der Winkellage (γ(t)) der Welle (11) liefert und daß für jeden Zwischenwinkelbereich jeweils dasjenige der analogen Sensorsignale (S4, S5) als auszuwertendes Signal selektiert wird, das in diesem Zwischenwinkelbereich einen der Abschnitte (a₁, a₂, . . .) mit linearer Abhän­ gigkeit von der Winkellage (γ(t)) der Welle (11) aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Selektion eines der analogen Sensorsignale (S4, S5) als auszuwertendes Signal in Abhängigkeit der digi­ talen Sensorsignale (S1, S2, S3) erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Nehmeranordnung mehrere digitale Sensoren zur (1, 2, 3) Erzeugung der digitalen Sensorsignale (S1, S2, S3) sowie mindestens einen analogen Sensor (4, 5) zur Erzeugung des mindestens einen analogen Sensor­ signals (S4, S5) aufweist und die Geberanordnung eine vorgegebene Anzahl von an den Sensoren (1, 2, 3, 4, 5) vorbeibewegbaren Gebern (P1, P2, . . . Pm) aufweist, wo­ bei die digitalen Sensoren (4, 5) derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß sie bei konstanter Drehgeschwindigkeit der Welle äquidistant beabstandete Signal­ flanken (H₁, H₂, . . .) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nehmeranord­ nung zwei analoge Sensoren (5, 6) aufweist und daß die Sensoren (1, 2, 3, 4, 5) gegeneinander derart versetzt angeordnet sind, daß bei konstanter Drehgeschwin­ digkeit der Welle (11) zwischen den analogen Sensorsignalen (S4, S5) ein Phasen­ versatz von 90° besteht und in jedem durch aufeinanderfolgende Signalflanken (H₁, H₂ . . .) der digitalen Sensorsignale (S1, S2, S3) begrenzten Zeitbereich eines der analogen Sensorsignale (S4, S5) einen durch eine Geradengleichung darstellbaren Verlauf aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neh­ meranordnung drei digitale Sensoren (1, 2, 3) aufweist, die gegeneinander derart versetzt angeordnet sind, daß der Sollwert des Winkelversatzes (γ¹², γ²³) zwischen benachbarten digitalen Sensoren 1/3 oder 2/3 der Breite eines Gebers entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Winkelversatzes (γ⁴⁵) zwischen den analogen Sensoren (4, 5) der halben Breite eines Gebers (Pm) entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Winkelversatzes (γ¹⁴) zwischen einem der digitalen Sensoren (1) und einem der analogen Sensoren (4) 5/6 der Breite eines Gebers (Pm) entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1, 2, 3, 4, 5) als Magnetfeldsensoren und die Geber (P1, P2, . . . Pm) als Magnetpole ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld­ sensoren (1, 2, 3, 4, 5) als Hallelemente ausgebildet sind.