DE10112772A1 - Verfahren zum Kompensieren periodischer Signale am Sensorausgang - Google Patents
Verfahren zum Kompensieren periodischer Signale am SensorausgangInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Kompensieren periodischer Fehlersignale in Sensor-Ausgangssignalen geschaffen. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Summensignals aus Sensor-Ausgangsgrößen von M Sensorelementen (M ist eine natürliche Zahl), das Ermitteln von Amplitude und Phase von N Frequenzkomponenten in dem Summensignal und das Berechnen eines Sensor-Ausgangssignal-Verstärkungseinstellkoeffizienten für jeden Sensorausgang. Um sicherzustellen, dass ein Summensignalpegel, erhalten durch Summieren eines Voreinstell-Ausgangssignals jedes Sensorelements, multipliziert mit dem Verstärkungs-Einstellkoeffizienten, einem Summensignalpegel gleicht, welcher erhalten wird durch Aufsummieren der unmodifizierten Ausgangssignale der Sensoren, wird ein Verstärkungs-Einstellkoeffizient für jeden Sensorausgang erhalten, indem ein berechneter Skalierungskoeffizient dazu verwendet wird, eine Voreinstellskalierung für jeden Verstärkungs-Einstellkoeffizienten durchzuführen. Die so gewonnenen Einstellverstärkungen dienen zum Justieren der Verstärkung jedes Sensor-Ausgangssignals.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Sensor-
Ausgangsverstärkung, um periodische Fehlersignalkomponenten in dem Aus
gangssignal von Sensoren zu beseitigen oder zu unterdrücken, welche mit meh
reren Ab- oder Aufnehmersensoren ausgestattet sind, die dazu dienen, die
Drehstellung einer Drehwelle, die Stellung eines sich linear bewegenden Ele
ments, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und dergleichen zu erfassen.
Das genaue Erfassen physikalischer Größen in Verbindung mit einer Dreh- oder
Linearbewegung (so z. B. eine Stellung, eine Geschwindigkeit, eine Beschleuni
gung, ein Drehmoment etc.) spielt eine wichtige Rolle bei der praktischen An
wendung der Mess- und Regelungstechnik. Besonders im Fall einer Drehbewe
gung kommt es häufig zu periodischen Fehlersignalen, was von dem betreffenden
Sensorprinzip abhängt. Wenn z. B. ein Aufnehmersensor an einem Punkt platziert
wird, an dem der Sensor den Winkel einer Drehwelle erfassen soll oder die Ge
schwindigkeit oder ein Übertragungsmoment, und wenn dabei die Welle exzen
trisch ist und die Empfindlichkeit des Sensors abhängt vom Abstand gegenüber
der Welle, so geht mit der Drehung der Welle die Entstehung eines periodischen
Fehlersignals im Ausgangssignal des Sensors einher.
Das übliche Verfahren, derartige Fehlersignale zu kompensieren, besteht darin,
ein Paar identischer Aufnehmer symmetrisch bezüglich der Welle anzuordnen und
im Phasengegensatz der beiden Fehlersignale zu verwenden, um die Fehlersig
nale aufzuheben. Allerdings ist der Umstand zu berücksichtigen, dass die Kenn
werte der Aufnehmer nicht stets perfekt übereinstimmen, und dass es einen Stel
lungsfehler sowie einen Rundheitsfehler der Welle gibt, was dazu führt, dass die
Situation nicht ideal ist. Insofern wird es unmöglich, Fehlersignale vollständig zu
beseitigen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben sich dieses Problems angenom
men, indem sie das Erfassen eines Drehmoments eines Reduktionsgetriebes vom
Wellenradtyp erforschten. Bei der Verwendung von Drehmomentsensoren vom
Magnetostriktionstyp sind wir auf das Problem gestoßen, dass die Beseitigung von
Fehlersignalen in optischen Drehwinkel-Beschleunigungssensoren beispielsweise
noch nicht gelöst ist. Die Anwendung von Karman-Filtern wurde für ein Verfahren
des Kompensierens periodischer Filtersignale vorgeschlagen, aus praktischer
Sicht allerdings ist das Verfahren wegen der langen benötigten Rechenzeit pro
blematisch.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Ver
fahren zum Kompensieren periodischer Signale in Sensor-Ausgangssignalen
anzugeben, welches in der Lage ist, auf einfache Weise periodische Fehlersignale
bei Dreh- oder Linear-Sensoren zu beseitigen.
Um das obige Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Kompensieren periodischer Fehlersignale in Sensor-Ausgangssignalen, um
fassend: Gewinnen eines Summensignals aus Sensor-Ausgangssignalen von M
Sensorelementen (wobei M eine natürliche Zahl ist); Gewinnen der Amplitude und
der Phase von N (N ist eine natürliche Zahl) Frequenzkomponenten, die in dem
Summensignal enthalten sind; Bezeichnen der Sensor-Ausgangsamplitude des
j-ten (j = 1 bis N) Sensorelements bei der i-ten (i = 1 bis N) Frequenzkomponente
mit aij, des Phasenwinkels mit ϕij und des Verstärkungs-Einstellkoeffizienten des
Sensor-Ausgangssignals mit kj, Gewinnen des Einstellkoeffizienten kj für jedes
Sensor-Ausgangssignal durch die Simultangleichung
Sicherstellen, dass ein durch Summieren eines vorjustierten Ausgangssignals je
des Sensorelements erhaltener Summensignalpegel, multipliziert mit dem Ver
stärkungs-Einstellkoeffizienten kj einem Summensignalpegel gleicht, der erhalten
wird durch Summieren nicht modifizierter Ausgangssignale der Sensoren, indem
ein Verstärkungs-Einstellkoeffizient kj für jedes Sensorausgangssignal unter
Verwendung eines Skalierungskoeffizienten C gewonnen wird:
um eine Vorjustier-Skalierung jedes Verstärkungs-Einstellkoeffizienten kj vorzu
nehmen und Verwenden jeder so erhaltenen Einstellverstärkung kj, um die Ver
stärkung jedes Sensorausganssignals einzustellen.
Anstelle der Simultangleichung können N Frequenzkomponenten beseitigt oder
minimiert werden unter Verwendung eines Verstärkungs-Einstellkoeffizienten, der
für jedes Sensorausgangssignal dadurch erhalten wird, dass für jedes Sensor
ausgangssignal ein Verfahren wiederholt wird, welches umfasst: Ändern einer
Ausgangsverstärkung eines Sensors in kleinen Inkrementen, während die Aus
gangsverstärkungen der übrigen Sensoren auf einem konstanten Wert gehalten
werden.
Sodann schafft die vorliegende Erfindung ein Verstärkungs-Einstellverfahren zum
Maximieren einer spezifischen Frequenzkomponente im Sensorausgangssignal,
umfassend: Gewinnen eines Summensignals aus Sensorausgangssignalen von M
Sensorelementen; Berechnen der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten
aus dem Summensignal; Erhalten der Sensorausgangssignal-Verstärkungen, bei
denen die spezifischen Frequenzkomponenten maximiert sind, indem für jedes
Sensorausgangssignal ein Verfahren wiederholt wird, welches das Ändern der
Ausgangsverstärkung eines Sensors in kleinen Inkrementen unter gleichzeitiger
Beibehaltung der Ausgangsverstärkungen der übrigen Sensoren auf einem kon
stanten Wert wiederholt wird; Sicherstellen, dass ein Summensignalpegel, erhalten
durch Summieren der Ausgangssignale der Sensorelemente, jeweils multipliziert
mit der berechneten Verstärkung, einem Summensignalpegel gleicht, der erhalten
wird durch Summieren nicht modifizierter Ausgangssignale der Sensoren, indem
eine Einstellverstärkung für jedes Sensorausgangssignal durch Verwendung der
Skalierung zum Einstellen jeder berechneten Verstärkung gewonnen wird; und
Verwenden jeder so erhaltenen Einstellverstärkung, um die Verstärkung jedes
Sensorausgangssignals einzustellen und so ein Summensignal zu generieren, in
welchem die Frequenzkomponenten maximiert sind.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verstärkungseinstellverfahren
zum Minimieren einer spezifischen Frequenzkomponente im Sensorausgangs
signal, umfassend: Erhalten eines Summensignals aus den Sensorausgangssig
nalen von M Sensorelementen; Erhalten einer Spitze-Spitze-Amplitude des
Summensignals; Erhalten der Sensorausgangssignal-Verstärkungen, welche die
minimale Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals ergeben, indem für jedes
Sensorausgangssignal ein Verfahren wieder holt wird, welches das Ändern der
Ausgangsverstärkung eines Sensors in kleinen Inkrementen unter gleichzeitiger
Beibehaltung der Ausgangsverstärkungen der übrigen Sensoren auf einem kon
stanten Pegel beinhaltet; Sicherstellen, dass ein Summensignalpegel, erhalten
durch Summieren der Ausgangssignale der Sensorelemente, jeweils multipliziert
mit der berechneten Verstärkung, einem Summensignalpegel gleicht, welcher er
halten wird durch Summieren nicht modifizierter Ausgangssignale der Sensoren,
erhalten durch eine Einstellverstärkung für jedes Sensorausgangssignal unter
Verwendung einer Skalierung zum Einstellen jeder berechneten Verstärkung; und
Verwenden jeder so erhaltenen Einstellverstärkung, um die Verstärkung jedes
Sensorausgangssignals einzustellen und ein Sensorsignal zu erzeugen, in wel
chem es eine minimale Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals der Sen
sorausgänge gibt.
Weitere Merkmale der Erfindung, deren Besonderheit und verschiedene Vorteile
ergeben sich deutlicher aus den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung der Erfindung.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Drehtyp-Sensors, bei dem die vor
liegende Erfindung angewendet wird.
Fig. 2 zeigt Wellenformen von Fehlersignalen von Aufnehmern sowie deren
Summe.
Fig. 3 zeigt das Frequenzspektrum des in Fig. 2 gezeigten Summensignals.
Fig. 4 zeigt Wellenformen von Fehlersignalen vor und nach einer Verstärkungs
einstellung.
Fig. 5 zeigt Wellenformen von Fehlersignalen von fünf Aufnehmern.
Fig. 6 zeigt eine Wellenform eines Summensignals der Ausgangsgrößen nach Fig.
5 und das Frequenzspektrum des Summensignals.
Fig. 7 zeigt das von fünf Aufnehmern nach Einstellung erhaltene Summensignal
und das Frequenzspektrum des Summensignals.
Fig. 8 zeigt die Anordnung eines Sensorverstärkungs-Einstellsystems.
Fig. 9 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens, welches von dem System nach Fig. 8
zur Kompensation periodischer Fehlersignale verwendet wird.
Fig. 10 ist ein Flussdiagramm eines weiteren Beispiels des Kompensationsver
fahrens nach Fig. 9.
Fig. 11 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Sensorausgangssignalver
stärkungs-Einstellverfahren gemäß der Erfindung.
Fig. 12 ist ein Flussdiagramm eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen
Sensorausgangssignalverstärkungs-Einstellverfahrens.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsfor
men des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, nachdem die Grundprinzipien
des Verfahrens zum Kompensieren periodischer Fehlersignale in Sensoraus
gangssignalen und das erfindungsgemäße Verstärkungseinstellverfahren erläutert
wurden.
Wenn wir an periodische Fehlersignale denken, so besteht im Fall eines Drehtyp-
Sensors die Neigung, sich die Welle mit einer Exzentrizität vorzustellen. Wir wollen
den Fall eines berührungslosen Erfassens des Übertragungsmoments einer
Drehwelle betrachten, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Allgemein gilt: Um eine
Exzentrizität zu kompensieren, platziere man identische Aufnehmersensoren be
züglich des Wellenzentrums. Um das Modell zu verallgemeinern, wollen wir an
nehmen, dass M Sensoraufnehmer (M ist eine natürliche Zahl) 2(1) bis 2(M) in
festen Winkelabständen Δβ angeordnet sind und dass an jeder Aufnehmerstelle
ein anderer Winkelfehler ψj existiere. Nach einem solchen Modell ergibt sich, wenn
man den Drehwinkel β der Drehwelle 3 als Variable hernimmt, das j-te Fehler
signal ej eines Aufnehmers modellgemäß zu:
Bei diesem Modell werden unter Berücksichtigung nicht nur der Exzentrizität der
Welle 3, sondern auch eines Rundheitsfehlers der Welle 3 und des Lagereffekts
mehrere (N) Fehlersignal-Frequenzkomponenten (Index i) als vorhanden ange
nommen. fi ist der Frequenzkoeffizient jeder Frequenzkomponente, und aij und ψij
sind Amplitude bzw. Phasenfehler der der i-Frequenzkomponente des j-ten Ab
nehmers 2(j). Da die Amplitude aij und der Phasenfehler ψij normalerweise unter
schiedlich für jeden Aufnehmer und für jede Frequenzkomponente sind, wurde ein
allgemeines Modell geschaffen, wie es durch die Gleichung (1) dargestellt wird.
Dieses Modell wird für die folgende Analyse hergenommen, wobei aus Gründen
der Einfachheit der Phasenwinkel ϕij der einzige verwendete phasenbezogene
Parameter ist.
ϕij = fi((j - 1)Δβ + ψij) (2)
Das heißt: Bei jedem Sensorabnehmer j ist ϕij der Phasenwinkel bei jeder Fre
quenzkomponente i.
Im Fall eines Drehtypsensors ist der Frequenzkoeffizient fi dimensionslos (Peri
oden/Umdrehung), aber da im Fall eines Linearsensors β, Δβ und ψij Strecken
darstellen, ist es, um Strecken in Winkel umzusetzen, geeignet, für die Einheit von
fi rad/m zu verwenden.
Wenn ein Sensor aus mehreren Aufnehmern 2(1) bis (M) besteht, wir das end
gültige Sensorausgangssignal als die Summe der Signale von sämtlichen Auf
nehmern betrachtet. Dies gilt auch für Fehlersignale h, so dass unter Berücksich
tigung der Gleichungen (1) und (2) die Summe h von Fehlersignalen aus sämtli
chen Aufnehmern folgendem Modell entspricht:
Dies ist ein mathematisches Modell der Fehlersignale, die kompensiert werden.
Das obige mathematische Fehlersignal-Modell diente dazu, ein Verfahren zum
Kompensieren von Fehlersignalen zu betrachten. Das heißt: Es wurde eine Un
tersuchung gemacht, um die Bedingungen aufzufinden, unter denen das Fehler
signal h der Gleichung (3) den Wert null annimmt.
Einsetzen von cos (fiβ - ϕij) = cos ϕij cos fiβ + sin ϕij sin fiβ in die Gleichung (4) liefert
folgende Gleichung:
In der Gleichung (5) war die Auftrennung eines Fehlersignals h in Sinus- und
Cosinus-Komponenten (die unterstrichenen Terme in Gleichung (5)) ein sehr in
teressantes Ergebnis. Frequenzkomponenten-Amplitude aij und -Phasenwinkel ϕij
beeinflussten nur die Sinus- und Cosinus-Amplitude des Fehlersignals. Im Fol
genden wird das Ergebnis einer Untersuchung zum Auffinden der Bedingungen
dafür dargestellt, dass die Fehlersignale auf null gehen.
Damit die Summe der Sinus- und Cosinus-Komponenten immer null wird, muss
die Amplitude jeder Komponente null sein. In anderen Worten, damit in der Glei
chung (5) h null wird, ist die folgende Simultangleichung anzuwenden:
Wenn die obige Gleichung erfüllt ist, werden Fehlersignale zu null. Erreicht werden
kann dies durch Einstellen des Phasenwinkels ϕij oder der Amplitude aij. Da es
schwierig ist, die Positionen von Abnehmern zu justieren, nachdem die Sensoren
montiert sind, ist eine Amplitudeneinstellung einfacher als eine Phaseneinstellung.
Das Einstellen oder Justieren der Amplitude auf elektrischem Wege lässt sich
einfach erreichen, so dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Fehlersig
nalkompensation durch Einstellen lediglich der Amplitude vorgenommen wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Amplituden der Signale von
den Sensorabnehmern eingestellt, um eine Fehlersignalkompensation zu bewir
ken. Jeder der Abnehmer wird einer Amplitudeneinstellung unterzogen (dies lässt
sich auch als Einstellen der Empfindlichkeit oder der Verstärkung auffassen). Es
bedeutet, dass Sorge dafür getragen werden muss, dass der gleiche Amplituden-
Einstellkoeffizient bei sämtlichen Fehlersignal-Frequenzkomponenten angewendet
wird, die von einem Abnehmer erhalten werden. Dies wiederum bedeutet, dass der
Einstellkoeffizient ki auf die Amplitude aij angewendet wird. Aus der Gleichung (6)
lässt sich folgende Simultangleichung herleiten, dargestellt in Matrixform:
Wenn der Einstellkoeffizient kj als die Lösung der Gleichung untersucht wird, so
ergeben die Bedingungen für die Existenz einer von null verschiedenen Lösung die
folgende Gleichung:
M ≧ 2N + 1 (8)
Diese Bedingung zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl N von Frequenzkom
ponenten der zu kompensierenden Fehlersignale und der Anzahl M von Abneh
mern. Man kann sagen, dass es eine minimale Anzahl von Abnehmern Mmin gibt,
die erforderlich ist zum Kompensieren von N spezifischen Fehlersignal-Fre
quenzkomponenten. Mmin ergibt sich aus folgender Gleichung:
Mmin = 2N + 1 (9)
Demnach sind minimal drei Abnehmer (Mmin = 3) erforderlich, um eine Fehlersig
nal-Frequenzkomponente (N = 1) zu kompensieren, und es sind mindestens fünf
Abnehmer (Mmin = 5) erforderlich, um zwei Fehlersignal-Frequenzkomponenten
(N = 2) zu kompensieren. Wenn entweder eine oder eine Mehrzahl von Fehler
signal-Frequenzkomponenten kompensiert wird, ist es nicht notwendig, sämtliche
Frequenzkomponenten beginnend bei den niedrigeren Frequenzkomponenten zu
kompensieren. Man kann die Kompensation beschränken auf Frequenzkompo
nenten, die ausgewählt sind anhand der maximalen Amplitude oder einer anderen
Bedingung. Dies wird im Folgenden diskutiert.
Wie oben beschrieben, wurde es möglich, Fehlersignale dadurch zu kompensie
ren, dass auf jeden Abnehmer ein Amplitudeneinstellkoeffizient kj angewendet
wurde. Bei der Suche einer Lösung bezüglich Gleichung (7) gibt es zahllose Lö
sungen; einschließlich solcher, die nicht naheliegend sind. Außerdem gibt es
zahllose Lösungen, wenn die Anzahl der Abnehmer dem erforderten Minimum
entspricht (M = 2 N + 1). Ein einzelner Einstellkoeffizient lässt sich frei wählen zur
Auswahl einer dieser zahllosen Lösungen. Das Einstellen eines Einstell- oder
Justierkoeffizienten von 1 beispielsweise hat den Vorteil, dass das Erfordernis
entfällt, Signale von diesem Abnehmer zu kalibrieren, während es lediglich not
wendig ist, die verbliebenen (M - 1) Koeffizienten zu berechnen. Ein spezielles
Verfahren zum Gewinnen der Einstellkoeffizienten wird im Folgenden beschrieben.
Zuerst werden von M = Mmin Abnehmern erhaltene Fehlersignale einer Fourier-
Transformation unterzogen, und die zu kompensierenden Amplituden aij von N
Frequenzkomponenten sowie die dazugehörigen Phasenwinkel ϕij werden aus
dem so erhaltenen Frequenzspektrum abgeleitet. Diese Größen werden zum
Aufstellen der Gleichung (7) herangezogen. Als Nächstes wird ein Abnehmer
ausgewählt, welcher nicht eingestellt wird. Bei diesem Beispiel wird der p-te Ab
nehmer nicht eingestellt. Damit gilt kp = 1. Um die verbleibenden (Mmin - 1) Ein
stellkoeffizienten zu erhalten, wird eine nicht-simultane Gleichung dadurch erhal
ten, dass das Vorzeichen der p-ten Spalte der ersten Matrix auf der linken Seite
umgekehrt wird.
Die Matrix des ersten Terms auf der linken Seite wird zu einer quadratischen Ma
trix, und wenn es eine inverse Matrix gibt, lassen sich die verbleibenden (Mmin - 1)
Amplitudeneinstellkoeffizienten gewinnen.
Während abhängig davon, welcher Abnehmer als derjenige Abnehmer gewählt
wird, der keiner Amplitudeneinstellung unterzogen wird, unterschiedliche Lösungen
hergeleitet werden können, lässt sich eine einzigartige Lösung dann erreichen,
wenn man eine Einstellkoeffizienten-Skalierung vornimmt, um die Gesamtver
stärkung in den Voreinstellzustand zurückzubringen. Einen Skalierungskoeffizien
ten C kann man durch folgende Gleichung erhalten:
Die minimale Anzahl von Abnehmern, die zum Kompensieren genau einer Feh
lersignal-Frequenzkomponente (N = 1) benötigt wird, beträgt drei (Mmin = 3). Wenn
die Abnehmer z. B. gemäß Fig. 1 positioniert sind, so gilt z. B. Δβ = 30 Grad. Fig. 2
zeigt die Fehlersignale e1, e2, e3 von den Abnehmern und deren Summensignal h.
Um das Verständnis zu erleichtern, sind Welligkeitssignale in Einheiten von Milli
volt (mV) dargestellt, und es sind die passenden Amplituden- und Phasenwerte
ausgewählt. Fig. 3 zeigt das Frequenzspektrum des Summensignals. Es verblei
ben Fehlersignale mit den Frequenzkomponenten f1 = 1; f2 = 3,4 und f3 = 7,2 Pe
rioden/Umdrehung mit Amplituden a1 = 1,13 mV; a2 = 2,66 mV bzw. a3 = 0,22 mV.
In Verbindung mit dem oben beschriebenen Amplitudeneinstellverfahren bedeutet
die Verwendung von drei Sensorabnehmern, dass sich gerade eine der verblei
benden Fehlersignalkomponenten perfekt kompensieren lässt. In diesem Fall
wurde entschieden, die Frequenzkomponente mit der höchsten Amplitude zu
kompensieren: f2 = 3 Perioden/Umdrehung. Damit gilt bezüglich Gleichung (10):
i = 2 UND j = 1, 2, 3. Die nach Durchführen einer Fourier-Transformation für die
Signale jedes Abnehmers erhaltenen Daten sind Folgende:
a21 = 10,3 mV; a22 = 10,8 mV; a23 = 9,4 mV
ϕ21 = -2,04 Grad; ϕ22 = -92,48 Grad; ϕ23 = 159.74 Grad
a21 = 10,3 mV; a22 = 10,8 mV; a23 = 9,4 mV
ϕ21 = -2,04 Grad; ϕ22 = -92,48 Grad; ϕ23 = 159.74 Grad
Ein Einstellkoeffizient lässt sich frei wählen, in diesem Fall lautet die Auswahl
k1 = 1. Unter Verwendung des oben beschriebenen Rechnungsverfahrens ergeben
sich Lösungen von k2 = 0,313 und k3 = 1,151. Die Auswahl von k2 = 1 führte zu
einer großen Gesamtverstärkung aus Lösungen von k1 = 3,193 und k3 = 3,675.
Angenommen, es werde auf sämtliche Abnehmer eine Amplitudeneinstellung an
gewendet, so liefert das Anwenden des Skalierungskoeffizienten C zur Zurück
führung des Gesamt-Verstärkungsfaktors die folgenden Einstellkoeffizienten:
k1 = 1,218; k2 = 0,381; k3 = 1,401
k1 = 1,218; k2 = 0,381; k3 = 1,401
Dieses Ergebnis wurde auf jeden Abnehmer angewendet, was eine ausreichend
effektive Kompensation der Ziel-Fehlersignalkomponenten ergab, wie in Fig. 4
gezeigt ist. Die Fehlersignalkomponente der Frequenz f2 = 3, 4 Perioden/Umdre
hung wurde vollständig kompensiert. Gleichzeitig nahm die Amplitude der Fre
quenzkomponente f1 = 1 Perioden/Umdrehung etwas ab, während die Amplitude
der Frequenzkomponente f3 = 7,2 Periode/Umdrehung etwas größer wurde.
Als nächstes wird ein lineares Stellungssensorsystem, beispielsweise eine lineare
Skala, angenommen, und außerdem wird angenommen, dass optische Abnehmer
eingesetzt werden, die ein Cosinus-Ausgangssignal mit einer Periode von 10 µm
liefern. Zudem wird angenommen, dass den Ausgangssignalen Fehlersignale mit
zehnfacher Periode und halber Periode überlagert sind. Um die Sensorgenauigkeit
und -auflösung zu verbessern, ist es wünschenswert, diese Fehlersignale zu
kompensieren. Ein Minimum von fünf Abnehmern (Mmin = 5) wird zur Kompensa
tion von zwei Frequenzkomponenten (N = 2) benötigt. Es soll angenommen wer
den, dass die Abnehmer in festen Intervallen von beispielsweise 2 mm positioniert
sind. Jeder Abnehmer besitzt einen gewissen Stellungsfehler, so dass Aus
gangssignale der Abnehmer Amplituden- und Phasenfehler enthalten, wie in Fig.
5 gezeigt ist.
Fig. 6 zeigt die Wellenform der Summe der Ausgangssignale sämtlicher Abnehmer
und das Frequenzspektrum des Summensignals. Die Frequenzkomponente
f2 = 100 Perioden/mm dient zur Stellungserfassung. Die übrigen Frequenzkom
ponenten, d. h. f1 = 10 Perioden/mm und f3 = 200 Perioden/mm, enthalten Fehler
komponenten. Die beiden zu korrigierenden Komponenten sind: i = 1, 3; j = 1, 2, 3,
4, 5. Die durch Fourier-Transformationen erhaltenen Ergebnisse sind Folgende:
Wie im Fall der Kompensierung einer Komponente, wie sie oben beschrieben wird,
wird auf die Ausgangssignale sämtlicher Abnehmer eine Skalierung oder Kalibrie
rung angewendet, um einen Ausgleich zwischen den Nacheinstell- und den Vor
einstell-Ausgangspegeln zu erreichen. Folgende Ergebnisse werden erzielt:
k1 = -1,75; k2 = -2,01; k3 = 2,65; k4 = 1,84; K5 = 4,27
k1 = -1,75; k2 = -2,01; k3 = 2,65; k4 = 1,84; K5 = 4,27
Was interessiert, ist das Erscheinen negativer Einstellkoeffizienten. Dies zeigt,
dass unter gewissen Umständen ein Erfordernis entgegengesetzter Phase für die
Signale von den Abnehmern besteht.
Fig. 7 zeigt die Summe der von den fünf Abnehmern nach der Justierung erhal
tenen Signale. Im Vergleich zu der Situation vor der Justierung wurden Cosinus-
Ausgangssignale mit guter Genauigkeit erhalten. Die beiden Frequenzkomponen
ten außer der zum Sensieren erforderlichen Frequenzkomponente waren voll
ständig kompensiert.
Oben wurden Verfahren zum Kompensieren periodischer Fehlersignale in ihrer
Instrumentierung erläutert. Basierend auf der Annahme, dass die Sensoren aus
einer Mehrzahl von Abnehmern bestanden, wurde die Amplitude der Signale von
jedem Abnehmer eingestellt oder justiert. Ein Minimum von drei Abnehmern ist
zum Kompensieren einer Frequenzkomponente eines Fehlersignals erforderlich.
Die minimale Anzahl von für gleichzeitige Kompensation mehrerer Frequenz
komponenten erforderliche Abnehmer wurde ebenfalls festgestellt. Spezielle Bei
spiele wurden für die Kompensation einer und zweier Frequenzkomponenten
vorgestellt.
Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung findet Anwendung bei der Kom
pensation periodischer Fehlersignale ungeachtet, ob die betroffenen Sensoren
vom Dreh- oder Lineartyp sind. Das Verfahren lässt sich in Hardware und in
Software realisieren. Man kann einen Rechner dazu einsetzen, automatisch Ein
stellkoeffizienten zu berechnen, um so die Implementierung eines automatischen
Systems zu ermöglichen, welches Einstellmaßnahmen rasch ausführen kann, so
z. B. das in Fig. 8 gezeigte Sensorverstärkungs-Einstellsystem. Die Hauptkom
ponenten dieses Sensorverstärkungs-Einstellsystems 10 sind ein Sensor 11, der
mit M Sensorabnehmern ausgerüstet ist, gebildet durch Dehnungsmessstreifen
oder dergleichen; eine Signalverarbeitungsschaltung 12 des Sensors 11, ein
Speicherteil 13 zum Speichern von Verstärkungs-Einstellwerten, die für jeden
Abnehmer berechnet wurden; und eine Treiberschaltung 15, die das Sensor-Ob
jekt antreibt und Daten ausgibt, beispielsweise die Ist-Stellung, -Geschwindigkeit
und -Beschleunigung des Objekts. Die Signalverarbeitungsschaltung 12 und die
Steuereinheit 14 basieren auf einem Mikrocomputer.
Fig. 9 ist ein Flussdiagramm, welches den Betrieb des Systems 10 veranschau
licht. Bezugnehmend auf Fig. 9 werden im Schritt ST1, wenn die Treibereinheit 15
das Sensor-Objekt antreibt, Sensorsignale von den M Abnehmern ausgegeben
und in der Steuereinheit 14 abgespeichert. Im Schritt ST2 summiert die Steuer
einheit 14 die M Signale. Im Schritt ST3 erfolgt aus dem Summensignal eine
Auswahl von N Frequenzkomponenten, bezüglich derer der Wunsch besteht, ihre
Amplituden auf null zu bringen. Die auszuwählenden Frequenzkomponenten
können z. B. durch einen externen Befehl spezifiziert werden, der in die Steuer
einheit 14 eingegeben wird. Im Schritt ST4 ermittelt die Steuereinheit 14 Amplitude
und Phase von N Frequenzkomponenten in den von M Abnehmern kommenden
Signalen. Die einschlägigen Berechnungen können unter Verwendung diskreter
und schneller Fourier-Transformationen durchgeführt werden.
Als nächstes findet im Schritt ST5 die Steuereinheit 14 Lösungen für die Gleichung
(7) und verwendet die durch die Fig. 10, 11 und 12 veranschaulichten Algo
rithmen, um den Verstärkungs-Einstellkoeffizienten kj für jeden Abnehmer aufzu
finden. Im Schritt ST6 wendet die Steuereinheit 14 eine Skalierung (Gleichung
(12)) an, um diejenigen Verstärkungs-Einstellkoeffizienten zu berechnen, deren
Summensignal mit den Werten vor der Einstellung übereinstimmt. Im Schritt ST7
werden die so berechneten Verstärkungs-Einstellkoeffizienten in dem Speicherteil
13 abgespeichert.
Im Betrieb werden Sensorsignale von den Abnehmern des Sensors 11 durch die
Signalverarbeitungsschaltung 12 basierend auf dem in dem Speicherteil 13 ab
gespeicherten Verstärkungs-Einstellkoeffizienten einjustiert. Im Ergebnis werden
Sensorsignale erzeugt, in denen N periodische Fehlersignale eliminiert oder un
terdrückt sind. Diese Signale ermöglichen einen Sensorbetrieb mit hoher Genau
igkeit. Wenngleich die obige Erläuterung unter Bezugnahme auf ein Verfahren des
perfekten Kompensierens spezifischer Frequenzkomponenten beruht, so ist es
doch auch möglich, eine optimierte Einstellung zu implementieren, um die Ge
samtamplitude von Fehlersignalen zu minimieren, welche eine Mehrzahl von
Frequenzkomponenten umfassen.
Verstärkungs-Einstellkoeffizienten lassen sich auch empirisch auffinden anstatt
durch Verwendung der Gleichung (7). Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm des Steu
erverfahrens, mit dem dieses erreicht wird. Dabei sind:
ST101: Aufzeichnen der Signale von M Abnehmern (M Signale)
ST102: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST103: Ermitteln der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (unter Verwendung von Fourier- Transformationen etc.)
ST104: Für Abnehmer = 1 bis M
ST105: Abnehmer-Verstärkung + =
ST106: Skalierung der Gesamtverstärkung (zur Justierung auf den Voreinstellpegel)
ST107: Summensignal = (M Signale × M Verstärkung)
ST108: Ermitteln der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (unter Verwendung von Fourier- Transformationen etc.)
ST109: Hat Amplitude der speziellen Frequenzkomponenten abgenommen?
ST120: Rücksetzen Abnehmerverstärkung
ST121: Abnehmerverstärkung - =
ST122: Skalierung der Gesamtverstärkung (um auf den Pegel vor der Einstellung einzujustieren)
ST123: Summensignal = (M Signale × M Verstärkung)
ST124: Gewinnen der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (unter Verwendung von Fourier-Transfor mationen etc.)
ST125: Hat Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten abgenommen?
ST126: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST127: Alle Abnehmer o.k.?
ST128: Speichern der erhaltenen Verstärkungen im Sensor-Signalprozessor
ST101: Aufzeichnen der Signale von M Abnehmern (M Signale)
ST102: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST103: Ermitteln der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (unter Verwendung von Fourier- Transformationen etc.)
ST104: Für Abnehmer = 1 bis M
ST105: Abnehmer-Verstärkung + =
ST106: Skalierung der Gesamtverstärkung (zur Justierung auf den Voreinstellpegel)
ST107: Summensignal = (M Signale × M Verstärkung)
ST108: Ermitteln der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (unter Verwendung von Fourier- Transformationen etc.)
ST109: Hat Amplitude der speziellen Frequenzkomponenten abgenommen?
ST120: Rücksetzen Abnehmerverstärkung
ST121: Abnehmerverstärkung - =
ST122: Skalierung der Gesamtverstärkung (um auf den Pegel vor der Einstellung einzujustieren)
ST123: Summensignal = (M Signale × M Verstärkung)
ST124: Gewinnen der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (unter Verwendung von Fourier-Transfor mationen etc.)
ST125: Hat Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten abgenommen?
ST126: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST127: Alle Abnehmer o.k.?
ST128: Speichern der erhaltenen Verstärkungen im Sensor-Signalprozessor
Das in Fig. 8 gezeigte System kann auch in diesem Fall eingesetzt werden. Wenn
gemäß Fig. 10 M die anfängliche Summensignal-Verstärkung ist, werden im
Schritt ST101 Signale von M Abnehmern aufgezeichnet. Als Nächstes wird im
Schritt ST102 die Summe dieser Signale berechnet. Im Schritt ST103 dienen z. B.
Fourier-Transformationen zur Auffindung der Amplitude der spezifischen Fre
quenzkomponenten, die es zu eliminieren gilt. Im Anschluss daran werden die
Schritte ST104 bis ST109 für jeden der M Abnehmer implementiert.
Speziell wird innerhalb eines Zyklus einer der Abnehmer außer bezüglich der
Verstärkung, die um den kleinen, vorbestimmten Betrag A erhöht wird, unmodifi
ziert belassen. Die Skalierung erfolgt in der Weise, dass die von den M Abneh
mern erhaltene Gesamtverstärkung der Gesamtverstärkung vor dem Einstellvor
gang gleicht. Im Anschluss an die Verstärkungseinstellung wird die Summe der M
Abnehmersignale genommen, und Fourier-Transformationen oder andere derar
tige Methoden dienen zum Berechnen der Amplitude der spezifischen Frequenz
komponenten in dem Summensignal. Wenn die so erhaltene Amplitude kleiner ist
als die Amplitude vor dem Einstellvorgang, so werden die gleichen Schritte be
züglich des nächsten Abnehmers wiederholt.
Allerdings werden die Schritte ST120 bis ST125 implementiert, wenn die Ampli
tude einer spezifizierten Frequenzkomponente ansteigt, wenn die Verstärkung
bezüglich eines Abnehmers um den kleinen Zuwachs Δ erhöht wird. In diesem Fall
wird die Abnehmerverstärkung um den Betrag Δ reduziert, und es erfolgt eine
Skalierung, um die Verstärkung jedes Abnehmers solange einzustellen, bis die
Gesamtverstärkung der M Abnehmer die Gleiche ist wie die Gesamtverstärkung
vor dem Einstellvorgang. Im Anschluss an die Verstärkungseinstellung dient die so
erhaltene Summe der M Abnehmersignale und eine Methode, wie z. B. die Fou
rier-Transformation, zum Gewinnen der Amplitude spezifischer Frequenzen in
dem Summensignal. Wenn die so erhaltene Amplitude kleiner ist als die Amplitude
vor dem Einstellvorgang, werden die Schritte ST104 bis ST109 für den nächsten
Abnehmer implementiert.
Wenn bezüglich eines Abnehmers die Amplitude einer spezifischen Frequenz
komponente auch dann nicht abnimmt, wenn die Schritte ST104 bis ST109 und
ST120 bis ST125 durchlaufen sind, so wird im Schritt ST126 die Verstärkung des
betreffenden Abnehmers zurückgesetzt, und über den Schritt ST127 geht das
Verfahren dann zu der Verstärkungseinstellung des nächsten Abnehmers. Nach
Abschluss der Einstellung für sämtliche Abnehmer werden im Schritt ST128 die
einjustierten Verstärkungen der individuellen Abnehmer in dem Signalverarbei
tungsteil abgespeichert.
Als Nächstes wird anstelle des Beseitigens oder Unterdrückens von Fehlersigna
len ein Verfahren zum Erhöhen der Amplitude von Signal-Frequenzkomponenten
erläutert, welche für das Sensieren erforderlich sind. Fig. 11 ist ein Flussdiagramm
des Steuerverfahrens, welches hierbei eingesetzt wird. Dabei bedeuten:
ST11: Aufzeichnen der Signale von M Abnehmern (M Signale)
ST12: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST13: Ermitteln Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (mittels Fourier-Transformation etc.)
ST14: Für Abnehmer = 1 bis M
ST15: Abnehmer-Verstärkung + =
ST16: Skalierung der Gesamtverstärkung (um auf den Pegel vor der Einstellung einzujustieren)
ST17: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST18: Ermitteln Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (mittels Fourier-Transformation etc.)
ST19: Hat Amplitude der spezifischen Frequenzkomponenten zugenommen?
ST20: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST21: Abnehmer-Verstärkung - =
ST22: Skalierung der Gesamtverstärkung (um auf den Pegel vor der Einstellung einzujustieren)
ST23: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST24: Ermitteln Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (mittels Fourier-Transformation etc.)
ST25: Hat Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten zugenommen?
ST26: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST27: Sämtliche Abnehmer o.k.?
ST28: Speichern der erhaltenen Verstärkungen im Sensor-Signalprozessor
ST11: Aufzeichnen der Signale von M Abnehmern (M Signale)
ST12: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST13: Ermitteln Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (mittels Fourier-Transformation etc.)
ST14: Für Abnehmer = 1 bis M
ST15: Abnehmer-Verstärkung + =
ST16: Skalierung der Gesamtverstärkung (um auf den Pegel vor der Einstellung einzujustieren)
ST17: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST18: Ermitteln Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (mittels Fourier-Transformation etc.)
ST19: Hat Amplitude der spezifischen Frequenzkomponenten zugenommen?
ST20: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST21: Abnehmer-Verstärkung - =
ST22: Skalierung der Gesamtverstärkung (um auf den Pegel vor der Einstellung einzujustieren)
ST23: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST24: Ermitteln Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten des Summensignals (mittels Fourier-Transformation etc.)
ST25: Hat Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten zugenommen?
ST26: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST27: Sämtliche Abnehmer o.k.?
ST28: Speichern der erhaltenen Verstärkungen im Sensor-Signalprozessor
Das in Fig. 8 gezeigte System lässt sich auch in diesem Fall einsetzen. Wenn
gemäß Fig. 11 M die anfängliche Gesamtsignal-Verstärkung ist, so werden im
Schritt ST11 Signale von M Abnehmern aufgezeichnet. Als Nächstes wird im
Schritt ST12 die Summe dieser Signale berechnet. Im Schritt ST13 dienen z. B.
Fourier-Transformationen zur Auffindung der Amplitude der spezifischen Fre
quenzkomponenten, die es zu beseitigen gilt. Im Anschluss daran werden die
Schritte ST14 bis ST19 ausgeführt für jeden der M Abnehmer.
Speziell wird in einem Zyklus die Verstärkung von exakt einem der Abnehmer um
einen kleinen, vorbestimmten Betrag Δ erhöht, während die Verstärkung der üb
rigen Abnehmer unmodifiziert bleibt. Es erfolgt eine Skalierung in der Weise, dass
die von den M Abnehmern erhaltene Gesamtverstärkung der Gesamtverstärkung
vor dem Einstellvorgang gleicht. Nach der Verstärkungseinstellung wird die
Summe der M Abnehmersignale ermittelt, und mittels Fourier-Transformationen
oder anderer derartiger Verfahren wird die Amplitude der spezifischen, in dem
Summensignal enthaltenen Frequenzkomponenten berechnet. Wenn die die so
erhaltene Amplitude kleiner ist als die Amplitude vor dem Einstellvorgang, werden
die gleichen Schritte bezüglich des nächsten Abnehmers implementiert.
Die Schritte ST20 bis ST25 werden implementiert, wenn die Amplitude einer spe
zifizierten Frequenzkomponente abnimmt, während die Verstärkung bezüglich ei
nes Abnehmers um einen kleinen Betrag Δ erhöht wird. In diesem Fall wird die
Abnehmer-Verstärkung um den Betrag Δ reduziert, und es erfolgt eine Skalierung,
wobei die Verstärkung jedes Abnehmers solange einjustiert wird, bis die Gesamt
verstärkung der M Abnehmer die Gleiche ist wie die Gesamtverstärkung vor dem
Einstellvorgang. Im Anschluss an die Einstellung der Verstärkung wird die Summe
der M Abnehmer-Signale gebildet, und mit Hilfe einer Methode wie z. B. der Fou
rier-Transformation wird die Amplitude spezifischer Frequenzen in dem Sum
mensignal gewonnen. Wenn die so erhaltene Amplitude größer ist als die Ampli
tude vor dem Einstellvorgang, werden die Schritte ST14 bis ST19 bezüglich des
nächsten Abnehmers implementiert.
Falls bezüglich eines Abnehmers die Amplitude einer spezifischen Frequenz
komponente selbst dann nicht zunimmt, wenn die Schritte ST14 bis ST19 und
ST20 bis ST25 durchlaufen sind, wird im Schritt ST26 die Verstärkung des betref
fenden Abnehmers zurückgesetzt, und über den Schritt ST27 geht der Prozess
weiter zu der Verstärkungseinstellung des nächsten Abnehmers. Nachdem die
Einstellarbeit für sämtliche Abnehmer abgeschlossen ist, werden im Schritt ST28
die eingestellten Verstärkungen der individuellen Abnehmer in dem Signalverar
beitungsteil abgespeichert.
Die Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals lässt sich minimieren, anstatt
dass man Fehlersignale beseitigt oder unterdrückt oder die Amplitude spezifischer
Frequenzkomponenten des Sensor-Objekts maximiert. Fig. 12 ist ein Flussdia
gramm des Steuerprozesses, der bei diesem Verfahren verwendet wird. Es be
deuten:
ST31: Aufzeichnen von Signalen von M Abnehmern (M Signale)
ST32: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST33: Ermitteln Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals
ST34: Für Abnehmer = 1 bis M
ST35: Abnehmer-Verstärkung + =
ST36: Skalierung der Gesamtverstärkung (zur Einstellung auf den Pegel vor dem Einstellvorgang)
ST37: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST38: Ermitteln Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals
ST39: Hat Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals abgenommen?
ST40: Rücksetzen der Abnehmer-Verstärkung
ST41: Abnehmer-Verstärkung - =
ST42: Skalierung der Gesamtverstärkung (zur Einjustierung auf den Pegel vor dem Einstellvorgang)
ST43: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST44: Ermitteln Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals
ST45: Hat Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals abgenommen?
ST46: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST47: Sämtliche Abnehmer o.k.?
ST48: Speichern der erhaltenen Verstärkungen im Sensor-Signalprozessor
ST31: Aufzeichnen von Signalen von M Abnehmern (M Signale)
ST32: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST33: Ermitteln Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals
ST34: Für Abnehmer = 1 bis M
ST35: Abnehmer-Verstärkung + =
ST36: Skalierung der Gesamtverstärkung (zur Einstellung auf den Pegel vor dem Einstellvorgang)
ST37: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST38: Ermitteln Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals
ST39: Hat Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals abgenommen?
ST40: Rücksetzen der Abnehmer-Verstärkung
ST41: Abnehmer-Verstärkung - =
ST42: Skalierung der Gesamtverstärkung (zur Einjustierung auf den Pegel vor dem Einstellvorgang)
ST43: Summensignal = (M Signale × M Verstärkungen)
ST44: Ermitteln Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals
ST45: Hat Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals abgenommen?
ST46: Rücksetzen Abnehmer-Verstärkung
ST47: Sämtliche Abnehmer o.k.?
ST48: Speichern der erhaltenen Verstärkungen im Sensor-Signalprozessor
Das System nach Fig. 8 kann auch in diesem Fall eingesetzt werden. Wenn ge
mäß Fig. 12 M die anfängliche Gesamtsignalverstärkung ist, werden im Schritt
ST31 Signale von M Abnehmern aufgezeichnet. Als Nächstes wird im Schritt ST32
die Summe dieser Signale berechnet. Im Schritt ST33 dienen z. B. Fourier-Trans
formationen dazu, die Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals zu ermitteln.
Anschließend daran werden die Schritte ST34 bis ST39 bezüglich jedes der M
Abnehmer ausgeführt.
Speziell wird innerhalb eines Zyklus die Verstärkung von genau einem der Ab
nehmer um den kleinen, vorbestimmten Betrag Δ erhöht, während die Verstärkung
der übrigen Abnehmer unverändert bleibt. Es findet eine Skalierung statt, so dass
die Gesamtverstärkung der M Abnehmer der Gesamtverstärkung vor der Einstel
lung gleicht. Nach der Verstärkungseinstellung wird die Summe der Signale der M
Abnehmer ermittelt, und mittels Fourier-Transformationen oder anderen derarti
gen Methoden wird die Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals berechnet.
Wenn die so erhaltene Spitze-Spitze-Amplitude kleiner ist, als die Amplitude vor
der Einstellung war, so werden die gleichen Schritte bezüglich des nächsten Ab
nehmers ausgeführt.
Die Schritte ST40 bis ST45 werden dann ausgeführt, wenn die Spitze-Spitze-
Amplitude des Summensignals sich auch dann nicht verringert, wenn die Ver
stärkung bezüglich eines Abnehmers um den Betrag Δ erhöht wird. In diesem Fall
wird die Abnehmer-Verstärkung um den Betrag Δ verringert, und es wird eine
Skalierung vorgenommen, wobei die Verstärkung jedes Abnehmers solange ein
justiert wird, bis die Gesamtverstärkung der M Abnehmer der Gesamtverstärkung
vor dem Einstellvorgang gleicht. Im Anschluss an die Einstellung der Verstärkung
wird die Summe der M Abnehmer-Signale gebildet, und die Spitze-Spitze-Am
plitude des Summensignals wird ermittelt. Wenn diese Spitze-Spitze-Amplitude
kleiner ist als vor dem Einstellvorgang, werden die Schritte ST34 bis ST39 bezüg
lich des nächsten Abnehmers ausgeführt.
Wenn bezüglich eines Abnehmers die Spitze-Spitze-Amplitude des Summen
signals selbst dann nicht abnimmt, wenn die Schritte ST34 bis ST39 und ST40 bis
ST45 durchlaufen sind, wird im Schritt ST46 die Verstärkung des betreffenden
Abnehmers zurückgesetzt, und über den Schritt ST47 geht der Prozess zu der
Verstärkungseinstellung des nächsten Abnehmers. Nach Abschluss der Einstell
arbeit für sämtliche Abnehmer werden im Schritt ST48 die eingestellten oder ein
justierten Verstärkungen der individuellen Abnehmer in dem Signalverarbeitungs
teil gespeichert.
Wie oben beschrieben wurde, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum
Kompensieren periodischer Fehler in Sensor-Ausgangssignale das Ermitteln der
Summe vonSensorsignalen, die von M Sensorelementen (Abnehmern oder Auf
nehmern) ausgegeben werden, das Auswählen von N (M ≧ = 2 N + 1) Frequenz
komponenten aus diesem Summensignal und das Berechnen der Amplitude und
der Phase der ausgewählten N Frequenzkomponenten. Die Gleichung (7) dient
zum Auffinden der Verstärkung für jedes Abnehmersignal, oder es wird die Ver
stärkung aufgefunden, die die N Frequenzkomponente unterdrücken oder besei
tigen kann, indem ein Prozess des Erhöhens/Verminderns der Signalverstärkun
gen für jeden Abnehmer wiederholt wird. Das Skalieren der berechneten Verstär
kungen dient zum Ermitteln von Einstell-Verstärkungen für die Abnehmer mit dem
Ziel, dass die Gesamtverstärkung übereinstimmt mit dem Pegel des anfänglichen
Summensignals. Anhand dieser Einstellverstärkungen zur Justierung der Ver
stärkung der von den individuellen Sensoren ausgegebenen Signale ermöglicht
das Erzeugen von Sensorsignalen, aus denen die ausgewählten Fehlersignal
komponenten entfernt wurden, oder bei denen sie unterdrückt wurden. Das Be
seitigen oder Unterdrücken von Fehlersignalkomponenten durch Einjustieren der
Verstärkung der Abnehmer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren steigert die
Positioniergenauigkeit der Abnehmer und ermöglicht die Erzielung einer guten
Genauigkeit der Sensorsignale.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen oder Einjustieren der Ver
stärkung von Sensor-Ausgangssignalen wird die Summe der Sensorsignale, die
von M Sensorabnehmern ausgegeben werden, gebildet, es werden spezifische
Frequenzkomponenten aus diesem Summensignal ausgewählt, und es wird die
Amplitude der ausgewählten spezifischen Frequenzkomponenten berechnet. Für
jeden Abnehmer wird die Verstärkung berechnet, bei der die spezifischen Fre
quenzkomponenten maximiert werden. Dies geschieht durch Wiederholen eines
Prozesses des Erhöhens/Verminderns der Ausgangssignal-Verstärkungen für
jeden Abnehmer. Die Abnehmer-Ausgangssignale werden multipliziert mit den
jeweiligen berechneten Verstärkungswerten, und die Ergebnisse werden sum
miert. Durch Skalierung werden die berechneten Verstärkungen so eingestellt,
dass die Abnehmer-Einstellverstärkungen so sind, dass die Gesamtverstärkung
mit dem Pegel des Summensignals übereinstimmt. Mit Hilfe dieser Einstellver
stärkungen zur Einjustierung der Verstärkung der von den individuellen Sensor
abnehmern ausgegebenen Signale erreicht man die Erzeugung von Sensorsigna
len, in denen die ausgewählten Frequenzkomponenten maximiert sind. Maximie
ren der erforderlichen Frequenzkomponenten verbessert den Rauschabstand und
erleichtert Positioniererfordernisse und dergleichen bezüglich der Sensorabneh
mer.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verstärkungseinstellung umfasst das Er
mitteln der Summe von Sensorsignalen, die von M Sensorabnehmern ausgegeben
werden, das Ermitteln der Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals und das
Auffinden derjenigen Verstärkung der einzelnen Abnehmer, bei der die Spitze-
Spitze-Amplitude minimiert ist, was durch einen Prozess des Erhöhens/Vermin
derns der Ausgangsverstärkung der Abnehmer geschieht. Die Ausgangsverstär
kung jedes Abnehmers wird multipliziert mit dem so erhaltenen zugehörigen Ver
stärkungswert, und die Resultate werden zur Bildung eines Summensignals auf
summiert. Damit der Pegel des Summensignals dem Pegel des Summensignals
der individuellen Abnehmer-Ausgangssignale gleicht, erfolgt eine Skalierung zur
Einjustierung jeder berechneten Verstärkung, um eine Verstärkungseinstellung für
jeden Abnehmer zu erhalten. Mit Hilfe dieser Einstellverstärkungen zur Einjustie
rung der Verstärkung der von den individuellen Sensorabnehmern ausgegebenen
Signale erreicht man die Erzeugung von Sensorsignalen, die die Spitze-Spitze-
Amplitude des Summensignals minimieren. Die Fähigkeit, Fehlersignal-Kompo
nenten durch das erfindungsgemäße Verfahren zu unterdrücken, vereinfacht Po
sitionierarbeiten und dergleichen für die Sensorabnehmer.
Claims (4)
1. Verfahren zum Kompensieren periodischer Fehlersignale von Sensor-Aus
gangssignalen, umfassend die Schritte:
- - Ermitteln eines Summensignals aus Sensor-Ausgangssignalen von M Sensorelementen (M ist eine natürliche Zahl);
- - Ermitteln von Amplitude und Phase von N Frequenzkomponenten, die in dem Summensignal enthalten sind (N ist eine natürliche Zahl);
- - mit aij als Sensor-Ausgangssignal-Amplitude des j-ten (j = 1 bis N) Sen
sorelements bei der i-ten (i = 1 bis N) Frequenzkomponente, ϕij als Pha
senwinkel und kj als Sensor-Ausgangssignal-Verstärkungseinstellkoeffi
zienten, wird der Einstellkoeffizient kj für jedes Sensor-Ausgangssignal
durch folgende Simultangleichung ermittelt:
- - es wird sichergestellt, dass ein Summensignalpegel, erhalten durch
Summieren eines Ausgangssignals jedes Sensorelements vor dem Ein
stellvorgang, multipliziert mit dem Verstärkungs-Einstellkoeffizienten kj,
einem Summensignalpegel gleicht, der erhalten wird durch Summieren
von nicht-modifizierten Ausgangssignalen der Sensoren, indem ein Ver
stärkungs-Einstellkoeffizient kj für jedes Sensor-Ausgangssignal ermittelt
wird durch Verwendung eines Skalierungskoeffizienten C gemäß der Be
ziehung
um eine Skalierung bezüglich des Voreinstellzustands für jeden Verstär kungs-Einstellkoeffizienten kj durchzuführen, und - - Verwenden jeder so erhaltenen Einstellverstärkung kj, um eine Verstär kung jedes Sensor-Ausgangssignals einzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem anstelle der Simultangleichung N Frequenzkomponenten beseitigt
oder minimiert werden durch Verwendung eines Verstärkungs-Einstellkoeffi
zienten, der für jedes Sensor-Ausgangssignal dadurch erhalten wird, dass für
jedes Sensor-Ausgangssignal ein Prozess wiederholt wird, welcher das Än
dern einer Ausgangsverstärkung eines Sensors in kleinen Inkrementen unter
gleichzeitiger Beibehaltung der Ausgangsverstärkung der übrigen Sensoren
auf einem konstanten Wert umfasst.
3. Verstärkungs-Einstellverfahren zum Maximieren einer spezifischen Fre
quenzkomponente in Sensor-Ausgangssignalen, umfassend die Schritte:
- - Ermitteln eines Summensignals aus Sensor-Ausgangssignalen von M Sensorelementen;
- - Berechnen der Amplitude spezifischer Frequenzkomponenten aus dem Summensignal;
- - Ermitteln von Sensorausgangssignal-Verstärkungen, bei denen die spe zifischen Frequenzkomponenten maximiert werden, indem für jedes Sensor-Ausgangssignal ein Prozess wiederholt wird, welcher das Ändern der Ausgangsverstärkung eines Sensors in kleinen Inkrementen unter gleichzeitiger Beibehaltung der Ausgangsverstärkungen der übrigen Sensoren auf einem konstanten Wert umfasst;
- - Sicherstellen, dass ein Summensignalpegel, erhalten durch Summieren der Ausgangssignale der Sensorelemente, jeweils multipliziert mit der be rechneten Verstärkung, einem Summensignalpegel gleicht, der erhalten wird durch Aufsummieren nicht modifizierter Ausgangssignale der Sen soren, indem eine Einstellverstärkung für jedes Sensor-Ausgangssignal erhalten wird durch Skalierung zum Einjustieren jeder berechneten Ver stärkung;
- - Verwenden jeder so erhaltenen Einstellverstärkung, um die Verstärkung jedes Sensor-Ausgangssignals so einzujustieren, dass ein Summensignal erzeugt wird, in welchem die Frequenzkomponenten maximiert sind.
4. Verstärkungs-Einstellverfahren zum Maximieren einer spezifischen Fre
quenzkomponente in Sensor-Ausgangssignalen, umfassend die Schritte:
- - Ermitteln eines Summensignals aus Sensor-Ausgangssignalen von M Sensorelementen;
- - Ermitteln einer Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals;
- - Ermitteln von Sensorausgangssignal-Verstärkungen, die eine minimale Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals ergeben, indem für jedes Sensor-Ausgangssignal ein Prozess wiederholt wird, welcher das Ändern der Ausgangsverstärkung eines Sensors in kleinen Inkrementen unter gleichzeitiger Beibehaltung der Ausgangsverstärkungen der übrigen Sensoren auf einem konstanten Wert umfasst;
- - Sicherstellen, dass ein Summensignalpegel, erhalten durch Aufsummieren der Ausgangssignale der Sensorelemente, jeweils multipliziert mit der be rechneten Verstärkung, einem Summensignalpegel gleicht, welcher er halten wird durch Aufsummieren nicht modifizierter Ausgangssignale der Sensoren, indem eine Einstellverstärkung für jedes Sensor-Ausgangs signal unter Skalierung zur Einstellung jeder berechneten Verstärkung erhalten wird;
- - Verwenden jeder so erhaltenen Einstellverstärkung zum Einjustieren einer Verstärkung jedes Sensor-Ausgangssignals, um ein Sensorsignal zu ge nerieren, in welchem es eine minimale Spitze-Spitze-Amplitude des Summensignals der Sensor-Ausgangssignale gibt.
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