DE10124017A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Drehwinkelerfassung eines sich drehenden Elements - Google Patents

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Drehwinkelerfassung eines sich drehenden Elements unter Verwendung eines Sensors, der ein oder mehrere von der Stellung des sich drehenden Elements abhängende Sensorsignale erzeugt, beschrieben. Die Verfahren zeichnen sich dadurch aus, daß zunächst aus den Sensorsignalen unter nur teilweiser Auswertung der darin enthaltenen Information ein oder mehrere erste Signale erzeugt werden, die die Stellung des sich drehenden Elements mit grober Auflösusng wiedergeben, und daß aus den ersten Signalen unter Durchführung einer Extrapolation ein die Stellung des sich drehenden Elements mit feinerer Auflösung wiedergebendes zweites Signal erzeugt wird, und/oder daß die Drehwinkelerfassung unter Durchführung einer Extrapolation erfolgt, wobei die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt. Die Vorrichtungen sind zur Ausführung der Verfahren ausgelegte Vorrichtungen. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen es, einen zu erfassenden Drehwinkel einfach, schnell und mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7, und eine Vorrich­ tung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 16, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehwinkel­ erfassung eines sich drehenden Elements unter Verwendung eines Sensors, der ein oder mehrere von der Stellung des sich drehenden Elements abhängende Sensorsignale erzeugt.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind bei­ spielsweise aus einem den Sensor KMZ41 der Firma Philips und das Auswerte-IC UZZ9000 der Firma Philips enthaltenden Sen­ sorsystem bekannt.

Bei einem solchen System ist auf dem sich drehenden Element, welches im betrachteten Beispiel eine Welle sein möge, aber auch ein beliebiger anderer Körper sein kann, ein Permanent­ magnet angeordnet, welcher sich zusammen mit der Welle dreht, und welcher den benachbart zur Welle angeordneten Sensor KMZ41 zur Ausgabe einer von der Stellung des Magneten und damit auch von der Stellung der Welle abhängenden Spannung veranlaßt.

Der Sensor ist im betrachteten Beispiel ein nach dem aniso­ tropen magnetoresistiven Effekt arbeitender und deshalb als AMR-Sensor bezeichneter Sensor. Die folgenden Ausführungen gelten jedoch auch für andere auf Magnetfelder reagierende Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren.

Die Spannung, die der Sensor bei einer 360°-Drehung der Welle ausgibt, ist ein Sinussignal (sin 2α); der Verlauf dieses Signals ist in Fig. 1A (Kurve A) dargestellt. Der Sensor gibt darüber hinaus ein weiteres Signal, genauer gesagt ein Cosinussignal (cos 2α) aus; der Verlauf dieses Signals ist ebenfalls in Fig. 1A (Kurve B) dargestellt.

Das Auswerte-IC UZZ9000 erzeugt aus den vom Sensor ausgegebe­ nen Signalen ein analoges Sägezahn-Signal. Dieses, in Fig. 1B dargestellte Signal ermöglicht es, aus der aktuellen Größe desselben die aktuelle Stellung der Welle zu ermitteln, wobei innerhalb von 180° umfassenden Winkelsegmenten eine eindeu­ tige Zuordnung vorhanden ist.

Das beschriebene System ist nur für geringe Drehzahlen der Welle geeignet. Bei größeren Drehzahlen (beispielsweise bei mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute weisen die Anstiege des in Fig. 1B gezeigten Signals einen stufenförmigen Verlauf auf, so daß die Stellung der Welle nur relativ grob ermittelt werden kann.

Insbesondere wenn das Element, dessen Stellung ermittelt wer­ den soll, klein ist, liefern auch andere bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Drehwinkelerfassung, beispielsweise mit Inkremental-Enkodern arbeitende Systeme keine besseren Ergeb­ nisse.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, J das Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7, und die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 20 und 26 derart weiterzubilden, daß die Stellung eines sich drehenden Elements auf einfache Weise und unabhän­ gig von der Drehzahl genau ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patent­ ansprüchen 1 und 7 beanspruchten Verfahren bzw. durch die in den Patentansprüchen 20 und 26 beanspruchten Vorrichtungen gelöst.

Die erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich dadurch aus,

• - daß zunächst aus den Sensorsignalen unter nur teilweiser Auswertung der darin enthaltenen Information ein oder meh­ rere erste Signale erzeugt werden, die die Stellung des sich drehenden Elements mit grober Auflösung wiedergeben, und daß aus den ersten Signalen unter Durchführung einer Extrapolation ein die Stellung des sich drehenden Elements mit feinerer Auflösung wiedergebendes zweites Signal er­ zeugt wird, und/oder
• - daß die Drehwinkelerfassung unter Durchführung einer Extra­ polation erfolgt, wobei die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeichnen sich dadurch aus,

• - daß eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den Sensorsignalen unter nur teilweiser Auswertung der darin enthaltenen Information ein oder mehrere erste Si­ gnale erzeugt, welche die Stellung des sich drehenden Ele­ ments mit grober Auflösung wiedergeben, und daß eine Extra­ polationseinrichtung vorgesehen ist, welche aus den ersten Signalen unter Durchführung einer Extrapolation ein die Stellung des sich drehenden Elements mit feinerer Auflösung wiedergebendes zweites Signal erzeugt, und/oder
• - daß die Drehwinkelerfassung unter Durchführung einer Extra­ polation erfolgt, wobei die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt.

Dadurch läßt sich die Drehwinkelerfassung auf sehr einfache Weise schnell und mit hoher Genauigkeit durchführen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent­ nehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zei­ gen

Fig. 1A die Ausgangssignale eines bekannten Sensors zur Er­ mittlung der Stellung eines drehbaren Körpers,

Fig. 1B das Ausgangssignal einer bekannten Auswerteschal­ tung,

Fig. 2 digitale Signale, die durch die im folgenden be­ schriebene Vorrichtung erzeugt und weiterverarbeitet werden,

Fig. 3 eine Schaltung, die aus den in der Fig. 1A gezeig­ ten Sensorsignalen die in der Fig. 2 gezeigten Signale erzeugt,

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Extrapolations­ schaltung, durch welche aus den in Fig. 2 gezeigten Signalen die Stellung eines sich drehenden Körpers genau wiedergebende Signale erzeugt werden, und

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Extrapola­ tionsschaltung, durch welche aus den in Fig. 2 ge­ zeigten Signalen die Stellung eines sich drehenden Körpers genau wiedergebende Signale erzeugt werden.

Das sich drehende Element, dessen Stellung durch das im fol­ genden beschriebene Verfahren und die im folgenden beschrie­ bene Vorrichtung ermittelt werden soll, ist im betrachteten Beispiel die Welle (der Rotor) eines elektronisch kommutier­ ten (kollektorlosen) Gleichstrommotors (Reluktanzmotor, Switched Reluctance bzw. SR-Motor), der beispielsweise in der Kraftstoffpumpe oder in der Kühlmittelpumpe einer Brennkraft­ maschine eingesetzt wird.

Es sei jedoch bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß das im folgenden beschriebene Verfahren und die im fol­ genden beschriebene Vorrichtung auch zur Ermittlung der Wellenstellung anders aufgebauter und/oder für andere Zwecke eingesetzter Motoren, und auch nicht nur zur Erfassung der Wellenstellung eines Motors, sondern auch zur Ermittlung der Stellung von beliebigen anderen Elementen eingesetzt werden kann.

Die Kenntnis der Stellung der Welle eines elektronisch kommu­ tierten Motors ist erforderlich, um diesen ordnungsgemäß an­ steuern zu können (um die im Stator des Motors vorhandenen Spulen so ansteuern zu können, daß sich das zum Antrieb des Rotors erforderliche Drehfeld bildet).

Für die Ansteuerung eines solchen Motors gelten gewisse Be­ sonderheiten: die Ansteuerung der im Stator des Motors vor­ handenen Spulen erfolgt während einer Umdrehung des Rotors mehrfach wiederholt nach dem selben Muster, d. h. periodisch. Der Drehwinkel der Welle, nach welcher sich die Ansteuerung der Spulen wiederholt (die Periodizität der Spulenansteuerung) hängt von der Anzahl der Rotor-Pole ab und beträgt 360° dividiert durch die Anzahl der Rotor-Pole.

Der vorliegend betrachtete Motor weist sechs Rotor-Pole und acht Stator-Pole auf, so daß der Motor mit einer Periodizität von 360°/6 = 60° anzusteuern ist. D. h., daß die im Stator der Motors vorhandenen Spulen bei x°, (60 + x)°, (120 + x)°, (180 + x)°, (240 + x)°, sowie bei (300 + x)° gleich anzusteuern sind. Für die betrachtete Motorsteuerung ist also nicht der absolute Drehwinkel der Motorwelle, sondern nur der Winkel innerhalb des zwischen benachbarten Rotor-Polen liegenden Segments bzw. Sektors von Bedeutung.

Die im folgenden beschriebenen Anordnungen sind in der Lage, die Stellung eines sich drehenden Elements innerhalb eines bestimmten Sektors zu ermitteln und auszugeben und damit her­ vorragend für die Steuerung von Reluktanzmotoren und sonsti­ ger Einrichtungen geeignet; die innerhalb einer Umdrehung des sich drehenden Elements periodisch angesteuert werden müssen oder arbeiten.

Wie später noch besser verstanden werden wird, können unter Verwendung des im folgenden beschriebene Verfahrens bzw. der im folgenden beschriebenen Vorrichtung auch Motoren mit be­ liebiger anderer Periodizität (Motoren mit mehr oder weniger Stator- bzw. Rotor-Polen) angesteuert werden, wobei die An­ passung an den jeweiligen Motor allein durch Veränderung be­ stimmter Parameter, genauer gesagt durch eine entsprechende Festlegung des Startwertes oder des Endwertes eines später noch genauer beschriebenen vierten Zählers, also denkbar ein­ fach vorgenommen werden kann.

Durch im folgenden beschriebenen Anordnungen kann aber auch der absolute Drehwinkel eines sich drehenden Elements er­ mittelt werden.

Im betrachteten Beispiel wird der eingangs bereits erwähnte Sensor KMZ41 der Firma Philips verwendet. Es sei jedoch be­ reits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß hierauf keine Einschränkung besteht: Es kann auch ein beliebiger anderer Sensor verwendet werden, der ein von der Stellung der Welle abhängendes Signal ausgibt.

Das Signal bzw. die Signale, die der Sensor ausgibt, sind in Fig. 1A dargestellt. Diese Signale werden vorliegend jedoch nicht durch das Auswerte-IC UZZ9000, sondern durch die nach­ folgend beschriebene Auswerteschaltung ausgewertet.

Die Auswerteschaltung erzeugt zunächst unter nur teilweiser Auswertung der in den Sensorsignalen enthaltenen Information ein oder mehrere erste Signale, die die Stellung des sich drehenden Elements mit geringerer Auflösung wiedergeben als es durch die Auswertung der Sensorsignale möglich wäre, und erzeugt dann aus den ersten Signalen unter Durchführung einer Extrapolation ein die Stellung des sich drehenden Elements mit höherer Auflösung wiedergebendes zweites Signal.

Die Extrapolation erfolgt unter Verwendung von Zählern und einer den Vorgang steuernden Steuereinheit und ist dadurch denkbar einfach realisierbar.

Zunächst werden die vom Sensor ausgegebenen analogen Signale A und B in zwei digitale Signale AMR_0 und AMR_1 umgesetzt. Diese Signale sind die vorstehend erwähnten ersten Signale. Der Verlauf dieser Signale ist in Fig. 2 dargestellt.

Die Signale AMR_0 und AMR_1 sind im stationären Betrieb des Motors periodische Signale, die im betrachteten Beispiel nach jeweils 45° (Signal AMR_0) bzw. 90° (Signal AMR_1) ihren Pe­ gel wechseln. Aus diesen Signalen läßt sich die Stellung der Welle mit einer Auflösung von 45° ermitteln. D. h., es kann festgestellt werden, ob der Drehwinkel im Bereich zwischen 0° und 45° (Sektor 0) liegt, oder im Bereich zwischen 45° und 90° (Sektor 1), oder im Bereich zwischen 90° und 135° (Sektor 2), oder im Bereich zwischen 135° und 180° (Sektor 3).

Es besteht allerdings keine Einschränkung darauf, daß aus den Sensorsignalen A und B Signale erzeugt werden, die die Wellenstellung mit einer Auflösung 45° ermitteln lassen. Diese Auflösung (Sektorgröße) wurde im betrachteten Beispiel gewählt, weil sich die Signale AMR_0 und AMR_1 dann besonders schnell und einfach erzeugen lassen. Grundsätzlich können aus den analogen Signalen A und B auch ein oder mehrere andere Signale erzeugt und der im folgenden beschriebenen Weiterver­ arbeitung unterzogen werden. Wichtig ist "nur", daß die digi­ talen Signale schnell erzeugbar sind, und Flanken enthalten, die jeweils anzeigen, daß das sich drehende Element gerade eine von mehreren bestimmten, jeweils um einen bestimmten Winkel auseinanderliegenden Stellungen innehat, wobei die Größe der Winkel auch beliebig viel größer oder kleiner sein kann als die im betrachteten Beispiel verwendeten 45°.

Die soeben genannten Sektoren sind nicht mit den Sektoren zu verwechseln, innerhalb welcher das Ausgangssignal der Extra­ polationsschaltung die Stellung der Welle angibt; die Größe und die Lage der verschiedenen Sektoren sind unabhängig von­ einander festlegbar.

Eine Schaltung, durch welche aus den Signalen A und B die Signale AMR_0 und AMR_1 erzeugt werden können, ist in Fig. 3 gezeigt. Die Schaltung umfaßt einen ersten Komparator K1, einen zweiten Komparator K2, einen ersten Inverter I1, einen zweiten Inverter I2, ein erstes NAND-Gatter NAND1, ein zwei­ tes NAND-Gatter NAND2, und ein UND-Gatter AND.

Der erste Komparator K1 vergleicht das Signal A mit dem Wert 0 und gibt das Ergebnis an den ersten Inverter I1 und das zweite NAND-Gatter NAND2 aus. Der erste Inverter I1 invertiert das ihm zugeführte Signal und gibt das Signal AMR_1 aus. Das Signal AMR_1 ist eines der Ausgangssignale der Schaltung und wird darüber hinaus dem ersten NAND-Gatter NAND1 zugeführt. Der zweite Komparator K2 vergleicht das Signal B mit dem Wert 0 und gibt das Ergebnis an den zweiten Inverter I2 und an das erste NAND-Gatter NAND1 aus. Der zwei­ te Inverter I2 invertiert das ihm zugeführte Signal und gibt das Ergebnis an das zweite NAND-Gatter NAND2 aus. Die NAND- Gatter NAND1 und NAND2 unterziehen die ihnen zugeführten Signale einer NAND-Operation und geben die Ergebnisse an das UND-Gatter AND aus. Das UND-Gatter AND unterzieht die ihm zugeführten Signale einer UND-Operation und gibt das Signal AMR_0 aus.

Es dürfte einleuchten und bedarf keiner näheren Erläuterung, daß die Signale AMR_0 und AMR_1 unter nur teilweise Auswer­ tung der in den Sensorsignalen A und B enthaltenen Informa­ tion, dafür aber denkbar einfach und schnell erzeugt werden.

Die Signale AMR_0 und AMR_1 werden einer in Fig. 4 gezeigten und im folgenden näher beschriebenen Extrapolationsschaltung zugeführt. In dieser Extrapolationsschaltung findet eine Extrapolation statt, durch welche die Stellung der Welle mit hoher Genauigkeit ermittelt wird. Die von der Extrapolations­ schaltung ausgegebene Winkelposition weist im betrachteten Beispiel eine Auflösung von 0,5° auf. Wie später noch genauer verstanden werden wird, kann diese Auflösung auch beliebig viel größer oder kleiner sein.

Die in der Fig. 4 gezeigte Schaltung enthält eine Richtungs- und Sektorerkennungseinheit 1, einen ersten Zähler 2, einen zweiten Zähler 3, einen dritten Zähler 4, einen vierten Zäh­ ler 5, und eine die Zähler steuernde Steuereinheit 6.

Die Richtungs- und Sektorerkennungseinheit 1 erhält die der Schaltung zugeführten Signale AMR_0 und AMR_1 als Eingangssignale und erzeugt daraus ein Drehrichtungssignal DRS und ein Sektornummernsignal SNS, wobei das Drehrichtungssignal DRS angibt, in welche Richtung die Welle dreht, deren Stel­ lung zu ermitteln ist, und wobei das Sektornummernsignal SNS angibt, in welchem Sektor von AMR_0 und AMR1 sich der durch die Extrapolationsschaltung genauer zu bestimmende Drehwinkel befindet.

Die genannten Sektoren sind die vorstehend erwähnten Sektoren 0 bis 3. Diese lassen sich aus den Signalen AMR_0 und AMR_1 eindeutig ermitteln (AMR_0 = 0 und AMR_1 = 0 → Sektor 0, AMR_0 = 1 und AMR_1 = 0 → Sektor 0, AMR_0 = 0 und AMR_1 = 1 → Sektor 2, und AMR_0 = 1 und AMR_1 = 1 → Sektor 3).

Die Drehrichtung läßt sich aus der Reihenfolge ermitteln, in welcher die Sektoren 0 bis 3 durchlaufen werden.

Die Richtungs- und Sektorerkennungseinheit 1 liest die Signale AMR_0 und AMR_1 vorzugsweise jeweils erst eine ge­ wisse Zeit nach dem Auftreten einer Flanke in AMR_0 ein. Dadurch kann verhindert werden, daß kleine Fehler in AMR_0 und/oder AMR_1 (beispielsweise zu spät oder zu früh auftre­ tende Flanken in AMR_0 oder AMR_1) zu einer völlig falschen Drehwinkelerfassung (beispielsweise zur Erkennung eines nicht vorhandenen Drehrichtungswechsels) führen. Das verzögerte Einlesen wird im betrachteten Beispiel durch einen in der Richtungs- und Sektorerkennungseinheit 1 enthaltenen Zähler gesteuert. Der Zähler wird durch einen Flankenwechsel in AMR_0 gestartet, und veranlaßt bei Erreichen eines bestimmten Zählstandes die Übernahme und Weiterverarbeitung von AMR_0 und AMR_1.

Der besagte Zähler hat auch noch eine zweite Funktion: durch ihn läßt sich auch feststellen, ob eine zulässige minimale Drehzahl der Welle unterschritten ist oder der Motor steht. Dies ist daran erkennbar, daß der Zähler zwischen zwei Flanken in AMR_0 überläuft. Durch eine entsprechende Auswahl oder Einstellung des Zählers, genauer gesagt der Anzahl der Zähl­ schritte, nach welchem ein Überlauf stattfinden soll, kann die Drehzahl eingestellt werden, die nicht unterschritten werden darf. Die Information, daß die minimale Drehzahl unterschritten ist oder der Motor steht, wird von der Rich­ tungs- und Sektorerkennungseinheit 1 über das Drehrichtungs­ signal DRS nach außen gegeben. Über das Drehrichtungssignal DRS können mithin drei Zustände signalisiert werden, nämlich Rechtslauf, Linkslauf und Stillstand des Motors.

Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, daß der in der Richtungs- und Sektorerkennungseinheit 1 enthaltene Zähler mit einer hohen Frequenz (im betrachteten Beispiel mit 1 MHz) getaktet wird.

Die von der Richtungs- und Sektorerkennungseinheit 1 erzeug­ ten Signale DRS und SNS werden der Steuereinheit 6 zugeführt. Der Steuereinheit 6 wird zusätzlich das Signal AMR_0 zuge­ führt. Die Steuereinheit steuert abhängig von den ihr zuge­ führten Signalen und unter zusätzlicher Berücksichtigung von in ihr gespeicherten Parametern die Zähler 2 bis 5.

Die Steuereinheit überwacht das Auftreten von Flanken im Signal AMR_0 und führt beim Auftreten jeder Flanke folgende Aktionen aus:

• - Rücksetzen des ersten Zählers 2,
• - Übernahme des aktuellen Zählstandes des zweiten Zählers 3 als Ladewert in den dritten Zähler 4,
• - Rücksetzen des zweiten Zählers 3,
• - Synchronisieren des vierten Zählers 5 durch Setzen des Zählstandes desselben auf einen Ladewert, welcher vom momentanen (aus AMR_0 und AMR_1 ermittelten) Drehwinkel abhängt, und
• - Starten des ersten Zählers 2 und des dritten Zählers 4.

Die Zähler 2 bis 5 und auch die Steuereinheit 6 werden durch ein Taktsignal mit hoher Taktfrequenz (im betrachteten Bei­ spiel mit 10 MHz) getaktet.

Der erste Zähler 2 zählt nach dem Starten desselben bis zum Auftreten der nächsten Flanke in AMR_0 im Takt des Takt­ signals wiederholt von einem Startwert auf Null herunter. Der Startwert ist die Größe eines Sektors von AMR_0/AMR_1 divi­ diert durch die gewünschte Auflösung des zu ermittelnden Drehwinkels, im betrachteten Beispiel also 45°/0,5° = 90. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß der er­ ste Zähler 2 auch vorwärts zählen kann, d. h. wiederholt un­ unterbrochen von Null bis zu einem Endwert zählen kann, wobei der Endwert dann dem beim Abwärtszählen verwendeten Startwert entspricht.

Jedesmal, wenn der Zählstand des ersten Zählers 2 vom Endwert auf den Anfangswert zurückspringt, übermittelt er an den zweiten Zähler 3 ein Freigabesignal.

Das dem zweiten Zähler 3 zugeführte Freigabesignal ist so be­ schaffen, daß sich der Zählstand des zweiten Zählers 3 bei jedem Anlegen des Freigabesignals um 1 erhöht.

Der zweite Zähler 3 zählt im Takt des ihm vom ersten Zäher 2 zugeführten Freigabesignals nach oben.

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, wird - gesteuert durch die Steuereinheit 6 - der Zählstand des zweiten Zählers 3 beim Auftreten der nächsten Flanke im Signal AMR_0 als Lade­ wert in den dritten Zähler 4 übernommen.

Der dritte Zähler 4 zählt im Takt des Taktsignals vom Lade­ wert auf den Wert Null herunter und übermittelt jedesmal, wenn der Zählstand von Null auf den Ladewert zurückspringt, ein Freigabesignal an den vierten Zähler 5.

Das dem vierten Zähler 5 zugeführte Freigabesignal ist so be­ schaffen, daß sich der Zählstand des vierten Zählers 5 bei jedem Anlegen des Freigabesignals um 1 erhöht oder verrin­ gert.

Der vierte Zähler 5 kann wahlweise als Aufwärtszähler und als Abwärtszähler arbeiten. Ob er als Aufwärtszähler oder als Ab­ wärtszähler arbeitet, hängt von der Drehrichtung der Welle ab, deren Stellung es zu ermitteln gilt, und wird im vierten Zähler 5 durch die Steuereinheit 6 eingestellt.

Der vierte Zähler 5 zählt im Takt des ihm vom dritten Zähler 4 zugeführten Freigabesignals wiederholt von einem Startwert zu einem Endwert.

Wenn der vierte Zähler 5 als Aufwärtszähler arbeitet, ist der Startwert der Wert 0 das Ergebnis der Division der Größe des Sektors, innerhalb dessen die Stellung der Welle ermittelt werden soll, durch die gewünschte Auflösung des zu ermitteln­ den Drehwinkels, im betrachteten Beispiel also 60°/0,5° = 120.

Wenn der vierte Zähler 5 als Abwärtszähler arbeitet, sind der Startwert und der Endwert vertauscht.

Der Zählstand des vierten Zählers 5 ist ein Maß für die Posi­ tion, die die Welle innerhalb des dem Anfangswert (beim Ab­ wärtszählen) oder dem Endwert (beim Aufwärtszählen) zugrunde­ gelegten Sektors innehat. Der Winkel innerhalb des jeweiligen Sektors ist das Produkt des Zählstandes des vierten Zählers 5 und der im ersten Zähler 1 mit dem Startwert bzw. dem Endwert festgelegten Auflösung (im betrachteten Beispiel 0,5°). Der jeweils aktuelle Zählstand wird vom vierten Zähler als das Ergebnis der Drehwinkelermittlung ausgegeben.

Der vom vierten Zähler ausgegebene Wert wird auch der Steuer­ einheit 6 zugeführt, welche diesen mit einem Begrenzungswert vergleicht. Dieser Begrenzungswert ist die absolute Winkel­ position (oder ein dieser entsprechender Wert), die die Welle beim Auftreten der nächsten Flanke im Signal AMR_0 innehaben wird. Welche Winkelposition dies sein wird, kann die Steuer­ einheit aus dem ihr zugeführten Sektornummernsignal SNS er­ mitteln. Wenn der vom vierten Zähler 5 ausgegebene Wert gleich dem Begrenzungswert wird, hält die Steuereinheit 6 den vierten Zähler 5 an. Dadurch kann verhindert werden, daß die vom vierten Zähler 5 ausgegebene Wert ein Winkel ist oder einem Winkel entspricht, der außerhalb des Sektors liegt, innerhalb dessen gerade extrapoliert wird. Dies könnte ohne die Überprüfung eintreten, wenn sich die Drehgeschwindigkeit der Welle verändert.

Die Steuereinheit führt darüber hinaus eine Synchronisation des Zählstandes des vierten Zählers 5 auf den tatsächlichen Drehwinkel durch. Dies tut sie dadurch, daß sie bei jeder Flanke im Signal AMR_0 den Zählstand des vierten Zählers 5 auf den zuletzt verwendeten Begrenzungswert setzt. Dadurch wird der vom vierten Zähler 5 ausgegebene Wert in regelmäßi­ gen Abständen auf den tatsächlichen Drehwinkel gesetzt. Dies erweist sich als vorteilhaft, weil es in Phasen, in welchen die Motordrehzahl erhöht wird, passieren kann, daß der Zähl­ stand des vierten Zählers 5 beim Auftreten einer Flanke in AMR_0 den Begrenzungswert noch nicht erreicht hat und folg­ lich einen anderen (kleineren) Drehwinkel anzeigt als es tat­ sächlich der Fall ist.

In der Fig. 5 ist eine Extrapolationsschaltung gezeigt, die zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels der Welle geeignet ist. Die in der Fig. 4 gezeigte Schaltung enthält eine Rich­ tungs- und Sektorerkennungseinheit 1, einen ersten Zähler 2, einen zweiten Zähler 3, einen dritten Zähler 4, einen vierten Zähler 7, eine Additions- und Subtraktionseinheit 8, und eine die Zähler und die eine Additions- und Subtraktionseinheit 8 steuernde Steuereinheit 9.

Die in der Fig. 4 gezeigte Schaltung und die in der Fig. 5 gezeigte Schaltung stimmen weitestgehend überein; mit den selben Bezugszeichen bezeichnete Komponenten sind identische oder einander entsprechende Komponenten.

Die vierte Zähler 5 bzw. 7 unterscheiden sich nur gering­ fügig. Der einzige Unterschied besteht darin, daß der Zähl­ stand des vierten Zählers 7 nicht mit dem tatsächlichen Dreh­ winkel synchronisiert wird, genauer gesagt nicht auf den zu­ letzt verwendeten Begrenzungswert gesetzt wird, wenn in AMR_0 eine Flanke auftritt.

Die zusätzlich vorgesehene Additions- und Subtraktionseinheit 8 addiert bzw. subtrahiert den vom vierten Zähler 7 ausgege­ benen Wert zu bzw. von einem ihr von der Steuereinheit 7 zu­ geführten Wert und gibt das Ergebnis als das Ergebnis der Drehwinkelermittlung aus. Das von der Additions- und Subtrak­ tionseinheit 8 ausgegebene Ergebnis kann der absolute Dreh­ winkel der Welle oder ein diesem entsprechender Wert sein. Ob dies der Fall ist, hängt von dem Wert ab, den die Steuer­ einheit 9 der Additions- und Subtraktionseinheit 8 zuführt. Der ausgegebene Wert kann bei Bedarf allerdings auch einen höheren oder niedrigeren Wert als den tatsächlichen Dreh­ winkel anzeigen. Wenn der Wert, den die Steuereinheit 9 an die Additions- und Subtraktionseinheit 8 ausgibt, gleich 0 ist, gibt die in der Fig. 5 gezeigte Schaltung das selbe Ergebnis aus wie die in der Fig. 4 gezeigte Schaltung.

Unabhängig hiervon kann über den Wert, den die Steuereinheit 9 der Additions- und Subtraktionseinheit 8 zuführt, der aus der Additions- und Subtraktionseinheit 8 ausgegebene Wert beim Auftreten einer Flanke in AMR_0 mit dem tatsächlichen Drehwinkel synchronisiert werden.

Dies kann dadurch geschehen, daß der Wert, den die Steuerein­ heit 9 der Additions- und Subtraktionseinheit 8 zuführt, so modifiziert wird, daß der aus der Additions- und Subtrak­ tionseinheit 8 ausgegebene Wert zum Zeitpunkt des Auftretens einer Flanke in AMR_0 dem bekannten Sollwert entspricht.

Die Steuereinheit 9 führt wie auch die Steuereinheit 6 auch eine Begrenzung durch. Allerdings ist der Wert, der mit einem Begrenzungswert verglichen wird, der von der Additions- und Subtraktionseinheit 8 ausgegebene Wert. Der in der Schaltung gemäß Fig. 5 verwendete Begrenzungswert ist demzufolge ein anderer Begrenzungswert als der in der Schaltung gemäß Fig. 4 verwendete Begrenzungswert. Auf das Erreichen oder Über­ schreiten des Begrenzungswertes kann wiederum durch ein An­ halten des vierten Zählers 5 reagiert werden.

Die beschriebenen Verfahren und die beschriebenen Vorrichtun­ gen ermöglichen es unabhängig von den Einzelheiten der prak­ tischen Realisierung, einen zu erfassenden Drehwinkel ein­ fach, schnell, und mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Claims (38)

1. Verfahren zur Drehwinkelerfassung eines sich drehenden Elements unter Verwendung eines Sensors, der ein oder mehrere von der Stellung des sich drehenden Elements abhängende Sen­ sorsignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst aus den Sensorsignalen unter nur teilweiser Auswertung der darin enthaltenen Information ein oder mehrere erste Signale er­ zeugt werden, die die Stellung des sich drehenden Elements mit grober Auflösung wiedergeben, und daß aus den ersten Signalen unter Durchführung einer Extrapolation ein die Stellung des sich drehenden Elements mit feinerer Auflösung wiedergebendes zweites Signal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Signale Signale sind, die die Stellung des sich drehenden Elements mit gröberer Auflösung wiedergeben als es durch die Auswertung der Sensorsignale möglich wäre.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Erzeugung der ersten Signale ausschließlich berücksichtigt wird, ob die Sensorsignale größer oder kleiner als ein bestimmter Schwellenwert sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die ersten Signale digitale Signale sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die ersten Signale Flanken enthal­ ten, welche jeweils anzeigen, daß das sich drehende Element gerade eine von mehreren bestimmten, um bestimmte Winkel aus­ einanderliegenden Stellungen innehat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt.

7. Verfahren zur Drehwinkelerfassung eines sich drehenden Elements unter Verwendung eines Sensors, der ein oder mehrere von der Stellung des sich drehenden Elements abhängende Sen­ sorsignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwin­ kelerfassung unter Durchführung einer Extrapolation erfolgt, wobei die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der ermittelte Drehwinkel der Dreh­ winkel innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereiches ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelbereich nur einen Teil einer vollen Umdrehung des sich drehenden Elements umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehwinkelbereich einstellbar ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der ermittelte Drehwinkel in ge­ wissen Abständen mit dem tatsächlichen Drehwinkel in Über­ einstimmung gebracht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß dann, wenn festgestellt wird, daß der ermittelte Drehwinkel eine Stellung anzeigt, die das sich drehende Element noch nicht erreicht haben kann, weitere Ver­ änderungen des Drehwinkels vorübergehend unterbunden werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß ein erster Zähler vorgesehen ist, der bei Erreichen einer bestimmten Stellung des sich drehenden Elements zu­ rückgesetzt und gestartet wird und dann bis zum Erreichen einer nächsten bestimmten Stellung des sich drehenden Ele­ ments im Takt eines externen Taktsignals wiederholt von einem Startwert zu einem Endwert zählt, und jedes Mal, wenn der Zählstand vom Endwert auf den Startwert zurückspringt, einem zweiten Zähler ein Signal zuführt, das so beschaffen ist, daß der zweite Zähler daraufhin seinen Zählstand um eins erhöht,
daß der zweite Zähler bei Erreichen der bestimmten Stellung des sich drehenden Elements zurückgesetzt wird und dann im Takt des ihm vom ersten Zähler zugeführten Signals hoch­ zählt,
daß ein dritter Zähler vorgesehen ist, dessen Zählstand bei Erreichen der bestimmten Stellung des sich drehenden Ele­ ments auf den Zählstand des zweiten Zählers gesetzt wird, und der dann bis zum Erreichen der nächsten bestimmten Stellung des sich drehenden Elements im Takt des externen Taktsignals wiederholt von dem geladenen Wert auf null her­ unterzählt, und jedes Mal, wenn der Zählstand von null auf den geladenen Wert zurückspringt, einem vierten Zähler ein Signal zuführt, das so beschaffen ist, daß der vierte Zäh­ ler daraufhin seinen Zählstand um eins verändert, und
daß der vierte Zähler im Takt des im vom dritten Zähler zu­ geführten Signals zählt und dabei wiederholt von einem Startwert zu einem Endwert zählt,
wobei der Zählstand des vierten Zählers das Ergebnis der Extrapolation darstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Startwert oder als Endwert des ersten Zählers das Ergeb­ nis der Division der Winkeldifferenz zwischen der bestimmten Stellung und der nächsten bestimmten Stellung des sich dre­ henden Elements durch die gewünschte Winkelauflösung des zu ermittelnden Drehwinkels verwendet wird.

15. Verfahren nach 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Zähler wahlweise als Aufwärtszähler oder als Ab­ wärtszähler arbeitet, und daß es von der Drehrichtung des sich drehenden Elements abhängt, ob der vierte Zähler als Aufwärtszähler oder als Abwärtszähler verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Startwert des vierten Zählers der Wert null verwendet wird, und daß als Endwert des vierten Zählers das Ergebnis der Division der Größe des Winkelberei­ ches, innerhalb dessen der ermittelte Drehwinkel die Stellung des sich drehenden Elements angeben soll, durch die gewünsch­ te Winkelauflösung verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Endwert des vierten Zählers der Wert null verwendet wird, und daß als Startwert des vierten Zäh­ lers das Ergebnis der Division der Größe des Winkelbereiches, innerhalb dessen der ermittelte Drehwinkel die Stellung des sich drehenden Elements angeben soll, durch die gewünschte Winkelauflösung verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Zähler angehalten wird, wenn sein Zählstand eine Stellung des sich drehenden Elements re­ präsentiert, die der nächsten bestimmten Stellung entspricht.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählstand des vierten Zählers beim Erreichen der bestimmten Stellung auf den Wert gesetzt wird, den er beim Erreichen der bestimmten Stellung aufweisen müßte.

20. Anordnung zur Drehwinkelerfassung eines sich drehenden Elements unter Verwendung eines Sensors, der ein oder mehrere von der Stellung des sich drehenden Elements abhängende Sen­ sorsignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signal­ verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die aus den Sensor­ signalen unter nur teilweiser Auswertung der darin enthalte­ nen Information ein oder mehrere erste Signale erzeugt, wel­ che die Stellung des sich drehenden Elements mit grober Auf­ lösung wiedergeben, und daß eine Extrapolationseinrichtung vorgesehen ist, welche aus den ersten Signalen unter Durch­ führung einer Extrapolation ein die Stellung des sich drehen­ den Elements mit feinerer Auflösung wiedergebendes zweites Signal erzeugt.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Signale Signale sind, die die Stellung des sich drehenden Elements mit gröberer Auflösung wiedergeben als es durch die Auswertung der Sensorsignale möglich wäre.

22. Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Erzeugung der ersten Signale ausschließlich berücksichtigt wird, ob die Sensorsignale größer oder kleiner als ein bestimmter Schwellenwert sind.

23. Anordnung nach Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeich­ net, daß die ersten Signale digitale Signale sind.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Signale Flanken enthalten, welche jeweils anzeigen, daß das sich drehende Element gerade eine von mehreren bestimmten, um bestimmte Winkel auseinan­ derliegenden Stellungen innehat.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt.

26. Anordnung zur Drehwinkelerfassung eines sich drehenden Elements unter Verwendung eines Sensors, der ein oder mehrere von der Stellung des sich drehenden Elements abhängende Sen­ sorsignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwin­ kelerfassung unter Durchführung einer Extrapolation erfolgt, wobei die Extrapolation unter Verwendung von Zählern erfolgt.

27. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Drehwinkel der Drehwinkel innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereiches ist.

28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelbereich nur einen Teil einer vollen Umdrehung des sich drehenden Elements umfaßt.

29. Anordnung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehwinkelbereich einstellbar ist.

30. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Drehwinkel in gewissen Ab­ ständen mit dem tatsächlichen Drehwinkel in Übereinstimmung gebracht wird.

31. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn festgestellt wird, daß der ermittelte Drehwinkel eine Stellung anzeigt, die das sich drehende Element noch nicht erreicht haben kann, weitere Ver­ änderungen des Drehwinkels vorübergehend unterbunden werden.

32. Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Zähler vorgesehen ist, der bei Erreichen einer bestimmten Stellung des sich drehenden Elements zu­ rückgesetzt und gestartet wird und dann bis zum Erreichen einer nächsten bestimmten Stellung des sich drehenden Ele­ ments im Takt eines externen Taktsignals wiederholt von einem Startwert zu einem Endwert zählt, und jedes Mal, wenn der Zählstand vom Endwert auf den Startwert zurückspringt, einem zweiten Zähler ein Signal zuführt, das so beschaffen ist, daß der zweite Zähler daraufhin seinen Zählstand um eins erhöht,
daß der zweite Zähler bei Erreichen der bestimmten Stellung des sich drehenden Elements zurückgesetzt wird und dann im Takt des ihm vom ersten Zähler zugeführten Signals hoch­ zählt,
daß ein dritter Zähler vorgesehen ist, dessen Zählstand bei Erreichen der bestimmten Stellung des sich drehenden Ele­ ments auf den Zählstand des zweiten Zählers gesetzt wird, und der dann bis zum Erreichen der nächsten bestimmten Stellung des sich drehenden Elements im Takt des externen Taktsignals wiederholt von dem geladenen Wert auf null herunterzählt, und jedes Mal, wenn der Zählstand von null auf den geladenen Wert zurückspringt, einem vierten Zähler ein Signal zuführt, das so beschaffen ist, daß der vierte Zähler daraufhin seinen Zählstand um eins verändert, und
daß der vierte Zähler im Takt des im vom dritten Zähler zugeführten Signals zählt und dabei wiederholt von einem Startwert zu einem Endwert zählt,
wobei der Zählstand des vierten Zählers das Ergebnis der Extrapolation darstellt.

33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß als Startwert oder als Endwert des ersten Zählers das Ergeb­ nis der Division der Winkeldifferenz zwischen der bestimmten Stellung und der nächsten bestimmten Stellung des sich dre­ henden Elements durch die gewünschte Winkelauflösung des zu ermittelnden Drehwinkels verwendet wird.

34. Anordnung nach 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Zähler wahlweise als Aufwärtszähler oder als Ab­ wärtszähler arbeitet, und daß es von der Drehrichtung des sich drehenden Elements abhängt, ob der vierte Zähler als Aufwärtszähler oder als Abwärtszähler verwendet wird.

35. Anordnung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß als Startwert des vierten Zählers der Wert null verwendet wird, und daß als Endwert des vierten Zählers das Ergebnis der Division der Größe des Winkelberei­ ches, innerhalb dessen der ermittelte Drehwinkel die Stellung des sich drehenden Elements angeben soll, durch die gewünsch­ te Winkelauflösung verwendet wird.

36. Anordnung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß als Endwert des vierten Zählers der Wert null verwendet wird, und daß als Startwert des vierten Zäh­ lers das Ergebnis der Division der Größe des Winkelbereiches, innerhalb dessen der ermittelte Drehwinkel die Stellung des sich drehenden Elements angeben soll, durch die gewünschte Winkelauflösung verwendet wird.

37. Anordnung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Zähler angehalten wird, wenn sein Zählstand eine Stellung des sich drehenden Elements re­ präsentiert, die der nächsten bestimmten Stellung entspricht.

38. Anordnung nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählstand des vierten Zählers beim Erreichen der bestimmten Stellung auf den Wert gesetzt wird, den er beim Erreichen der bestimmten Stellung aufweisen müßte.