DE102004002629B4 - Verfahren zur Fehlererkennung einer mittels induktivem Geber wie Resolver durchgeführten Positionserfassung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Fehlererkennung einer mittels induktivem Positionsgeber (12) durchgeführten Positionserfassung eines mit dem Positionsgeber (12) gekoppelten Antriebs (14), wobei ein an einem ersten Ausgang (16) des induktiven Positionsgebers (12) anliegendes analoges Sinus-Signal (Us1) und ein an einem zweiten Ausgang (18) des induktiven Positionsgebers (12) anliegendes analoges Kosinus-Signal (Us2) in dem Antrieb (14) digitalisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierten Werte der Sinus- und Kosinus-Signale mehrerer Antriebe (14) über ein Bussystem (20, 24) in eine in sicherer Technik aufgebaute, nämlich zwei Kanäle mit jeweils einem Mikroprozessor aufweisende zweikanalige zentrale Auswerteeinheit (20) übertragen werden, dass die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten Amplitudenwerte des Sinus- und Kosinus-Signals in dem Mikroprozessor jedes Kanals zueinander in eine definierte Relation gesetzt werden und geprüft wird, ob die Amplitudenwerte eine definierte trigonometrische Beziehung erfüllen oder mit in einer Tabelle hinterlegten Sinus- oder Kosinuswerten übereinstimmen, dass die pro Mikroprozessor ermittelten Daten in Form von Ergebnissen der definierten Relation in einen kreuzweisen Datenvergleich der Mikroprozessoren einbezogen werden und dass bei Nichterfüllung der trigonometrischen Beziehung und/oder bei fehlender Übereinstimmung der Sinus-/Kosinus-Werte und/oder bei fehlender Übereinstimmung der verglichenen Ergebnisse ein Fehlersignal erzeugt wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein Verfahren zur Fehlererkennung einer mittels induktivem Geber durchgeführten Positionserfassung ist in der WO 99 / 29 474 A2 beschrieben. Bei dem bekannten Verfahren sind mehrere Antriebe über einen Bus mit einer Auswerteeinheit verbunden. Die Positionserfassung jedes Antriebs erfolgt über jeweils einen induktiven Geber, wobei an einem ersten Ausgang des induktiven Gebers ein analoges Sinus-Signal und an einem zweiten Ausgang ein analoges Kosinus-Signal anliegt. Die Signale werden in dem Antrieb digitalisiert und auf Fehler überprüft. Dabei erfolgt eine Plausibilitätsprüfung über die Amplituden der Sinus-/Kosinus-Signale, die eine intrigonometrische Beziehung erfüllen müssen. Die Plausilibitätsprüfung erfolgt in der Antriebssteuerung, die redundant aufgebaut ist. Aus den digitalisierten Signalen des induktiven Gebers werden in der Antriebssteuerung Lage-Ist-Werte berechnet, die über das Bussystem in die zweikanalige Auswerteeinheit übertragen und dort verglichen werden.
• Die DE 101 43 286 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation des Ausgangs einer Drehwinkelsensoranordnung. Die Drehwinkelsensoranordnung umfasst zwei Magnetfeldsensoren sowie einen drehbaren Magnet und weist zwei Ausgänge auf, wobei an einem ersten Ausgang ein analoges Sinus-Signal und an einem zweiten Ausgang ein um 90° phasenverschobenes Signal anliegt. Zur Bestimmung eines Temperaturkompensationssignals werden die Signale quadriert und summiert. Die Drehwinkelsensoranordnung ist über eine elektrische Leitung mit einem Prozessor gekoppelt, der seinerseits elektrisch mit einem Nebensystem über eine elektrische Leitung gekoppelt ist. Die Berechnung des Temperaturkompensationssignals erfolgt in dem Mikroprozessor.
• Die JP H01- 262 415 A bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung eines Resolver-Winkels. Ein Sinus- und Kosinus-Signal des Resolvers wird demoduliert und über einen Multiplexer einem Analog-Digitalwandler zur Digitalisierung zugeführt. Aus den digitalisierten Signalen wird in einer Recheneinheit die Winkelinformation berechnet. In einem zweiten Kanal werden die demodulierten Signale quadriert und summiert, wobei die Summe in einem Komperator mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird. Entspricht die Summe nicht dem vorgegebenen Wert, wird ein Alarm erzeugt.
• In der DE 100 36 090 A1 ist ein Verfahren zur Unterdrückung systematischer Fehler von inkrementellen Lagegebern mit mindestens zwei um einen Phasenwinkel verschobenen, näherungsweise sinusförmigen Signalen beschrieben. Mittels eines Rechenwerks wird eine Korrektur der Amplitudenfehler und Winkelfehler vorgenommen.
• Die DE 197 57 196 A1 betrifft eine Sensoranordnung mit Messfehlererkennung, umfassend zwei Sensoren und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Messsignals aus zwei von je einem Sensor ausgegebenen Sensorsignalen. Um bei einer solchen Sensoranordnung auftretende Fehler insbesondere am Eingang der Auswerteeinheit bei der Umwandlung der Sensorsignale in A-/D-Wandlereinheiten feststellen zu können, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, Umschaltmittel zum Schalten von zwei Schaltzuständen vorzusehen.
• Die JP H08- 210 874 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung einer Verbindung zu einem Resolver. Dazu ist ein Pulsgenerator vorgesehen, der Pulssignale erzeugt, die mit einem Erregersignal des Resolvers synchronisiert werden. Ferner ist ein Zeit-Überwachungsmittel vorgesehen, welches einen Zeitwert für einen Timer generiert, welcher basierend auf dem Pulssignal gestoppt und gestartet wird. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Rechenmittel, welches die Summe von Quadraten der Ausgangssignale des Resolvers berechnet und Vergleichsmittel, um den berechneten Wert mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen.
• Induktive Positionsgeber wie Resolver werden zur Positions- bzw. Winkelerfassung von Antrieben eingesetzt. Im Rahmen von sicherheitstechnischen Betrachtungen von Antrieben ist insbesondere eine „sichere“ Positionserfassung von besonderer Bedeutung. Unter „sicherer“ Positionserfassung wird die Aufdeckung von Fehlerfällen verstanden, die zur Verfälschung einer Positionserfassung führen könnten.
• Ein induktiver Positionsgeber ist als rein passives, berührungsloses Winkelmesssystem im Wesentlichen ein Transformator mit variabler Kopplung. Der Resolver umfasst einen Rotor mit einer gewickelten Spule, in die vorzugsweise über ein winkelunabhängiges Transformationsteil eine Speisewechselspannung U_e = A × sin (ω t) eingespeist wird. Auf dem Stator sitzen zwei gerichtete Empfängerspulen. Je nach Winkel Stellung α des Rotors werden in den Empfängerspulen unterschiedliche Spannungsamplituden U_s1 = k × A × sin (α) × sin (ωt + φ als amplitudenmoduliertes Sinus-Signal und U_s2 = k × A × cos (α) × sin (ω t + φ als amplitudenmoduliertes Kosinus-Signal induziert. Aus dem Verhältnis der beiden induzierten Spannungen kann dann sehr einfach der Rotorwinkel α bestimmt werden. Der Faktor k kennzeichnet das maximale Übersetzungsverhältnis zwischen Speisespannung und induzierter Spannung und der Winkel φ beschreibt eine mögliche Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal. Letztere sind in Abhängigkeit von α amplitudenmoduliert und um 90° gegeneinander phasenverschoben. Die Einfachheit dieses Prinzips und der berührungslose Aufbau erklären seine Robustheit und Zuverlässigkeit.
• Gleichwenn es sich bei dem induktiven Positionsgeber um einen robusten und zuverlässigen Geber handelt, können Fehlerquellen, beispielsweise im mechanischen Aufbau des Gebers, die Signale verfälschen, was insbesondere unter sicherheitstechnischen Betrachtungen schwerwiegende Folgen haben kann.
• Nach dem Stand der Technik ist es üblich, die von dem Resolver erzeugten Signale unmittelbar in dem mit dem Resolver verbundenen Antrieb zu prüfen und anschließend über einen Bus zu übertragen. Diese Prüfung erfüllt jedoch nicht die Anforderungen einer hohen Sicherheitsstufe wie beispielsweise Kat 4 gemäß EN 954-1 (Beherrschung von Fehlerakkumulationen). Treten in den Prozessoren der Antriebseinheit Fehler auf, so würden Datenverfälschungen möglicherweise nicht erkannt.
• Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur Auswertung von an einem induktiven Positionsgeber anliegenden analogen Sinus-/Kosinus-Signalen zur Verfügung zu stellen, mit dem Fehlerquellen erkannt und die Sicherheit der Positionserfassung verbessert werden kann. Insbesondere soll die Beherrschung von Fehlerakkumulationen erreicht werden.
• Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst.
• Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein an einem ersten Ausgang des induktiven Gebers anliegendes analoges Sinus-Signal und ein an einem zweiten Ausgang des induktiven Gebers anliegendes analoges Kosinus-Signal digitalisiert wird, dass die digitalisierten Werte der Sinus- und Kosinus-Signale über ein Bussystem in eine in sicherer Technik aufgebaute zweikanalige Auswerteeinheit übertragen werden, dass geprüft wird, ob die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten Amplitudenwerte des Sinus- und. Kosinus-Signals eine definierte trigonometrische Beziehung erfüllen oder mit in einer Tabelle hinterlegten Sinus- bzw. Kosinuswerten übereinstimmen, wobei die bei der Prüfung ermittelten Daten in einen kreuzweisen Datenvergleich einbezogen werden und bei Nichterfüllung der trigonometrischen Beziehung und/oder fehlender Übereinstimmung der Sinus-/Kosinus-Werte ein Fehlersignal erzeugt wird.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass die an den Ausgängen des Positionsgebers anliegenden analogen Sinus- bzw. Kosinus-Signale digitalisiert und in einer zweikanaligen, sicheren Auswerteeinheit geprüft werden, wobei die ermittelten Daten in einen kreuzweisen Datenvergleich zwischen den Kanälen bzw. Prozessoren der Auswerteeinheit einbezogen werden. Zur Prüfung ist vorgesehen, dass zu gleichen Zeitpunkten abgetastete digitalisierte Werte beider Signale eine definierte trigonometrische Beziehung erfüllen müssen und dass bei Nichterfüllung der trigonometrischen Beziehung ein Fehlersignal erzeugt wird. Es wird die Relation geprüft, in der sich zu gleichen Zeitpunkten abgetastete Sinus- und Kosinus-Werte befinden. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass keine weiteren Positionsgeber eingesetzt werden müssen.
• Als besonders bevorzugte Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die digitalisierten Werte mittels der trigonometrischen Beziehung $$\begin{array}{c}{\text{sin}}^2\mathrm{\alpha }+{\text{cos}}^2\mathrm{\alpha }=1\\ \text{mit }\mathrm{\alpha }=\text{Rotorwinkel}\end{array}$$

  

  in Relation gesetzt werden, wobei geprüft wird, ob die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten Sinus- und Kosinus-Werte die trigonometrische Beziehung erfüllen.
• Eine weitere vorteilhafte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass die digitalisierten Sinus- und Kosinus-Werte nach der trigonometrischen Beziehung $$\begin{array}{c}\text{arcco}s\mathrm{\alpha }=\text{arcsin }\mathrm{\alpha }\\ \text{mit }\mathrm{\alpha }=\text{Rotorwinkel}\end{array}$$

  

  miteinander verglichen werden, wobei eine Rückrechung auf die originalen Rotorwinkel α und ein Vergleich dieser erfolgt.
• Ferner besteht die Möglichkeit, die digitalisierten Sinus- und Kosinus-Werte mit zuvor in einer Tabelle abgelegten Sinus- und Kosinus-Werten durch geeignete Interpolationsverfahren, wie beispielsweise lineare Interpolation zu vergleichen.
• Ferner kann ein Fehler der Sinus- und Kosinus-Werte durch Umrechnung unter Verwendung folgender Beziehungen
1. a) sin α = cos (arcos (cos α) - φ /2)
2. b) cos α = sin (arcsin (sin α) + φ /2)
ermittelt werden, wobei eine Umrechung von Sinus-Werten in Kosinus-Werte und umgekehrt erfolgt.
• Eine besonders bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass die digitalisierten Werte des Sinus- und Kosinus-Signals über ein Bussystem in eine Auswerteeinheit übertragen werden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Aufdeckung der Fehlerfälle nicht in dem Antrieb, sondern in einer externen Auswerteeinheit erfolgt, mit welcher der Antrieb über ein Bussystem kommuniziert. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Sinus- und Kosinus-Werte unmittelbar in einem mit dem Resolver verbundenen Antrieb zu überprüfen, wenn die Möglichkeit nicht gegeben ist, den Antrieb über ein Bussystem mit einer vorzugsweise sicheren Baugruppe zu verbinden.
• Vor einer Übertragung der digitalisierten Sinus- bzw. Kosinus-Werte erfolgt keine weitere Aufbereitung der Werte in dem Antrieb.
• Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit können die digitalisierten Werte auch redundant übertragen und ausgewertet werden.
• Des Weiteren zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass in der Auswerteeinheit ein kreuzweiser Datenvergleich erfolgt. Ferner besteht die Möglichkeit, einen Selbsttest durchzuführen.
• Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Figur zu entnehmenden Ausführungsbeispiels.
• Die einzige Figur zeigt einen schematischen Aufbau einer Schaltungsanordnung 10 zur Auswertung von Sinus- und Kosinus-Signalen eines induktiven Positionsgebers 12 wie Resolver, der mit einem Antrieb 14 mechanisch gekoppelt ist. Der Positionsgeber 12 umfasst zwei Signalausgänge 16, 18, wobei an dem Ausgang 16 beispielsweise ein analoges amplitudenmoduliertes Sinus-Signal und an dem Ausgang 18 ein analoges amplitudenmoduliertes Kosinus-Signal anliegt. Unter der Voraussetzung, dass eine Rotorwicklung (nicht dargestellt) des Positionsgebers 12 mit einer Sinus-Spannung U_e = A × sin (ω t) erregt wird, liegt am Ausgang 16 die Spannung U_s1 = k × A × sin (α) × sin (ω t + φ) und am Ausgang 18 die Spannung U_s2 = k × A × cos (α) × sin (ω t + φ)an, wobei der Faktor k das maximale Übersetzungsverhältnis zwischen Speisespannung und induzierter Spannung darstellt und der Winkel φ eine mögliche Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal beschreibt.
• Die Ausgangssignale U_s1 U_s2 sind in Abhängigkeit von dem Rotorwinkel α amplitudenmoduliert und um 90° gegeneinander phasenverschoben.
• Die analogen Signale werden sodann digitalisiert und einer Auswerteeinheit 20 beispielsweise über ein Übertragungsmedium 22 wie Datenbus übertragen. Um eine erhöhte Sicherheit zu gewährleisten, können die digitalisierten Sinus- und Kosinus-Signale auch redundant erfasst und übertragen werden, was durch den gestrichelten Pfad 24 angedeutet ist.
• An die Auswerteeinheit 20 können mehrere Antriebe 14 über das Übertragungsmedium 22, 24 angeschlossen sein, so dass mit einer Auswerteeinheit 20 eine Vielzahl von Antrieben 14 ausgewertet werden können.
• In dem dargestellten Beispiel werden die digitalisierten Sinus- und Kosinus-Werte über den Bus 22 in die Auswerteeinheit 20 übertragen. Die Auswerteeinheit 20 ist in sicherer Technik redundant aufgebaut und umfasst zwei Kanäle mit jeweils einem Mikroprozessor, die einen kreuzweisen Datenvergleich erlauben. Dort werden die zu exakt dem gleichen Zeitpunkt abgetasteten digitalisierten Sinus- und Kosinus-Werte zueinander in Relation gesetzt und geprüft, ob diese Werte die definierte Relation erfüllen.
• Des Weiteren werden die Ergebnisse der definierten Relation in den kreuzweisen Datenvergleich der Prozessoren der Auswerteeinheit 20 einbezogen, um eine noch bessere Datenintegrität wie beispielsweise entsprechend der Kategorie 4 gemäß EN 954-1 zu erreichen. Dadurch wird eine Beherrschung von Fehlerakkumulationen ermöglicht. Unter digitalisiertem Sinus-Kosinus-Wert ist ein Amplitudenwert der Spannung U_s1 zu einer bestimmten Zeit t_abtast und einem entsprechenden Rotorwinkel α zu verstehen. Bei allen im Folgenden beschriebenen Ansätzen ist eine Toleranz zu berücksichtigen, die sich aus der Messungenauigkeit ergibt.
• Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise können die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten digitalisierten Sinus- und Kosinus-Werte in die trigonometrische Beziehung $${\text{sin}}^2\mathrm{\alpha }+{\text{cos}}^2\mathrm{\alpha }=1$$

  

  eingesetzt werden, wobei geprüft wird, ob die Sinus- und Kosinus-Werte die definierte Relation erfüllen.
• Auch kann eine Rückrechnung auf den Rotorwinkel α und sodann ein Vergleich der Rotorwinkel erfolgen unter Verwendung der Beziehung $$\text{arccos }\mathrm{\alpha }=\text{arcsin }\mathrm{\alpha }.$$

  
• Hier wird aus den Sinus- und Kosinus-Werten der Originalwinkel errechnet und verglichen.
• Bei einer weiteren Verfahrensweise werden zunächst Sinus- und Kosinus-Werte in einer Tabelle abgelegt. Durch geeignete Interpolationsverfahren, wie beispielsweise lineare Interpolation wird geprüft, ob die sin (α) - und cos (α) - Werte der digitalisierten Signale mit Einträgen in der Tabelle übereinstimmen.
• Ferner kann eine Umrechnung von Sinus-Werten in Kosinus-Werte und umgekehrt erfolgen, unter Verwendung der trigonometrischen Beziehungen $$\text{sin }\mathrm{\alpha }=\text{cos}\left(\text{arccos}\left(\text{cos }\mathrm{\alpha }\right)-\mathrm{\pi }/2\right)$$

  

  bzw. $$\text{cos }\mathrm{\alpha }=\text{sin}\left(\text{arcsin}\left(\text{sin }\mathrm{\alpha }\right)-\mathrm{\pi }/2\right).$$

  
• Mit Hilfe des Kosinus- Wertes wird der zu erwartende Sinus-Wert errechnet und geprüft, ob eine Übereinstimmung herrscht.
• Sobald die Prüfung ergibt, dass eine trigonometrische Beziehung, Relation oder ein Vergleich mit in einer Tabelle abgelegten Werten nicht erfüllt ist, wird ein Fehlersignal erzeugt, welches eine definierte Aktion auslösen kann. Durch die Auswertung der digitalisierten Sinus- und Kosinus-Signale in der sicheren Auswerteeinheit 20 wird neben der erhöhten Datenintegrität des Weiteren der Vorteil erreicht, dass nicht in jedem Antrieb 14 eine aufwändige Auswerteeinheit vorzusehen ist, sondern dass lediglich eine Digitalisierung der erfassten Analogwerte notwendig ist. Die Digitalwerte können sodann über einen Datenbus in eine zentrale Auswerteeinheit übertragen werden, an der mehrere Antriebe angeschlossen worden sind. In der zentralen Auswerteeinheit erfolgt sodann die sichere Auswertung der von den Antrieben übertragenen digitalen Signale.

Claims (5)

1. Verfahren zur Fehlererkennung einer mittels induktivem Positionsgeber (12) durchgeführten Positionserfassung eines mit dem Positionsgeber (12) gekoppelten Antriebs (14), wobei ein an einem ersten Ausgang (16) des induktiven Positionsgebers (12) anliegendes analoges Sinus-Signal (U_s1) und ein an einem zweiten Ausgang (18) des induktiven Positionsgebers (12) anliegendes analoges Kosinus-Signal (U_s2) in dem Antrieb (14) digitalisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierten Werte der Sinus- und Kosinus-Signale mehrerer Antriebe (14) über ein Bussystem (20, 24) in eine in sicherer Technik aufgebaute, nämlich zwei Kanäle mit jeweils einem Mikroprozessor aufweisende zweikanalige zentrale Auswerteeinheit (20) übertragen werden, dass die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten Amplitudenwerte des Sinus- und Kosinus-Signals in dem Mikroprozessor jedes Kanals zueinander in eine definierte Relation gesetzt werden und geprüft wird, ob die Amplitudenwerte eine definierte trigonometrische Beziehung erfüllen oder mit in einer Tabelle hinterlegten Sinus- oder Kosinuswerten übereinstimmen, dass die pro Mikroprozessor ermittelten Daten in Form von Ergebnissen der definierten Relation in einen kreuzweisen Datenvergleich der Mikroprozessoren einbezogen werden und dass bei Nichterfüllung der trigonometrischen Beziehung und/oder bei fehlender Übereinstimmung der Sinus-/Kosinus-Werte und/oder bei fehlender Übereinstimmung der verglichenen Ergebnisse ein Fehlersignal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als trigonometrische Beziehung die Formel $${\text{sin}}^{\text{2}}\mathrm{\alpha +}{\text{cos}}^2\mathrm{\alpha }=1$$

   

   verwendet wird., mit α = Rotorwinkel zum Abtastzeitpunkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als trigonometrische Beziehung die Formel $$\text{arccos}\mathrm{\alpha }=\text{arcsin}\mathrm{\alpha }$$

   

   verwendet wird, mit α = Rotorwinkel zum Abtastzeitpunkt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als trigonometrische Beziehung die Formeln $$\text{sin}\mathrm{\alpha =}\text{cos}\left(\text{arccos}\left(\text{cos}\mathrm{\alpha }\right)-\mathrm{\pi /2}\right)$$

   

   bzw. $$\text{cos}\mathrm{\alpha =}\text{sin}\left(\text{arcsin}\left(\text{sin}\mathrm{\alpha }\right)-\mathrm{\pi /2}\right)$$

   

   verwendet werden, mit α = Rotorwinkel zum Abtastzeitpunkt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Interpolationsverfahren z. B. lineare Interpolation geprüft wird, ob die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten Sinus- und Kosinus-Werte den Einträgen in der Tabelle abgelegten definierten Sinus- und Kosinus-Werten entsprechen.

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