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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Winkelposition
eines rotierenden Objekts, insbesondere eines Objektes im Bereich
der Fahrzeugtechnik, wie beispielsweise einer rotierenden Welle.
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In
vielen Gebieten der Technik stellt sich das Problem, die Winkelposition
eines um eine Rotationsachse rotierenden Objekts möglichst
genau zu bestimmen. Ein verbreitetes Verfahren hierzu besteht darin,
das rotierende Objekt mit einem geeigneten Kodierungsmuster zu versehen,
das mittels eines Sensors abgetastet wird, um so Informationen über die
Winkelposition des rotierenden Objekts zu erhalten. Häufig erfolgt
dabei das Erfassen des Kodierungsmusters durch den Sensor berührungslos,
beispielsweise bei Verwendung eines magnetischen Kodierungsmusters
und eines magnetosensitiven Sensors.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Erkennung der Winkelposition eines um eine
Achse A rotierenden Objekts wird nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert. Um
den Umfang des um die Rotationsachse A rotierenden Objekts 1 herum
ist hierbei eine Anzahl von Stabmagneten 3, 4 angeordnet,
deren Längsachse
in radialer Richtung des rotierenden Objekts 1 angeordnet
ist. Das rotierende Objekt 1 weist ein von der Orientierung
der einzelnen Stabmagnete 3, 4 abhängiges Kodierungsmuster
auf. Die einzelnen Stabmagnete 3, 4 erzeugen Magnetfelder,
die sich zu einem Gesamtmagnetfeld überlagern. Das Gesamtmagnetfeld
wird bei einer Drehung des rotierenden Objekts um seine Achse von
einem Sensor 2 abgetastet, um daraus auf die Winkelposition
des rotierenden Objektes in Bezug auf den Sensor 2 rückzuschließen.
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Bei
dem Sensor 2 handelt es sich um einen Magnetfeldsensor 9,
beispielsweise einen Hall-Sensor 8.
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Bezugnehmend
auf 1b können um
den Umfang herum auch Zähne 5, 6 ähnlich den
Zähnen eines
Zahnrads angeordnet sein. Diese Zähne 5, 6 weisen
im Allgemeinen jedoch unterschiedliche Breiten auf. Entsprechend
sind auch die Lücken
zwischen zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Zähnen 5, 6 im
Allgemeinen unterschiedlich groß.
Die Zähne 5, 6 sowie
die dazwischen liegenden Lücken
bilden ein Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1.
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Das
Kodierungsmuster wird mittels eines Sensors 2, der einen
Magnetfeldsensor sowie einen Magneten 7 umfasst, abgetastet.
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Das
rotierende Objekt 1 ist aus magnetischem Material gebildet,
so dass das von dem Magneten 7 ausgehende und während der
Drehung des rotierenden Objekts 1 in Abhängigkeit
von dem durch die Zähne 5, 6 gebildeten
Kodierungsmuster veränderte
Magnetfeld mittels des Magnetfeldsensors 9 ermittelt werden
kann.
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Bei
dem in den 1a und 1b gezeigten Magnetfeldsensor 9 kann
es sich beispielsweise um ein Hall-Element oder um eine Spule handeln.
Der Sensor 2 weist einen analogen Ausgang auf, der entweder
als differentieller oder als einpolig-geerdeter (single-ended) Ausgang
ausgebildet sein kann.
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Rotiert
das in 1b gezeigte rotierende Objekt 1 in
Pfeilrichtung um seine Achse A, so passiert zunächst der Zahn 5 und
anschließend
der Zahn 6 den Sensor 2. Im Folgenden wird beispielhaft
der Zahn 5 betrachtet. Der Zahn 5 weist eine erste
Zahnflanke 51 und eine zweite Zahnflanke 52 auf.
Bei der Rotation des rotierenden Objekt 1 passiert zunächst die
erste Zahnflanke 51 und anschließend die zweite Zahnflanke 52 den
Sensor 2. Jeweils beim Passieren einer Zahnflanke 51, 52 gibt
der Sensor ein Signal ab.
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2 zeigt den typischen Verlauf
eines derartigen Signals S1, wie es vom Sensor 2 abgegeben wird,
wenn die Zahnflanken 51, 52 diesen Sensor 2 zeitlich
aufeinanderfolgend passieren. Das Sensorsignal S1 stellt ein Summensignal
dar, das durch die Überlagerung
mehrerer Teilsignale, von denen die Teilsignale S1a und S1b beispielhaft
dargestellt sind, gebildet wird.
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Das
Teilsignal S1a entspricht dem durch die Flanken 51 hervorgerufenen
Signalanteil, entspricht also einem Signal, das vom Sensor 2 abgegeben würde, wenn
das rotierende Objekt 1 anstelle einer Vielzahl von Zahnflanken 51, 52 lediglich
die Zahnflanke 51 als einzige Zahnflanke aufweisen würde. Der
Verlauf dieses Teilsignals S21 entspricht einer Lorentz-Kurve.
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In
entsprechender Weise gibt die Teilkurve S1b an, wie das vom Sensor 2 abgegebene
Signal S1 aussehen würde,
wenn das rotierende Objekt 1 lediglich die zweite Teilflanke 52 aufweisen
würde.
In entsprechender Weise weisen auch die anderen Zähne 6 des
rotierenden Objekts 1 Zahnflanken 61, 62 auf,
von denen jeder ein Teilsignal in der beschriebenen Weise zugeordnet
werden kann. Das Sensorsignal S1 entsteht aus der Überlagerung
aller dieser Teilsignale.
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Der
Verlauf des Sensorsignals S1 im Bereich einer Zahnflanke 51 wird
also nicht nur durch das Teilsignal S1a der Zahnflanke 51,
sondern auch durch das Teilsignal S2a der Zahnflanke 52 sowie durch
die Teilsignale der Zahnflanken benachbarter Zähne bestimmt.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist,
weicht das Sensorsignal S1 infolge dieser Überlagerung vor allem im Bereich
der Zahnflanken 51, 52 vom Verlauf der jeweiligen
Teilsignale S21, S22 ab. Ein bestimmtes Teilsignal wird insbesondere
durch die nähere Umgebung
der dem betreffenden Teilsignal zugeordneten Zahnflanke beeinflusst.
Da die um den Umfang des rotierenden Objekts herum angeordneten
Zähne nicht
nur gleiche, sondern auch verschiedene Zahnbreiten und Zahnabstände aufweisen
können,
werden die Teilsignale verschiedener Zahnflanken im Allgemeinen
unterschiedlich stark von den jeweiligen Umgebungen der betreffenden
Zahnflanken beeinflusst, so dass sich ausgehend vom Sensorsignal
S1 die exakte Winkelposition des rotierenden Objekts 1 in
Bezug auf den Sensor 2 zunächst nur im Rahmen der beschriebenen
Abweichungen ermitteln lässt.
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Um
die Genauigkeit bei der Bestimmung der Winkelposition des rotierenden
Objekts zu verbessern, hat man bisher ein Verfahren genutzt, wie
es anhand eines Blockschaltbildes in 3 dargestellt ist.
Das von einem Sensor 2 gelieferte Signal S1 wird dabei
zunächst
einer Signalaufbereitung durch eine Signalaufbereitungseinheit 98 unterzogen,
die im Wesentlichen einen Signalform-Verzerrer 90 und einen
Amplituden-Verzerrer 92 umfasst. Die Signalaufbereitungseinheit 98 dient
dazu, das Rauschen oberhalb der Bandgrenze zu reduzieren.
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Das
durch die Signalaufbereitungseinheit 98 aufbereitete Sensorsignal
S1 wird anschließend
mittels eines vorwärts
gekoppelten Entzerrers (Feed Forward Equalizer, FFE) 93 und
eines nachfolgenden entscheidungsrückgekoppelten Entzerrers (Decision
Feedback Equalizer, DFE) 94 entzerrt. Der FFE 93 und
der DFE 94 bilden zusammen einen Zero Forcing Decision
Post-Equalizer (zDFE) 99.
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Das
Ausgangssignal des FFE 93 wird einem Subtrahierer 94a des
DFE zugeführt.
Der Ausgang des Subtrahierers 94a ist einem Schwellwertdekoder 94b zugeführt, der
ein Ausgangssignal SA der Schaltung erzeugt.
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Darüber hinaus
wird dieses Ausgangssignal SA einem Rückkopplungsfilter 94c zugeführt, der
das Ausgangssignal SA filtert und das gefilterte Ausgangssignal
SF dem Subtrahierer 94a zuführt. Dadurch wird das Differenzsignal
zwischen dem Aus gangssignal SA und dem gefilterten Ausgangssignal SF
der Schaltung dem Schwellwertdekoder 94b zugeführt, wodurch
eine Signalrückkopplung
innerhalb des DFE 94 gebildet ist.
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Die
Signalverarbeitung innerhalb des DFE 94 erfolgt getaktet
in der Weise, dass pro Taktperiode von einem Ausgangswert S(k) des
Ausgangssignals des FFE 93 ein während der vorherigen Taktperiode ermittelter,
gefilterter Ausgangswert S(k-1) des gefilterten Ausgangssignals
subtrahiert wird.
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Da
das Ausgangssignal S(k-1) der vorangehenden Taktperiode k-1 aus
dem Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 erzeugt
wird, enthält
das Ausgangssignal S(k-1) der vorangehenden Taktperiode k-1 eine
Information über
das Kodierungsmuster, das das Sensorsignal S1 während der aktuellen Taktperiode
k infolge von Intersymbol-Interferenzen (ISI) beeinflusst.
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Durch
die Filterung und die Rückkopplung des
während
der vorangegangenen Taktperiode k-1 ausgegebenen Ausgangssignals
S(k-1) ist somit bei geeigneter Ausgestaltung des Rückkopplungsfilters 94c eine
verbesserte Bestimmung der Winkelposition des rotierenden Objekts 1 in
Bezug auf den Sensor 2 möglich, da hierdurch die Intersymbol-Interferenzen
bis zu einem gewissen Grad eliminiert werden.
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Derartige
Verfahren bzw. Anordnungen zur Unterdrückung von Intersymbol-Interferenzen
sind beispielsweise beschrieben in Le, M.Q. et al: "An Analog DFE for
disk drives using a mixedsignal integrator", IEEE Journal, MAY 1999, VOL. 34 NO.
5, Seite 592-598 oder im Internet unter http://www.ece.ucdavis.edu/-hurst/papers/Le,JSSC99.pdf.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem
Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie einen verbesserten
Drehgeber zur Bestimmung der Winkelposition eines um eine Rotationsachse
rotierenden Objekts bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition
eines rotierenden Objektsgemäß Anspruch
1 sowie durch einen Drehgeber gemäß Anspruch 24 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Winkelposition eines um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung
rotierenden Objekts, das ein Kodierungsmuster aufweist, unter Verwendung
eines das Kodierungsmuster abtastenden Sensors ermittelt.
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Dabei
wird in einem ersten Verfahrensschritt die grobe Winkelposition
des rotierenden Objekts in Bezug auf den Sensor unter Berücksichtigung
des Kodierungsmusters zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt.
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In
einem zweiten Verfahrensschritt wird die exakte Winkelposition des
rotierenden Objekts in Bezug auf den Sensor unter Berücksichtigung
der grob ermittelten Winkelposition sowie unter Berücksichtigung
zumindest eines Abschnitts des Kodierungsmusters, der sich ausgehend
von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters
entgegen der Rotationsrichtung erstreckt, ermittelt.
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In
einem dritten Verfahrensschritt wird ein Ausgangssignal bereitgestellt,
das Informationen über
die exakte Winkelposition des rotierenden Objekts in Bezug auf den
Sensor enthält.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird also die Information über
die grobe Winkelposition des rotierenden Objekts in Bezug auf den
Sensor zu einem bestimmten Zeitpunkt genutzt, um vorausschauend
auf das vom Sensor demnächst
voraussichtlich abgetastete Kodierungsmuster zu ermitteln.
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Dadurch
wird es möglich,
die Einflüsse
des erwarteten Kodierungsmusters und die dadurch verursachten Intersymbol-Interferenzen zu
berücksichtigen
und ausgehend von der groben Winkelposition auf die exakte Winkelposition
des rotierenden Objekts in Bezug auf den Sensor zu ermitteln.
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Eine
besonders hohe Genauigkeit der Ermittlung der exakten Winkelposition
des rotierenden Objekts lässt
sich dadurch erreichen, dass nicht nur die Einflüsse des demnächst vom
Sensor voraussichtlich ermittelten Abschnitts des Kodierungsmusters
berücksichtigt
werden, sondern auch die Einflüsse
von dem Abschnitt des Kodierungsmusters, der vom Sensor unmittelbar
zuvor ermittelt wurde. Zur vorausschauenden Ermittlung des vom Sensor
demnächst
voraussichtlich ermittelten Kodierungsmusters muss dieses jedoch
zumindest teilweise bekannt und mit dem rotierenden Objekt in Bezug
auf dessen Winkelposition in Bezug auf den Sensor synchronisiert
sein.
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Dazu
kann das Kodierungsmuster gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung als Ganzes bekannt, beispielsweise in einer Speichereinheit
gespeichert sein. Als Kodierungsmuster eignet sich beispielsweise
das Magnetfeld, das mittels einer Anzahl um den Umfang des rotierenden
Objekts herum angeordneter Magnete erzeugt wird, wie dies z.B. aus 1a ersichtlich
ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung
eines Kodierungsmusters besteht darin, das rotierende Objekt ähnlich einem
Zahnrad mit Zähnen
und dazwischenliegende Lücken
zu versehen.
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Bei
dem Sensor, der das Kodierungsmuster abtastet, handelt es sich gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung um ein Hall-Element oder eine Spule. Wird das Hall-Element
bzw. die Spule entsprechend 1b dazu
verwendet, die Winkelposition eines mit Zähnen und dazwischenliegenden Lücken versehenen
Objekts abzutasten, so wird im Bereich des Sensors bevorzugt ein
Magnetfeld erzeugt, dessen Verlauf sich infolge der Rotation des rotierenden
Objekts in Abhängigkeit
von dem Kodierungsmuster ändert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt
und in Figuren näher
beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1a einen
Querschnitt eines rotierenden Objekts gemäß dem Stand der Technik mit
einem magnetischen Kodierungsmuster,
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1b einen
Querschnitt eines rotierenden Objekts gemäß dem Stand der Technik, dessen
Kodierungsmuster aus einer Abfolge aus Zähnen und dazwischenliegenden
Lücken
gebildet ist,
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2 den
Verlauf eines Signals, das von einem das rotierende Objekt gemäß 1b abtastenden
Sensor erzeugt wird, gemäß dem Stand
der Technik,
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3 ein
Blockschaltbild eines nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik arbeitenden
Drehgebers,
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4 ein
Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitenden
Drehgebers,
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5a die
getaktete Abtastung des Sensorsignals eines erfindungsgemäßen Drehgebers
gemäß 4 bei
einem sich schnell drehenden rotierenden Objekt mit einer bestimmten
Abtastrate,
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5b die
getaktete Abtastung des Sensorsignals gemäß 5a, jedoch
bei einem sich langsam drehenden rotierenden Objekt mit der Abtastrate gemäß 5a,
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5c die
getaktete Abtastung des Sensorsignals gemäß 5b, jedoch
mit einer an die langsame Rotations geschwindigkeit des rotierenden
Objekts angepassten Abtastrate,
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6 ein
Blockschaltbild eines nach einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
arbeitenden Drehgebers, und
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7 den
Verlauf mehrerer signifikanter Signale bei einer Schaltung gemäß den 4 und 6.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher
Bedeutung.
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4 zeigt
das Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Drehgebers.
Ein rotierendes Objekt 1, beispielsweise aus Metall, weist
ein zusammen mit diesem Objekt 1 rotierendes Kodierungsmuster
auf. Das Kodierungsmuster ist ähnlich
einem Zahnrad aus Zähnen 5, 6 sowie
zwischen den Zähnen
liegenden Lücken
gebildet.
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Ein
Sensor 2 tastet das Kodierungsmuster – wie bereits anhand von 1b beschrieben – ab und erzeugt
ein mit dem Kodierungsmuster korreliertes Sensorsignal S1. Das Sensorsignal
S1 kann beispielsweise in einem von einem Taktgenerator 17 vorgegebenen
Takt mit Taktperioden ...k-1, k, k+1... abgetastet werden. Um ein
einer bestimmten Taktperiode zugeordnetes Signal näher zu kennzeichnen, wird
diesem Signal im Folgenden die betreffende Taktperiode in Klammern
nachgestellt. Beispielsweise bedeutet SA(k) das der Taktperiode
k zugeordnete Ausgangssignal SA.
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Das
Sensorsignal S1 wird einem Addierer 10 zugeführt, dessen
Ausgangssignal S2 wiederum einem ersten Schwellwertdekoder 13 zugeführt ist.
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Abhängig von
dem dem Schwellwertdekoder 13 zugeführten Signal S2 sowie abhängig von
der im Schwellwertdekoder 13 festgeleg ten Schwelle erzeugt
dieser ein Ausgangssignal S3, das in grober Näherung mit der aktuellen Winkelposition
des rotierenden Objektes 1 in Bezug auf den Sensor 2 korreliert
ist. Das Ausgangssignal S3 des Schwellwertdekoders 13 stellt
gleichzeitig das Ausgangssignal SA der Schaltung dar.
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Anstelle
des Schwellwertdekoders 13, der einem 1 Bit Analog-Digital-Wandler entspricht,
kann in entsprechender Weise auch ein Analog-Digital-Wandler mit
einer Auflösung
von mehr als 1 Bit eingesetzt werden.
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Weiterhin
wird das Ausgangssignal SA einem Signal-Prädiktor 14 zugeführt, in
dem das Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 gespeichert
ist. Der Signal-Prädiktor 14 vergleicht
und synchronisiert dieses gespeicherte Kodierungsmuster mit dem
Muster des Ausgangssignals SA, das mit dem Kodierungsmuster des
rotierenden Objekts 1 korreliert ist. Des weiteren kann
der Signal-Prädiktor 14 bei
geeignet gewähltem
Kodierungsmuster auch die Drehrichtung des rotierenden Objektes 1 erkennen.
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Der
Signal-Prädiktor 14 kennt
also die grobe aktuelle Winkelposition sowie die Drehrichtung des rotierenden
Objekts 1 in Bezug auf den Sensor 2 und kann daraus
auf den Teil des Kodierungsmusters schließen, das der Sensor 2 demnächst voraussichtlich,
d.h. bei fortgesetzter Drehung und unveränderter Drehrichtung, abtasten
wird. Darauf basierend erzeugt der Signal-Prädiktor 14 ein Signal
S4, das einem ersten Filter 11 zugeführt wird.
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Entsprechend
wird das Ausgangssignal SA einem zweiten Filter 12 zugeführt. Das
erste und das zweite Filter 11, 12 sind bevorzugt
als FIR-Filter ausgebildet. Sie können sowohl gleiche als auch
unterschiedliche Filtereigenschaften, beispielsweise Filterkoeffizienten,
aufweisen.
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Das
erste Filter 11 erzeugt ein Ausgangssignal S5, das ebenso
wie ein Ausgangssignal S6 des zweiten Filters 12 dem Addierer 10 zugeführt und
zu dem Sensorsignal S1 addiert wird. Das Ausgangssignal S2 des Addierers 10 ist
also aus der Summe des Ausgangssignals S1 des Sensors 2 sowie
den Ausgangssignalen S5 und S6 der Filter 11 bzw. 12 gebildet.
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Je
nach Ausgestaltung der Filter 11, 12 können deren
Ausgangssignale S5 bzw. S6 auch invertiert ausgegeben werden. In
diesem Fall ist anstelle des Addierers 10 ein Subtrahierer
vorzusehen, dessen beide mit den Ausgängen des ersten bzw. zweiten
Filters 11, 12 verbundenen Eingänge als
invertierende Eingänge
ausgebildet sind.
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Bei
geeigneter Anpassung des ersten und zweiten Filters 11 bzw. 12 können die
von diesen Filtern 11, 12 erzeugten Signale S5,
S6 das Sensorsignal S1 derart korrigieren, dass Intersymbol-Interferenzen,
die in dem Sensorsignal S1 enthalten sind, eliminiert werden.
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Im
Allgemeinen ändert
sich die Signalform, insbesondere die Breite und die Höhe eines
einer bestimmten Zahnflanke 51, 52 entsprechenden
Abschnitts des Sensorsignals S1, mit der Rotationsgeschwindigkeit
des rotierenden Objekts 1. Daher werden gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Filtereigenschaften des ersten und/oder zweiten
Filters 11 bzw. 12, bei digitalen Filtern z.B.
deren die Filterkoeffizienten, abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit
des rotierenden Objekts 1 eingestellt, um zusätzlich zu
den Intersymbol-Interferenzen auch die Signalform des Sensorsignals
S1 zu korrigieren.
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Die
Filtereigenschaften der Filter 11, 12 sind dabei
in der Regel durch Filterkoeffizienten bestimmt. Diese Filterkoeffizienten
können
dabei fest vorgegeben sein. Ebenso ist es jedoch möglich, alle
oder einige der Filterkoeffizienten dyna misch, z.B. abhängig von
der Drehzahl und/oder der Drehrichtung des rotierenden Objekts,
zu wählen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die Filter 11, 12 vom Taktgenerator 17 angesteuert,
wobei während
jeder Taktperiode das am Eingang des betreffenden Filters 11 bzw. 12 anliegende
Signal S4 bzw. S3 durch das betreffende Filter 11 bzw. 12 gefiltert
und am jeweiligen Ausgang S5 bzw. S6 der Filter 11 bzw. 12 zur
Verfügung
gestellt wird.
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Betrachtet
man drei aufeinanderfolgende Taktperioden k-1, k und k+1, so ist
jedem dieser Taktperioden eine entsprechende Winkelposition P(k-1), P(k)
und P(k+1) zugeordnet, die das rotierende Objekts 1 zu
zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t(k-1), t(k) und t(k+1)
in Bezug auf den Sensor 2 einnimmt.
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Passiert
das rotierende Objekt zum Zeitpunkt t(k) eine Winkelposition P(k),
so erzeugt der Sensor 2 ein Sensorsignal S1(k). Dieses
Sensorsignal S1(k) wird einem Addierer 10 zugeführt. Des
weiteren werden dem Addierer 10 noch Signale S5(k+1) und
S6(k-1) zugeführt
und zu dem Sensorsignal S1(k) addiert.
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Dabei
enthält
das Signal S6(k-1) eine Information über das Sensorsignal S1(k-1),
das der Sensor 2 zum Zeitpunkt t(k-1) abgegeben hat, also zu dem
Zeitpunkt, zu dem das rotierende Objekt 2 die Winkelposition
P(k-1) passiert hat. Das Signal S6(k-1) besteht aus dem mittels
dem zweiten Filter 12 gefilterten Ausgangssignal SA(k-1)
zum Zeitpunkt t(k-1).
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Entsprechend
enthält
das Signal S5(k+1) eine Information über das Sensorsignal S1(k+1),
das der Sensor 2 – gleichbleibende
Drehrichtung des rotierenden Objekts vorausgesetzt – basierend
auf der "Vorhersage" des Signal-Prädiktors 14 zum
Zeitpunkt t(k+1) beim Passieren der Winkelposition P(t+1) voraus sichtlich
abgeben wird. Als Grundlage für
die "Vorhersage" verwendet der Signal-Prädiktor 14 das Ausgangssignal
SA zu Zeitpunkten bzw. Taktperioden, die dem Zeitpunkt t(k) vorausgehen.
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Das
Ausgangssignal S4 des Signal-Prädiktors 14 wird
mittels des ersten Filter 11 gefiltert und an einem Ausgang
des Filters 11 als Signal S5(k+1) bereitgestellt.
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Ebenso
wie bei dem zweiten Filter 12 können auch bei dem ersten Filter 11 dessen
Filtereigenschaften, z.B. einzelne oder alle Filterkoeffizienten
eines digitalen Filters, fest vorgegeben oder aber z.B. in Abhängigkeit
von der Drehzahl und/oder Drehrichtung des rotierenden Objektes 1 dynamisch
angepasst werden.
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Damit
der Taktgenerator in der Lage ist, das bei der nächsten Taktperiode vom Sensor 2 voraussichtlich
abgegebene Sensorsignal 2 ordnungsgemäß vorherzusagen, wird das Ausgangssignal
SA der Schaltung dem Eingang des Signal-Prädiktors 14 zugeführt und
dort mit dem im Signal-Prädiktor 14 gespeicherten
Kodierungsmuster synchronisiert, so dass der Signal-Prädiktor 14 die
aktuelle Winkelposition P(k) des rotierenden Objekts 1 in
Bezug auf den Sensor 2 grob ermitteln kann.
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In
Kenntnis dieser aktuellen Winkelposition P(k) kann der Signal-Prädiktor 14 an
seinem Ausgang ein vorhergesagtes Signal S4(k+1) bereitstellen,
das dem ersten Filter 11 wie oben beschrieben zugeführt wird.
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Bei
bestimmten Kodierungsmustern weisen das erste und das zweite Filter 11, 12 aus
Symmetriegründen
in allen Zuständen
dieselbe Filtercharakteristik auf. In derartigen Fällen kann
anstelle der beiden Filter 11, 12 auch nur ein
einziges Filter vorgesehen sein, dem abwechselnd mit doppelter Taktfrequenz
das Signal S4(k+1) und das Ausgangssignal SA(k-1) zugeführt werden.
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Des
weiteren sind in diesem Fall eine mit der doppelten Taktfrequenz
getaktete Speichervorrichtung sowie eine mit der doppelten Taktfrequenz
getaktete Umschaltvorrichtung vorzusehen, um abwechselnd eines der
gefilterten Signale S4(k+1), S6(k-1) direkt und das andere, das
in der Speichervorrichtung gespeichert ist, dem zweiten bzw. dritten Eingang
des Addierers 10 zuzuführen.
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Bei
dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugten Ausgangssignal SA tritt im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten
Verfahren keine Latenzphase auf, da es keinen in den Signalpfad
integrierten vorwärts
gekoppelten Entzerrer wie z.B. den FFE 93 gemäß 3 erfordert.
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Des
weiteren kann das Sensorsignal S1, anstelle es dem Addierer 10 bzw.
einem Subtrahierer zuzuführen,
zunächst
mittels einer Signalaufbereitungseinheit, z.B. einer Signalaufbereitungseinheit 98 gemäß 3,
aufbereitet und erst dann dem Addierer 10 bzw. dem Subtrahierer
zugeführt
werden.
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5a zeigt
den zeitlichen Verlauf eines typischen Sensorsignals S1. Dabei sind
die den Taktsignalen des Taktgebers 17 entsprechenden Zeiten
mit senkrechten Linien markiert. Beispielhaft sind die den Takten
k-1, k, k+1 entsprechenden Zeiten mit t(k-1), t(k) und t(k+1) gekennzeichnet.
Der dargestellte Abschnitt des Sensorsignals S1 entspricht einem bestimmten
Winkelbereich, den das rotierende Objekt 1 gemäß 4 bei
seiner Rotation gegenüber dem
Sensor 2 überstreicht.
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Betrachtet
man, wie in 5b dargestellt, das Sensorsignal
S1 bei einer Drehung des rotierenden Objekts 1 um denselben
Winkelbereich, der dem in 5a dargestellten
Abschnitt des Sensorsignals S1 entspricht, bei einer niedrigeren
Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts, so wird der dem
betrachteten Abschnitt des Sensorsignals S1 entsprechende Winkelbereich
des rotierenden Objektes häufiger
abgetastet, als dies bei 5a der Fall
ist, da die Periodendauer des Taktsignals, die sich aus der zeitlichen
Differenz zweier aufeinanderfolgender Taktsignale ergibt, konstant
ist.
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Um
sich daraus bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten ergebende
unterschiedliche Auflösungen
desselben Winkelbereichs zu vermeiden, wird die Taktfrequenz des
Taktgenerators 17, wie er aus 4 bekannt
ist, und damit die Periodendauer des Taktsignals gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung derart an die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden
Objekts angepasst, dass die Anzahl der Abtastpunkte für einen
bestimmten Drehwinkelbereich des rotierenden Objekts unabhängig ist
von dessen Rotationsgeschwindigkeit.
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5c zeigt
einen Abschnitt des Sensorsignals S1, der demselben Drehwinkelbereich
des rotierenden Objekts entspricht wie die Abschnitte der Sensorsignale
S1 gemäß den 5a und 5b, und
bei dem die Anzahl der Takte in Bezug auf den betrachteten Winkelbereich
des rotierenden Objekts unabhängig
von der Rotationsgeschwindigkeit und somit identisch ist mit der
Anzahl der Takte in Bezug auf denselben Winkelbereich, wie dies
in 5a dargestellt ist. Die Periodendauer des Taktsignals
ist damit variabel.
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Um
bei dieser bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung eine Synchronisation zwischen dem rotierenden Objekt und
dem Taktsignal zu erreichen, kann als Taktgenerator beispielsweise
eine phasengeregelte Dekodierungseinheit (PLL = phase locked loop)
eingesetzt werden, der das in 4 beschriebene
Ausgangssignal SA zugeführt
wird und die daraus das Taktsignal generiert. Für den Fall, dass der Taktgenerator 17 gemäß 4 als
phasengeregelte Dekodiereinheit ausgebildet ist, ist die in diesem
Fall erforderliche Zufuhr des Ausgangssignals SA an den Taktgenerator 17 gestrichelt
dargestellt.
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6 zeigt
das Blockschaltbild eines Drehgebers, bei dem die Winkelposition
eines rotierenden Objekts 1 in Bezug auf einen Sensor 2 gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermittelt wird. Das Blockschaltbild gemäß 6 entspricht
im Wesentlichen dem Blockschaltbild gemäß 4, enthält jedoch
verschiedene optionale Erweiterungen.
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Eine
erste optionale Erweiterung besteht darin, die Filter 11 und/oder 12 dynamisch
an die Winkelposition und Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts 1 anzupassen.
Eine derartige Signalanpassung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn
die Intersymbol-Interferenzen nicht symmetrisch sind oder wenn das
Sensorsignal S1 des Sensors 2 von der Rotationsgeschwindigkeit
abhängige
Verzerrungen aufweist.
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Beispielsweise
verringert sich bei bestimmten Sensoren 2 mit zunehmender
Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts 1 in Bezug
auf den Sensor 2 die Signalbreite des von einer bestimmten
Stelle des rotierenden Objekts 1 erzeugten Sensorsignals
S1 bei gleichzeitiger Erhöhung
des dazugehörigen
maximalen Signalpegels.
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Die
Signalanpassung kann z.B. mittels einer Filteransteuerung 19 erfolgen.
Eine solche Filteransteuerung 19 kann beispielsweise einen
Subtrahierer 20 umfassen, der aus der Differenz der Signale
S3 und S2 ein Differenzsignal S8 = S3 – S2 bildet, das einer Anpassungseinheit 22 zugeführt wird.
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Abhängig von
dem Signal S8 erzeugt die Anpassungseinheit 22 Ausgangssignale
S9 und/oder S10 der Filteransteuerung 19, die den Filtern 11 bzw. 12 zugeführt werden
und deren Filtereigenschaften, z.B. deren Filterkoeffizienten, in
geeigneter Weise beeinflussen.
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Die
Filteransteuerung 19 kann durch den Vergleich der Signale
S2 und S3 nicht nur eine von der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden
Objekts 1 sondern beispielsweise auch von der Temperatur
des rotierenden Objekts 1 oder Temperatur des Sensors 2 abhängige Veränderung
des Sensorsignals S1 kompensieren.
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Eine
weitere optionale Erweiterung betrifft den Signal-Prädiktor 14.
Damit der Signal-Prädiktor 14 ordnungsgemäß arbeitet,
muss ihm das Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 bekannt
sein.
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Für den Fall,
dass das Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 bekannt
ist, kann dieses vorab, d.h. vor Beginn einer Winkelpositionsbestimmung,
in einer Speichereinheit 15 des Signal-Prädiktors 14 gespeichert
werden.
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Ebenso
ist es jedoch möglich,
dass beim Betrieb der Anordnung in der Anfangsphase während einer
oder mehreren Umdrehungen des rotierenden Objekts 1 dessen
Kodierungsmuster mittels einer nicht näher dargestellten Lerneinheit,
der insbesondere das Ausgangssignal SA zugeführt wird, ermittelt und in
der Speichereinheit 15 gespeichert wird.
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Damit
ist eine entsprechende Einheit zur Ermittlung der Winkelposition
eines rotierenden Objekts in Bezug auf einen Sensor selbstlernend
und nicht auf ein bestimmtes rotierendes Objekt bzw. ein bestimmtes
Kodierungsmuster festgelegt. Auf diese Weise entsteht ein adaptives
System, das bei verschiedenen oder sich verändernden Kodierungsmustern
eingesetzt werden kann.
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Damit
der Signal-Prädiktor 14 entscheiden kann,
welche Winkelposition des rotierenden Objekts 1 in Bezug
auf den Sensor 2 voraussichtlich die nächste sein wird, muss er zunächst die
aktuelle Winkelposition des rotierenden Objekts 1 in Bezug
auf den Sensor 2 kennen. Voraussetzung hierfür ist, dass das
in der Speichereinheit 15 hinterlegte Kodierungsmuster
mit dem Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 sowie
mit des sen Winkelposition in Bezug auf den Sensor 2 synchronisiert
ist.
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Der
Signal-Prädiktor 14 umfasst
hierzu eine Synchronisationseinheit 16, der das Ausgangssignal SA
zugeführt
ist. Dieses Ausgangssignal SA enthält Informationen über das
Kodierungsmuster des rotierenden Objektes 1 sowie über die
Winkelposition des rotierenden Objektes 1 in Bezug auf
den Sensor 2. Des weiteren erzeugt die Speichereinheit 15 ein
auf dem in ihr gespeicherten Kodierungsmuster basierendes Signal
S11.
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Somit
kann die Synchronisationseinheit 16 das Ausgangssignal
SA und ein Ausgangssignal S11 der Speichereinheit 15 miteinander
vergleichen und dieses Ausgangsignal S11 gegebenenfalls solange gegenüber dem
Ausgangssignal SA solange verschieben, bis beide zueinander synchron
sind.
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Sobald
Synchronität
vorliegt, kennt der Signal-Prädiktor 14 die – grobe – Winkelposition
des rotierenden Objektes 1 in Bezug auf den Sensor 2 sowie – bei geeignet
gewähltem
Kodierungsmuster – auch
dessen Drehrichtung und somit die voraussichtliche Winkelposition
des rotierenden Objekts 1 in Bezug auf den Sensor 2 zu
einem nachfolgenden Zeitpunkt, so dass der Signal-Prädiktor 14 ein
der Winkelposition zu dem nachfolgenden Zeitpunkt entsprechendes, "vorhergesagtes" Signal S4 erzeugen kann.
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In
einem Betriebszustand, in dem die oben beschriebene Synchronisation
nicht vorliegt, beispielsweise in der Anlaufphase, kann es vorkommen, dass
das Ausgangssignal SA der Schaltung, das im Allgemeinen identisch
ist mit dem Ausgangssignal S3 des ersten Schwellwertdekoders 13,
die Winkelposition des rotierenden Objektes 1 in Bezug
auf den Sensor 2 nicht hinreichend genau wiedergibt, weil das
erste und das zweite Filter 11, 12 nicht über die für ihre ordnungsgemäße Funktion
erforderlichen Informationen, beispielsweise zur Ermittlung der
Filterkoeffizienten der Filter 11, 12, verfügen.
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Infolge
der Rückkopplung
der von dem ersten bzw. zweiten Filter 11 bzw. 12 erzeugten
und in dieser Betriebsphase noch nicht korrekten Ausgangssignale
S5 bzw. S6 auf den Eingang des ersten Schwellwertdekoders 13 kann
es bei noch nicht vorliegender Synchronisation dazu kommen, dass
das Ausgangssignal SA die Winkelposition des rotierenden Objektes 1 in
Bezug auf den Sensor schlechter wiedergibt als ohne diese Rückkopplung.
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Um
ein bei nicht vorliegender Synchronisation zwischen dem in der Speichereinheit 15 abgespeicherten
Kodierungsmuster und dem Ausgangssignal SA der Schaltung zu vermeiden,
ist erfindungsgemäß eine weitere
optionale Erweiterung vorgesehen. Diese umfasst einen zweiten Schwellwertdekoder 21 sowie
einen Betriebsartumschalter 18. Der zweite Schwellwertdekoder 21 ist
funktionell bevorzugt identisch mit dem ersten Schwellwertdekoder 13.
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Dem
zweiten Schwellwertdekoder 21 wird das Sensorsignal S1
zugeführt,
ohne diesem die von dem ersten bzw. zweiten Filter 11 bzw. 12 erzeugten Signale
S5 und S6 zu überlagern.
Somit erzeugt der zweite Schwellwertdekoder 21 ein Ausgangssignal S7,
das die Winkelposition des rotierenden Objekts 1 in Bezug
auf den Sensor 2 im Falle noch nicht vorliegender Synchronisation
im Allgemeinen genauer wiedergibt als das Ausgangssignal S3 des
ersten Schwellwertdekoders 13.
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Damit
in diesem Betriebszustand nicht vorliegender Synchronisation das
Signal S7 anstelle des Signals S3 als Ausgangssignal SA der Schaltung
zur Verfügung
gestellt wird, ist der Betriebsartumschalter 18 vorgesehen,
der das Ausgangssignal S7 des zweiten Schwellwertdekoders 21 anstelle
des Ausgangssignals S3 des ersten Schwellwertdekoders 13 am
Ausgang zur Verfügung
stellt.
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Erst
wenn die Synchronisationseinheit 16 eine hinreichende Synchronisation
zwischen dem vom Sensor 2 abgetasteten Kodierungsmuster
des rotierenden Objekts 1 und dem in der Speichereinheit 15 gespeicherten
Kodierungsmuster ermittelt hat, steuert sie den Betriebsartumschalter 18 derart
an, dass anstelle des Ausgangssignals S7 des zweiten Schwellwertdekoders 21 das
Ausgangssignal S3 des ersten Schwellwertdekoders 13 als
Ausgangssignal SA der Schaltung verwendet wird.
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Die
Anlaufphase gestaltet sich also derart, dass in einer Synchronisationsphase
die Winkelposition des rotierenden Objekts 1 in Bezug auf
den Sensor 2 mit dem in der Speichereinheit 15 gespeicherten
Kodierungsmuster synchronisiert wird.
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Für den Fall,
dass das Kodierungsmuster noch nicht in der Speichereinheit 15 hinterlegt
ist, ist der Synchronisationsphase noch eine Lernphase vorangestellt,
in der das Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 "gelernt" und in der Speichereinheit 15 abgespeichert
wird.
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Nachdem
die Synchronisationsphase abgeschlossen ist, folgt eine Dauerbetriebsphase,
in der alle oder zumindest einige der Filterkoeffizienten des ersten
und zweiten Filters 11, 12 dynamisch angepasst
werden.
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Um
die Dauer der Synchronisationsphase zu verkürzen, ist es gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, alle oder einige der Filterkoeffizienten mit geeigneten
Anfangswerten zu versehen.
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Verzichtet
man auf die Verwendung einer solchen Filteransteuerung 19,
so können
die entsprechenden Filterkoeffizienten auch fest einprogrammiert
sein. Generell ist es auch möglich,
zwischen einer Betriebsart mit festen Filterkoeffizienten und einer
Betriebsart mit veränderlichen
Filterkoeffizienten umzuschalten. Besonders bevorzugt sind die Filterkoeffizienten von
Filterstufen des ersten und/oder des zweiten Filters 11 bzw. 12 auf
einer Lorentzkurve angeordnet.
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Bei
vielen Anwendungen werden für
das erste und zweite Filter 11 bzw. 12 dieselben
Filterkoeffizienten verwendet, so dass in diesen Fällen nur
ein Satz von Filterkoeffizienten erforderlich ist. Sind dabei das
erste Filter 11 und das zweite Filter 12 als Filter
der gleichen Ordnung n ausgebildet und sind α0, α1, ..., an die Filterkoeffizienten
der 0-ten, der 1-ten, ..., der n-ten Filterstufe des ersten Filters 11,
so sind die Filterkoeffizienten der 0-ten, der 1-ten, ..., der n-ten
Filterstufe des zweiten Filters 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gleich αn,
...α1, α0, also quasi "gespiegelt".
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7 zeigt
ein Beispiel für
einen möglichen zeitlichen
Verlauf der Signale S1, S2, S5 und S6. Diese Signale stellen die
in den 4 und 6 entsprechend bezeichneten
Signale bei ordnungsgemäßer Synchronisation
zwischen dem Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 und
den in dem Signal-Prädiktor 14 gespeicherten
Kodierungsmuster dar. Dabei sind die Signale S5 und S6 invertiert,
d.h. mit negativem Vorzeichen versehen, dargestellt.
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Das
Signal S1 weist Maxima und Minima auf, deren Form im Wesentlichen
Lorentz-Kurven entspricht, wie sie der Sensor 2 gemäß den 4 und 6 im
Bereich einer den Sensor passierenden Zahnflanke des rotierenden
Objekts 1 erzeugt. Bedingt durch Intersymbol-Interferenzen
kommt es jedoch hierbei zu einer Abweichung von der idealen Lorentz-Form.
Außerdem
verändert
sich die Kurvenform abhängig
von der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts.
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Durch
die Rückkopplung
der Signale S5 und S6 kann bei geeigneter Auslegung der Filter 11 und 12 gemäß den 4 bzw. 6 erreicht
werden, dass das Ausgangssignal SA der Schaltung die Winkelposition
des rotierenden Objektes 1 im Wesentlichen phasengenau
wiedergibt, d.h. dass nicht nur ermittelt werden kann, welcher Zahn 5, 6 dem
Sensor 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt gegenübersteht, sondern
dass darüber
hinaus auch noch eine Aussage möglich
ist, welche Stelle eines Zahns 5, 6 bzw. einer
Zahnlücke
dem Sensor 2 gegenübersteht.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens können die
Signale S5 und S6 auch derart ausgebildet sein, dass infolge ihrer Überlagerung
mit dem Sensorsignal S1 aus dem Sensorsignal S1 nicht nur die beschriebenen
Intersymbol-Interferenzen, sondern auch die von der Rotationsgeschwindigkeit
des rotierenden Objektes 1 abhängigen, unterschiedlichen Signalbreiten
der das Sensorsignal S1 bildenden Teilsignale eliminiert werden,
so dass im Ergebnis das in 7 dargestellte
Signal S2 vorliegt.
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Das
Signal S2 zeigt im Wesentlichen nadelförmige Pulse mit sehr geringer
Breite, deren Positionen die Winkelpositionen der Zahnflanken 51, 52 des rotierenden
Objekts 1 in Bezug auf den Sensor 2 gemäß den 4 und 6 sehr
präzise
und mit vernachlässigbarer
Phasenverschiebung entsprechen.
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Die
Erfindung wurde bisher beispielhaft anhand eines Kodierungsmusters
beschrieben, dass aus Zähnen
und dazwischenliegenden Lücken
des rotierenden Objekts gebildet ist. Generell kann das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch auch bei der Abtastung andersartiger Kodierungsmuster angewendet
werden, sofern bei deren Abtastung Intersymbol-Interferenzen auftreten.
Dies gilt insbesondere für
Kodierungsmuster, die gemäß der in 1a beschriebenen
Anordnung erzeugt werden.
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Die
zur Abtastung verwendeten Sensoren sind vorzugsweise entsprechend
den in den 1a und 1b beschriebenen
Sensoren 2 ausgebildet, jedoch nicht auf die dort gezeigten
Ausführungsformen
beschränkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
vielmehr auf alle Anordnungen anwenden, die Intersymbol-Interferenzen aufweisen,
sofern das zugrunde liegende Kodie rungsmuster zumindest teilweise
ermittelt werden kann, bevor es von dem das Kodierungsmuster abtastenden
Sensor erfasst wird, so dass eine Vorhersage möglich ist.
-
Für den Fachmann
lässt sich
das beschriebene Verfahren in einfacher Weise auch auf nicht rotierende
Objekte, beispielsweise eine Zahnstange eines linearen Positionsgebers, übertragen.
-
- 1
- rotierendes
Objekt
- 2
- Sensor
- 3,
4
- Stabmagnet
- 5,
6
- Zahn
- 51,
61
- erste
Zahnflanke
- 52,
62
- zweite
Zahnflanke
- 7
- Magnet
- 8
- Hall-Element
- 9
- Magnetfeld-Sensor
- 10
- Addierer
- 11
- erstes
Filter
- 12
- zweites
Filter
- 13
- erster
Schwellwertdekoder
- 14
- Signal-Prädiktor
- 15
- Speichereinheit
- 16
- Synchronisations-Einheit
- 17
- Taktgenerator
- 18
- Betriebsartumschalter
- 19
- Filteransteuerung
- 20
- Subtrahierer
- 21
- zweiter
Schwellwertdekoder
- 22
- Anpassungseinheit
- 90
- Signalform-Verzerrer
- 92
- Amplituden-Verzerrer
- 93
- FFE
- 94
- DFE
- 95
- Subtrahierer
- 96
- Schwellwertdecoder
- 97
- Rückkopplungsfilter
- 98
- Signalaufbereitungseinheit
- 99
- zDFE
- A
- Rotatsionsachse
- SA
- Ausgangssignal
- SF
- Ausgangssignal
- S1
- Sensorsignal
- S1a
- Sensor-Teilsignal
der ersten Zahnflanke
- S1b
- Sensor-Teilsignal
der zweiten Zahnflanke
- S2-S11
- Signal
- T
- Taktsignal
- t
- Zeit
- α1...αn
- Filterkoeffizienten
- t10,
t20
- Zeitpunkte
- t11,
t22
- Zeitpunkte