DE102004046803B4

DE102004046803B4 - Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines rotierenden Objekts und Drehgeber

Info

Publication number: DE102004046803B4
Application number: DE102004046803A
Authority: DE
Inventors: David Tatschl; Dirk Dr. Hammerschmidt; Tobias Werth; Simon Hainz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: US20060071659A1; US7208944B2; DE102004046803A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung rotierenden Objekts (1), das ein Kodierungsmuster aufweist, unter Verwendung eines das Kodierungsmuster abtastenden Sensors (2), der durch von dem Kodierungsmuster bewirkte Intersymbolinterferenzen beeinflusst wird, mit folgenden Schritten: – Ermitteln der groben Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) unter Berücksichtigung des Kodierungsmusters zu einem ersten Zeitpunkt, und – Ermitteln der exakten Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) unter Berücksichtigung der grob ermittelten Winkelposition sowie unter Berücksichtigung der Intersymbolinterferenzen, die zumindest von einem Abschnitt des Kodierungsmusters zu erwarten sind, der sich ausgehend von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters entgegen der Rotationsrichtung erstreckt, und – Bereitstellen eines Ausgangssignals (SA), das Informationen über die exakte Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Winkelposition eines rotierenden Objekts, insbesondere eines Objektes im Bereich der Fahrzeugtechnik, wie beispielsweise einer rotierenden Welle.
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.
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.
Bei dem Sensor 2 handelt es sich um einen Magnetfeldsensor 9, beispielsweise einen Hall-Sensor 8.
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.
Das Kodierungsmuster wird mittels eines Sensors 2, der einen Magnetfeldsensor sowie einen Magneten 7 umfasst, abgetastet.
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.
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.
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.
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.
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 S1a entspricht einer Lorentz-Kurve.
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.
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 S1b der Zahnflanke 52 sowie durch die Teilsignale der Zahnflanken benachbarter Zähne bestimmt.
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 S1a, S1b 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.
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.
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.
Das Ausgangssignal des FFE 93 wird einem Subtrahierer 95 des DFE zugeführt. Der Ausgang des Subtrahierers 95 ist einem Schwellwertdekoder 96 zugeführt, der ein Ausgangssignal SA der Schaltung erzeugt.
Darüber hinaus wird dieses Ausgangssignal SA einem Rückkopplungsfilter 97 zugeführt, der das Ausgangssignal SA filtert und das gefilterte Ausgangssignal SF dem Subtrahierer 95 zuführt. Dadurch wird das Differenzsignal zwischen dem Ausgangssignal FFE 93 und dem gefilterten Ausgangssignal SF dem Schwellwertdekoder 96 zugeführt, wodurch eine Signalrückkopplung innerhalb des DFE 94 gebildet ist.
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.
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.
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 97 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.
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 of Solid State Circuits, MAY 1999, VOL. 34 NO. 5, Seite 592–598 oder im Internet unter http://www.ece.ucdavis.edu/~hurst/papers/Le,JSSC99.pdf.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber Intersymbolinterferenzen unempfindliches Verfahren sowie einen gegenüber Intersymbolinterferenzen unempfindlichen Drehgeber zur Bestimmung der Winkelposition eines um eine Rotationsachse rotierenden Objekts bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines rotierenden Objekts gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Drehgeber gemäß Anspruch 24 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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.
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.
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 der Intersymbolinterferenzen, die zumindest von einem Abschnitt des Kodierungsmusters zu erwarten sind, der sich ausgehend von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters entgegen der Rotationsrichtung erstreckt, ermittelt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Ausgangssignal bereitgestellt, das Informationen über die exakte Winkelposition des rotierenden Objekts in Bezug auf den Sensor enthält.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt und in Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
1a einen Querschnitt eines rotierenden Objekts gemäß dem Stand der Technik mit einem magnetischen Kodierungsmuster,
1b einen Querschnitt eines rotierenden Objekts gemäß dem Stand der Technik, dessen Kodierungsmuster aus einer Abfolge aus Zähnen und dazwischenliegenden Lücken gebildet ist,
2 den Verlauf eines Signals, das von einem das rotierende Objekt gemäß 1b abtastenden Sensor erzeugt wird, gemäß dem Stand der Technik,
3 ein Blockschaltbild eines nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik arbeitenden Drehgebers,
4 ein Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitenden Drehgebers,
5a die getaktete Abtastung des Sensorsignals eines erfindungsgemäßen Drehgebers gemäß 4 bei einem sich schnell drehenden rotierenden Objekt mit einer bestimmten Abtastrate,
5b die getaktete Abtastung des Sensorsignals gemäß 5a, jedoch bei einem sich langsam drehenden rotierenden Objekt mit der Abtastrate gemäß 5a,
5c die getaktete Abtastung des Sensorsignals gemäß 5b, jedoch mit einer an die langsame Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts angepassten Abtastrate,
6 ein Blockschaltbild eines nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitenden Drehgebers, und
7 den Verlauf mehrerer signifikanter Signale bei einer Schaltung gemäß den 4 und 6.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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.
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.
Das Sensorsignal S1 wird einem Addierer 10 zugeführt, dessen Ausgangssignal S2 wiederum einem ersten Schwellwertdekoder 13 zugeführt ist.
Abhängig von dem dem Schwellwertdekoder 13 zugeführten Signal S2 sowie abhängig von der im Schwellwertdekoder 13 festgelegten 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Filterkoeffizienten, abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts 1 eingestellt, um zusätzlich zu den Intersymbol-Interferenzen auch die Signalform des Sensorsignals S1 zu korrigieren.
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 dynamisch, z. B. abhängig von der Drehzahl und/oder der Drehrichtung des rotierenden Objekts, zu wählen.
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.
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 Objekt 1 zu zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t(k – 1), t(k) und t(k + 1) in Bezug auf den Sensor 2 einnimmt.
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.
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).
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) voraussichtlich 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 dessen Winkelposition in Bezug auf den Sensor 2 synchronisiert ist.
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.
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 verschieben, bis beide zueinander synchron sind.
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.
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.
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.
Um eine unpräzise Funktion 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 an, ... α1, α0, also quasi ”gespiegelt”.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Kodierungsmuster 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.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung rotierenden Objekts (1), das ein Kodierungsmuster aufweist, unter Verwendung eines das Kodierungsmuster abtastenden Sensors (2), der durch von dem Kodierungsmuster bewirkte Intersymbolinterferenzen beeinflusst wird, mit folgenden Schritten: – Ermitteln der groben Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) unter Berücksichtigung des Kodierungsmusters zu einem ersten Zeitpunkt, und – Ermitteln der exakten Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) unter Berücksichtigung der grob ermittelten Winkelposition sowie unter Berücksichtigung der Intersymbolinterferenzen, die zumindest von einem Abschnitt des Kodierungsmusters zu erwarten sind, der sich ausgehend von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters entgegen der Rotationsrichtung erstreckt, und – Bereitstellen eines Ausgangssignals (SA), das Informationen über die exakte Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ermitteln der exakten Winkelposition zusätzlich unter Berücksichtigung zumindest eines Abschnitts des vom Sensor (2) unmittelbar vor dem ersten Zeitpunkt abgetasteten Kodierungsmusters erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein von dem Sensor (2) erzeugtes erstes Signal (S1) einem ersten Eingang eines Addierers (10) oder Subtrahierers zugeführt wird, der an einem Ausgang ein zweites Signal (S2) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem aus dem zweiten Signal mittels eines ersten Schwellwertdekoders (13) oder mittels eines ersten Analog-Digital-Wandlers ein drittes Signal (S3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem aus dem Ausgangssignal (SA) mittels eines Signal-Prädiktors (14) unter Berücksichtigung des Kodierungsmusters ein viertes Signal (S4) erzeugt wird, das eine Information über zumindest einen Abschnitt des Kodierungsmusters enthält, der sich ausgehend von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters entgegen der Rotationsrichtung erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Signal-Prädiktor (14) eine Speichereinheit (15) umfasst, in der das Kodierungsmuster abgespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Signal-Prädiktor (14) eine Synchronisations-Einheit (16) umfasst, die das Ausgangssignal (SA) mit dem in der Speichereinheit (15) gespeicherten Kodierungsmuster synchronisiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem aus dem vierten Signal (S4) mittels eines ersten Filters (11) ein fünftes Signal (S5) erzeugt und einem zweiten Eingang des Addierers (10) bzw. des Subtrahierers zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem aus dem Ausgangssignal (SA) mittels eines zweiten Filters (12) ein sechstes Signal (S6) erzeugt und einem dritten Eingang des Addierers (10) bzw. des Subtrahierers zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem aus dem ersten Signal (S1) mittels eines zweiten Schwellwertdekoders (21) oder mittels eines zweiten Analog-Digital-Wandlers ein siebtes Signal (S7) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem das dritte Signal (S3) als Ausgangssignal (SA) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als Ausgangssignal (SA) mittels eines Betriebsartumschalters (18) zwischen dem dritten Signal (S3) und dem siebten Signal (S7) gewählt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei dem das zweite Signal (S2) und das dritte Signal (S3) einer Filteransteuerung (19) zugeführt werden, die in Abhängigkeit von der sich mit der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts (1) ändernden Signalform des ersten Signals (S1) ein achtes Signal (S9) und/oder ein neuntes Signal (S10) erzeugt, das zur Bestimmung der Filtereigenschaften bei der Filterung des Ausgangssignals (SA) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, bei dem ein Taktgeber (17) ein Taktsignal (T) erzeugt, in dessen Rhythmus das zweite Signal (S2) durch den ersten Schwellwertdekoder (13) bzw. den ersten Analog-Digital-Wandler abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Taktsignal (T) eine konstante Periodendauer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Taktsignal (T) eine von der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts (1) abhängige, variable Periodendauer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Taktgeber (17) als phasengeregelte Decodiereinheit ausgebildet ist, der das Ausgangssignal (SA) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das rotierende Objekt (1) eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kodierungsmuster durch wenigstens einen mit dem rotierenden Objekt (1) verbundenen Magneten (3, 4) gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kodierungsmuster zahnradartig am rotierenden Objekt (1) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Sensor (2) als Magnetfeldsensor (9) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Magnetfeldsensor (9) ein Hall-Element (8) oder eine Spule umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Sensor einen differentiellen Ausgang aufweist.
Drehgeber zur Bestimmung der Winkelposition eines um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung rotierenden Objekts (1), das ein Kodierungsmuster aufweist, unter Verwendung eines das Kodierungsmuster abtastenden Sensors (2), der durch von dem Kodierungsmuster bewirkte Intersymbolinterferenzen beeinflusst wird, mit folgenden Merkmalen: – Mittel zum Ermitteln der groben Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) unter Berücksichtigung des Kodierungsmusters zu einem ersten Zeitpunkt, und – Mittel zum Ermitteln der exakten Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) unter Berücksichtigung der grob ermittelten Winkelposition sowie unter Berücksichtigung der Intersymbolinterferenzen, die zumindest von einem Abschnitt des Kodierungsmusters zu erwarten sind, der sich ausgehend von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters entgegen der Rotationsrichtung erstreckt, und – Ausgang zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (SA), das Informationen über die exakte Winkelposition des rotierenden Objekts (1) in Bezug auf den Sensor (2) enthält.
Drehgeber nach Anspruch 24 mit einem Mittel zur Ermittlung der exakten Winkelposition unter Berücksichtigung zumindest eines Abschnitts des vom Sensor (2) unmittelbar vor dem ersten Zeitpunkt abgetasteten Kodierungsmusters.
Drehgeber nach Anspruch 24 oder 25 mit einem Addierer (10) oder Subtrahierer, der einen ersten Eingang zur Zuführung eines von dem Sensor (2) erzeugten ersten Signals (S1) aufweist, sowie einen Ausgang zur Bereitstellung eines zweiten Signals (S2).
Drehgeber nach Anspruch 26, bei dem der Ausgang des Addierers (10) bzw. des Subtrahierers mit dem Eingang eines ersten Schwellwertdekoders (13) oder mit dem Eingang eines ersten Analog-Digital-Wandlers verbunden ist und wobei der Addierer (10) bzw. Subtrahierer einen Ausgang zur Ausgabe eines dritten Signals (S3) aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 27, bei dem der Ausgang des ersten Schwellwertdekoders (13) bzw. des ersten Analog-Digital-Wandlers mit dem Eingang eines Signal-Prädiktors (14) verbunden ist, wobei der Signal-Prädiktor (14) einen Ausgang zur Bereitstellung eines vierten Signals (S4) unter Berücksichtigung des Kodierungsmusters aufweist und wobei das vierte Signal (S4) eine Information über zumindest einen Abschnitt des Kodierungsmusters enthält, der sich ausgehend von der der groben Winkelposition zugeordneten Stelle des Kodierungsmusters entgegen der Rotationsrichtung erstreckt.
Drehgeber nach Anspruch 28, bei dem der Signal-Prädiktor (14) eine Speichereinheit (15) zur Speicherung des Kodierungsmusters umfasst.
Drehgeber nach Anspruch 29, bei dem der Signal-Prädiktor (14) eine Synchronisations-Einheit (16) zur Synchronisation des Ausgangssignals (SA) mit dem in der Speichereinheit (15) gespeicherten Kodierungsmuster umfasst.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem der Ausgang des Signal-Prädiktors (14) mit dem Eingang eines ersten Filters (11) verbunden ist, wobei das erste Filter (11) einen Ausgang zur Bereitstellung eines fünften Signals (S5) aufweist, der mit einem zweiten Eingang des Addierers (10) bzw. des Subtrahierers verbunden ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 27 bis 31, bei dem der Ausgang zum Bereitstellen des Ausgangssignals (SA) mit dem Eingang eines zweiten Filters (12) verbunden ist, wobei das zweite Filter (12) einen Ausgang zur Bereitstellung eines sechsten Signals (S6) aufweist, der mit einem dritten Eingang des Addierers (10) bzw. des Subtrahierers verbunden ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 27 bis 32, bei dem der erste Eingang des Addierers (10) bzw. des Subtrahierers mit dem Eingang eines zweiten Schwellwertdekoders (21) oder mit dem Eingang eines zweiten Analog-Digital-Wandlers verbunden ist und wobei der zweite Schwellwertdekoder (21) oder der zweite Analog-Digital-Wandler einen Ausgang zur Bereitstellung eines siebten Signals (S7) aufweist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 27 bis 33, bei dem der Ausgang zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (SA) mit dem Ausgang des ersten Schwellwertdekoders (13) oder mit dem Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers verbunden ist.
Drehgeber nach Anspruch 32 mit einem Betriebsartumschalter (18), mittels dem der Ausgang zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (SA) mit dem Ausgang des ersten Schwellwertdekoders (13) bzw. dem Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers oder mit dem Ausgang des zweiten Schwellwertdekoders (21) bzw. dem Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers verbindbar ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 27 bis 35, bei dem der Eingang und der Ausgang des ersten Schwellwertdekoders (13) bzw. des ersten Analog-Digital-Wandlers jeweils mit einem Eingang einer Filteransteuerung (19) verbunden sind, wobei die Filteransteuerung (19) einen ersten Ausgang zur Bereitstellung eines von der sich mit der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts (1) ändernden Signalform des ersten Signals (S1) abhängigen achten Signals (S9) aufweist und wobei die Filteransteuerung (19) einen zweiten Ausgang zur Bereitstellung eines von der sich mit der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts (1) ändernden Signalform des ersten Signals (S1) abhängigen neunten Signals (S10) aufweist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 27 bis 36 mit einem Taktgeber (17) zur Erzeugung eines die Abtastung des zweiten Signals (S2) durch den ersten Schwellwertdekoder (13) bzw. den ersten Analog-Digital-Wandler steuernden Taktsignals (T).
Drehgeber nach Anspruch 37, bei dem das Taktsignal (T) eine konstante Periodendauer aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 37, bei dem das Taktsignal (T) eine von der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Objekts (1) abhängige, variable Periodendauer aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 39, bei dem der Taktgeber (17) als phasengeregelte Decodiereinheit ausgebildet ist, die einen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang zum Bereitstellen des Ausgangssignals (SA) verbunden ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 24 bis 40, bei dem das rotierende Objekt (1) eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 24 bis 41, bei dem das Kodierungsmuster durch wenigstens einen mit dem rotierenden Objekt (1) verbundenen Magneten (3, 4) gebildet ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 24 bis 42, bei dem das Kodierungsmuster zahnradartig am rotierenden Objekt (1) ausgebildet ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 24 bis 43, bei dem der Sensor (2) als Magnetfeldsensor (9) ausgebildet ist.
Drehgeber nach Anspruch 44, bei dem der Magnetfeldsensor (9) ein Hall-Element (8) oder eine Spule umfasst.
Drehgeber nach Anspruch 45, bei dem der Sensor einen differentiellen Ausgang aufweist.