DE102006049362A1 - Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines rotierenden Objekts und Drehgeber - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines rotierenden Objekts und Drehgeber Download PDF

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DE102006049362A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten eines Sensorsignals eines Magnetfeldsensor, der beabstandet zu einem um eine Rotationsachse rotierbarn Objekt, welches ein Kodierungsmuster mit einer Folge von Symbolen aufweist, angeordnet ist, wobei das Sensorsignal von dem Kodierungsmuster und mindestens einem Übertragungsparameter abhängt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: - Regenerieren der Symbole des Kodiermustes aus einem korrigierten Sensorsignal mit Hilfe eines Schwellwertdetektors, um eine Ausgangssignal zu erhalten, - Erzeugen eines gefilterten Signals unter Verwendung eines Filters mit mehreren Filterkoeffizienten aus dem Ausgangssignal, - Überlagern des Sensorsignals mit dem gefilterten Signal, um das korrigierte Sensorsignal zu erhalten, wobei aus dem korrigierten Sensorsignal und dem Ausgangssignal der mindestens eine Übertragungsparameter geschätzt wird und die Filterkoeffizienten aus dem geschätzten Übertragungsparameter abgeleitet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Winkelposition eines rotierenden Objekts, wie beispielsweise einer rotierenden Welle im Bereich der Fahrzeugtechnik.
  • 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, das eine Folge binärer Symbole darstellt, durch den Sensor berührungslos, beispielsweise bei Verwendung eines magnetischen Kodierungsmusters und eines magnetosensitiven Sensors.
  • Ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Anordnung zur Erkennung der Winkelposition eines um eine Achse A rotierenden Objekts ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 046 803 beschrieben. Es wird ein sogenannter "Predictive Decision Feedback Equalizer" (pDFE) verwendet, um das Kodierungsmuster des rotierenden Objektes aus einem Messsignal zu regenerieren und um im Messsignal vorhandene Intersymbolinterferenzen zu eliminieren, wobei das Kodierungsmuster als binäre Symbolfolge angesehen wird.
  • Dazu wird das Ausgangssignal mehreren (digitalen) Filtern zugeführt und die gefilterten Signale dem Sensorsignal überlagert. Das Ausgangssignal wird also auf das Sensorsignal rückgekoppelt. Die Filtercharakteristik und damit die Filterkoeffizienten der oben genannten Filter können fest vorgegeben oder auch adaptiv angepasst werden, um auf Veränderungen in der Sensoranordnung zu reagieren.
  • Die Nachteile der beschriebenen Anordnung zeigen sich vor allem dann, wenn nicht die Daten (also die binäre Symbolfolge des Kodierungsmusters) selbst sondern die Phase des Sensorsignals bestimmt werden soll. In diesem Fall ist es notwendig, die Taktrate für die Filter sehr viel höher als die Datenrate des Kodierungsmusters zu wählen, was viele Filterkoeffizienten notwendig macht und entsprechend hohen Berechnungsaufwand nach sich zieht. Des weiteren muss die von dem oben erwähnten adaptiven Algorithmus zur Anpassung der Filterkoeffizienten gelieferte Lösung für die Filterkoeffizienten nicht eindeutig sein. Dies ist vor allem bei periodischen Sensorsignalen problematisch
  • Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur robusten und schnellen Berechnung der Filterkoeffizienten anzugeben, um eine adaptive Anpassung der Filtercharakteristiken zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren entsprechend Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 9 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine Optimierung der Filterkoeffizienten bei einem "Predictive Decision Feedback Equalizer" (pDFE) weitaus effizienter und robuster gestalten lässt, wenn statt der Verwendung eines abstrakten, mathematischen Optimierungsverfahrens (wie beispielsweise einem Downhill-Simplex-Verfahren, einem Gradientenverfahren oder einem Newton-Verfahren) ein dem Messproblem zugrunde liegendes physikalischen Modell zur Berechnung der Filterkoeffizienten verwendet wird. Dieses Modell ist lediglich von einigen wenigen (oder auch nur von einem einzigen) Übertragungsparameter abhängig. Ein solcher Ü bertragungsparameter ist meist – jedoch nicht zwangsläufig – eine physikalische Größe, wie beispielsweise die Luftspaltlänge oder die magnetische Feldstärke bei der Messung eines magnetischen Kodierungsmusters mit Hilfe eines Magnetfeldsensors.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird – analog zu den oben genannten mathematischen Optimierungsverfahren – aus einem Sensorsignal und/oder daraus abgeleiteten Signalen ein zu minimierendes Fehlersignal berechnet. Im Unterschied zu bekannten Verfahren erfolgt jedoch nicht eine direkte Variation der Filterkoeffizienten, um das Fehlersignal zu minimieren, sondern es werden lediglich die erwähnten Übertragungsparameter variiert und daraus mit Hilfe des von den Übertragungsparametern abhängigen physikalischen Modells die Filterkoeffizienten berechnet. Die berechneten Filterkoeffizienten ersetzen die ursprünglichen Filterkoeffizienten, woraufhin sich das Fehlersignal ändert. Eine Variation der Übertragungsparameter erfolgt dann zielgerichtet solange, bis das Fehlersignal (bzw. eine Norm des Fehlersignals) ein Minimum erreicht hat.
  • Das "Zwischenschalten" einer Schätzung der Übertragungsparameter, aus denen wiederum die Filterkoeffizienten berechnet werden, weist gegenüber bekannten Optimierungsverfahren wesentliche Vorteile auf. So ist beispielsweise der Zusammenhang zwischen einem Übertragungsparameter und dem Fehlersignal auf beiden Seiten des Optimums meist monoton. Dies hat zur Folge, dass die korrekten Übertragungsparameter und damit die optimalen Filterkoeffizienten rasch in wenigen Iterationsschritten gefunden werden. Auch die Gefahr von uneindeutigen Lösungen und das "Hängenbleiben" in lokalen Minima des Fehlersignals ist damit nicht gegeben. Da statt vielen Filterkoeffizienten nur einige wenige Übertragungsparameter variiert werden müssen, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rechenaufwand gegenüber bekannten Verfahren wesentlich reduziert, was wiederum die Realisierung des Verfahrens in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) wesentlich erleichtert.
  • Die oben beschriebene adaptive Filterung wird erfindungsgemäß im Rahmen eines Verfahrens zum Auswerten eines Sensorsignals eines Magnetfeldsensors verwendet. Der Magnetfeldsensor ist beabstandet zu einem um eine Rotationsachse rotierbaren Objekt angeordnet, welches ein Kodierungsmuster mit einer Folge von Symbolen aufweist, wobei das Sensorsignal von dem Kodierungsmuster und mindestens einem Übertragungsparameter abhängt und durch Intersymbol-Interferenzen gestört ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • – Regenerieren der Symbole des Kodierungsmusters aus einem korrigierten Sensorsignal mit Hilfe eines Schwellwertdetektors, um ein Ausgangssignal zu erhalten,
    • – Erzeugen eines gefilterten Signals unter Verwendung eines Filters mit mehreren Filterkoeffizienten aus dem Ausgangssignal,
    • – Überlagern des Sensorsignals mit dem gefilterten Signal um das korrigierte Sensorsignal zu erhalten.
  • Aus dem korrigierten Sensorsignal und aus dem Ausgangssignal wird der Übertragungsparameter geschätzt. Aus dem geschätzten Übertragungsparameter werden wiederum die Filterkoeffizienten abgeleitet.
  • Am Anfang des Verfahrens können die Filterkoeffizienten fest vorgegebene Werte aufweisen. Diese Anfangswerte können auch durch zusätzliche Messungen oder vorherige Adaptionsschritte ermittelt worden sein. Die Anfangswerte werden dann im Laufe des Verfahrens durch die folgenden Schritte optimiert:
    • – Erzeugen eines Fehlersignals aus dem korrigierten Sensorsignal und dem Ausgangssignal,
    • – Berechnen eines geschätzten Übertragungsparameters unter Verwendung eines von dem Übertragungsparameter abhängi gen physikalischen Modells, welches das Übertragungsverhalten von dem Kodiermuster auf das Sensorsignal beschreibt, derart, dass das Fehlersignal minimal wird.
  • Dieses Schätzen eines Übertragungsparameters, der das Fehlersignal minimiert, ist ein iterativer Prozess, der sich durch die folgenden Schritte beschreiben lässt:
    • – Berechnung eines Fehlersignals aus dem korrigierten Sensorsignal und dem Ausgangssignal,
    • – Berechnen aktueller Übertragungsparameter durch Variation der bisherigen Übertragungsparameter,
    • – Berechnen aktueller Filterkoeffizienten aus den aktuellen Übertragungsparametern unter Verwendung des physikalischen Modells.
  • Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Fehlersignal ein Minimum erreicht hat oder werden die ganze Zeit fortgesetzt. Das Variieren der Übertragungsparameter passiert natürlich nicht zufällig, sondern folgt einer bestimmten Strategie. Der aktualisierte Wert der Übertragungsparameter könnte beispielsweise mit Hilfe einer Gradientenmethode berechnet werden. Die Adaption kann natürlich auch nach dem Finden des Optimums fortfahren und somit auf Änderungen der bertragungsparameters reagieren.
  • In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung hängt das physikalische Modell nur von einem einzigen Übertragungsparameter, beispielsweise dem Luftspalt zwischen einem Multipolrad und einem Magnetfeldsensor ab. Das physikalische Modell lässt sich natürlich verfeinern. In einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Übertragungsparameter, beispielsweise der Luftspalt und die magnetische Feldstärke im Luftspalt, berücksichtigt. Darüber hinaus können bei der Berechnung der Filterkoeffizienten noch weitere Messgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, mit einbezogen werden. Das physikali sche Modell kann aus Messdaten und/oder aus mathematischen Zusammenhängen generiert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt und. in Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
  • 1a einen Querschnitt eines magnetischen Multipolrades gemäß dem Stand der Technik mit einem magnetischen Kodierungsmuster das von einem Magnetfeldsensor gemessen wird,
  • 1b einen Querschnitt einer rotierenden Scheibe gemäß dem Stand der Technik dessen Kodierungsmuster aus einer Abfolge von Zähnen und dazwischenliegenden Lücken gebildet ist,
  • 2 den Verlauf eines Signals, das von einem die rotierende Scheibe gemäß 1b abtastenden Sensor erzeugt wird, gemäß dem Stand der Technik,
  • 3 ein Blockschaltbild einer nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik arbeitenden Vorrichtung zum Auswerten des Sensorsignals,
  • 4 ein Blockschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung zur Auswertung des Sensorsignal,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 6 die Abhängigkeit des Sensorsignals von einem Übertragungsparameter.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • Die Grundstruktur eines Verfahrens zur Erkennung der Winkelposition eines um eine Achse A rotierenden Objekts wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 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, in dem in 1a dargestellten Fall ein magnetisches Multipolrad, 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 zu schließen.
  • 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 mit Hilfe 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, einen GMR (Giant Magnetic Resistor) Sensor oder um eine Spule handeln. Der Sensor 2 weist einen analogen Ausgang auf, der entweder als differentieller oder als einpolig-geerdeter (singleended) 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 theoretische Verlauf dieses Teilsignals S1a ist von mehreren physikalischen Parametern (z.B. Temperatur, Luftspalt, etc.) abhängig. Der Verlauf von S1a in 2 ist demnach nur ein Beispiel zum besseren Verständnis.
  • 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 S2a 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.
  • Diese Abweichungen lassen sich als Folge von Intersymbolinterferenzen erklären. Das durch eine erste Zahnflanke 51 verursachte Empfangs-Signal S1a ist an der Stelle des durch eine zweite Zahnflanke 52 verursachten Empfangs-Signal S1b (noch) nicht null und verursacht somit eine Intersymbolinterferenz.
  • Zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Winkelposition des rotierenden Objektes ist eine Vorrichtung bekannt, wie sie in dem Blockschaltbild in 3 zu sehen ist. Eine solche Vorrichtung wird auch als "Predictive Decision Feedback Equalizer" (pDFE) bezeichnet. Einrotierendes 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 korrelierendes Sensorsignal S1. Das Sensorsignal S1 kann beispielsweise in einem von einem Taktgenerator 17 vorgegebenen Takt CLK 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 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 dem Kodiermuster des rotierenden Objektes 1 in Bezug auf den Sensor 2 korreliert ist. Aus dem Kodiermuster kann die aktuelle Winkelposition abgeleitet werden. Das Ausgangssignal S3 des Schwellwertdekoders 13 stellt gleichzeitig das Ausgangssignal SA der Schaltung dar.
  • 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.
  • 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. Beide Filter 11, 12 sind typischerweise als FIR-Filter ausgebildet und 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 51 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.
  • 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.
  • Die Filtereigenschaften der Filter 11, 12 sind dabei in der Regel durch Filterkoeffizienten bestimmt. Diese Filterkoeffizienten können dabei fest vorgegeben sein, jedoch kann es vorteilhaft sein, alle oder einige der Filterkoeffizienten dynamisch anzupassen, d. h. bei den Filtern 11, 12 handelt es sich um adaptive Filter, deren Filterkoeffizienten mit Hilfe eines bestimmten Algorithmus angepasst werden. Dazu wird mit Hilfe der aktuellen Filterkoeffizienten ein Fehlersignal berechnet und nach Maßgabe des Fehlersignals die Filterkoeffizienten angepasst. Die Anpassung erfolgt solange, bis ein Optimum in Bezug auf die Fehlerfunktion erreicht ist.
  • In 4 ist eine Weiterentwicklung des "Predictive Decision Feedback Equalizer" (pDFE) aus 3 dargestellt. Als rotierendes Objekt 1 ist in diesem Beispiel ebenfalls ein Zahnrad gewählt, wie es auch in 1b dargestellt ist. Dieses ist jedoch ohne Weiteres durch ein Multipolrad, wie es beispielsweise in der 1a dargestellt ist, ersetzbar. Das rotierende Objekt 1 weist ein Kodierungsmuster auf, welches durch die Zähne 5, 6 sowie den zwischen den Zähnen liegenden Lücken gebildet wird. Ein Sensor 2 tastet das Kodiermuster ab und erzeugt ein mit dem Kodiermuster korrelierendes Sensorsignal S1. Das Sensorsignal wird (wie in 3) in einem vorgegebenen Takt, welcher von einem Taktgenerator 17 vorgegeben wird, abgetastet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dieser Taktgenerator 17 in den 4 und 5 nicht mehr dargestellt.
  • Das Sensorsignal S1 wird einem Addierer zugeführt, dessen Ausgangssignal S2, welches ein korrigiertes Sensorsignal darstellt, wiederum einem Schwellwertdetektor 13 zugeführt ist. Der Schwellwertdetektor 13 regeneriert aus dem korrigierten Sensorsignal S2 das Kodierungsmuster des rotierenden Objekts 1 und stellt dieses als Ausgangssignal SA zur Verfügung. Um die oben erwähnten Intersymbolinterferenzen aus dem Sensorsignal S1 zu entfernen, wird das Ausgangssignal SA über Filter 11, 12 auf das Sensorsignal S1 rückgekoppelt. Die gefilterten Signale S5 uns S6 sind (ebenso wie das Sensorsignal S1) dem Addierer 10 zugeführt und werden dort dem Sensorsignal S1 überlagert. Das Ausgangssignal des Addierers 10, also das korrigierte Sensorsignal S2, entspricht dem um den Einfluss der Intersymbolinterferenzen korrigierten Sensorsignal S1. Die Summe der Signale S5 und S6 entsprechen zu jedem Abtastzeitpunkt näherungsweise dem negativen Wert jenes Signalanteils des Sensorsignals S1, der durch die Intersymbolinterferenzen verursacht wird.
  • Diese Intersymbolinterferenzen werden, wie bereits erläutert, durch die dem aktuell empfangenen Symbol folgenden bzw. durch die dem aktuellen Symbol vorangegangenen Symbole verursacht. Gelingt es, aus dem Ausgangssignal SA Signale abzuleiten, welche das vorangegangene und das dem aktuellen Symbol folgende Symbol repräsentieren, können die Intersymbolinterferenzen aus dem Sensorsignal durch destruktive Interferenz mit jenen abgeleiteten Signalen entfernt werden. Das Ergebnis ist ein korrigiertes Sensorsignal S2, welches von Intersymbolinterferenzen befreit ist. Ein Signal, welches das dem aktuellen Symbol vorangegangene Symbol (bzw. die vorangegangenen Symbole) repräsentiert, wird durch das Filter 12 erzeugt. Dessen Ausgangssignal ist das gefilterte Signal S6, welches wiederum dem Addierer 10 zugeführt ist. Um den Einfluss des dem aktuellen Symbol folgenden Symbols zu beseitigen, wird das Ausgangssignal SA einem Prädiktor 14 zugeführt. Dessen Ausgangssignal S4 ist wiederum einem Filter 11 zugeführt ist. Das Ausgangssignal des Filters 11 ist das gefilterte Signal S5, das ebenfalls dem Addierer 10 zugeführt ist. Das gefilterte Signal S5 repräsentiert das dem aktuellen Symbol folgende Symbol (bzw. die folgenden Symbole).
  • Beide Filter 11, 12 sind typischerweise als FIR-Filter ausgeführt und können sowohl gleiche als auch unterschiedliche Filtereigenschaften, d. h. Filterkoeffizienten C12, C11, aufweisen. Der Prädiktor 14 ist deshalb in der Lage, die folgenden Symbole "vorherzusagen", da er einen Speicher aufweist, in dem die Symbolfolge des Kodiermusters abgespeichert ist.
  • Das Übertragungsverhalten von dem Kodiermuster des rotierenden Objekts auf das Sensorsignal S1 ist von einem oder mehreren Übertragungsparametern abhängig, welche im Laufe der Zeit variieren können. Des Weiteren werden aufgrund von Montage- und Fertigungstoleranzen diese Übertragungsparameter nicht bei jeder Messanordnung identisch sein. Aus diesem Grund ist es auch notwendig, die Filterkoeffizienten C11 des Filters 11 und die Filterkoeffizienten C12 des Filters 12 entsprechend dem jeweiligen Übertragungsverhalten von Kodiermuster auf Sensorsignal anzupassen. Erfindungsgemäß geschieht dies mit Hilfe einer Einheit 16 zur Schätzung des übertragungsparameters (oder der Übertragungsparameter) und einer Recheneinheit 19 zur Berechnung der Filterkoeffizienten C11, C12 aus den Übertragungsparametern unter Verwendung eines physikalischen Modells.
  • Typischerweise werden einem weiteren Addierer/Subtrahierer 15 das korrigierte Sensorsignal S2 und das Ausgangsignal SA zugeführt. An seinem Ausgang wird ein Fehlersignal SE bereitgestellt, welches wiederum der Einheit 16 zur Schätzung des Übertragungsparameters zugeführt ist. Das Fehlersignal kann auch durch eine komplexere Funktion als der Addition aus S2 und SA berechnet werden. Ferner können dazu auch zusätzliche Signale wie S1, S5 und S6 verwendet werden.
  • Die Einheit 16 zur Schätzung des Übertragungsparameters stellt den geschätzten Übertragungsparameter der Recheneinheit 19 zur Verfügung, die daraus unter Verwendung des physikalischen Modells die Filterkoeffizienten C11 für den Filter 11 und die Filterkoeffizienten C12 für den Filter 12 neu berechnet. Solange das Fehlersignal SE kein Minimum erreicht hat, sollte eine zielgerichtete Variation des Übertragungsparameters in der Einheit 16 zur Schätzung des Übertragungsparameters eine darauffolgende Verkleinerung des Fehlersignals zur Folge haben. Die Anpassung der Filterkoeffizienten C12 und C11 ist also ein iterativer Prozess, der solange andauert, bis das Fehlersignal SE ein Minimum angenommen hat.
  • In der 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung in 4 lediglich dadurch, dass in der Einheit zur Schätzung des Übertragungsparameters nicht ein, sondern mehrere Übertragungsparameter geschätzt und der Recheneinheit 19 zugeführt werden. Darüber hinaus ist noch ein Temperatursensor 18 vorgesehen, welcher mit der Recheneinheit 19 verbunden ist. Bei der Berechnung der Filterkoeffizienten wird in der Recheneinheit 19 bei diesem Ausführungsbeispiel neben dem geschätzten Übertragungsparametern auch das Temperatursignal T des Temperatursensors 18 berücksichtigt. Selbstverständlich können auch noch beliebige weitere, extern gemessene physikalische Größen bei der Berechnung der Filterkoeffizienten berücksichtigt werden (z.B. Luftfeuchtigkeit, etc.). Ferner können auch weitere physikalische Grössen aus dem Ausgang SA berechnet und der Recheneinheit 19 zur Verfügung gestellt werden. In einer Ausführungsform ist das Ausgangssignal SA der Recheneinheit zugeführt, welche daraus die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objektes 1 berechnet und bei der Berechnung der Filterkoeffizienten berücksichtigt.
  • 6 zeigt die Abhängigkeit des Sensorsignals S1a am Beispiel eines Magnetrades laut 1a von dem Übertragungsparametern "Luftspaltlänge" L. Bei zunehmender Luftspaltlänge wird das empfangene Symbol im Sensorsignal S1 zunehmend breiter. Gleichzeitig wird auch der Einfluss der Intersymbolinterferenzen größer. Abhängig von der jeweiligen Luftspaltlänge L müssen die Filterparameter C11 und C12 angepasst werden, um den Einfluss der Intersymbolinterferenzen korrekt kompensieren zu können.
  • Die Vergrösserung des Luftspaltes bewirkt auch beim Zahnrad laut 1b eine Verbreiterung des empfangenen Symbols.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Auswerten eines Sensorsignals (S1) eines Magnetfeldsensors (2), der beabstandet zu einem um eine Rotationsachse (A) rotierbaren Objekt, welches ein Kodierungsmuster mit einer Folge von Symbolen aufweist, angeordnet ist, wobei das Sensorsignal von dem Kodierungsmuster und mindestens einem Übertragungsparameter (L) abhängt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Regenerieren der Symbole des Kodiermusters aus einem korrigierten Sensorsignal (S2) mit Hilfe eines Schwellwertdetektors (13), um ein Ausgangssignal (SA) zu erhalten, – Erzeugen eines gefilterten Signals (S5, S6) unter Verwendung eines Filters (11, 12) mit mehreren Filterkoeffizienten aus dem Ausgangssignal (SA), – Überlagern des Sensorsignals (S1) mit dem gefilterten Signal (S5, S6), um das korrigierte Sensorsignal (S2) zu erhalten, wobei aus dem korrigierten Sensorsignal (S2) und dem Ausgangssignal (SA) der mindestens eine Übertragungsparameter (L) geschätzt wird und die Filterkoeffizienten aus dem geschätzten Übertragungsparameter abgeleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Übertragungsparameter (L) eine physikalische Größe ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Übertragungsparameter (L) eine Luftspaltlänge ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem aus dem korrigierten Sensorsignal (S2) und dem Ausgangssignal (SA) ein Fehlersignal (SE) erzeugt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zur Erzeugung des Fehlersignals (SE) zusätzlich das Sensorsignal (S1) und/oder die gefilterten Signale (S5, S6) verwendet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der mindestens eine Übertragungsparameter (L) abhängig von dem Fehlersignal (SE) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem unter Verwendung eines von dem mindestens einen Übertragungsparameter abhängigen physikalischen Modells, welches das Übertragungsverhalten von dem Kodiermuster auf das Sensorsignal (S1) beschreibt, der geschätzte Übertragungsparameter so berechnet wird, dass das Fehlersignal (SE) minimal wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem aus dem geschätzten Übertragungsparameter unter Verwendung des physikalischen Modells die Filterkoeffizienten berechnet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Fehlersignal (SE) und die Filterkoeffizienten in regelmäßigen Abständen neu berechnet werden.
  10. Vorrichtung zum Auswerten eines Sensorsignals (S1), mit – einem Magnetfeldsensor (2), der beabstandet zu einem um eine Rotationsachse (A) rotierbaren Objekt (1), welches ein Kodierungsmuster mit einer Folge von Symbolen aufweist, angeordnet ist und der das Sensorsignal (S1) zur Verfügung stellt, welches durch das Kodierungsmuster und mindestens einen Übertragungsparameter (L) bestimmt ist, – einer Überlagerungs-Einheit (10), der das Sensorsignal (S1) und ein mindestens ein gefiltertes (S5, S6) Signal zugeführt ist und die ein korrigiertes Sensorsignal (S2) zur Verfügung stellt, – einem Schwellwertdetektor (13), dem das korrigierte Sensorsignal (S2) zugeführt ist und der die Folge von Symbolen des Kodierungsmuster regeneriert und als Ausgangssignal (SA) zur Verfügung stellt, – einer mehrere Filterkoeffizienten aufweisende Filter-Einheit (11, 12), welche ein gefiltertes Signal (S5, S6) aus dem Ausgangssignal (SA) erzeugt, – einer Einheit (16) zur Schätzung des Übertragungsparameters (L), die dazu ausgebildet ist, aus dem korrigierten Sensorsignal (S2) und dem Ausgangssignal (SA) den Übertragungsparameter (L) zu schätzen, und – einer Recheneinheit (19), die dazu ausgebildet ist, aus dem geschätzten Übertragungsparameter die Filterkoeffizienten zu berechnen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Übertragungsparameter (L) eine physikalische Größe ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der der Übertragungsparameter (L) die Luftspaltlänge zwischen dem rotierbaren Objekt (1) und dem Magnetfeldsensor (2) ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der in der Einheit (16) zur Schätzung des Übertragungsparameters (L) ein von dem Übertragungsparameter (L) abhängiges physikalisches Modell, welches das Übertragungsverhalten von dem Kodiermuster auf das Sensorsignal (S1) beschreibt, implementiert ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der in der Recheneinheit (19) zur Berechnung der Filterkoeffizienten das physikalische Modell implementiert ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, welche einen oder mehrere zusätzliche Sensoren (18) aufweist, deren Ausgangssignale (T) der Recheneinheit zugeführt sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der zumindest einer der zusätzlichen Sensoren (18) ein Temperatursensor ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der das Ausgangssignal SA der Recheneinheit zugeführt ist.
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