DE102008039333A1 - Rotating structure i.e. rotary disk, rotating angle measuring method for e.g. aircraft, involves determining arc tangent of division in analog manner using specific function, where determined arc tangent corresponds to angle of structure - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Messtechnik, genauer der Winkelmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur analogen Winkelsignalauswertung mittels Messung der X- und Y-Komponente eines magnetischen Feldes, welches dem zu messenden Winkel eindeutig zugeordnet ist.The This invention relates to the field of metrology, more specifically to angle measurement. In particular, the invention relates to a method and a device for analogue angle signal evaluation by measuring the X and Y component a magnetic field, which is the angle to be measured clearly assigned.
Stand der Technik und NachteileState of the art and disadvantages
Verfahren und Vorrichtungen zu Winkelmessung sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Messung kommen neben rein mechanischen Verfahren insbesondere auch elektromechanische Verfahren zum Einsatz oder solche, die dem Winkel eine bestimmte Anzahl elektrooptischer Impulse zuordnen, beispielsweise durch die Verwendung entsprechend kodierter Drehscheiben. Dementsprechend lassen sich inkrementelle von kontinuierlichen Messverfahren unterscheiden.method and devices for angle measurement are sufficient known in the art. For measurement come next to purely mechanical Method in particular also electromechanical method used or those that give the angle a certain number of electro-optical Assign impulses, for example by using them accordingly encoded turntables. Accordingly, incremental can be different from continuous measuring methods.
Je nach Einsatzgebiet werden Drehwinkelgeber benötigt, die mehrfache, auch sehr schnelle Drehungen sicher erfassen können, oder auch solche, die nur für einen eingeschränkten Winkelbereich bzw. langsame Winkeländerungsgeschwindigkeiten einsetzbar sind. Es liegt auf der Hand, dass die für den letztgenannten Bereich nutzbaren Vorrichtungen im Allgemeinen kostengünstiger herstellbar sind als für den erstgenannten.ever according to application rotary encoder are needed, the can capture multiple, even very fast turns, or even those only for a limited Angular range or slow angle change speeds can be used. It is obvious that for the The latter range of usable devices is generally more cost effective can be produced than for the former.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels besteht in der Kopplung des drehbaren Gegenstandes, beispielsweise einer Lüftungsklappe, mit einem als Stabmagneten ausgebildeten Feldgenerator, der ein (in dessen Stärke konstantes) magnetisches Feld erzeugt. Das magnetische Feld, dessen Ausrichtung von der Position des drehbaren Gegenstandes bevorzugt proportional abhängig ist, ist dabei in eine X- und Y-Komponente zerlegbar. Diese einzelnen Komponenten werden dann beispielsweise mittels einer magnetoresistiven Brückenschaltung erfasst.One known method for determining a rotation angle consists in the coupling of the rotatable object, for example a ventilation flap, with a trained as a bar magnet field generator, the one (in its strength constant) generates magnetic field. The magnetic field whose orientation depends on the position of the rotatable Subject matter is preferably proportional depends is can be dismantled into an X and Y component. These individual components are then for example by means of a magnetoresistive bridge circuit detected.
Am
Ausgang der Brückenschaltung erhält man dann die
Spannung
Diese
Spannungen enthalten dabei einen Gleichanteil U=,
der beispielsweise durch einen Abgleich eliminiert werden kann.
Durch eine Division der Spannungen erhält man
Durch Fertigungstoleranzen oder aufgrund der häufig schwer bestimmbaren genauen Orientierung des oben genannten Stabmagneten ist dem Winkel Φ häufig ein Offset Φ0 überlagert, der zu beseitigen ist.Due to manufacturing tolerances or due to the often difficult to determine precise orientation of the above-mentioned bar magnet angle Φ often an offset Φ 0 is superimposed, which is to be eliminated.
Die Berechnung der beschriebenen Funktionen geschieht gewöhnlich durch die Digitalisierung der beiden Brückensignale mittels zwei A/D-Wandlerkanälen und unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors. Auf diese Weise ist es möglich, die Berechnungen sehr genau und mit einer hohen Taktrate (Signalbandbreite) auszuführen. Insbesondere ab Taktraten von einigen Kilohertz werden jedoch aufwändige Schaltungen benötigt, die entsprechend hohe Kosten verursachen.The Calculation of the functions described is usually done by digitizing the two bridge signals by means of two A / D converter channels and using a digital Signal processor. In this way it is possible to do the calculations very accurately and with a high clock rate (signal bandwidth). However, starting at clock rates of a few kilohertz, however, expensive Circuits needed, which cause correspondingly high costs.
Eine
derartige Winkelmessvorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt
beispielsweise die Druckschrift
Aufgabe der Erfindung und LösungObject of the invention and solution
Die Aufgabe der Erfindung ist demnach, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitstellen, mit welchem bzw. mit welcher die Messung eines Drehwinkels sowohl für niedrige als auch für hohe Bandbreiten möglich und unter möglichst niedrigen Kosten realisierbar ist.The The object of the invention is therefore a method and a device which overcomes the disadvantages of the prior art. In particular, the invention is a method and an apparatus provide, with which or with which the measurement of a rotation angle for both low and high bandwidths possible and feasible at the lowest possible cost is.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 sowie die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.The The object is achieved by the features of the invention A method according to claim 1 and the features of the invention Device solved according to claim 11.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.Further preferred embodiments are dependent Claims and the following detailed description and to take the figures.
Beschreibungdescription
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden detailliert erläutert.The inventive method will be detailed below explained.
Die Winkelmessung einer drehenden Struktur erfolgt erfindungsgemäß mittels einer Messung der X- und Y-Komponente eines magnetischen Feldes, welches dem Winkel eindeutig zugeordnet ist. Das magnetische Feld kann dabei durch einen beliebigen Feldgenerator bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
- (a) Analoge Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes mit einer magnetoresistiven Brückenschaltung;
- (b) Analoge Division der beiden Komponenten des magnetischen Feldes;
- (c) Analoge Ermittlung des Arcustangens der Division;
- (a) Analog measurement of the X and Y component of the magnetic field with a magnetoresistive bridge circuit;
- (b) analogous division of the two components of the magnetic field;
- (c) analog determination of the arctangent of the division;
Das Berechnungsergebnis des Schrittes (c) entspricht dabei dem gesuchten Winkel Φ. Die zur Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes und zur Durchführung der Berechnungen benötigten Komponenten werden später im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung genauer beschrieben. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sämtliche Berechnungsvorgänge mittels analoger Schaltungen durchgeführt werden. Durch die Verwendung analoger Komponenten kann einerseits eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden, wobei andererseits die Kosten für die entsprechenden Komponenten deutlich geringer sind als für Komponenten, die eine Signalverarbeitung auf digitaler Basis durchführen.The Calculation result of step (c) corresponds to the searched Angle Φ. For measuring the X and Y component of the magnetic Field and components needed to perform the calculations be later in the context of the invention Device described in more detail. According to the invention provided that all calculation operations be carried out by means of analog circuits. By The use of analog components can on the one hand a high processing speed on the other hand, the cost of the corresponding Components are significantly lower than for components, which perform a signal processing on a digital basis.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen den Schritten (a) und (b) noch ein Schritt eingefügt, in welchem ein eventuell vorhandener Gleichanteil eliminiert wird. Dies wird besonders bevorzugt durch einen Abgleich erreicht.To A preferred embodiment is between the steps (a) and (b) a step inserted in which a any existing DC component is eliminated. This will be special preferably achieved by a balance.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zwischen den Schritten (b) und (c) noch ein Schritt eingefügt, in welchem ein eventuell vorhandener Offset des Winkels beseitigt wird. Ein Offset des Winkels entspricht dabei einer Verdrehung des Koordinatensystems um den Nullpunkt (0, 0), welche durch geeignete Rechenoperationen, wie später gezeigt, beseitigt werden kann.To Another preferred embodiment is between a step is added to steps (b) and (c), in which any existing offset of the angle is eliminated. An offset of the angle corresponds to a rotation of the coordinate system around the zero point (0, 0), which is determined by suitable arithmetic operations, as shown later, can be eliminated.
Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die im
Schritt (c) genannte analoge Ermittlung des Arcustangens angenähert
(approximiert). Für kleine Winkel kann nämlich
die exakte Berechnung, zu der entsprechend aufwändige Berechnungseinrichtungen
wie z. B. Mikrocontroller notwendig sind, durch folgenden Term angenähert
werden, der besonders einfach durch eine analoge Schaltung darstellbar
ist:
Besonders bevorzugt wird die analoge Ermittlung des Arcustangens mittels analoger Multilplizierer, Addierer und Operationsverstärker durchgeführt.Especially the analog determination of the arctangent is preferred by means of analogous Multilplierierer, adder and operational amplifier performed.
Die Koeffizienten a1 und a3 müssen dabei zunächst separat ermittelt werden.The coefficients a 1 and a 3 must first be determined separately.
Besonders
bevorzugt ist das Ziel der Ermittlung, dass der mittlere Fehler
Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassung der Koeffizienten a1 und a3 mittels Simulation. Alternativ kann die Anpassung auch durch Versuche oder durch analytische Untersuchungen erfolgen.Particularly preferably, the adaptation of the coefficients a 1 and a 3 takes place by means of simulation. Alternatively, the adaptation can also be carried out by experiments or by analytical investigations.
Zur Minimierung des Fehlers F ist es aufgrund der Punktsymmetrie der Arcustangens-Funktion zum Ursprung (x, y) = (0, 0) nötig, den Offset Φ0 zu minimieren, bzw. das Eingangssignal offsetfrei zu machen. Der in Form der oben erwähnten Verdrehung des Koordinatensystems um einen Winkel Φ0 vorliegende Offset kann durch eine Rücktransformation der Form beseitigt werden.To minimize the error F, due to the point symmetry of the arctangent function to the origin (x, y) = (0, 0), it is necessary to minimize the offset Φ 0 , or to make the input signal offset-free. The offset in the form of the above-mentioned rotation of the coordinate system by an angle Φ 0 offset can be achieved by an inverse transformation of the form be eliminated.
Für den Fall kleiner Winkel ist es möglich, die Rücktransformation durch eine Annäherungslösung approximiert wird. Dies kann beispielsweise mittels der Funktion erreicht werden, die ohne die aufwändige Berechnung der Sinus- und Cosinusterme auskommt und die bekannte Annäherung nutzt, dass für kleine Winkel der Cosinus in etwa 1 ist und der Sinus eines Winkels in etwa dem Winkel selber entspricht.In the case of small angles, it is possible to approximate the inverse transformation by an approximation solution. This can be done, for example, by means of the function can be achieved without the elaborate calculation of the sine and cosine pattern and uses the well-known approach that for small angles of the cosine is about 1 and the sine of an angle corresponds approximately to the angle itself.
Besonders bevorzugt werden zur schaltungstechnischen Realisierung der oben genannten Rechenoperationen Operationsverstärker und analoge Multiplizierer verwendet. Nach einer weiteren Ausführungsform wird daher die zur Normierung notwendige Division durch einen Multiplizierer im Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers realisiert.Especially are preferred for circuit implementation of the above mentioned arithmetic operations op amp and analog Used multiplier. According to another embodiment is therefore the division necessary for normalization by a multiplier in the feedback branch of an operational amplifier realized.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Messung von Drehwinkeln geeignet, die einen Bereich von einigen 10 Grad umfassen. Dementsprechend kann der maximale Messwinkel bei unidirektionaler Abweichung von einer Nulllage ca. 90 Grad, und bei einer bidirektionalen Abweichung von einer Nulllage ca. ±45 Grad betragen.The inventive method is in particular to Measurement of rotation angles suitable, which covers a range of some 10 degrees. Accordingly, the maximum measurement angle at unidirectional deviation from a zero position about 90 degrees, and with a bidirectional deviation from a zero position approx. ± 45 Degrees.
Die Erfindung offenbart weiter eine Vorrichtung zur Winkelmessung einer drehenden Struktur mit einem magnetischen Feld zur Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes, welches dem zu messenden Winkel der Struktur eindeutig zugeordnet ist. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Komponenten:
- – einen Feldgenerator zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in Abhängigkeit des zu messenden Winkels;
- – eine Feldmesseinrichtung zur Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes;
- – eine Berechnungseinrichtung zur Berechnung des Winkels aus den X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes.
- A field generator for generating a magnetic field as a function of the angle to be measured;
- - A field measuring device for measuring the X and Y component of the magnetic field;
- - A calculation device for calculating the angle of the X and Y component of the magnetic field.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Berechnungseinrichtung im Wesentlichen aus analogen Schaltungskomponenten aufgebaut ist.According to the invention provided that the calculation device substantially is constructed of analog circuit components.
Der Feldgenerator kann dabei bevorzugt ein Stabmagnet sein. Dieser Stabmagnet kann dabei besonders bevorzugt die Form einer Scheibe haben, von der eine Hälfte den Südpol und die andere Hälfte den Nordpol bildet. Alternativ kann der Stabmagnet auch eine andere Form haben, die geeignet ist, ein Magnetfeld zwischen den beiden Polen herauszubilden, dessen Drehung zu einer Änderung der magnetischen Feldstärke bzw. ihrer Ausrichtung führt.Of the Field generator can preferably be a bar magnet. This bar magnet can particularly preferably have the shape of a disc of one half the south pole and the other half forms the north pole. Alternatively, the bar magnet also another Have shape that is capable of a magnetic field between the two To transform Poland, whose turn to a change the magnetic field strength or their orientation leads.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Messung der X- und Y-Komponente des magnetischen Feldes zwei magnetoresitive Brücken umfasst. Alternativ können selbstverständlich auch alle anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren bzw. Schaltungen verwendet werden, um die X- und die Y-Komponente des sich ändernden magnetischen Feldes zu messen.It is further preferred that the device for measuring the X and Y component of the magneti field comprises two magnetoresitive bridges. Alternatively, of course, any other measurement technique known in the art may be used to measure the X and Y components of the changing magnetic field.
Die erfindungsgemäß vorhandene Berechnungseinrichtung, mit der die dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden Berechnungen durchgeführt werden, umfasst besonders bevorzugt im Wesentlichen Operationsverstärker und analoge Multiplizierer. Es ist klar, dass daneben notwendigerweise auch Elemente wie elektrische Leitungen, eine Energieversorgung etc. vorhanden sein müssen. Durch die Verwendung ausschließlich analoger Schaltungselemente wird dabei sichergestellt, dass die Kosten der Berechnungseinheit niedrig bleiben, da auf teurere digitale Komponenten vollständig verzichtet werden kann. Des Weiteren bieten die analogen Schaltungen eine sehr hohe Berechnungsgeschwindigkeit, so dass auch schnelle Winkeländerungen bzw. große Signalbandbreiten durch die Schaltung abgedeckt werden.The Inventive calculation device, with the corresponding method of the invention Calculations are particularly preferred essentially opamps and analog multipliers. It is clear that beside it necessarily also elements like electrical Lines, a power supply, etc. must be present. By using only analog circuit elements This ensures that the costs of the calculation unit are low Stay tuned for more expensive digital components can be waived. Furthermore, the analog circuits provide a very high calculation speed, so that too fast Angle changes or large signal bandwidths be covered by the circuit.
In
diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass die in der
Berechnungseinrichtung eingesetzten Operationsverstärker
und analogen Multiplizierer die Funktion atan(x) ≈ a1·x + a3·x3 annähern. In diesem Zusammenhang
sei auf die
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. In diesem Gebiet ist insbesondere die Zuverlässigkeit einfacher analoger Schaltungen gegenüber komplexen und oft fehleranfälligen digitalen Schaltungen von besonderer Wichtigkeit.Especially the device according to the invention is preferred used in the aerospace industry. In this area In particular, the reliability is simpler analog Circuits versus complex and often error prone Digital circuits of particular importance.
Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, mit welchem bzw. mit welcher die Messung eines Drehwinkels sowohl für niedrige als auch für hohe Bandbreiten möglich ist. Im Vergleich zu digitalen Schaltungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch unter niedrigen Kosten realisierbar.The The invention provides a method and an apparatus with which or with which the measurement of a rotation angle for both low as well as high bandwidths possible is. Compared to digital circuits, the inventive Device using the invention Process can also be realized at low cost.
FigurenübersichtLIST OF FIGURES
Figurenbeschreibungfigure description
Die
Seitlich
neben dem Feldgenerator
Die
An den links dargestellten Eingängen liegen die mit dem Offset Φ0 überlagerten Spannungen Ux' und Uy' an. Außerdem liegt der Gleichanteil U= an.At the inputs shown on the left are superimposed with the offset Φ 0 voltages U x 'and U y ' on. In addition, the DC component U = is on.
Der restliche Teil der linken Hälfte der Schaltung dient der Umsetzung der Rücktransformation des um Φ0 gedrehten Koordinatensystems, sowie der Umsetzung der Quotientenbildung gemäß Gl. 3. Am Ausgang dieses Teils der Schaltung liegt erfindungsgemäß das Ergebnis der Gl. 3 an.The remaining part of the left half of the circuit is used to implement the inverse transformation of the rotated by Φ 0 coordinate system, as well as the implementation of the quotient formation according to Eq. 3. At the output of this part of the circuit according to the invention is the result of Eq. 3 on.
Die
rechte Hälfte der Schaltung dient der Umsetzung der in
Gl. 5 dargestellten Ersatzfunktion für den Arcustangens,
welche die Berechnung des Arcustangens annähert und insbesondere
für kleine Winkel (einige 10 Grad) ausreichende Genauigkeit
bietet. Durch Verwendung des Ersatzkoeffizienten b1 gemäß der
Formel
Alle Komponenten der beiden Teile der Gesamtschaltung bestehen aus einfachen Operationsverstärkern und analogen Multiplizierern. Digital arbeitende Komponenten wie z. B. A/D-Wandler sind hingegen nicht notwendig. Auf diese Weise kann eine besonders kostengünstige Realisierung der Schaltung erfolgen. Gleichzeitig bieten die analogen Komponenten eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, so dass auch hohe Signalbandbreiten verarbeitet werden können, ohne auf teure, digital arbeitende Komponenten zurückgreifen zu müssen.All Components of the two parts of the overall circuit consist of simple Operational amplifiers and analog multipliers. Digital working components such. B. A / D converter, however, are not necessary. In this way, a particularly cost-effective implementation the circuit is done. At the same time provide the analog components a high processing speed, so that also high signal bandwidths can be processed without relying on expensive, digitally working To have to resort to components.
- 11
- Feldgeneratorfield generator
- 22
- FeldmesseinrichtungField measuring device
- 3A, 3B3A, 3B
- magnetoresitive Brückemagnetoresistive bridge
- ΦΦ
- Winkelangle
- Φ0 Φ 0
- Offsetoffset
- FF
- Fehlererror
- a1, a3 a 1 , a 3
- Koeffizientencoefficients
- b1 b 1
- Ersatzkoeffizientreplacement coefficient
- Ux U x
- X-Komponente der SpannungX component the tension
- Uy U y
- Y-Komponente der SpannungY component the tension
- NN
- NordpolNorth Pole
- SS
- SüdpolSouth Pole
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Claims (17)
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- 2008-08-22 DE DE200810039333 patent/DE102008039333A1/en not_active Withdrawn
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