DE102010063804A1

DE102010063804A1 - Bestimmen der Winkellage eines drehbaren Teils unter Verwendung eines optischen Bildsensors

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Publication number: DE102010063804A1
Application number: DE102010063804A
Authority: DE
Inventors: Dr. Horn Jan; Sieghard Kotz; Jens Halbedel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines um eine Drehachse drehbaren Teils. Eine zur Drehachse quer stehende Stirnseite des drehbaren Teils umfasst eine optisch erfassbare Struktur. Gemäß dem Verfahren wird ein Oberflächenbild der Stirnseite unter Verwendung eines optischen Bildsensors aufgenommen; die Stirnseite wird also mit dem optischen Bildsensor beobachtet. Durch Auswerten des Bildsignals wird die Orientierung der Struktur und damit die Winkellage des drehbaren Teils bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft die Bestimmung der Winkellage eines um eine Drehachse drehbaren Teils unter Verwendung eines optischen Bildsensors, insbesondere die Bestimmung der Winkellage eines Rotors eines elektrischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug.
Bei der Ansteuerung von Antriebsmaschinen, beispielsweise bei einer elektrischen Maschine eines elektrifizierten Kraftfahrzeugantriebs, ist eine präzise Erfassung der Winkellage der Welle der Antriebsmaschine wichtig.
Zur Erfassung der Winkellage der Welle sind elektromagnetische Messprinzipien (beispielsweise Resolver) oder optische Messprinzipien (beispielsweise Encoder) bekannt. Optischen Messprinzipien basieren häufig auf einer eindimensionalen Signalverarbeitung.
Bei einem elektromagnetischen Resolver zur Bestimmung der Winkellage eines Rotors werden mehrere um jeweils bestimmte Winkel versetzte Statorwicklungen mit zueinander versetzten Wechselspannungen erregt. Anhand der in einer Rotorwicklung induzierten Spannung kann die Stellung des Rotors abgeleitet werden. Elektromagnetisch arbeitende Resolver weisen unter anderem den Nachteil auf, dass diese gegen Montagetoleranzen empfindlich sind; sowohl in axialer Richtung und als auch quer dazu. Außerdem wird im Fall der Messung der Rotorlage eines Elektromotors durch das elektromagnetische Messprinzip die Erregung des Elektromotors beeinflusst.
Optische Absolut-Encoder verwenden absolute Maßverkörperungen, die jeder Position der Welle ein eindeutiges Signalmuster, beispielsweise in Form eines Strichcodes oder eines Matrixcodes, zuordnen. Dieses wird von einem optischen Sensor erfasst.
Aus der Druckschrift DE 40 13 936 A1 ist ein optischer Absolut-Encoder bekannt, welcher zur Bestimmung von Winkel-Inkrementen rotierender Teile dient. Hierzu wird eine auf dem rotierenden Träger aufliegende Bildmaske verwendet, die Codeinformation enthält und von einem optischen CCD-Sensor (CCD – charge-coupled device) in Verbindung mit einem Pixel-Diskriminator ausgelesen wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 004 047 A1 ist ein optischer Drehwinkelsensor bekannt, welcher eine Codescheibe mit binären Codierungsmarkierung in konzentrischen Codespuren auswertet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives, kostengünstig zu realisierendes optisches Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines drehbaren Teils anzugeben, welches ohne die aufwändige Erkennung eines auf dem drehbaren Teil aufgebrachten Codes wie bei einem optischen Encoder auskommt. Außerdem ist es Aufgabe, eine entsprechende Messvorrichtung anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines um eine Drehachse drehbaren Teils (beispielsweise einer Welle, insbesondere Rotorwelle einer elektrischen Maschine, oder Achse). Eine zur Drehachse quer stehende Stirnseite des drehbaren Teils umfasst eine optisch erfassbare Struktur, beispielsweise ein Bild. Gemäß dem Verfahren wird ein Oberflächenbild der Stirnseite unter Verwendung eines optischen Bildsensors aufgenommen; die Stirnseite wird also mit dem optischen Bildsensor beobachtet. Die Bildaufnahme kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen erfolgen, z. B. mit einer Wiederholungsrate von 200 Hz oder 1000 Hz. Durch Auswerten des Bildsignals wird die Orientierung der Struktur und damit der Winkellage des drehbaren Teils bestimmt. Bei einer Wiederholungsrate von f_W = 200 Hz und ein angenommenen Drehzahl von n = 7000 Umdrehungen pro Minute (dies ist ein typischer Wert für die maximale Drehzahl) werden (f_W·60)/n = (200·60)/7000 = 1,714 Bilder pro Umdrehung aufgenommen. Je höher die Wiederholungsrate ist, desto mehr Bilder werden pro Umdrehung aufgenommen und umso präziser ist die Angabe des Drehwinkels. Da die Dynamik der Drehzahländerungen aufgrund der Trägheiten in Antriebssträngen von Fahrzeugen eingeschränkt ist, kann die Aktualisierungsrate der Drehwinkelinformation durch ein zusätzliches Interpolationsverfahren bzw. Trackingverfahren künstlich erhöht werden.
Der Sensor kann auf der Drehachse oder versetzt zur Drehachse montiert werden. Der Sensor kann die ganze Stirnfläche oder nur einen Teil der Stirnfläche erfassen.
Im Unterschied zu der Erkennung eines Codes bei einem optischen Encoder wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also die Orientierung einer optisch erfassbaren Struktur bestimmt, woraus sich dann die Winkellage des drehbaren Teils ergibt.
Das erfindungsgemäße Prinzip bietet gegenüber konventionellen optischen Encodern oder elektromagnetischen Resolvern eine Reihe von Vorteilen: Das Messverfahren ist einfach und kostengünstig realisierbar. Dazu kann beispielsweise preisgünstige und in hohen Stückzahlen produzierte Sensorhardware, die in optischen Mäusen genutzt wird, verwendet werden. Es können beispielsweise einfache optische Bildsensoren, beispielsweise CMOS-Bildsensoren, mit einer Auflösung von kleiner 100·100 Bildpunkten, insbesondere kleiner 40·40 Bildpunkten verwendet werden. Diese Bildsensoren sind kostengünstig und erzeugen pro Bild nur eine geringe Datenmenge, so dass die Datenrate des Bildsensors trotz hoher Bildaufnahme-Frequenz (z. B. 200 Hz oder höher) gering gehalten werden kann. Eine hohe Bildaufnahme-Frequenz ist zur Aufnahme von mehr als einem Bild pro Umdrehung bei hoher Wellendrehzahl (z. B. 6000 Umdrehungen pro Minute) wichtig. Der Bildsensor kann ein Farbsignal liefern, vorzugsweise wird jedoch ein Bildsensor verwendet, der nur ein Graustufenbild aufnimmt; beispielsweise Graustufenwerte mit einer Auflösung von 8 Bit, so dass die Datenmenge gering gehalten wird.
Ferner ist das Messverfahren unempfindlich gegen Montagetoleranzen, sowohl in axialer Richtung und als auch quer dazu. Demgegenüber müssen elektromagnetisch arbeitende Resolver präzise montiert werden, weil sie empfindlich gegenüber unpräziser Montage sind. Eine Kalibration ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht zwingend notwendig.
Aufgrund des bildbasierten Prinzips gibt es vielfältige und einfache Möglichkeiten der Selbstdiagnose der Sensorik beim Aufstarten des Systems und für Überwachungen während des Betriebs. So kann beispielsweise die Radon-Transformierte des aktuellen Bildes zur Bestimmung der Winkellage analysiert werden. Beispielsweise kann die Ausprägung des Maximums in den Spaltenvarianzen der Radon-Transformierten betrachtet werden, um ein Maß für die aktuelle Signalgüte, d. h. die Ausprägung der abgebildeten Textur, zu erhalten. Diese würde die Diagnose einer Verschmutzung der Sensorik oder eines Ausfalls der Beleuchtungseinrichtung ermöglichen.
Montagetoleranzen in Form von Verkippungen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensierbar und können ohne zusätzliche Messapparaturen kalibriert werden (Selbstkalibrierung).
Ferner zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zu einem Resolver durch einen geringeren Leistungsverbrauch aus; außerdem ist keine Fertigung, Beschaffung und keine extrem präzise Montage von Resolverkomponenten erforderlich.
Aufgrund des optischen Prinzips und aufgrund der niedrigen Ströme und Spannungen ist bei der Vermessung der Rotorlage einer elektrischen Maschine keine elektromagnetische Beeinflussung der elektrischen Maschine zu erwarten.
Der vorstehend verwendete Begriff „Orientierung” beschreibt die momentane Ausrichtung der Struktur gegenüber einer vorbestimmten Bezugsausrichtung, die beliebig gewählt sein kann.
Unter dem Begriff „optisch erfassbare Struktur” fallen im Sinne der Anmeldung Bilder, Muster, durch die Oberflächenbeschaffenheit des Materials gebildete Oberflächentexturen (beispielsweise ein bestimmtes Schliffbild) oder andere grafische Strukturen. Die optisch erfassbare Struktur muss nicht zwingend für den Menschen sichtbar sein, sondern kann auch Licht zurückwerten, welches außerhalb des für den Menschen sichtbaren Spektrums liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Struktur um eine durch die Oberflächenbeschaffenheit des Materials hervorgerufene Oberflächentextur (beispielsweise um ein bestimmtes Schliffbild oder um eine Gravur). Die Oberflächentextur ergibt sich typischerweise aus der Unebenheit der Oberfläche und kann beispielsweise beim Fräsen (Frästextur), Sägen (Sägetextur), Sandstrahlen (Sandstrahl-Textur), Schrubben (Schrubb-Textur) oder bei einer sonstigen spanenden Bearbeitung des drehbaren Teils entstanden sein. Eine spanende Bearbeitung ist für eine Textur nicht zwingend; es kann auch Werkzeug zum. Einprägen verwendet werden, welches mit Druck Unebenheiten in der Oberfläche erzeugt. Die Oberflächentextur kann auch vom Kugelstrahlen stammen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem drehbaren Teil um ein Metallteil, insbesondere um eine Welle aus Metall. Die Oberflächentextur wird dadurch sichtbar, dass Licht in Folge der Unebenheit der Oberfläche unterschiedlich zurückgeworfen wird. Unter Oberflächentexturen sind aber auch Strukturen zu verstehen, die nicht zwangsläufig durch Unebenheiten entstehen. Es können auch Strukturen sein, die beispielsweise durch Bearbeitungsschritte entstehen, welche die lokalen Reflektanz- und/oder Streuungseigenschaften von elektromagnetischen Wellen auf der Oberfläche beeinflussen.
Die Oberflächentextur kann während des Herstellungsprozesses des drehbaren Teils beim Freilegen der Stirnseite des drehbaren Teils (beispielsweise durch Verwendung einer Säge, einer Fräse oder eines sonstigen spanenden Werkzeugs) entstanden sein.
Bei der Fertigung des drehenden Teils kann also ein die Unebenheit der Stirnseitenoberfläche reduzierender Bearbeitungsschritt (beispielsweise Schleifen oder Feilen) an der Stirnseite ausgelassen werden, um die durch die Unebenheit hervorgerufene Oberflächentextur (beispielsweise Frästextur oder Sägetextur) für die Winkelerfassung zu nutzen.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Struktur um ein Linienmuster oder Streifenmuster, beispielsweise um ein beim Sägen oder beim Bearbeiten mit einem sonstigen Metallbearbeitungswerkzeug hervorgerufenes Linienmuster/Streifenmuster. Das Linienmuster umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden Linien oder Streifen, insbesondere parallele Linien oder Streifen. Die Struktur kann aber auch nur eine einzige Linie bzw. einen einzigen Streifen umfassen. Die Linien bzw. Streifen sind vorzugsweise im Wesentlichen gerade und parallel. Nichtgerade Linien (Streifen) können nach der Bilderfassung durch Vorverarbeitung in gerade Linien (Streifen) transformiert werden.
Gemäß dem Verfahren wird vorzugsweise die Richtung der Linien, der Streifen, der Linie bzw. des Streifens oder eine dazu orthogonale Richtung durch Auswertung der Bildsignales bestimmt.
Die Orientierung lässt sich beispielsweise dadurch bestimmen, indem eine Radon-Transformation des Oberflächenbildes durchgeführt wird und damit eine Radon-Transformierte erhalten wird. Die Radon-Transformation kann auch auf ein durch eine Vorverarbeitung bestimmtes Oberflächenbild angewandt werden.
Bei der Radon-Transformation wird das Oberflächenbild beispielsweise auf Geraden in der x,y-Ebene mit einem Winkel α (beispielsweise zur x-Achse) projiziert. Zur Bestimmung der Richtung kann beispielsweise der Winkel in der Radon-Transformierten lokalisiert werden, bei dem die höchste Spaltenvarianz auftritt, d. h. bei dem die höchste Varianz im eindimensionalen Projektionssignal auftritt. Dies wird bei der Beschreibung der Zeichnungen noch genauer erläutert werden. Statt der Varianz kann auch ein beliebiges anderes Maß für die Streuung oder Welligkeit innerhalb einer Spalte der Radon-Transformierten verwendet werden.
Vorzugsweise wird bei der Verwendung einer durch die Oberflächenstruktur gebildeten Oberflächentextur statt einer diffusen Belichtung eine gerichtete Belichtung verwendet, wobei das Licht vorzugsweise schräg auf die Stirnfläche einfällt (bevor es reflektiert wird und vom optischen Sensor erfasst wird). Die gerichtete Belichtung in Verbindung mit dem schrägen Lichteinfall bietet den Vorteil, dass sich der sichtbare Kontrast der Oberflächentextur erhöht.
Alternativ kann auch ein Bildgebungsprozess zum Einsatz kommen, der auf Speckle-Mustern der Oberflächentextur basiert.
Bei dem drehenden Teil handelt es sich vorzugsweise um eine Welle. Die Stirnfläche weist vorzugsweise eine Kreisform auf; es ist auch möglich, das Verfahren für eine Hohlwelle einsetzen, bei der die Stirnfläche der Welle einem Kreisring (Rand) entspricht. In diesem Fall kann der optische Sensor beispielsweise versetzt zur Drehachse montiert werden, um den Rand der Hohlwelle zu beobachten.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf eine Messvorrichtung zum Bestimmen der Winkellage eines um eine Drehachse drehbaren Teils gerichtet. Eine zur Drehachse quer stehende Stirnseite des drehbaren Teils zeigt dabei eine optisch erfassbare Struktur. Die Messvorrichtung beinhaltet einen optischen Bildsensor zum Aufnehmen eines Oberflächenbildes der Stirnseite. Außerdem ist eine Auswerteeinheit zum Bestimmen der Orientierung der Struktur und damit der Winkellage des drehbaren. Teils durch Auswerten des Oberflächenbildes vorhanden.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Messvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung und werden daher nachstehend nicht wiederholt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:
1 ein beispielhaftes, schematisches Schaubild zur Messung der Rotorlage bei einer elektrischen Maschine;
2 eine beispielhafte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
3 eine simulierte beispielhafte Sägetextur an der Stirnseite der Welle;
4 ein gering aufgelöstes Bild der Textur aus 3;
5 die Radon-Transformierte des in 4 dargestellten Texturbildes; und
6 die Spaltenvarianz der Radon-Transformierten in Abhängigkeit des Winkels α.
Die Erfindung ermöglicht die optischen Erfassung der Winkellage einer Welle unter Verwendung eines bildbasierten optischen Sensors, d. h. die Winkellage der Welle wird mit Hilfe eines flächenhaften bildgebenden Sensors (beispielsweise einer Kamera) erfasst. Eine bevorzugte Anwendung. der Erfindung ist die Rotorlageerfassung zur Ansteuerung von E-Maschinen in elektrifizierten Antrieben. Das erfinderische Messprinzip eignet sich aber zur Erfassung der Winkellage von beliebigen um eine Achse drehenden Teilen, beispielsweise der Winkellage einer Kurbelwelle bei einem Verbrennungsmotor.
Das erfindungsgemäße Messprinzip geht davon aus, dass eine Stirnseite des drehenden Teils (beispielsweise die Stirnseite der Rotorwelle einer elektrischen Maschine) eine optisch erfassbare Struktur umfasst. Von dieser Stirnseite wird mittels eines flächenhaften bildgebenden optischen Bildsensors ein Oberflächenbild erfasst. Die digitalen Bilddaten werden mittels eines geeigneten Signalverarbeitungsalgorithmus ausgewertet, um die Orientierung der Struktur zu bestimmen. Hierzu können geeignete Verfahren der digitalen Bildverarbeitung eingesetzt werden. Bei dem Verfahren können zur optischen Bilderfassung kostengünstige Sensoren (wie beispielsweise ein optischer Sensor einer optischen Maus) verwendet werden.
1 zeigt ein beispielhaftes, schematisches Schaubild zur Messung der Rotorlage bei einer elektrischen Maschine 1. Die Stirnseite 2 der Rotorwelle 4 weist eine optisch erfassbare Struktur auf. Zur Erfassung der Rotorlage wird eine Stirnseite 2 am Ende der Welle mit einem optischen Sensor 3 beobachtet. Der Bildsensor 3 erfasst in regelmäßigen Zeitabständen (beispielsweise mit einer Bildaufnahmerate von 200 Hz) ein Bild der Stirnseite 2 der Welle 4 und somit ein Bild der verdrehten Welle.
Aus Kosten- und Rechenzeitgründen wird vorzugsweise ein gering auflösender optischer Sensor 3 verwendet, beispielsweise mit einer Auflösung von 3232 Pixeln. Vorzugsweise wird bei der Realisierung eine Sensor- und optional Auswerteelektronik ähnlich einer optischen Maus verwendet. Eine Realisierung mit einem Sensor 3 ähnlich dem einer optischen Maus mit angepasster Bildauswertung erlaubt die Nutzung der attraktiven Kostenstruktur bei diesen Sensoren.
Die mit Hilfe des optischen Sensors 3 erzeugten Bilddaten 5 werden von einer Auswertungseinheit 6 entgegengenommen, die die Bilddaten 5 auswertet.
In der digitalen Auswertungseinheit 6 wird die Orientierung der Struktur (insbesondere ein Rotationswinkel der Struktur) durch Auswertung der Bilddaten 5 und damit die Winkellage β der Welle 4 präzise bestimmt. Der digitale Wert der Winkellage β wird mit einer bestimmten Rate aktualisiert, beispielsweise mit einer Rate von 200 Hz. Optional kann durch einen zusätzlichen, nicht dargestellten Block zur Abtastratenerhöhung (Interpolator bzw. Trackingfilter) die Aktualisierungs- oder Abtastrate des digitalen Werts der Winkellage β erhöht werden (beispielsweise auf 1000 Hz), so dass die Winkelangabe noch genauer wird. Zur Erhöhung der Abtastrate kann ein Kalman-Filter beispielsweise mit den Zustandsgrößen Winkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung verwendet werden. Zwischen den Messzeitpunkten aus dem Bildmaterial wird dann mit der aktuellen Winkelgeschwindigkeit und der aktuellen Winkelbeschleunigung ein Winkel mit einer hohen Abtastrate prädiziert.
Die Winkellage β der Welle kann dann im Steuergerät 8 der elektrischen Maschine 1 verwendet werden. Die Auswerteeinheit 6 kann auch in dem Steuergerät 8 zur Maschinenansteuerung integriert sein.
Optional ist noch eine Belichtungseinrichtung 9 (beispielsweise eine oder mehrere LEDs; LED – light emitting diode) vorgesehen, die die Stirnseite 2 belichtet. Die Belichtungseinrichtung 9 wird von einer Belichtungssteuerung (s. Bezugszeichen 6 in 1) gesteuert. Es können auch mehrere Belichtungseinrichtungen 9 eingesetzt werden. Die Belichtungssteuerung dient beispielsweise zum kurzzeitigen Einschalten der Belichtungseinrichtung während der Belichtungszeit der Bildsensorik („Blitzen”). Ein kurzes Blitzen kann erforderlich sein, damit keine unerwünschte Bewegungsunschärfe im Bild auftritt. Zudem können beispielsweise LEDs im Falle von kurzen Einschaltdauern beim Blitzen über Nennstrom betrieben werden, so dass im Sinne geringerer Kosten für die gleiche Lichtmenge pro Bild weniger LEDs eingesetzt werden können.
Zur Realisierung der optisch erfassbaren Struktur auf der Stirnseite 2 gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Beispielsweise können absichtlich eine oder mehrere typische Metallnachbearbeitungsschritte (z. B. Schleifen, Polieren, Sand-/Kugelstrahlen) an der Stirnseite der Wellen ausgelassen werden, so dass eine durch die Oberflächenstruktur des Materials gebildete Oberflächentextur auf dem Wellenende 2 verbleibt (beispielsweise eine Frästextur oder eine Sägetextur).
Alternativ kann durch absichtliches Bearbeiten der Oberfläche ein Referenzmuster auf das Wellenende 2 (d. h. die Stirnseite) aufgebracht werden, beispielsweise durch zerspannende oder prägende Metallnachbearbeitung (Fräsen von Streifen auf die Stirnseite) oder durch Beschichten der Metalloberfläche 2 (beispielsweise durch Lackieren).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise die Orientierung einer durch die Oberflächenstruktur des Materials gebildete Oberflächentextur (z. B. Säge- oder Frästextur) gemessen werden oder die Orientierung einer durch Beschichten aufgebrachten grafischen Struktur gemessen werden.
2 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Messeinrichtung. Mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente in 1 und 2 entsprechen einander. Die Komponenten 3, 6 und 8 aus 1 sind in 2 zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt. In 2 sind die Stirnseite der Welle 4 sowie ein Sensorchip 3 mit Linse und die Beleuchtung 9 (z. B. LED) von einer Hülle 10 umgeben. Die Hülle 10 dient der Kapselung des sensorischen Teils des Messsystems, beispielsweise als Verschmutzungsschutz (Leitungsdurchführungen in der Hülle 10 sind in 2 nicht dargestellt). Vorteilhafterweise wird die Bildauswertung (d. h. die Auswertung 6 in 1) auch auf dem Sensorchip oder in einem Multi-Chip-Modul zusammen mit dem Sensorchip integriert.
Vorzugsweise wird in 1 und 2 bei Verwendung einer durch die Unebenheit der Oberfläche hervorgerufenen Oberflächentextur statt einer diffusen Belichtung eine gerichtete Belichtung verwendet, wobei das Licht schräg auf die Stirnfläche 2 einfällt (bevor es reflektiert wird und vom optischen Sensor 3 erfasst wird). Die gerichtete Belichtung in Verbindung mit dem schrägen Lichteinfall bietet den Vorteil, dass sich der sichtbare Kontrast der Oberflächentextur erhöht.
Neben den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl von weiteren Ausführungsbeispielen denkbar, beispielsweise kann der Lichtweg über einen oder mehrere Spiegel geführt werden.
Im Folgenden wird beispielhaft anhand von beispielhaften Bilddaten 5 dargestellt, wie die Signalauswertung in der Auswerteinheit 6 vorgenommen werden kann. Es sind jedoch auch beliebige, andere Auswerteverfahren zur Erfassung der Winkellage der Welle 4 denkbar.
3 zeigt eine simulierte beispielhafte Sägetextur, welche beispielsweise in ähnlicher Form auf der Stirnseite 2 sichtbar sein könnte. Die in 3 dargestellte Textur weist parallele Streifen oder Linien auf. In 3 wird die Sägetextur durch ein eindimensionales Zufallssignal simuliert. Statt einer Sägetextur könnte für die nachfolgende Beschreibung aber auch ein beliebiges anderes Linien- oder Streifenmuster verwendet werden. Streifen- oder Linienmuster weisen den Vorteil auf, dass anhand dieser Struktur leicht die Orientierung der Streifen bestimmt werden kann.
4 zeigt ein gering aufgelöstes Bild der Textur aus 3, wobei zusätzlich noch additives Rauschen überlagert wurde. Ein derartiges Bild könnte von dem optischen Sensor 3 erfasst werden. Der optische Sensor 3 weist vorzugsweise zur Vermeidung hoher Kosten und zur Vermeidung einer hohen Datenmenge eine geringe Auflösung auf. In 4 wird ein optischer Sensor 3 mit einer Auflösung von 32·32 Pixeln angenommen. 4 repräsentiert also das niedrig auflösende Bild des Sensors 3, anhand dessen in der Auswerteeinheit 6 die Orientierung der Textur und damit die Winkellage bestimmt werden. Ferner ist in 4 die Richtung der Linien dargestellt (s. Bezugszeichen 20).
Um die Orientierung der Textur festzustellen (beispielsweise die Richtung 20 der Linien/Streifen oder eine dazu orthogonale Richtung 21), wird vorzugsweise die Radon-Transformierte des gering aufgelösten Texturbildes berechnet. Die Radon-Transformation ist auf der Wikipedia-Webseite „http://de.wikipedia.org/wiki/Radon-Transformation” beschrieben; der Offenbarungsgehalt dieser Beschreibung wird hiermit in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung aufgenommen. Bei der Radon-Transformation wird das Oberflächenbild beispielsweise auf Geraden in der x,y-Ebene mit einem Winkel α (beispielsweise zur x-Achse) projiziert.
5 zeigt die Radon-Transformierte des in 4 dargestellten Texturbildes. In horizontaler Richtung ist der Winkel α der jeweiligen Projektionsgeraden angegeben; d. h. die einzelnen Spalten der Radon-Transformierten sind unterschiedlichen Winkeln α zugeordnet. Die Spaltenvarianz ist die Varianz der Werte der Radon-Transformierten innerhalb einer Spalte (d. h. bei gleichem Winkel α). Wie aus 5 ersichtlich ist, tritt bei dem Winkel α = α^* (hier ungefähr 75°) ein Maximum in der Spaltenvarianz der Radon-Transformierten auf. Die Projektionsgerade mit maximaler Spaltenvarianz und dem Winkel α = α^* entspricht der Gerade 21 in 4; diese Projektionsgerade 21 mit dem Winkel α = α^* ist orthogonal zu der Richtung der niedrig aufgelösten Linien in 4. Dass diese Projektionsgerade 21 mit dem Winkel α = α^*, welche orthogonal zur Richtung 20 der Linien ist, mit der maximale Spaltenvarianz verknüpft ist, ergibt sich daraus, dass bei Projektion auf eine zur Linienrichtung orthogonale Gerade sämtliche Farb- oder Helligkeitsunterschiede der einzelnen Linien untereinander in der Projektion erhalten bleiben. Bei Projektion auf eine Projektionsgerade, welche parallel zu der Richtung 20 der Linien, werden die Unterschiede der einzelnen Linien quasi gemittelt, so dass die Varianz minimiert wird. Statt der Varianz kann auch ein beliebiges anderes Maß für die Streuung oder Welligkeit verwendet werden.
Der Winkel α = α^*, bei dem die höchste Spaltenvarianz auftritt, kann als Rotorlage (β = α^*) verwendet werden; alternativ kann auch die dazu um 90° verschobene Richtung der Linien als Rotorlagewinkel verwendet werden (in diesem Fall wird zur Angabe der Rotorlage β der Winkel α^* zusätzlich noch um 90° verschoben). Generell kann zur Angabe der Rotorlage β der über die Radon-Transformation bestimmte Winkel α^* mit maximaler Spaltenvarianz um einen beliebigen festen Offsetwinkel verschoben werden, da die Referenzlage bei einem Rotorwinkel von 0° beliebig festgelegt wird.
Die Mehrdeutigkeit des Winkels α = α^* (und damit der Winkellage der Welle) um 180 Grad kann beispielsweise durch Tracking aufgelöst werden. Hierbei wird die Rotationsbewegung verfolgt, so dass anhand der Historie festgestellt werden kann, ob sich die aktuelle Winkellage nun in dem einen oder in dem anderen 180° breiten Winkelbereich befindet.
6 zeigt die Spaltenvarianz in Abhängigkeit des Winkels α; die Lage des Maximums bei α = α^* (hier ungefähr 75°) kann als Winkellage β der Welle 4 herangezogen werden (alternativ kann natürlich auch ein dazu orthogonaler Winkel oder ein um einen beliebigen festen Offsetwinkel verschobener Winkel als Winkellage β der Welle 4 verwendet werden).
Vorstehend wurde ein Linien-Muster mit geraden Linien ausgewertet. Es wäre auch denkbar, ein Linien-Muster mit gebogenen Linien auszuwerten, wobei in diesem Fall das Linienbild mit den gebogenen Linien durch eine Vorverarbeitung in einen Linienbild mit geraden Linien transformiert wird. Anhand des transformierten Bildes mit den geraden Linien kann wieder die wie vorstehend beschriebene Auswertung vorgenommen werden. Gebogene Linien können z. B. durch Bearbeitung des Wellenendes mit drehenden Fräs- oder Polierwerkzeugen entstehen.
Wenn statt der Orientierung eines Linien-Musters die Orientierung einer beliebigen, auf der Wellenstirnseite 2 befindlichen Struktur (beispielsweise eine Oberflächentextur) bestimmt werden soll, können Verfahren der Bildverarbeitung eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Drehwinkel des aufgenommenen Bildes und damit des drehbaren Teils bestimmt werden, indem ein Fehlermaß e(β) zwischen einem um den Winkel β gedrehten Referenzbild (aufgenommen bei kalibrierten Null Grad Drehwinkel) und dem aufgenommenen Bild über dem Winkel β minimiert wird:
Der Winkel β* in der obigen Gleichung entspricht dem ermittelten Drehwinkel mit minimalen Fehlermaß.
Dabei kann e(β) z. B. die über die Pixel berechnete mittlere quadratische Differenz zwischen dem um den Winkel β gedrehten Referenzbild b_ref,rot(x, y) und dem aufgenommenen Bild b(x, y) sein, beispielsweise in folgender Form:
Es wird also die Differenz die Pixelintensitäten quadriert und die Summe der quadrierten Differenzen über die Pixel gebildet, wobei optional noch die Summe durch die Anzahl N der Pixel dividiert wird.
Die obige Minimierung des Fehlermaßes entspricht dann einer „Least-Squares-Schätzung” des Drehwinkels β*. Alternativ kann natürlich auch ein Fehlermaß zwischen dem Referenzbild und dem um den Winkel β (rückwärts) gedrehten aufgenommenen Bild minimiert werden. Es können auch andere Fehlermaße wie z. B. der Betrag der Differenz der Pixelintensitäten statt der quadrierten Differenz der Pixelintensitäten herangezogen werden. Vorzugsweise werden Graustufen-Pixelintensitäten verarbeitet; es wäre aber auch möglich, eine Auswertung von Farbinformationen vorzunehmen.
Um auch hier eine Unabhängigkeit gegenüber Montagetoleranzen zu erhalten, kann das Fehlermaß abhängig von Parametern angesetzt werden, welche die Montagetoleranzen repräsentieren. Beispielsweise könnte eine exzentrische Montage durch ein Fehlermaß e(β, x, y) erfasst werden, wobei die Parameter x und y die exzentrische Verschiebung in x- bzw. y-Richtung angeben. Allerdings steigt durch die erhöhte Anzahl der Freiheitsgrade die Rechenkomplexität.
Alternativ kann statt einer Minimierung von Fehlermaßen wie dem mittleren quadratischen Fehler auch eine Maximierung von Ähnlichkeitsmaßen wie dem Korrelationskoeffizient durchgeführt werden, um den Drehwinkel β* zu bestimmen.
Obige Minimierung ist zumeist sehr rechenintensiv, da zumindest implizit rotierte Bilder berechnet werden, was typischerweise Koordinatentransformationen und Interpolationen erfordert. Vorteilhaft ist eine Realisierung mit einem Tracking-System des Drehwinkels, bei dem zu jedem Zeitschritt eine modellbasierte Prognose für den gesuchten Drehwinkel vorliegt. Beispielsweise kann der Drehwinkel β(n + 1) zum Zeitpunkt n + 1 aus dem Drehwinkel β(n) zum Zeitpunkt n, einer bekannten Winkelgeschwindigkeit ω und der Zeitdauer Δt zwischen dem Zeitpunkt n + 1 und dem Zeitpunkt n in folgender Form prognostiziert werden: β(n + 1) = β(n) + ωΔt
Folglich muss nur ein sehr kleiner Drehwinkel Δβ (beispielsweise 5°) zwischen einem Referenzbild (bei Null Grad) und dem um den prognostizierten Drehwinkel (rückwärts) gedrehten Kamerabild berechnet werden. Das um den prognostizierten Drehwinkel (rückwärts) gedrehte Kamerabild ist dann ein um den kleinen, noch zu bestimmenden Winkel Δβ gedrehtes Referenzbild. Da nur kleine Drehwinkel zwischen den Bildern zu berechnen sind, können Linearisierungen der zugehörigen Gleichungen vorgenommen werden, so dass gradientenbasierte Methoden eingesetzt werden können, die zumeist weniger rechenintensiv sind. Stattdessen kann natürlich auch der Drehwinkel zwischen dem um den prognostizierten Drehwinkel gedrehten Referenzbild und dem Kamerabild berechnet werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für ein gradientenbasiertes Verfahren beschrieben. Es sei b_ref(x, y) ein Referenzbild, welches in einem Kalibrierschritt z. B. bei 0 Grad Drehwinkel aufgenommen wurde. Weiterhin sei b_pred(x, y) das um den prognostizierten Winkel (rückwärts) gedrehte aufgenommene Bild zu einem bestimmten Messzeitpunkt. Dieses Bild b_pred(x, y) ist dann ein um einen kleinen Winkel Δβ gedrehtes Referenzbild b_ref(x, y). Der kleine Winkel Δβ ist der Prognosefehler des Winkeltrackings.
Es wird nun aus einem im Speicher des Steuergeräts abgelegten Referenzbild b_ref(x, y) und dem Bild b_pred(x, y) der Prädiktionsfehler Δβ bestimmt, um den Drehwinkel β* zu erhalten.
Da das prädizierte Bild b_pred(x, y) eine um den Prädiktionsfehler Δβ gedrehte Version von b_ref(x, y) ist, gilt: b_pred(x, y) = b_ref(x cos Δβ – y sin Δβ, x sin Δβ + y cos Δβ).
Unter der Annahme, dass Δβ klein ist („gute” Prädiktion des Drehwinkels durch Tracking-Filter), können die Sinus- und Kosinusfunktionen linearisiert werden. Mit den Linearisierungen cos Δβ = 1 und sin Δβ = Δβ folgt: b_pred(x, y) ≈ b_ref(x – yΔβ,y + xΔβ).
Dieses Bild b_ref(x – yΔβ,y + xΔβ) wird in eine Taylorreihe bis zur ersten Ableitung entwickelt:
Damit lässt sich die Differenz zwischen dem prädizierten Bild b_pred(x, y) und dem Referenzbild b_ref(x, y) folgendermaßen ausdrücken:
Diese Gleichung (Approximation) lässt sich für alle Pixel aufstellen. Der zu schätzende Parameter Δβ kann dann über verschiedene Standard-Schätzverfahren (z. B. Least-Squares) berechnet werden.
Vorteil des gradientenbasierten Verfahrens ist eine extrem geringe Rechenkomplexität und Einsetzbarkeit bei schwachen Texturen ohne Vorzugsrichtungen oder ohne linienartige Strukturen. Die örtlichen Ableitungen des Bildsignals
können sogar vorab berechnet und gespeichert werden, wobei die Werte im Betrieb dann nur abgerufen werden. Nachteil dieser hier aufgeführten Variante des gradientenbasierten Verfahrens ist, dass die Unabhängigkeit des Verfahrens gegenüber Montagetoleranzen geringer wird, insbesondere bei exzentrischer Montage der Sensorik. Eine exzentrische Montage (in Bildkoordinaten ein Versatz in x- und y-Richtung) kann aber ohne zusätzliche Sensorik z. B. bei der Fahrzeugmontage einfach herauskalibriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4013936 A1 [0006]
DE 102008004047 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Radon-Transformation [0057]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Winkellage (β) eines um eine Drehachse drehbaren Teils (4), wobei eine zur Drehachse quer stehende Stirnseite (2) des drehbaren Teils (4) eine optisch erfassbare Struktur zeigt, mit den Schritten: – Aufnehmen eines Oberflächenbildes der Stirnseite (2) unter Verwendung eines optischen Bildsensors (3); und – Bestimmen der Orientierung der Struktur und damit der Winkellage (β) des drehbaren Teils durch Auswerten der Oberflächenbilddaten (5).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das drehbare Teil (4) eine Welle, insbesondere eine Rotorwelle einer elektrischen Maschine für den elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur eine durch die Oberflächenbeschaffenheit des Materials gebildete Oberflächentextur ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Oberflächentextur während des Herstellungsprozesses des drehbaren Teils beim Freilegen der Stirnseite des drehbaren Teils entstanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3–4, wobei die Oberflächentextur eine Sägetextur, eine Frästextur, eine Sandstrahl-Textur, eine Kugelstrahl-Textur, eine Schrupp-Textur oder eine Textur einer sonstigen Metallbearbeitung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden Linien oder Streifen oder eine Linie oder einen Streifen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch Auswertung des Oberflächenbildes die Richtung (20) der Linien, der Streifen, der Linie bzw. des Streifens oder eine dazu orthogonale Richtung (21) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertung des Oberflächenbildes umfasst: – Durchführen einer Radon-Transformation des Oberflächenbildes oder eines durch Vorverarbeitung von dem Oberflächenbild abgeleiteten Bildes, wobei eine Radon-Transformierte erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Auswertung des Oberflächenbildes ferner umfasst: – Bestimmen der Winkellage (α^*) mit dem größten Betrag eines Streuungs- oder Welligkeitsmaßes in den Spalten der Radon-Transformierten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–7, wobei die Auswertung des Oberflächenbildes umfasst: – Bestimmen des Drehwinkels mit einem minimalen Fehlermaß oder maximalen Ähnlichkeitsmaß – zwischen einem um den Drehwinkel gedrehten Referenzoberflächenbild und dem aufgenommenen Oberflächenbild oder – zwischen einem Referenzoberflächenbild und dem um den Drehwinkel gedrehten Oberflächenbild.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–7, wobei die Auswertung des Oberflächenbildes umfasst: – Prognostizieren eines Drehwinkels zu einem Zeitpunkt unter Verwendung eines Drehwinkels zu einem früheren Zeitpunkt; – Bestimmen eines Prognosefehler-Drehwinkels – zwischen einem Referenzoberflächenbild und dem um den prognostizierten Drehwinkel gedrehten aufgenommenen Oberflächenbild oder – zwischen einem um den prognostizierten Drehwinkel gedrehten Referenzoberflächenbild und dem aufgenommenen Oberflächenbild.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Bildsensor (3) ein Bild mit einer Auflösung von kleiner 100·100 Bildpunkten, insbesondere kleiner 40·40 Bildpunkten, aufnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in regelmäßigen Zeitabständen ein Oberflächenbild der Stirnseite (2) aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stirnseite (2) mit einer gerichteten Belichtung belichtet wird und das Licht schräg auf die Stirnseite trifft.
Messvorrichtung zum Bestimmen der Winkellage (β) eines um eine Drehachse drehbaren Teils (4), wobei eine zur Drehachse quer stehende Stirnseite (2) des drehbaren Teils eine optisch erfassbare Struktur zeigt, umfassend: – einen optischen Bildsensor (3) zum Aufnehmen eines Oberflächenbildes der Stirnseite (2); und – eine Auswerteeinheit (6) zum Bestimmen der Orientierung der Struktur und damit der Winkellage (β) des drehbaren Teils (4) durch Auswerten der Oberflächenbilddaten (5).