DE102013113870A1

DE102013113870A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung eines periodischen Messsignals

Info

Publication number: DE102013113870A1
Application number: DE102013113870.5A
Authority: DE
Inventors: Manfred Herz; Hartmut Scherner
Original assignee: IC Haus GmbH
Current assignee: IC Haus GmbH
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines periodischen, insbesondere sinusförmigen oder cosinusförmigen, Messsignals (M, US, UC) einer Messvorrichtung (1) zur Messung einer Drehstellung eines Objekts (13), wobei das Messsignal (M, US, UC) während einer Umdrehung des Objekts (13) zwei Perioden durchläuft und wobei ein Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen (ΔA, ΔU) des Messsignals (M, US, UC) von einem vorgegebenen Signalverlauf bestimmt wird, wobei für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung jeweils ein Korrekturparameter bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines periodischen, insbesondere sinusförmigen oder cosinusförmigen, Messsignals einer Messvorrichtung zur Messung einer Drehstellung eines Objekts, wobei das Messsignal während einer Umdrehung des Objekts zwei Perioden durchläuft und wobei ein Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen des Messsignals von einem vorgegebenen Signalverlauf bestimmt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine integrierte Schaltungsanordnung zur Aufbereitung eines periodischen, insbesondere sinusförmigen oder cosinusförmigen, Messsignals einer Messvorrichtung zur Messung einer Drehstellung eines Objekts, wobei das Messsignal während einer Umdrehung des Objekts zwei Perioden durchläuft und wobei die integrierte Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass ein Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen des Messsignals von einem vorgegebenen Signalverlauf bestimmt wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Messvorrichtung zur Messung einer Drehstellung eines Objekts, mit welcher ein periodisches, insbesondere sinusförmiges oder cosinusförmiges, Messsignal erzeugbar ist, das während einer Umdrehung des Objekts zwei Perioden durchläuft.
Zur Erfassung der Drehstellung von Objekten werden oftmals Messvorrichtungen mit Sensoren eingesetzt, die bei Drehung der Objekte periodische Messsignale erzeugen, beispielsweise Sinus- oder Cosinussignale. In der Messvorrichtung werden die periodischen Messsignale ausgewertet, um Rückschlüsse auf die Drehstellung des Objekts zu ziehen.
Eine solche Messvorrichtung wird beispielsweise in der DE 34 28 790 A1 beschrieben. Diese Messvorrichtung weist eine Lichtquelle auf, deren Licht durch einen ersten Polarisationsfilter tritt. Dieser erste Polarisationsfilter ist mit dem drehbaren Objekt 13 verbunden, dessen Drehstellung ermittelt werden soll. Das durch den ersten Polarisationsfilter linear polarisierte Licht wird durch einen Sensor detektiert, welcher hinter einem zweiten, feststehenden Polarisationsfilter angeordnet ist. Aufgrund der Drehung der beiden Polarisationsfilter gegeneinander wird durch den Sensor ein der Intensität des empfangenen Lichts entsprechendes, periodisches Messsignal erzeugt, welches während einer Umdrehung des Objekts zwei Perioden durchläuft.
Bei dieser Messvorrichtung ist der Signalverlauf idealerweise sinusförmig. Abweichungen des Messsignals von diesem idealen Signalverlauf schränken die mit der Messvorrichtung erreichbare Genauigkeit ein. Daher werden in derartigen Messvorrichtungen oftmals Schaltungsanordnungen eingesetzt, mit welchen das periodische Messsignal aufbereitet wird. In diesen Schaltungsanordnungen wird üblicherweise ein Korrekturparameter bestimmt, durch welchen wiederkehrende Abweichungen des Messsignals von einem vorgegebenen Signalverlauf, z. B. einem idealen Sinussignal, korrigiert werden. Das korrigierte Messsignal wird einer Auswerteschaltung zugeführt, welche die Drehstellung des Objekts berechnet.
Allerdings liefern bekannte Aufbereitungsverfahren bei Messvorrichtungen der eingangs genannten Art keine befriedigenden Ergebnisse. Durch die Korrektur kann es zu übermäßig starken Veränderungen des Messsignals und damit eher zu stärkeren Abweichungen von dem vorgegebenen Signalverlauf kommen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die Korrektur von Abweichungen des Messsignals von dem vorgegebenen Signalverlauf zu verbessern.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung jeweils ein Korrekturparameter bestimmt wird.
Für die erste und die zweite elektrische Periode jeder mechanischen Umdrehung des Objekts, wird ein eigener Korrekturparameter bestimmt, so dass die beiden Perioden unabhängig voneinander korrigiert werden können. Insofern wird es möglich, dass ein erster Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen innerhalb der ersten Periode und ein zweiter Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen innerhalb der zweiten Periode bestimmt wird. Hierdurch kann die Erkennung von Abweichungen periodenspezifisch erfolgen, wodurch eine verbesserte Korrektur von Abweichungen von einem vorgegebenen Signalverlauf ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es, wenn zur Bestimmung eines ersten Korrekturparameters die erste Periode und zur Bestimmung eines zweiten Korrekturparameters die zweite Periode ausgewertet wird. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die beiden Perioden des Messsignals, welche während einer Umdrehung des Objekts durchlaufen werden, unabhängig voneinander analysiert werden. Zur Bestimmung eines Korrekturparameters kann jeweils nur diejenige Periode betrachtet werden, die mit Hilfe des Korrekturparameters korrigiert werden soll. Bevorzugt wird der Verlauf des Messsignals in der vorhergehenden und der nachfolgenden Periode zur Bestimmung des Korrekturparameters nicht herangezogen. Die unabhängig für die erste und die zweite Periode bestimmten Korrekturparameter können zur Korrektur von Abweichungen in der jeweils übernächste Periode verwendet werden.
Im Hinblick auf die Implementierung des Verfahrens in einer Messvorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Korrekturparameter in separaten Speichereinrichtungen gespeichert und/oder aus separaten Speichereinrichtungen ausgelesen werden. Hierdurch können die Korrekturparameter während der Messung parallel vorgehalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Korrekturparameter abwechselnd in die Speichereinrichtungen gespeichert und/oder ausgelesen werden. Der während der ersten Periode des Messsignals ermittelte, erste Korrekturparameter kann in einer ersten Speichereinrichtung gespeichert werden. Der während der zweiten Periode des Messsignals ermittelte, zweite Korrekturparameter entsprechend in eine zweite Speichereinrichtung gespeichert werden. Zur Korrektur des Messsignals wird während der ersten Periode des Messsignals der erste Korrekturparameter aus der ersten Speichereinrichtung und während der zweiten Periode des Messsignals der zweite Korrekturparameter aus der zweiten Speichereinrichtung ausgelesen. Zum Zugriff auf die Speichereinrichtungen kann eine Schaltung eingesetzt werden, die nach Art eines Ping-Pong-Zugriffs zwischen den beiden Speichereinrichtungen hin- und herschaltet. Die Speichereinrichtungen können als Register ausgebildet sein.
Bevorzugt werden Abweichungen des Messsignals in der ersten Periode mittels des ersten Korrekturparameters und Abweichungen des Messsignals in der zweiten Periode mittels des zweiten Korrekturparameters korrigiert. Dieses Vorgehen bringt den Vorteil mit sich, dass die Korrekturparameter jeweils nur auf die Perioden des Messsignals wirken, für die sie ermittelt worden sind. Hierdurch wird eine periodenspezifische Korrektur des Messsignals ermöglicht, welche sich für jede Umdrehung des Objekts wiederholt. Das bedeutet, dass jede erste Periode des Messsignals während jeder Umdrehung des Objekts zumindest quasi-stationär stets mit demselben Korrekturparameter korrigiert werden kann. Zur Korrektur jeder zweiten Periode des Messsignals während jeder Umdrehung des Objekts kann zumindest quasi-stationär der zweite Korrekturparameter herangezogen werden. Insofern können alle Perioden des Messsignals mit ungerader Ordnungszahl mittels des ersten Korrekturparameters und alle Perioden mit gerader Ordnungszahl mittels des zweiten Korrekturparameters korrigiert werden. Ein Korrekturparameter kann während der gesamten Dauer einer Periode für die Korrektur des Messsignals ausgewählt sein. Die beiden Korrekturparameter können stetig angepasst werden, wobei sich eine Anpassung eines der beiden Korrekturparameter auf die jeweils übernächste Periode auswirkt.
Beim Umschalten zwischen den beiden Korrekturparametern kann es in dem korrigierten Messsignal zu Unstetigkeiten, beispielsweise zu sprunghaften Änderungen kommen. Um solchen Unstetigkeiten im Signalverlauf des korrigierten Messsignals entgegenzuwirken, werden Abweichungen des Messsignals in einem Übergangsbereich zwischen den beiden Perioden bevorzugt mittels eines von den Korrekturparametern abhängigen Übergangsparameters korrigiert. Im Übergangsbereich zwischen den Perioden des Messsignals werden in dieser Weiterbildung der Erfindung weder der erste noch der zweite Korrekturparameter, sondern ein Übergangsparameter verwendet. Auf diese Weise können unerwünschte Sprünge in dem korrigierten Messsignal aufgrund eines Umschaltens zwischen den beiden Korrekturparametern beim Übergang von der ersten Periode zur zweiten Periode bzw. bei Übergang von der zweiten Periode zur ersten Periode verhindert werden.
Bevorzugt ist der Übergangsparameter der Mittelwert der beiden Korrekturparameter. Durch die Verwendung des Mittelwerts der beiden Korrekturparameter als Übergangsparameter kann ein annähernd stetiger Verlauf des korrigierten Messsignals von einer Periode des Messsignals zu der nachfolgenden Periode ermöglicht werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Übergangsparameter eine drehwinkelabhängige Gewichtung der beiden Korrekturparameter ist. Durch eine drehwinkelabhängige Gewichtung der beiden Korrekturparameter kann der Übergang zwischen den Korrekturparametern stetig erfolgen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass das Auftreten von Sprüngen in dem korrigierten Messsignal noch mehr vermindert werden kann.
Bevorzugt werden bei dem Verfahren mehrere Korrekturparameter ermittelt, insbesondere mehrere Korrekturparameter für jede Periode des Messsignals. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass Abweichungen unterschiedlichen Ursprungs simultan korrigiert werden können. Beispielsweise kann ein Korrekturparameter zur Korrektur eines Gleichanteils, welcher auch als Signal-Offset bezeichnet werden kann, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Korrekturparameter zur Korrektur der Amplitude des periodischen Messsignals und/oder ein Korrekturparameter zur Korrektur der Phasenverschiebung des Messsignals und/oder ein Korrekturparameter zur Korrektur von Oberwellen des Messsignals ermittelt werden.
Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren einsetzen, wenn zwei insbesondere um 90° phasenverschobene Messsignale aufbereitet werden, beispielsweise ein Sinus-Messsignal und ein Cosinus-Messsignal. Durch die feste Phasendifferenz zwischen den beiden Messsignalen wird die Bestimmung der Korrekturparameter vereinfacht, da der Idealfall beider Messsignale zueinander bekannt ist. So können beispielsweise die Null-Durchgänge des ersten periodischen Messsignals detektiert werden und am Zeitpunkt der Null-Durchgänge des ersten Messsignals die Amplitude des zweiten periodischen Messsignals ermittelt werden.
Bei einer integrierten Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung jeweils ein Korrekturparameter bestimmbar ist.
Bei einer Messvorrichtung der eingangs genannten Art trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, eine vorstehend beschriebene integrierte Schaltungsanordnung vorzusehen.
Bei der integrierten Schaltungsanordnung und der Messvorrichtung ergeben sich dieselben Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind. Bei der integrierten Schaltungsanordnung bzw. der Messvorrichtung lassen sich ferner die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Merkmale einzeln oder in Kombination in vorteilhafter Weise anwenden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der integrierten Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die integrierte Schaltungsanordnung einen Sensor zur Erzeugung des Messsignals aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Messvorrichtung sieht vor, dass die Messvorrichtung zwei gegeneinander drehbare Polarisationsfilter aufweist. Über die beiden Polarisationsfilter kann ein periodisches Messsignal erzeugt werden, welches während einer Umdrehung eines Polarisationsfilters gegenüber dem zweiten Polarisationsfilter zwei Perioden durchläuft.
Alternativ kann die Messvorrichtung einen magnetoresistiven Sensor, insbesondere einen AMR-Sensor, aufweisen. Über den magnetoresistiven Sensor kann eine magnetische Maßverkörperung mit einem Nordpol und einem Südpol abgetastet werden. Eine solche Maßverkörperung wird auch als Polrad mit einem Polpaar bezeichnet. Bei der Abtastung einer solchen Maßverkörperung mit einem magnetoresistiven Sensor wird ein periodisches Messsignal erzeugt, welches während einer Umdrehung der Maßverkörperung zwei Perioden durchläuft. Alternativ kann der magnetoresistive Sensor drehbar gegenüber einem feststehenden Magnetfeld ausgebildet sein. Der magnetoresistive Sensor kann in der integrierten Schaltungsanordnung integriert sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Messvorrichtung,
2 ein Blockdiagramm einer integrierten Schaltungsanordnung zur Aufbereitung eines Messsignals,
3 den Verlauf eines Messsignals bei der Messvorrichtung nach 1,
4 den Verlauf eines Messsignals bei einer Messvorrichtung mit einem magnetoresistiven Sensor,
5 einen idealen Signalverlauf einer Messvorrichtung, in welcher zwei um 90° Phasen verschobene Messsignale erzeugt werden,
6 den Signalverlauf nach 5, wobei Abweichungen der Amplitude des Messsignals vom idealen Signalverlauf auftreten,
7 den Signalverlauf gemäß 5, wobei Abweichungen des Gleichanteils auftreten und
8 den Signalverlauf auf 5, wobei Abweichungen der Phasendifferenz auftreten.
In der 1 ist eine Messvorrichtung dargestellt, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung eines periodischen Messsignals anwendbar ist. Die Messvorrichtung 1 weist eine beispielsweise als LED ausgebildete Lichtquelle 2 auf, welche über zwei Zuleitungen 2.1, 2.2 mit einer Spannungsversorgung verbunden ist. Alternativ kann eine Lichtquelle 2 verwendet werden, welche als Glühlampe, Gasentladungslampe oder Leuchtstoffröhre ausgebildet ist. Die Lichtquelle 2 gibt unpolarisiertes Licht ab.
Ein weiterer Bestandteil der Messvorrichtung 1 ist ein Polarisationsfilter 3, welcher derart mit einem Objekt 13 gekoppelt ist, dessen Drehstellung ermittelt werden soll, dass sich der Polarisationsfilter 3 zusammen mit dem Objekt 13 dreht. Ein solches Objekt 13 kann beispielsweise eine drehbare Welle einer Werkzeugmaschine sein. Das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht tritt durch den Polarisationsfilter 3 und wird dabei linear polarisiert. Die Polarisationsrichtung P3 des durch den Polarisationsfilter polarisierten Lichts ist in der 1 durch einen Doppelpfeil symbolisch dargestellt. Der Polarisationsfilter 3 ist als linearer Polarisationsfilter, z. B. als Drahtgitter-Polarisator oder absorbierender Polarisator, ausgebildet. Bevorzugt wird ein Polarisationsfilter 3 in Form einer Folie oder eines Glases oder einer Kombination von Folie oder Glas verwendet.
Das linear polarisierte Licht weist eine Polarisationsrichtung P3 auf, welche von der Drehstellung des Polarisationsfilters 3 abhängig ist. Da die Drehstellung des Polarisationsfilters 3 mit der Drehstellung des Objekts 13 korrespondiert, lässt sich über die Auswertung der Polarisationsrichtung P3 des linear polarisierten Lichts die Drehstellung des Objekts 13 ermitteln.
Hierzu wird das linear polarisierte Licht durch mehrere Lichtsensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 detektiert. Die Lichtsensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 können als Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände, CMOS-Sensoren oder CCD-Sensoren ausgebildet sein. Über die Lichtsensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 wird ein Messsignal M erzeugt, welches proportional zur Intensität I des auf der Oberfläche des jeweiligen Lichtsensors 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 auftreffenden Lichts ist. Die Lichtsensoren 5 sind jeweils hinter einem feststehenden Polarisationsfilter 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 angeordnet, welcher als Analysator zur Analyse des polarisierten Lichts dient. Die feststehenden Polarisationsfilter 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 weisen Polarisationsrichtungen P4.1, P4.2, P4.3, P4.4 auf, die jeweils um 45° gegeneinander gedreht sind. Diese Polarisationsrichtungen P4.1, P4.2, P4.3, P4.4 der feststehenden Polarisationsfilter 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 sind in der 1 ebenfalls durch Doppelpfeile symbolisiert. Über einen Lichtsensor 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 kann die Intensität I des Lichts festgestellt werden, welches eine Polarisationsrichtung aufweist, die der Polarisationsrichtung P4.1, P4.2, P4.3, P4.4 des Polarisationsfilters 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 entspricht, der vor dem entsprechenden Sensor 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 angeordnet ist.
Die Funktionsweise der Messvorrichtung 1 soll nachfolgend im Einzelnen anhand der Darstellung in 3 erläutert werden:
Die 3 zeigt den Verlauf der Lichtintensität I an der Oberfläche des Lichtsensors 5.1, welcher sich hinter dem feststehenden Polarisationsfilter 4.1 befindet. Die Polarisationsrichtung P4.1 des Polarisationsfilters 4.1 ist in diesem Beispiel horizontal. In der 3 ist der Lichtintensitätsverlauf I gegenüber dem Drehwinkel W des ersten Polarisationsfilters 3 aufgetragen. Bei einem Drehwinkel von Null Grad sind die Polarisationsrichtungen P3 und P4.1 des drehbaren Polarisationsfilters 3 und des feststehenden Polarisationsfilters 4.1 parallel zueinander ausgerichtet, so dass das linear polarisierte Licht vollständig durch den feststehenden Polarisationsfilter 4.1 auf den Lichtsensor 5.1 gelangen kann. Bei einer Drehstellung des ersten Polarisationsfilters 3 ergibt sich somit ein Maximum der Lichtintensität I am Lichtsensor 5.1.
Mit zunehmendem Drehwinkel W dreht die Polarisationsrichtung P3 des Polarisationsfilters 3 gegenüber der feststehenden Polarisationsrichtung P4.1 des Polarisationsfilters 4.1. Infolge der Drehung kann nur noch ein geringerer Anteil des linear polarisierten Lichts durch den feststehenden Polarisationsfilter 4.1 auf den Lichtsensor 5.1 fallen. Die Lichtintensität I am Lichtsensor 5.1 nimmt bis zu einem Minimum bei einem Drehwinkel W von 90° ab. Im Minimum der Lichtintensität I sind die Polarisationsrichtungen P3, und P4.1 der Polarisationsfilter 3 und 4.1 senkrecht zueinander ausgerichtet, so dass das linear polarisierte Licht vollständig durch den Polarisationsfilter 4.1 blockiert wird.
Wird der Drehwinkel W in den Bereich größer 90° vergrößert, so steigt die Lichtintensität I bis zu einem Maximum bei 180°, in welchem die Polarisationsfilter 3 und 4.1 wiederum parallel zueinander ausgerichtet sind. Der zuvor beschriebene Verlauf wiederholt sich für die folgenden 180° mit einem Minimum bei 270° und einem weiteren Maximum bei 360°.
Der Verlauf der Lichtintensität I wird durch das Malus-Gesetz beschrieben, wonach die Intensität I einen sinusförmigen bzw. cosinusförmigen Verlauf aufweist, und bei einer Umdrehung des Objekts 13 bzw. des Polarisationsfilters 3, zwei Perioden durchläuft. Das Messsignal M, welches dem Lichtsensor 5.1 entnommen werden kann, ist ein Strom- oder Spannungssignal und entspricht im Wesentlichen dem Verlauf der Lichtintensität I. Das Messsignal M ist im vorliegenden Fall cosinusförmig und durchläuft während einer Umdrehung des Objekts 13 zwei Perioden.
Bei der Messvorrichtung 1 können Abweichungen des Messsignals M von seinem idealen Verlauf entstehen, beispielsweise dadurch, dass der Polarisationsfilter 3 gegenüber dem Polarisationsfilter 4.1 verkippt ist, die beiden Polarisationsfilter 3, 4.1 also nicht in zueinander parallelen Ebenen liegen. Weitere Abweichungen in dem Messsignal M des Lichtsensors 5.1 können durch Umgebungslicht oder Fehlstellen in den Polarisationsfiltern 3 und 4.1 hervorgerufen werden. Um eine optimale Auswertung der Messsignale M der Lichtsensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 zu ermöglichen, ist bei der Messvorrichtung 1 eine Schaltungsanordnung 6 vorgesehen, mit welcher die periodischen Messsignale M aufbereitet werden können. Die Schaltungsanordnung 6 ist als integrierte Schaltungsanordnung ausgebildet. Optional können die Sensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 als Teil der integrierten Schaltungsanordnung 6 ausgebildet sein.
Ein Blockdiagramm der Schaltungsanordnung 6 ist in der 2 gezeigt. Der Schaltungsanordnung 6 werden Messsignale US, UC zugeführt, welche während einer Umdrehung des Objekts 13 zwei Perioden durchlaufen. Diese Messsignale US, UC können die Messsignale M sein, die von den Sensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 erzeugt werden.
Alternativ können die Messsignale US, UC Kombinationen der von den Sensoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 erzeugten Messsignale M sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Cosinus-Messsignal UC aus der Differenz der Messsignale M der Sensoren 5.1 und 5.3 erzeugt. Ferner wird ein Sinus-Messsignal US aus der Differenz der Messsignale M der Sensoren 5.2 und 5.4 erzeugt. Der ideale Verlauf dieser Messsignale US, US ist in der 5 dargestellt, welche von der Messvorrichtung 1 erzeugt werden. Die Messsignale US, UC durchlaufen während einer Umdrehung des Objekts 13 zwei Perioden und sind gegeneinander um 90° phasenverschoben. Mit der Schaltungsanordnung 6 werden Korrekturparameter ermittelt, über welche Abweichungen der Messsignale US, UC von dem vorgegebenen idealen, sinusförmigen bzw. cosinusförmigen Signalverlauf korrigiert werden können.
Die Messsignale US, UC werden einer Analyseeinrichtung 7 zugeführt, in welcher die Messsignale US, UC ausgewertet werden. Die Auswertung der Messsignale US, UC erfolgt jeweils periodenspezifisch. Das bedeutet, dass jeweils ein eigener Korrekturparameter für die erste Periode des Messsignals US, UC und ein weitere Korrekturparameter für die zweite Periode des Messsignals US, UC bestimmt wird. Durch diese getrennte Korrekturparameterbestimmung können Abweichungen der Messsignale US, UC periodenabhängig erkannt werden.
Auch wenn im Folgenden davon ausgegangen werden soll, dass jeweils ein Korrekturparameter pro Periode ermittelt wird, so ist es dennoch möglich, mehrere Korrekturparameter pro Periode zu ermitteln, beispielsweise um mehrere voneinander unabhängige Fehlermechanismen korrigieren zu können. So kann z. B. ein Korrekturparameter ermittelt werden, mit welchem das Messsignal additiv verknüpft wird und ein weiterer Korrekturparameter, mit welchem das Messsignal multiplikativ verknüpft wird.
Die Schaltungsanordnung selbst weist ferner eine Periodenerkennung 8 auf, über welche ermittelt werden kann, ob sich die Messsignale US, UC in der ersten oder in der zweiten Periode befinden. Hierzu beobachtet die Periodenerkennung 8 die Null-Durchgänge der Messsignale US, UC, vgl. 5. Die Periodenerkennung 8 kann beispielsweise die Null-Durchgänge des Sinussignals US zählen, um zu ermitteln, ob eine erste oder eine zweite Periode anliegt.
In der Periodenerkennung 8 werden Ausgangssignale S1, S2 erzeugt, über welche ein Demultiplexer 9 und ein Multiplexer 10 der Schaltungsanordnung 6 gesteuert werden. Über den Demultiplexer 9 können die von der Analyseeinrichtung 7 ermittelten Korrekturparameter wahlweise in eine erste Speichereinrichtung 11.1 oder eine zweite Speichereinrichtung 11.2 geschrieben werden. Über den Multiplexer 10 können die in den Speichereinrichtungen 11.1, 11.2 gespeicherten Korrekturparameter wahlweise ausgelesen und einer Korrektureinheit 12 zugeführt werden.
In dem Ausführungsbeispiel wird der Korrekturparameter der ersten Periode in der ersten Speichereinrichtung 11.1 und der Korrekturparameter der zweiten Periode in der zweiten Speichereinrichtung 12.2 gespeichert. Die Speichereinrichtungen 11.1, 11.2 sind als Register ausgebildet. Die Periodenerkennung 8 ist mit dem Demultiplexer 9, den Speichereinrichtungen 11.1, 11.2 und dem Multiplexer 10 derart verschaltet, dass in jeder ersten Periode einer beliebigen Umdrehung des Objekts 13 immer die erste Speichereinrichtung 11.1 zum Einschreiben und/oder Auslesen des ersten Korrekturwerts und in jeder zweiten Periode immer die zweite Speichereinrichtung 11.2 zum Einschreiben und/oder Auslesen des zweiten Korrekturwerts ausgewählt ist. Insofern können sich die Korrekturwerte während einer Messung mit der Messvorrichtung 1 verändern, wenn sich die Abweichungen des Messsignals gegenüber dem vorgegebenen Signalverlauf während der Messung verändern, beispielsweise infolge von Temperaturschwankungen.
Die veränderten Korrekturwerte können dann zur Korrektur aller folgenden Perioden herangezogen werden. Da jeweils ein separater Korrekturparameter für die erste Periode und für die zweite Periode ermittelt wirkt sich eine Änderung des ersten Korrekturparameters nur auf alle nachfolgenden ersten Perioden aus, also solche Perioden mit ungerader Ordnungszahl. Eine Änderung des zweiten Korrekturparameters wirkt sich auf alle nachfolgenden zweiten Perioden aus, also alle Perioden mit gerader Ordnungszahl.
Der ausgewählte Korrekturwert wird der Korrektureinheit 12 zugeführt. In der Korrektureinheit 12 werden Abweichungen der Messsignale US, UC in der ersten Periode mittels des ersten Korrekturparameters und Abweichungen der Messsignale US, UC in der zweiten Periode mittels des zweiten Korrekturparameters korrigiert. Die korrigierten Messsignale USS, UCC werden von der Korrektureinheit ausgegeben. Einzelheiten der Korrektur der Messsignale US, UC in der Korrektureinheit 12 sollen nachfolgend anhand der Darstellungen in den 5 bis 8 erläutert werden.
Die 5 zeigt den idealen, vorgegeben Signalverlauf der Messsignale US, UC. In den 6 bis 8 sind verschiedene Fehlercharakteristiken dargestellt, welche durch Abweichungen des Messsignals US, UC vom vorgegebenen Signalverlauf entstehen können.
Die 6 zeigt eine Abweichung ΔA der Amplitude eines Messsignals US gegenüber dem vorgegebenen sinusförmigen Verlauf. Während in der ersten Periode des Messsignals US eine ideale Amplitude A1 vorliegt, ist die Amplitude A2 des Messsignals US in der zweiten Periode vergrößert. Eine solche Abweichung des Messsignals durch eine abweichende Amplitude kann durch einen Korrekturparameter korrigiert werden, welcher mit dem Messsignal US multipliziert wird. Gemäß der Erfindung wird zur Korrektur der in der 6 gezeigten Signalverlaufs in der ersten Periode ein Korrekturparameter = 1 (also keine Korrektur) und in der zweiten Periode ein Korrekturparameter < 1 gewählt. Durch eine derartige Wahl der beiden Korrekturparameter kann die Amplitude A1, A2 des Messsignals US in allen zweiten Perioden aller Umdrehungen abgesenkt werden, wobei die Amplitude in allen ersten Perioden aller Umdrehungen unverändert bleibt.
In der 7 ist ein Signalverlauf dargestellt, bei welchem das Messsignal US in der zweiten Periode einen Gleichspannungsanteil oder Offset ΔU gegenüber dem Verlauf in der ersten Periode aufweist. Ein solcher Gleichspannungsfehler oder Offsetfehler kann durch einen Korrekturparameter korrigiert werden, welcher mit dem Messsignal US additiv verknüpft wird. Durch den Wahl verschiedener Korrekturparameter für die erste und für die zweite Periode kann die ideale, in der 5. dargestellte Signalform hergestellt werden. Im vorliegenden Beispiel wird der erste Korrekturparameter für die erste Periode auf null gesetzt. Der zweite Korrekturparameter für die zweite Periode wird auf einen negativen Wert gesetzt.
In der 8 ist ein Signalverlauf gezeigt, bei welchem die Phasendifferenz zwischen dem sinusförmigen Messsignal US und dem cosinusförmigen Messsignal UC in der zweiten Periode vergrößert ist. Ein solcher Phasenfehler kann über geeignete Korrekturparameter für die erste und zweite Periode korrigiert werden.
Zudem ist es möglich, Oberwellen der Messsignale US, UC durch weitere periodenspezifische Korrekturparameter zu korrigieren.
Die vorstehend beschriebenen Korrekturparameter können alternativ oder in Kombination miteinander zur Korrektur der Messsignale US, UC verwendet werden. In jedem Fall werden jedoch getrennte Korrekturparameter jeweils für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung des Objekts 13 ermittelt. Die Korrekturparameter der ersten Periode werden jeweils nur zur Korrektur der Messsignale US, UC während der ersten Periode verwendet, die Korrekturparameter der zweiten Periode werden jeweils nur zur Korrektur der Messsignale US, UC in der zweiten Periode verwendet.
Beim Übergang von der ersten Periode zu der zweiten Periode bzw. von der zweiten Periode wieder zur ersten Periode kann es aufgrund des Umschaltens zwischen den Korrekturparametern zu unerwünschten Unstetigkeiten in dem korrigierten Ausgangssignal USC, UCC kommen. Um solchen Unstetigkeiten entgegenzuwirken, werden die Abweichungen des Messsignals US, UC in der Korrektureinheit 12 bevorzugt in einen Übergangsbereich zwischen den beiden Perioden mittels eines von den Korrekturparametern abhängigen Übergangsparameters korrigiert. Der Übergangsparameter kann beispielsweise der Mittelwert der beiden Korrekturparameter sein. Alternativ ist es möglich, dass der Übergangsparameter eine drehwinkelabhängige Gewichtung der beiden Korrekturparameter ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel auch bei Messvorrichtungen Verwendung finden, die auf völlig anderen physikalischen Prinzipien beruhen und Messsignale aufweisen, die während einer Umdrehung des Objekts 13 zwei Perioden durchlaufen. Eine solche Messvorrichtung kann ein magnetisches Polrad mit einem Polpaar aufweisen, welches von einem magnetoresistiven Sensor 20, welcher als anisotroper magnetoresistiver Sensor (AMR-Sensor) ausgebildet ist, abgetastet wird. Der magnetoresistive Sensor 20 kann feststehend und das Polrad kann gegenüber dem magnetoresistiven Sensor 20 drehbar sein. Alternativ kann der magnetoresistive Sensor 20 gegenüber einem feststehenden Magnetfeld drehbar sein.
Der Verlauf des elektrischen Widerstands R eines solchen AMR-Sensors über dem Drehwinkel W bei der Abtastung eines Polpaars ist in der 4 dargestellt. Der AMR-Sensor 20 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Der elektrische Widerstand R des AMR-Sensors 20 ist abhängig von der Komponente des Magnetfelds, welche parallel zu der Plattenebene des AMR-Sensors 20 ist. Somit ist der Widerstand R maximal, wenn das äußere Magnetfeld parallel zu der Plattenebene orientiert ist (hier bei 0°, 180°, 360°) und minimal, wenn das äußere Magnetfeld senkrecht zu der Plattenebene orientiert ist (hier bei 90° und 270°). Wie in der 4 zu erkennen ist, ergibt sich ein Widerstandsverlauf, der bei Abtastung des Polpaars, also einer Umdrehung des Polrads, zwei Perioden durchläuft.
Das Messsignal des AMR-Sensors kann einer in der 2 gezeigten Schaltungsanordnung 6 zugeführt werden, um Abweichungen des Messsignals von einem vorgegebenen Signalverlauf zu bestimmen und zu korrigieren, wie es vorstehend im Zusammenhang mit der Messvorrichtung nach 1 beschrieben wurde.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Aufbereitung eines periodischen, insbesondere sinusförmigen oder cosinusförmigen, Messsignals M, US, UC einer Messvorrichtung 1 zur Messung einer Drehstellung eines Objekts 13, wobei das Messsignal M, US, UC während einer Umdrehung des Objekts 13 zwei Perioden durchläuft und wobei ein Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen des Messsignals M, US, UC von einem vorgegebenen Signalverlauf bestimmt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung jeweils ein Korrekturparameter bestimmt wird. Bezogen auf das Messsignal M, US, UC wird ein 720°-Interpolator gebildet, mit dessen Hilfe zwei elektrische Perioden unabhängig voneinander korrigiert werden können. Hierdurch wird eine verbesserte Fehlererkennung und Fehlerkorrektur ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Lichtquelle
2.1, 2.2: Zuleitung
3: drehbarer Polarisationsfilter
4.1, 4.2, 4.3, 4.4: feststehender Polarisationsfilter
5.1, 5.2, 5.3, 5.4: Lichtsensor
6: Schaltungsanordnung
7: Analyseeinrichtung
8: Periodenerkennung
9: Demultiplexer
10: Demultiplexer
11.1, 11.2: Speichereinrichtung
12: Korrektureinheit
13: Objekt
20: magnetoresistiver Sensor
ΔA, ΔU: Abweichung
A1, A2: Amplitude
I: Lichtintensität
M: Messsignal
P3, P4.1, P4.2, P4.3, P4.4: Polarisationsrichtung
R: Widerstand
S1, S2: Signal
US, UC: Messsignal
USC, UCC: korrigiertes Messsignal
W: Drehwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3428790 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Aufbereitung eines periodischen, insbesondere sinusförmigen oder cosinusförmigen, Messsignals (M, US, UC) einer Messvorrichtung (1) zur Messung einer Drehstellung eines Objekts (13), wobei das Messsignal (M, US, UC) während einer Umdrehung des Objekts (13) zwei Perioden durchläuft und wobei ein Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen (ΔA, ΔU) des Messsignals (M, US, UC) von einem vorgegebenen Signalverlauf bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung jeweils ein Korrekturparameter bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines ersten Korrekturparameters die erste Periode und zur Bestimmung eines zweiten Korrekturparameters die zweite Periode ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturparameter in separaten Speichereinrichtungen (11.1, 11.2), insbesondere abwechselnd, gespeichert und/oder aus separaten Speichereinrichtungen (11.1, 11.2) ausgelesen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen des Messsignals (M, US, UC) in der ersten Periode mittels des ersten Korrekturparameters und Abweichungen des Messsignals (M, US, UC) in der zweiten Periode mittels des zweiten Korrekturparameters korrigiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen (ΔA, ΔU) des Messsignals (M, US, UC) in einem Übergangsbereich zwischen den beiden Perioden mittels eines von den Korrekturparametern abhängigen Übergangsparameters korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsparameter der Mittelwert der beiden Korrekturparameter ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsparameter eine drehwinkelabhängige Gewichtung der beiden Korrekturparameter ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Korrekturparameter ermittelt werden, insbesondere zur Korrektur eines Gleichanteils, einer Amplitude, einer Phasenverschiebung und/oder von Oberwellen.
Integrierte Schaltungsanordnung zur Aufbereitung eines periodischen, insbesondere sinusförmigen oder cosinusförmigen, Messsignals (M, US, UC) einer Messvorrichtung (1) zur Messung einer Drehstellung eines Objekts (13), wobei das Messsignal (M, US, UC) während einer Umdrehung des Objekts (13) zwei Perioden durchläuft und wobei die integrierte Schaltungsanordnung (6) derart ausgebildet ist, dass ein Korrekturparameter zur Korrektur von Abweichungen (ΔA, ΔU) des Messsignals (M, US, UC) von einem vorgegebenen Signalverlauf bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Periode und die zweite Periode einer Umdrehung jeweils ein Korrekturparameter bestimmbar ist.
Messvorrichtung zur Messung einer Drehstellung eines Objekts (13), mit welcher ein periodisches, insbesondere sinusförmiges oder cosinusförmiges, Messsignal (M, US, UC) erzeugbar ist, das während einer Umdrehung des Objekts (13) zwei Perioden durchläuft, gekennzeichnet durch eine integrierte Schaltungsanordnung (6) nach Anspruch 9.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zwei gegeneinander drehbare Polarisationsfilter (3, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4).
Messvorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen magnetoresistiven Sensor (20), insbesondere einen AMR-Sensor.