DE102018004645B3

DE102018004645B3 - Verfahren zum Reduzieren von Oberwellen und Vorrichtung zur Positionserfassung

Info

Publication number: DE102018004645B3
Application number: DE102018004645.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Hanke
Original assignee: Baumer Huebner GmbH
Current assignee: Baumer Germany & Co Kg De GmbH
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Oberwellen in einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal (P_u) einer Vorrichtung zur Positionserfassung (1), insbesondere eines Drehgebers, wobei ein im Wesentlichen sinusförmiges Spursignal (S1) und ein im Wesentlichen kosinusförmiges Spursignal (S2) der Vorrichtung zur Positionserfassung (1) in einer Verarbeitungseinrichtung (11) verarbeitet werden. Um die Oberwellen schnell und einfach zu korrigieren, ist für das Verfahren vorgesehen, dass die beiden Spursignale (S1) und (S2) zu einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal (P_u) kombiniert werden; ein Korrekturfaktor (K) aus den Spursignalen (S1) und (S2), der proportional zum Maß einer dreiecksförmigen Verzerrung der Spursignale ist, bestimmt wird; ein Korrektursignal (C), das das Produkt aus dem Korrekturfaktor (K) und einer Sinusfunktion enthält, gebildet wird; und dass das Korrektursignal (C) vom unkorrigierten Positionssignal (P_u) zur Bildung eines korrigierten Positionssignals (P_k) subtrahiert wird. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Positionserfassung (1) und eine Verarbeitungseinheit (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Oberwellen in einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal einer Vorrichtung zur Positionserfassung, insbesondere eines Drehgebers, wobei ein im Wesentlichen sinusförmiges Spursignal und ein im Wesentlichen kosinusförmiges Spursignal der Vorrichtung zur Positionserfassung in einer Verarbeitungseinrichtung verarbeitet werden. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Drehwinkelmessung, welche zumindest Sinus- und Kosinussignale erfasst und eine Verarbeitungseinrichtung einer Vorrichtung zur Positionserfassung.
Vorrichtungen zur Positionserfassung, insbesondere Drehgeber, sind im Stand der Technik bekannt und dienen zur Erfassung der Position, Positionsänderungen und/oder Geschwindigkeiten, insbesondere von Fahrzeugen oder Maschinenteilen. Dabei werden in der Regel Spursignale erzeugt, von denen wenigstens eines sinusförmig und wenigstens eines kosinusförmig ist. Diese Spursignale können zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung ausgewertet werden. Insbesondere kann aus den Spursignalen ein Positionssignal berechnet werden, welches die Position bzw. den Winkel einer Maßverkörperung in Bezug auf einen Referenzwert angibt. Es kann vorkommen, dass die Spursignale dreiecksförmig verzerrt sind. Mit anderen Worten können die sinus- bzw. kosinusförmigen Signale so verzerrt sein, dass sie Ähnlichkeit mit einer Dreiecksfunktion aufweisen.
Diese Verzerrungen sind unerwünscht, da sie unter Umständen zu fehlerhaften Ergebnissen bei Signalen oder Werten führen, die aus den Spursignalen berechnet werden. Insbesondere können aus den verzerrten Spursignalen Positions- und Drehzahlsignale ermittelt werden, welche durch die Verzerrungen zusätzliche Fehler aufweisen können.
Aus der DE 696 16 505 T2 ist ein Verfahren zum Berechnen von winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignalen einer Vorrichtung zur Positionserfassung, insbesondere eines Drehgebers bekannt, wobei ein im Wesentlichen sinusförmiges Spursignal und ein im Wesentlichen kosinusförmiges Spursignal der Vorrichtung zur Positionserfassung in einer Verarbeitungseinrichtung verarbeitet werden.
Aus dem Artikel „Auto calibration of incremental analog quadrature encoders“ des Autors Kuijk, M., der Technische Universität Eindhoven, ist eine Reduzierung von Oberwellen in einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal zur Bildung eines korrigierten Positionssignal bekannt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung zur Positionserfassung und eine Verarbeitungseinheit einer Vorrichtung zur Positionserfassung bereitzustellen, durch welche die Auswirkungen durch die dreiecksförmigen Verzerrungen der Spursignale insbesondere die zusätzlichen Fehler der Positions- und Drehzahlsignale zumindest verringert werden.
Für das eingangs genannte Verfahren ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Kombinieren der beiden Spur Signale zu einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal; Bestimmen eines Korrekturfaktors aus den Spursignalen, der proportional zum Maß einer dreiecksförmigen Verzerrung der Spursignale ist; Bilden eines Korrektursignals, das das Produkt aus dem Korrekturfaktor und einer Sinusfunktion enthält; und Subtrahieren des Korrektursignals vom unkorrigierten Positionssignal zur Bildung eines korrigierten Positionssignals.
Für die eingangs genannte Vorrichtung zur Positionserfassung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zur Positionserfassung wenigstens eine Messanordnung zur Erzeugung von insbesondere winkelabhängigen Spursignalen und wenigstens eine Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung und Korrektur von dreiecksförmig verzerrten Spursignalen aufweist. Dabei ist die Vorrichtung zur Positionserfassung erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass die Verarbeitungseinrichtungen wenigstens eine Kombinationseinheit zur Bildung eines winkelabhängigen Positionssignals aus den Spursignalen, wenigstens eine Auswerteeinheit zur Bestimmung von winkelabhängigen Werten der Spursignale, wenigstens eine Berechnungseinheit zur Berechnung eines Korrekturwerts aus den Werten der Spursignale, wenigstens einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Korrektursignals und wenigstens eine Subtraktionseinheit zur Subtraktion des Korrektursignals vom Positionssignal aufweist.
Für die eingangs genannte Verarbeitungseinrichtung einer Vorrichtung zur Positionserfassung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verarbeitungseinrichtung wenigstens eine Kombinationseinheit zur Bildung eines winkelabhängigen Positionssignals aus den Spursignalen, wenigstens eine Auswerteeinheit zur Bestimmung von winkelabhängigen Werten der Spursignale, wenigstens eine Berechnungseinheit zur Berechnung eines Korrekturwerts aus den Werten der Spursignale, wenigstens einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Korrektursignals und wenigstens eine Subtraktionseinheit zur Subtraktion des Korrektursignals vom Positionssignal aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, die dreiecksförmige Verzerrung direkt anhand der Spursignale zu korrigieren, ohne zunächst ein Positionsspektrum, ein Drehzahlsignal, ein Drehzahlspektrum, ein Positionsfehlersignal, ein Positionsfehlerspektrum oder andere Signale erzeugen zu müssen. Die Korrektur kann daher bevorzugt direkt in der Vorrichtung zur Positionserfassung selbst erfolgen. Insbesondere hat die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass die Korrektur zeitunabhängig und auch drehzahlunabhängig erfolgen kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die Korrektur auch innerhalb einer rückgekoppelten Schleife, beispielsweise an einem drehzahl- oder positionsgeregelten Antrieb, unabhängig von den Bewegungsabläufen des Antriebes erfolgen kann. Auch kann die erfindungsgemäße Lösung die Verwendung eines Filters zur Reduktion der dreiecksförmigen Verzerrung überflüssig machen. Dies wiederum hat den Vorteil, dass eine durch den Filter erzeugte Signalverzögerung vermieden werden kann. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Korrektur keine Kenntnisse über die konstruktive und/oder mechanische Eigenschaften der Sensorik der Vorrichtung zur Positionsmessung voraussetzt.
Die dreiecksförmig verzerrten Spursignale können als sinus- bzw. kosinusförmige Signale aufgefasst werden, die mit einer Verzerrung überlagert sind. Die Vorrichtung zur Positionserfassung kann ein Drehgeber, ein Lineargeber oder ein Inkrementalgeber und/oder ein Absolutgeber, der zur Erzeugung von sinus- und kosinusförmigen Spursignalen geeignet ist, sein.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen. Die dabei beschriebenen Ausgestaltungsformen lassen sich dabei gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Verfahren, auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionserfassung oder auf eine erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung anwenden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann die Frequenz der das Korrektursignal bildenden Sinusfunktion der vierfachen Frequenz der Spursignale entsprechen. Dies kann von Vorteil sein, da die dreiecksförmige Verzerrung in der Regel durch Oberwellen generiert wird und nach der Positionsbildung die vierte Harmonische einen besonders großen Anteil hat. Die Amplitude des Korrektursignals kann, wie bereits oben beschrieben, proportional zum Korrekturfaktor sein. Es wird stets davon ausgegangen, dass beide Spursignale die gleiche Frequenz aufweisen.
Um den Korrekturfaktor zu bestimmen, wird bevorzugt für wenigstens einen Winkel die Abweichung wenigstens eines der Spursignale von einem nicht dreiecksförmig verzerrten Sinus- bzw. Kosinussignal bestimmt. Insbesondere kann der Korrekturfaktor als maximale Abweichung von wenigstens einem der Spursignale zu einem solchen Sinussignal bzw. Kosinussignal bestimmt werden.
Bevorzugt werden zur Bestimmung des Korrekturfaktors die folgenden Schritte durchgeführt: Berechnung eines Referenzwertes aus den Werten der Spursignale bei mindestens einem Winkel. Dies können der Wert eines Spursignals im Bereich eines lokalen Extremwerts und der Wert des anderen Spursignals im Bereich des dazugehörigen Wendepunkts sein.
Dabei kann der Referenzwert bevorzugt aus den Werten der Spursignale bei 0° bestimmt werden. An dieser genannten Stelle hat das cosinusförmige Spursignale in der Regel ein lokales Maximum und das sinusförmige Spursignal in der Regel einen Wendepunkt. Die Werte können vorher normiert worden sein. Die Gradangaben können jeweils Abweichungen von ±10° beinhalten. Alternativ dazu kann der Referenzwert auch aus den, insbesondere normierten, Werten der Spursignale bei anderen Winkeln, beispielsweise 90°, 180° und 270°, bestimmt werden.
Insbesondere kann der Referenzwert als euklidische Norm des Vektors, gebildet jeweils aus den Werten des kosinusförmigen und sinusförmigen Spursignals an den genannten Stellen, berechnet werden.
Als nächster Schritt kann ein Verzerrungswert aus den Werten der Spursignale bei mindestens einem Winkel berechnet werden, an Stellen, die jeweils zwischen einem lokalen Extremwert und einem benachbarten Wendepunkt liegen. Dies können die Werte aus dem Bereich sein bei denen die Beträge der Werte der Spursignale gleich groß sind, insbesondere bei einem Schnittpunkt der beiden Spursignale. Bevorzugt wird der Verzerrungswert aus den Werten der Spursignale bei dem Winkel 45° bestimmt. Alternativ dazu können auch andere Winkel, insbesondere 135°, 225° und 315° verwendet werden. Die Werte können vorher normiert worden sein. Die Gradangaben können jeweils Abweichungen von ±10° beinhalten.
Insbesondere kann der Verzerrungswert als euklidische Norm des Vektors, gebildet jeweils aus den Werten des kosinusförmigen und sinusförmigen Spursignals an den genannten Stellen, berechnet werden.
Anschließend kann der Korrekturfaktor als das Verhältnis von Referenzwert zu Verzerrungswert gebildet werden. Diese Berechnung des Korrekturfaktors hat den Vorteil, dass sie schnell und einfach ohne hohen Rechenaufwand durchgeführt werden kann.
Gemäß einer einfachen Rechenvorschrift, die die oben genannte euklidische Norm verwendet, kann der Korrekturfaktor K durch die Formel $K = \frac{\frac{\sqrt{S 1^{2} (0 °) + S 2^{2} (0 °)}}{\sqrt{S 1^{2} (45 °) + S 2^{2} (45 °)}} - 1}{\sqrt{2} - 1}$
gebildet werden. In diesem Beispiel wurden für den Referenzwert die Stelle 0° und für den Verzerrungswert die Stelle 45° gewählt.
Dabei ist S1 das verzerrte im Wesentlichen sinusförmige Spursignal und S2 das verzerrte im Wesentlichen kosinusförmige Spursignal. Vor der Berechnung des Referenzwerts und des Verzerrungswerts können die Spursignale optional aufbereitet werden. Beispielsweise können bekannte Verfahren zur Offsetkorrektur, Amplitudenkorrektur und/oder Phasenkorrektur erfolgen.
Die Berechnung des Korrekturfaktors kann auch anschaulich anhand eines Einheitskreises bzw. einer Lissajous-Figur beschrieben werden. Bildet man die beiden Spursignale senkrecht zueinander ab, d.h. auf die Art, bei der bei idealen Sinus- und Kosinussignalen ein Einheitskreis gebildet würde, kann die Bildung des Korrekturfaktors geometrisch erfolgen. Dies ist im Folgenden erläutert:
Es kann die Differenz der Radien der durch die Spursignale gebildeten Figur an den Positionen 0° und 180° vom Kosinussignal abgezogen werden. Weiterhin kann die Differenz der Radien an den Positionen 90° und 270° vom Sinussignal abgezogen werden. Es werden damit die jeweils gegenüberliegenden Radien an diesen Positionen gleich. Dadurch können die Offsets der beiden Spursignale reduziert werden. Hat bereits vorher eine Offsetkorrektur stattgefunden, kann dieser Schritt entfallen.
Es kann der Durchmesser der durch die Spursignale gebildeten Figur an den Positionen 0° und 180° relativ zum Durchmesser an den Positionen 90° und 270° angepasst werden, so dass die beiden Durchmesser ein Verhältnis von 1 zueinander bilden. Dadurch können die Amplituden der beiden Spursignale aneinander angeglichen werden. Hat bereits vorher eine Amplitudenkorrektur stattgefunden, kann dieser Schritt entfallen.
Um auch die Phasenbeziehung der Spursignale zu korrigieren, kann der Durchmesser der Figur zwischen den Positionen 45° und 225° relativ zu dem Durchmesser der Figur an den Positionen 135° und 315° so angeglichen werden, dass die beiden Durchmesser in einem Verhältnis von 1 zueinander stehen. Dieser Schritt kann entfallen, wenn bereits vorher eine Phasenkorrektur durchgeführt wurde.
Nach diesem Abgleich kann das Verhältnis des Radius der Figur an der Position 0° zum Radius an der Position 45° gebildet werden. Aus diesem Verhältnis kann dann der Korrekturfaktor bestimmt werden.
Der Radius der Figur an der Position 0° ergibt den oben beschriebenen Referenzwert und der Radius an der Positionen 45° ergibt den oben beschriebenen Verzerrungswert.
Mathematisch ausgedrückt kann die Bestimmung des Korrekturfaktors K anhand des Vergleichs der Radien folgendermaßen ausgedrückt werden: $k = \frac{\frac{r (0 °)}{r (45 °)} - 1}{\sqrt{2} - 1} .$
Dies ist mathematisch äquivalent zur weiter oben angegebenen Formel zur Berechnung des Korrekturfaktors.
Dabei ist r(0°) der Radius der Figur an der Position 0° und r(45°) der Radius der Figur an der Position 45°.
Alternativ zu der Position 0° können auch die Positionen 90°, 180° und 270° und alternativ zu der Position 45° können auch die Positionen 135°, 225° und 315° zur Berechnung des Korrekturfaktors mit der beschriebenen Methode herangezogen werden.
Die Berechnung des Korrekturfaktors kann robust gegenüber unzureichendem Abgleich des Offsets, der Amplituden und der Phasenbeziehung der Spursignale ausgelegt werden. Insbesondere können statt der Radien die Durchmesser an den o.a. Positionen verwendet werden. Damit ist die Berechnung des Korrekturfaktors weitgehend unempfindlich gegenüber einem unzureichenden Abgleich der Offsets der Spursignale.
Weiterhin können die ermittelten Radien oder Durchmesser arithmetisch gemittelt werden. Der Einfluss von anderen Verzerrungen oder Störungen kann so reduziert werden.
Unabhängig davon, wie der Korrekturfaktor gebildet wurde, kann das Korrektursignal C anhand der Gleichung C(φ) = K · α · sin(4φ) berechnet werden. Dabei ist φ der Winkel der Spursignale und a eine geometrisch bedingte Konstante, die bevorzugt durch $a = {tan}^{- 1} (\frac{1}{3}) - \frac{π}{8}$
gebildet wird.
Die Sinusfunktion, die das Korrektursignal bildet, ist abhängig vom Vierfachen des Winkels φ, sodass das Korrektursignal die vierte Harmonische berücksichtigt. Dies ist sinnvoll, da die dreiecksförmige Verzerrung der Spursignale im Wesentlichen die vierte Harmonische im ermittelten Positionssignal verursacht.
Das so erhaltene Korrektursignal wird zum Ausgleich des Positionssignals verwendet, um letztendlich durch Subtraktion die Korrektur durchzuführen. Das so erhaltene korrigierte Positionssignal ist in der Regel nicht vollständig von den Fehlern, die eine dreiecksförmige Verzerrung der Spursignale hervorruft, befreit, da diese auch andere Harmonische im Positionssignal verursacht. Da die vierte Harmonische jedoch in der Regel den größten Anteil an der resultierenden Verzerrung des Positionssignals hat, ergibt sich eine Reduzierung der Verzerrung, die für die Praxis ausreichend ist.
Das korrigierte Positionssignal kann ausgegeben oder weiterverarbeitet werden. Insbesondere ist eine Weiterverarbeitung und Ausgabe von gebertypischen Sin-Cos-Signalen und/oder Rechtecksignalen optional mit einer im Vergleich zum Eingang hoch oder heruntergesetzten Periodenzahl möglich. Beispielsweise kann auch durch Ableitung des Positionssignals ein Geschwindigkeitssignal bzw. ein Drehzahlsignal gebildet werden, welches wiederum über eine geeignete Schnittstelle ausgegeben werden kann. Insbesondere ist eine Ausgabe eines frequenzmodulierten Signals, bei welchem die Frequenz proportional zum Geschwindigkeitssignal ist, möglich. Auch können das Positionssignal und/oder das Geschwindigkeitssignal über eine digitale Schnittstelle ausgegeben werden.
Bevorzugt wird auch wenigstens ein Kontrollsignal an eine externe Anzeige und/oder Datenverarbeitungseinrichtung ausgegeben. Das Kontrollsignal kann Aufschluss über die erfolgte Korrektur der dreiecksförmigen Verzerrung geben. Beispielsweise kann die Differenz zwischen dem unkorrigierten Positionssignal und dem korrigierten Positionssignal dargestellt werden. Ebenso kann das Frequenzspektrum dieses Differenzsignals dargestellt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionserfassung kann dadurch verbessert werden, dass die Verarbeitungseinrichtung ein FPGA, ein IC oder ein Mikrocontroller ist. Die oben genannten Elemente der Verarbeitungseinrichtung, also die Kombinationseinheit, die Auswerteeinheit, die Berechnungseinheit, der Signalgenerator und die Subtraktionseinheit sind bevorzugt Bestandteile der Verarbeitungseinrichtung. Dabei können sie entweder als Hardwarekomponenten und/oder als Softwarebestandteile der Verarbeitungseinrichtung gebildet sein.
Bevorzugt ist die Verarbeitungseinrichtung in die Vorrichtung zur Positionserfassung integriert. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinrichtung Teil einer Steuerelektronik oder eine Auswerteelektronik der Vorrichtung zur Positionserfassung oder mit dieser verbunden sein.
Insbesondere kann die Verarbeitungseinrichtung mit der übrigen Elektronik der Vorrichtung zur Positionserfassung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Alternativ dazu kann die Verarbeitungseinrichtung jedoch auch außerhalb der Vorrichtung zur Positionserfassung angeordnet und über Datenleitungen mit diesem verbunden sein.
Die Verarbeitungseinrichtung kann ferner wenigstens eine Ausgabeeinheit aufweisen. Durch die wenigstens eine Ausgabeeinheit, welche insbesondere eine Schnittstelle sein kann, können die Spursignale, das unkorrigierte und/oder das korrigierte Positionssignal und/oder ein Kontrollsignal der oben beschriebenen Art ausgegeben werden.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die bei der Ausführungsform beispielhaft dargestellte Merkmalskombination kann nach Maßgabe der obigen Ausführungen entsprechend für einen bestimmten Anwendungsfall durch weitere Merkmale ergänzt werden. Auch können, ebenfalls nach Maßgabe der obigen Ausführungen, einzelne Merkmale bei der beschriebenen Ausführungsform weggelassen werden, wenn es auf die Wirkung dieses Merkmals in einem konkreten Anwendungsfall nicht ankommt.
In den Zeichnungen werden für Elemente gleicher Funktion und/oder gleichen Aufbaus stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Positionserfassung;
2 ein Beispiel für Spursignale;
3 die Darstellung der Spursignale aus 2 im Vergleich zu einem Einheitskreis;
4 den Winkelfehler eines unkorrigierten Positionssignals;
5 das Betragsspektrum des Winkelfehlers aus 4;
6 den Winkelfehler eines korrigierten Positionssignals und;
7 das Betragsspektrum des korrigierten Winkelfehlers aus 6.

In 1 ist beispielhaft und lediglich schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionserfassung 1 dargestellt. Die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 kann insbesondere ein Drehgeber sein.
Die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 weist bevorzugt eine Maßverkörperung 3 und geeignete Sensoren 5 und 7 auf, welche dazu in der Lage sind, Spursignale S1 und S2 zu erzeugen.
Lediglich beispielhaft sei hier die Möglichkeit genannt, dass die Maßverkörperung 3 optische Markierungen aufweist und die Sensoren 5 und 7 optische Sensoren sind. Die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 kann stattdessen oder zusätzlich über ein magnetisches System verfügen. D.h., die Sensoren 5 und 7 sind Magnetsensoren und die Maßverkörperung 3 ist mit magnetischen Markierungen versehen. Im Fall eines Drehgebers, ist die Maßverkörperung 3 bevorzugt auf einer runden Scheibe angeordnet. Ist die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 kein Drehgeber, kann die Maßverkörperung 3 auch beispielsweise auf einem Band oder einem anderen Element angeordnet sein.
Zusätzlich zu den Sensoren 5 und 7 kann die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 auch weitere Sensoren aufweisen, die zur Erklärung der Funktion aber nicht notwendig und folglich nicht dargestellt sind.
Lediglich beispielhaft soll das Spursignal S1 ein im Wesentlichen sinusförmiges Signal und das Spursignal S2 ein im Wesentlichen kosinusförmiges Signal sein.
Die Maßverkörperung 3 und die Sensoren 5 und 7 sind Teil der Meßanordnung 9. Die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 weist wenigstens eine Verarbeitungseinrichtung 11 auf. Die Verarbeitungseinrichtung 11 dient zur Verarbeitung der Spursignale S1 und S2 und ist daher mit den Sensoren 5 und 7 datenübertragend verbunden.
Die Verarbeitungseinrichtung 11 kann mit der Meßanordnung 9 in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Die Verarbeitungseinrichtung 11 weist bevorzugt wenigstens eine Kombinationseinheit 15 auf. Die Kombinationseinheit 15 kann zur Bildung eines unkorrigierten winkelabhängigen Positionssignals P_u aus den beiden Spursignalen S1 und S2 dienen.
Die Verarbeitungseinrichtung 11 weist zudem wenigstens eine Auswerteeinheit 17 zur Bestimmung von winkelabhängigen Werten der Spursignale S1 und S2, wenigstens eine Berechnungseinheit 19 zur Berechnung eines Korrekturfaktors K aus den Werten der Spursignale S1 und S2, wenigstens einen Signalgenerator 21 zur Erzeugung eines Korrektursignals C und wenigstens eine Subtraktionseinheit 23 zur Subtraktion des Korrektursignals C vom Positionssignal P_u auf. Die Verarbeitungseinrichtung 11 kann darüber hinaus auch eine Ausgabeeinheit 25 zur Ausgabe von Signalen aufweisen. Die Ausgabeeinheit 25 kann insbesondere eine Schnittstelle oder eine Anzeigeeinrichtung sein.
Die Elemente 15 bis 25 der Verarbeitungseinrichtung 11 können separate Hardwarestrukturen sein. Alternativ können sie in Form von Software in der Verarbeitungseinrichtung 11 implementiert sein. Die Verarbeitungseinrichtung 11 kann eine separate Einrichtung sein oder Teil einer Steuerelektronik oder Auswerteelektronik der Vorrichtung zur Positionserfassung 1.
Im Folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der zuvor beschriebenen geometrischen Auswertung mit Bezug auf die 2 bis 7 beschrieben.
In 2 sind die Spursignale S1 und S2 über dem Winkel aufgetragen. Die Spursignale S1 und S2 sind dreiecksförmig verzehrt. Um dies deutlicher herauszustellen, sind in 2 mittels durchgezogener Linien Dreieckssignale eingezeichnet. Ebenfalls der Anschaulichkeit halber sind in 2 ein unverzerrtes Sinussignal und ein unverzerrtes Kosinussignal dargestellt. Letztendlich sind in 2 auch noch Spursignale S1' und S2' dargestellt, bei denen die Verzerrung nicht in Richtung der Dreiecksform, sondern entgegengesetzt ausgeprägt ist.
In 3 sind die Signale aus 2 senkrecht zueinander dargestellt. Mit anderen Worten bilden das Sinussignal und das Kosinussignal in ihrer unverzerrten Form aus 2 den Einheitskreis E in 3. Die Dreieckssignale aus 2 bilden das Quadrat in 3. Die dreiecksförmig verzerrten Spursignale S1 und S2 bilden die Lissajousfigur F in 3. Die weiteren verzerrten Spursignale S1' und S2' aus 2 bilden in 3 die Figur F'. Im Folgenden ist das Korrekturverfahren für die Spursignale S1 und S2 beschrieben. Das Korrekturverfahren lässt sich jedoch bei den Signalen S1' und S2' auf gleiche Weise anwenden.
Die Spursignale S1 und S2, so wie sie die Figur F in 3 bilden, wurden bereits in Hinblick auf ihre Phasenbeziehung und Amplitudenbeziehung korrigiert. Ebenso hat bevorzugt bereits eine Offsetkorrektur stattgefunden.
Durch die genannten Korrekturen ist sichergestellt, dass das Verhältnis des Durchmessers der Figur F zwischen den Winkeln 0° und 180° zu dem Durchmesser zwischen den Winkeln 90° und 270° gleich 1 ist. Ebenso wurde sichergestellt, dass das Verhältnis des Durchmessers der Figur F zwischen den Winkeln 45° und 225° zu dem Durchmesser der Figur F zwischen den Winkeln 135° und 315° gleich 1 ist. Zusätzlich ergibt sich durch die Offsetkorrektur, dass die Radien der Winkel 0° und 180° weitgehend gleich sind, sowie die Radien der Winkel 90° und 270° weitgehend gleich sind.
Zur Bestimmung des Korrekturfaktors K wird nun das Verhältnis gebildet von dem Radius der Figur F bei dem Winkel 0°, zu dem Radius der Figur F bei dem Winkel 45°. Dabei kann der Radius bei dem Winkel 0° als Referenzwert R und der Radius der Figur F bei dem Winkel 45° als Verzerrungswert V betrachtet werden. Der so gebildete Korrekturwert K gibt das Maß der dreiecksförmigen Verzerrung der Spursignale S1 und S2 wieder.
Beispielhaft kann alternativ zur Bestimmung des Korrekturfaktors K das Verhältnis von dem Durchmesser der Figur F zwischen den Winkeln 0° und 180°, zu dem Durchmesser der Figur F zwischen den Winkeln 45° und 225° gebildet werden. Dabei kann wiederum der Durchmesser zwischen den Winkeln 0° und 180° als Referenzwert R und der Durchmesser der Figur F zwischen den Winkeln 45° und 225° als Verzerrungswert V betrachtet werden. Der Korrekturfaktor K kann dazu benutzt werden, die Amplitude eines Korrektursignals C festzulegen.
4 zeigt beispielhaft den Winkelfehler eines unkorrigierten Positionssignals P_u über dem Winkel. Der Winkelfehler wurde hierzu aus dem Vergleich eines unkorrigierten Positionssignals zu einem idealen Positionssignal gebildet. Das ideale Positionssignal wurde dazu aus idealen sinusförmigen und kosinusförmigen Spursignalen berechnet. 5 zeigt das Spektrum des Signals aus 4. Der Fehler, bzw. die Verzerrung ist sehr stark als vierte Harmonische ausgeprägt. Dies ist in 5 anhand der normierten Frequenz dargestellt.
Im Vergleich zu den 4 und 5 zeigen die 6 und 7 den Winkelfehler bzw. das Spektrum eines Positionssignals P_k nach der erfindungsgemäßen Korrektur. Die Skalierung der 6 und 7 ist dabei identisch zur Skalierung der 4 und 5. Der Fehler ist nach der Korrektur deutlich kleiner geworden. Zwar ist noch ein Winkelfehler vorhanden, dieser ist jedoch für die Praxis von geringer Relevanz. Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionserfassung 1 lässt sich folglich eine schnelle und einfache Reduzierung der Verzerrung erreichen.

Claims

Verfahren zum Reduzieren von Oberwellen in einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal (P_u) einer Vorrichtung zur Positionserfassung (1), insbesondere eines Drehgebers, wobei ein im Wesentlichen sinusförmiges Spursignal (S1) und ein im Wesentlichen kosinusförmiges Spursignal (S2) der Vorrichtung zur Positionserfassung (1) in einer Verarbeitungseinrichtung (11) verarbeitet werden, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Kombinieren der beiden Spursignale (S1) und (S2) zu einem winkelabhängigen unkorrigierten Positionssignal (P_u); - Bestimmen eines Korrekturfaktors (K) aus den Spursignalen (S1) und (S2), der proportional zum Maß einer dreiecksförmigen Verzerrung der Spursignale (S1) und (S2) ist; - Bilden eines Korrektursignals (C), das das Produkt aus dem Korrekturfaktor (K) und einer Sinusfunktion enthält; und - Subtrahieren des Korrektursignals (C) vom unkorrigierten Positionssignal (P_u) zur Bildung eines korrigierten Positionssignals (P_k).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz der das Korrektursignal (C) bildenden Sinusfunktion der vierfachen Frequenz der Spursignale (S1) bzw. (S2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Bestimmung des Korrekturfaktors (K) die Abweichung wenigstens eines Spursignals (S1) oder (S2) zu einem nicht dreiecksförmig verzerrten Sinus- oder Kosinussignal bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Bestimmung des Korrekturfaktors (K) die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Berechnung eines Referenzwertes (R) aus den Werten eines Spursignals (S1 oder S2) im Bereich der lokalen Extremwerte, bevorzugt der Wert des Spursignals S2 bei 0°, und aus den Werten des anderen Spursignals (S2 bzw. S1) im Bereich der Wendepunkte, bevorzugt der Wert des Spursignals S1 bei 0°. - Berechnung eines Verzerrungswertes (V) aus den Werten der Spursignale (S1) und (S2) an Stellen, die jeweils zwischen einem lokalen Extremwert und einem benachbarten Wendepunkt liegen, bevorzugt bei 45°; und Berechnung des Korrekturfaktors (K) als das Verhältnis K=R/V.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Referenzwert (R) durch die euklidische Norm des Vektors aus den Werten eines Spursignals (S1 oder S2) im Bereich der lokalen Extremwerte und aus den Werten des anderen Spursignals (S2 bzw. S1) im Bereich der Wendepunkte und der Verzerrungswert (V) durch die euklidische Norm des Vektors aus den Werten der Spursignale (S1) und (S2) an den Stellen, die jeweils zwischen einem lokalen Extremwert und einem benachbarten Wendepunkt liegen, gebildet wird.
Vorrichtung zur Positionserfassung (1), insbesondere Drehgeber, wobei die Vorrichtung zur Positionserfassung (1) wenigstens eine Messanordnung (9) zur Erzeugung von Spursignalen (S1) und (S2) und wenigstens eine Verarbeitungseinrichtung (11) zur Verarbeitung und Korrektur von dreiecksförmig verzerrten Spursignalen (S1, S2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (11) wenigstens eine Kombinationseinheit (15) zur Bildung eines unkorrigierten winkelabhängigen Positionssignals (P_u) aus den Spursignalen (S1, S2), wenigstens eine Auswerteeinheit (17) zur Bestimmung von winkelabhängigen Werten der Spursignale (S1, S2), wenigstens eine Berechnungseinheit (19) zur Berechnung eines Korrekturwerts (K) aus den Werten der Spursignale (S1, S2), wenigstens einen Signalgenerator (21) zur Erzeugung eines Korrektursignals (C) und wenigstens eine Subtraktionseinheit (23) zur Subtraktion des Korrektursignals (C) vom unkorrigierten Positionssignal (P_u) aufweist.
Vorrichtung zur Positionserfassung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (11) in der Vorrichtung zur Positionserfassung (1) integriert ist.
Vorrichtung zur Positionserfassung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (11) wenigstens eine Ausgabeeinheit (25) zur Ausgabe eines Kontrollsignals zur Kontrolle eines korrigierten Positionssignals (P_k) aufweist.
Vorrichtung zur Positionserfassung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Verarbeitungseinrichtung (11) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchgeführt wird.
Verarbeitungseinrichtung (11) zur Verarbeitung und Korrektur von dreiecksförmig verzerrten Spursignalen (S1, S2) einer Vorrichtung zur Positionserfassung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (11) wenigstens eine Kombinationseinheit (15) zur Bildung eines unkorrigierten winkelabhängigen Positionssignals (P_u) aus den Spursignalen (S1, S2), wenigstens eine Auswerteeinheit (17) zur Bestimmung von winkelabhängigen Werten der Spursignale (S1, S2), wenigstens eine Berechnungseinheit (19) zur Berechnung eines Korrekturwerts (K) aus den Werten der Spursignale (S1, S2), wenigstens einen Signalgenerator (21) zur Erzeugung eines Korrektursignals (C) und wenigstens eine Subtraktionseinheit (23) zur Subtraktion des Korrektursignals (C) vom unkorrigierten Positionssignal (P_u) aufweist.