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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Winkelsensorvorrichtungen und entsprechende Verfahren.
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HINTERGRUND
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Winkelsensorvorrichtungen werden benutzt, um die Winkelposition eines drehbaren Objekts zu bestimmen. Ein Beispiel hierfür sind Automobilanwendungen, wo beispielsweise eine Winkelposition eines Lenkrads, eines Motors oder anderer Wellen bestimmt werden. Zusätzlich zu einer Bestimmung der absoluten Winkelposition kann dabei die Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit)als Ableitung der Winkelposition nach der Zeit sowie eine entsprechende Winkelbeschleunigung als zweite Ableitung der Winkelposition nach der Zeit bestimmt werden. Beispielsweise bei Elektromotoren ist eine Bestimmung der absoluten Winkelposition erforderlich, um eine Kommutation des Stroms korrekt zuzuführen. Die Winkelposition wird im Folgenden auch kurz als Winkel, die Winkelgeschwindigkeit als Geschwindigkeit und sie Winkelbeschleunigung als Beschleunigung bezeichnet.
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Eine Herangehensweise zur Messung von Winkelpositionen ist die Verwendung von Magnetfeldsensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren oder auf magnetoresistiven Effekten beruhende Sensoren. Dabei wird beispielsweise eine Permanentmagnet-Anordnung an einem rotierendem Objekt wie einer Welle befestigt, welche bei Drehung ein moduliertes Magnetfeld erzeugen, und dieses wird mit Magnetfeldsensoren erfasst. Zur Bestimmung der absoluten Winkelposition werden dabei bei vielen Anwendungen zwei oder drei Magnetfeldsensoren verwendet, die so angeordnet sind, dass sie das Magnetfeld phasenversetzt messen, beispielsweise um 90° versetzt (Cosinus-Signal und Sinus-Signal), oder um 120° versetzt. Eine andere Art von Sensoren sind induktive Sensoren, bei denen in Messspulen durch die Drehung des drehbaren Objekts ein modulierter Strom induziert wird, der das Messsignal darstellt. Diese Arten von Winkelmessungen sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
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Während für manche Anwendungen, beispielsweise Lenkräder, dabei vergleichsweise langsame Sensoren verwendet werden können, ist bei anderen Anwendungen wie beispielsweise zur Bestimmung von Winkelpositionen und Winkelgeschwindigkeiten eines Elektromotors, eine schnelle Messung mit hoher Auflösung erforderlich.
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Allerdings sind eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Auflösung bei hoher Genauigkeit teilweise gegensätzliche Ziele, da beispielsweise ein hoch aufgelöster Analog-Digital-Wandler zur Wandlung analoger Sensorausgaben in digitale Signale zur Weiterverarbeitung eine höhere Latenz aufweist als ein Wandler mit niedrigerer Auflösung. Auch sind bei derartigen schnellen Messungen teilweise schnelle Änderungen der Geschwindigkeit (hohe Beschleunigung oder starke Abbremsung) sowie Messungenauigkeiten durch Rauschen problematisch.
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Ein herkömmlicher Ansatz für Winkelmessungen hoher Geschwindigkeit benutzt eine Kalmanfilterung. Diese ist auf die Aktualisierungsrate benutzter Analog-Digital-Wandler begrenzt, d.h. hier werden Analog-Digital-Wandler mit einer hohen Datenrate benötigt. Eine weitere Herangehensweise ist die Verwendung von auf Phasenregelschleifen (PLL, phase locked loop)basierenden Verfahren. Diese werten entweder nur Nulldurchgänge von Eingangssignalen von Sensoren aus und verlieren dadurch Information, oder benötigen relativ komplexe digitale Implementierungen.
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Eine Art PLL-basierter Verfahren sind dabei so genannte Nachverfolgungsschleifen (tracker loops), die nach Typ II, III und IV unterschieden werden. Diese können relativ komplizierte Multiplikationsoperationen benötigen.
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Daher besteht ein Bedarf nach verbesserten Winkelsensorvorrichtungen und entsprechenden Verfahren.
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KURZFASSUNG
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Es wird eine Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 14 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Winkelsensorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:
- eine Sensoranordnung, welche eingerichtet ist, in Antwort auf eine Drehbewegung eines drehbaren Objekts mindestens zwei phasenversetzte Messsignale bereitzustellen,
- eine Winkelbestimmungseinrichtung, welche eingerichtet ist, auf Basis der mindestens zwei phasenversetzten Messsignale eine Winkelposition zu bestimmen, und
- eine Differenzbildungseinrichtung, welche eingerichtet ist, eine Differenz zwischen dem von der
- Winkelbestimmungseinrichtung bestimmten Winkelposition und einer Ausgabe eines Zählers zu bestimmen,
- wobei der Zähler eingerichtet ist, basierend auf der Differenz gesteuert zu werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:
- Erfassen einer Drehbewegung und Erzeugen von mindestens zwei phasenversetzten Messsignalen in Antwort auf die Drehbewegung,
- Bestimmen einer Winkelposition basierend auf den mindestens zwei phasenversetzten Messsignalen,
- Bilden einer Differenz zwischen der Winkelposition und einer Ausgabe eines Zählers, und
- Steuern des Zählers basierend auf der Differenz.
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Die obige Kurzfassung bietet lediglich einen kurzen Überblick über manche Ausführungsbeispiele und ist nicht als einschränkend auszulegen, da andere Ausführungsbeispiele andere Merkmale aufweisen können.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Winkelsensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 2A und 2B zeigen Blockdiagramme von Winkelsensorvorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
- 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Winkelsensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt ein Blockdiagramm einer Winkelsensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Beschreibung detaillierter Ausführungsbeispiele dient lediglich der Veranschaulichung und ist nicht als einschränkend auszulegen. So ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen (Komponenten, Elementen, Verfahrensschritten, Ereignissen und dergleichen) nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Ausführung notwendig sind.
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Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale als die dargestellten Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen. Zusätzlich zu den dargestellten Merkmalen können weitere Merkmale bereitgestellt sein, beispielsweise herkömmlicherweise in Winkelsensorvorrichtungen verwendete Merkmale.
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Verbindungen oder Kopplungen beziehen sich auf elektrische Verbindungen oder Kopplungen, sofern nichts anderes angegeben ist. Derartige Verbindungen oder Kopplungen können modifiziert werden, beispielsweise durch das Hinzufügen oder Entfernen von Komponenten, solange die grundsätzliche Funktion der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise das Bereitstellen eines Signals, einer Spannung, eines Stroms etc. nicht wesentlich beeinflusst wird. In anderen Worten können Verbindungen und Kopplungen modifiziert werden, solange ihre Funktion erhalten bleibt.
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Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Variationen und Abwandlungen, die für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar und werden daher nicht wiederholt beschrieben.
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Sensoren in dieser Anmeldung sind Sensoren, die letztendlich zur Erfassung eines Drehwinkels, einer Windwinkelgeschwindigkeit oder einer Winkelbeschleunigung dienen, d.h. ihre Ausgabe ändert sich in Abhängigkeit von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts. Wie bereits einleitend erwähnt, sind solche Sensoren für sich genommen bekannt und können beispielsweise Magnetfeldsensoren wie Hall-Sensoren oder auf magnetoresistiven Effekten beruhende Sensoren oder auch induktiv arbeitende Sensoren sein.
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Die 1 zeigt ein Blockdiagramm einem Winkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Winkelsensorvorrichtung der 1 weist eine Sensoreinrichtung 10 auf, welche eingerichtet ist, eine Drehbewegung eines drehbaren Objekts 16 zu erfassen und in Antwort auf die Drehbewegung mindestens zwei phasenversetzte Signale auszugeben. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung 10 zwei Magnetfeldsensoren umfassen, und das drehbare Objekt 16 kann einen Magnetring umfassen, wobei die zwei Magnetfeldsensoren so angeordnet sind, dass sich bei Drehung des drehbaren Objekts 16 zwei um 90° versetzte Messsignale ergeben.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen können drei phasenversetzte Messsignale verwendet werden, welche dann beispielsweise um 120° versetzt sind. Mittels derartiger phasenversetzter Messsignale kann eine Winkelposition des drehbaren Objekts 16 eindeutig bestimmt werden. Dies ist für sich genommen dem Fachmann geläufig und wird daher hier nicht näher erläutert.
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Zur digitalen Verarbeitung werden die Messsignale bei dem Ausführungsbeispiel der 1 mittels einer Analog-Digital-Wandleranordnung (ADC-Anordnung) 11 digitalisiert. Dabei kann für jedes der Messsignale ein eigener Analog-Digital-Wandler der Anordnung 11 bereitgestellt sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch ein einzelner Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit einem Multiplexer verwendet werden, wobei dann der Analog-Digital-Wandler zu Erzielung der gleichen Datenrate der digitalisierten Messsignale eine entsprechend höhere Datenrate aufweisen muss. Bei manchen Ausführungsbeispielen können Sigma-Delta Analog-Digital-Wandler verwendet werden. Es können jedoch auch andere herkömmliche Arten von Analog-Digital-Wandlern zum Einsatz kommen.
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Basierend auf den digitalisierten Signalen, die von der Analog-Digital-Wandleranordnung 11 ausgegeben werden, werden dann in einer Winkelbestimmungseinrichtung 12 eine Winkelposition, kurz als Winkel bezeichnet, des Objekts 16 bestimmt. Diese kann nach herkömmlichen Herangehensweisen geschehen, beispielsweise mit einem Cordic-Algorithmus.
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Die der Analog-Digital-Wandleranordnung 11 nachfolgenden Komponenten 12-15 verarbeiten digitale Signale und können in jeder herkömmlichen Art und Weise für digitale Signalverarbeitung implementiert sein, beispielsweise als spezielle Hardwarekomponenten, beispielsweise in anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC) oder feldprogrammierbaren Gatteranordnungen (FPGA), oder können auch durch Programmierung einer Prozessoreinrichtung wie einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor implementiert sein.
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Zwischen dem so bestimmten Winkel und einer Ausgabe, das heißt einem Zählerstand, eines Zählers 15 wird dann in einer Differenzbildungseinrichtung 13 eine Differenz gebildet. Wie später noch näher erläutert werden wird, repräsentiert der Zählerstand des Zählers 15 ebenfalls eine Winkelposition des drehbaren Objekts 16. Die von dem Subtrahierer 13 ausgegebene Differenz kennzeichnet also eine Abweichung des Winkels, wie er durch den Zählerstand des Zählers 15 repräsentiert wird, von dem Winkel, der direkt auf Basis der Messung durch die Sensoren 10 bestimmt wird.
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Auf Basis dieser Differenz wird der Zähler 15 gesteuert, d.h. inkrementiert oder dekrementiert. Hierzu kann auf Basis der Differenz in einer Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung 14 eine Winkelgeschwindigkeit vo des Objekts 16 bestimmt werden, beispielsweise durch Integrieren der Differenz oder allgemeiner durch eine Filterung der Differenz, beispielsweise mittels eines PI (proportional-integral)-Reglers). Der Zähler 15 wird dann entsprechend der Geschwindigkeit vo gesteuert, das heißt bei höheren Geschwindigkeiten schneller inkrementiert und bei niedrigeren Geschwindigkeiten langsamer inkrementiert(beziehungsweise dekrementiert bei entgegengesetzter Drehrichtung des drehbaren Objekts 16).
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Der Zähler 15 ist dabei ein Zähler, der von null bis zu einem maximalen Zählerstand zählt und dann wieder auf null springt, beziehungsweise beim Unterschreiten der Null (durch Dekrementieren) zu dem maximalen Zählerstand springt. Die Null des Zählers kann dabei einem Winkel von 0° des drehbaren Objekts 16 entsprechen, und die Werte bis zum Maximalwert des Zählers entsprechen dann Werten 0-360°, letzteres wiederum entsprechend 0°. Ist der Zähler beispielsweise ein 12-Bit-Zähler, lassen sich 4096 verschiedene Werte (2^12), d.h. von 0-4095, darstellen. Jedes Inkrementieren des Zählers um ein niederwertigstes Bit würde dabei einer Winkeländerung um 360°/4096=0,0879° entsprechen. Der Zählerwert wird dann als Winkelposition po ausgegeben, wobei entweder direkt der Zählerwert ausgegeben werden kann oder dieser beispielsweise noch in Grad oder eine anderen Winkeleinheit umgerechnet werden kann. Die Ausgabe der Winkelposition po kann dabei mit einem beliebigen Protokoll erfolgen.
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Auch für die Differenzbildung in der Differenzbildungseinrichtung 13 wird beachtet, dass der durch die Winkelbestimmungseinrichtung 12 bestimmte Winkel auf der gleichen Skala bestimmt wird wie die Ausgabe des Zählers 15. In dem oben genannten Beispiel eines 12-Bit-Zählers kann beispielsweise die Winkelbestimmungseinrichtung 12 den Winkel auch als einen 12- Bit-Wert Wert bestimmen, oder in der Differenzbildungseinrichtung 13 die Bitbreite des Zählers 15 auf eine Bitbreite einer Ausgabe der Winkelbestimmungseinrichtung 12 verringert werden, wenn diese niedriger ist.
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Durch die Rückkopplungsschleife zu dem Subtrahierer 13 wird der Zählerstand mit der Winkelbestimmung durch die Sensoren 10 synchronisiert. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung 11 eine geringere Auflösung aufweisen als der Zähler 15. Beispielsweise kann die Analog-Digital-Wandleranordnung 11 digitale Signale mit einer Auflösung von 6 Bit ausgeben, während der Zähler 15 ein 12-Bit-Zähler ist. Durch die Verwendung des Zählers 15 und die Synchronisation durch die Rückkopplung in die Differenzbildungseinrichtung 13 kann letztendlich die der Winkel po mit einer höheren Auflösung, d.h. höheren Genauigkeit ausgegeben werden, als die Auflösung der Analog-Digital-Wandleranordnung 11. Durch die vergleichsweise niedrigere Auflösung der Analog-Digital-Wandleranordnung kann eine entsprechend höhere Taktfrequenz verwendet werden, sodass mit der dargestellten Winkelsensoranordnung eine hohe Auflösung, d.h. hohe Genauigkeit des Winkels bei gleichzeitig hoher Aktualisierungsrate ermöglicht wird.
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Detailliertere Ausführungsbeispiele des unter Bezugnahme auf die 1 dargestellten Prinzips werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 2A, 2B, 3 und 4 erläutert.
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Dabei tragen zur Vermeidung von Wiederholungen in den 2A, 2B, 3 und 4 gleiche oder einander entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen und werden daher nicht wiederholt erläutert.
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Die 2A zeigt ein detaillierteres Blockdiagramm einer Winkelsensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Winkelsensorvorrichtung der 2A weist zwei Sensoren 22 und 23 auf, von denen der Sensor 22 als X Sensor und der Sensor 23 als Y Sensor bezeichnet ist. Die Sensoren 22, 23 können beispielsweise jeweilige Empfindlichkeitsachsen aufweisen, d.h. sie sind auf Magnetfeldkomponenten parallel zu der jeweiligen Empfindlichkeitsachse sensitiv. Die Empfindlichkeitsachse des Sensors 22 steht dabei senkrecht zu der Empfindlichkeitsachse 23, beispielsweise in einer X-Richtung und einer Y-Richtung eines rechtwinkligen Koordinatensystems, wobei beispielsweise die Drehachse eines drehbaren Objekts (In 2A nicht dargestellt, siehe drehbares Objekt 16 der 1) die Z-Achse sein kann. Bei Drehung mit konstanter Geschwindigkeit kann dann von dem Sensor 22 ein cosinusförmiges Messsignal 20 ausgegeben werden, und von dem Sensor 23 kann ein sinusförmiges Messsignal 21 ausgegeben werden. In anderen Worten sind die von den Sensoren 22, 23 ausgegebenen Messsignale bei einer derartigen Anordnung um 90° phasenversetzt.
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Das Messsignal des Sensors 22 wird durch einen Analog-Digital-Wandler 24 digitalisiert, und das Messsignal des Sensors 23 wird durch einen Analog-Digital-Wandler 25 digitalisiert. Die Analog-Digital-Wandler 24 und 25 können jeweils Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler sein.
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Die weiteren beschriebenen Komponenten sind dementsprechend digitale Komponenten, die wie oben für die digitalen Komponenten der 1 beschrieben implementiert sein können.
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Auf Basis der Ausgaben der Analog-Digital-Wandler 24, 25 berechnet ein Cordic Algorithmus 26 eine Winkelposition. In einer Differenzbildungseinrichtung 27 wird die Differenz zwischen dieser Winkelposition und der Ausgabe po eines Zählers 213 gebildet. Der Zähler 213 ist wie bereits für den Zähler 15 beschrieben, ein Zähler mit Überlauf und Unterlauf, was in der 2 durch eine kreisförmige Form des Zählers symbolisiert ist.
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Die Ausgabe des Zählers 213 wird der Differenzbildungseinrichtung 27 dabei über eine Verzögerungskompensation 212 zugeführt, um eine Verzögerung, die sich aus der Signalkette gebildet aus Sensoren 22, 23 Analog-Digital-Wandler 24, 25, Cordic Algorithmus 26 und die nachfolgend beschriebenen Filterkomponenten ergibt, zu kompensieren (im Ausführungsbeispiel der 1 könnte so eine Verzögerung zumindest einiger der Komponenten 10 bis 14 kompensiert werden).
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Wie bereits für den Zähler 15 der 1 erläutert gibt die Ausgabe des Zählers 213 eine Winkelposition an. Durch die Verzögerungskompensation 212 wird sichergestellt, dass die Differenz zwischen einander zeitlich entsprechenden Winkelpositionen, einmal ausgegeben durch den Zähler 213 und einmal gemessen mittels der Sensoren 22, 23, gebildet wird. Dies stellt wiederum sicher, dass der Zählerstand des Zählers 213 immer eine momentane Winkelposition angibt. Zudem kann die Verzögerungskompensation eine Verzögerung durch ein von den Sensoren 22, 23 und /oder zur Bildung des Signals po verwendetes Datenübertragungsprotokoll (z.B. zur Bildung des Protokolls) kompensieren. Auch können Verzögerungen bei dem Empfang der von der Vorrichtung der 2A ausgegebenen Signale in einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor, berücksichtigt werden, wenn diese bekannt sind. Die Verzögerungskompensation 212 kann beispielsweise durch ein Tiefpassfilter und/oder ein digitales IIR-Filter gebildet sein. Die Verzögerung kann dabei mindestens zwei Perioden eines zum Betrieb der Analog-Digital-Wandler 24, 25 und des Cordic Algorithmus 26 verwendeten Taktsignals sein, z.B. mehr als 5 Perioden, beispielsweise ungefähr 10 Perioden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2A werden basierend auf einer Ausgabe der Differenzbildungseinrichtung die Geschwindigkeit, d.h. Winkelgeschwindigkeit, bestimmt. Hierzu weist das Ausführungsbeispiel der 2A einen Integrator 29, beispielsweise einen Integrator erster Ordnung, und eine Rückkopplung über ein Hochpassfilter 215 zu einem Addierer 214 auf. Dabei ist die hochpassgefilterte Geschwindigkeit im Wesentlichen die Winkelbeschleunigung.
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Die Filteranordnung der 2A ist dabei als einfaches Beispiel zu verstehen, und es sind auch andere Filteranordnungen möglich. Beispielsweise können mehrere Integratoren verwendet werden. Je größer die Anzahl der Integratoren, desto größer die Ordnung der Kompensation, die letztendlich durch die Differenzbildung und Rückkopplung erreichbar ist, d.h. Kompensation von Abweichungen zwischen Zähler und der tatsächlich durch den Sensor erfassten Position.
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Wenn keine Integratoren vorhanden sind, ist eine Kompensation der Position möglich, mit einem Integrator zusätzlich eine Kompensation der Geschwindigkeit, mit zwei Integratoren zusätzlich eine Kompensation einer konstanten Beschleunigung, mit drei Integratoren zusätzlich eine Kompensation einer linear ansteigenden Beschleunigung, mit 4 Integratoren zusätzlich eine Kompensation einer quadratisch ansteigenden Beschleunigung usw.
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Die 2B zeigt eine Abwandlung der 2A mit einer anderen Filteranordnung. Bis auf die Filteranordnung stimmt dabei die 2A mit der 2B überein, und die übereinstimmenden Komponenten werden nicht nochmals beschrieben.
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Bei der 2B wird die Beschleunigung, d.h. Winkelbeschleunigung zusätzlich ausgegeben. In dem Beispiel der 2B wird im Wesentlichen mit einem PI(proportionalintegral)Filter mit einem Proportionalanteil 28 und dem Integrator 29, die in einem Addierer 210 addiert werden, die Geschwindigkeit bestimmt. Der Proportionalanteil dient dabei insbesondere zur Stabilisierung der Rückkopplungsschleife einschließlich des Zählers 213 und kann auch in dem Ausführungsbeispiel der 2A bereitgestellt sein.
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Die Beschleunigung wird im Wesentlichen mittels eines Filters höherer Ordnung 211 bestimmt, der auch eine Rauschamplitude berücksichtigen kann. Dabei können Filterkoeffizienten des Filters 211 durch Rauschmessungen oder Signalsprünge beeinflusst werden, um ein von dem dem Filter 211 zugeführten Signal abhängiges adaptives Verhalten zu ermöglichen. So können die Filterkoeffizienten derart gewählt werden, dass bei großen Signalsprüngen (verursacht beispielsweise durch eine plötzlich auftretende hohe Winkelbeschleunigung), die über ein vorher gemessenes Rauschen hinausgehen, ein schnelleres Ansprechverhalten ermöglicht werden, d.h. die Ausgabe der dargestellten Vorrichtungen kann solchen Signalsprüngen so schneller folgen.. Das Filter höherer Ordnung 211 kann beispielsweise ein Filter zweiter bis vierter Ordnung sein und auch eine Kompensation für Nichtlinearitäten beinhalten. Derartige Nichtlinearitäten können dazu führen, dass auf hohe und schnelle Signalsprünge eine überproportional stärkere Filterantwort erfolgt als auf langsame und kleine Signalsprünge. Ein solches Verhalten kann zumindest teilweise kompensiert werden. Wie in 2A kann die Beschleunigung in den Addierer 214 am Ausgang der Differenzbildungseinrichtung 27 zurückgekoppelt werden. Mit einem Filter höherer Ordnung können bei manchen Ausführungsbeispielen sich ändernde Beschleunigungen besser verarbeitet werden.
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Der Zähler 213 wird sowohl bei der 2A als auch bei der 2B wie ebenfalls unter Bezugnahme auf die 1 erläutert basierend auf der Geschwindigkeit inkrementiert (oder dekrementiert). Durch die Rückkopplung des Zählerstandes in die Differenzbildungseinrichtung 27 wird der Zähler auf die tatsächlich mittels der Sensoren 22, 23 gemessene Winkelposition synchronisiert. Wie ebenfalls erläutert kann der Zähler 213 eine höhere Auflösung aufweisen als die Analog-Digital-Wandler 24, 25. Zudem kann der Winkel aus dem Zähler 213 mit geringerer Latenz ausgelesen werden als die Bestimmung durch die Sensoren 22, die Analog-Digital-Wandler 24, 25 und dem Cordic-Algorithmus 26, was insbesondere wie oben bereits erläutert durch die Verzögerungskompensation 212 erreicht wird.
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Im Folgenden werden noch einige Zahlenbeispiele für die Dimensionierung verschiedener Komponenten der Vorrichtung der 2A und 2B gegeben. Diese Zahlenbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung, und hängen von der Dimensionierung der Komponenten ab.
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Die Analog-Digital-Wandler 24 und 25 können zeitkontinuierliche oder gechoppte Sigma-Delta Analog-Digital-Wandler sein, die beispielsweise bei einer Frequenz von 10 MHz und einer Bitbreite von 6 Bit arbeiten. Der Cordic-Algorithmus 26 kann als 6 Bit Pipeline Cordic mit einer entsprechenden Eingangsfrequenz von 10 MHz und einer Verarbeitungsfrequenz von FDEG=40 MHz sein. Eine Verzögerung, die sich durch einen derartigen Cordic-Algorithmus ergibt, kann im Bereich von 600 ns liegen.
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Das von der Differenzbildungseinrichtung 27 ausgegebene Differenzsignal kann ebenfalls ein 6 Bit Signal bei 10 MHz sein. Durch die Filterung kann das Geschwindigkeitssignal dann eine Auflösung von 12 Bit, ebenfalls bei 10 MHz sein. Der Zähler 213 kann beispielsweise ein 12 Bit Zähler sein, kann aber auch mehr Bits aufweisen, beispielsweise ein 16 Bit Zähler sein. Der Integrator 29 kann ein Integrator erster Ordnung sein, kann aber auch ein Integrator höherer Ordnung sein.
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Die 3 zeigt eine Abwandlung der 2. Die verschiedenen der Differenzbildungseinrichtung 27 nachgeschalteten Filterfunktionen, die unter Bezugnahme auf die 2 erläutert wurden (Komponenten 28-211 sowie 214) sind dabei als Synchronisations-/Integrations-/Filterungs-Einrichtung 32 zusammengefasst, die mit einer Frequenz fsync arbeitet und einen Addierwert 33 ausgibt, der einem Zähler 34, der dem Zähler 213 der 2 entspricht, zugeführt wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann zudem eine negative Rückkopplung vom Ausgang des Zählers zu dessen Eingang bereitgestellt sein.
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Zudem ist in der 3 noch eine Rückkopplung in die Analog-Digital-Wandler 24, 25 bereitgestellt. Dabei sind die Analog-Digital-Wandler 24, 25 jeweils als Sigma-Delta Analog-Digital-Wandler mit einem Rückkopplungs-Digital-Analog-Wandler (DAC) 30 bzw. 31 dargestellt. An dem Eingang der Digital-Analog-Wandler 30 und 31 ist jeweils ein Addierer dargestellt, mittels dem der jeweiligen Digital-Analog-Wandler 30 oder 31 zusätzlich mit einem Rückkopplungssignal von dem Zähler 34 beaufschlagt wird. Insbesondere wird der Digital-Analog-Wandler 30 wie durch einen Block 37 dargestellt mit einem Cosinusanteil des Winkels, der von dem Zähler 34 ausgegeben wird, beaufschlagt, und der Digital-Analog-Wandler 31 wird mit einem Sinusanteil gemäß Block 36 beaufschlagt. Dieser Sinusanteil und Cosinus Anteil stellt praktisch eine „Zurückrechnung“ des Cordic-Algorithmus 26 dar, d.h. aus dem Winkel wird wieder ein sinus-und ein cosinusförmiges Signal ähnlich den Signalen 20, 21, der 2 erzeugt. Diese kann beispielsweise mittels einer Nachschlagtabelle (look up table) geschehen. Statt der dargestellten Rückkopplung in die Digital-Analog-Wandler 30 bzw. 31 kann auch ein Ausgang oder Eingang der Analog-Digital-Wandler 24, 25 mit einem entsprechenden Rückkopplungssignal additiv oder multiplikativ überlagert werden. Auch so kann die letztendliche Ausgabe der Analog-Digital-Wandler 24, 25 entsprechend der dargestellten Rückkopplung modifiziert werden.
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Diese Rückkopplung bewirkt, dass durch die Analog-Digital-Wandler 24, 25 in Wesentlichen nur die Beschleunigung quantifiziert wird (ggfs. nach der Überlagerung mit dem Rückkopplungssignal am Ausgang, d.h. wenn man das so modifizierte Signal betrachtet), d.h. eine Änderung der Geschwindigkeit. Die Ausgabe der Analog-Digital-Wandler reagiert dann in anderen Worten im Wesentlichen nur noch auf die Differenz von sinusförmigen Signalen (dem Sensorsignal und dem rückgekoppelten Signal) und somit auf Beschleunigungen. Dies kann Fehler reduzieren.
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Eine weitere Variante ist in 4 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 sind statt zwei Sensoren drei Sensoren 43, 44, 45 mit entsprechend nachgeschalteten Analog-Digital-Wandlern 46, 47 bzw. 48 bereitgestellt. Die Sensoren 43, 44, und 45 sind derart bereitgestellt dass sie drei jeweils um 120°versetzte Messsignale erfassen, wie durch Signale 40-42 in 4 dargestellt. Beispielsweise erfasst der Sensor 43, auch als 0°-Sensor bezeichnet, ein cosinusförmiges Signal 40, der Sensor 44, auch als 120° Sensor bezeichnet, erfasst ein hierzu um 120° versetztes Signal 41, und der Sensor 45, hier als 240° Sensor bezeichnet, erfasst ein zu dem Signal 41 nochmals um 120° versetztes Signal 42, welches somit zu dem Signal 40 um 240° versetzt ist. Der Cordic-Algorithmus 26 ist dann entsprechend angepasst, um auf Basis der Ausgaben der Analog-Digital-Wandler 46, 47 und 48 den Winkel zu berechnen.
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Im Gegensatz zu 3 ist in 4 keine Rückkopplung entsprechend der Blöcke 36, 37 bereitgestellt. Bei anderen Ausführungen kann eine entsprechende Rückkopplung bereitgestellt sein, wobei diese statt Sinus- und Cosinusanteilen wie in 3 dann 3 zueinander um 120° versetzte Anteile in die jeweiligen Analog-Digital-Wandler rückkoppelt.
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Die 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren der 5 kann beispielsweise unter Benutzung der unter Bezugnahme auf die 1-4 erläuterten Winkelsensorvorrichtungen durchgeführt werden, oder in anderen entsprechend ausgestalteten Winkelsensorvorrichtungen. Variationen und Abwandlungen, die für die Vorrichtungen diskutiert wurden, sind auch auf das Verfahren der 5 anwendbar und werden nicht gesondert näher erläutert. Zudem wird zur Vermeidung von Wiederholungen das Verfahren der 5 unter Bezugnahme auf die vorstehende Beschreibung der Vorrichtungen erläutert.
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Bei 50 umfasst das Verfahren eine Erfassung einer Drehbewegung mit mindestens 2 Sensoren, wie beispielsweise den Sensoren 22, 23, oder den Sensoren 43, 44 und 45.
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Bei 51 umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines Winkels basierend auf von den Sensoren ausgegebenen Messsignalen, beispielsweise durch einen Cordic-Algorithmus wie den Cordic-Algorithmus 26.
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Bei 52 umfasst das Verfahren ein Bilden einer Differenz zwischen dem bei 51 bestimmten Winkel und einem Zählerwinkel, d.h. einem Winkel, wie er von einem Zähler wie beispielsweise dem Zähler 213 oder 34 angezeigt wird. Bei 53 umfasst das Verfahren ein Steuern, d.h. ein Inkrementieren oder Dekrementieren, des Zählers basierend auf der Differenz, beispielsweise über die beschriebenen Filter. Wie durch einen Pfeil von 53 zu 50 angedeutet wird dieses Verfahren kontinuierlich ausgeführt, entsprechend der beschriebenen Funktionsweise der Vorrichtungen.
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Manche Ausführungsbeispiele werden durch die folgenden Beispiele definiert.
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Beispiel 1. Winkelsensorvorrichtung, umfassend:
- eine Sensoreinrichtung, welche eingerichtet ist, in Antwort auf eine Drehbewegung eines drehbaren Objekts mindestens zwei phasenverschobene Messsignale bereitzustellen,
- eine Winkelbestimmungseinrichtung, welche eingerichtet ist, basierend auf den mindestens zwei Messsignalen eine Winkelposition des drehbaren Objekts zu bestimmen,
- eine Differenzbildungseinrichtung, welche eingerichtet ist, eine Differenz zwischen der von der Winkelbestimmungseinrichtung bestimmten Winkelposition und einer Ausgabe eines Zählers zu bestimmen, wobei der Zähler eingerichtet ist, basierend auf der Differenz gesteuert zu werden.
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Beispiel 2. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 1, weiter umfassend eine Verzögerungseinrichtung zwischen dem Zähler und der Differenzbildungseinrichtung umfasst, wobei eine Verzögerung der Verzögerungseinrichtung derart gewählt ist, dass sie zumindest Verzögerungen der Sensoreinrichtung, der Winkelbestimmungseinrichtung und/oder der Differenzbildungseinrichtung ausgleicht.
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Beispiel 3. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, weiter umfassend eine Analog-Digital-Wandleranordnung, welche eingerichtet ist, die Messsignale zu digitalisieren und der Winkelbestimmungseinrichtung digitalisierte Messsignale bereitzustellen.
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Beispiel 4. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 3, wobei die Analog-Digital-Wandleranordnung eine niedrigere Bit-Auflösung aufweist als der Zähler.
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Beispiel 5. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 3 oder 4, weiter umfassend eine Rückkopplung von dem Zähler in die Analog-Digital-Wandleranordnung derart, dass die Analog-Digital-Wandleranordnung im Wesentlichen eine Beschleunigung des drehbaren Objekts quantifiziert.
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Beispiel 6. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 5, wobei die Rückkopplung Rückkopplungs-Digital-Analog-Wandler der Analog-Digital-Wandler Einrichtung beaufschlagt.
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Beispiel 7. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 5, wobei die Rückkopplung eingerichtet ist, einer Ausgabe der Analog-Digital-Wandleranordnung ein digitales Rückkopplungssignal zu überlagern.
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Beispiel 8. Winkelsensorvorrichtung nach einem der Beispiele 5-7, wobei die Rückkopplung eine Nachschlagtabelle umfasst, die ein rekonstruiertes Messsignal aus der Ausgabe des Zählers erzeugt.
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Beispiel 9. Winkelsensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1-8, wobei die Sensoreinrichtung
- -zwei Sensoren, welche eingerichtet sind, zueinander um 90° phasenversetzte Messsignale auszugeben, oder
- -drei Sensoren, welche eingerichtet sind, zueinander sukzessive um 120° phasenversetzte Messsignale auszugeben, umfasst.
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Beispiel 10. Winkelsensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1-9, weiter umfassend eine Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung, welche eingerichtet ist, auf Basis der Differenz eine Winkelgeschwindigkeit des drehbaren Objekts zu bestimmen, wobei der Zähler eingerichtet ist, basierend auf der Winkelgeschwindigkeit inkrementiert oder dekrementiert zu werden.
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Beispiel 11. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 10, wobei die Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung einen oder mehrere Integratoren umfasst.
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Beispiel 12. Winkelsensorvorrichtung nach Beispiel 11, wobei die Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung einen Proportionalanteil parallel zu den einen oder mehreren Integratoren umfasst.
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Beispiel 13. Winkelsensorvorrichtung nach einem der Beispiele 10-12, wobei die Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung ein Filter zum Bestimmen einer Winkelbeschleunigung umfasst.
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Beispiel 14. Verfahren, umfassend:
- Erfassen einer Drehbewegung eines drehbaren Objekts und Erzeugen von mindestens zwei phasenversetzten Messsignalen in Antwort auf die Drehbewegung,
- Bestimmen einer Winkelposition basierend auf den mindestens zwei phasenversetzten Messsignalen,
- Bilden einer Differenz zwischen der bestimmten Winkelposition und einer Ausgabe eines Zählers, und
- Steuern des Zählers basierend auf der Differenz.
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Beispiel 15. Verfahren nach Beispiel 14, wobei die Ausgabe des Zählers, bevor die Differenz zwischen der Winkelposition und einer Ausgabe eines Zählers gebildet wird, derart verzögert wird, dass zumindest Verzögerungen des Erfassens, des Bestimmens der Winkelposition und/oder des Bildens der Differenz ausgeglichen werden.
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Beispiel 16. Verfahren nach Beispiel 14 oder 15, weiter umfassend Wandeln der Messsignale in digitale Signale, wobei das Bestimmen der Winkelposition auf den digitalen Signalen basiert.
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Beispiel 17. Verfahren nach Beispiel 16, wobei Wandeln mit einer niedrigeren Bit- Auflösung durchgeführt wird als eine Bit-Auflösung des Zählers.
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Beispiel 18. Verfahren nach Beispiel 16 oder 17, wobei das Wandeln basierend auf einer Rückkopplung von dem Zähler derart durchgeführt wird, dass das Wandeln im Wesentlichen eine Beschleunigung des drehbaren Objekts quantifiziert.
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Beispiel 19. Verfahren nach einem der Beispiele 14-18, weiter umfassend Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit des drehbaren Objekts auf Basis der Differenz, wobei das Steuern des Zählers ein Inkrementieren oder Dekrementieren des Zählers basierend auf der Winkelgeschwindigkeit umfasst.
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Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
