DE10360042A1

DE10360042A1 - Position-detection method for determining an absolute relative position for a rotatable shaft uses sensors fitted in relation to the shaft to detect relative positions

Info

Publication number: DE10360042A1
Application number: DE2003160042
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Wu; Marion Mees
Original assignee: Valeo Motoren und Aktuatoren GmbH
Current assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Soldered on a printed circuit board, first (15) and second (17) sensors are fitted in relation to a shaft (11) so that relative positions detected by the sensors depend on the shaft's absolute relative position. Each relative position is determined by one of the sensors. Each sensor emits a sensor signal representing an assigned relative angular position. Independent claims are also included for the following: (A) An arrangement of sensors for determining an absolute relative position for a rotatable shaft; (B) and for an electronic device for determining an absolute relative position for a rotatable shaft; (C) and for a measurement system for determining an absolute relative position for a rotatable shaft with an arrangement of sensors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer absoluten Winkellage, eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer absoluten Winkellage, eine elektronische Einrichtung zur Bestimmung einer absoluten Winkellage und ein Meßsystem zur Bestimmung einer absoluten Winkellage.The The invention relates to a method for determining an absolute Angular position, a sensor arrangement for determining an absolute Angular position, an electronic device for determining a absolute angular position and a measuring system for determining an absolute angular position.

Automative Anwendungen zählen zu jenen Gebieten, in denen besondere Sicherheitsanforderungen erfüllt werden müssen. So besteht innerhalb eines Fahrzeugs die strikte Notwendigkeit, eine sichere, zuverlässige Funktion aller elektronischen Systeme zu gewährleisten. Dies gilt vorrangig für Steuerungs- und Bremssysteme. Defekte Teile innerhalb derartiger Systeme dürfen die Funktionstüchtigkeit eines solchen Systems und somit des Fahrzeugs nicht beeinträchtigen. Hierzu kann es erforderlich sein, defekte Teile innerhalb des Systems auszukoppeln und/oder Fehler zu lokalisieren, wobei die Funktionstüchtigkeit des gesamten Systems auf einem bestimmten Level aufrecht erhalten werden muß.automative Counting applications to those areas where specific safety requirements are met have to. So within a vehicle there is a strict need a safe, reliable To ensure the function of all electronic systems. This applies primarily for control and brake systems. Defective parts within such systems may functionality of such a system and thus of the vehicle. This may require defective parts within the system decouple and / or locate errors, the functionality of the entire system at a certain level must become.

Da in den automativen Anwendungen Kosten eine bedeutende Rolle spielen, wird in den meisten Fällen ein Magnetencoder als Sensor zur Bestimmung von Winkellagen benutzt. Magnetencoder sind mit optischen Einrichtungen zur Bestimmung von Winkellagern durchaus vergleichbar. Momentan gibt es zwei Arten von Magnetencodern, nämlich Inkremental- und Absolutencoder.There play a significant role in automatic applications costs, in most cases a magnet encoder used as a sensor for determining angular positions. Magnetic encoders are equipped with optical devices for the determination of Angle bearings quite comparable. There are currently two types of Magnetic encoders, namely Incremental and absolute encoder.

Inkrementalencoder werden häufig in Motorkontrolleinrichtungen eingesetzt, da sie vergleichsweise billig sind und mit derartigen Motorkontrolleinrichtungen in einfacher Weise interagieren. Allerdings befinden sich Systeme mit Inkrementalencodern beim Starten eines Motors eine gewisse Zeit lang in einem unkontrollierbaren Zustand. Der Grund hierfür besteht darin, daß während eines Anfahrens eine genaue Absolutlage einer drehbaren Welle solange nicht bekannt ist, bis diese einen Indexpuls erhält. Das System hat jedoch die Aufgabe, die Position abzuschätzen, den Motor in Bewegung zu versetzen und den Indexpuls abzuwarten. Hierbei besteht die Gefahr, daß der Motor zu einer Drehbewegung in falscher Richtung ansetzt. Zur einer derartigen Selbstkalibrierung darf es jedoch bei wichtigen Anwendungen nicht kommen.incremental become common used in engine control devices, as they are comparatively cheap are and easier with such engine control devices Way interact. However, there are systems with incremental encoders when starting an engine for a while in an uncontrollable manner Status. The reason for that is that during a Start a precise absolute position of a rotatable shaft as long is not known until it receives an index pulse. However, the system has the task of to estimate the position to set the motor in motion and wait for the index pulse. in this connection there is a risk that the Motor attaches to a rotational movement in the wrong direction. To one However, such self-calibration may be important applications do not come.

Der Inkrementalencoder ist im Vergleich zu dem Absolutencoder wesentlich einfacher und auch billiger. Bei dem Absolutencoder treten die vorstehend geschilderten Probleme nicht auf. Hiermit ist eine absolute Winkellage jederzeit nachvollziehbar. Dies ist auch dann der Fall, wenn das System gerade anfährt. Bei optischen Absolutencodern kommt es ebenso wenig zu derartigen Problemen, allerdings weisen diese den Nachteil auf, zerbrechlich und vergleichsweise teuer zu sein. Demnach sind optische Absolutencoder für automotive Anwendungen ungeeignet.Of the Incremental encoder is essential compared to the absolute encoder easier and cheaper. The absolute encoder has the above not described problems. This is an absolute angular position comprehensible at any time. This is true even if that System is just starting. With optical absolute encoders, there are just as few Problems, however, have the disadvantage of being fragile and to be comparatively expensive. Accordingly, optical absolute encoders for automotive applications not suitable.

Mit vorliegender Erfindung soll ein kostengünstiges und robustes System zur Bestimmung absoluter Winkellagen bereitgestellt werden, das für automative und industrielle Anwendungen geeignet ist.With The present invention is intended to be a cost effective and robust system be provided for determining absolute angular positions, the for automative and industrial applications.

Hierzu wird ein Verfahren zur Bestimmung einer absoluten Winkellage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer absoluten Winkellage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, eine elektronische Einrichtung zur Bestimmung einer absoluten Winkellage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und ein Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 19 vorgestellt.For this is a method for determining an absolute angular position with the features of claim 1, a sensor arrangement for determining an absolute angular position with the features of the claim 7, an electronic device for determining an absolute Angular position with the features of claim 13 and a measuring system presented with the features of claim 19.

Bei dem Verfahren zur Bestimmung der absoluten Winkellage einer drehbaren Welle durch eine Sensoranordnung mit einer Anzahl Sensoren ist vorgesehen, daß die Sensoren derart relativ zu der Welle angeordnet sind, daß relative Winkellagen, die durch die Sensoren ermittelt werden, von der absoluten Winkellage der Welle abhängig sind. Dabei wird jeweils eine relative Winkellage durch jeweils einen der Sensoren ermittelt. Jeder Sensor gibt ein die zugeordnete relative Winkellage repräsentierendes Sensorsignal aus. Sämtliche Sensorausgangssignale werden durch mindestens eine elektronische Einrichtung ausgewertet. Zur Bestimmung der absoluten Winkellage werden die sich aus den Messungen ergebenden Sensorausgangssignale durch die elektronische Einrichtung gemeinsam verarbeitet. Durch die Erfindung wird insgesamt ein redundantes Verfahren zur Bestimmung der absoluten Winkellage bereitgestellt. Für den Fall, daß einer der Sensoren ausfällt, ist noch mindestens ein Sensor zur Ermittlung der relativen Winkellage und daraus resultierend zur Bestimmung der absoluten Winkellage vorhanden. Aufgrund der mehrfachen Messung ist dieses erfindungsgemäße Verfahren als besonders sicher anzusehen.at the method for determining the absolute angular position of a rotatable Shaft is provided by a sensor arrangement with a number of sensors, that the Sensors are arranged relative to the shaft so that relative Angular positions, which are detected by the sensors, from the absolute Angular position of the shaft dependent are. In each case, a relative angular position by each one of the sensors determined. Each sensor inputs the assigned one representing relative angular position Sensor signal off. All sensor output signals are evaluated by at least one electronic device. For the determination of the absolute angular position, the ones resulting from the Measurements resulting sensor output signals by the electronic Device processed together. The invention is total a redundant method for determining the absolute angular position provided. For the case that one the sensors fail, is still at least one sensor for determining the relative angular position and as a result, to determine the absolute angular position available. Due to the multiple measurement is this inventive method to be particularly safe.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Permanentmagnet derart relativ zu der Welle und den Sensoren angeordnet, daß eine Winkellage des Permanentmagneten zu den Sensoren von der absoluten Winkellage der Welle abhängig ist. Dabei wird jeweils ein die zugeordnete relative Winkellage repräsentierender magnetischer Fluß des Permanentmagneten von jeweils einem der Sensoren ermittelt und daraus resultierend jeweils eines der Sensorausgangssignale ausgegeben. Hierbei bietet sich die Möglichkeit, den Permanentmagneten an der drehbaren Welle zu befestigen, so daß dieser stets dieselbe Drehbewegung wie die Welle durchführt. Die Sensoren, die bspw. als Magnetwiderstände ausgebildet sind, sind relativ zu der Welle und dem Permanentmagneten fest positioniert. Bei Drehungen der Welle und somit des Permanentmagneten registrieren die Sensoren in Abhängigkeit der Winkellage den sich ändernden magnetischen Fluß bzw. ein sich änderndes Magnetfeld des Permanentmagneten.In one embodiment of the invention, a permanent magnet is arranged relative to the shaft and the sensors such that an angular position of the permanent magnet to the sensors of the absolute angular position of the shaft is dependent. In each case one of the associated relative angular position representing magnetic flux of the permanent magnet of each one of the sensors is determined and resul each one of the sensor output signals output. This offers the possibility to attach the permanent magnet to the rotatable shaft so that it always performs the same rotational movement as the shaft. The sensors, which are designed, for example, as magnetoresistors, are fixed relative to the shaft and the permanent magnet. Upon rotation of the shaft and thus of the permanent magnet, the sensors register, depending on the angular position, the changing magnetic flux or a changing magnetic field of the permanent magnet.

Es kann vorgesehen sein, daß die Sensorausgangssignale zur Bestimmung der absoluten Winkellage durch die elektronische Einrichtung, modifiziert werden. Dies kann bspw. bedeuten, daß die Sensorausgangssignale durch geeignete Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden, wodurch eine elektronische Bearbeitung dieser Sensorausgangssignale erleichtert wird.It can be provided that the Sensor output signals for determining the absolute angular position by the electronic device to be modified. This can, for example. mean that the Sensor output signals are digitized by suitable analog-to-digital converters, whereby an electronic processing of these sensor output signals is relieved.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es des weiteren von Vorteil, die Sensorausgangssignale durch einen Quadranten-Separations-Konversionsalgorithmus zu modifizieren. Die Sensorausgangssignale sind sinus- bzw. kosinusförmig und liegen analog vor. Sie sind in digitale Signale umzuwandeln, bevor bspw. ein Mikrocontroller diese weiterbearbeiten kann. In Punkten in der Nähe von Extrema, also von Maximal- bzw. Minimalwerten, ist eine Steigung oder Ableitung einer sinusförmigen Kurve sehr klein. Es würde eine effektive Auflösung sowie eine Zuverlässigkeit des Verfahrens in hohem Maße beeinträchtigen, wenn Sensorausgangssignale direkt übertragen bzw. weiterverabeitet werden würden. Um dieses Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Sensorausgangssignale durch mathe matische Operationen in bspw. acht gleiche Teile aufzuteilen, hierbei werden die Extrema ausgesondert. Eine Übertragung eines Sensorausgangssignals erfolgt in Abschnitten mit hinreichend großer Steigung. Bei dieser Vorgehensweise wird vorzugsweise der Quadranten-Separations-Konversions-Algorithmus genutzt.to execution the method according to the invention It is also advantageous, the sensor output signals through to modify a quadrant separation conversion algorithm. The sensor output signals are sinusoidal and cosinusoidal and are analogous. They are to convert to digital signals before For example, a microcontroller can continue to process this. In points near of extrema, ie of maximum and minimum values, is a slope or derivative of a sinusoidal Curve very small. It would be one effective resolution as well as a reliability of the process to a large extent affect if sensor output signals are directly transmitted or further processed would become. To solve this problem will be proposed according to the invention, the sensor output signals by math matic operations in bspw. Divide eight equal parts, here the extremes are eliminated. A transmission a sensor output signal occurs in sections with sufficient greater Pitch. In this approach, preferably the quadrant separation conversion algorithm is used.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist des weiteren vorgesehen, daß jeweils eines der Sensorausgangssignale durch jeweils ein Modul aus einem Satz mehrerer gleichartiger Module der mindestens einen elektronischen Einrichtung einer Überprüfung unterzogen wird. Je nach konkreter Ausgestaltung einer derartigen Überprüfung werden alle durch die Sensoren ermittelten Sensorausgangssignale in den mehrfach vorhandenen Modulen voneinander getrennt überprüft. Auch durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird ein Beitrag zur Redundanz und somit zur Sicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens geleistet. Die Funktionstüchtigkeit eines Systems, das durch das erfindungsgemäße Verfahren überwacht, gesteuert oder in einer anderen Weise beeinflußt wird, wird durch einen Ausfall einer Komponente, also eines der Sensoren oder eines der Module aus dem Satz mehrerer gleichartiger Module, nicht beeinträchtigt.at execution the method according to the invention is further provided that each one of the sensor output signals by a respective module of a Set of several similar modules of at least one electronic Institution under review becomes. Depending on the concrete design of such a review All detected by the sensors sensor output signals in the multiple existing modules checked separately. Also by this inventive measure is a contribution to the redundancy and thus to the safety of the method according to the invention done. The functionality a system that is monitored by the method according to the invention, controlled or otherwise affected by a failure a component, ie one of the sensors or one of the modules from the set of several similar modules, not affected.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß im Rahmen der Überprüfung der Sensorausgangssignale, jeweils eines der Sensorausgangssignale durch die elektrische Einrichtung gemäß der Beziehung (1)

auf Fehler überprüft wird. Bei u_sin (t) und u_cos (t) handelt es sich um unmittelbare, modifizierte Werte jeweils eines der Sensorausgangssignale. Bei U_sin und U_cos handelt es sich um Amplitudenwerte modifizierter Werte jeweils eines der Sensorausgangssignale. Der Wert ε ist ein Fehlerwert, der je nach Auslegung eines Systems festegelegt werden kann. Bei der Beziehung (1) handelt es sich bezüglich trigonometrischer Gesetzmäßigkeiten um ein Kriterium, mit dem ein funktionstüchtiger Sensor von einem defektem Sensor unterschieden werden kann.In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that in the context of checking the sensor output signals, in each case one of the sensor output signals by the electrical device according to the relationship (1).

checked for errors. U _sin (t) and u _cos (t) are immediate, modified values of one of the sensor output signals, respectively. U _sin and U _cos are amplitude values of modified values of one of the sensor output signals, respectively. The value ε is an error value that can be determined depending on the design of a system. Regarding trigonometric laws, relation (1) is a criterion with which a functioning sensor can be distinguished from a defective sensor.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung der absoluten Winkellage einer drehbaren Welle weist eine Anzahl Sensoren auf, die derart relativ zu der Welle angeordnet sind, daß relative Winkellagen, die durch die Sensoren ermittelt werden, von der absoluten Winkellage der Welle abhängig sind. Dabei ist vorgesehen, daß jeweils einer der Sensoren jeweils eine von der absoluten Winkellage der Welle abhängige relative Winkellage ermittelt und ein diese repräsentierendes Sensorausgangssignal ausgibt. Die Auswertung der sich ergebenden Sensorausgangssignale erfolgt durch eine elektronische Einrichtung zur Detektion von Fehlern und zur Bestimmung der absoluten Winkellage. Durch diese redundante Ausbildung der Sensoranordnung mit mehreren Sensoren wird ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet. Da einzelne Funktionen mehrfach durchführbar sind, kann ein Ausfall eines der Sensoren durch mindestens einen weiteren gleichartigen Sensor stets kompensiert werden, so daß die Funktionstüchtigkeit des gesamten Meßsystems durch einen derartigen Ausfall nicht beeinträchtigt wird.The inventive sensor arrangement for determining the absolute angular position of a rotatable shaft has a number of sensors disposed in such relative to the shaft are that relative Angular positions, which are detected by the sensors, from the absolute Angular position of the shaft dependent are. It is envisaged that in each case one of the sensors each one of the absolute angular position of the Wave dependent relative Determined angular position and a sensor output signal representing this outputs. The evaluation of the resulting sensor output signals is done by an electronic device for the detection of errors and for determining the absolute angular position. Through this redundant Formation of the sensor arrangement with a plurality of sensors becomes high Measure Security guaranteed. Since individual functions are repeatedly feasible, a failure one of the sensors by at least one other similar sensor always be compensated, so that the functionality of the entire measuring system is not affected by such a failure.

Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist vorgesehen, daß ein Permanentmagnet derart relativ zu der Welle und den Sensoren angeordnet ist, daß eine relative Winkellage des Permanentmagneten zu den Sensoren von der relativen Winkellage der Welle abhängig ist, wobei jeweils einer der Sensoren zur Messung jeweils eines winke labhängigen Flusses des Permanentmagneten und daraus resultierend zu einer Ermittlung jeweils eines der Sensorausgangssignale ausgebildet ist. Bei normaler Funktionsweise des Meßsystems werden alle Sensorausgangssignale sämtlicher Sensoren addiert. Der Grund hierfür besteht darin, daß jedes der Sensorausgangssignale der Sensoren mit harmonischen Komponenten behaftet ist. Dies liegt daran, daß der Fluß des Permanentmagneten nicht ideal sinusförmig ist und ein zwischen dem Permanentmagneten und den Sensoren vorhandener Luftspalt eine Verteilung des magnetischen Flusses oder eines Magnetfelds beeinflußt. Die Addition von Sensorausgangssignalen unterschiedlicher Sensoren, die zueinander versetzt angeordnet sind, ermöglicht eine Elimination der harmonischen Komponenten einer bestimmten Ordnung und reduziert somit Amplituden anderer harmonischer Komponenten. Eine Gleichung (2) die einen Zusammenhang zwischen einer Verschiebung eines Raumwinkels, einer Anzahl der Sensoren und der Ordnung harmonischer Komponenten, die eliminiert werden können, angibt, lautet:

wobei θ die Verschiebung des Raumwinkels zwischen benachbarten Sensoren ist. Der Wert n bezeichnet die Anzahl der Sensoren und m die Ordnung harmonischer Komponenten, die eliminierbar sind.In one embodiment of the sensor arrangement according to the invention it is provided that a permanent magnet is arranged relative to the shaft and the sensors such that a relative angular position of the permanent magnet to the sensors of the relative angular position of the shaft is dependent, each one of the sensors for measuring each one bekeke labhängigen flow of the permanent magnet and resulting from a determination each one of the sensor output signals is formed. In normal operation of the measuring system all sensor output signals of all sensors are added. The reason for this is that each of the sensor output signals of the sensors has harmonic components. This is because the flux of the permanent magnet is not ideally sinusoidal and an air gap existing between the permanent magnet and the sensors affects a distribution of the magnetic flux or a magnetic field. The addition of sensor output signals of different sensors, which are arranged offset from one another, makes it possible to eliminate the harmonic components of a particular order and thus reduces amplitudes of other harmonic components. An equation (2) indicating a relationship between a displacement of a solid angle, a number of sensors and the order of harmonic components that can be eliminated is:

where θ is the displacement of the solid angle between adjacent sensors. The value n denotes the number of sensors and m the order of harmonic components that can be eliminated.

Nachfolgend ist ein Beispiel gegeben Bei Anordnung von zwei Sensoren, n = 2, wobei die dritte harmonische Komponente, m = 3, eliminiert werden soll, ergibt sich gemäß der Gleichung (2) eine Verschiebung des Raumwinkels zwischen zwei Sensoren von θ = 60°. In diesem Fall ist die Amplitude der dritten harmonischen Komponente auf Null reduziert und die Amplitude der fünften harmonischen Komponente ist auf 87% reduziert.following an example is given In the case of two sensors, n = 2, wherein the third harmonic component, m = 3, is eliminated should, according to the equation (2) a displacement of the solid angle between two sensors of θ = 60 °. In this Case is the amplitude of the third harmonic component to zero reduces and the amplitude of the fifth harmonic component is reduced to 87%.

Innerhalb der Sensoranordnung bietet es sich an, die Sensoren als Magnetwiderstände auszubilden, da diese vergleichsweise billig und robust sind und sich demnach besonders für automative Anwendungen in Fahrzeugen oder allgemein bei industriellen Anwendungen eignen. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Sensoranordnung Erschütterungen, wie sie bspw. bei Bewegungen des Fahrzeugs auftreten, ausgesetzt ist.Within The sensor arrangement makes it possible to form the sensors as magnetoresistors, since These are relatively cheap and robust and therefore special for automative Applications in vehicles or in general in industrial applications suitable. This is also the case when the sensor assembly shakes, as they occur, for example, during movements of the vehicle suspended is.

Bei einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Permanentmagnet an der Welle befestigt ist und die Sensoren relativ zu einer Drehachse der Welle in der Nähe des Permanentmagneten angeordnet sind. Hier bieten sich zwei Möglichkeiten einer Anordnung an. Die Sensoren können radial zu der Drehachse an verschiedenen Positionen angeordnet sein. Alternativ können die Sensoren axial zu der Drehachse unter verschiedenen Ausrichtungen angeordnet sein. Je mehr Sensoren innerhalb des Meßsystems angeordnet sind, desto genauer ist die absolute Winkellage der drehbaren Welle bestimmbar. Ebenso wird die Redundanz und somit die erreichbare Sicherheit des Systems mit zunehmender Anzahl von Sensoren verbessert.at a possible Design is provided that the permanent magnet on the Shaft is attached and the sensors relative to a rotation axis the wave nearby of the permanent magnet are arranged. Here are two possibilities an arrangement. The sensors can be radial to the axis of rotation be arranged in different positions. Alternatively, the Sensors axially to the axis of rotation under different orientations be arranged. The more sensors within the measuring system are arranged, the more accurate is the absolute angular position of the rotatable Wave determinable. Likewise, the redundancy and thus the achievable System safety improved with increasing number of sensors.

Die erfindungsgemäße elektronische Einrichtung zur Bestimmung einer absoluten Winkellage einer drehbaren Welle weist mindestens einen Satz gleichartiger Module für eine gemeinsame Auswertung mehrerer Sensorausgangssignale für jeweils eine relative Winkellage auf. Dabei ist vorgesehen, daß die Sensorausgangssignale zu der absoluten Winkellage durch eine Anzahl Sensoren ermittelt werden. Somit ist auch eine redundante und damit besonders sichere Auswertung der durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung bereitgestellten Sensorausgangssignale möglich. Eine Auswertung jedes Sensor ausgangssignals wird innerhalb eines Moduls unabhängig von den anderen Modulen durchgeführt.The electronic according to the invention Device for determining an absolute angular position of a rotatable Wave has at least one set of similar modules for a common one Evaluation of several sensor output signals for each relative angular position on. It is envisaged that the Sensor output signals to the absolute angular position by a number Sensors are determined. Thus, also a redundant and thus particularly safe evaluation of the sensor arrangement according to the invention provided sensor output signals possible. An evaluation of each Sensor output signal is independent of within a module the other modules.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Einrichtung mindestens einen Addierer zur Addition von Sensorausgangssignalen auf. Durch diesen Addierer ist es möglich, die harmonischen Komponenten innerhalb der Sensorausgangssignale zu beseitigen.In preferred embodiment of the invention, the electronic Device comprising at least one adder for adding sensor output signals on. Through this adder, it is possible the harmonic components within the sensor output signals.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß der mindestens eine Satz gleichartiger Module zur Überprüfung der Sensorausgangssignale ausgebildet ist. Somit bietet sich die Möglichkeit, die Sensoranordnung auf eine ordnungsgemäße Funktionsweise hin zu überwachen.In addition, can be provided that the at least one set of similar modules for checking the sensor output signals is trained. Thus, there is the possibility of the sensor arrangement to a proper functioning to monitor.

Die elektronische Einrichtung weist in einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung mindestens einen Signalkonditionierungsschaltkreis zur Modifizierung der Sensorausgangssignale auf. Dabei kann vorgesehen sein, daß auch der Addierer innerhalb des mindestens einen Signalkonditionierungsschaltkreises angeordnet ist. Mit Hilfe des mindestens einen Signalkonditionierungsschaltkreises können die Sensorausgangssignale der Sensoren verstärkt werden, womit die Effizienz und die Genauigkeit der gesamten Anordnung verbessert wird. Der mindestens eine Signalkonditionierungsschaltkreis weist hierzu mindestens einen Differenzverstärker zur Durchführung von Signalvergleichen als auch zur Verstärkung ermittelter Differenzen auf. Sämtliche Sensorausgangssignale werden in ADC-Kanälen eines Mikrocontrollers digitalisiert.In one possible embodiment of the invention, the electronic device has at least one signal conditioning circuit for modifying the sensor output signals. It can be provided that the adder is disposed within the at least one signal conditioning circuit. By means of the at least one signal conditioning circuit, the sensor output signals of the sensors can be amplified, thus improving the efficiency and the accuracy of the entire arrangement becomes. For this purpose, the at least one signal conditioning circuit has at least one differential amplifier for performing signal comparisons as well as for amplifying determined differences. All sensor output signals are digitized in ADC channels of a microcontroller.

In weiterer Ausgestaltung der elektronischen Einrichtung ist vorgesehen, daß diese zumindest einen Satz Fehlernachweis- und Multiplexblöcke zur Überprüfung der Sensorausgangssignale auf Fehler aufweist. Des weiteren weist die elektronische Einrichtung einen Divisionsblock zur Division der Sensorausgangssignale und einen Korrekturblock zur quadrantischen Korrektur der Sensorausgangssignale auf. Die Überprüfung der Sensorausgangssignale auf Fehler erfolgt gemäß der Beziehung (1) und dient der Erkennung fehlerhafter Sensoren. Mit dem Divisionsblock kann eine Beseitigung des Einflusses mechanischer Toleranzen, Temperaturschwankungen oder Common-Mode-Interferenzen hinsichtlich der Genauigkeit der gesamten Anordnung erfolgen. Der Korrekturblock zu quadrantischen Korrektur führt eine Abschätzung digitaler Winkelinformationen durch.In further embodiment of the electronic device is provided that these at least one set of error detection and multiplexing blocks for checking the Sensor output signals for errors. Furthermore, the electronic has Establishment of a division block for the division of the sensor output signals and a correction block for quadrant correction of the sensor output signals on. The verification of the sensor output signals Errors are made according to the relationship (1) and is used to detect faulty sensors. With the division block can eliminate the influence of mechanical tolerances, temperature fluctuations or common-mode interference in terms of accuracy of the entire arrangement. The correction block to quadrant Correction leads an estimate digital angle information.

In einer dazu alternativen Ausgestaltung der elektronischen Einrichtung ist vorgesehen, daß diese einen Fehlernachweisblock zur Überprüfung der Sensorausgangssignale auf Fehler und einen Satz mehrerer Observationsmodule zur Beobachtung der Sensorausgangssignale aufweist. Der Fehlernachweisblock ist dazu ausgebildet, einen fehlerhaften Sensorkanal gemäß der Beziehung (1) ausfindig zu machen. Mit Hilfe des Fehlernachweisblocks kann ein innerhalb der elektronischen Einrichtung ebenfalls vorhandener Demultiplexer so gestaltet werden, daß dieser einen funktionstüchtigen Kanal ansteuert. Die Observationsmodule sind zur Transformation der sinus- oder kosinusförmigen Sensorausgangssignale in digitale Winkelinformationen ausgebildet. Die bspw. drei Observationsmodule innerhalb der elektronischen Einrichtung sind unterschiedlichen Sensoren zugeordnet und behandeln durch diese ermittelte Sensorsignale separat und parallel. Die Oberservationsmodule zur Verfolgung der Sensorsignale und zur Transformation dieser sind als geschlossenes Schleifensystem ausgebildet. Eine Eingabe sinus- oder kosinusförmiger Sensorausgangssignale wird durch eine Kreuzproduktoperation mit bekannten Sinus- oder Kosinussignalen aus einer Tabelle durchgeführt. Ein Resultat wird von zwei PI-Regulatoren verarbeitet. Eine Geschwindigkeit der Welle und Winkelinformationen zu der Welle können über Ausgänge dieser PI-Regulatoren ermittelt werden. Hierbei kommt ein Beobachtungs-Algorithmus zur Anwendung.In an alternative embodiment of the electronic device is provided that this an error detection block for checking the Sensor output signals for errors and a set of several observation modules to observe the sensor output signals. The error detection block is adapted to a faulty sensor channel according to the relationship (1) to locate. With the help of the error detection block can a within the electronic device also available Demultiplexer be designed so that this one functional Channel activates. The observation modules are for transformation the sinusoidal or cosinusoidal Sensor output signals formed in digital angle information. The example. Three observation modules within the electronic device are assigned to different sensors and treat by them Detected sensor signals separately and in parallel. The Oberservationsmodule to track the sensor signals and to transform them designed as a closed loop system. An input sinusoidal or cosinusoid Sensor output signals is through a cross-product operation with known sine or cosine signals from a table. One Result is from two PI regulators processed. A speed of the shaft and angle information to the shaft can be via outputs of this PI regulators are determined. Here comes an observation algorithm for use.

Das erfindungsgemäße Meßsystem zur Bestimmung einer absoluten Winkellage einer Welle ist eine Kombination der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Bestimmung der absoluten Winkellage der Welle und der mindestens einen erfindungsgemäßen elektronischen Einrichtung zur Bestimmung der absoluten Winkellage der Welle. Da einzelne Sensoren und Module mehrfach vorhanden sind, ist mit dem Meßsystem eine fehlersichere Überwachung der Winkellage und somit einer Funktion der Welle möglich. Das Meßsystem kann bei unterschiedlichen mechanischen und/oder elektronischen Anwendungen, wie beispielsweise in Fahrzeugen, zum Einsatz kommen.The Measuring system according to the invention for determining an absolute angular position of a shaft is a combination the sensor arrangement according to the invention for determining the absolute angular position of the shaft and the at least an electronic according to the invention Device for determining the absolute angular position of the shaft. There individual sensors and modules are present several times, is with the measuring system a fail-safe monitoring the angular position and thus a function of the shaft possible. The measuring system can with different mechanical and / or electronic Applications, such as used in vehicles.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further Advantages and embodiments of the invention will become apparent from the Description and attached drawing.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It understands that the above and to be explained below Features not only in the specified combination, but also usable in other combinations or alone are without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The Invention is based on an embodiment schematically shown in the drawing and is below under Referring to the drawings described in detail.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer Darstellung. 1 shows a first embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a schematic representation.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer Darstellung. 2 shows a second embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a schematic representation.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer Darstellung. 3 shows a third embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a schematic representation.

4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer Darstellung. 4 shows a fourth embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a schematic representation.

5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Signalkonditionierungsschaltkreises einer elektronischen Einrichtung in schematischer Darstellung. 5 shows a preferred embodiment of a signal conditioning circuit of an electronic device in a schematic representation.

6 zeigt eine Ausführungsform mehrerer Module einer elektronischen Einrichtung in schematischer Darstellung. 6 shows an embodiment of several modules of an electronic device in a schematic representation.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform mehrerer Module einer erfindungsgemäßen elektronischen Einrichtung in schematischer Darstellung. 7 shows a further embodiment of several modules of an electronic device according to the invention in a schematic representation.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile.The Figures become coherent and overarching described, like reference numerals designate like components.

Die in 1 gezeigte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 ist zur Bestimmung einer absoluten Winkellage einer Welle 11 mit einer Drehachse 12 ausgebildet. An der Welle 11 ist ein Permanentmagnet 13 mit einem Nordpol und einem Südpol befestigt. Zwei Sensoren 15, 17 zur Messung eines magnetischen Flusses des Permanentmagneten 13 sind unter axialer Orientierung, unterhalb des Permanentmagneten 13 angeordnet und auf einem PCB-Board 19 befestigt. Mittelpunkte der Sensoren 15, 17 fluchten in der Drehachse 12 des Permanentmagneten 13. Hierbei können die Sensoren 15, 17 als Magnetwiderstände mit zweimal vier Anschlußclips auf dem PCB-Board 19 festgelötet sein.In the 1 shown first embodiment of the sensor arrangement according to the invention 10 is for determining an absolute angular position of a shaft 11 with a rotation axis 12 educated. At the wave 11 is a permanent magnet 13 attached with a north pole and a south pole. Two sensors 15 . 17 for measuring a magnetic flux of the permanent magnet 13 are under axial orientation, below the permanent magnet 13 arranged and on a PCB board 19 attached. Center points of the sensors 15 . 17 aligned in the axis of rotation 12 of the permanent magnet 13 , Here, the sensors 15 . 17 as magnetoresistors with twice four connection clips on the PCB board 19 be soldered.

Eine Winkelverschiebung zwischen den Hauptachsen der beiden Sensoren 15, 17 kann bspw. 60° (gebogener Doppelpfeil) betragen. Somit wird erreicht, dritte harmonische Komponenten von Sensorausgangssignalen zu eliminieren. Das PCB-Board 19 ist in unmittelbarer Nähe eines Mittelpunkts des Permanentmagneten 13 positioniert.An angular shift between the main axes of the two sensors 15 . 17 can be, for example, 60 ° (curved double arrow). Thus, it is achieved to eliminate third harmonic components of sensor output signals. The PCB board 19 is in the immediate vicinity of a center of the permanent magnet 13 positioned.

2 zeigt in einer zweiten Ausführungsform eine Sensoranordnung 20 zur Bestimmung einer absoluten Winkellage einer um eine Drehachse 22 drehbaren Welle 21. An der Welle 21 ist ein Permanentmagnet 23 mit mehreren Nord- und Südpolen befestigt. Eine durch die Welle 21 durchführbare Drehbewegung ist durch die beiden gestrichelten, gebogenen Pfeile angedeutet. Zwei Sensoren 25, 27, die ebenfalls als Magnetsensoren ausgebildet sein können, sind an zwei unterschiedlichen Positionen eines bogenförmig ausgebildeten PCB-Boards 29 festgelötet. Eine Winkelverschiebung zwischen Hauptachsen der beiden Sensoren 25, 27 kann bspw. 60° (gebogener Doppelpfeil) betragen, um somit dritte harmonische Komponenten von Sensorausgangssignalen zu beseitigen. Das PCB-Board 29 ist in der Nähe einer Außenfläche des Permanentmagneten 23 positioniert. Die beiden Sensoren 25, 27 sind zu dem Permanentmagneten 23 bzw. der Welle 21 radial angeordnet. 2 shows a sensor arrangement in a second embodiment 20 for determining an absolute angular position of a about an axis of rotation 22 rotatable shaft 21 , At the wave 21 is a permanent magnet 23 attached with several north and south poles. One by the wave 21 feasible rotational movement is indicated by the two dashed, curved arrows. Two sensors 25 . 27 , which may also be formed as magnetic sensors are at two different positions of a bow-shaped PCB boards 29 soldered. An angular shift between the main axes of the two sensors 25 . 27 may be, for example, 60 ° (curved double-headed arrow), thus eliminating third harmonic components of sensor output signals. The PCB board 29 is near an outer surface of the permanent magnet 23 positioned. The two sensors 25 . 27 are to the permanent magnet 23 or the shaft 21 arranged radially.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßsystems 30 zur Bestimmung einer absoluten Winkellage einer hier nicht dargestellten Welle. Zwei Sensoren 35, 37 mit zweimal vier Anschlußkontakten sind auf einem kleinen PCB-Board 39 festgelötet. Auch hier beträgt eine Winkelverschiebung zwischen Hauptachsen der beiden Sensoren 35, 37 zur Beseitigung dritter harmonischer Komponenten 60°. Das PCB-Board 39 ist innerhalb eines ringförmigen Permanentmagneten 33 angeordnet. Mittelpunkte der Sensorelemente 35, 37 fluchten in einer Drehachse dieses Permanent magneten 33, der an einer nicht dargestellten Welle befestigt ist, wobei auch eine Drehachse der Welle mit der Drehachse des Permanentmagneten 33 fluchtet. Bei dieser Anordnung liegt eine radiale Zentralorientierung der Sensoren 35, 37 bezüglich der Welle vor. 3 shows a third embodiment of a measuring system according to the invention 30 for determining an absolute angular position of a shaft, not shown here. Two sensors 35 . 37 with two times four connectors are on a small PCB board 39 soldered. Again, there is an angular displacement between major axes of the two sensors 35 . 37 to remove third harmonic components 60 °. The PCB board 39 is inside an annular permanent magnet 33 arranged. Center points of the sensor elements 35 . 37 aligned in a rotational axis of this permanent magnet 33 which is fixed to a shaft, not shown, wherein also a rotation axis of the shaft with the axis of rotation of the permanent magnet 33 flees. In this arrangement, there is a radial central orientation of the sensors 35 . 37 concerning the wave.

4 zeigt in schematischer Darstellung eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßsystems mit radial orientierter Anordnung von Sensoren 45, 47 zur Bestimmung einer absoluten Winkellage einer sich um eine Drehachse 42 drehenden Welle 41. An der Welle 41 ist ein Permanentmagnet 43 mit mehreren Nord- und Südpolen koaxial zu der Drehachse 42 angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die beiden Sensoren 45, 47 auf zwei in der 4 nicht dargestellten Teilen eines PCB-Boards festgelötet. Auch hier besteht eine Winkelverschiebung zwischen Hauptachsen. der beiden Sensoren 45, 47 von 60°. Das PCB-Board ist in unmittelbarer Nähe einer Außenfläche des Permanentmagneten 43 angeordnet. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the measuring system according to the invention with radially oriented arrangement of sensors 45 . 47 for determining an absolute angular position of a about an axis of rotation 42 rotating shaft 41 , At the wave 41 is a permanent magnet 43 with several north and south poles coaxial to the axis of rotation 42 arranged. In this embodiment, the two sensors 45 . 47 on two in the 4 not shown parts of a PCB board soldered. Again, there is an angular displacement between major axes. the two sensors 45 . 47 of 60 °. The PCB board is in close proximity to an outer surface of the permanent magnet 43 arranged.

Ein Luftspalt zwischen den Sensoren 15, 17, 25, 27 und dem Permanentmagneten 13, 23 beträgt typischerweise 1 mm oder weniger.An air gap between the sensors 15 . 17 . 25 . 27 and the permanent magnet 13 . 23 is typically 1 mm or less.

5 zeigt in schematischer Darstellung einen Schaltplan eines Signalkonditionierungsschaltkreises 500, als eine Komponente einer erfindungsgemäßen elektronischen Einrichtung in schematischer Darstellung. Es ist vorgesehen, daß Sensorsignale eines ersten Sensors des erfindungsgemäßen Meßsystems über Eingänge 511, 512, 513, 514 und Sensorausgangssignale eines zweiten Sensoren des erfindungsgemäßen Meßsystems über Eingänge 521, 522, 523, 524 in den Signalkonditionierungsschaltkreis 500 einfließen. Demnach erreichen von jedem der beiden Sensoren jeweils vier Signale den Signalkonditionierungsschaltkreis. Im Detail fließt in den Eingang 511 eine negative Sinuskomponente des Sensoraus gangssignals des ersten Sensors, in den Eingang 512 eine positive Sinuskomponente des Sensorausgangssignals des ersten Sensors, in den Eingang 513 eine negative Kosinuskomponente des Sensorausgangssignals des ersten Sensors und in den Eingang 514 eine positive Kosinuskomponente eines Sensorausgangssignals des ersten Sensors. Bezüglich der Sensorausgangssignale des zweiten Sensors des erfindungsgemäßen Meßsystems ist vorgesehen, daß eine negative Sinuskomponente in den Eingang 521, eine positive Sinuskomponente in den Eingang 522, eine negative Kosinuskomponente in den Eingang 523 und eine positive Kosinuskomponenten in den Eingang 524 fließt. 5 shows a schematic diagram of a circuit diagram of a signal conditioning circuit 500 , as a component of an electronic device according to the invention in a schematic representation. It is envisaged that sensor signals of a first sensor of the measuring system according to the invention via a transitions 511 . 512 . 513 . 514 and sensor output signals of a second sensor of the measuring system according to the invention via inputs 521 . 522 . 523 . 524 in the signal conditioning circuit 500 incorporated. Thus, four signals from each of the two sensors reach the signal conditioning circuit. In detail flows into the entrance 511 a negative sine component of the sensor output signal of the first sensor, in the input 512 a positive sine component of the sensor output signal of the first sensor, into the input 513 a negative cosine component of the sensor output of the first sensor and into the input 514 a positive cosine component of a sensor output of the first sensor. With regard to the sensor output signals of the second sensor of the measuring system according to the invention, it is provided that a negative sine component in the input 521 , a positive sine component in the input 522 , a negative cosine component in the input 523 and a positive cosine component in the input 524 flows.

Neben diversen elektrischen Widerständen R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17. R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26 weist der Signalkonditionierungsschaltkreis 504 einzelne Differenzverstärker 531, 532, 541, 542 sowie zwei Addierer 551, 561 auf. Innerhalb des Signalkonditionierungsschaltkreises bearbeitete Sensorausgangssignale werden an Kanäle 581, 582, 583 sowie an Kanäle 591, 592, 593 von Analog-Digital-Wandlern eines Microcontrollers weitergeleitet.In addition to various electrical resistors R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17. R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26 has the signal conditioning circuit 504 individual differential amplifier 531 . 532 . 541 . 542 as well as two adders 551 . 561 on. Sensor output signals processed within the signal conditioning circuit become channels 581 . 582 . 583 as well as channels 591 . 592 . 593 forwarded by analog-to-digital converters of a microcontroller.

Die Sensorausgangssignale weisen eine Spannung von ca. 100 mV von Minimum zu Maximum, gespeist von einer 5-Volt-Stromversorgung, auf. Eine Referenzspannung der Kanäle des Analog-Digital-Wandlers des Microcontrollers beträgt 5 V. Mindestens ein derartiger Signalkonditionierungsschaltkreis 500 kann zur Verstärkung der Sensorausgangssignale der Sensoren von 0 bis 5 V genutzt werden, um eine effektive Auflösung und Genauigkeit des Systems zu gewährleisten. Die Addierer 551, 561 sind zur Beseitigung harmonischer Komponenten der Sensorausgangssignale vorgesehen.The sensor output signals have a voltage of about 100 mV from minimum to maximum, fed by a 5 volt power supply. A reference voltage of the channels of the analog-to-digital converter of the microcontroller is 5 V. At least one such signal conditioning circuit 500 It can be used to amplify the sensor output signals of the sensors from 0 to 5 V to ensure effective resolution and accuracy of the system. The adders 551 . 561 are intended to eliminate harmonic components of the sensor output signals.

Innerhalb des Signalkonditionierungsschaltkreises 500 sind die vier Differenzverstärker 531, 532, 541, 542 zum Signalvergleich der jeweils eingehenden Sensorausgangssignale implementiert. Zudem sind relative Resistoren vorgesehen, durch die Sensorausgangssignale auf bis zu 5 Volt verstärkt und nachfolgend zu den Analog-Digital-Kanälen 581, 582, 583, 591, 592, 593 des Microcontrollers weitergeleitet werden. Mit den Addierern 551, 561 erfolgt die Additionsoperation für die beiden Sensoren zur Beseitigung der harmonischen Komponenten aus dem Sensorausgangssignalen. In den Analog-Digital-Kanälen 581, 582, 583, 591,592, 593 des Microcontrollers werden die Sensorausgangssignale in digitale Signale umgewandelt.Within the signal conditioning circuit 500 are the four differential amplifiers 531 . 532 . 541 . 542 implemented for signal comparison of each incoming sensor output signals. In addition, relative resistors are provided, amplified by the sensor output signals up to 5 volts and subsequent to the analog-digital channels 581 . 582 . 583 . 591 . 592 . 593 forwarded to the microcontroller. With the adders 551 . 561 the addition operation for the two sensors takes place to remove the harmonic components from the sensor output signals. In the analog-digital channels 581 . 582 . 583 . 591 . 592 . 593 In the microcontroller, the sensor output signals are converted to digital signals.

Der Signalkonditionierungsschaltkreis 500 dient als Verbindungsglied zwischen den beiden Sensoren und dem Microcontroller und somit bedarfsweise auch als Brücke zu den in den weiteren 6 und 7 beschriebenen Modulen des erfindungsgemäßen Meßsystems der mindestens einen elektronischen Einrichtung des erfindungsgemäßen Meßsystems.The signal conditioning circuit 500 serves as a link between the two sensors and the microcontroller and thus, if necessary, as a bridge to the other 6 and 7 described modules of the measuring system according to the invention the at least one electronic device of the measuring system according to the invention.

Die in 6 gezeigte elektronische Einrichtung zur Bestimmung der absoluten Winkellage weist einen ersten und einen zweiten Fehlernachweis- und Multiplexblock 605, 615 auf. Dabei ist vorgesehen, daß Sensorausgangssignale eines ersten von zwei Sensoren der erfindungsgemäßen Sensoranordnung nach Verarbeitung innerhalb des in 5 gezeigten Signalkonditionierungsschaltkreises 500 über Analog-Digital-Kanäle 601, 602, 603 eines Microcontrollers in den ersten der beiden Fehlernachweis- und Multiplexblöcke 605 eingespeist werden. Dabei können je nach konkreter Ausbildung die Analog-Digital-Kanäle 601, 602, 603 mit den Analog-Digital-Kanälen 581, 582, 583 aus der 5 identisch sein. Entsprechend fließen Sensorausgangssignale eines zweiten von zwei Sensoren über die Digital-Analog-Kanäle 611, 612, 613 in den zweiten der beiden Fehlernachweis- und Multiplexblöcke 615 ein. Auch diese Sensorausgangssignale des zweiten der beiden Sensoren innerhalb des erfindungsgemäßen Meßsystems können innerhalb des in 5 gezeigten Signalkonditionierungsschaltkreises 500 oder einer vergleichbaren Einrichtung modifiziert worden sein. In diesem Fall entsprechen die Analog-Digital-Kanäle 591, 592, 593 aus der 5 den Analog-Digital-Kanälen 611, 612, 613 des Microcontrollers aus der 6.In the 6 shown electronic device for determining the absolute angular position has a first and a second Fehlererweis- and multiplex block 605 . 615 on. It is provided that sensor output signals of a first of two sensors of the sensor arrangement according to the invention after processing within the in 5 shown signal conditioning circuit 500 via analog-digital channels 601 . 602 . 603 a microcontroller in the first of the two error detection and multiplex blocks 605 be fed. Depending on the specific training, the analog-digital channels can be used 601 . 602 . 603 with the analog-digital channels 581 . 582 . 583 from the 5 be identical. Accordingly, sensor outputs of a second of two sensors flow via the digital-to-analog channels 611 . 612 . 613 in the second of the two error detection and multiplex blocks 615 one. These sensor output signals of the second of the two sensors within the measuring system according to the invention can also be located within the in 5 shown signal conditioning circuit 500 or a comparable device. In this case, the analog-digital channels correspond 591 . 592 . 593 from the 5 the analog-digital channels 611 . 612 . 613 of the microcontroller from the 6 ,

Die beiden Fehlernachweis- und Multiplexblöcke 605, 615 überprüfen die Sensorausgangssignale. Entsprechend trigonometrischen Gesetzmäßigkeiten erfolgt eine Entscheidung darüber, ob einer der Sensoren ordnungsgemäß funktioniert oder defekt ist, gemäß der Beziehung (1):

wobei u_sin (t) und u_cos (t) den unmittelbaren Werten modifizierter Sensorausgangssignale jeweils eines der Sensoren bzw. den aus den Analog-Digital-Kanälen 601, 602, 603 für den ersten der beiden Sensoren ausgegebenen Signale oder der aus den Analog-Digital-Kanälen 611, 612, 613 für den zweiten der beiden Sensoren ausgegebenen Signale entsprechen. U_sin und U_cos sind Amplitudenwerte von Sensorausgangssignalen jeweils eines der beiden Sensoren oder Amplitudenwerte von Ausgangssignalen der Analog-Digital-Kanäle 601, 602, 603, 611, 612, 613. Die Größe ε repräsentiert einen Fehlerwert, der je nach Auslegung des erfindungsgemäßen Meßsystems oder der erfindungsgemäßen Sensoranordnung eine Aussage darüber liefert, ob einer der beiden Sensoren funktionstüchtig oder defekt ist.The two error detection and multiplex blocks 605 . 615 check the sensor output signals. According to trigonometric laws, a decision is made as to whether one of the sensors is functioning properly or defective according to the relationship (1):

where u _sin (t) and u _cos (t) are the immediate values of modified sensor output signals of each of the Sen or from the analog-digital channels 601 . 602 . 603 for the first of the two sensors output signals or that from the analog-digital channels 611 . 612 . 613 correspond to signals output for the second of the two sensors. U _sin and U _cos are amplitude values of sensor output signals respectively of one of the two sensors or amplitude values of output signals of the analog-digital channels 601 . 602 . 603 . 611 . 612 . 613 , The quantity ε represents an error value which, depending on the design of the measuring system according to the invention or the sensor arrangement according to the invention, provides a statement as to whether one of the two sensors is functional or defective.

Unter Normalbedingungen wird für den ersten der beiden Sensoren lediglich das aus dem Analog-Digital-Kanal 601 kommende Sensorausgangssignal zur Beseitigung harmonischer Komponenten einer Weiterverarbeitung zugeführt. Entsprechend wird für den zweiten der beiden Sensoren nur das aus dem Analog-Digital-Kanal 611 kommende Signal weiterverarbeitet. Die beiden Fehlernachweis- und Multiplexblöcke 605, 615 überprüfen jedoch kontinuierlich die Sensorausgangssignale aus allen sechs Analog-Digital-Kanälen 601, 602, 603, 611, 612, 613 gemäß der Beziehung (1). Falls einer der beiden Sensoren ausfallen sollte, ist vorgesehen, daß durch Änderung einer Stellung eines der Schalter 607, 617 ein anderer Sensor angesteuert wird. Somit wird mit den Fehlernachweis- und Multiplexblöcken 605, 615 innerhalb der elektronischen Einrichtung 600 ein redundantes System mit fehlersicherer Funktionsweise bereitgestellt.Under normal conditions, for the first of the two sensors, only the one from the analog-digital channel is used 601 coming sensor output signal to eliminate harmonic components further processing. Accordingly, for the second of the two sensors, only the one from the analog-digital channel 611 incoming signal further processed. The two error detection and multiplex blocks 605 . 615 however, continuously check the sensor output signals from all six analog-digital channels 601 . 602 . 603 . 611 . 612 . 613 according to the relationship (1). If one of the two sensors should fail, it is provided that by changing a position of the switch 607 . 617 another sensor is activated. Thus, with the error detection and multiplexing blocks 605 . 615 within the electronic device 600 a redundant system with failsafe functionality provided.

Eine Bestimmung von Absolutwerten wird innerhalb von Absolutwertblöcken 609, 619 durchgeführt. Ein Maximalwert von Sensorausgangssignalen wird innerhalb eines Maximalwertblocks 621 und ein Minimalwert des Sensorausgangssignals innerhalb eines Minimalwertblockes 622 ermittelt. Eine Division von Minimalwert durch Maximalwert wird innerhalb eines Divisionsblocks 650 zur Beseitigung eines Einflusses mechanischer Toleranzen, Temperaturschwankungen und Common-Mode-Interferenzen zur Verbesserung der Genauigkeit eines Ergebnisses, also der zu bestimmenden absoluten Winkellage, durchgeführt. Danach wird mit Hilfe eines Referenzblocks 670, in dem sämtliche mögliche Winkellagen abgespeichert sind, eine Information zu der Winkellage ermittelt.A determination of absolute values becomes within absolute value blocks 609 . 619 carried out. A maximum value of sensor output signals becomes within a maximum value block 621 and a minimum value of the sensor output within a minimum value block 622 determined. A division of minimum value by maximum value is within a division block 650 for eliminating an influence of mechanical tolerances, temperature fluctuations and common-mode interference to improve the accuracy of a result, so the determined absolute angular position performed. After that, using a reference block 670 in which all possible angular positions are stored, information about the angular position is determined.

Bis dahin ist eine Information über die Winkellage lediglich auf einen Quadranten von 45° begrenzt. Eine vollständige Umdrehung bzw. entsprechende elektronische Periode um fassen jedoch acht derartige Quadranten. Um unterschiedliche Quadranten voneinander zu unterscheiden, werden zusätzliche Kontrollsignale aus zwei Polaritätsnachweisblöcken 631, 632 sowie aus einem Amplitudenvergleichsblock 640 benötigt. Ein Quadrantenkorrekturblock 660 schätzt eine digitale Information zu der absoluten Winkellage durch die von den Blöcken 631, 632, 640 bereitgestellten Kontrollsignale und der durch den Referenzblock 670 bereitgestellten Information ab. Die drei Kontrollsignale zur Unterscheidung der Quadranten liefern die Information zur absoluten Winkellage der Welle.Until then, information about the angular position is limited to only a quadrant of 45 °. A complete revolution or corresponding electronic period, however, encompass eight such quadrants. To distinguish different quadrants from each other, additional control signals from two polarity detection blocks 631 . 632 and from an amplitude comparison block 640 needed. A quadrant correction block 660 estimates digital information about the absolute angular position of the blocks 631 . 632 . 640 provided control signals and by the reference block 670 provided information. The three control signals for distinguishing the quadrants provide the information on the absolute angular position of the shaft.

Auch die zweite Ausführungsform der in 7 gezeigten elektrischen Einrichtung 700 ist zur Bestimmung der absoluten Winkellage ausgelegt. Sensorsignale eines ersten von zwei Sensoren werden über Analog-Digital-Kanäle 701, 702, 703 und Sensorausgangssignale eines zweiten von zwei Sensoren werden über Analog-Digital-Kanäle 711, 712, 713 in einen Fehlernachweisblock 710 eingespeist. In dem Fehlernachweisblock 710 erfolgt eine Prüfung der Sensorausgangssignale gemäß der in der Beschreibung zu der 6 offenbarten Umgleichung (1) auf mögliche Fehler.Also, the second embodiment of in 7 shown electrical device 700 is designed to determine the absolute angular position. Sensor signals of a first of two sensors are transmitted via analogue-digital channels 701 . 702 . 703 and sensor outputs of a second of two sensors are via analog-to-digital channels 711 . 712 . 713 into an error detection block 710 fed. In the error detection block 710 a check is made of the sensor output signals according to the description in the description 6 disclosed equation ( 1 ) for possible errors.

Nachfolgend werden die Sensorausgangssignale an Observationsmodule 721, 722, 723 weitergeleitet. Innerhalb dieser drei Observationsmodule 721, 722, 723 erfolgt eine Transformation der Sinus- bzw. kosinusförmigen Sensorausgangssignale in digitalisierte Informationen über die Winkellage. Die drei Observationsmodule 721, 722, 723 innerhalb der elektronischen Einrichtung 700 verarbeiten hierbei die Sensorausgangssignale sowohl separat als auch parallel.Below are the sensor output signals to observation modules 721 . 722 . 723 forwarded. Within these three observation modules 721 . 722 . 723 the sinusoidal or cosinusoidal sensor output signals are transformed into digitized information about the angular position. The three observation modules 721 . 722 . 723 within the electronic device 700 process the sensor output signals both separately and in parallel.

Zudem ist ein Winkelkorrekturblock 740 vorgesehen. Weil eine Winkelverschiebung zwischen Sensorausgangssignalen einzelner Sensoren vorhanden ist, die durch die räumliche Ver teilung der Sensoren hervorgerufen ist, wird dieser Winkelkorrekturblock 740 zur Kalibrierung dieser Sensorausgangssignale zu einem gemeinsamen Referenz- oder Nullpunkt benötigt. Bei Normalbedingungen ist der Fehlernachweisblock 710 zur Kontrolle eines Demultiplexers zur Auswahl von Analog-Digital-Kanälen 701, 702, 703, 711, 712, 713 zur Addition von jeweils zwei Sensorausgangssignalen vorgesehen. Falls der Fehlernachweisblock 710 nachweisen sollte, daß eines der Sensorsignale oder einer der Analog-Digital-Kanäle 701, 702, 703, 711, 712, 713 fehlerhaft ist, ist vorgesehen, daß der Fehlernachweisblock 710 den Demultiplexer dazu veranlaßt, einen funktionstüchtigen Analog-Digital-Kanal 701, 702, 703, 711, 712, 713 auszuwählen. Somit ist es möglich, daß die gesamte Einrichtung trotz eines aufgetretenen Fehlers sicher funktioniert. Auch die in der 7 gezeigte elektronische Einrichtung 700 stellt ein redundantes System dar. Der Demultiplexer kann bspw. in dem Fehlernachweisblock 710 integriert sein.There is also an angle correction block 740 intended. Because there is an angular displacement between sensor output signals of individual sensors caused by the spatial distribution of the sensors, this angle correction block becomes 740 needed to calibrate these sensor output signals to a common reference or zero point. Under normal conditions, the error detection block is 710 for controlling a demultiplexer for selecting analogue-to-digital channels 701 . 702 . 703 . 711 . 712 . 713 provided for the addition of two sensor output signals. If the error detection block 710 should prove that one of the sensor signals or one of the analog-digital channels 701 . 702 . 703 . 711 . 712 . 713 is erroneous, it is provided that the error detection block 710 caused the demultiplexer, a functional analog-digital channel 701 . 702 . 703 . 711 . 712 . 713 select. Thus, it is possible that the entire device operates safely despite an error occurred. Also in the 7 shown electronic device 700 represents a redundant system. The demultiplexer can, for example, in the Fehlerernach setting block 710 be integrated.

Ein Grund dafür, daß innerhalb der elektronischen Einrichtung 700 insbesondere drei Observationsmodule 721, 722, 723 vorgesehen sind, besteht darin, daß ein Observationsalgorithmus nach einem Einschaltvorgang eine gewisse Zeit zur Stabilisierung benötigt. Während dieser kurzen Zeitdauer sind Sensorausgangssignale nicht genau genug. Daß sich die Observationsmodule 721, 722, 723 stets in einer stabilen Situation befinden, wird durch die Nutzung von bspw. drei statt lediglich einem Observationsmodul 721, 722, 723 und nachfolgender Anordnung eines Multiplexers erreicht. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Multiplexer vor den drei Observationsmodulen anzuordnen.One reason for this being that within the electronic device 700 in particular three observation modules 721 . 722 . 723 are provided, is that an observation algorithm after a power-up requires a certain amount of time to stabilize. During this short period of time, sensor output signals are not accurate enough. That the observation modules 721 . 722 . 723 always in a stable situation, is the use of, for example, three instead of just one observation module 721 . 722 . 723 and subsequent arrangement of a multiplexer achieved. Alternatively, it is also possible to arrange the multiplexer in front of the three observation modules.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßsystems besteht aus einer Kombination einer der in den 1 bis 4 gezeigten Sensoranordnungen 10, 20, 30, 40 und einer der beiden in den 6 oder 7 gezeigten elektronischen Einrichtungen 600, 700 unter möglicher Zwischenschaltung des in der 5 gezeigten Signalkonditionierungsschaltkreises 500, der eine Brückenfunktion zwischen den Sensoren 15, 17, 25 27, 35, 37, 45, 47 und Modulen der mindestens einen elektronischen Einrichtung 600, 700 übernehmen kann. Da einzelne Komponenten innerhalb des Meßsystems mehrfach vorhanden sind, ist mit der Erfindung eine redundante und demnach fehlersichere Bestimmung der absoluten Winkellage von Wellen 11, 21, 41 möglich.An embodiment of the measuring system according to the invention consists of a combination of one of the in the 1 to 4 shown sensor arrangements 10 . 20 . 30 . 40 and one of the two in the 6 or 7 shown electronic devices 600 . 700 under possible interposition of in the 5 shown signal conditioning circuit 500 , which is a bridging function between the sensors 15 . 17 . 25 27 . 35 . 37 . 45 . 47 and modules of the at least one electronic device 600 . 700 can take over. Since individual components are present multiple times within the measuring system, the invention provides a redundant and thus failsafe determination of the absolute angular position of shafts 11 . 21 . 41 possible.

Claims

Method for determining an absolute angular position of a rotatable shaft ( 11 . 21 . 41 ) by a sensor arrangement with a number of sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) that are so relative to the shaft ( 11 . 21 . 41 ) are arranged that relative angular positions, by the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ), from the absolute angular position of the shaft ( 11 . 21 . 41 ), each sensor ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) outputs a sensor output signal representing the associated relative angular position and the sensor output signals of the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) by at least one electronic device ( 500 . 600 . 700 ) are evaluated to determine the absolute angular position.

The method of claim 1, wherein a permanent magnet is so relative to the shaft ( 11 . 21 . 41 ) and the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) is arranged such that a relative angular position of the permanent magnet ( 13 . 23 . 33 . 43 ) to sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) from the absolute angular position of the shaft ( 11 . 20 . 41 ), each sensor ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ), a magnetic flux representing the associated relative angular position is determined, and as a result a respective one of the sensor output signals is output.

Method according to Claim 1 or 2, in which the sensor output signals be modified.

Method according to one of claim 3, wherein the Sensor output signals through a quadrant separation conversion algorithm be modified.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein in each case one of the sensor output signals by a respective module ( 531 . 532 . 541 . 542 . 551 . 561 . 605 . 615 . 609 . 619 . 631 . 632 . 721 . 722 . 723 ) from a set of several similar modules ( 531 . 532 . 541 . 542 . 551 . 561 . 605 . 615 . 609 . 619 . 631 . 632 . 721 . 722 . 723 ) of the at least one electronic device ( 500 . 600 . 700 ) is subject to review.

Method according to one of claims 1 to 5, wherein in each case one of the sensor output signals by the at least one electronic device ( 600 . 700 ) according to the formula:

with u _sin (t) and u _cos (t) as immediate, modified values in each case one of the sensor output signals, U _sin and U _cos as amplitude values of modified values respectively one of the sensor output signals, and ε as error value is checked for errors.

Sensor arrangement for determining an absolute angular position of a rotatable shaft ( 11 . 21 . 41 ) with a number of sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) that are so relative to the shaft ( 11 . 21 . 41 ) arranged are that relative angular positions caused by the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) are dependent on the absolute angular position of the shaft, each sensor ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) is adapted to output a sensor output signal representing the associated relative angular position, which is fed into an electronic device ( 500 . 600 . 700 ) is to be entered for determining the absolute angular position.

Sensor arrangement according to claim 7, wherein a permanent magnet is so relative to the shaft ( 11 . 21 . 41 ) and the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) is arranged such that a relative angular position of the permanent magnet ( 13 . 23 . 33 . 43 ) to the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) of the relative angular position of the shaft ( 11 . 21 . 41 ), whereby the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) for determining in each case an angle-dependent magnetic flux of the permanent magnet ( 13 . 23 . 33 . 43 ) and are formed as a result of an output in each case one of the sensor output signals.

Sensor arrangement according to Claim 7 or 8, in which the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) are formed as magnetoresistors.

Sensor arrangement according to one of claims 7 to 9, wherein the permanent magnet ( 13 . 23 . 33 . 43 ) on the shaft ( 11 . 21 . 41 ) and the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) relative to a rotation axis ( 12 . 22 . 42 ) the wave ( 11 . 21 . 41 ), near the permanent magnet ( 13 . 23 . 33 . 43 ) are arranged.

Sensor arrangement according to one of Claims 7 to 10, in which the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) radially to the axis of rotation ( 12 . 22 . 42 ) are arranged at different positions.

Sensor arrangement according to one of Claims 7 to 11, in which the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) axially of the axis of rotation ( 12 . 22 . 42 ) are arranged under different orientations.

Electronic device for determining an absolute angular position of a rotatable shaft ( 11 . 21 . 41 ) containing at least one set of similar modules ( 531 . 532 . 541 . 542 . 551 . 561 . 605 . 615 . 609 . 619 . 631 . 632 . 721 . 722 . 723 ) for a joint evaluation of several sensor output signals for the absolute angular position of the shaft ( 11 . 21 . 41 ), wherein it is provided that in each case one of the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) Each determines a relative angular position, resulting in each case a sensor output signal.

Electronic device according to claim 13, comprising at least one adder ( 551 . 561 ) is configured to add sensor output signals.

Electronic device according to claim 13 or 14, wherein the at least one set of similar modules ( 531 . 532 . 541 . 542 . 551 . 561 . 605 . 615 . 609 . 619 . 631 . 632 . 721 . 722 . 723 ) is designed for checking the sensor output signals.

Electronic device according to one of Claims 13 to 15, comprising at least one signal conditioning circuit ( 500 ) for modifying the sensor output signals.

Electronic device according to one of Claims 13 to 16, comprising a set of error detection and multiplex blocks ( 605 . 615 ) for checking the sensor output signals for errors, a division block ( 650 ) for dividing the sensor output signals and a correction block for quadrant correction of the sensor output signals.

Electronic device according to one of Claims 13 to 16, comprising an error detection block ( 710 ) for checking the sensor output signals for errors and a set of several observation modules ( 721 . 722 . 723 ) for transforming the sensor output signals.

Measuring system for determining an absolute angular position of a rotatable shaft ( 11 . 21 . 41 ) by a sensor arrangement ( 10 . 20 . 30 . 40 ) with a number of sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) which are relative to the shaft ( 11 . 21 . 41 ) are arranged that relative angular positions, by the sensors ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ), from the absolute angular position of the shaft ( 11 . 21 . 41 ), each sensor ( 15 . 17 . 25 . 27 . 35 . 37 . 45 . 47 ) is adapted to output a sensor output signal representing the associated angular position, and at least one electronic device ( 500 . 600 . 700 ), which is provided for determining the absolute angular position by evaluation of the sensor output signals.