DE112007001939T5

DE112007001939T5 - Verfahren zum Verarbeiten von Kodierersignalen

Info

Publication number: DE112007001939T5
Application number: DE112007001939T
Authority: DE
Inventors: Christopher David Finham Dixon; Connel Brett Williams; John Martin Reeve; Jiang Harborne Li
Original assignee: TRW Ltd
Current assignee: ZF Automotive UK Ltd
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-09-03
Also published as: KR101378731B1; CN101535816A; US8466672B2; GB2455454A; WO2008020231A3; CN101535816B; KR20090068205A; WO2008020231A2; GB0904635D0; US20110187355A1; GB2455454B; GB0616437D0

Abstract

Ein Verfahren zum Verarbeiten von Signalen in einem Drehkodierer der Art, die wenigstens eine ringförmige Bahn von Kodierbereichen aufweist, die als wechselndes Muster erster Kodierbereiche und zweiter Kodierbereiche angeordnet sind, wobei das Verfahren umfaßt:
Bereitstellen eines ersten Detektors an einer ersten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist;
Bereitstellen eines zweiten Detektors an einer zweiten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in Verfahren zum Verarbeiten von Kodierersignalen, und insbesondere auf das Bestimmen der Position und/oder der Geschwindigkeit aus Kodierern, und insbesondere aus Drehkodierern. Sie ist besonders geeignet für Drehkodierer, die wenigstens eine Bahn magnetischer Kodierelemente umfassen.
Es ist bekannt, einen Kodierer bereitzustellen mit wenigstens einer Bahn magnetischer Elemente, die in einer abwechselnden Folge von Nord- und Südpolen angeordnet sind, sowie einem Detektor, der ein Ausgangssignal erzeugt, das einen ersten Zustand hat, wenn er nahe einem der Nordpole ist und einen zweiten Zustand hat, wenn er nahe einem der Südpole ist. So wird der Detektor ein moduliertes Ausgangssignal erzeugen, welches zwischen den ersten und zweiten Zuständen hin- und herwechselt, wenn sich die Bahn an dem Detektor vorbeibewegt.
Üblicherweise werden die Nord- und Südpole von gleicher Länge (bezogen auf die Richtung der Bewegung der Kodiererbahn) sein. Unter der Annahme, daß die Länge jedes Pols bekannt ist, ist es möglich, die Geschwindigkeit der Kodiererbahn relativ zu dem Detektor zu bestimmen indem die Zeit gemessen wird, welche das Ausgangssignal benötigt um von einem Zustand zu dem anderen und dann wieder zurück zu dem Ausgangszustand zu wechseln.
Die Bahn kann geradlinig sein um einen Linearkodierer bereitzustellen oder kann kreisförmig sein um einen Drehkodierer bereitzustellen. Unter kreisförmig wird verstanden, daß die Magnetelemente entlang einer kreisförmigen Bahn angeordnet sind, welche konzentrisch mit einer Drehachse der Bahn ist. Ein solcher Kodierer kann verwendet werden um die Winkelposition einer Vielzahl sich drehender Objekte zu messen, insbesondere der Ausgangswelle eines elektrischen Motors.
Wenn die magnetischen Elemente gleichbeabstandet entlang der Kreisbahn angeordnet sind und von gleicher Umfangslänge sind, ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit aus dem Zeitverlauf der Übergänge in dem Ausgang des Detektorsignals zu bestimmen. Im Stand der Technik haben Geräte dieser Art Messungen zwischen jedem Übergang erfaßt und einen Mittelwert erzeugt um Fehler zu kompensieren. Bedauerlicherweise verringert sich die Aktualisierungsrate der Geschwindigkeitsmessung, je mehr Übergänge zur Mittelwertbildung verwendet werden.
Um die Auflösung zu verbessern kann die Magnetlänge verringert werden. Beispielsweise liefert das Anordnen von 360 Magneten entlang einer Bahn (einer pro 1 Bogengrad der Bahn) die zehnfache Auflösung von 36 entlang der Bahn angeordneten Magneten. Eine alternative Lösung, die vorgeschlagen wurde, besteht darin, zwei Bahnen magnetischer Elemente, eine neben der anderen, vorzusehen. Im Fall eines Winkelpositionskodierers heißt dies, daß zwei kreisförmige Bahnen vorhanden sind, wobei eine innerhalb der anderen verläuft, beide um eine gemeinsame Drehachse angeordnet. Durch das Bereitstellen von zwei Detektoren, wobei jeder von einer anderen Bahn arbeitet, kann eine höhere Auflösung erzieht werden als dies mit einer Bahn möglich wäre.
Eine weitere vorgeschlagene Alternative besteht darin, zwei Detektoren für eine Bahn bereitzustellen. Indem die Detektoren um eine halbe Länge jeden magnetischen Elementes versetzt angeordnet sind, werden zwei Signale erzeugt, die um 90° phasenversetzt sind. Dies liefert die doppelte Auflösung eines Detektors.
Die Anmelder haben erkannt, daß in manchen Fällen die Magnete einer Bahn mit dem Fluß von den Magneten der anderen Bahn interferieren können, wodurch die Ausgangssignale von dem Detektor verzerrt werden. Die Verzerrungen des magnetischen Feldes verursachen den Anschein, daß die Magnete länger oder kürzer als sie in der Realität sind. Die vorliegende Erfindung zielt darauf, ein robustes Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition bereitzustellen, welches derartige Probleme verringert.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zum Verarbeiten von Signalen in einem Drehkodierer der Art, die wenigstens eine ringförmige Bahn von Kodierbereichen aufweist, die als wechselndes Muster erster Kodierbereiche und zweiter Kodierbereiche angeordnet sind, wobei das Verfahren umfaßt:
Bereitstellen eines ersten Detektors an einer ersten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist;
Bereitstellen eines zweiten Detektors an einer zweiten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist;
Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen umfassend einen Übergang des ersten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand gefolgt von einem Übergang des zweiten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand ohne in der dazwischenliegenden Zeit von dem zweiten Zustand auf den ersten Zustand gewechselt zu haben; Messen der verstrichenen Zeit zwischen den Übergängen des identifizierten verwendbaren Paares, und Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit durch Verknüpfen der verstrichenen Zeit mit dem Abstand zwischen den ersten und zweiten Detektoren.
Die Kodierbereiche können Nord- und Südpolmagnete umfassen. So kann die Bahn abwechselnde Nord- und Südmagnete umfassen, die nebeneinander angeordnet sind. In diesem Fall kann der erste Bereich ein Nordpol und ein anderer ein Südpol sein, oder umgekehrt.
Durch Festlegen eines verwendbaren Paares von Signalen in dieser Weise, welche mit Wechseln in den ersten und zweiten Signalen korrespondieren, welche einem üblichen Übergang zwischen einem ersten und einem zweiten Kodieren auf der Bahn zuordenbar sind, werden Längenvariationseffekte der Kodierbereiche aus der Geschwindigkeitsberechnung eliminiert. Diese Änderungen können durch Herstellungstoleranzen des Kodierers oder Interferenzen von Magneten benachbarter Bahnen hervorgerufen sein.
Die ersten und zweiten Zustände des ersten Signals können von den ersten und zweiten Zuständen des zweiten Signales abweichen. Sie können auch die gleichen sein.
Die Zustände können eine logische Eins und eine logische Null umfassen, wobei der erste Zustand die Null ist und der zweite Zustand die Eins. In diesem Fall wird das verwendbare, identifizierte Paar mit einer ansteigenden Flanke korrespondieren.
Alternativ dazu kann der erste Zustand Eins und der zweite Zustand Null sein, so daß die beanspruchte Erfindung auf fallende Flanken reagiert.
Alternativ dazu können die ersten und zweiten Zustände auch ein positiver Wert und ein negativer Wert sein, tatsächlich können es beliebige zwei unterschiedliche Werte sein. Es ist ausreichend für die Zwecke dieser Erfindung, daß der Übergang identifiziert werden kann, und daß es möglich ist, zu identifizieren, welcher das Signal angebende Kodierbereich dem Detektor vor und nach dem Übergang zugewandt ist. In der Praxis werden die Zustände bestimmt durch die Art des verwendeten Detektors und durch die jeweils verwendete Nachverarbeitungsschaltung.
Das Verfahren kann das Identifizieren sämtlicher aneinander angrenzender Übergänge von dem ersten Signal gefolgt von dem zweiten Signal umfassen, Zurückweisen jener, welche nicht verwendbare Paare umfassen (d. h. welche nicht auf einen N-N Wechsel des ersten Signals, gefolgt durch einen N-N Wechsel des zweiten, oder einem S-S Wechsel des ersten, gefolgt von einem S-S Wechsel des zweiten, korrespondierenden) und Verwenden wenigstens eines der verbleibenden verwendbaren Paare um die Geschwindigkeit zu bestimmen.
Das Verfahren kann daher fortlaufend die Veränderungen überwachen und "schiechte" Paare von Wechseln in den Signalen zurückweisen.
Selbstverständlich könnte die Erfindung erweitert werden um sowohl ansteigende als auch abfallende Flanken verwendbarer Übergangspaare zu identifizieren. Um dies zu tun kann das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte aufweisen:
Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen umfassend einen Übergang des ersten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand, gefolgt von einem Übergang in dem zweiten Signal von dem zweiten Zustand auf den ersten Zustand ohne in der dazwischenliegenden Zeit von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand gewechselt zu haben.
In einer Abwandlung kann die Erfindung das Identifizieren von wenigstens vier Paaren von Übergängen umfassen, die in Folge empfangen wurden. Wo das Verfahren sowohl auf ansteigende als auch auf fallende Flanken beim Konstruieren eines verwendbaren Paares reagiert, hat eine Folge von vier Paaren zwei verwendbare Paare und zwei "schlechte" Paare. Die Durchschnittszeit zwischen jedem der beiden "schlechten" Paare wird sich ausgleichen, so daß das Verfahren das Addieren der Zeiten zwischen allen vier Paaren und Teilen durch vier umfassen kann.
Das Verfahren kann daher 2, 3 oder 4 oder mehr verwendbare Paare verwenden um die Geschwindigkeit zu bestimmen, wobei ein Mittelwert gebildet wird durch Verknüpfen der Gesamtzeit zwischen Übergängen der Paare mit derselben Vielfachen der Abstände zwischen den Detektoren. Dies erlaubt ein Mittelwertbilden, welches helfen kann ein Rauschen auf den Signalen oder Flimmern (bei digitalen Signalen) zu kompensieren.
Das Verfahren kann auch zusätzlich oder alternativ zum Bestimmen der Geschwindigkeit die Position des Kodierers bestimmen.
Das Verfahren kann auch die weiteren Schritte aufweisen:
Identifizieren einer Folge von vier Paaren zeitlich benachbarter Übergänge in den ersten und den zweiten Signalen, wobei die vier Paare zwei verwendbare Paare und zwei zurückweisbare Paare umfassen;
Bestimmen der Zeit, die zwischen den Übergängen wenigstens eines der zurückweisbaren Paare verstrichen ist; und
Vergleichen der verstrichenen Zeit eines verwendbaren Paares mit jeder verstrichenen Zeit für die zurückweisbaren Paare, um so einen Fehlerwert der verstrichenen Zeit für jedes zurückweisbare Paar zu bestimmen.
Durch Bestimmen des Zeitfehlerwerts für jedes der zurückweisbaren Paare ist es möglich, die Fehler in der verstrichenen Zeit für diese Paare zu kompensieren, und daher Fehler in den gemessenen Übergangspunkten zu kompensieren. Ein zurückweisbares Paar wird mit einem Wechsel in dem ersten Signal aufgrund eines Magnetübergangs korrespondieren, gefolgt von einem Wechsel in dem zweiten Signal aufgrund einer anderen Magnetposition. Dies ist daher abhängig von der Magnetlänge und nicht nur von dem Detektorabstand, und die Fehlerzeit kann unerwünschte/unerwartete Veränderungen aufgrund von tatsächlichen Fehlern in der Magnetlänge und/oder dem Abstand oder scheinbaren Längenänderungen aufgrund von Verzerrungen des magnetischen Feldes kompensieren.
Die Fehlerzeit kann in einen Winkelfehler für jedes zurückgewiesene Paar umgewandelt werden, indem die Fehlerzeit mit dem Schätzwert der Geschwindigkeit verknüpft wird. Dies sollte eine aktuelle Schätzung sein, die aus verwendbaren Paaren erhalten wurde.
Das Verfahren kann wiederholt werden bis der Winkelfehler für jede Magnet-zu-Magnet-Kante erhalten worden ist, die um die Bahn herum verteilt angeordnet sind (die Kanten sind die Teile, welche die Übergänge hervorrufen). Dies wird eine genauere Positionsmessung relativ zu den anderen Übergängen liefern.
Während der für jeden Magneten erhaltene Winkelfehler ausreicht um zu ermöglichen, die relative Position der Magneten zu bestimmen, mag dies keine absolute Positionsmessung liefern. Dies liegt daran, daß obwohl die verstrichene Zeit zwischen Signalwechseln in einem akzeptierbaren Paar genau sein wird und nicht aufgrund von Magnetfehlern schwanken wird, der Ort des Übergangs, den dieses Paar erzeugt hat, unbekannt sein kann. Zum Beispiel, falls dies ein Übergang zwischen Magneten ist, die ihrerseits durch einen benachbarten Magneten verzerrt sind, kann der Übergang von seinem idealen Ort versetzt sein.
Um die absolute Position zu bestimmen, kann das Verfahren einen weiteren Schritt beinhalten:
Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen, welches mit einem Übergang zwischen Magnetpaaren korrespondiert, welcher an einer bekannten Position auftritt, und
Beziehen aller anderen Positionsmessungen auf diese bekannte Position.
Das identifizierte verwendbare Paar, welches an einer bekannten Position auftritt, kann ein Übergang zwischen Magneten an einem Ort sein, von dem es bekannt ist, daß dort keine Verzerrung des magnetischen Feldes durch andere Einflüsse auftritt. So kann dieser Übergang als an seinem "idealen" Ort angenommen werden.
Einige Kodierer sind mit einem Indeximpuls ausgestattet, einem mechanischen Referenzpunkt – dieser könnte ebenfalls oder als Alternative zu einer Angabe eines idealen Referenzpunktes verwendet werden.
Wenn der Kodierer wenigstens eine weitere benachbarte Bahn von Magneten umfaßt, kann der gewählte Übergang einer sein, der mit einem Übergang zwischen den Magneten entgegengesetzter Polarität der anderen Bahn zusammenfällt. An diesem Punkt, an dem ein Nordpol einen Südpol trifft, hat der durch die zusätzliche Bahn hervorgerufene Fluß den geringsten Effekt auf einen Übergang in der Bahn der Kodierregionen.
Um sicherzustellen daß eine schlechte Messung nicht die Kompensation korrumpiert, kann der Positionsfehler durch ein Filter erster Ordnung gefiltert werden, welches eine Zeitkonstante K_filt hat. Das Filter kann ausgeführt werden wenn ein neuer Kompensationswert berechnet worden ist.
Die Fehlerwerte, die durch das Verfahren berechnet werden, können in einem Speicher in Form einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Dies ist möglich, da Fehler durch permanente Effekte, wie Kodierbereichtoleranzen oder magnetische Feldverzerrungen, sich nicht mit der Zeit verändern sollten. Sie können periodisch wiederberechnet werden, sofern dies erforderlich ist und die Tabelle aktualisiert wird.
Wenn der Kodierer zwei Bahnen umfaßt, wiederholen sich die durch die Bahnen gebildeten Muster um den Kodierer herum periodisch, so daß die Tabellengröße durch Ausnutzen der Symmetrie verringert werden kann.
Wenn die Fehler einmal bestimmt worden sind, kann die Kodiererpositionsmeldung kompensiert werden indem der Fehler zu der gemessenen Position addiert wird um eine kompensierte Positionsmessung zu erzeugen.
Obwohl in der Theorie die Anpassung in der Lage sein sollte, über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Systems zu funktionieren, ist es in der Realität erforderlich eine Grenze auf den Kompensationsberechnungsbereich zu legen. Diese Grenze ist notwendig aufgrund des Erfordernisses, jeden Kodiererzustand bei jeder Iteration des Algorithmus zu sehen. Bei höheren Geschwindigkeiten kann auch die Zeitgeberquantisierung ein Thema sein.
Zur optimalen Funktionsweise des Verfahren wird einzusehen sein, daß die Drehgeschwindigkeit des Kodierers während der Berechnung der Fehler konstant sein sollte. Das Verfahren kann daher einen Schritt des Kontrollierens der Drehrate des Kodierers umfassen, während die Fehlerbestimmungsschritte ausgeführt werden. Alternativ dazu kann eine Annahme notwendig sein, daß die Geschwindigkeit konstant ist. Zum Beispiel können benachbarte Zeitwerte erfaßt werden. Falls die Zeitmessungen beider Seiten übereinstimmen, dann kann die Geschwindigkeit als konstant zwischen diesen Zeitmessungen angenommen werden.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kodierer bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, das Verfahren des ersten Aspektes der Erfindung auszuführen.
Der Kodierer kann zwei Bahnen von Magneten aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind. Dies können kreisförmige Bahnen sein.
Es sei verstanden, daß die Erfindung ihren maximalen Nutzen für einen magnetischen Kodierer mit mehr als einer Bahn bereitstellt, wegen der möglichen Interferenzen zwischen den Bahnen. Allerdings kann sie auch verwendet werden um die Genauigkeit anderer Kodierertypen, z. B. optischer Kodierer, zu verbessern. Das Verfahren kompensiert Toleranzen in der Abmessung und Anordnung der Kodierelemente.
Es sei auch verstanden, daß die Prinzipien dieser Erfindung auch auf lineare und auf Drehkodierer erstreckt werden können.
Nachstehend wird lediglich als Beispiel eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf und wie veranschaulicht in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine allgemeine Schemazeichnung ist, welche einen Apparat zum Messen der Winkelposition gemäß dem Verfahren des ersten Aspektes der Erfindung erläutert;
2 eine Teilansicht der relativen Position der Magnete an dem in 1 gezeigten Kodierer und der relative Ort der Detektoren ist;
3 eine Zeichnung der idealen Variation im Signalausgang von den Detektoren des Kodierers nach 1 über den in 2 gezeigten elektrischen Zyklus ist;
4 ein Vergleich der idealen Ausgaben mit einer realen Ausgabe ist, welche Fehler aufgrund von Interferenzen zwischen den Kodiererbahnen enthält;
5 die Variation in der Kodiererkantenposition relativ zu den idealen Positionen entlang einer kompletten mechanischen Umdrehung des Kodierers erläutert;
6 das Vorhandensein konstanter Kodiererbreitenzustände in den Ausgangssignalen erläutert, welche mit dem Überqueren eines einzigen herkömmlichen Übergangs zwischen Magneten korrespondiert und ein zyklisches Wiederholen des Fehlers für jeden elektrischen Zyklus zeigt;
7 eine Erläuterung der Variation der Kante-zu-Kante-Position in den Ausgabesignalen über eine Umdrehung des Kodierers ist;
8 eine Erläuterung der unterschiedlichen Fehler in den Kantenpositionen ist;
9 die Kompensationsrate zeigt, welche durch das Verfahren der Erfindung angewendet werden kann; und
10 die Anwendung des Verfahrens auf eine Positionsmessung erläutert, wenn der Kodierer sich nacheinander in beide Richtungen dreht.
In 1 ist ein Positionserfassungsgerät 10 gezeigt. Es umfaßt einen Kodierer 11, der an einer Ausgangswelle 12 eines dreiphasigen Elektromotors 13 angebracht ist. Das Gerät umfaßt eine Kodierscheibe, die an der Welle 12 durch einen Satz (nicht gezeigter) Schrauben oder durch Schweißen befestigt ist. Die Scheibe trägt zwei Bahnen 14, 15 von Magneten, die konzentrisch um die Wellenachse angeordnet sind. Eine erste Bahn umfaßt drei Polpaare von Magneten, wobei jedes Paar einen Bogen von 120° mechanisch besetzt, wobei die zweite Bahn 36 Polpaare von Magneten umfaßt, die in drei Sätzen von je 24 angeordnet sind, wobei jeder Satz von 24 den gleichen Winkelbereich besetzt wie ein Polpaar der ersten Bahn.
Befestigt an einer Halteklammer längs der Kodierscheibe ist eine gedruckte Leiterplatte, die zwei Detektorensätze 16, 17 trägt. Der erste Satz 17 von diesen ist ein Satz von Halleffektsensoren. Diese sind so ausgerichtet, daß sie das Vorbeiwandern der Magneten der ersten Bahn erfassen. Das Ausgangssignal der Hallsensoren, welches einen 3 Bit Code (8 Werte) umfaßt, wird an eine Motorsteuerung weitergegeben, welche dazu verwendet wird, die Spannung zu steuern, welche an die Motorphasen zur Kommutierung angelegt wird.
Der zweite Satz 16 umfaßt einen weiteren Halleffektsensor oder einen anderen Sensor, welcher auf Veränderungen im magnetischen Feld reagiert (z. B. ein Reedschalter). Dieser ist auf die zweite Bahn orientiert ausgerichtet, so daß er auf Änderungen im magnetischen Fluß der Magnete der zweiten Bahn reagiert. Neben diesem ist ein weiterer Halleffektsensor angeordnet. Dieser ist der gleich wie der erste Sensor dieses Satzes, da er aber in einigem Abstand von dem ersten Sensor angeordnet ist, wird er zu jeder beliebigen Zeit auf einen unterschiedlichen Bereich der zweiten Bahn reagieren.
Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sensor des zweiten Satzes ist in dieser Ausführungsform so gewählt, daß er mit einer Hälfte der Winkellänge der Magnete der zweiten Bahn korrespondiert (d. h. die Hälfte des Bogens den ein Magnet des zweiten Satzes überdeckt). Auf diese Weise werden sowohl der erste als auch der zweite Detektor während des Drehens des Kodierers ein Signal erzeugen, welches periodisch variiert, ein Wechsel tritt daher bei jedem Übergang zwischen einem Nord- und einem Südpol der Magnete der zweiten Bahn auf, die den Sensor passieren. Da sie voneinander um eine halbe Magnetlänge beabstandet sind, haben die Ausgangsignale einen 90° Phasenversatz.
Die Ausgangssignale von den Sensoren werden einem Prozessor 18 zugeführt, wo sie verarbeitet werden um die Position und die Geschwindigkeit der Motorwelle zu bestimmen. Diese Information kann der Motorsteuerung 19 zugeführt werden und zur Kommutierung des Motors verwendet werden. Durch Verknüpfung der Ausgänge der ersten (Phase) und zweiten (90° phasenversetzt) Sensoren liefert ein 2 Bit (4 Zustände) Signal, welche als folgende Zustände definiert werden können:
Zustand 0 – Südmagnet auf zweiten (90° phasenversetzt) Detektor und auch auf ersten (Phasen) Detektor ausgerichtet
Zustand 1 – Südmagnet auf zweiten Detektor und Nordmagnet auf ersten Detektor ausgerichtet;
Zustand 2 – Nordmagnet auf zweiten Detektor und Süd auf ersten Detektor ausgerichtet
Zustand 3 – Nordmagnet auf zweiten Detektor und Nordmagnet auf ersten Detektor ausgerichtet.
Ein Idealsatz von Ausgangssignalen von dem zweiten und dem dritten Detektor ist in 3 gezeigt, wobei das Kodierphasen- und das 90° Phasenversetztsignal die korrekte elektrische Position liefern und Signaländerungen genau mit den Kanten der Magneten korrespondieren.
In einer praktischen Ausführungsform gibt es jedoch Veränderungen in der Kantenposition weg von den idealen, gleichbeabstandeten Orten. Einige dieser Veränderungen können durch Magnettoleranzen hervorgerufen sein. Die Anmelderin hat auch gefunden, daß die Vielzahl der Variationen durch die Hallsensormagnete der ersten Bahn hervorgerufen sind, welche mit den Magneten der zweiten Bahn interferieren.
Wenn ein Nordpol an dem Hallsensor anwesend ist, werden die Nordpole der zweiten Bahn, welche radial mit ihm ausgerichtet sind, verstärkt (was deren effektive Breite vergrößert) und die Südpole geschwächt (was deren effektive Breite verringert). In vergleichbarer Weise stärkt und schwächt ein Südpol Süd- und Nordpole entsprechend. Die Auswirkung auf das Magnetisierungsmuster, welches von der zweiten Bahn ausgesendet wird, variiert über den Hallmagneten, wobei das Zentrum des Hallmagnetenpols eine größere Wirkung hat als an den Kanten.
Die Verzerrung der Phasen- und der 90°-phasenversetzt-Signale kann in 4 erkannt werden, wobei das linke Diagramm den idealen Kodierer zeigt. Das rechte Diagramm zeigt die Wirkung, die sowohl ein Nord- als auch ein Südhallkodiererpol hat, auf die Kodierer-Phasen- und 90°-phasenversetzt-Signale.
Mit Verzerrung der Kodiererkantenpositionen kann die Auswirkung auf die gemessene Position des Motors nennenswert sein. 5 veranschaulicht die Größe der Fehler, welche in dem Beispiel von 1 eingeführt werden; die obere Spur zeigt die drei Hallsensorzustände und die Kodierer-Phase und –90°-phasenversetzt-Signale während einer kompletten mechanischen Umdrehung. Die Messungen wurden durch Bezug auf einen hochauflösenden Kodierer aufgenommen. Die untere Spur zeigt die Kante-zu-Kante-Veränderung, welche konstant 2,5° mechanisch für diese Ausführungsbeispiel sein sollte.
Man kann sehen, daß die Abweichungen von dem idealen Kodierer einen Kante-zu-Kante-Unterschied von ±0,8° mechanisch beträgt. Dies bedeutet, daß die elektrische Position um ±2,4° während einer Umdrehung schwankt. Dies bedeutet ±300 Umdrehungen pro Minute Rauschen auf dem Geschwindigkeitssignal lediglich hervorgerufen durch die Kodiererverzerrung.
Wie bereits vorstehend erwähnt, variiert der Effekt in Bezug auf die Hallsensormagnete und es ist offensichtlich in der periodischen Natur der Schwankung, die sich bei jedem elektrischen Zyklus wiederholt. Es sei auch bemerkt, daß für jeden zweiten Übergang der Fehler extrem klein ist, 7 zeigt dies.
Der Grund für die periodische Natur des Fehlers liegt in dem Aufbau des Kodierers, siehe 2. Es existieren zwei magnetische Bahnen, eine für die Hallsensoren (1, 2, 3) und eine für die Kodiersensoren (P und Q). Die Kodierersensoren auf der gedruckten Leiterplatte sind so positioniert, daß sie um 2,5° mechanisch voneinander beabstandet sind. Da beide Sensoren die gleiche magnetische Bahn sehen, ist der 90°-Phasenversatz zwischen den beiden Signalen ausschließlich durch die Sensorplatzierungsgenauigkeit bestimmt. Die Platzierungsgenauigkeit ist sehr hoch und dies bildet in der Tat die Grundlage der vorgeschlagenen Lösung.
Die Anmelderin hat ein Verfahren beschrieben, durch das das Geschwindigkeitssignal relativ einfach verbessert werden kann durch Modifizieren des Kodiererzeitverhaltens, aber die Verbesserung des Positionssignals erfordert einen adaptiven Algorithmus.
Geschwindigkeitsmessung
Obwohl die Zustände der Ausgangssignale in ihrer Breite über einen elektrischen Zyklus aufgrund der mechanischen Implementierung schwanken, bleibt der Abstand von einer ansteigenden Flanke an einem Ausgangssignal zur abfallenden Flanke an dem anderen Ausgangsignal konstant, d. h. der Winkelabstand für Zustände 1 und 2 bleibt konstant, daher wurde erkannt, daß es möglich ist, das Zeitverhalten zwischen solchen Kanten zu verwenden um unsere Geschwindigkeit zu berechnen (siehe 3). Wie vorstehend erwähnt ist dieser Winkelabstand bestimmt durch die Sensorplatzierungsgenauigkeit in dem Kodierer.
Die Geschwindigkeit kann berechnet werden in °mechanisch/sec wie:
wobei t_av = 1/2(t₁ + t₂) oder t_av = 1/4(t₁ + t₂ + t₃ + t₄) aber nicht so gut.
θ_ENC ist der Winkelabstand zwischen Kodiererflanken
t₁ und t₂ sind die jeweiligen Zeiten zwischen ansteigenden und abfallenden Flanken.
Es sei bemerkt, daß es möglich wäre nur eine Zeitmessung zu verwenden, aber die zusätzliche Messung sollte das Vorhandensein von Rauschen aufgrund von zeitlichem Flattern in der Berechnung verringern. Für das gezeigte Beispiel in den beigefügten Zeichnungen beträgt der Kante-zu-Kante-Abstand θ_ENC 2,5° mechanisch.
Aus einem Implementierungsgesichtspunkt sollte die Geschwindigkeit nur in den Zuständen 0 oder 3 berechnet werden, d. h. die letzte Kantenübergangsinformation bezieht sich auf die Zustände 1 und 2.
Positionsmessung
Wie bereits in 5 erwähnt, ist der Fehler periodisch und wiederholt sich bei jedem elektrischen Zyklus. Dies bestätigt sich durch Aufzeichnen aller drei elektrischen Zyklen wie in 7 gezeigt. In der Realität ist die untere Hälfte des elektrischen Zyklus negativ bezogen auf die nördliche Hälfte. Dies könnte dazu verwendet werden den Kompensationsspeicher weiter zu verringern. Es ist wiederum offensichtlich, daß jeder zweite Übergang praktisch keinen Fehler hat (aus den vorstehend erläuterten Gründen).
Um das Positionssignal zu verbessern hat die Anmelderin erkannt, daß die in der Position vorhandene Schwankung bestimmt und kompensiert werden kann.
Positionsfehlerberechnung
Wie vorstehend erwähnt sind die beiden Kodiererzustände (1 und 2) konstant und trotz der Interferenzeffekte der beiden Hallsensormagnete richtig. Diese Information kann verwendet werden um Fehler in der Kodiererposition zu korrigieren. 8 zeigt einen mechanischen Zyklus an dem Punkt, wo ein Hallsensor seinen Zustand wechselt. Als eine Referenz wird ein idealer Kodierer gezeigt und die Schwankung im Fehler e markiert wenn die Nord- und Südpole den Kodierermagneten korrumpieren.
Angenommen, der Motor dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit, dann ist die Zeit im Kodiererzustand 1 die gleiche wie die Zeit im Kodiererzustand 2. So wie die Geschwindigkeitsberechnung können diese beiden Zeitmessungen gemittelt werden um Zittern im Zeitverhalten zu verringern und die Zeit zu bestimmen, die der Kodierer zwischen zwei Zustandsübergängen benötigen sollte, t_av.
Wenn die korrekte Zeit für einen Zustandsübergang bekannt ist, kann die Zeitverhaltensinformation für Übergänge durch die Zustände 3 und 0 untersucht werden. Ide alerweise sollten diese die selben sein wie t_av aber aufgrund der Verzerrung werden sie unterschiedlich sein. Der Unterschied kann verwendet werden um den tatsächlichen Winkelunterschied jedes Zustands zu errechnen, was wiederum dazu verwendet werden kann den Fehler zu berechnen, der durch die Verzerrung eingeführt wird.
Der tatsächliche Kodierer-Kante-zu-Kante-Unterschied kann berechnet werden als
Wie vorstehend erwähnt werden die Zustände 1 und 2 bestimmt durch die Platzierungsgenauigkeit der Kodierersensoren, welche fest sind, daher beträgt θ₁ = θ_ENC und θ₂ = θ_ENC.
Wenn die tatsächliche Positionsdifferenz bekannt ist, kann der Positionsfehler, d. h. die Abweichung von dem idealen θ_ENC berechnet werden als: e3 = θENC – θ3 e2 = e3 e0 = θENC – θ0 e1 = e0
Es sei bemerkt, daß obwohl für die Kodiererzustände 1 und 2 die Breite konstant und richtig ist, die absolute Position der Kanten unkorrekt ist. Der Versatz beruht auf den Fehlern, welche durch die Zustände 0 und 3 eingeführt werden und muß kompensiert werden.
Wenn alle Kanten verschoben sind, ist ein absoluter Bezugspunkt erforderlich. Der Bezugspunkt ist die Position an welcher ein Hallsensor seinen Zustand ändert. Es sei angenommen, daß wenn der Hallsensor seinen Zustand ändert, die Verzerrung, die der Hallmagnet auf die Kodierermagnetisierung ausübt, vernachlässigbar ist und daß der Kodiererübergang in der richtigen Position liegt.
Positionsfehlerfilter
Um sicherzustellen, daß eine schlechte Messung nicht die Kompensation des Positionsfehlers korrumpiert, sollte unter Verwendung eines Filters erster Ordnung gefiltert werden mit einer Zeitkonstante K_filt. Das Filter sollte nur ausgeführt werden wenn ein neuer Kompensationswert berechnet worden ist.
Positionsfehlerspeicherung
Wie vorstehend erwähnt, wiederholt sich der Positionsfehler bei jedem elektrischen Zyklus, so daß die Speicheranforderung für den Kompensationsalgorithmus darin besteht, einen Kompensationswert für jeden Kodiererübergang innerhalb des elektrischen Zyklus bereitzustellen, der definiert ist durch:
wobei p die Anzahl der Polpaare ist. Der Faktor 1/2 resultiert aus dem Umstand, daß die Korrektur der Terme e₁ und e₂ die gleichen sind wie e₀ bwz. e₃. Als ein Ergebnis hiervon können die Speicheranforderungen halbiert werden. Für die erläuterte Ausführungsform beträgt die Speichergröße 24 für einen elektrischen Zyklus.
Der Kodiererzähler, k, kann halbiert werden und als Index in die Tabelle verwendet werden zur Kompensationsberechnung und Anwendung.
Positionsfehlerkompensation
Sobald die Fehler bestimmt worden sind, kann die Kodiererpositionsmessung kompensiert werden durch: θ'K = θK + eK
Der Kompensationswert kann angewendet werden durch Indexieren in die Kompensationstabelle. Obwohl für die Berechnung der Kompensationswerte der Algorithmus jeden Kodiererzustand sehen muß, kann, nachdem ein Kompensationswert bestimmt worden ist, die Anwendung direkt indexiert werden, ohne das Erfordernis jeden Zustand zu sehen (der Kodiererzähler behält den Bezugspunkt bei).
Kompensationsbedingungen
Obwohl in der Theorie die Anpassung in der Lage sein sollte, über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Systems zu funktionieren, muß in der Realität eine Begrenzung auf den Kompensationsberechnungsbereich angewendet werden. Diese Begrenzung ist erforderlich aufgrund der Anforderung jeden Kodiererwert bei jeder Iteration des Algorithmus zu sehen. Bei höherer Geschwindigkeit könnte die Zeitgeberquantisierung ebenfalls eine Rolle spielen.
Um sicherzustellen, daß wenigstens ein Algorithmus innerhalb jedes Kodiererzustands auftritt, ist die maximalen Geschwindigkeit (in Umdrehung pro Minute), bei der die Kompensation berechnet werden kann, definiert durch:
Eine Minimalgeschwindigkeit ω_min ist definiert durch die maximale Zeitgeberlänge für die Phasen- und 90°-phasenversetzt-Flanken. Sowohl auf ω_max als auch auf ω_min sollte eine Hysterese angewendet werden.
Für ein optimales Betriebsergebnis des Kompensationsalgorithmus sollte die Drehzahl des Motors konstant sein, was als konstante Geschwindigkeit über einen solchen kleinen Winkel erforderlich ist, sollte kein Problem sein. Bei eingeschwungenen Betriebszuständen ist die Geschwindigkeit konstant und daher t₁ ≈ t₂. Die Berechnung der Kompensation sollte, auftreten falls t₁ und t₂ innerhalb eines festgelegten Prozentbereichs voneinander liegen.
Die Kodiererflanken können zweimal innerhalb eines Kodiererzyklus kompensiert werden, einmal wenn im Zustand 1 und einmal wenn in Zustand 2, wie in 9 dargestellt.
Positionsumkehr
Die Kantenpositionskompensation ist bidirektional und derselbe Kompensationswert kann unabhängig von der Richtung angewendet werden. Dies ist in 10 zu sehen, die einen Richtungswechsel und die Fehler zeigt, bezogen auf ideale Kodiererflanken.
Es versteht sich daher, daß jedenfalls teilweise die Erfindung im Erkennen besteht, daß Fehler zu "guten", verwendbaren und "schlechten" Paaren von Übergängen führen können, wobei die guten Paare sich auf festgelegten Abständen befinden, welche durch die Abstände zwischen den Detektoren festgelegt sind, und die schlechten aufgrund von Toleranzen und anderen Einflüssen auf die Kodiererelemente schwanken. Ein Verfahren, welches dies in Rechnung stellt um entweder Geschwindigkeit- oder Positionsmessungen auszuführen wurde entwickelt und dafür wird um Schutz nachgesucht.
Zahlreiche Alternativen sind vorgesehen und der nachgesuchte Schutzumfang sollte nicht auf das spezifische, beschriebene Beispiel beschränkt sein. Die Erfindung kann erstreckt werden auf Kodierer, die durch mehr als zwei Detektoren ausgelesen werden, und welche Magnete oder andere Kodierelemente umfassen können. Zum Beispiel kann sie auf Messungen angewendet werden, welche die Kommutierung eines Motors steuern indem eine einzelne Bahn von Elementen verwendet wird, oder eine komplexere Anordnung als die hier diskutierte, wobei eine Bahn von Elementen, welche für einen Hallsensor verwendet wird, kombiniert wird mit zusätzlichen Bahnen von Kodierelementen um eine hochauflösende Positions- und Geschwindigkeitsinformation zu erhalten.
Zusammenfassung
Ein Verfahren zum Verarbeiten von Signalen in einem Drehkodierer der Art, die wenigstens eine ringförmige Bahn von Kodierbereichen aufweist, die als wechselndes Muster erster Kodierbereiche und zweiter Kodierbereiche angeordnet sind, umfaßt Bereitstellen eines ersten Detektors an einer ersten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist;
Bereitstellen eines zweiten Detektors an einer zweiten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist;
Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen umfassend einen Übergang des ersten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand gefolgt von einem Übergang des zweiten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand ohne in der dazwischenliegenden Zeit von dem zweiten Zustand auf den ersten Zustand gewechselt zu haben; Messen der verstrichenen Zeit zwischen den Übergängen des identifizierten verwendbaren Paares, und Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit durch Verknüpfen der verstrichenen Zeit mit dem Abstand zwischen den ersten und zweiten Detektoren.

Claims

Ein Verfahren zum Verarbeiten von Signalen in einem Drehkodierer der Art, die wenigstens eine ringförmige Bahn von Kodierbereichen aufweist, die als wechselndes Muster erster Kodierbereiche und zweiter Kodierbereiche angeordnet sind, wobei das Verfahren umfaßt: Bereitstellen eines ersten Detektors an einer ersten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist; Bereitstellen eines zweiten Detektors an einer zweiten ortsfesten Position, welcher dazu eingerichtet ist, ein erstes wechselndes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Bahn der Kodierbereiche um ihre Achse an dem Detektor vorbeidreht, wobei das wechselnde Signal eine Reihe von Übergängen aufweist zwischen einem ersten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen ersten Kodierbereich ausgerichtet ist, und einem zweiten Zustand, der damit korrespondiert, daß der Detektor auf einen zweiten Kodierbereich ausgerichtet ist; Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen umfassend einen Übergang des ersten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand gefolgt von einem Übergang des zweiten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand ohne in der dazwischenliegenden Zeit von dem zweiten Zustand auf den ersten Zustand gewechselt zu haben; Messen der verstrichenen Zeit zwischen den Übergängen des identifizierten verwendbaren Paares, und Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit durch Verknüpfen der verstrichenen Zeit mit dem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Detektor.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kodierbereiche Nord- und Südpolmagnete umfassen.
Das Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Bereich ein Nordpol und ein anderer ein Südpol ist.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren ein Identifizieren sämtlicher aneinander angrenzender Übergänge von dem ersten Signal gefolgt von dem zweiten Signal aufweist, Zurückweisen jener, welche nicht verwendbare Paare umfassen, und Verwenden wenigstens eines der verbleibenden verwendbaren Paare um die Geschwindigkeit zu bestimmen.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren ein Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen aufweist, die einen Übergang des ersten Signals von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand, gefolgt von einem Übergang in dem zweiten Signal von dem zweiten Zustand auf den ersten Zustand aufweisen, ohne in der dazwischenliegenden Zeit von dem ersten Zustand auf den zweiten Zustand gewechselt zu haben.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren ein Identifizieren von wenigstens vier Paaren von Übergängen umfaßt, die in Folge empfangen wurden, wobei eine Folge von vier Paaren zwei verwendbare Paare und zwei "schlechte" Paare aufweist, Addieren der Zeiten zwischen allen vier Paaren und Teilen durch Vier.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren ein Bestimmen der Position des Kodierers aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 7, das des Weiteren die Schritte aufweist: Identifizieren einer Folge von vier Paaren zeitlich benachbarter Übergänge in den ersten und den zweiten Signalen, wobei die vier Paare zwei verwendbare Paare und zwei zurückweisbare Paare umfassen; Bestimmen der Zeit, die zwischen den Übergängen wenigstens eines der zurückweisbaren Paare verstrichen ist; und Vergleichen der verstrichenen Zeit eines verwendbaren Paares mit jeder verstrichenen Zeit für die zurückweisbaren Paare, um so einen Fehlerwert der verstrichenen Zeit für jedes zurückweisbare Paar zu bestimmen.
Das Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Fehlerzeit in einen Winkelfehler umgewandelt wird für jedes der zurückgewiesenen Paare durch Verknüpfen der Fehlerzeit mit einem Schätzwert der Geschwindigkeit.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren die Schritte aufweist: Identifizieren eines verwendbaren Paares von Übergängen in den ersten und zweiten Signalen, welches mit einem Übergang zwischen Magnetpaaren korrespondiert, welcher an einer bekannten Position auftritt, und Beziehen aller anderen Positionsmessungen auf diese bekannte Position.
Ein Kodierer der dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Der Kodierer nach Anspruch 11, der zwei Bahnen von Magneten aufweist, die nebeneinander angeordnet sind.
Der Kodierer nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem die Kodierbereiche Magnete aufweisen.
Der Kodierer nach Anspruch 12, bei dem die kreisförmige Bahnen sind.
Der Kodierer nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, der zwei Bahnen von Magneten aufweist, wobei jeder Magnet einen Kodierbereich definiert, das magnetische Feld von einem oder mehreren Magneten in einer Bahn mit dem Feld von einem oder mehreren Magneten in der anderen Bahn interferiert um einen Verstrichene-Zeit-Messfehler in die zwischen Übergängen von einem ersten Zusand in einen zweiten Zusand an dem wechselnden Signal gemessene Zeit einzuführen.
Ein Verfahren zum Verarbeiten von Signalen in einem Drehkodierer im Wesentlichen wie hier beschrieben mit Bezug auf und erläutert in den begefügten Zeichnungen.