DE112009000121B4

DE112009000121B4 - Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112009000121B4
Application number: DE112009000121T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kawamura; Masahiro Iezawa; Masaya Inoue; Yoshitaka Onishi; Fumitaka Takenaga; Sotsuo Miyoshi; Takeshi Mori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2029-03-07
Also published as: KR101218028B1; JP5058334B2; WO2009116241A1; US20100250184A1; CN101925800B; JPWO2009116241A1; KR20100090297A; DE112009000121T5; CN101925800A

Abstract

Eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung erfasst eine Änderung eines Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen aus der Richtungsänderung des Vorzeichens in einem von Sensorausgabesignalen und dem Vorzeichen des anderen Sensorausgabesignale, und erzeugt eine Vielfachrotations-Winkelinformation aus einer Information über die erfasste Änderung des Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen und einer Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus den Sensorausgabesignalen berechnet wird.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung, die besonders zur Verwendung in einem bürstenlosen Gleichstrommotor geeignet ist, der als eine Ansteuerquelle zum Ansteuern eines Drosselventils, welches für eine in einem Fahrzeug angeordneten Ausrüstung verwendet wird, eines EGR-(Exhaust Gas Recirculation System bzw. Abgasrückführsystem) Ventils, eines beweglichen Schiebers eines VG-(Variable Geometrie) Turbosystems oder dergleichen verwendet wird.
Stand der Technik
Eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung verwendet zum Beispiel zwei magnetische Sensoren zum Eingeben eines Sensorausgabesignals, welches von jedem magnetischen Sensor gemäß des Rotationswinkels einer drehbaren Einheit, wie zum Beispiel ein bürstenloser Gleichstrommotor, an eine Signalverarbeitungseinheit ausgegeben wird, und erfasst den Rotationswinkel der drehbaren Einheit durch Ausführen eines vorbestimmten Signalprozesses durch die Signalverarbeitungseinheit.
Zu diesem Zeitpunkt berechnet die Signalverarbeitungseinheit den Rotationswinkel während einer Rotation bzw. Umdrehung (360 Grad) aus sowohl einem Rotationswinkel zu dem Zeitpunkt, wenn eines der zwei Sensorausgabesignale einen Nulldurchgang aufweist, wobei die zwei Sensorausgabesignale von den magnetischen Sensoren gemäß dem Rotationswinkel der drehbaren Einheit ausgegeben werden und wobei eines eine Sinuswelle und eines eine Kosinuswelle ist, als auch dem Vorzeichen des anderen Sensorausgabesignals (Verweis zum Beispiel auf Patentreferenz 1).

[Patentreferenz 1] JP,2004-191101,A (Paragraphen [0048] bis [0051] und 9)

Obwohl ein Rotationswinkel während einer Rotation mit einem hohen Genauigkeitsgrad erfasst werden kann, gemäß der in der oben genanten Patentreferenz 1 offenbarten Technologie, wird die Erfassung schwierig, wenn die drehbare Einheit eine oder mehrere Rotationen ausführt, da es zwei oder mehr Bedingungen gibt, welche zu dem gleichen Signalzustand führen.
Da zum Beispiel ein bürstenloser Gleichstrommotor, der als eine Ansteuerquelle zum Ansteuern eines Drosselventils, welches für eine in einem Fahrzeug angeordneten Ausrüstung verwendet wird, eines EGR-(Exhaust Gas Recirculation System bzw. Abgasrückführsystem) Ventils, eines beweglichen Schiebers eines VG-(Variable Geometrie) Turbosystems oder dergleichen verwendet wird, den OFFEN/GESCHLOSSEN Zustand des Ventils über den gesamten Bereich während vielfacher Rotationen (z. B. zwei Rotationen) steuert, besteht ein Problem in dem Genauigkeitsgrad und darin, dass es schwierig ist, die herkömmliche Technologie zu verwenden.
EP 2 131 156 A1 betrifft eine Phasenerfassungseinrichtung und eine Positionserfassungseinrichtung. Das Dokument zeigt in der 1 die Erfassung eines Sinus-Wellensignals Ssa und eines Cosinus-Wellensignals Sca, eine nachfolgende AD-Wandlung und die Bestimmung einer Anzahl von Rotationen basierend auf dem Phasensignal.
EP 0 244 385 81 betrifft einen Versatzerfasser für einen Encoder. Gemäß der Beschreibung erzeugt der Versatzdecoder des Dokuments ein positives oder negatives Signal in Abhängigkeit von erfassten Sinus- und Cosinussignalwinkeln und gibt diese aus. Entsprechend dieser Ausgabe des Komparators wird der Wert eines Zählers geändert.
US 2009/0295683 A1 betrifft die Verwendung eines Messsignalauswertungsmittels für eine Positionsmesseinrichtung, um die den Zeitunterschied zwischen einem ersten Ereignis und einem zweiten Ereignis zu bestimmen. Das System bestimmt, ob ein Nulldurchgang eines Signals positiv oder negativ ist und bestimmt hieraus, welche Quadranten durchschritten wurden.
US 4,697,125 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Wellenposition und zum Bereitstellen eines Kommunikationssignals. Hierin wird die Umsetzung analoger Signale in Abhängigkeit der Sensoren in digitale Signale mittels eines EPROM beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung dient der Lösung der oben genannten Probleme und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung, welche unter Verwendung eines Rotationswinkelsensors, der eine Rotation erfassen kann, einen Rotationswinkel gemäß vielfacher Rotationen mit einem hohen Genauigkeitsgrad erfassen kann.
Um die oben genannten Probleme zu lösen umfasst eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung zum Erfassen einer Änderung eines Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen aus einer Richtungsänderung eines Vorzeichens eines der zwei Sensorausgabesignale, die gegeneinander phasenverschoben sind, und eines Vorzeichens des anderen der zwei Sensorausgabesignale, und zum Erzeugen einer Vielfachrotations-Winkelinformation aus einer Information über die erfasste Änderung des Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen und einer Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus den Sensorausgabesignalen berechnet wird.
Eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung umfasst eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen von Signalen zweier Phasen, wobei jede eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Rotation aufweist und die Signale zweier Phasen gegeneinander phasenverschoben sind, aus einer Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen berechnet wird, und zum Erhöhen oder Verringern einer Anzahl, wie oft sich die Signale zweier Phasen gemäß einer Richtungsänderung in den Signalen und den Stärken der Signalen ändert.
Die Eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann unter Verwendung eines Rotationswinkelsensors, der eine Rotation erfassen kann, leicht einen Rotationswinkel bei vielfachen Rotationen mit einem hohen Grad an Genauigkeit erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Sensoren, die eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet, und des Erfassungssystems;
2 ist eine Ansicht eines Vektors, der durch zwei Sinuswellen-Sensorausgabesignale definiert ist, die zueinander phasenverschoben sind;
3 ist eine Ansicht, die als <Tabelle 1> ein Prinzip der zugrunde liegenden vielfachen Rotationserfassung durch die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Blockdiagramm zur Ansicht der Konfiguration interner Schaltungen der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Ansicht des Betriebs der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung im Fall der normalen Rotation;
6 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Ansicht des Betriebs der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung im Fall der entgegengesetzten Rotation;
7 ist eine Ansicht zur Darstellung des Betriebs der Erfassungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und zur Ansicht einer Beziehung zwischen einem Rotationszahl-Identifikationssignal und einem Berechnungsprozess zum Berechnen eines Rotationswinkels in Tabellenform <Tabelle 2>;
8 ist ein Blockdiagramm zur Ansicht der Konfiguration interner Schaltungen einer Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Ansicht des Betriebs der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung im Fall der normalen Rotation;
10 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Ansicht des Betriebs der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung im Fall der entgegengesetzten Rotation;
11 ist eine Ansicht eines Beispiels der internen Konfiguration einer A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit zur Verwendung in der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine Ansicht einer Beziehung zwischen Signaländerungen der Phase A und Phase B und einer Änderung eines Zählwerts der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung im Fall der normalen Rotation; und
13 ist eine Ansicht einer Beziehung zwischen Signaländerungen der Phase A und Phase B und einer Änderung eines Zählwerts der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung im Fall der entgegengesetzten Rotation;
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Im Folgenden werden zur detaillierten Erläuterung dieser Erfindung die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Sensoren, die eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet, und des Erfassungssystems.
In dieser Ausführungsform sind auf einer Magnetscheibe 1, welche zusammen mit einem nicht gezeigten Gleichstrommotor rotiert, zwei Hall-Sensoren 2 und 3 an Offsetpositionen fest angeordnet, die einen Winkel von circa 90 Grad vom Zentrum der Scheibe ausbilden, und wobei die Hall-Sensoren das Erfassungssystem ausbilden.
Wie in 2(a) gezeigt, können Vx und Vy, bei denen es sich um die Ausgaben der Hall-Sensoren 2 und 3 handelt, als ein Vektor dargestellt werden. Tatsächlich geben die Sensoren Sinuswellen-Ausgabesignale aus, die gegeneinander phasenverschoben sind, wie zum Beispiel in 2(b) gezeigt. In diesem Fall weisen die zwei Sensorausgabesignale eine Periode von 1/n pro Rotation auf (n ist eine willkürliche ganze Zahl).
Die Sensoren zur Verwendung in der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung sind nicht auf die Hall-Sensoren 2 und 3 beschränkt und andere Rotationswinkel-Erfassungssensoren, wie zum Beispiel magnetische Sensoren, können alternativ verwendet werden.
3 ist eine Ansicht, die als <Tabelle 1> ein Prinzip der zugrunde liegenden vielfachen Rotationserfassung zeigt, zum Erfassen einer Rotation, bei der der Rotationswinkel eine Umdrehung (360 Grad) überschreitet, durch die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Es ist wohlbekannt, dass ein Rotationswinkel einer Umdrehung von zwei Sensorausgabesignalen erfasst werden kann, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kann einen Rotationswinkel vielfacher Rotationen bzw. Umdrehungen von den zwei Sensorausgabesignalen erfassen, die um 90 Grad phasenverschoben sind.
Wenn in einem konkreten Erfassungsprinzip die zwei Sinuswellen-Sensorausgabesignale Vx und Vy, wie in 2(b) gezeigt, gegeneinander phasenverschoben erzeugt werden, wird eine Kombination unter den in 3 als <Tabelle 1> gezeigten Kombinationen zu dem Zeitpunkt verwendet, wenn Vx oder Vy einen Nulldurchgang bei 360 Grad aufweisen. Als Ergebnis kann abgeleitet werden, aus der Richtungsänderung des Vorzeichens eines der zwei Sensorausgabesignale zum Zeitpunkt, wenn der Nulldurchgang erfolgt, und des Vorzeichens des anderen Sensorausgabesignals, ob die Scheibe eine oder mehr Umdrehungen durchgeführt hat.
Zum Beispiel zeigt zum Zeitpunkt der nullten Umdrehung (0 Grad), der ersten Umdrehung (360 Grad) und der zweiten Umdrehung (720 Grad) die Richtungsänderung im Vorzeichen von Vx, wenn Vx im Fall der normalen Rotation einen Nulldurchgang aufweist, einen Übergang von – zu + an, und das Vorzeichen von Vy ist zu diesem Zeitpunkt +. Darüber hinaus zeigt zum Zeitpunkt der nullten Umdrehung (0 Grad), der ersten Umdrehung (360 Grad) und der zweiten Umdrehung (720 Grad) die Richtungsänderung im Vorzeichen von Vx, wenn Vx im Fall der reversen bzw. entgegengesetzten Rotation einen Nulldurchgang aufweist, einen Übergang von + zu – an, und das Vorzeichen von Vy ist zu diesem Zeitpunkt –. Unter Verwendung dieser Kombinationen kann daher bestimmt werden, ob die Scheibe eine oder mehrere Umdrehung durchgeführt hat.
Durch Erfassung der Vorzeichen und einer Änderungsgrenze unter Verwendung einer Vergleichseinheit oder dergleichen kann daher, zum Beispiel, eine Vielfachumdrehungs-Winkelerfassung einzig durch arithmetische Operationen an binären Zahlen ausgeführt werden, wobei jede positiv oder negativ ist, und eine Kombination von Hardwareteilen, die hauptsächlich Computereinheiten umfassen, kann leicht konfiguriert werden. In dieser Ausführungsform wird diese Kombination von Hardwareteilen generisch als eine arithmetische Verarbeitungseinheit bezeichnet.
4 ist ein Blockdiagramm zur beispielhaften Ansicht der Konfiguration interner Schaltungen der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Wie in 4 gezeigt, wird die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mit AD (Analog Digital) Wandlern 11 und 12, Korrekturbetriebseinheiten 13 und 14, Vergleichseinheiten 15 und 16, einer Grenzerfassungseinheit 17, einer Pulszähleinheit 18, einer Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19, eine Vielfachrotations-Verarbeitungsschaltung 20 und einem DA (Digital Analog) Wandler 21 bereitgestellt.
Die oben genannten Konfigurationsblöcke 11 bis 21 arbeiten kooperativ miteinander, so dass sie als eine arithmetische Verarbeitungseinheit funktionieren, zum Erfassen einer Veränderung eines Rotationswinkels einer oder mehrerer Umdrehungen aus der Richtungsänderung des Vorzeichens eines der Sensorausgabesignale (die Ausgabesignale der Hallsensoren 2 und 3) und des Vorzeichens des anderen der zwei Sensorausgabesignale, und zum Erzeugen einer Vielfachrotations-Winkelinformation aus der Information der erfassten Änderung des Rotationswinkels einer oder mehrerer Umdrehungen und einer Rotations-Winkelinformation über eine Umdrehung, die aus den Sensorausgabesignalen berechnet wird. Eine detaillierte Beschreibung des Prozesses erfolgt im Folgenden.
5 und 6 sind Zeitablaufdiagramme zur Ansicht des Betriebs der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung im Fall der normalen Rotation (5) und im Fall der entgegengesetzten Rotation (6). In den 5 und 6 sind die Wellenformen der Signale mit den gleichen Namen wie in 4 die gleichen Signale wie die in 4 gezeigten, und (a) zeigt einen Rotationswinkel θ, (b) zeigt ein X-Komponentensignal, (c) zeigt ein Y-Komponentensignal, (d) zeigt ein X-Komponentenvorzeichensignal, (e) zeigt ein Y-Komponentenvorzeichensignal, (f) zeigt +Pulse, (g) zeigt –Pulse, und (h) zeigt die Ausgabe der Pulszähleinheit 18.
Im Folgenden wird der Betrieb der in 4 gezeigten Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die Zeitablaufdiagramme der 5 und 6 beschrieben.
Zuerst werden die analogen Signale Vx und Vy, bei denen es sich um die zwei Sinuswellen-Sensorsignale handelt, die durch die Hall-Sensoren 2 und 3 ausgegeben werden, durch die AD (Analog Digital) Wandler 11 bzw. 12 in digitale Signale gewandelt, und an die Korrekturbetriebseinheiten 13 bzw. 14 ausgegeben. Die Korrekturbetriebseinheiten 13 und 14 führen Korrekturen in Bezug auf Amplitude und Offset durch, auf jeweils zu korrigierenden Teilen der digitalen Signale, und liefern die korrigierten digitalen Signale an die Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19, und die Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19 führt eine Berechnung eines Rotationswinkels während einer Umdrehung aus und gibt den Rotationswinkel θ aus (ein n-Bit Eine-Umdrehung-Positionssignal: ein digitaler Wert). Da deren Betrieb gleich der einer herkömmlichen Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung ist, wird eine konkrete Beschreibung des Betriebs im Folgenden weggelassen.
Die Ausgaben der oben genannten Korrekturbetriebseinheiten 13 und 14 werden nicht dem Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19 zugeführt, sondern auch ersten Eingabeterminals der Vergleichseinheiten 15 bzw. 16. Ein voreingestellter Null-Referenzwert wird an jedes von zweiten Eingabeterminals der Vergleichseinheiten 15 und 16 geliefert, und diese Vergleichseinheiten führen einen Vergleich durch, zwischen den Ausgaben der Korrekturbetriebseinheiten und dem jeweiligen Null-Referenzwert. Jede der Vergleichseinheiten 15 und 16 geben ein Zeichen (Signal) „Hoch” oder „Niedrig” an die Grenzerfassungseinheit 17 aus. Die Grenzerfassungseinheit 17 ist so konfiguriert, dass, als Antwort auf die Signale der Vergleichseinheiten 15 und 16, ein +Puls ausgegeben wird, wenn die normalen, in der Tabelle der 3 gezeigten Rotationsbedingungen bei 0 Grad, 360 Grad und 720 Grad erfüllt sind, und ein –Puls ausgegeben wird, wenn die Bedingungen der entgegengesetzten Rotation bei 0 Grad, bei 360 Grad und bei 720 Grad erfüllt sind. Der durch die Erfassung erzeugte +Puls oder –Puls wird an die Pulszähleinheit 18 ausgegeben.
Die Konfiguration der oben genannten Grenzerfassungseinheit 17 ist zum Beispiel detailliert in einem Positionserfassungsverfahren bei Verwendung eines in 6.5 in „Practice of Theory and Design an AC Servo System”, Sougosyuppansha, gezeigten inkrementellen Impulsgeber gezeigt.
Die Pulszähleinheit 18 ist für 2 Bits ausgelegt und ist derart konfiguriert, dass, wenn ein + Puls von der. Grenzerfassungseinheit 17 ausgegeben wird, deren Zählwert durch +1 aktualisiert wird, und, wenn ein –Puls von der Grenzerfassungseinheit 17 ausgegeben wird, deren Zählwert durch –1 aktualisiert wird. Der Zählwert wird an die Vielfachrotation-Verarbeitungsschaltung 20 als ein Rotationszahl-Identifikationssignal ausgegeben.
Die Vielfachrotation-Verarbeitungsschaltung 20 ist derart konfiguriert, dass ein Prozess, wie zum Beispiel in <Tabelle 2> der 7 gezeigt, gemäß des von der Pulszähleinheit 18 ausgegebenen 2-Bit Rotationszahl-Identifikationssignals ausgeführt wird, um (n + 1)-Bit Daten an den DA-Wandler 21 auszugeben, bei denen es sich um ein Vielfachrotations-Positionssignal handelt, entsprechend eines Winkels im Bereich von 0 Grad bis 720 Grad, wobei der DA-Wandler 21 derart konfiguriert ist, dass das digitale Signal in ein analoges Signal gewandelt wird und dieses analoge Signal an ein nicht gezeigtes Ventilsteuersystem ausgegeben wird.
<Tabelle 2> in 7 zeigt eine Beziehung zwischen dem 2-Bit Rotationszahl-Identifikationssignal, welches durch die Pulszähleinheit 18 ausgegeben wird, und dem Prozess zum Berechnen des Rotationswinkels θ (Änderung von ±360 Grad des Eine-Umdrehung-Winkel-Signals) durch die Vielfachrotation-Verarbeitungsschaltung 20.
Die Tabelle zeigt, dass, wenn das von der Pulszähleinheit 18 ausgegebene Rotationszahl-Identifikationssignal „0” ist, die Vielfachrotations-Verarbeitungsschaltung 20 den von der Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19 ausgegebenen Rotationswinkel θ an den DA-Wandler 21 so wie er ist ausgibt, wenn das von der Pulszähleinheit 18 ausgegebene Rotationszahl-Identifikationssignal „1” ist, die Vielfachrotations-Verarbeitungsschaltung 20 zu dem von der Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19 ausgegebenen Rotationswinkel θ 360 Grad addiert und das Additionsresultat an den DA-Wandler 21 ausgibt, und wenn das von der Pulszähleinheit 18 ausgegebene Rotationszahl-Identifikationssignal „2” ist, die Vielfachrotations-Verarbeitungsschaltung 20 zu dem von der Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 19 ausgegebenen Rotationswinkel θ 720 Grad addiert und das Additionsresultat an den DA-Wandler 21 ausgibt.
Unter der Annahme, dass der gesamte Bereich der offenen oder geschlossenen Position des Ventils während zweier Umdrehungen (720 Grad) überwacht wird, führt in dieser Ausführungsform, wenn das von der Pulszähleinheit 18 ausgegebene Rotationszahl-Identifikationssignal „3” ist, die Vielfachrotations-Verarbeitungsschaltung 20 keine Aktualisierung des Rotationswinkels θ durch, der durch die Rotationswinkel-Berechnungseinheit 19 ausgegeben wurde. In einem Fall, bei dem der gesamte Bereich der offenen oder geschlossenen Position des Ventils während sechs Umdrehungen überwacht wird, wird ein Drei-Bit Signal als Rotationszahl-Identifikationssignal benötigt. Im Übrigen kann diese Bitzahl willkürlich eingestellt werden.
Wie vorher beschrieben, erfasst in der oben genannten Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die arithmetische Verarbeitungseinrichtung eine Veränderung eines Rotationswinkels einer oder mehrerer Umdrehungen aus der Richtungsänderung des Vorzeichens eines der Sensorausgabesignale und des Vorzeichens des anderen der Sensorausgabesignale, und erzeugt eine Vielfachrotations-Winkelinformation aus der Information der erfassten Veränderung der Rotationswinkel einer oder mehrerer Umdrehungen und eine Rotationswinkelinformation einer Umdrehung, die aus den Sensorausgabesignalen berechnet wird. Die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung kann die arithmetische Operation zum Berechnen eines Rotationswinkels vielfacher Umdrehungen durch bloße Verwendung einfacher Hardware einschließlich einer Computereinheit ausführen, ohne eine Schaltung im großen Maßstab, wie zum Beispiel eine CPU (Central Processing Unit bzw. Zentrale Verarbeitungseinheit). Daher kann die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung einen Rotationswinkel bei vielfachen Rotationen erfassen, unter Verwendung eines Rotationswinkelsensors, der eine Umdrehung erfassen kann, während sie mit einer reduzierten Größe und durch geringe Kosten konfiguriert ist.
Darüber hinaus wird im Folgenden ein Verfahren zur Vereinfachung der in 4 gezeigten Pulszähleinheit 18 in einem speziellen Fall beschrieben, bei dem der Rotationsbereich zwei Umdrehungen nicht überschreitet. In der in 2(b) gezeigten Anordnung gibt es frei Zeitpunkte, bei denen Vx einen + Wert aufweist und Vy ansteigt: 0 Grad, 360 Grad und 720 Grad, und die Pulszähleinheit 18 arbeitet bei jedem dieser Zeitpunkte. In dem Fall, dass der Rotationsbereich zwei Umdrehungen nicht überschreitet, kann jedoch dadurch, dass die Pulszähleinheit nur bei der Position 360 Grad arbeitet, nur eine binäre Information bereitgestellt werden, die in Tabelle 2 entweder 360 Grad oder weniger oder 360 Grad oder mehr anzeigt, so dass die Pulszähleinheit nur durch 1 Bit ausgebildet sein kann. In diesem Fall wird ein Startpunkt als eine Position definiert, die von der Anfangsposition des vollen Hubs um δ1 nach vorn verschoben ist, und ein Endpunkt wird als eine Position definiert, die von der 720 Grad Position um δ2 zurück verschoben ist, wie in 2(b) gezeigt, so dass der Start- und Endpunkt von deren Anfangspositionen um sehr kleine Beträge verschoben sind. δ1 und δ2 haben beide einen Wert, der gleich oder größer als ein Erfassungsfehlerbereich der Rotationserfassungseinrichtungen sind, und der, im Fall, dass die Rotationserfassungseinrichtungen einfache Sensoren sind, typischerweise gleich oder größer als einige Grad sind.
Durch das Einstellen der Start- und Endpunkte auf diese Art tritt ein Zeitpunkt, bei dem Vx einen + Wert aufweist und Vy ansteigt, nur einmal in dem Hubbereich von 720 Grad – (δ1 + δ2) auf. Daher weist das in Tabelle 2 gezeigte Rotationszahl-Identifikationssignal nur einen Wert von 0 oder 1 auf, und die Anzahl verarbeiteter Bits der Pulszähleinheit 18 und der Vielfachrotations-Verarbeitungsschaltung können auf 1 Bit reduziert werden. Dadurch entsteht durch die Vereinfachung der gesamten Vorrichtung ein Vorteil.
Ausführungsform 2
8 ist ein Blockdiagramm zur Ansicht der Konfiguration interner Schaltungen einer Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 gezeigt wird die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung mit AD (Analog Digital) Wandlern 31 und 32, Korrekturbetriebseinheiten 33 und 34, einem Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 35, einer AB-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36, einer Impulsgeberzähleinheit 37 und einem DA-Wandler 38 bereitgestellt.
Die oben genannten Konfigurationsblöcke 31 bis 38 arbeiten kooperativ miteinander, um als eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen von Signalen zweier Phasen zu funktionieren, wobei jede eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro einzelner Umdrehung aufweist und die zwei Phasensignale gegeneinander phasenverschoben sind, aus einer Rotationswinkelinformation über eine Umdrehung, die aus zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Ausgabesignalen berechnet wird, und zum Erhöhen oder Verringern der Anzahl, wie oft die oben genannten Signale der zwei Phasen sich gemäß der Richtungsänderung in den Signalen und den Stärken der Signale verändert haben. Eine detaillierte Beschreibung des Betriebs erfolgt im Folgenden.
9 und 10 sind Zeitablaufdiagramme zur Ansicht des Betriebs der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung im Fall einer normalen Rotation bzw. im Fall einer entgegengesetzten Rotation. In den 9 und 10 sind die Wellenformen der Signale mit den gleichen, in 8 gezeigten Namen gleich denen, die in 8 gezeigt werden, und (a) zeigt einen Rotationswinkel θ, (b) zeigt ein X-Komponentensignal, (c) zeigt ein Y-Komponentensignal, (d) zeigt eine Ausgabe θ der Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit, (e) zeigt Pulse der Phase A und (f) zeigt Pulse der Phase B.
Im Folgenden wird der Betrieb der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, wie in 8 gezeigt, detailliert mit Bezug auf die Zeitablaufdiagramme der 9 und 10 beschrieben.
Zuerst werden analoge Signale Vx und Vy, bei denen es sich um die zwei Sinuswellen-Sensorsignale handelt, die durch Hall-Sensoren 2 und 3 ausgegeben werden, durch die AD (Analog Digital) Wandler 31 bzw. 32 in digitale Signale gewandelt, und an die Korrekturbetriebseinheiten 33 bzw. 34 ausgegeben. Die Korrekturbetriebseinheiten 33 und 34 führen Korrekturen in Bezug auf Amplitude und Offset an jeweils zu korrigierenden Teilen der digitalen Signale durch, und liefert das korrigierte digitale Signal an die Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 35, wobei die Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinheit 35 eine Berechnung einer Rotationswinkels während einer Umdrehung ausführt und den Rotationswinkel θ (ein n-Bit digitaler Wert) ausgibt. Da deren Prozesse gleich denen einer herkömmlichen Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung sind, wird eine konkrete Beschreibung der Prozesse im Folgenden weggelassen.
Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 digitale Signale der Phase A und Phase B erzeugt und ausgibt, die einer Umdrehung und 1/n (n ist eine willkürliche ganze Zahl) des oben genannten Rotationswinkels θ entsprechen, und die gegeneinander phasenverschoben sind.
Die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 umfasst zum Beispiel einen Drehimpulsgeber zum Ausgeben von gegeneinander phasenverschoben Pulsen gemäß der Rotationsrichtung. Der Drehimpulsgeber erzeugt Pulse, deren Anzahl sich in Abhängigkeit von seiner Auflösung unterscheidet, jedes Mal, wenn seine Motorwelle um eine feste Größe rotiert, und eine Information darüber, um wie viel Grad sich die Welle bewegt hat, und wie viele Rotationen die Welle durchgeführt hat, kann durch Zählen der Pulse angezeigt werden. Da die Richtung der Rotation jedoch nicht aus der Information bestimmt werden kann, gibt die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit Pulse zweier Phasen aus.
Wenn zum Beispiel die Welle im Uhrzeigersinn rotiert, gibt die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit zuerst Pulse einer Phase A aus, und gibt dann Pulse der Phase B aus, während die Pulse der Phase A ausgegeben werden. Im Gegensatz dazu gibt, wenn die Welle entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert, die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit zuerst Pulse der Phase B aus, und gibt dann Pulse der Phase A aus, während die Pulse der Phase B ausgegeben werden. Genauer kann eine Information darüber, in welche Richtung die Welle rotiert und über die Größe, viel die Welle rotiert ist unter Verwendung dieser Beziehungen angezeigt werden.
Die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 erzeugt die Signale zweier Phasen, wobei jede eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Umdrehung aufweist und die Signale der zwei Phasen gegeneinander phasenverschoben sind, aus der Rotationswinkelinformaton über eine Rotation, die aus den zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen berechnet wird. Die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 umfasst einen ROM (Read Only Memory bzw. Festwertspeicher) oder eine einfache festverdrahtete logische Einheit, die in 11 als ein Beispiel gezeigt ist.
Die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 erzeugt zum Beispiel, wie in 11 gezeigt, binäre digitale Signale aus zwei willkürlich zusammenhängenden Bitsignalen (in diesem Fall ein Dm Bitsignal und ein Dm + 1 Bitsignal) der Rotationswinkelinformation über eine Umdrehung, die von der Eine-Umdrehung-Winkel-Berechnungseinrichtung 35 ausgegeben wird, und gibt die binären digitalen Signale an die Impulsgeberzähleinheit 37 aus. In diesem Fall implementiert die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 eine exklusive ODER Operation in dem Dm Bitsignal und dem Dm + 1 Bitsignal, zur Erzeugung und Ausgabe des Signals der Phase A an die Impulsgeberzähleinheit 37 unter Verwendung eines XOR-Gate 39, und gibt das Dm + 1 Bitsignal als das Signal der Phase B an die Impulsgeberzähleinheit 37 aus.
Die Pulse der zwei Phasen, die durch die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 erzeugt und ausgegeben werden, werden durch die Impulsgeberzähleinheit 37 gezählt. Die Impulsgeberzähleinheit 37 erhöht oder verringert die Anzahl, wie oft die oben genannten Signale zweier Phasen verändert wurden, gemäß der Richtungsänderungen in den Signalen der durch die A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 erzeugt und ausgegebenen zwei Phasen und der Stärke der Signale, um eine Vielfachrotations-Winkelinformation zu erzeugen. Ein konkretes Beispiel des Prozesses wird im Folgenden beschrieben.
Eine Beziehung zwischen den Veränderungen der Signale der Phase A und Phase B und Veränderungen in dem Zählwert, der durch die Impulsgeberzähleinheit 37 im Fall einer normalen Rotation und in dem Fall einer entgegengesetzten Rotation gezählt wird, werden in 12 bzw. 13 gezeigt. In beiden 12 und 13 zeigt (a) die Form eines Pulses der Phase A und der Phase B und (b) zeigt Zählbedingungen zu dieser Zeit.
In einem Fall, bei dem die Impulsgeberzähleinheit 37 jedes Mal aktualisiert (hochgezählt) wird, wenn ein Puls der Phase A oder ein Puls der Phase B sich in dem Fall der normalen Rotation ändert, wie in 12(a) gezeigt, ändert sich zum Beispiel der Puls der Phase A von „Niedrig” zu „Hoch” und der Puls der Phase B ist auf einer Stufe „Niedrig” am Punkt α, und der Puls der Phase A ist auf einer Stufe „Hoch” und der Puls der Phase B ändert sich am Punkt β von „Niedrig” zu „Hoch”, wie in 12(b) gezeigt. Darüber hinaus ändert sich am Punkt γ der Puls der Phase A von „Hoch” zu „Niedrig” und der Puls der Phase B ist auf Stufe „Hoch”, und am Punkt δ der Puls der Phase A ist auf der Stufe „Niedrig” und der Puls der Phase B ändert sich von „Hoch” nach „Niedrig”.
Wie in den 13(a) und 13(b) gezeigt wird auch im Fall der entgegengesetzten Rotation die Impulsgeberzähleinheit 37 aktualisiert (heruntergezählt), jedes Mal, wie von α bis δ gezeigt, wenn sich ein Puls der Phase A oder ein Puls der Phase B ändert.
Die Impulsgeberzähleinheit 37 zählt die oben genannten Signale, die von der A/B-Phasensignal-Erzeugungseinheit 36 ausgegeben werden, um (n + 2)-Bit-Daten zu erzeugen, die einem Bereich von 0 Grad bis 720 Grad entsprechen. Die Impulsgeberzähleinheit 37 ist derart konfiguriert, dass diese Daten an den DA-Wandler 36 ausgegeben werden, wie die Vielfachrotations-Verarbeitungseinheit der Ausführungsform 1, und der DA-Wandler ist derart konfiguriert, dass die Daten in ein analoges Signal gewandelt werden und dieses Signal an ein nicht gezeigtes Ventilsteuersystem geliefert werden.
Wie oben erwähnt, erzeugt die arithmetische Steuereinrichtung Signale zweier untereinander phasenverschobener Phasen A und B aus dem Rotationswinkel θ und zählt die Signale unter Verwendung der Impulsgeberzähleinheit 37. Daher kann die arithmetische Steuereinrichtung einen Winkelerfassungsprozess durchführen zum Erfassen vielfacher Rotationen von 360 Grad oder mehr, und kann auch eine ursprüngliche Position willkürlich einstellen, durch ein Zurückstellen der Impulsgeberzähleinheit 37 gemäß eines externen Signals, welches durch eine Schalteroperation oder dergleichen erzeugt wird. Als Ergebnis besteht kein Bedarf daran, die ursprüngliche Position unter Verwendung eines Softwareprogramms oder dergleichen besonders zu speichern, und dies kann zu einer Vereinfachung der Softwareverarbeitung beitragen.
Wie oben beschrieben erzeugt in der oben genannten Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung die arithmetische Verarbeitungseinheit Signale zweier Phasen, wobei jede eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Rotation aufweisen und die Signale zweier Phasen gegeneinander phasenverschoben sind, aus einer Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen berechnet wird, und zum Erhöhen oder Verringern der Anzahl, wie oft die oben genannten Signale der zwei Phasen sich geändert haben, gemäß den Richtungsänderungen in den Signalen und der Stärke der Signale. Die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung kann die arithmetische Operation zum Berechnen eines Rotationswinkel vielfacher Rotationen ausführen, unter bloßer Verwendung einfacher Hardware einschließlich einer Berechnungseinheit, ohne eine Schaltung im großen Maßstab, wie zum Beispiel eine CPU. Daher kann die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung einen Rotationswinkel vielfacher Rotationen erfassen, durch Verwenden eines Rotationswinkelsensors, der eine Rotation erfassen kann, während er in seiner Größe reduziert und bei geringen Kosten konfiguriert ist.
Da darüber hinaus die arithmetische Verarbeitungseinrichtung binäre digitale Signale als die Signale von zwei Phasen definiert, die aus der Rotationswinkelinformation über eine Umdrehung erzeugt werden, wobei jedes der Signale eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Umdrehung aufweist und die Signale gegeneinander phasenverschoben sind, und ferner die binären digitalen Signale aus zwei willkürlich aufeinander folgenden Bitsignalen der Rotationswinkelinformation über eine Umdrehung erzeugt, kann die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung die Erfassung des einen Rotationswinkelsignals θ und der anschließenden Prozesse unter Verwendung von nur digitalen Daten ausführen. Als Ergebnis wird die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung widerstandsfähig gegen Rauschen und weißt eine geringe Wahrscheinlichkeit fehlerhafte Erfassungen auf Grund von Signalrauschen auf.
Industrielle Anwendbarkeit
Um eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung bereitzustellen, die unter Verwendung eines Rotationswinkelsensors, der eine Umdrehung erfassen kann, leicht einen Rotationswinkel vielfacher Rotationen mit einem hohen Grad an Genauigkeit erfassen kann, ist die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung wie oben genannt derart ausgebildet, dass sie entweder eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung umfasst, zum Erfassen einer Änderung des Rotationswinkels einer oder mehrerer Umdrehungen aus der Richtungsänderung des Vorzeichens eines der gegeneinander phasenverschobenen Sensorausgabesignale und des Vorzeichens des anderen der zwei Sensorausgabesignale, und zum Erzeugen einer Vielfachrotations-Winkelinformation aus einer Information über die oben genannte Änderung des Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen und einer Rotationswinkelinformation über eine Umdrehung, die aus den oben genannten Sensorausgabesignalen berechnet wird, oder eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen von Signalen zweier Phasen, wobei jede eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Umdrehung aufweist und die Signale der zwei Phasen gegeneinander phasenverschoben sind, aus einer Rotationswinkelinformation über eine Umdrehung, die aus zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen berechnet werden, und zum Erhöhen oder Verringern der Anzahl, wie oft die oben genanten Signale zweier Phasen sich entsprechend der Richtungsänderungen in den oben genanten Signalen und den Stärken der Signale geändert haben. Daher ist die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung zur Verwendung als eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung geeignet, die einen Rotationswinkel vielfacher Rotationen erfassen kann, während sie mit einer reduzierten Größe und bei geringen Kosten konfiguriert ist, oder als eine Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung mit einer geringen Wahrscheinlichkeit für eine fehlerhafte Erfassung auf Grund des Signalrauschen.

Claims

Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung zum Bestimmen eines Rotationswinkels unter Verwendung eines Vektors aus zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen, wobei die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung umfasst: eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung zum Erfassen einer Änderung eines Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen aus einer Richtungsänderung eines Vorzeichens eines der zwei Sensorausgabesignale und eines Vorzeichens des anderen der zwei Sensorausgabesignale, und zum Erzeugen einer Vielfachrotations-Winkelinformation aus einer Information über die erfasste Änderung des Rotationswinkels einer oder mehrerer Rotationen und einer Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus den Sensorausgabesignalen berechnet wird, wobei, wenn ein Bereich von einem Startpunkt eines Betriebsbereichs zu einem Endpunkt des Betriebsbereichs als ein Rotationswinkel-Vollhub θ definiert ist, die arithmetische Verarbeitungseinrichtung die Vielfachrotations-Winkelinformation durch Definieren einer Position erzeugt, die von 0 Grad um δ1 nach vorn verschoben ist als ein Startpunkt der Anordnung von Absolutwertausgaben der Sensorsignale, und auch durch Definieren einer Position, die von 720 Grad um δ2 zurück verschoben ist als ein Endpunkt der Anordnung, wobei δ1 und δ2 auf einen Wert eingestellt werden, der gleich oder größer als ein Rotationserfassungs-Fehlerbereich ist, und gleichzeitig für θ die Beziehung θ < 720 Grad – (δ1 + δ2) erfüllt ist.
Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die arithmetische Verarbeitungseinrichtung die Sensorausgabesignale in digitale Werte wandelt, die Signale vergleicht, deren Amplitude und Offset mit einem voreingestellten Null-Referenzwert korrigiert werden, um eine Grenzerfassung auszuführen, einen Puls zählt, der auf Basis von Bedingungen einer normalen oder entgegengesetzten Rotation in n Rotationen (n ist eine willkürliche ganze Zahl) ausgegeben wird, um den Puls als ein Rotationszahl-Identifikationssignal zu verwenden, und die Vielfachrotations-Winkelinformation erzeugt, durch Kombinieren mit der Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus den Sensorausgabesignalen berechnet wird.
Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung zum Bestimmen eines Rotationswinkels unter Verwendung eines Vektors aus zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen, wobei die Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung umfasst: eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen von Signalen zweier Phasen, wobei jede eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Rotation aufweist und die Signale zweier Phasen gegeneinander phasenverschoben sind, aus einer Rotationswinkelinformation über eine Rotation, die aus den zwei gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellen-Sensorausgabesignalen berechnet wird, und zum Erhöhen oder Verringern einer Anzahl, wie oft sich die Signale zweier Phasen gemäß einer Richtungsänderung in den Signalen und den Stärken der Signalen ändert, wobei die arithmetische Verarbeitungseinrichtung das binäre digitale Signal aus zwei willkürlich zusammenhängenden Bitsignalen der Rotationswinkelinformation über eine Rotation erzeugt.
Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die arithmetische Verarbeitungseinrichtung binäre digitale Signale als die Signale zweier Phasen definiert, welche aus der Rotationswinkelinformation über eine Rotation erzeugt werden, wobei jedes der Signale eine willkürliche Anzahl von Teilungen pro eine Rotation aufweist und die Signale gegeneinander phasenverschoben sind.
Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die arithmetische Verarbeitungseinrichtung gemäß einem Resetsignal, welches von außerhalb der Rotationswinkel-Erfassungsvorrichtung dazu bereitgestellt wird, eine ursprüngliche Position willkürlich einstellt.