DE19548385A1 - Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehachse eines Gegenstandes durch einen Rechner - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehachse eines Gegenstandes durch einen Rechner

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem es möglich ist, aus zwei von zwei Richtungssensoren gelieferten sinusförmigen Signalen eine absolute Winkelposition einer Drehachse zu er­ mitteln, dessen Wert zwischen 0° und 360° liegt.
Hierbei sind die Richtungssensoren derart ausgestaltet, daß sie jeweils als Ausgangssignal abhängig von der Winkelpositi­ on der zu bewertenden Drehachse ein sinusförmiges Signal auf­ weisen.
Die Bestimmung einer Winkelposition an der Drehachse ist in vielen technischen Anwendungsgebieten von großer Bedeutung.
Bei spiele für Anwendungsgebiete liegen in dem Automobilbe­ reich, bei dem es zum Beispiel nötig ist, die Position der Kurbelwelle oder auch der Nockenwelle, weiterhin die Position des Getriebes zu messen oder auch ein kontaktloses Potentio­ meter zu verwirklichen.
Die Bestimmung von einer Winkelposition einer Drehachse eines Gegenstandes ist jedoch auch in anderen technischen Gebieten von erheblicher Bedeutung, so auch in dem Bereich von Werk­ zeugmaschinen.
Weiterhin ist dieses Verfahren in allen technischen Gebieten anwendbar, in denen es gilt, eine Winkelposition einer Dreh­ achse eines Gegenstandes zu messen.
Aus [1] ist eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur bei Positi­ onsmeßsystemen bekannt. Hierbei wird zur Messung der Rela­ tivlage zweier Objekte die Teilung eines Maßstabes, der mit einem Objekt verbunden ist von einer Abtasteinheit abgeta­ stet, die mit dem anderen Objekt verbunden ist. Dabei werden Korrekturspuren auf einer magnetischen Folie aufgetragen. Weiterhin werden in dieser Einrichtung Hallelemente einge­ setzt.
Diese Einrichtung bedeutet zusätzlich zu den ohnehin nötigen Richtungssensoren einen erheblichen zusätzlichen Aufwand durch zusätzliche Korrekturspuren sowie die Hallelemente.
Weiterhin wird bei dem in der bekannten Einrichtung durchge­ führten Meßverfahren das von dem Richtungssensor gelieferte Sinus-Cosinussignal in ein digitales Signal umgewandelt. Dies erfolgt mehrere tausend Mal pro Umdrehung.
Dieses ist für den Fall, daß man nur eine Periode über 360° vermessen will, nicht einsetzbar.
Das gleiche gilt für die bekannte magnetische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung, die in [2] beschrieben ist.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehachse eines Ge­ genstandes durch einen Rechner anzugeben, welches die im vo­ rigen genannten Nachteile der bekannten Meßeinrichtungen ver­ meidet.
Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Hierbei werden zwei voneinander phasenverschobene sinusförmi­ ge Signale von zwei um etwa 90° versetzte, nebeneinander an­ geordnete Richtungssensoren ausgewertet.
Damit ergibt sich auch für die Phasenverschiebung der zwei von den Richtungssensoren gemessenen sinusförmigen Signale eine Verschiebung von etwa 90°.
Diese zwei sinusförmigen Signalverläufe werden innerhalb ei­ ner Periode von 0 bis 360° weiter verarbeitet.
Das gesamte Intervall von 0° bis 360° wird nun in mindestens vier Bereiche aufgeteilt, in denen jeweils einer der beiden sinusförmigen Signalverläufe als näherungsweise linear be­ trachtet wird.
Abhängig von den Amplitudenwerten der beiden sinusförmigen Signalverläufe für eine zu bestimmende Winkelposition der Drehachse des Gegenstandes wird nun ein relativer Winkel in einem der mindestens vier Bereiche ermittelt.
Dies erfolgt durch Phasenanpassung und Betragsanpassung einer zuvor ermittelten und gespeicherten Umkehrfunktion eines all­ gemeinen sinusförmigen Signals. Aus dem relativen Winkel wird unter Berücksichtigung des gewählten Bereichs nunmehr in ei­ nem letzten Schritt die absolute Winkelposition der Drehachse ermittelt.
Der erhebliche Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß eine einmalige Ermittlung der Werte einer Umkehrfunktion nur eines Teils eines allgemeinen sinusförmigen Signals, nämlich einem näherungsweise linearen Teilbereich des sinusförmigen Signals entsprechend den gewählten Bereichen, ausreicht.
Es ist vorteilhaft, eine obere Schranke sowie eine untere Schranke aus den Schnittpunkten der beiden phasenverschobenen sinusförmigen Signale zu bestimmen. Der jeweilige Bereich, der als Angabe zur entsprechenden Phasen- und Betragsanpas­ sung verwendet wird, ergibt sich dann aus der einfachen Ab­ frage, ob jeweils ein erstes sinusförmiges Signal oder ein zweites sinusförmiges Signal über einer oberen Schranke oder unter der unteren Schranke liegt.
Die Ermittlung des absoluten Winkels erfolgt nun ausgehend von den nur einmal zuvor ermittelten Werten der Umkehrfunkti­ on. Es ist nicht nötig, bei jeder Bestimmung der Winkelposi­ tion aufs neue die Umkehrfunktionen der von den Richtungssen­ soren gelieferten sinusförmigen Signale jeweils neu zu ermit­ teln. Dies spart erheblich die benötigte Rechenzeit bei dem durch den Rechner ausgeführten Verfahren sowie erheblichen Speicherplatzbedarf, da ja auch nur ein Teil einer Umkehr­ funktion eines allgemeinen sinusförmigen Signalverlaufs ge­ speichert werden muß.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter verein­ facht und damit der Rechenzeitbedarf weiter reduziert.
Es ist vorteilhaft, feste, einfache Kriterien zur Auswahl des jeweiligen Bereichs abhängig von dem aktuellen Wert des er­ sten sinusförmigen Signals und des zweiten sinusförmigen Si­ gnals zu verwenden. Durch diese Vorgehensweise wird der Re­ chenzeitbedarf zur Durchführung des Verfahrens weiter redu­ ziert.
Ferner ist es vorteilhaft, die Umkehrfunktion des mindestens einen näherungsweise linearen Teils eines allgemeinen sinus­ förmigen Signals durch Summenbildung von tangential an den jeweiligen Kurvenpunkt gelegten Geradengleichungen zu bestim­ men.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Umkehrfunktion durch Be­ rechnung einzelner Werte zu ermitteln und die ermittelten Werte in Tabellenform zu speichern. Durch Bildung dieser "Look-up-Table" wird eine erhebliche Reduktion des Rechen­ zeitbedarfs erreicht.
Sind anwendungstypische Abweichungen der von den Richtungs­ sensoren real gelieferten sinusförmigen Signale bekannt, ist es vorteilhaft, diese schon bei der Ermittlung der Umkehr­ funktion zu berücksichtigen und zu kompensieren.
Es ist möglich, daß der Rechner, bei einem einmaligen Umlauf der Winkelposition von 0°-360°, sich die Kriterien zur Bil­ dung der Bereiche und die Parameter der Umkehrfunktion selbst ausmißt, und sich somit selbst kalibriert.
Um negative Werte bei der Ermittlung der Winkelposition zu vermeiden ist es weiterhin vorteilhaft, zu der Umkehrfunktion einen Offsetwert zu addieren, der später bei der Berechnung des absoluten Winkels ρabs wieder berücksichtigt wird.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens ist eine Tempera­ turkompensation, die für die einzelnen Richtungssensoren durchgeführt wird, vorteilhaft.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der gelieferten Ergebnisse ist es vorteilhaft, das erste sinusförmige Signal und/oder das zweite sinusförmige Signal vor der Durchführung des Verfah­ rens zu verstärken.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Skizze, in der das Funktionsprinzip eines Rich­ tungssensors, der als GMR-Sensor realisiert ist, dargestellt ist;
Fig. 2 eine prinzipielle Anordnung einer Welle mit einem an der Welle montierten Permanentmagneten und einem gekreuzten Richtungssensorpaar, mit der die Winkelposition der Welle be­ stimmt wird;
Fig. 3 eine Skizze in der über einen Winkelbereich eines Winkels ϕ von 0° bis 360° die Amplituden AW des ersten sinus­ förmigen Signals und des zweiten sinusförmigen Signals darge­ stellt sind;
Fig. 4 eine Skizze, in der die Einteilung des gesamten Win­ kelbereichs von 360° in in diesem Fall vier Bereiche, in denen jeweils ein Teil des ersten sinusförmigen Signals oder des zweiten sinusförmigen Signals als näherungsweise linear ange­ sehen wird;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, in dem einzelne Verfahrensschrit­ te des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind;
Fig. 6 ein Blockschaltbild, in der die gesamte Meßanordnung, im Rahmen dessen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, dargestellt ist, bestehend aus einem Analogteil, einem Rechner, und einem Ausgang;
Fig. 7 eine Skizze, in der das Prinzip, das dem erfindungs­ gemäßen Verfahren zugrundeliegt, also ein gekreuztes Rich­ tungssensorpaar und ein sich drehender Permanentmagnet darge­ stellt sind;
Fig. 8 zwei Brückenschaltungen, die zur Temperaturkompensa­ tion der gesamten Anordnung beitragen;
Fig. 9 eine Schaltungsanordnung, mit der eine Sensorsignal- Aufbereitung durchgeführt wird.
Anhand der Fig. 1 bis 9 wird die Erfindung weiter erläu­ tert.
In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip eines Richtungssensors dargestellt.
In diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird von einem soge­ nannten Giant-Magneto-Resistiven (GMR) Sensor GMR ausgegan­ gen.
Es kann jedoch jeder Richtungssensor, der ein von der jewei­ ligen Winkelposition der Drehachse eines Gegenstandes G ab­ hängigen sinusförmigen Verlauf als Sensorsignal ausgibt, ver­ wendet werden.
Als Signalgeber ist ein auf dem Gegenstand G, beispielsweise einer drehbaren Welle DW, montierter Permanentmagnet PM vor­ gesehen (vergleiche Fig. 2).
Durch diesen Permanentmagneten PM wird ein Magnetfeld er­ zeugt, welches kontaktlos an den GMR-Sensor GMR ankoppelt.
Der GMR-Sensor GMR weist mindestens drei Schichten auf, eine weichmagnetische Schicht WS mit einer Magnetisierung M1, eine metallische Zwischenschicht MZ, durch die die weichmagneti­ sche Schicht WS und eine im weiteren beschriebene hartmagne­ tische Schicht HS entkoppelt werden, sowie die hartmagneti­ sche Schicht HS mit einer fixierten Magnetisierung M2.
Allgemein weist ein GMR-Sensor eine Widerstandsänderung ΔR/R auf, die proportional ist zu dem Cosinus der Winkeldifferenz α zwischen der Feldrichtung der Magnetisierung M1 der weichmagnetischen Schicht WS und der fixierten Magnetisierung M2 der hartmagnetischen Schicht HS.
Bei einer Drehung des Gegenstands G, also beispielsweise der drehbaren Welle DW um 360° ergibt sich also für die Wider­ standsänderung, die mittels eines Meßstroms MS in dem GMR- Sensor GMR gemessen werden kann, ein cosinusförmiger Signal­ verlauf.
Somit kann mit einem GMR-Sensor ein 180°-Feldrichtungsencoder hergestellt werden, da man allein aus dem absoluten Wider­ standswert nicht feststellen kann, ob man sich auf dem fal­ lenden Ast oder auf dem steigenden Ast der jeweils ermittel­ ten Cosinuskurve befindet.
Um jedoch eine Winkelposition, die sich im Winkelbereich von 0° bis 360° bewegen kann, zu bestimmen, ist es demnach nötig, zwei GMR-Sensoren GMR1, GMR2 zu verwenden, wobei die zwei GMR-Sensoren GMR1, GMR2 um etwa 90° verdreht angeordnet sind. Damit bilden sie ein gekreuztes Richtungssensorpaar GS (vergleiche Fig. 2).
Dieser prinzipielle Aufbau eines Permanentmagneten PM, dessen Magnetfeld auf das gekreuzte Sensorpaar GS wirkt, ist noch einmal, losgelöst von der drehbaren Welle DW, in Fig. 7 dar­ gestellt.
Bei Änderung der relativen Position des Permanentmagneten PM bezüglich des gekreuzten Sensorpaares GS liefern beide GMR- Sensoren GMR1, GMR2 Signalverläufe, die jeweils einen cosi­ nusförmigen bzw. einen sinusförmigen Verlauf aufweisen.
Bei einer Winkeländerung des Permanentmagneten PM von 0° bis 360°, also einer vollen Umdrehung der drehbaren Welle DW ent­ sprechend, liefert ein erster Richtungssensor GMR1 ein erstes sinusförmiges Signal Sig1 und ein zweiter Richtungssensor GMR2 ein zu dem ersten sinusförmigen Signal Sig1 um etwa 90° phasenverschobenes zweites sinusförmiges Signal Sig2.
Ein Beispiel der phasenverschobenen zwei sinusförmigen Si­ gnalverläufe Sig1, Sig2 ist in Fig. 3 dargestellt, wobei je­ weils die Amplitude der sinusförmigen Signale Sig1, Sig2 über einem Winkelbereich von 0° bis 360° aufgetragen ist, wobei die Amplitudenwerte A derart angenommen wurden, daß die Werte der sinusförmigen Signale zwischen 0 und 2 liegen.
Dieser beispielhaft dargestellte Verlauf schränkt die Allge­ meingültigkeit möglicher sinusförmiger Signale in keinster Weise ein.
In diesem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ergibt sich also das erste sinusförmige Signal Sig1 zu:
Sig1 = cos(ϕ - 45°) + 1
und das zweite sinusförmige Signal Sig2 ergibt sich zu:
Sig2 = cos(ϕ + 45°) + 1.
Hierbei bezeichnet ein Positionswinkel ϕ den jeweiligen Win­ kel zwischen der aktuellen Position des Permanentmagneten zu einer vorgebbaren Ruhelage des Permanentmagneten PM.
In Fig. 4 ist nun eine Unterteilung der in Fig. 3 darge­ stellten Sinus-Verläufe in vier Bereiche I, II, III, IV dar­ gestellt, in denen entweder das erste sinusförmige Signal Sig1 oder das zweite sinusförmige Signal Sig2 als näherungs­ weise linear angesehen wird.
Zur Verbesserung der Genauigkeit kann es in einer Weiterbil­ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, das gesamte Intervall von 0° bis 360° in mehr als vier Bereiche zu unterteilen. Dadurch wird die Genauigkeit der linearen Nä­ herung verbessert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Bereiche so einzu­ teilen, daß jeweils die Grenzen der Bereiche durch die Schnittpunkte des ersten sinusförmigen Signals Sig1 mit dem zweiten sinusförmigen Signal Sig2 bestimmt sind.
Dies stellt jedoch keine notwendige Annahme dar. Notwendig ist ausschließlich, daß in den Bereichen ein Ast eines der beiden sinusförmigen Signale Sig1, Sig2 näherungsweise als linear angesehen werden kann.
Für einen der Bereiche wird nun eine Umkehrfunktion eines allgemeinen sinusförmigen Signals ermittelt. Die Ermittlung kann in beliebig genauer Weise entsprechend den Möglichkei­ ten, zum Beispiel der Auflösung des Rechners, erfolgen. Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Umkehrfunktion für den jewei­ ligen Bereich liegt darin, einzelne tangentiale Geradenglei­ chungen für einzelne Punkte auf dem sinusförmigen Verlauf zu­ sammenzusetzen.
Eine alternative Vorgehensweise besteht in der Berechnung einzelner Werte der Umkehrfunktion in dem jeweiligen Bereich und einer Abspeicherung der Werte in einer Tabelle, einer so­ genannten "Look-up"-Tabelle.
Die logischen Entscheidungen wie Einteilung der Quadranten, können auch mit analogen Komparatoren und logischen Gattern durchgeführt werden.
Außerdem können die Umkehrfunktionen der Geradengleichungen analog gebildet werden.
Des weiteren könnte die Look-Up table der Umkehrgeraden auch in einem EPROM gespeichert werden, das seine Adreß-Daten aus einem A/D-Umsetzer erhält. Die Daten, die das EPROM bei Ein­ gabe-A/D-Werten ausgibt, können beliebig programmiert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die ermittelte Umkehrfunk­ tion für den ausgewählten Bereich in einem Speicher eines zur Durchführung des Verfahrens benötigten Rechners, gespeichert.
In Fig. 4 ist weiterhin eine intuitive, sehr einfache Wahl einer oberen Schranke OG und einer unteren Schranke UG, die im weiteren detailliert beschrieben wird, dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich die obere Schranke OG und die untere Schranke UG ebenfalls aus den Schnittpunk­ ten der beiden phasenverschobenen sinusförmigen Signale Sig1 und Sig2.
Es ist jedoch ohne Einschränkung möglich, die obere Schranke OG und die untere Schranke UG anders zu wählen.
Ein prinzipielles Blockschaltbild, in dem die gesamte Netz­ anordnung mit einem Analogteil AT, dem Rechner R sowie einem Ausgang A, beschrieben ist, ist in Fig. 6 dargestellt.
Hierbei sind in dem Analogteil AT ein erster Kanal K1 und ein zweiter Kanal K2 zur Aufnahme von jeweils dem ersten sinus­ förmigen Signal Sig1 und dem zweiten sinusförmigen Signal Sig2 vorgesehen.
In dem Analogteil AT sind einzelne Mittel vorgesehen, mit de­ nen Verbesserungen der durch das Verfahren erzielten Ergeb­ nisse erreicht werden, beispielsweise durch eine Temperatur­ kompensation oder auch durch Verstärkung der einzelnen sinus­ förmigen Signale Sig1, Sig2.
Diese Weiterbildungen werden im weiteren detailliert be­ schrieben.
In dem Rechner R ist ein Analog/Digital-Wandler AD vorgese­ hen. In dem Analog/Digital-Wandler AD wird das von dem Ana­ logteil AT aufbereitete erste sinusförmige Signal Sig1 und das zweite sinusförmige Signal Sig2 in digitale sinusförmige Signale umgesetzt.
Weiterhin ist ein Mittel zur Signalauswertung SA vorgesehen, in dem die hauptsächlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.
Ferner ist ein Mittel zur Signalausgabe PWM einer Ausgangs­ spannung in Form einer Pulsweiten-Modulations-Spannung darge­ stellt. Die pulsweiten-modulierte Spannung wird einem Ausgang A zugeführt, in dem, falls dies erwünscht ist, eine Glättung der pulsweiten-modulierte Spannung durchgeführt wird.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrens­ schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur besseren Übersichtlichkeit wird das erfindungsgemäße Verfahren in die­ sem Ablaufdiagramm jedoch schon für die einzelnen Spezialfäl­ le des Ausführungsbeispiels dargestellt.
Dies schränkt jedoch in keinster Weise die Allgemeingültig­ keit des erfindungsgemäßen Verfahrens ein, wie für den Fach­ mann sofort ersichtlich ist.
Für eine zu bestimmende Winkelposition der drehbaren Welle DW wird für die jeweilige Position der Amplitudenwert des ersten sinusförmigen Signals Sig1 und der Amplitudenwert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 von dem ersten Richtungssensor GMR1 und dem zweiten Richtungssensor GMR2 gemessen.
In einem ersten Schritt 501 wird nun geprüft, ob der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 größer ist als die obere Schranke OG.
Ist dies der Fall, befindet sich der Winkel somit im ersten Bereich I (vergleiche Fig. 4) und zur weiteren Ermittlung der Winkelposition wird der Amplitudenwert des ersten sinus­ förmigen Signals Sig1 verwendet 502.
In einem weiteren Schritt 503 wird ein relativer Winkel ϕrel mit Hilfe der gespeicherten Umkehrfunktion ermittelt. Die Er­ mittlung erfolgt auf folgende Weise aus dem Amplitudenwert Ampl(Sig1) des ersten sinusförmigen Signals Sig1:
ϕrel = arcsin(Ampl(Sig1) - 1) + 45° + offset
In einem letzten Schritt 504 wird nun ein absoluter Winkel ϕabs aus dem relativen Winkel ϕrel bestimmt. Hierzu wird folgende Formel verwendet:
ϕabs = 90° - ϕrel + offset
Die Addition eines Offsets kann vorteilhaft sein zur Vermei­ dung des Auftretens negativer Werte während der Ermittlung der Winkelposition, also des absoluten Winkels ϕabs ist je­ doch nicht notwendig für das erfindungsgemäße Verfahren.
Ist jedoch der Wert des zweiten Signals Sig2 nicht größer als die obere Schranke OG, wird nun geprüft, ob der Wert des er­ sten sinusförmigen Signals Sig1 kleiner ist als die untere Schranke UG 511.
Ist dies der Fall, befindet sich in diesem speziellen Ausfüh­ rungsbeispiel also der Winkel im zweiten Bereich II (vergleiche Fig. 4). Also wird zur weiteren Berechnung der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 verwendet 512.
Entsprechend der im vorigen beschriebenen Vorgehensweise wird wiederum aus dem Amplitudenwert Ampl(Sig2) des zweiten sinus­ förmigen Signals Sig2 mit Hilfe der Umkehrfunktion der rela­ tive Winkel ϕrel nach folgender Vorschrift ermittelt 513:
ϕrel = arcsin(Ampl(Sig2) - 1) + 45° + offset
Aus dem relativen Winkel ϕrel wird nunmehr nach folgender Vorschrift der absolute Winkel ϕabs für diesen Fall be­ stimmt 514.
ϕabs = 180° - ϕrel + offset
Ist jedoch der Amplitudenwert Ampl(Sig1) des ersten sinusför­ migen Signals Sig1 nicht kleiner als die untere Schranke UG, so wird geprüft, ob der Amplitudenwert Ampl(Sig2) des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 kleiner ist als die untere Schran­ ke UG 521.
Ist dies der Fall, befindet sich der Winkel im dritten Be­ reich III (vergleiche Fig. 4) und zur weiteren Ermittlung der Winkelposition wird der Amplitudenwert Ampl(Sig1) des er­ sten sinusförmigen Signals Sig1 verwendet 522.
Wiederum wird mit Hilfe der gespeicherten Umkehrfunktion der relative Winkel ϕrel bestimmt, diesmal nach der folgenden Vorschrift 523:
ϕrel = arcsin(Ampl(Sig1) - 1) + 45° + offset
Aus dem relativen Winkel ϕrel wird wiederum der absolute Win­ kel ermittelt 524:
ϕabs = 180° + ϕrel + offset
Ist jedoch der Wert des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 nicht kleiner als die untere Schranke UG, so wird ferner ge­ prüft, ob der Wert Ampl(Sig1) des ersten sinusförmigen Si­ gnals Sig1 größer ist als die obere Schranke OG 531.
Ist dies der Fall, befindet sich der Winkel also im vierten Bereich IV (vergleiche Fig. 4) und zur weiteren Ermittlung der Winkelposition wird der Wert des zweiten sinus­ förmigen Signals Sig2 verwendet 532.
Auch hier wird der relative Winkel ϕrel mittels der Umkehr­ funktion bestimmt 533. Dies geschieht für diesen Fall auf folgende Weise:
ϕrel = arcsin(Ampl(Sig2) - 1) + 45° + offset
Aus dem relativen Winkel ϕrel wird der absolute Winkel ϕabs ermittelt 534. Dies erfolgt nach der Vorschrift:
ϕabs = 270° + ϕrel + offset
Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, daß jeweils zur Be­ rechnung des relativen Winkels ϕrel abhängig von den Werten des ersten sinusförmigen Signals Sig1 und des zweiten sinus­ förmigen Signals Sig2 eine Betragsanpassung und eine Phasen­ anpassung für die einmal ermittelte Umkehrfunktion, die ja sogar nur für einen Teilbereich eines allgemeinen sinusförmi­ gen Signals bestimmt werden mußte, erfolgt.
Auch die Ermittlung des absoluten Winkels ϕabs erfolgt ledig­ lich unter Berücksichtigung des jeweiligen Bereichs, in dem sich der Winkel, wie sich durch die Werte des ersten sinus­ förmigen Signals Sig1 und des zweiten sinusförmigen Signals Sig2 ergibt, befindet.
Die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens können durch eine der im folgenden beschriebenen Weiterbildungen noch ver­ bessert werden.
In Fig. 8 sind hierfür zwei um etwa 90° verdrehte Brücken­ schaltungen dargestellt in der die zwei Richtungssensoren GMR1, GMR2 in Form einer Voll-Brücke verschaltet sind. Da­ durch wird eine Temperaturkompensation des Grundwiderstandes der Richtungssensoren GMR1, GMR2 erreicht. Aufgrund von Tole­ ranzen des Grundwiderstandes der einzelnen Richtungssensoren GMR1, GMR2 kann das Ausgangssignal von einer Offsetspannung überlagert werden, deren Temperaturgang jedoch vernachlässig­ bar ist.
Durch die Verschaltung der beiden Richtungssensoren GMR1 und GMR2 in Form einer Voll-Brücke wird also eine Temperaturkom­ pensation des Grundwiderstandes der Richtungssensoren GMR1, GMR2 erzielt.
In Fig. 9 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit der eine Aufbereitung der gelieferten Sensorsignale erzielt wird. Ein an den Voll-Brücken abgreifbares Spannungssignal UA liegt bei dem vorgestellten Ausführungsbeispiel im Bereich von ei­ nigen +/- 10 Milli-Volt und kann, um die Genauigkeit des sich in dem Rechner R befindenden A/D-Umsetzers AD möglichst gut auszunützen, auf eine Signalamplitude von 5 Volt angehoben werden.
Hierzu werden eine erste Verstärkerstufe V1 und eine zweite Verstärkerstufe V2 eingesetzt.
Um das an den Voll-Brücken abgreifbare Signal UA nicht mit einem Meßstrom zu belasten, wird als erste Verstärkerstufe V1 ein Isolationsverstärker gewählt, der eine erste Vorverstär­ kung des Signals beispielsweise um einen Faktor 10 gewährlei­ stet.
In der zweiten Verstärkerstufe V2 wird ein von der ersten Verstärkerstufe V1 verstärktes Signal UVA mit einer invertie­ renden Operationsverstärkerschaltung auf eine Signalamplitude von 5 Volt verstärkt und ein möglicherweise vorgesehener Offset so eingestellt, daß das Signalminimum bei 0 Volt liegt.
Ein somit erlangtes Ausgangssignal UAA wird nunmehr dem Ana­ log/Digital-Umsetzer AD des Rechners R zugeführt. In dem Rechner R wird das im vorigen beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Winkelauswertung durchgeführt, und das Ergeb­ nis, also der Wert des Winkels beispielsweise mit Hilfe eines Timers als pulsweiten-modulierte Spannung PWM ausgegeben.
Um mit dem pulsweiten-modulierten Ausgangssignal PWM mit ei­ nem Ausgangssignal eines konventionellen Potentiometers ver­ gleichbar zu machen, kann es vorteilhaft sein, in dem Ausgang A das Puls-Weiten-modulierte Signal PWM noch zu glätten, bei­ spielsweise mit Hilfe eines R/C-Glieds.
Es ist weiterhin möglich, daß der Rechner, bei einem einmali­ gen Umlauf der Winkelposition von 0°-360°, sich die Kriteri­ en zur Bildung der Bereiche und die Parameter der Umkehrfunk­ tion selbst ausmißt, und sich somit selbst kalibriert.
Hierbei ist beispielsweise folgende Vorgehensweise möglich:
Wird die obere Schranke durch den oberen Schnittpunkt der beiden Signale Sig1 und Sig2 bestimmt, wird der Wert der obe­ ren Schranke durch den Rechner selbst bestimmt.
Der Wert der oberen Schranke wird dadurch bestimmt, daß das angelegte Magnetfeld solange gedreht wird, bis das erste Si­ gnal Sig1 und das zweite Signal Sig2 den gleichen Wert auf­ weisen. Dieser Wert wird als Wert für die obere Schranke ab­ gespeichert.
Ebenso wird zur automatischen Bestimmung der unteren Schranke verfahren.
Befindet sich der absolute Winkel ρabs in dem ersten Bereich oder in dem vierten Bereich, so sollten für den Fall, daß für den Wertebereich des relativen Winkels Winkelbereiche größer als 90° zugelassen sind, folgende Schritte vorgesehen werden:
Erhält man absolute Winkelwerte ρabs in dem ersten Bereich, die kleiner als 0° sind, so muß berücksichtigt werden, daß der Winkelbereich dann vom ersten Bereich in den vierten Be­ reich "springt". Dazu muß der Betrag des in diesem Fall nega­ tiven absoluten Winkels ρabs ermittelt werden und von um den realen absoluten Winkel ρabs zu erhalten, muß dann von 360° der Betrag des negativen absoluten Winkels ρabs abgezogen werden. Somit erhält man auch für diesen Sonderfall den kor­ rekten absoluten Winkel ρabs.
Entsprechend wird verfahren für den Fall, daß der absolute Winkel ρabs größer ist als 359°.
In der vorliegenden Schrift wurden folgende Veröffentlichun­ gen zitiert:
[1] DE 32 01 005
A. Spies, Einrichtung zur Fehlerkorrektur bei Positions­ meßsystemen
[2] DE 32 14 794
A. Spies, Magnetische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition einer Drehach­ se eines Gegenstandes durch einen Rechner aus einem ersten sinusförmigen Signal und einem zweiten, phasenverschobenen sinusförmigen Signal und aus einem gespeicherten Verlauf ei­ ner Umkehrfunktion eines sinusförmigen Signals,
  • - bei dem das erste sinusförmige Signal und das zweite sinus­ förmige Signal von zwei nebeneinander, etwa senkrecht zuein­ ander angeordneten Richtungssensoren gemessen werden,
  • - bei dem ein Wertebereich von 0° bis 360° mindestens in vier Bereiche aufgeteilt wird, die jeweils mindestens einen nähe­ rungsweise linearen Teil des sinusförmigen Signals aufweisen,
  • - bei dem der von einem ersten Richtungssensor ermittelte Wert gespeichert wird,
  • - bei dem der von einem zweiten Richtungssensor ermittelte Wert gespeichert wird,
  • - bei dem eine obere Schranke bestimmt wird, die das Ende ei­ nes näherungsweise linearen Bereichs angibt,
  • - bei dem eine untere Schranke bestimmt wird, die das Ende eines näherungsweise linearen Bereichs angibt,
  • - bei dem der Bereich nach folgenden Kriterien ausgewählt wird:
  • - liegt der Wert des zweiten sinusförmigen Signals über der oberen Schranke, wird ein erster Bereich gewählt,
  • - liegt der Wert des ersten sinusförmigen Signals unter der unteren Schranke, wird ein zweiter Bereich gewählt,
  • - liegt der Wert des zweiten sinusförmigen Signals unter der unteren Schranke, wird ein dritter Bereich gewählt,
  • - liegt der Wert des ersten sinusförmigen Signals über der oberen Schranke, wird ein vierter Bereich gewählt,
  • - bei dem aus dem gespeicherten Verlauf des sinusförmigen Si­ gnals unter Berücksichtigung der Phasenanpassung und der Be­ tragsanpassung für den ausgewählten Bereich ein relativer Winkel unter Verwendung der Umkehrfunktion innerhalb des ge­ wählten Bereichs bestimmt wird, und
  • - bei dem abhängig von dem gewählten Bereich die Winkelposi­ tion durch Addition eines bereichsabhängigen Winkels bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die obere Schranke ein erster Schnittpunkt des ersten sinusförmigen Signals mit dem zweiten sinusförmigen Signal ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die untere Schranke ein zweiter Schnittpunkt des er­ sten sinusförmigen Signals mit dem zweiten sinusförmigen Si­ gnal ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der gespeicherte Verlauf der Umkehrfunktion des si­ nusförmigen Signals durch Zusammensetzen von den Verlauf li­ nearisierenden Geradengleichungen ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der gespeicherte Verlauf der Umkehrfunktion des si­ nusförmigen Signals in Tabellenform durch Ermittlung einzel­ ner Werte der Umkehrfunktion ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem bei der Ermittlung der Umkehrfunktion bekannte Abwei­ chungen des ersten sinusförmigen Signals und/oder des zweiten sinusförmigen Signals kompensiert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zu dem sinusförmigen Signal ein Offsetwert addiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Temperaturkompensation vorgesehen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem für das erste sinusförmige Signal und/oder das zweite sinusförmige Signal verstärkt wird.
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