DE19841763C1

DE19841763C1 - Verfahren zur digitalen Auswertung der analogen Ausgangssignale eines Resolvers

Info

Publication number: DE19841763C1
Application number: DE19841763A
Authority: DE
Inventors: Martin Staebler
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-09-12
Also published as: EP0985908A2; EP0985908A3; US6255794B1; JP2000088507A

Abstract

In einem Verfahren zur digitalen Auswertung der analogen Ausgangssignale eines Revolvers mit wenigstens zwei senkrecht zueinander angeordneten Statorwicklungen auf einem Stator und wenigstens einer Rotorwicklung auf einem relativ zum Stator drehbaren Rotor wird der Rotorwicklung ein sinusförmiges Anregungssignal zugeführt und an die Statorwicklungen werden sinus- beziehungsweise cosinusförmige, von der Winkelstellung des Stators relativ zum Rotor abhängige Signale abgegriffen. Diese Signale werden nach einer Umsetzung in digitale Signale durch Bildung der inversen Tangens-Funktion weiterverarbeitet, um einen Winkelwert für die relative Winkellage zwischen dem Rotor und dem Stator zu berechnen. Dieser Winkelwert ist mit einem Laufzeitfehler behaftet, der durch Anwendung einer Regelschleife kompensiert wird. Durch Anwendung der Regelschleife können sowohl die Winkelgeschwindigkeit des Rotors als auch dessen relative Winkellage ohne Laufzeitfehler erhalten werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Auswertung der analogen Ausgangssignale eines Resolvers.

Ein Resolver ist eine häufig auch als Funktionsdrehmelder bezeich nete Vorrichtung, mit deren Hilfe die Winkelposition eines Rotors bezüglich eines Stators und auch die Winkelgeschwindigkeit des sich drehenden Rotors erfaßt werden können. Üblicherweise hat der Stator des Resolvers wenigstens zwei Statorwicklungen, die dann, wenn nur zwei Wicklungen vorhanden sind, zueinander senkrecht angeordnet sind. Auf dem Rotor ist wenigstens eine Rotorwicklung angebracht. Dem Rotor wird ein sinusförmiges Anregungssignal zugeführt, das zur Folge hat, daß in der einen Statorwicklung ein ebenfalls sinusförmiges Signal und wegen der relativen Position der beiden Statorwicklungen zueinander in der anderen Statorwicklung ein cosinusförmiges Signal induziert wer den. Durch Anwendung der inversen Tangens-Funktion können dann aus den beiden Signalen der relative Winkel zwischen dem Stator und dem Rotor und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors bestimmt werden.

Ein Verfahren zur digitalen Auswertung der analogen Ausgangssigna le eines Resolvers ist aus der JP 1-96560A, Patent Abstracts of Japan P-905 July 26, 1989 Vol. 13/No. 332 bekannt. Bei diesem bekannten Ver fahren wird die Winkellage des Rotors durch Vergleich der Phasen der zwei sinus- bzw. cosinusförmigen Anregungssignale und der Phase der durch eine Phasenregelschleife nachgeführten sinus- und cosinusförmi gen Signale berechnet. Die durch die beiden Anregungssignale hervorge rufenen Ausgangssignale weisen durch die Ausgangsimpedanz des Resol vers eine von der Drehgeschwindigkeit abhängige Phasenverschiebung zu den Anregungssignalen auf. Diese Phasenverschiebung wird durch eine eigene Kompensationsschaltung kompensiert.

Weitere Verfahren dieser Art sind aus DE 38 34 384 A1 und DE 36 19 285 A1 bekannt.

Mit Hilfe der Erfindung soll ein Verfahren geschaffen werden, das eine rein digitale Auswertung der von den Statorwicklungen abgegriffe nen Signale ermöglicht, wobei die den gewünschten Winkelwert und die gewünschte Winkelgeschwindigkeit repräsentierenden Signale möglichst frei von Störungen und verzögerungsfrei zur Verfügung gestellt werden sollen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur digitalen Auswertung der ana logen Ausgangssignale eines Resolvers mit wenigstens zwei senkrecht zueinander angeordneten Statorwicklungen auf einem Stator und wenig stens einer Rotorwicklung auf einem relativ zum Stator drehbaren Rotor werden folgende Schritte durchgeführt:

A) der Rotorwicklung wird ein sinusförmiges Anregungssignal zuge führt;
B) an den Statorwicklungen werden sinus- beziehungsweise cosinusförmige, von der Winkelstellung des Stators relativ zum Rotor abhängige Signale abgegriffen und nach einer Überabtastung in digitale Signale umgesetzt;
C) die digitalen Signale werden zur Bandbreitenbegrenzung durch ein FIR-Bandfilter geschickt;
D) die gefilterten Signale werden mit dem für die vorangehende Überabtastung angewendeten Faktor einer Unterabtastung unterzogen;
E) durch Bildung der inversen Tangens-Funktion wird aus den der Unterabtastung unterzogenen Signalen ein infolge der vorangehenden Verarbeitung mit einem Laufzeitfehler behafteter Winkelwert für die relative Winkellage zwischen dem Rotor und dem Stator berechnet;
F) der berechnete Winkelwert wird an den Eingang einer Regel schleife angelegt, in der
- a) der berechnete Winkelwert mit einem laufzeitbehafteten ange nommenen Winkelwert verglichen wird,
- b) die Abweichung zwischen dem berechneten Winkelwert und dem laufzeitbehafteten angenommenen Winkelwert einem PI- Regler als Regelabweichung zugeführt wird,
- c) der PI-Regler aus der hinzugeführten Regelabweichung ein der laufzeitfreien Winkelgeschwindigkeit des Rotors entspre chendes Ausgangssignal erzeugt,
- d) das Ausgangssignal einer IIR-Filterung unterzogen wird,
- e) aus dem gefilteren Ausgangssignal durch Integration der laufzeitfreie angenommene Winkelwert erzeugt wird,
- f) der angenommene Winkelwert um die Laufzeit verzögert und der den Vergleich mit dem berechneten Winkelwert durchführenden Einheit zugeführt wird,
G) der angenommene Winkelwert und die laufzeitfreie Winkel geschwindigkeit werden als die Ausgangssignale des Resolvers abgegeben.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Verarbeitungs schritte sind solche Schritte, die sich als rein digitale Verarbei tungsschritte ausführen lassen. Dadurch besteht die Möglichkeit, alle diese Schritte in einem digitalen Signalprozessor auszuführen, der speziell für die Durchführung dieser Schritte programmiert ist. Ein wesentlicher Punkt für die Lieferung des verzögerungsfreien Winkel werts zwischen Rotor und Stator ist die Einbeziehung einer Regler schleife die es ermöglicht, die sich aufgrund der digitalen Verarbei tung ergebenden, laufzeitbedingten Verzögerungen wieder zu beseitigen, so daß der gewünschte Winkelwert und die gewünschte Winkelgeschwindig keit verzögerungsfrei zur Verfügung gestellt werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber er läutert, in der die zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte angewendeten Stufen schematisch dargestellt sind.

Das zu beschreibende Verfahren dient dazu, die Ausgangssignale eines Resolvers 10 digital zu verarbeiten und auszuwerten. Der Resol ver 10 enthält eine Statorspule 12, die auf einem Stator angebracht ist, sowie eine Rotorspule 14 und eine dazu senkrecht angeordnete Rotorspule 16, wobei die beiden Rotorspulen auf einem Rotor angebracht sind, der sich relativ zu dem Stator drehen kann. Die Statorspule 12 wird mit Hilfe eines sinusförmigen Eingangssignals erregt, das über einen Eingang 18 zugeführt wird. Das Erregungssignal induziert in den Rotorspulen 14 und 16 Signale, die um 90° gegeneinander phasenverscho ben sind. Das in der Rotorspule 16 induzierte Signal ist beispielswei se ein sinusförmiges Signal, während das in der Rotorspule 14 indu zierte Signal demgegenüber einen cosinusförmigen Verlauf hat, also gegenüber dem sinusförmigen Signal um 90° phasenverschoben ist. Das sinusförmige Ausgangssignal der Rotorspule 16 wird gegebenenfalls nach einer Verstärkung einem Analog/Digital-Umsetzer 20 zugeführt, wobei zu einem später noch zu erörternden Zweck dem Eingangssignal dieses Um setzers mit Hilfe eines Summierglieds 22 ein Signal überlagert werden kann. Dieses Signal kann über einen Eingang 24 zugeführt werden.

Der Analog/Digital-Umsetzer 20 führt die Umsetzung unter Anwendung der Überabtastung durch, damit die Auflösung der digitalisierten Sig nale verbessert wird. Diese Überabtastung besteht bekanntlich darin, daß eine wesentlich höhere Abtastrate angewendet wird, als nach Nyquist erforderlich wäre. Dadurch erhält das umgesetzte digitale Sig nal ein wesentlich breiteres Spektrum als das ursprüngliche analoge Signal. Mit Hilfe eines digitalen FIR-Bandpaßfilters 26 wird das Aus gangssignal des Analog/Digital-Umsetzers 20 begrenzt, wobei die außer halb des Durchlaßbereichs liegenden Störspannungen unterdrückt werden. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung des Signal/Rausch-Ver hältnisses des digitalen Signals. Die Ausgangssignale des Bandpaßfil ters werden in der Baueinheit 28 einer Unterabtastung mit einer zur Überabtastrate umgekehrt proportionalen Unterabtastrate unterzogen und nach einer einstellbaren Verstärkung in einem Verstärker 30 einer Bau einheit 32 zugeführt, deren Funktion noch erläutert wird.

Das Ausgangssignal der Rotorwicklung 14 wird in der gleichen Weise wie das Ausgangssignal der Rotorwicklung 16 verarbeitet, was bedeutet, daß es über ein Summierglied 34, einen Analog/Digital-Umsetzer 36, ein FIR-Bandpaßfilter 38, eine Unterabtasteinheit 40 und einen Verstärker 42 ebenfalls an die Baueinheit 32 angelegt wird.

Die Verstärker 30 und 42 haben den Zweck, die Amplituden der der Baueinheit 32 zugeführten Signale aneinander anzugleichen.

Diese Baueinheit 32 berechnet aus den ihr zugeführten sinus- beziehungsweise cosinusförmigen Signalen durch Bildung des inversen Tangens den Winkel, um den die Statorwicklung 12 gegenüber den Rotor wicklungen 14, 16 verschoben ist. Der Ausgangswert der Baueinheit 32 stimmt jedoch nicht genau mit diesem Winkel überein, da die voran gehenden Verarbeitungsschritte zu einer Verzögerung geführt haben, so daß der sich ergebende Winkelwert e um den Verzögerungswert d redu ziert ist.

Eine nachfolgende Regelschaltung 44 kompensiert die durch die vorangehenden Verarbeitungsschritte (A/D-Umsetzung und FIR-Filterung) verursachte Verzögerung. Der verzögerte Winkelwert e-d wird in der Regelschaltung 44 einem Komparator 46 zugeführt, in der es mit einem angenommenen Winkelwert e'-d verglichen wird. Die sich ergebende Dif ferenz der verglichenen Werte wird einem PI-Regler 48 als Regelabwei chung zugeführt. Nach einer IIR-Tiefpaßfilterung in einem Filter 50 ergibt sich am Ausgang 52 des Filters 50 ein Signal wt, das die Win kelgeschwindigkeit des Rotors bezüglich des Stators ohne Verzögerung repräsentiert. Durch Integration in einem Integrator 54 wird aus diesem Signal der Winkel e' berechnet, der ohne Laufzeitfehler oder verzögerungsfrei dem Winkel des Stators relativ zum Rotor entspricht. Am Ausgang 56 kann dieser Winkelwert abgegriffen werden. Dieses Signal wird in einer Stufe 58 verzögert, wobei der Verzögerungswert so einge stellt ist, daß er genau der Verzögerung entspricht, die die Ausgangs signale der Rotorwicklungen 14 und 16 bei ihrer Verarbeitung erfahren haben. Die gestrichelte Linie 60 deutet diese Einstellung an. Am Aus gang der Verzögerungsstufe 58 steht das Signal e'-d zur Verfügung, das zum Komparator 56 zurückgeführt wird. Da die Regelstufe stets ver sucht, die Regelabweichung, also das Ausgangssignal des Komparators 46 auf Null zu reduzieren, erzeugt der PI-Regler 48 an seinem Ausgang stets ein solches Signal, daß nach einer Verzögerung um die konstante Verzögerung d in der Stufe 58 an den Komparator 46 exakt das gleiche Signal angelegt wird, wie es auch von der Baueinheit 32 abgegeben wird, die den um d verzögerten Winkelwert e liefert. Dies bedeutet aber nichts anderes, als daß der am Ausgang 56 abgegebene Wert e' stets exakt dem Wert e entspricht. Der Winkel zwischen dem Stator und dem Rotor steht also am Ausgang 56 verzögerungsfrei zur Verfügung, und zusätzlich kann am Ausgang 52 die Winkelgeschwindigkeit ebenfalls ver zögerungsfrei abgegriffen werden.

Zur Verbesserung des Störabstandes und damit der Auflösung können den Eingangssignalen der A/D-Umsetzer 20 und 36 über die Summierglie der 22 beziehungsweise 34 ein Rauschsignal oder ein Dreiecksignal zugeführt werden. Auch ist es zur Anpassung an die jeweils vorlie genden Gegebenheiten möglich, die Überabtastrate und/oder die Band breite beziehungsweise die Ordnung der digitalen Filter 26, 38 zu ver ändern. Auch eine Änderung der Frequenz des Erregungssignals für die Statorspule 12 kann angepaßt werden.

Es sei bemerkt, daß die zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Rotorwicklungen 14, 16 verwendeten Baueinheiten als Softwaremodule ausgeführt sein können, die von einem digitalen Signalprozessor abge arbeitet werden können. Ein für diesen Zweck geeigneter digitaler Sig nalprozessor ist der von der Firma Texas Instruments hergestellte und vertriebene Prozessor des Typs TMS 320 F 240. Dieser Baustein ermög licht auch die Erzeugung des der Statorspule 12 zugeführten Anregungs signals, da er einen Ausgang aufweist, an dem er ein impulsdauermodu liertes Signal abgeben kann, das zur Erzeugung eines sinusförmigen Anregungssignals benutzt werden kann. Durch eine entsprechende Soft ware können die Analog/Digital-Umsetzer, die FIR-Bandpaßfilterung, die nachfolgende Unterabtastung, die Verstärkung und die Division und die inverse Tangensbildung von diesem Prozessor durchgeführt werden. Auch die Regelschaltung 44 läßt sich als Softwaremodul im gleichen Prozes sor ausführen, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit und der Winkel durch eine rein digitale Verarbeitung aus den Ausgangssignalen der Rotorwicklungen 14, 16 erzeugen lassen. Der Prozessor des vorgenannten Typs ist durch diese Verarbeitung nur zu einem geringen Teil ausge lastet, so daß er vorteilhafterweise auch noch für andere Aufgaben herangezogen werden kann.

Claims

1. Verfahren zur digitalen Auswertung der analogen Aus gangssignale eines Resolvers mit wenigstens zwei senkrecht zueinander angeordneten Statorwicklungen auf einem Stator und wenigstens einer Rotorwicklung auf einem relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, bei welchem folgende Schritte durch geführt werden:

A) der Rotorwicklung wird ein sinusförmiges Anregungs signal zugeführt;
B) an den Statorwicklungen werden sinus- beziehungsweise cosinusförmige, von der Winkelstellung des Stators relativ zum Rotor abhängige Signale abgegriffen und nach einer Über abtastung in digitale Signale umgesetzt;
C) die digitalen Signale werden zur Bandbreitenbegren zung durch ein FIR-Bandfilter geschickt;
D) die gefilterten Signale werden mit dem für die voran gehende Überabtastung angewendeten Faktor einer Unterabtas tung unterzogen;
E) durch Bildung der inversen Tangens-Funktion wird aus den der Unterabtastung unterzogenen Signalen ein infolge der vorangehenden Verarbeitung mit einem Laufzeitfehler behafte ter Winkelwert für die relative Winkellage zwischen dem Ro tor und dem Stator berechnet;
F) der berechnete Winkelwert wird an den Eingang einer Regelschleife angelegt, in der
- a) der berechnete Winkelwert mit einem laufzeitbehafte ten angenommenen Winkelwert verglichen wird,
- b) die Abweichung zwischen dem berechneten Winkelwert und dem laufzeitbehafteten angenommenen Winkelwert einem PI- Regler als Regelabweichung zugeführt wird,
- c) der PI-Regler aus der hinzugeführten Regelabweichung ein der laufzeitfreien Winkelgeschwindigkeit des Rotors ent sprechendes Ausgangssignal erzeugt,
- d) das Ausgangssignal einer IIR-Filterung unterzogen wird,
- e) aus dem gefilteren Ausgangssignal durch Integration der laufzeitfreie angenommene Winkelwert erzeugt wird,
- f) der angenommene Winkelwert um die Laufzeit verzögert und der den Vergleich mit dem berechneten Winkelwert durch führenden Einheit zugeführt wird,
G) der angenommene Winkelwert und die laufzeitfreie Win kelgeschwindigkeit werden als die Ausgangssignale des Resol vers abgegeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sinus- beziehungsweise cosinusförmigen Signale vor der Bildung der inversen Tangens-Funktion auf gleiche Amplitude gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Signalverarbeitung in einem entsprechend programmierten digitalen Signalprozessor durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Auflösung den sinus- beziehungsweise cosinusförmigen Signalen vor der Umsetzung in digitale Signale ein Rauschsignal überlagert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Auflösung den sinus- beziehungsweise cosinusförmigen Signalen vor der Umsetzung in digitale Signale ein Dreiecksignal überlagert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Über- und Unterabtasterraten, die Bandbreiten und/oder die Ordnungszahl der verwendeten Filter und die Frequenz des Anregungssignals entsprechend den vorliegenden Gegebenheiten angepaßt werden.