DE4021105A1

DE4021105A1 - Verfahren und vorrichtung zur lagemessung

Info

Publication number: DE4021105A1
Application number: DE4021105A
Authority: DE
Inventors: Kouichi Yamanoue; Minoru Yokota; Joji Nakamura; Shinichi Mukainakano
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1990-07-02
Publication date: 1991-02-07
Also published as: JPH0337519A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lagemeßverfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Lage eines bewegten Körpers, der eine drehende oder geradlinige Bewegung ausführt.

Es ist eine Lagemeßvorrichtung bekannt, mit der die Stellung oder Lage eines drehend oder geradlinig bewegten Körpers aufgrund zweier sinusförmiger Signale gemessen wird, die aus einer Sinuswelle und einer Cosinuswelle bestehen und die aus einem magnetischen oder optischen Codierer bzw. Meßgeber mit einer Phasendifferenz von 90° erhalten werden (siehe JP-A-62-187 210). Bei dieser Lagemeßvorrichtung ist die Genauigkeit der Messung der Lage des bewegten Körpers von der Genauigkeit der beiden sinusförmigen Signale abhängig bzw. verringert, wenn die Kurvenform der sinusförmigen Signale verzerrt bzw. verformt ist. Daher wurde beispielsweise in der JP-A-63-225 124 eine Lagemeßvorrichtung vorgeschlagen, in der hochgenaue sinusförmige Signale selbst dann erzeugt werden können, wenn ein Spalt zwischen einem Magnetsensor und einem mit einem bewegten Körper zusammengebauten Magneten wegen einer Exzentrizität des Magneten oder dergleichen Drehbewegungsänderungen erfährt, so daß sich die Amplitude eines von dem Magnetsensor abgegebenen Signals ändert oder verformt.

Die Lagemeßvorrichtung gemäß dieser JP-A-63-225 124 ist jedoch derart aufgebaut, daß aus mehreren Gruppen magnetoresistiver Elemente nur Grundwellen-Ausgangssignale mit Sinuskurvenform und Cosinuskurvenform abgenommen werden, da die von dem Magnetsensor abgegebenen höheren Harmonischen mit Verzerrungskomponenten gegenphasig sind bzw. einander aufheben. Daher ist es erforderlich, die magnetoresistiven bzw. Magnetwiderstandselemente in einem ganz bestimmten Teilungsabstand und mit hoher Genauigkeit einzubauen. Da ferner die Grundwellen-Ausgangssignale durch das Abschwächen der höheren Harmonischen durch gegenseitiges Aufheben erhalten werden, müssen zum Verbessern der Genauigkeit die Harmonischen bis zu einer sehr hohen Ordnung unterdrückt werden. In der Praxis ist es daher sehr schwierig, die in der JP-A-63- 225 134 vorgeschlagene Lagemeßvorrichtung aufzubauen bzw. herzustellen.

In Anbetracht dieser Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagemessung mit erhöhter Genauigkeit durch Verbessern der Genauigkeit von sinusförmigen Wellen dadurch zu schaffen, daß aus einem von einem jeweiligen Meßelement abgegebenen Signal direkt zwei Grundwellenkomponenten herausgegriffen werden, die völlig verzerrungsfrei sind oder nur eine geringe Verzerrung enthalten.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Lagemeßverfahren eine aus der Mathematik bekannte diskrete Fouriertransformation als ein Verfahren angewandt, mit dem aus einer Vielzahl von Phasen von Schwingungswellen, die Verzerrungskomponenten enthalten, die Grundwellen herausgegriffen werden, die von höheren Harmonischen frei sind, welche eine Verzerrung verursachen. Bei dieser Transformation ist es bekannt, daß die Grundwellen durch Gleichungen (5) und (6) gegeben sind, die nachfolgend erläutert werden.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Lagemeßvorrichtung gelöst, die einen bewegten Körper und einen feststehenden Körper aufweist und in der entsprechend der Lage oder Stellung des bewegten Körpers zwei sinusförmige Signale mit einer Phasendifferenz von 90° erzeugt werden, aus denen die Lage des bewegten Körpers ermittelt wird. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung hat einen vielpoligen Magneten, der an dem bewegten oder dem feststehenden Körper angebracht ist und eine Vielzahl von einander entgegengesetzt polarisierten Magnetpolen in vorbestimmten Abständen hat, eine Vielzahl von Meßelementen, die an dem anderen, nämlich dem feststehenden oder dem bewegten Körper dem vielpoligen Magneten gegenübergesetzt sind und das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld erfassen und es in elektrische Wellensignale umsetzen, und eine Einrichtung zum Multiplizieren der von der Vielzahl der Meßelemente abgegebenen Wellensignale mit den Sinuskoeffizienten und den Cosinuskoeffizienten gemäß Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen und zum Bilden der Summe der Werte der mit den Sinuskoeffizienten multiplizierten Produkte und der Summe der Werte der mit den Cosinuskoeffizienten multiplizierten Produkte, um damit die beiden sinusförmigen Signale mit der Phasendifferenz von 90° zu ermitteln.

In der erfindungsgemäßen Lagemeßvorrichtung mit diesem Aufbau werden bei der Bewegung des bewegten Körpers von den Meßelementen periodische Wellensignale abgegeben. Entsprechend Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen werden diese mit den Sinuskoeffizienten und den Cosinuskoeffizienten multipliziert und die mit den Sinuskoeffizienten multiplizierten Produkte sowie die mit den Cosinuskoeffizienten multiplizierten Produkte addiert. Diese Verarbeitung entspricht der Erfassung von Grundwellenkomponenten durch diskrete Fouriertransformation an der Verteilung der Magnetflußdichte, die aus den Ausgangssignalen der Meßelemente ermittelt wird. Es ist daher möglich, aus den von den jeweiligen Meßelementen abgegebenen Signalen die Grundwellenkomponente herauszugreifen, wodurch die Genauigkeit der beiden sinusförmigen Wellen verbessert wird, die aus einer Sinuswelle und einer Cosinuswelle bestehen.

Da gemäß den vorstehenden Ausführungen erfindungsgemäß die Vielzahl von Meßelementen für das Erfassen des Magnetfelds des vielpoligen Magneten und das Umsetzen des Magnetfelds in Wellensignale vorgesehen ist und aus den von den Meßelementen abgegebenen Wellensignalen die Grundwellenkomponenten herausgegriffen werden, wird eine hohe Genauigkeit der beiden sinusförmigen Wellen erzielt. Infolgedessen ermöglicht es eine bekannte Berechnung unter Ansetzen dieser beiden hochgenauen sinusförmigen Signale, die Genauigkeit bei dem Messen der Lage des bewegten Körpers zu verbessern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnung von Hallelementen in bezug auf einen vielpoligen Magneten in der Lagemeßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2A ist ein Schaltbild, das den Aufbau einer Aufnahmeschaltung bei dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 2B ist eine schematische Darstellung der in Fig. 2A gezeigten Aufnahmeschaltung.

Fig. 3 zeigt den Gesamtaufbau der Lagemeßvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt Kurvenformen von Signalen, die von den Hallelementen bei dem ersten Ausführungsbeispiel abgegeben werden.

Fig. 5 zeigt zwei sinusförmige Signale, die von der in Fig. 2A gezeigten Aufnahmeschaltung abgegeben werden.

Fig. 6A bis 6C sind jeweils Ansichten zum Erläutern der Anordnung von Hallelementen in bezug auf einen vielpoligen Magneten in der Lagemeßvorrichtung gemäß einem zweiten bis vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Aufnahmeschaltung der Lagemeßvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

Fig. 8A und 8B sind zusammen gesehen ein Ablaufdiagramm eines Steuerprogramms, das von einer in Fig. 7 gezeigten Zentraleinheit ausgeführt wird.

Anhand der Fig. 1 bis 5 wird nun der Aufbau der Lagemeßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.

In Fig. 3 ist mit 101 ein zylindrisches Gehäuse bezeichnet, das nur an der unteren Seite offen ist und das aus Metall wie beispielsweise Aluminium besteht. In den Mittenbereich der oberen Fläche des Gehäuses 101 ist ein wulstförmiges Lager 100 aus einem hauptsächlich Kupfer enthaltenden Metallmaterial eingepreßt. In die Öffnung in der Mitte des Lagers 100 ist eine Drehwelle 102 aus Metall drehbar eingesetzt. Im Gehäuse 101 ist an der Drehwelle 102 senkrecht zu dieser ein Rotor 103 befestigt. Auf den Außenumfang des Rotors 103 ist ein ringförmiger vielpoliger Magnet 1 aufgepreßt oder aufgeklemmt, der Magnetpole hat, die in gleichen Abständen mit abwechselnd entgegengesetzten Polaritäten ausgebildet sind. Der Magnet 1 kann beispielsweise aus Ferrit bestehen.

Innerhalb des Gehäuses 101 ist eine Schaltungsplatte 104 fest angebracht, die dem Rotor 103 parallel zu diesem gegenübergesetzt ist. An dem äußeren Randbereich der dem Rotor 103 zugewandten Fläche der Schaltungsplatte 104 ist an einer Stelle, die der Mitte der Breite des vielpoligen Magneten 1 an dem Rotor 103 in Durchmesserrichtung entspricht, oder in der Nähe dieser Mitte eine Hallelementanordnung 21 mit einer Vielzahl von Hallelementen, nämlich sechs Hallelementen 21a bis 21f bei diesem Ausführungsbeispiel angebracht. Die Hallelemente 21a bis 21f der Hallelementeanordnung 21 sind jeweils derart angeordnet, daß sie einen Magnetfluß in einer zu der Schaltungsplatte 104 senkrechten Richtung erfassen. Die Lage der Schaltungsplatte 104 wird durch einen innerhalb des Gehäuses 101 angebrachten Vorsprung 110 derart festgelegt, daß zwischen einer Aufnahmefläche der Hallelementeanordnung 21 und dem vielpoligen Magneten 1 an dem Rotor 103 ein Spalt von ungefähr 0,5 mm gebildet ist.

Die Fig. 1 veranschaulicht die Anordnung der Hallelemente 21a bis 21f in bezug auf den vielpoligen Magneten 1 an dem Rotor 103. Gemäß Fig. 1 ist die Hallelementanordnung 21 derart gestaltet, daß ein Teilungsabstand ℓ der Magnetpole bzw. eine Polteilung des vielpoligen Magneten 1 als bewegter Körper durch die sechs Hallelemente 21a bis 21f gleichmäßig unterteilt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser eines durch die Breitenmitte des Magneten bestimmten Kreises an dem ringförmigen bzw. kreisförmigen vielpoligen Magneten 1 22 mm und der Magnet 1 hat 40 Pole, nämlich 20 N-Pole und 20 S-Pole. Die Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten gemäß Fig. 1 beträgt ungefähr 3,46 mm und die sechs Hallelemente sind entlang dem genannten Kreis mit 22 mm Durchmesser in Abständen von 0,58 mm auf einem Kreisbogen angeordnet.

Die Unterseite des Gehäuses 101 ist durch eine Abdeckung 105 abgeschlossen, die mit der Innenseite des Gehäuses 101 in Berührung steht. Die Schaltungsplatte 104 ist zwischen die Abdeckung 105 und den Vorsprung 110 am Gehäuse 101 eingeklemmt. In einem mittigen Bereich der Abdeckung 105 ist eine Öffnung ausgebildet, durch die eine Anschlußkabeltülle 107 geführt ist. Die Anschlußkabeltülle 107 hält einen Kabelbaum 109 für die Stromversorgung der Schaltungsplatte 104 und für die Abnahme von Meßsignalen über Leitungen 106.

Ein unterer Endabschnitt der Drehwelle 102 ist derart gestaltet, daß diese nach oben und unten durch ein (nicht gezeigtes) Drucklager festgelegt ist, welches an einem mittigen Bereich der Schaltungsplatte 104 angebracht ist. Die Abdeckung 105 ist an dem Gehäuse 101 durch vier Schrauben 108 befestigt, die an dem Umfang des Gehäuses 101 angebracht sind.

Als nächstes wird anhand der Fig. 2A und 2B der Aufbau einer auf der Schaltungsplatte 104 ausgebildeten Meßschaltung bzw. Aufnahmeschaltung beschrieben.

In Fig. 2A ist mit 320 eine Konstantspannungswelle bezeichnet, die von außen her über den Kabelbaum 109 Strom liefert. Aus der Konstantspannungsquelle 320 werden die Hallelemente 21a bis 21f mit Strom versorgt. Ausgangsanschlüsse der Hallelemente 21a bis 21f sind jeweils an Differenzverstärker 301 bis 306 angeschlossen. An die Ausgänge der Differenzverstärker 301 bis 306 sind jeweils Addierer 307, 308, 310 und 311 mit Widerständen Rs1 bis Rs6, Rc1 bis Rc6 und Rs zum Bilden von Schaltungen für eine gewichtete Addition oder Summierung angeschlossen.

Es sei nun angenommen, daß die jeweiligen Widerstände Rs1 bis Rs6 durch Rsn dargestellt sind, die Widerstände Rc1 bis Rc6 durch Rcn dargestellt sind und die Lage eines jeweiligen Hallelements 21a bis 21f durch einen elektrischen Winkel Rn wiedergegeben ist, nämlich durch eine Phasendifferenz Rn von 0, 60, 120, 180, 240 und 300°, wobei die Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 als eine Schwingungsperiode mit dem elektrischen Winkel 2πrad bzw. 360° angesetzt ist. Die Widerstandswerte der jeweiligen Widerstände Rs1 bis Rs6 und Rc1 bis Rc6 werden dann jeweils folgendermaßen gewählt:

Rsn=Rs/sin Rn (1)

Rcn=Rs/cos Rn (2)

D. h., wenn der Widerstandswert des Widerstands Rs gleich 10 kOhm ist, werden die Werte der Widerstände Rs1 bis Rs6 und Rc1 bis Rc6 gemäß der nachstehenden Tabelle 1 gewählt.

Tabelle 1

Nach Fig. 3 beträgt die Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 wegen der Polpaareanzahl 20 des Magneten 360/20°. Infolgedessen sind die Hallelemente 21a bis 21f an den mechanischen Winkelstellungen 0/20, 60/20, 120/20, 180/20, 240/20 und 300/20° angeordnet.

Gemäß Fig. 2A und 2B sind diejenigen der Widerstände Rs1 bis Rs6 oder Rc1, für die bei der Berechnung des Widerstandswerts gemäß der Gleichung (1) oder (2) der Koeffizient sinRn oder cosRn negatives Vorzeichen annimmt, an die Addierer 308 bzw. 311 angeschlossen, während die anderen Widerstände, für die sinRn oder cosRn das positive Vorzeichen annimmt, an die Addierer 307 bzw. 310 angeschlossen sind. Mit den Widerständen Rs1 und Rs4 wird keine Addition ausgeführt, da die Berechnung des Widerstandswerts "unendlich" ergibt. (Ein solcher Widerstand wird beispielsweise nicht angeschlossen oder es wird ein Widerstand mit einem äußerst hohen Widerstandswert angeschlossen.)

Die durch die Widerstandswerte der Widerstände Rs1 bis Rs6 und Rc1 bis Rc6 bewereten bzw. gewichteten und für die entgegengesetzten Vorzeichen gesondert mittels der Addierer 307, 308, 310 und 311 addierten Signale werden in Differenzverstärker 309 und 312 eingegeben, in denen ein Summensignal für Signale mit negativem Vorzeichen von einem Summensignal für Signale mit positivem Vorzeichen subtrahiert wird. Die Ergebnisse der Subtraktionen der Differenzverstärker 309 und 312 werden aus Ausgangsanschlüssen T1 bzw. T2 derselben über die Leitungen 106 und den Kabelbaum 109 ausgegeben. Die Funktion gemäß der vorstehenden Erläuterung ist schematisch in Fig. 2B dargestellt.

Anhand der Fig. 1 bis 5 wird nun die Funktion der auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebauten Lagemeßvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.

Sobald der Rotor 103 zusammen mit der Drehwelle 102 dreht und von außen her über den Kabelbaum 109 Strom aus der Konstantspannungsquelle zugeführt wird, geben die Hallelemente 21a bis 21f für die sechs Teile, in die die Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 gleichmäßig unterteilt ist, Signale SH1 bis SH6 gemäß Fig. 4 mit sechs Wellenphasen ab. Wenn keine durch eine magnetische Sättigung verursachte Verzerrung auftritt, wie beispielsweise in dem Fall, daß der Spalt zwischen dem Rotor 103 und den jeweiligen Hallelementen 21a bis 21f ausreichend groß ist, haben die jeweils von den Hallelementen 21a bis 21f abgegebenen Signale SH1 bis SH6 eine Kurvenform, die im wesentlichen einer Sinuswelle gleicht. D. h., die Ausgangssignale SH1 bis SH6 sind Sinussignale mit mehreren Phasen in einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 60° im elektrischen Winkel. Die Ausgangssignale SH1 bis SH6 der Hallelemente 21a bis 21f werden jeweils von den Differenzverstärkern 301 bis 306 verstärkt und danach durch die Schaltungen für die gewichtete Addition, die mit den Widerständen Rs1 bis Rs6, Rc1 bis Rc6 und Rs und den Addierern 307, 308, 310 und 311 aufgebaut sind, und den Subtraktionsschaltungen, die durch die Differenzverstärker 309 und 312 gebildet sind, den Berechnungen gemäß den folgenden Gleichungen unterzogen:

wobei K eine Konstante ist. D. h., gemäß der Gleichung (3) oder (4) werden die Ausgangssignale SH1 bis SH6 der Hallelemente 21a bis 21f jeweils durch die den Lagen der Hallelemente 21a bis 21f bzw. den Phasendifferenzen der Ausgangssignale SH1 bis SH6 entsprechenden Widerstandswerte Rsn oder Rcn dividiert und danach addiert.

Unter Anwendung einer Transformationskonstanten K′ können die Gleichungen (3) und (4) in folgende Gleichungen umgewandelt werden:

wobei in den Gleichungen (5) und (6) "n" die Anzahl der Hallelemente ist. Es ist anzumerken, daß "n" und "6" in den Gleichungen (3) und (4) jeweils "i" und "n" in den Gleichungen (5) und (6) entsprechen, so daß daher "n" in den Gleichungen (3) und (4) von "n" in den Gleichungen (5) und (6) verschieden ist. Beispielsweise wird die Gleichung (3) in die Gleichung (5) und ebenso die Gleichung (4) in die Gleichung (6) auf folgende umgewandelt:

Die Berechnung gemäß Gleichung (3) oder (4) ist äquivalent zu dem Ermitteln einer Grundwellenkomponente dadurch, daß die diskrete Fouriertransformation an der Magnetflußdichte- Verteilung angewandt wird, die aus den Ausgangssignalen der Hallelemente 21a bis 21f für eine der Polteilung ℓ entsprechende Periode ermittelt wird. D. h., ein jedes Hallelement erzeugt ein zu der Magnetflußdichte proportionales Ausgangssignal. Da die Hallelemente in der Polteilung ℓ angeordnet sind, geben die Ausgangssignale der Hallelemente die Magnetflußdichte-Verteilung in der Polteilung ℓ wieder. Die Magnetflußdichte-Verteilung ändert sich in einer Periode, die gleich der Polteilung ℓ ist. Zum Erhalten einer Grundwellenkomponente wird die diskrete Fouriertransformation durch die Berechnung gemäß Gleichung (3) oder (4) ausgeführt. Auf diese Weise ermöglicht die Addition der Ausgangssignale SH1 bis SH6 der Hallelemente 21a bis 21f nach dem Teilen durch die Widerstandswerte Rsn oder Rcn entsprechend den Phasendifferenzen der Ausgangssignale SH1 bis SH6 das Herausgreifen der Grundwellenkomponenten der von den Hallelementen 21a bis 21f abgegebenen Signale SH1 bis SH6. Es ist daher beispielsweise möglich, genaue verzerrungsfreie Sinuswellen Φ1 und Φ2 mit zwei Phasen gemäß Fig. 5 selbst dann zu erhalten, wenn infolge einer Änderung eines Spalts t (gemäß Fig. 3) zwischen dem Rotor 103 und den Hallelementen 21a bis 21f die Kurvenform der Ausgangssignale der Hallelemente verzerrt bzw. verformt ist (wobei die Kurvenform der Ausgangssignale zu einer trapezartigen Kurve tendiert, wenn t klein ist, und zu einer sinusförmigen Kurve, wenn t groß ist).

Infolgedessen wird durch das Ausführen einer bekannten Berechnung wie tan^-1|Φ2/Φ1| für die beiden Sinuswellen Φ1 und Φ2 eine hochgenaue Berechnung eines Ausgabewerts Φ möglich. Diese beiden Wellen Φ1 und Φ2 können als Φ1=A cosΦ und Φ2=A sinΦ dargestellt werden. Daher kann die Größe Φ folgendermaßen berechnet werden:

Φ=tan^-1(sinΦ/cosΦ)=tan^-1|Φ2/Φ1|.

Auf diese Weise wurde bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dann, wenn der Abschnitt der Polteilung ℓ an dem Rotor 103 mit 2¹² (=4096) interpoliert bzw. geteilt wurde, ein Auflösungsvermögen von 4/1000° erreicht. Die Größe tan^-1|Φ2/Φ1| ändert sich zwischen 0 und 2πrad entsprechend dem Ausmaß der Bewegung eines Pols. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dieser Wert in Einheiten von 2π/2¹² quantisiert. D. h., der Bereich von 0 bis 2πrad wird durch ganzzahlige Werte von 0 bis 4095 dargestellt. Das Auflösungsvermögen wird daher zu

Theoretisch beträgt die Ausgangsspannung eines Hallelements "0", wenn ein daran anliegendes Magnetfeld "0" ist. Aus Herstellungsgründen erzeugt ein Hallelement jedoch auch dann eine Spannung, wenn das Magnetfeld "0" ist. Diese Spannung wird als Fehlausgleich-Spannung bezeichnet. Der Wert der Fehlausgleich-Spannung ist für jedes Hallelement unterschiedlich. Diesbezüglich ergibt die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Wirkung, daß Einflüsse von Schwankungen oder Abweichungen wie der Fehlausgleichsspannungen der Hallelemente 21a bis 21f verringert werden können. Falls beispielsweise die Hallelemente 21b und 21e nach Fig. 2A Ausgleichsfehlerspannungen abgeben, die im wesentlichen die gleiche Größenordnung haben, haben gemäß Tabelle 1 die Widerstandswerte Rsn und Rcn für die Hallelemente 21b und 21e den gleichen Wert, aber entgegengesetzte Vorzeichen. Daher kommen die Fehlausgleichspannung-Komponenten der Hallelemente 21b und 21e an den Ausgangsanschlüssen T1 und T2 nicht in Erscheinung. Falls die Anzahl der Hallelemente größer als ungefähr "20" ist, so daß die Fehlausgleichsspannungen um 0 V herum eine Normalverteilung oder eine Zufallsverteilung haben, ist es möglich, den Einfluß der Fehlausgleichspannung- Komponenten der jeweiligen Hallelemente größtenteils auszuschalten. D. h., wenn die Anzahl der Hallelemente größer als "20" ist, wird die Einwirkung der Fehlausgleichspannung- Komponenten beträchtlich verringert, da anzunehmen ist, daß die Abweichungen der Fehlausgleichspannung- Komponenten statistisch eine Normalverteilung oder eine Zufallsverteilung zeigen.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde als bewegter Körper der vielpolige Magnet mit Magnetpolen verwendet, die in der vorbestimmten Polteilung ℓ angeordnet sind und abwechselnd entgegengesetzte Polaritäten haben. Alternativ kann beispielsweise ein Verfahren angewandt werden, bei dem Änderungen eines Magnetfelds durch ein ferromagnetisches Zahnrad und einen Vormagnetisierungs-Permanentmagneten hervorgerufen werden, was als Reaktanz-Verfahren bekannt ist. Ferner kann als Meßelement anstelle des Hallelements ein ferromagnetisches Dünnfilm-Widerstandselement, ein magnetoresistives Element oder dergleichen eingesetzt werden. Weiterhin besteht hinsichtlich des bewegten Körpers keine Einschränkung auf einen Drehkörper wie den Rotor 103. Vielmehr kann der bewegte Körper wie bei einem bekannten linearen Codierer bzw. Wegmeßgeber gestaltet sein, bei dem der Körper geradlinig versetzt wird.

Das erste Ausführungsbeispiel wurde anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem die Hallelemente 21a bis 21f in gleichen Abständen angeordnet sind. Es kann jedoch der Fall auftreten, daß bei der tatsächlichen Herstellung Positionierungsfehler auftreten. Diese Fehler können dadurch behoben werden, daß unter fortgesetztem Drehen des Rotors 103 die Phasen der Ausgangssignale SH1 bis SH6 der Hallelemente 21a bis 21f gemessen werden und entsprechend der Phasendifferenz auf geeignete Weise die Widerstandswerte Rsn und Rcn geändert werden. D. h., es besteht bei diesem Ausführungsbeispiel keine Einschränkung hinsichtlich der Stellen, an denen die Hallelemente angeordnet sind, weil die Widerstandswerte Rsn und Rcn die Sinuskoeffizienten und die Cosinuskoeffizienten bestimmen und entsprechend den Phasendifferenzen der Wellensignale festgelegt werden können, die den Magnetfeldern entsprechen, welche an den Stellen erfaßt werden, an denen die jeweiligen Hallelemente angeordnet sind. Infolge der Möglichkeit einer Korrektur mit den Sinus- und Cosinuskoeffizienten ist in der beschriebenen Lagemeßvorrichtung keine hohe Genauigkeit hinsichtlich der Lageanordnung der Hallelemente erforderlich.

Als nächstes werden anhand der Fig. 6A bis 6C jeweils der Aufbau und die Funktion der Lagemeßvorrichtung gemäß einem zweiten bis vierten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das vorstehend beschriebene erste Ausführungsbeispiel und diese weiteren Ausführungsbeispiele unterscheiden sich voneinander nur hinsichtlich der Anordnung der Hallelemente. Daher wird im folgenden nur die Anordnung der Hallelemente erläutert.

Fig. 6a, 6B oder 6C zeigt jeweils eine Elementanordnung für den Fall, daß im Vergleich zu der Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 Hallelemente 71a bis 71d (und nicht dargestellte Elemente 71e und 71f), 72a bis 72f oder 73a bis 73f verhältnismäßig groß sind oder die Anbringungsfläche der Hallelemente auf einem Substrat oder dergleichen verhältnismäßig groß ist, so daß nicht alle benötigten Hallelemente 71a bis 71f, 72a bis 72f oder 73 bis 73f innerhalb der Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 angeordnet werden können.

Gemäß Fig. 6A sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Hallelemente 71a bis 71f in einem Teilungsabstand ls angeordnet, der gleich ℓ=(ℓ/n) ist, wobei n die Anzahl der Hallelemente ist. In diesem Fall können wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel Signale mit einer der Anzahl der Hallelemente entsprechenden Anzahl von Phasen aus den jeweiligen Hallelementen 71a bis 71f erhalten werden. Infolgedessen können durch das Zuführen der Ausgangssignale der Hallelemente 71a bis 71f zu einer Ausnahmeschaltung, die derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels gleichartig ist, zwei sinusförmige Wellen bzw. Signale erhalten werden, die der Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 entsprechen.

Da die Phasen der aus einer Vielzahl von Hallelementen erhaltenen Meßsignale gegeneinander um 360°/(Anzahl der Hallelemente) verschoben sein können, können gemäß Fig. 6B bei einem dritten Ausführungsbeispiel in gleichen Abständen Sätze aus zwei Hallelementen oder gemäß Fig. 6C bei einem vierten Ausführungsbeispiel in gleichen Abständen Sätze aus drei Hallelementen angeordnet werden.

Das in Fig. 6C gezeigte Ausführungsbeispiel ist derart gestaltet, daß die Aufeinanderfolge der Phasen der von den Hallelementen 73a bis 73f abgegebenen Signale und die Aufeinanderfolge der Anordnung der Hallelemente voneinander verschieden sind.

Gemäß der JP-A-63-225 124 wird ein bestimmter Elementeteilungsabstand dazu benutzt, die höheren Harmonischen gegeneinander aufzuheben. Demgegenüber sind erfindungsgemäß die Hallelemente zwar im wesentlichen in gleichen Teilungsabständen angeordnet, jedoch werden die höheren Harmonischen dadurch aufgehoben bzw. unterdrückt, daß die Signale aus den Hallelementen der diskreten Fouriertransformation unterzogen werden. Der Elementeteilungsabstand gemäß Fig. 6A, 6B oder 6C wird derart gewählt, daß die Hallelemente an Stellen angeordnet sind, an denen die gleichen Ausgangssignale wie diejenigen bei der Anordnung der Hallelemente in gleichen Abständen für die Polteilung ℓ erhalten werden.

Nachstehend wird anhand der Fig. 7, 8A und 8B die Lagemeßvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel beschrieben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die jeweiligen Ausgangssignale von Hallelementen 8a bis 8f nach dem Verstärken in Differenzverstärkern 801 bis 806 selektiv über einen Multiplexer 807 in einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 808 zur Umsetzung in digitale Signale eingegeben, an denen eine Zentraleinheit (CPU) 809 eine vorbestimmte Rechenverarbeitung ausführt.

Der Inhalt der von der Zentraleinheit 809 ausgeführten Verarbeitung ist durch ein Ablaufdiagramm veranschaulicht, das als Ganzes in Fig. 8A und 8B gezeigt ist.

Gemäß Fig. 8A und 8B wird bei einem Schritt 910 eine Anfangseinstellung vorgenommen, wonach bei einem Schritt 920 mittels des Multiplexers 807 derart umgeschaltet wird, daß die der A/D-Umsetzung zu unterziehenden Signale gewählt werden. Bei einem Schritt 930 wird an den A/D-Wandler 808 ein Startbefehl für eine A/D-Umsetzung abgegeben, wonach bei einem Schritt 940 ermittelt wird, ob die A/D-Umsetzung beendet ist oder nicht. Sobald die A/D-Umsetzung beendet ist, schreitet das Programm zu einem Schritt 950 weiter, bei dem die umgesetzten Signale vorübergehend in einem Arbeitsspeicher (RAM) der Zentraleinheit 809 gespeichert werden. Bei einem Schritt 960 wird ermittelt, ob alle von den Hallelementen 8a bis 8f abgegebenen Signale in digitale Signale bzw. Daten umgesetzt und in die Zentraleinheit 809 eingegeben worden sind oder nicht. Wenn die Ermittlung bei dem Schritt 960 ergibt, daß noch nicht alle Daten in die Zentraleinheit 809 eingegeben wurden, kehrt das Programm zu dem Schritt 920 zurück. Wenn andererseits das Eingeben alle Signale bzw. Daten abgeschlossen ist, schreitet das Programm zu einem Schritt 970 weiter. Bei dem Schritt 970 werden mit eingegebenen Daten Di folgende Rechenvorgänge ausgeführt:

wobei i eine Datennummer oder Elementenummer ist und n die Gesamtanzahl der Elemente ist.

Nachdem gleichzeitig wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Berechnung der gewichteten Summen gemäß den Gleichungen (8) und (9) ausgeführt worden ist, werden bei einem Schritt 980 die Vorzeichen der Rechenergebnisse V1 und V2 bewertet. D. h., da vier Zustände auftreten können, nämlich ein erster Zustand a, bei dem die Rechenergebnisse V1 und V2 beide das positive Vorzeichen haben, ein zweiter Zustand c, bei dem die Ergebnisse V1 und V2 beide negatives Vorzeichen haben, ein dritter Zustand b, bei dem V1 positiv ist und V2 negativ ist und ein vierter Zustand d, bei dem V1 negativ ist und V2 positiv ist, wird ermittelt, welchem der vier Zustände a bis d der relevante Zustand entspricht. Bei einem Schritt 990 werden dann die Absolutwerte der Rechenergebnisse V1 und V2 bestimmt. Bei einem Schritt 1000 wird entsprechend den bei dem Schritt 980 festgestellten Vorzeichen der Rechenergebnisse V1 und V2 aus Schritten 1010 bis 1040 derjenige Schritt gewählt, in welchem ein Winkel berechnet werden soll. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Lage eines Magnetpols als ein Winkel gegen die jeweiligen Phasen der Rechenergebnisse V1 und V2 als zwei sinusförmige Wellen mit der Polteilung ℓ des vielpoligen Magneten 1 als eine Periode (360°) ausgedrückt. Zum Bestimmen eines Winkels für diese Lage in einem Bereich von 0 bis 360° erfolgt die Winkelberechnung bei den Schritten 1010 bis 1040 entsprechend den vier Zuständen a bis d, die gemäß den positiven oder negativen Vorzeichen der Rechenergebnisse V1 und V2 bestimmt sind.

Da gemäß den vorstehenden Ausführungen bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausgangssignale der Hallelemente 8a bis 8f in digitale Signale umgesetzt werden, können die den Lagen der Magnetpole entsprechenden Winkel direkt durch die Zentraleinheit 809 ermittelt werden. Ferner sind verschiedenerlei Signalaufbereichtungen wie das Unterdrücken von Störsignalen möglich. Da jedoch andererseits für die Rechenverarbeitung usw. Zeit benötigt wird, ergibt sich für die Lagemessung eine Ansprechzeit in einem gewissen Ausmaß.

Bei einem Lagemeßverfahren zum Ermitteln des Ausmaßes der Bewegung eines bewegten Körpers aus zwei sinusförmigen Signalen mit einer Phasendifferenz von 90°, die aus einer Vielzahl von bei der Bewegung des Körpers von einer Vielzahl von Meßelementen abgegebenen Wellensignalen gewonnen werden, werden entsprechend den Phasendifferenzen zwischen den Ausgangssignalen der Meßelemente Sinuskoeffizienten und Cosinuskoeffizienten bestimmt, um in den sinusförmigen Signalen enthaltene Verzerrungskomponenten zu verringern und dadurch die Genauigkeit zu verbessern. Die Ausgangssignale der Meßelemente werden durch diskrete Fouriertransformation mit den Sinus- und Cosinuskoeffizienten in die sinusförmigen Signale umgewandelt, die völlig verzerrungsfrei sind oder nur geringe Verzerrungskomponenten enthalten. Im einzelnen werden die Ausgangssignale der Meßelemente mit den Sinuskoeffizienten und den Cosinuskoeffizienten multipliziert und die Summen der mit den Sinuskoeffizienten multiplizierten Signale und der mit den Cosinuskoeffizienten multiplizierten Signale gebildet. Die Werte der beiden Summen ergeben zwei sinusförmige Signale, die eine Phasendifferenz von 90° haben und die als verzerrungsfreie bzw. oberwellenfreie Grundwellen herangezogen werden. Irgendwelche Fehler hinsichtlich der Anbringungsstellen der Meßelemente können auf einfache Weise durch geeignetes Ansetzen der aus den Sinus- und Cosinuswerten der Phasendifferenzen zwischen der Vielzahl von Wellensignalen bestimmten Sinus- und Cosinuskoeffizienten korrigiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Lage eines bewegten Körpers unter Anwendung zweiter sinusförmiger Signale mit einer Phasendifferenz von 90°, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vielzahl von Wellensignalen, die entsprechend dem Bewegungsausmaß des Körpers periodisch von einer Vielzahl von Meßelementen abgenommen werden, mit auf Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen basierenden Sinuskoeffizienten und Cosinuskoeffizienten multipliziert wird,
eine Summe der Werte der mit den Sinuskoeffizienten multiplizierten Produkte und eine Summe der Werte der mit den Cosinuskoeffizienten multiplizierten Produkte gebildet werden, um aus den Summen die beiden sinusförmigen Signale zu erzeugen, und
die Lage des bewegten Körpers aus den beiden sinusförmigen Signalen bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Vielzahl von Meßelementen Änderungen der Magnetflußdichte eines vielpoligen Magneten an dem bewegten Körper erfaßt und die erfaßten Änderungen in die Wellensignale umgesetzt werden, wobei die Meßelemente entlang der Bewegungsrichtung des Körpers unter Einhalten einer vorbestimmten Lagebeziehung zu einer Reihe von Magnetpolen des vielpoligen Magneten aufgereiht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Lagebeziehung zwischen den Meßelementen und dem vielpoligen Magneten derart gewählt wird, daß bei der Bewegung des Körpers von den Meßelementen jeweils die Wellensignale abgegeben werden, die gegeneinander um die Phasendifferenzen phasenverschoben sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Phasendifferenzen der Wellensignale 2πi/n sind, die Sinuskoeffizienten sin2πi/n sind und die Cosinuskoeffizienten cos2πi/n sind, wobei n die Anzahl der Wellensignale ist und i die Wellensignal-Nummer ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Wellensignale SHi sind, wobei i die Wellensignalnummer ist, die beiden sinusförmigen Signale mit der Phasendifferenz von 90° Werte erhalten, die jeweils proportional sind zu

6. Verfahren nach einem der Verfahren 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß für das Multiplizieren entsprechend der Anzahl n der Wellensignale 2n Widerstandselemente vorgesehen werden, die eine erste und eine zweite Widerstandselementegruppe bilden, von denen jede n Widerstandselemente enthält, die Widerstandswerte für die erste Widerstandselementegruppe gemäß einer Gleichung Rsn=Rs/sinΦn und für die zweite Widerstandselementegruppe gemäß einer Gleichung Rnc=Rs/cos Φn bestimmt werden, wobei Rs ein Bezugswiderstandswert ist und Φn die Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen sind, und jedes der Wellensignale mit einer Phasendifferenz an jeweils entsprechende zwei Widerstandselemente aus der ersten bzw. zweiten Widerstandselementgruppe angelegt wird, wobei die Widerstandswerte der zwei Widerstandselemente unter Ansetzen der gleichen Phasendifferenz wie die Phasendifferenz des angelegten Wellensignals bestimmt wurden, und daß
für das Bilden der Summen die über die Widerstandselemente in den jeweiligen Widerstandselementegruppe geleiteten Wellensignale addiert werden, um die jeweiligen sinusförmigen Signale zu erhalten, wobei die Wellensignale, die über Widerstandselemente geleitet werden, deren berechnete Widerstandswerte negativ sind, im Vorzeichen invertiert und dann addiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellensignale in digitale Signale umgesetzt werden und in eine Zentraleinheit eingegeben werden, aus der ein einen Drehwinkel des bewegten Körpers anzeigendes Signal abgegeben wird, und daß Berechnungen gemäß Gleichungen ausgeführt werden, wobei Di ein dem eingegebenen Wellensignal entsprechendes digitales Signal ist, n die Anzahl der Wellensignale ist und i die Nummer der Digitalsignal-Daten ist, daß unterscheidend entsprechend der Kombination von positiven und negativen Vorzeichen der Werte V1 und V2 Vorzeichenzustände mit einem ersten Zustand, bei dem V1 und V2 beide positive sind, einem zweiten Zustand, bei dem V1 und V2 beide negativ sind, einem dritten Zustand, bei dem V1 positiv ist und V2 negativ ist, und einem vierten Zustand bestimmt werden, bei dem V1 negativ und V2 positiv ist, daß die Absolutwerte von V1 und V2 ermittelt werden und daß mit den ermittelten Absolutwerten |V1| und |V2| ein Rechenvorgang tan^-1|Φ2/Φ1| ausgeführt wird, wodurch der Drehwinkel des bewegten Körpers unter Berücksichtigung eines der Vorzeichenzustände bestimmt wird.

8. Lagemeßverfahren für das Messen der Lage eines bewegten Körpers unter Anwendung zweier sinusförmiger Signale mit einer Phasendifferenz von 90°, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vielzahl von Wellensignalen aus Meßelementen entsprechend dem Bewegungsausmaß des Körpers aufgenommen wird,
Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen bestimmt werden,
Sinus- und Cosinuskoeffizienten entsprechend den Sinus- und Cosinuswerten gemäß den Phasendifferenzen ermittelt werden,
jedes der Wellensignale mit Phasendifferenz mit dem entsprechenden Sinuskoeffizienten und Cosinuskoeffizienten multipliziert wird, wobei die entsprechenden Koeffizienten die gleiche Phasendifferenz wie die Phasendifferenz des jeweils multiplizierten Wellensignals haben, um dadurch zwei Sätze von Produkten zu erhalten,
eine Summe des einen der Sätze der Produkte mit den Sinuskoeffizienten und eine andere Summe des anderen Satzes der Produkte mit den Cosinuskoeffizienten gebildet werden, um dadurch die beiden sinusförmigen Signale mit der Phasendifferenz von 90° zu erzeugen, deren Signalwerte zu den jeweiligen Summierungsergebnissen proportional sind, und
die Lage des bewegten Körpers aus den beiden sinusförmigen Signalen ermittelt wird, die aus den Summierungen erhalten werden.

9. Lagemeßvorrichtung zum Messen der Lage eines bewegten Körpers unter Anwendung zweier sinusförmiger Signale mit einer Phasendifferenz von 90°, gekennzeichnet durch
eine Multipliziereinrichtung (Rs1 bis Rs6, Rc1 bis Rc6, Rs) zum Multiplizieren einer Vielzahl von Wellensignalen (SH1 bis SH6), die entsprechend dem Bewegungsausmaß des Körpers periodisch von einer Vielzahl von Meßelementen (21a bis 21f) abgegeben werden, mit dem Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen entsprechenden Sinus- und Cosinuskoeffizienten,
eine Addiereinrichtung (307 bis 312), die eine Summe der Werte der mit den Sinuskoeffizienten multiplizierten Produkte und eine andere Summe der Werte der mit den Cosinuskoeffizienten multiplizierten Produkte bildet, um aus den Summen die beiden sinusförmigen Signale zu erzeugen, und
eine Einrichtung zum Bestimmen der Lage des bewegten Körpers aus den beiden sinusförmigen Signalen.

10. Lagemeßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (21a bis 21f) Änderungen der Magnetflußdichte eines vielpoligen Magneten (1) an dem bewegten Körper (103) erfassen und die erfaßten Änderungen in die Wellensignale (SH1 bis SH6) umsetzen, wobei die Meßelemente in der Bewegungsrichtung des bewegten Körpers unter Einhalten einer vorbestimmten Lagebeziehung zu einer Reihe der Magnetpole des vielpoligen Magneten aufgereiht sind.

11. Lagemeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Lagebeziehung zwischen den Meßelementen (21a bis 21f) und dem vielpoligen Magneten (1) derart gewählt ist, daß bei der Bewegung des bewegten Körpers (103) die jeweils von den Magnet-Meßelementen abgegebenen Wellensignale gegeneinander um die Phasendifferenzen phasenverschoben sind.

12. Lagemeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzen 2πi/n sind, die Sinuskoeffizienten sin2πi/n sind und die Cosinuskoeffizienten cos2πi/n sind, wobei n die Anzahl der Wellensignale ist und i eine Wellensignal-Nummer ist.

13. Lagemeßvorrichtung, die ein bewegtes Teil und ein feststehendes Teil aufweist und in der entsprechend der Lage des bewegten Teils zwei sinusförmige Signale mit einer Phasendifferenz von 90° erzeugt werden, die zum Ermitteln der Lage des bewegten Körpers herangezogen werden, gekennzeichnet durch
einen an einem der Teile angebrachten vielpoligen Magneten (1) mit einer Vielzahl von abwechselnd in entgegengesetzten Polaritäten magnetisierten Magnetpolen in vorbestimmten Abständen,
einer Vielzahl von an dem anderen der Körper dem Magneten gegenübergesetzten Meßelementen (21a bis 21f) zum Erfassen eines von dem Magneten erzeugten Magnetfeldes und zum Umsetzen des Magnetfeldes in ein Wellensignal (SH1 bis SH6),
eine Multipliziereinrichtung (Rs1 bis Rs6, Rc1 bis Rc6, Rs) zum Multiplizieren der Wellensignale aus den Meßelementen mit den Phasendifferenzen zwischen den Wellensignalen entsprechenden Sinus- und Cosinuskoeffizienten und
eine Summiereinrichtung (307 bis 312), die zum Bilden der beiden sinusförmigen Signale mit der Phasendifferenz 90° die Summe aus den Werten der mit den Sinuskoeffizienten multiplizierten Produkte und die Summe aus den Werten der mit den Cosinuskoeffizienten multiplizierten Produkte bildet.

14. Lagemeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole des vielpoligen Magneten (1) in einer Reihe an dem bewegten Körper (103) angeordnet sind und daß die Meßelemente (21a bis 21f) durch eine Gruppe von Hallelementen gebildet sind, die feststehend an einem Gehäuse (101) angebracht sind, welches den bewegten Körper bewegbar lagert und den feststehenden Körper bildet.