JP2012500392A - デジタル式角度位置センサを用いた角速度の動的検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば電気モーターの制御のためのデジタル式角度位置センサを用いた角速度検出のための方法及び装置に関している。本発明では、出力信号中の直接の跳躍的形態の離散時間的な変化を考慮することに代えて、出力信号中に含まれる検出された角速度変化の（増加）成分のみが考慮される。このことは、不完全な精度のセンサホイールにおける平滑化された経過を可能にする。さもないとこのような不精度は、制御によって不要な反応を引き起こす。それに対して強い角速度変化は、それに係わっている真の加速を制御中に考慮するために直接再現される。

Description

本発明は、センサホイールの位置を検出するデジタル式角度位置センサを用いた回転速度検出に基づいている。シャフト、例えば電気機械（モーター）のシャフトの回転速度を検出するためには、センサホイールがシャフトに連結され、該センサホイールの縁部に設けられる複数のマーキングの検出によって回転が検出される。これらのマーキングは所定の角度位置に相応しており、それによって角度位置センサの信号は例えばクロック信号エッジなどによって所定の角度位置に対応する時点を示す。この角度位置ないし角速度は、直接測定されるのではなく、順次連続する２つの異なる角度位置に相応する２つの時点の間で経過した持続時間から算出される。しかしながらそのように検出された瞬時の角速度には、センサホイール上のマーキングの不正確な配置が原因で引き起こされるエラーも含まれる。例えば前記センサホイールがそれほど高精度には製造されていないか、または複数のマーキングに変形若しくは汚れが生じているような場合には、そのような欠陥によって時間的にずれのある角度位置信号が発生してしまい、そのような信号は、センサホイール自体が実際には安定した速度で回転していたとしても、その回転経過中に変動を伴う瞬時角速度を導出してしまう。

そのためそのような角速度信号は、特に動的な制御過程のもとでは動特性に悪い影響を及ぼすノイズを伴って現われる。例えば内燃機関や電気機械、中でもハイブリッド車両や電気自動車の駆動部に用いられる電気機械においては、非常に短い応答時間の中で角速度が非常に高い動特性のもとで制御される必要がある。

所定の持続時間に亘るか又は一回転若しくは複数回転に亘る角速度の平均化は、特に高精度な動的制御には欠かせない高周波成分を、角速度信号から除去してしまう。だからセンサホイールの不精度に起因するノイズは、センサ信号の動特性に重大な欠陥を引き起こすことなく平均化によって簡単に低減されるものではない。

独国特許出願公開第１０２ ００ ５０４号明細書からは、センサディスクにおいてマーキングギャップが現われた場合のシミュレートされたセンサ経過を生成するための方法が開示されている。この場合測定された複数の角度位置信号からさらなる角度位置経過がギャップの推定のために外挿される。この公知文献は角度信号の外挿法ないし補外法に係わり、角速度の検出に焦点を当てたものではない。特にこの文献では、センサディスクの歯の配置構成に問題があって生じるエラーには着目しておらず、単にセンサホイール上のマーキングの完全な欠落によって生じるギャップの推定に関与しているだけである。

独国特許出願公開第１０２ ５８ ８４６号明細書には、絶対角度位置に関する情報提供を可能にする角速度検出のための装置が開示されている。しかしながらこの公知文献でも前述の独国特許出願公開明細書のように、センサ信号の不精度に基づく角速度信号エラーを掘り下げて着目したものではない。

従って前述したような従来技法による角速度の検出機構は、高い動特性の制御過程において、センサホイールの不精度に基づく不要な制御器調整過程を引き起すはめとなるような欠点を有している。すなわちこの不要な制御器調整過程は、一方では、臨界的なピーク電流を引き起こしかねない欠点をはらみ、他方では、センサホイールの精度向上に必然的に伴う高いコストと、汚れや変形に極度に敏感になる欠点も含む。

それ故に本発明の課題は、動的な制御過程においても良好な制御特性が可能となる、角度検出機構を提供することである。

発明の開示
本発明は、センサホイールの不精度によって引き起こされるエラーの明らかな低減を可能にするものであり、同時に、速度変化が生じた場合にも動特性が損なわれるようなことはない。従って所定の製造誤差のあるセンサホイールを備えた安価な角度位置センサも利用することが可能である。それと同時に本発明は、シャフトの加速によって実際に生じた角速度変化も直ちに識別することが可能である。その場合の速度変化は、全面的にかつ直接的に検出される。それにより、角速度は高い動特性のもとで制御可能となり、センサホイールの不精度によって（つまり角速度の変化によってではなく）生じる不所望な制御過程を引き起こすことはない。

本発明の考えは、離散時間的角度位置信号ないしはそこから算出された角速度値が直ちに送出されないことを基礎としている。順次連続する角度位置に対応付けられる、順次連続する２つの検出時点の間のずれにおいては、このずれが直ちに新たな値として階段状の跳躍的な信号形態で送出されるのではなく、本発明によって次のような角速度信号経過として送出される。すなわち２つの順次連続する角度位置の間で、角速度差の極性に相応して上昇若しくは下降する連続した角速度信号経過として送出される。それにより、離散時間的に検出される角速度が再現されるが、但しこれは跳躍的な経過特性の信号シーケンスとしてではなく、連続した上昇線又は下降線として再現されるものとなる。

別の有利な実施例によれば、角速度経過は、全く新たに検出された角速度まで上昇するのではなく、正の値でかつ１よりも小さい成分までしか上昇しない。この有利な実施形態は、さらに有利には角速度変化と比較される閾値と組み合わされる。速度変化が閾値以下の場合には、この速度変化の全てがではなくてその一部のみが転送され、閾値以上の場合には、この速度変化が直接かつ全て、上昇縁若しくは下降縁で転送される。それによりセンサホイールの不精度によって引き起こされる僅かな角速度変化のもとで、実際には生じていない速度変化とセンサホイールによって生成された変化のみが一方では非跳躍的にそして他方ではその一部だけが表示され得る。角速度変化が閾値を超えて存在する実際の加速度が生じた場合には、これが直ちに制御部に転送され、それによって測定された瞬時の角速度が送出され、制御部が慣用的手段により角速度変化に応答する。

それ故に閾値に対して有利には、角度検出の際に通常のセンサホイールの不精度によって生じる変動に相応した値が選択される。この不精度は角度エラーを直接的に引き起こすが角速度（とそのエラー）には直接関わりがないので、前記閾値は角度に関連して一定の形態で設けられる。すなわち例えば角速度に対し目下の回転数による除算によって正規化され得る。別の言葉を用いれば、閾値は有利には回転数の増加と共に低減する。なぜなら閾値は絶対角度検出においてエラーの消去（フェードアウト）のために用いられるからである。これは回転数が高い場合に低い回転数のときよりも強い影響を角速度に及ぼす。さらに前記正規化は、ファクター、正規化回転数／目下の回転数、を用いた乗算によって実施されてもよい。この場合は正規化回転数が任意に選択でき、一定である。同時に閾値は制御の動的要求も考慮すべきであり、制御器の（迅速な）反応を要求する速度ジャンプ（跳躍的経過）に相応する値以下であり得る。すなわち、速度ジャンプは、その絶対値レベルから実際の加速値が推定できるが、センサホイールのエラーないしノイズだけで説明がつくものでもない。回転数に対する閾値を正規化する代わりに、（規定回転数に対して）検出された速度変化が正規化されてもよい。さらに一定の閾値、若しくは以下で説明するようなさらなる閾値が用いられてもよい。

閾値に基づいて、前述した２つの作動モードのうちの一方または他方を用いるかどうか決定する代わりに、（連続的な）重み付け手法を用いることも可能である。その際には、成分ファクター毎及び線形経過毎に減衰する角速度変化は、角速度信号の送出時に考慮される度合いが少なければ少ないほど、検出される角速度変化を大きくする。さらにこれについては２つの閾値が用いられてもよい。その際に角速度変化が第１の閾値よりも下方にある場合には、送出される角速度信号では、連続的な上昇ないし下降経過を伴う比例した角速度変化のみが用いられ、それに対して第２の閾値よりも上方にある場合には、専ら検出された角速度変化が直接的にかつ完全に、送出される角速度信号に含まれる。そしてこの送出された角速度信号は制御に用いられる。

本発明の基礎を成す構想は実質的には次のようなことに関係している。すなわち少なくとも、僅かな角速度変化のもとでは、この角速度変化が直接的かつ完全に転送されるのではなく、単に成分として、有利には連続した上昇ないし下降経過として転送され、離散時間的ないし離散角度的な角度検出による角度信号のもとで生じるような信号エッジの形態ではない。ここでの離散時間的な角度検出とは、所定の角度位置に相応する信号のみ、特に時間マークのみが検出されるような検出機構である。ここでの時間マークは通常は１つの連続した信号内での２つの異なるレベル間の信号エッジ経過として再現される。そのように用いられる２つの信号レベルに基づいて本発明のこのような手法は、デジタル式角度検出とも称される。但しこの角度検出は、連続的に実施されて（任意の）各時点毎に１つの角度位置が送出されるのではなく、実質的には固有の角度位置においてのみ行われる。ここでは回転運動によって、個々の時点と所定の角度位置とが一義的に結び付けられるので、離散的な角度検出が可能となる。本発明はこのような離散的な角度検出をベースとしているため、離散時間的な検出とも離散角度的な検出ともみなされる。

本発明によれば、複数の角度位置のうちの２つの間の持続時間が検出され、この場合通過した角度を所属の持続時間で除算することによって角速度が求められる。このことは本発明によれば規則的に実施される。すなわち、有利には、所定の角度位置を占めるたびに実施される。これは相応の信号特徴、例えば信号エッジを伴って現れる。角速度を求めるためには、所定の角度位置を占める第１及び第２の時点が検出される。この場合の角速度は、通過した角度を通過した時間で除算することによって得られる。同じようにして第２の角速度も有利には、第１の角速度の直後に検出される。それにより第１の角速度の検出の際の第２の角度位置は、第２の角速度の算出の際に再び利用される。第２の角速度の算出に対しては、第３の角度位置への到達が検出される。ここでもそれぞれの時点が、それによって生じる持続時間と、第２と第３の角度位置の間の角度差とから検出され、角度差分と持続時間の間の比が形成される。

従来技法によれば、第２の検出された角速度は制御のための算出の直後に転送される。その場合の制御には、当該の自然発生する跳躍的変化に従って制御手段が導入される。

本発明によれば、第２の角速度と第３の角速度の間の角速度変化が検出される。すなわち第２の角速度−第１の角速度による差分が形成される。速度の増加、すなわち、角速度の変化は、加速に相当する。既に冒頭でも述べたように、加速はシャフトの実際の速度増加若しくは速度低下によって現れる。あるいはセンサホイールの精度欠陥によっても現れる。それ故に本発明では、第２の角速度は例えば制御部に直ぐには送出されず、第３の角度位置に相応する出力角速度が人為的に低減された角速度変化を伴って送出される。すなわち、第１の出力角速度として、先行する時間間隔の間ないしは先行する時間間隔の終了時に送出された角速度が送出され、これには第１及び第２の角速度を用いて求められた角速度変化の一部のみ（全部の角速度変化ではない）が加算される。それによって、得られる出力角速度は、第２の角速度に完全に相応するのではなく、角速度変化の減衰された成分を含めた事前に送出された角速度のみに相応するだけである。特に有利には、第３の角度位置の時点の角速度変化の成分がゼロであり、それによって第３の角度位置の時点では事前に送出された角速度が送出され、第２の角速度若しくは角度変化分の全てを含んだ事前に送出された角速度は送出されない。換言すれば、第２の角速度は検出はされるが、次のような出力角速度として送出されることはない。すなわち、事前に送出された角速度（＝先行する時間間隔の出力角速度）で開始され、そこから有利にはリニアに増加する、すなわち角速度成分がゼロから連続的に上昇する角速度変化分として考慮される出力角速度である。有利には後続の角度間隔に対する角速度変化の成分が完全にではなく、値１よりも小さい成分だけが第１の角速度との加算のために用いられる。角度間隔の終端に係わる成分ないしは角速度変化による線形経過のケースにおける成分の上昇勾配は有利には次のように選択される。すなわち、角度間隔の終端にて角速度変化が完全に考慮されるのではなく、角度間隔の終端に対して第１と第２の角速度値の間に存在する角速度値が提供されるように選択される。前記角度間隔は、第３の角度位置によって開始され（さらに第２の角速度の送出の開始も表しており）、第２の角速度検出後の第３の角速度検出のために終了するか、又は第１、第２、第３の角度位置並びに所属の持続時間に基づいて後続の角速度検出間隔の終端として補外された時点における検出間隔で終了する。

本発明によれば、角速度は第１の角度位置と第２の角度位置の間、すなわち第１の角度間隔内で求められ、さらに第２の角速度は、それに続く第２の角度位置と第３の角度位置の間の角度間隔において求められる。これらの２つの角速度の間で生じる差分、すなわち角速度変化分は、事前に出力された角速度から出発して（あるいは、正規化された若しくは正規化されていない角速度変化分が事前に強く表れた場合には事前に検出された第１の角速度から出発して）、角速度差分の（ゼロ若しくは限りなく小さな値から出発して）増加した成分と共に第２の角度間隔に対して送出される。この成分は連続的に若しくは有利にはリニアに上昇し、所定の例えば勾配を有している。この成分は（第２の角度間隔に続く）後続する角度間隔の開始時点若しくは目下の角度間隔の終了時点における値１よりも小さい値、例えば０．１，０．２，０．３，０．５，０．７である。リニアな上昇経過の代わりに第３の角度間隔に対する成分の任意の経過、例えば角度間隔の開始に対する成分を定める加算定数を伴った比例的な上昇経過、複数の段状部を備えた階段状の上昇経過（これは角速度差分の絶対値の積分によって得られる）なども選択可能である。しかしながら全角度間隔内の角速度変化の上昇成分が値１よりも小さく、比例した角速度変化分が角速度変化分自体よりも小さいことが保証されるならば、センサホイールにおける不精度は角速度検出の際により少ない規模でしか影響を及ぼさない。

代替的に、角度間隔区分に対する成分が値１よりも小さいならば、この角度間隔区分は所定の角度間隔で開始され、角度間隔の前に終了する。角度間隔の開始に関する第１の成分値とそれに対応する上昇値の代わりに、第２の成分値が定められてもよい。この第２の成分値に対しては、第１の成分値が単調に若しくは極めて単調に上昇して高められる。その場合第２の成分値は角度間隔の終了時点で達成されるか、角度間隔区分の終了時点で達成される。既に前述したように、第１の成分値は有利には値ゼロにあり、それに対して第２の成分値は第１の成分値よりも大きく例えば３０％〜４０％の範囲にあり、さらに第１の成分値のように値１よりも小さい。前記成分値は、角速度変化を出力角速度へ移行させる重み付けに相応する。

成分自体は事前に定められてもよいし、センサホイールの不精度のみに由来しない大きな角速度変化分が相応に出力角速度に影響しないようにするために、角速度変化分の絶対値に従って方向付けされてもよい。さらに前述した方法は、角速度変化分の影響量低減のために用いられてもよい。それによりここでは実際に経過している加速過程への動的な応答が、回転数に対して正規化される閾値上方にある角速度変化分の制御によって可能となる。これにより例えば速度変化の絶対値が閾値と比較され、その際の角速度変化分が閾値よりも小さい時には、角速度変化分の１つの成分のみが場合によっては相応の経過を伴って、出力される角速度へ導入され、それに対して閾値を上回っている場合には、比例した影響量のみが破棄され、その代わりに速やかに（すなわち"緩やかな経過"なしで）完全な角速度変化分が直ちに（すなわち跳躍的に）出力角速度に関与する。換言すれば、角速度変化分を上回った場合には、前述したような合成された角速度（すなわち第１の角速度＋変化分）に代えて、第２の角速度が直接出力される（すなわち目下通過した角度間隔の所属持続時間による除算計算の直後）。代替的に角度信号を、実際に算出された角速度（第２の角速度）と、速度変化成分のみが伝送されることによってその動特性が前述したように出力角速度として減衰された角速度との重み付けされた和として出力されてもよい。この重み付けは、有利には（回転数に対して正規化若しくは非正規化された）角速度変化分の絶対値に従って定められる。それにより第２の元の角速度の重み付けが角速度変化分の絶対値の増加に伴って増加し、合成された角速度、すなわち比例した考慮されるべき角速度変化分の重み付けが、角速度変化分の絶対値でもって低減される。重み付けの計算に対しては、次のような線型モデル、
ｙ＝ｃ０＋ｘ×ｃ１
が利用され得る。この場合前記ｙは、実際の第２の角速度変化分の重み付けであり、当該ｙは、角速度変化分の絶対値を表し、ｃ０ないしｃ１は一定である。減衰された動特性を用いた角速度の重み付け計算のために、１つのモデルが使用され、それに従って２つの重み付け（ｙ）が一定となる。

さらに一般的に前記成分の経過の不要な制御手段の低減のために、できるだけ"平滑化"ないしは連続化が実施される。その場合にはその時間導関数が全ての角度間隔に対して所定の閾値よりも下方にあり、さらにその時間導関数が角度間隔区分の始端若しくは終端において有利にはゼロである。例えば値０…Ｐｉに対して（近似される）逆正接関数又は（近似される）ｙ軸方向にシフトされた余弦関数（二乗余弦）などである。このことは、特にセンサホイールの不精度を低減する角速度変化の緩やかな緩和を可能にする。前記成分の経過はソフトウエア、ハードウエア、またはこれらの組み合わせによって形成され、有利には、ルックアップテーブル（角度間隔内の角度ずれに対する成分）として提供され得る。角度間隔内の角度ずれのパラメータ並びに所属する成分の他に、前記ルックアップテーブルにはさらに角速度変化の絶対値のパラメータが含まれる。これは角速度変化の絶対値の経過を適合化するためである。それにより例えば角速度変化の絶対値が高い場合には、高い成分値までの成分の迅速な上昇に相応するエントリーが用いられてもよい。この場合角速度変化の絶対値がわずかであるときには、前記成分が弱い角度ずれを伴って上昇し、低い成分の場合には終了する。それに伴い周縁のみの角速度変化は、より高い絶対値を有し制御（ないしは出力角速度）に対するより強い作用を要求する角速度変化よりも強く抑圧される。基本的にはルックアップテーブルの利用と計算は、補外法アルゴリズムと結び付けられる。そのためごく僅かな数の値のみがロックアップテーブル内で複数の入力値に対して利用可能である。

特に簡単な実施形態によれば、出力角速度は、カウンターによって、角速度変化に従って増減される。カウンター増分は（丸められた整数倍の）角速度変化、すなわち第１の角度間隔と第２の角度間隔において時間検出の際に得られたカウンター値の差分に相応する。有利にはカウンター増分は複数のカウンター値の差分によって形成され、（固定の）成分係数によって除算され、これによって減衰された勾配が定められ、及び／又は検出された瞬時回転数（若しくはそれに比例した値）によって除算され、これによって規定回転数に対する正規化が達成される。これは高い回転数の場合の角速度変化が、低い回転数の場合の角速度変化よりも強く出力角速度に影響することを回避するためである。さらに（正規化若しくは非正規化の）計算前に角速度変化を閾値と比較し、それに基づいて出力角速度を測定された（第２の）角速度に相応させ、さらに出力角速度のもとで、前述したように、各測定間隔毎に角速度変化の増加した成分だけ連続的に上方若しくは下方に修正する。

有利には全ての角度間隔が前後に存在し、その場合第１の角度間隔は第１の角度位置と第２の角度位置の間に存在し、第２の角度間隔は、第２の角度位置と第３の角度位置の間に存在し、さらにそれに続く第３の角度間隔は、第３の角度位置と第４の角度位置の間に存在し、それらはさらに直接的に続く。本発明によれば、本発明による出力角速度の送出の後で、そのつどの角度間隔に対する対応付けがシフトされる。それにより、基本的には、Ｎ番目の間隔とそれに所属する持続時間、並びに（Ｎ＋１）番目の間隔とそれに所属する持続時間とから、角速度変化が算出され得る。これは本発明によれば角速度の送出の際に、有利には最初に値０の成分によって開始され、関与分だけ考慮される。それに続く角度間隔（Ｎ＋２）においては、（Ｎ＋２）番目の角度間隔に対して算出された角速度は差し引いて、（Ｎ＋１）番目の間隔に対して算出された角速度の減算によって角速度変化が算出される。本発明によれば、それに続く（Ｎ＋３）番目の角度間隔に対しては、（Ｎ＋２）番目の間隔の角速度が送出されるのではなく、（Ｎ＋１）番目の間隔（及び所属の角速度）の送出から出発し、（Ｎ＋２）番目の間隔に対して角速度変化の上昇成分に従って可変となるような角速度が送出される。

本発明によれば、複数のデジタルセンサを含んだ角度位置センサが用いられており、この場合各デジタルセンサセンサは２つのレベルしか送出できない（例えばレベル１：センサにおいてマーキングの存在あり、レベル２：マーキングの存在なし）。これらのセンサは有利にはクランク軸の３６０°／ｋに相応する角度分だけずらされる。この場合前記ｋは、センサの数である。特に有利な実施形態によれば、３つのデジタルセンサが用いられ、それらはそれぞれ１２０°だけ相互にずらされている。このセンサホイールは、歯と共に周面上で入れ替わるギャップと同じ幅の複数の歯を有している。センサによって形成された二値信号はエッジの位置を表している。これはエッジ方向に依存してギャップが歯を通過する箇所若しくは歯がギャップを通過する箇所である。エッジの時点を対応付けするために、有利には、時間基準、例えばタイマー若しくはカウンター（＝時間基準）が用いられる。これらは連続してカウントし、そのカウント値は周期的に一定の周波数ないしは一定のクロックと同じ絶対値分だけ高められる。カウンターは周期的にリセットされ得る。例えば所定の角度位置（例えば０°）に達する毎にリセットされてもよい。角度位置センサの複数のセンサのうちの１つの信号エッジが上昇又は下降すると、それに対応したカウント値が検出されて中間記憶される。複数のカウント値の差分からは、カウンター周波数ないしカウンタークロックに基づいて所属の時点ないしそれに続く所属の持続時間が算出される。

基本的に、角度マーキングは例えば光学的若しくは磁気的なものであってもよい。この場合センサはこのようなケースでは、光学的センサ若しくは磁気的センサである。時間検出の時点を確定する信号特徴は、有利には所定の閾値のもとでの通過、例えばゼロ点通過であってもよい。

角度測定方法又は角度算出方法の範囲内での適用の他にも本発明による、離散時間的な角度検出によって生じる角速度の跳躍的経過の減衰は、モーター、有利には電気モーター、例えば車両駆動部として用いられる直流モーターの角速度の制御のための方法において実現できる。第１の代替例によれば、制御過程自体は変調されずに維持される。しかしながらその場合の入力量、すなわち制御過程の実際値の測定ステップは既に本発明によって変調されている。その他の通常の制御機構は、角速度から出発しており、（小さな）角速度ジャンプの経過は既に本発明による減衰によって開放されている。第２の代替例によれば、制御回路が実際に検出された角速度か又は角度位置センサ信号を供給され、その場合制御回路の実際値／目標値比較は、本発明に従って変更される。この変更によれば、目標値との比較の範囲内で、制御エラーが検出され、制御部が相応に修正し、この実際値が本発明による方法に従って処理される。この処理によれば、（小さな）角速度変化が完全にシミュレートされるのではなく、前述したように減衰される。減衰の場合には、角度位置センサ自体がないしは供給自体は従来技法に比べて不変のまま維持され、それに対して本発明による減衰は制御機構の範囲内で実施される。しかしながら第１の代替例によれば、供給される角度位置センサ信号が変調され、それによって制御アルゴリズムが本発明による（小さな）角速度ジャンプから開放された既に"減衰されている"信号が達成される。前記ジャンプの線形化は、制御部の実際値／目標値比較の範囲内で行われるか、若しくは既に角速度の検出の範囲内に存在している。

本発明の基礎をなす考察は、角度位置センサに接続可能な検出装置を用いて実現され、この検出装置によって実際に現れた角度信号が検出される。さらに本発明による装置は、計算機装置と時間基準を含み、本発明による方法の実施のために、すなわち角速度ジャンプが時間離散的な角度信号に基づいて生じ、本発明による平滑化及び角度ジャンプのために時間的に上昇する成分で重み付けされる。本発明による装置はさらに、本発明によって平滑化された信号を送出する出力部を含み、この信号は出力角速度値に相応している。この種の検出装置は、例えば従来技法による角度位置センサと従来技法による制御装置の間に介在接続されており、この場合はモジュラー方式の実現が可能であり、角度位置センサは制御回路としても不変のまま維持され得る。本発明による変調は、介在接続可能なモジュールにて行われる。このモジュール自体は、第１の実施形態によって個々の角度位置センサ信号から本発明によって変調された出力角速度が形成され、これに対して本発明による装置は、処理ユニットの前に含まれ、該処理ユニットを用いて角度位置センサ信号が角速度に変換されている。第２の実施形態によれば、この装置は既に角速度値の検出のための既存の入力側を含み、それによって当該装置は、本発明による角速度変化分のみが算出されるだけでよい。前記装置は上昇する変化成分を相応の値に変換する。使用される角度位置センサの形式に応じて（すなわち事前処理有りまたはなしに沿って）角度位置センサと制御回路の間に１つ若しくは複数の装置が介在接続される。

基本的には、後続の出力速度値に対する基準位置として用いられる出力速度値として、実際に検出された角速度が利用される。この場合時間に亘って平均化された角速度又は開始値が特にエンジン始動時において利用される。さらに（先行する）出力速度値を規則的に若しくは周期的に目下検出された角速度に設定する。これはドリフトの回避ためである。さらに（先行する）出力速度値として先行する複数の出力速度値の時間的平均が利用される。

本発明は、例えば電気モーター制御部を制御するためのデジタル角度位置センサを用いて角速度検出が進められている。時間離散的な変更の代わりに、出力信号におけるジャンプの形態で直接考慮される。検出された角速度変化分は（増加する）成分と共に出力の際に考慮される。このことは、不完全な精度のセンサホイールのもとでの平滑化処理を許容し、それらの角速度不精度は制御によって不要なリアクションに結びつく。それに対して強い角速度変化は、直接転送され、それに関与する加速を誤ることなく制御において考慮される。

本発明による、出力角速度の例示的な特性曲線経過を表した図 本発明による、特性曲線経過を表した図 本発明による、特性曲線経過を表した図 本発明による、特性曲線経過を表した図 本発明による、特性曲線経過を表した図

実施例
図１には従来技法によって検出された角速度の例示的な特性曲線経過が実線で表されており、それに対して本発明の適用のもとで生じる相応の角速度経過は波線で示されている。図１には角速度Ｗが時間軸に亘ってプロットされており、ここではＷ＝ｄｗ／ｄｔであり、この場合ｗは角度位置を現わす。

時点ｔ₀では第１の角速度が検出される。それに対して従来技法では（実線で示されている）出力角速度は、直ちに値Ｗ₀まで上昇している。時点ｔ₁では第２の角速度ｗ₁が検出され、この場合この第２の角速度も従来技法によれば直ちにかつ完全に出力角速度へ関与している。ここでの実線は、そのつどの実際の検出された角速度を表し、それらはさらなる実際の角速度を直接発生している。しかしながら本発明によれば時点ｔ₁において角速度ｗ₀の変化分が検出され、それによってこの変化は直接的かつ完全には再現されてなく、先行する出力角速度値に加算される経過として表され、さらに増加する尺度が振幅ｗ₀とｗ₁の間の角速度差分の成分を有している。図１ではこの角速度差分の成分がリニアに上昇している。この角度差分の成分は時点ｔ₁において値０であり、時点ｔ₂では（実際の速度値の検出直前）では最大である。但し、１以下である。それにより図１に波線で示された出力角速度は検出された角速度の経過を示すが、しかしながら完全にではなく、リニアに拡大する尺度で示されている。

時点ｔ₀では、最初に初期出力角速度値が送出される。これは例えば第１の（若しくは０番目の、すなわち事前に測定された）角速度である。但しこの時点ｔ₀では、実際の、第２の角速度ｗ₀が検出される。これにより本発明による出力角速度は時点ｔ₀から当該の変化に従って上昇し、但し持ち分に応じてである。換言すれば、時点ｔ₀とｔ₁の間の上昇は時点ｔ₀におけるエッジによって示されているような速度増加に反映される。但しこの場合角速度変化は、ｗ₀によって表されているように、間隔ｔ₀−ｔ₁の開始時点では、無視できるほどにしか出力角速度へ関与しない。それどころか間隔ｔ₀−ｔ₁の開始時点で出力角速度は、時点ｔ₀で送出された出力角速度によって確定される。その場合時間ｔの増加に伴って時点ｔ₀から角度差分の成分もリニアに増加する。これはｗ₀における角度差分に関係している。第２の時間間隔ｔ₁−ｔ₂に対しては、同じように当該第２の時間間隔の開始に対して時点ｔ₁で送出されていた出力角速度が確定される。この場合も増加する尺度で時点ｔ₁〜ｔ₂の間の出力速度の経過が角速度変化によって定められ、これはｗ₁とｗ₀の間の差分によって生じる。実際に測定された角速度の時点ｔ₁において下降している信号エッジは、全間隔ｔ₁〜ｔ₂上で歪み修正される。その際には角速度変化分が最初から出力角速度に含まれるのではなく、時間経過に伴ってリニアに増加する成分として出力角速度に時点ｔ₁で加算される。時点ｔ₂では、角速度変化の成分が明らかに値１以下であることが認識できる。なぜならｗ₁とｗ₀の間の振幅差が、時点ｔ₁における出力角速度への成分にだけ加算されているからである。図１における成分係数は約４０％である。換言すれば、時点ｔ₁における出力角速度と時点ｔ₂における出力角速度の間の振幅差は、時点ｔ₁における信号エッジ（すなわちｗ₁−ｗ₀間）として再現されている振幅差の４０％である。さらに換言すれば、そのつどの間隔の終端における出力角速度は、検出された角速度変化の４０％に相応し、この間隔の範囲内では０−４０％であり、当該間隔の開始時点が時間軸のゼロ時点として選択されているならば、この成分は時間に依存してリニアである。既に述べたように、成分の経過特性と特に最大限到達すべき成分については、検出された角速度変化に依存するものであってもよい。

時点ｔ₄と時点ｔ₅の間の角速度変化は（ｗ₅−ｗ₄）の角速度変化を有する時点ｔ₅における比較エッジは、時点ｔ₅における値（これは先行する間隔の終端における出力角速度に相応）の出力角速度の上昇に結び付く。時点ｔ₆における値に対しては、ｗ₄からｗ₅への信号エッジ分が、間隔ｔ₄〜ｔ₅の終端における出力角速度に加算される。これにより時間間隔ｔ₅〜ｔ₆には、符号Ｄ₁で表わされているｗ₄とｗ₅の間の角速度変化が反映される。

しかしながら時点ｔ₆ではさらなる角速度が検出され、このさらなる角速度は角速度変化Ｄ₂（＝ｗ₆−ｗ₅）につながる。本発明の特に有利な実施例によれば、検出された全ての角速度変化分が、有利には出力角速度の形成前に、その絶対値に関して、閾値と比較される。この場合所定の閾値からは、先行の出力角速度と角速度変化の増加部分が基礎とされるのではなく、当該出力角速度が直接的に（あるいは極僅かな遅延を伴って）第２の検出された角速度と同等に扱う。

時点ｔ₀とｔ₆の間で検出された角速度の全ての変動をセンサホイールの不精度に結び付けることを前提とすれば、有利には、この時間間隔に対して出力角速度が角速度変化を完全にではなく比例的にしか再現しない。しかしながら時点ｔ₆において、（先行する間隔の変化量よりも大きく所定の閾値を上回るような）比較的高い絶対値に基づき実際に考慮すべきシャフトの速度変化に帰結するような角速度変化が現われた場合には、新たに検出された角速度の出力角速度が同等に扱われ、それによって、出力角速度に基づく制御器がこの変化を制御メカニズムに基づく減衰なしで直接的に変換する。これにより、顕著な角速度変化に対する高い動特性が制御において保証される。

ここでは、順次連続して検出された全ての角速度が、Ｄ₂の絶対値分よりも小さな値だけ異なっていることが識別され得る。Ｄ₂を（僅かに）下回る閾値、すなわち、Ｄ₂の値と、（ｗ₄−ｗ₃）の値との間に存在する閾値は、小さな角度変動の本発明による減衰の終了を可能にし、大きな角速度変化に対する制御器の応答を可能にさせる。時間間隔ｔ₆〜ｔ₇に対する本発明による減衰は中断され、出力角速度は正確に、先行する２つの測定された角速度の間の差分に相応する。ｗ₆ｔｗ₅の間の角度差と比較して（及びとりわけ相応する閾値との比較において）、ｗ₇とｗ₆の間の差分が著しく小さくなり、それに伴って時点ｗ₇からは再び本発明による"減衰された"応答モードに移行し得る。このモードでは、ｗ₇の直前に優勢であった出力角速度（＝ｗ₆）が基礎に置かれ、それに対して、０から出発した角速度変化の増加成分（ｗ₇−ｗ₆）が、（値１よりも小さい）最大成分に達するまで加算される。ｗ₇から予想される出力角速度は、時点ｔ₀とｔ₆の間の波線のラインで表わされているような三角形状ないしはランプ形状の形態を有し得る。角速度に対する関係に基づいて、時点ｔ₆前と時点ｔ₇後のランプの勾配は、先行の間隔において検出された角速度変化に比例している。

図２ａには、従来技法に従って検出され出力された角速度が実線で描写されている。この場合実際に出力された本発明による出力角速度は波線で表わされている。ここでは、まず値０の成分で出発し、時点ｔ₁から、その後の増加し続ける時点ｔ₂での最大成分までの角度差分が、先行する出力角速度（このケースでは第１の角速度）に対して加算される。

図２ｂでは、波線で示されている出力角速度の経過が時点ｔ₁における勾配に対する応答の中で描写されており、この場合の角速度変化の成分は既に時点ｔ₁（すなわち当該間隔の始端において）において０に等しいのではなく、０よりも大きくかつ１よりも小さい第１の成分に相応する。しかしながら実際に検出された角速度変化を正確にシミュレートするためには、前記成分が、時点ｔ₁から時間の経過と共に例えば線形に増加する必要がある。確かに図２ｂに示されている時点ｔ₁における不完全な減衰は精度に起因する変動も不完全ではあるが、しかしながら図２ｂに示されている経過は、たとえそれが部分的に精度エラーを誘因したとしても重要な制御変化への早期の適応化を可能にしている。

図２ｃには、非線形の成分経過が示されており、これも図２ａのように時点ｔ₁では値０に等しい。しかしながらそれは当該時点から非線形的ではあるが緩やかな経過で表わされ、１よりも小さい最大成分まで導かれる。図２ｃに表わされている時間経過の時間導関数は、図２ａ及び図２ｂにおいて示された経過に比べて、時点ｔ₁で始まる間隔の始端では値０に等しく、さらに著しく単調に上昇し、それによって所属の制御器の応答が制御の際の比較的低い電流ピークにつながる。同様のやり方で、間隔（ｔ₁〜ｔ₂）の終端に対して成分がもはや上昇しないならば、時点ｔ₂における時間導関数も値０に等しい。この種の緩やかな移行によれば、高い動特性を有する制御器において生じ得る衝撃的な制御変化が回避される。図２ｃに示されている経過は、アークタンジェントに相応し、０とπの間の余弦経過、又は始端と終端においてその一次導関数が値０に向けられる類似の経過に相応している。

図２ｄには、時点ｔ₁における成分が０であるが、時点ｔ₁′からもはや上昇するのではなくて、一定に維持される経過が示されている。時点ｔ₁と時点ｔ₁′の間では、値０に等しい成分から出発した成分が連続的に高められている。時点ｔ₁′からは、０よりも大きい（但し１よりは小さい）一定のレベルの成分が維持される。既に前述したように図２ｄにおいて波線で示された出力角速度は、時点ｔ₁での跳躍的変化、すなわちｔ₁にて検出された角速度変化に関係している。図１及び図２ａ〜２ｃに比べて、図２ｄは、当該間隔自体で開始され当該間隔前に終了する（時点ｔ₁′）第１の間隔区分に対してのみ増加する成分経過を表わしている。この間隔自体も時点ｔ₂で終了する。

Claims (10)

1. モーターシャフトの角速度の検出方法であって、
   離散時間的角度位置センサの角度信号が供給され、該角度信号は、モーターシャフトの角度位置が、予め定められた複数の角度位置センサ位置のうちの１つの角度位置センサ位置に相応している時点を再現するものであり、
   第１の角度位置センサ位置と、第２の角度位置センサ位置と、第３の角度位置センサ位置が出現する時点が検出され、前記位置信号は当該順序で相前後して供給されており、
   第１の角度位置センサ位置と第２の角度位置センサ位置の間の角度差の比を求め、第１の角度位置センサ位置の時点と第２の角度位置センサ位置の時点の間に存在する持続時間を求めることによって、第１の角速度を求め、
   第２の角度位置センサ位置と第３の角度位置センサ位置の間の角度差の比の確定と、第２の角度位置センサ位置の時点と第３の角度位置センサ位置の時点の間に存在する持続時間を求めることによって、第２の角速度を求め、
   該第２の角速度と前記第１の角速度の間の角速度変化を求め、
   第２の角度位置に対応する出力角速度と、角速度変化よりも小さい値の角速度変化成分とからの和として、第３の角度位置に対応する出力角速度を供給するようにしたことを特徴とする方法。
2. 第３の角度位置に対応する出力角速度に対する角速度変化の成分は、角速度変化と予め定められた閾値の間の差分に比例しており、角速度変化に対して値０か予め定められた閾値よりも大きくなく、値１若しくは値１よりも小さい予め定められた成分値に相応し、予め定められた閾値よりも上方に存在する角速度変化に対して、あるいは角速度変化の絶対値に依存することなく値０に等しい、請求項１記載の方法。
3. 第３の角度位置で開始する角度間隔に対して出力角速度が供給され、それに対して少なくとも第３の角度間隔で開始する角度間隔区分に対して、出力角速度が、第２の角度位置に対応する出力角速度と、全角度間隔内若しくは角速度変化よりも小さい角度間隔区分内での角速度変化の上昇成分との和として供給される、請求項１記載の方法。
4. 角度間隔区分の間に、角速度変化の成分が、第１の成分値から始まって単調に若しくは著しく単調に上昇して第２の成分値まで高められ、該第２の成分値は、第１の成分値よりも大きくかつ値１よりも小さい、請求項３記載の方法。
5. 角度間隔区分の間の成分が予め定められた経過に従って高められ、角速度変化の一定の成分または１よりも小さい角速度変化の絶対値に依存する成分に対して線形に上昇し、全ての角度間隔区分に対する時間導関数が予め定められた閾値よりも下方に存在する経過に従って上昇し、角度間隔区分の始端若しくは終端における時間導関数が値０に等しく、さらに角度間隔区分の間著しく単調に上昇し、角度間隔区分の終端において値１であるか又はこれらの経過特徴の組合わせを有している、請求項３記載の方法。
6. 前記角度間隔区分又は角度間隔は、複数の角度位置センサ位置のうち、第３の角度位置センサ位置の後に出現する第４の角度位置センサ位置に相応する終端を有している、請求項３記載の方法。
7. 複数の角度位置の角度位置センサ位置が、順次連続する角度位置に直接相応し、該角度位置は、全回転の整数Ｎによる均等な分割によって生じる、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. モーターシャフトの角速度を制御するための方法であって、
   角速度が請求項１から７いずれか１項記載の方法に従って検出されており、
   さらにモーターが目標角速度と入力量としての出力角速度とに従って制御されるか又は角速度が、請求項１から７いずれか１項記載の方法に従って、かつ角度信号の供給ステップと、時点の検出と、第１及び第２の角速度の算出とに従って検出され、目標値／実際値比較のステップが制御ステップの一部として実施され、さらに角速度変化の算出並びに請求項１から７いずれ１項記載の方法による出力角速度の供給が実際値角速度として含まれることを特徴とする方法。
9. モーターシャフトの角速度を検出するための検出装置であって、
   角度位置センサに接続され、角度位置センサからの角度信号を受信するように構成された入力側と、；前記角度信号はモーターシャフトの角度位置が複数の予め定められた角度位置センサ位置のうちの１つの角度位置センサ位置に相応する時点を再現しており、
   前記入力側に接続されて時折生成される時間基準と、；前記時間基準は第１の角度位置センサ位置及び第２の角度位置センサ位置及び第３の角度位置センサ位置の出現に相応する複数の時点を含んでおり、
   前記入力側に接続され、第１の角度位置センサ位置と第２の角度位置センサ位置の間の角度差と、第２の角度位置センサ位置と第３の角度位置センサ位置の間の角度差を求める、角度減算ユニットと、
   時間基準と接続され、第１の角度位置センサ位置の時点と第２の角度位置センサ位置の時点との間の持続時間と、第２の角度位置センサ位置の時点と第３の角度位置センサ位置の時点との間の持続時間を求める、時間減算ユニットと、
   前記角度減算ユニット及び時間減算ユニットと接続された第１の除算ユニットと、；前記第１の除算ユニットは、第１の角度位置センサ位置と第２の角度位置センサ位置の間の持続時間に対する、第１の角度位置センサ位置と第２の角度位置センサ位置の間の角度差の比として第１の角速度を求め、さらに第２の角度位置センサ位置と第３の角度位置センサ位置の間の持続時間に対する、第２の角度位置センサ位置と第３の角度位置センサ位置の間の角度差の比として第２の角速度を求めており、
   第１の角速度から第２の角速度を減算する角速度減算ユニットと、
   第２の角度位置センサ位置に対応する出力角速度と、角速度変化よりも小さい値の角速度変化成分とからの和を形成する平滑化ユニットとを有していることを特徴とする検出装置。
10. 角速度算出のための装置であって、
    離散時間的な角速度信号を検出するための入力側と、
    処理された角速度信号を送出するための出力側と、
    計算装置とを有し、
    前記計算装置は、離散時間的な角速度信号の先行する第１の角速度値から第２の角速度値を減算して角速度差を検出し、かつ、第１の角速度値と角速度差とから角速度最終値を生成するように構成されており、
    前記角速度最終値は出力速度値として、第１の角速度値の直前に先行する出力速度値と１よりも小さい角速度変化成分との和に相応し、
    さらに前記装置は、信号発生器を含んでおり、
    前記信号発生器は、先行する出力速度値で開始されかつ角速度最終値まで著しく単調に上昇する出力速度値を発生することを特徴とする装置。

Images