JP4708427B2 - アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法ならびにこれに対応する評価回路 - Google Patents

アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法ならびにこれに対応する評価回路 Download PDF

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Description

本発明は、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法であって、位置固定の要素に対して相対的に移動する要素の時間的に一様な移動時にアナログ信号はほとんど正弦波状でありかつ互いにほぼ90°だけ位相がずれていて、アナログ信号により位置固定の要素に対する相対的な移動要素の実際位置が検出可能であり、移動要素の最大速度移動時にアナログ信号は対応する最大周波数を有する評価方法に関する。更に、本発明は対応する評価回路に関する。
この種の評価回路は、たいてい、いわゆるインクリメンタル位置発信器と呼ばれる。これらの位置発信器の場合には第1信号および第2信号は、たいてい、余弦(cos)信号および正弦(sin)信号と呼ばれる。これらの信号の零通過の評価によって、(信号周期に関しては正確に)大まかな位置が求められる。cos信号およびsin信号自体の値も評価することによって、信号周期内において、精密位置を決定することができる。精密位置αは、
x’>0の場合 α=arctan(y’/x’)
x’<0の場合 α=π+arctan(y’/x’)
x’=0の場合 α=π/2 sin y’
となる。x’およびy’は、cos信号xおよびsin信号y(もしくは第1信号xおよび第2信号y)から、オフセット,振幅および位相の誤差O1,O2,A,φに関する補正によって求められた信号である。したがって、その他の誤差源を無視すると、
x=cosα−O1
y=Asin(α−φ)−O2
が通用する。
この方法および回路は周知である。模範的な例としては、本出願人による独国特出許願公開第10019500号明細書または欧州特許第0489936号明細書ならびに独国特許出願公開第19502399号明細書を参照されたい。
この種の評価方法および対応する評価回路は、特に回転発信器の位置検出のために使用される。回転発信器においては、各1つのセンサユニットがアナログの第1信号もしくはアナログの第2信号を検出し、それを各1つのAD変換器に導く。各AD変換器は、それを、供給されたアナログ信号において走査周波数にてディジタル化し、対応するディジタル信号を評価ブロックに供給する。評価ブロックは、ディジタル信号に基づいて、ディジタル信号に対応するアークタンジェント値ならびに第1および第2信号のための補正値を求める。
この種の評価方法は、ISW StuttgartにおけるRoland Kirchberger,Bernhard Hillerによる論文“Oversamplingverfahren zur Verbesserung der Erfassung von Lage und Drehzahl an elektrischen Antrieben mit inkrematallen Gebersystemen(「インクリメンタル発信器システムを備えた電気駆動装置における位置および回転数の検出を改善するためのオーバーサンプリング方法」)”からも公知である。アークタンジェント値は、メモリに格納されているテーブルによりリアルタイムで求めることができる。AD変換器の走査周波数は最大周波数の少なくとも4倍の大きさである。専門論文に記載されている回路では走査周波数はMHzの範囲にある。
この専門論文における評価方法および対応する評価回路は、前に述べた通常の評価方法もしくは評価回路に比べると著しい進歩がある。しかし、評価回路は大きなメモリ容量を必要とする。なぜならば、アークタンジェント値がルックアップテーブルの形でメモリに格納されているからである。
本発明の課題は、メモリが省略できるように最後に挙げた従来技術の評価回路および評価方法を更に発展させることにある。
本発明は、評価方法に関しては、ディジタル信号が評価ブロック内においてアークタンジェント値をリアルタイムで計算する計算ブロックに導かれることによって解決される。
これに対応して、評価回路に関しては、評価ブロックが内部に計算ブロックを有し、計算ブロックにディジタル信号が導かれ、計算ブロックがリアルタイムでアークタンジェント値を計算する。
アナログ値はディジタル化の前に既に補正値について補正されている。しかし、AD変換器と評価ブロックとの間に、ハードウェア回路として構成された補正値投入ブロックが配置されていることが好ましい。評価回路が補正値を補正値投入ブロックに供給し、補正値投入ブロックが、ディジタル信号を補正値だけ補正し、補正されたディジタル信号を評価ブロックに出力する。
補正値の算定は、例えば、次によって行なうことができる。
計算ブロックが、それに供給されるディジタル信号に基づいて、対応するベクトル長も算定する。
計算ブロックが、アークタンジェント値およびベクトル長を、ハードウェア回路として構成された補正値算定ブロックに供給する。
補正値算定ブロックが、それぞれ角度範囲を割り当てられている多数のレジスタを有する。
補正値算定ブロックが、アークタンジェント値に基づいて、アークタンジェント値が存在する角度範囲を有するレジスタを選択する。
補正値算定ブロックが、ベクトル長を、選択されたレジスタに保存する。
補正値算定ブロックが、レジスタに保存されたベクトル長に基づいて、補正値を更新する。
原理的には、補正値を新たなベクトル長の保存により更新することができる。しかし、好ましくは、補正値算定ブロックが、ベクトル長の各保存時に、選択されたレジスタに割り当てられたフラグをセットし、全てのフラグがセットされているときにのみ補正値を更新し、補正値の更新に関連して全てのフラグがリセットされる。なぜならば、その際には補正値の比較的安定した算定が可能であるからである。
補正値の算定は次の場合に特に簡単である。すなわち、補正値算定ブロックが補正値を内部メモリに保存し、補正値の更新のために、先ずレジスタ内に保存されたベクトル長に基づいて、ハードウェア回路として構成されている変化値算定回路において、補正値変化値を算定し、補正値変化値をアキュムレータにおいて補正値に加算して、新たな補正値として保存する場合である。
補正値の算定は次の場合に更に簡単になる。すなわち、補正値算定ブロックが、レジスタ内に保存されたベクトル長に基づいて、先ず和および差形成器において和および差形成によって基礎補正値を算定し、掛算器において基礎算定値に重み係数を掛算し、補正値変化値が重み係数を掛算された基礎補正値に対応する場合である。
補正値算定ブロックが補正値を更新する基礎をなすレジスタの角度範囲は、全体として360°より小さく覆っていて、特に180°以下しか覆っていない場合に、補正値算定は更に安定である。
本発明による評価方法は、走査周波数と最大周波数との比が大きければ大きいほど、ますます良好に働く。したがって、走査周波数は最大周波数の2倍以上のみならず、例えば最大周波数の4倍、8倍、またはそれどころか16倍であることが好ましい。
補正値は、第1信号および第2信号のための2つのオフセット補正値、少なくとも1つの振幅補正値および少なくとも1つの位相補正値を含むとよい。なぜならば、全てのシステム上の誤差が補正可能であり、それによって正確な位置分解能が達成可能であるからである。
同期化回路にはクロック周波数を有するクロック信号が供給され、同期化回路は、クロック周波数に基づいて、走査周波数がクロック周波数の整数倍となるように走査周波数を調整し、同期化回路は走査周波数をAD変換器および評価ブロックに供給する。なぜならば、評価ブロック内では速度実際値も求めることが必要でないからである。むしろ移動要素の実際位置のみを求めて出力することで十分である。
特に、同期化回路は、クロック信号のエッジに基づいてトリガ信号を評価ブロックに出力し、評価ブロックは、トリガ信号の印加時に移動要素の実際位置を求めて出力することができる。
評価ブロックがアークタンジェント値に基づいて求めた移動要素の多数の位置を平均化し、平均値が実際位置に相当するならば、ノイズが低減されるので正確な実際位置の算定が可能である。
評価ブロックが、アークタンジェント値の角度跳躍を監視し、発生した角度跳躍を実際位置の算定時に考慮するならば、多数のアークタンジェント値の平均化が角度跳躍の発生時にも正しく実行可能である。
アナログ信号が、ディジタル化前に、最大周波数と走査周波数との間にある境界周波数にて低域通過フィルタ処理されるならば、アークタンジェント値の更に正確な算定が可能である。したがって、AD変換器の前段には低域通過フィルタが配置されていることが好ましい。しかしながら、原理的には、AD変換器自体が内在のこの種の低域通過特性を有していてもよい。
計算ブロックの構成は原理的に任意であるが、いわゆるCORDICブロックとして構成されていることが好ましい。この種のハードウェア回路は、例えば、専門論文「Ray Andraka著、“A survey CORDIC Algorithms for FPGA based computers”」または「ALTERA社の“CORDIC Reference Design”」から公知である。
したがって、本発明による評価方法は、例外なしに、ハードウェア回路として構成可能である要素により実現可能である。ルックアップテーブルのための大規模なメモリがもはや必要でない。したがって、特に、評価ブロックを集積回路、特にアプリケーション固有の集積回路として構成することが可能である。
他の利点および詳細を以下における図面を参照する実施例の説明から明らかにする。こでは原理図にて、図1に本発明による評価回路の概観接続図を示し、図2は図1の評価回路の一部を示し、図3は補正値投入ブロックを示し、図4は図3の補正値投入ブロックの回路技術的実現例を示し、図5は計算ブロックの回路技術的実現例を示し、図6は補正値算定ブロックの入力部分の回路技術的実現例を示し、図7乃至10は補正値算定ブロックの出力部分の回路技術的実現例を示し、図11はレジスタへの角度範囲の割り当てを示す。
図1によれば、他の要素に関連して移動する要素1の移動、ここでは回転移動が検出される。このために移動する要素1に発信器円板2が結合されていて、円板にはマーキング要素3が配置されている。マーキング要素3は2つのセンサユニット4,5によって、例えば光学的に走査される。
センサユニット4,5は位置固定の要素の構成部分であり、移動する要素1はその位置固定の要素に対して移動可能である。センサユニット4,5はアナログの第1信号およびアナログの第2信号を供給する。両信号は、位置固定の要素に対する相対的な発信器円板2の時間的に一様な移動の際に、ほぼ正弦波形であり、かつほぼ90°だけ互いにずらされている。したがって、発信器信号に基づいて、両信号の1周期内において位置固定の要素に対する相対的な移動要素の位置を求めることができる。この場合に、位置を求めるための方法は周知である。同様に周知の零通過認識に関連して移動要素1の現在位置pも容易に求めることができる。
円板2上には多数のマーキング要素3、例えば約1000〜約2000のマーキング線が配置されている。したがって、発信器円板2の回転ごとに、第1信号および第2信号は多数のマーキング要素3に対応する数の周期を有する。
移動要素1は各動作状態において速度vを有し、その速度の大きさは一般に0から最大速度vmaxまでの範囲のあらゆる値を取り得る。最大速度vmaxは、例えば毎分6000回転もしくは毎秒100回転である。したがって、センサユニット4,5によって検出される信号は、存在するマーキング要素3の個数に応じて、100kHzと200kHzの間にある最大周波数fMを有する。
第1信号および第2信号の評価ならびに発信器円板2の実際位置pの次の検出のために、図1によれば、評価回路6が存在する。これは2つのAD変換器7,8および評価ブロック9ならびに同期化回路10を有する。
同期化回路10は、上位の制御装置11によってクロック信号Tを供給され、クロック信号Tは、例えば約8kHzのクロック周波数fTを有する。同期化回路10は内部に周波数調節器12、例えばフェーズ・ロックド・ループ12(PLL12)を有する。したがって、これは走査周波数fAを次のように再調整する。すなわち、走査周波数fAがクロック周波数fTの整数倍、例えばクロック周波数fTの240〜250倍となるように調整する。したがって、走査周波数fAは、例えば、約1.9〜2MHzの範囲にある。
したがって、発信器円板2が1000個のマーキング要素3を有し、かつ最大速度vmaxが毎秒100回転である場合には、走査周波数fAは最大周波数の約19〜20倍であり、したがって16倍よりも大きい。しかし、発信器円板2が2000個のマーキング要素3を有し、かつ最大速度vmaxが毎秒100回転である場合でも、走査周波数fAは依然として最大周波数の8倍よりも大きい。
AD変換器7,8に供給されるアナログ信号の平滑のために、AD変換器7,8の前段には低域通過フィルタ13,14が配置されている。低域通過フィルタ13,14はアナログ信号の低域通過フィルタ処理を行なう。この場合に低域通過フィルタ処理は最大周波数fMと走査周波数fAとの間にあるべき境界周波数fGにて行なわれる。例えば境界周波数fGは、250kHzと1MHzとの間にあり、例えば300〜600kHzにあるとよい。
同期化回路10は、走査周波数fAをAD変換器7,8および評価ブロック9に供給する。したがって、AD変換器7,8および評価ブロック9は走査周波数fAによりクロック制御される。特にAD変換器7,8は、走査周波数fAにて、その都度それらにセンサユニット4,5によって供給されるアナログ信号を読み込み、アナログ信号をディジタル化する。AD変換器7,8は、ディジタル化された信号を評価ブロック9に対して出力する。
評価ブロック9は、これは以下において更に詳しく説明するが、ハードウェア回路として構成されている。評価ブロック9は、特に集積回路として、例えばアプリケーション固有の集積回路として構成されているとよい。評価ブロック9は、ディジタル信号に基づいて、第1信号および第2信号について対応するアークタンジェントαおよび補正値O1,O2,A,φを求める。この場合に評価ブロック9によるアークタンジェントαおよび補正値O1,O2,A,φの算定はリアルタイムで行なわれる。
評価ブロック9は、図2によれば、内部に計算ブロック15および補正値算定ブロック16を有する。更に評価ブロック9は周期カウンタ17および平均値形成器18を有する。周期カウンタ17にはディジタル信号の符号が供給される。周期カウンタ17は発信器円板2の大まかな位置を求める。
計算ブロック15の前段には補正値投入ブロック19が配置されている。したがって、補正値投入ブロック19はAD変換器7,8と計算ブロック15との間に配置されている。補正値投入ブロック19は同様にハードウェア回路として構成されている。補正値投入ブロック19には、一方ではAD変換器7,8によってディジタル信号が供給され、他方では補正値算定ブロック16によって補正値O1,O2,A,φが供給される。補正値投入ブロック19は、AD変換器7,8によって出力されるディジタル信号を補正値O1,O2,A,φだけ補正し、補正されたディジタル信号を計算ブロック15に出力する。補正値O1,O2,A,φは、
第1信号および第2信号について、それぞれ1つのオフセット補正値O1,O2、
これらの両信号の少なくとも1つについて、ここでは第2信号について振幅補正値A、
信号の少なくとも一方について、ここでは同様に第2信号について位相補正値φ、
を含む。
図3によれば、補正値投入ブロック19は3つの加算器20〜22および2つの掛算器23,24を有する。加算器20および21には、まだ補正されていないディジタル信号およびオフセット補正値O1,O2が供給される。掛算器23にはオフセット補正されたディジタル第2信号および振幅補正値Aが供給される。掛算器24にはオフセット補正されたディジタル第1信号および位相補正値φが供給される。掛算器24の出力信号およびオフセット補正および振幅補正をされたディジタル第2信号が加算器22に供給される。加算器20および22の出力信号は補正されたディジタル信号に相当する。補正されたディジタル信号は計算ブロック15に供給される。
既に述べたように、補正値投入ブロック19はハードウェア回路として構成されている。図4は補正値投入ブロック19の回路技術的実現例を示す。
図4によれば、例えば加算器20,21および22は16ビット加算器として構成されている。加算器20および21にはレジスタ401が前置されていて、加算器20および22の後段にはレジスタ402が配置されている。レジスタ401には補正されていないディジタル信号が供給され、レジスタ402には補正されたディジタル信号が供給される。オフセット補正値O1およびO2が加算器20および21に供給される。
掛算器23は内部に32ビット加算器403を有し、この加算器の後段にレジスタ404が配置されている。レジスタ404の後段にはビット幅低減器405が配置されている。ビット幅低減器405はレジスタ404の出力信号のビット幅を32ビットから16ビット、つまり最高値の16ビットに低減する。
振幅補正値Aはロード信号Lの印加時にシフトレジスタ406に取り込まれる。これに対してロード信号が印加されていないときには、走査周波数fAの各クロックによりシフトレジスタ406の内容がビットごとに読み出される。その都度読み出されたビットは、同様に16ビット幅であるアンドゲートアレイ407に供給される。アンドゲートアレイ407には、更に加算器21の出力信号が供給される。アンドゲートアレイ407の出力信号は、ビット幅拡張器408を介して加算器403に供給される。
更に、レジスタ404の出力信号がビットシフタ409に供給される。ビットシフタ409はこれに供給される信号を1桁(=1ビット)だけシフトする。ビットシフタ409の出力信号は、他のアンドゲートアレイ410に消去信号Cが印加されていない限り、このアンドゲートアレイ410を介して再び加算器403に戻される。
掛算器24は、掛算器23と同様に構成されている。単に、掛算器24に供給される入力値およびそれにともなう掛算器24によって出力される出力信号が、掛算器23の入力値および出力信号と相違するだけである。なぜならば、掛算器23にはオフセット補正されたディジタル第2信号および振幅補正値Aが供給されるのに対して、掛算器24にはオフセット補正されたディジタル第1信号および位相補正値φが供給されるからである。更に、掛算器24の加算器は減算に切り替えられなければならないので、位相補正値φは負であってもよい。しかし、その他の点では、掛算器23に対する構成は掛算器24についても相似的に当てはまる。したがって、以下において、掛算器24の動作態様の詳細説明を省略する。
計算ブロック15は同様にハードウェア回路として構成されている。これは、例えば、いわゆるCORDICブロックとして構成されているとよい。図5は、このようなCORDICブロックの回路技術的実現例を示す。
図5によれば、補正されたディジタル信号が選択器501に供給される。選択器501の前段にはインバータ502が配置されているので、選択器501には極性反転されたディジタル信号が供給される。
更に、補正された第2信号が符号判別器503に供給され、符号判別器503の出力信号が選択器501を制御するので、選択器501は、補正されたディジタル第1信号および補正されたディジタル第2信号か、これに対して反転された信号かのいずれかを選択投入する。
選択器501の後段には更にビット幅拡張器504が配置され、ビット幅拡張器504は選択器501の出力信号を16ビットから、例えば18ビットに拡張する。
符号判別器503の出力信号は、更に他の選択器505に供給され、選択器505には入力信号として2進表示にて計数値πおよび0が供給される。これらの信号は既に選択器505への供給時に18ビット幅である。
ビット幅拡張器504および選択器505の出力信号は他の選択器506に供給される。他の選択器506には第2の入力信号として加算器/減算器507の出力信号が供給される。制御信号として他の選択器506にはロード信号が供給され、ロード信号に基づいてその都度新たな計算サイクルの開始時にブロック504もしくは505から値が引き渡される。制御信号の値に応じて、他の選択器506に供給された入力信号の一方または他方がレジスタ508に供給される。
レジスタ508の出力信号が一方では直接に加算器/減算器507に供給され、他方ではビットシフタ509を介して交差させられて供給される。ビットシフタ509においては、レジスタ508の出力信号が桁数iだけシフトされる。数iは、1つの計算サイクルの期間中に次々と値0,1等々、15まで進行する。
ディジタル第1信号の信号経路中に配置されているレジスタ508の出力信号は、更に符号判別器510に供給される。符号判別器510の出力信号は、一部はインバータ511を介して、加算器/減算器507に制御信号として供給される。したがって、この制御信号は、加算器/減算器507がそれらに供給される入力信号を互いに加算するのか、それとも減算するのかを確定する。
残りの信号経路中に配置されているレジスタ508の出力信号は、直接に付設の加算器/減算器507に供給される。この加算器/減算器507には、第2の入力信号として、小さな固定値メモリ512のメモリセルの内容が相次いで供給される。この場合に、固定メモリ512は、例えば16個のメモリセルのみを有し、これらのメモリセルは16ビットのビット幅を有する。したがって、固定メモリ512の後段には、信号のビット幅を16ビットから18ビットに拡張するビット幅拡張器513が配置されている。固定値メモリ512の内容のどれが読み出されるかは次によって決定される。すなわち、ビットシフタ509がこれに供給される信号を何ビットだけシフトするかを決定するのと同じ数iによって決定される。
ディジタル第2信号の信号経路もしくは残りの信号経路に配置されているレジスタ508の出力信号はビット幅低減器514に供給され、ビット幅低減器514はこれに供給された信号を18ビットから16ビットに低減する。これらのビット幅低減された信号が、その都度計算サイクルの終端においてレジスタ515に記憶される。これらのレジスタ515から読み出される信号はCORDICブロック15の有効信号である。これらの両信号の一方は、第1信号の2乗と第2信号の2乗との和の平方根に相当する。したがって、これはベクトル長rに対応する。これらの信号の他方は第1信号および第2信号によって決まる角度α、したがってアークタンジェント値αに対応する。
それゆえ、計算ブロック15は、大規模なルックアップテーブルなどを使用することなしに、供給されるディジタル信号に基づいて、リアルタイムで対応するアークタンジェント値αも、対応するベクトルの大きさr、すなわち第1および第2信号の2乗の和の平方根も計算する。この大きさrは以下においてベクトル長と呼ぶ。
計算ブロック15は、図2によれば、それによって求められる各ベクトル長rおよび対応する各アークタンジェント値αを補正値算定ブロック16に供給する。アークタンジェント値αに関しては、補正値算定ブロック16に、アークタンジェント値αの最大桁ビット、例えば3,4または5個のアークタンジェント値αの最大ビットのみが供給されるならば十分である。
補正値算定ブロック16は、図6〜図10によれば、同様にハードウェア回路として構成されている。これは、図6によれば、多数のレジスタ25、ここでは8個のレジスタ25を有する。各レジスタ25には、角度範囲α1・・・α8が割り当てられている(図11を補足的に参照されたし)。角度範囲α1・・・α8は、互いに等しい大きさであることが好ましい。これらは、角度間隙β1・・・β8によって互いに隔てられていることが好ましい。角度間隙β1・・・β8も互いに等しい大きさであることが好ましい。これらは、それどころか、角度範囲α1・・・α8と同じ大きさであることが好ましい。
補正値算定ブロック16にベクトル長rおよびアークタンジェント値α(もしくはそれらの最大桁ビット)が供給された際に、補正値算定ブロック16は、選択器25’によりアークタンジェント値αに基づいて、レジスタ25のうち、アークタンジェント値αが存在する角度範囲α1・・・α8を有するレジスタ25が選択される。このレジスタ25において、補正値算定ブロック16はベクトル長rを記憶する。更に、補正値算定ブロック16は、レジスタ25の1つにおけるベクトル長の記憶ごとにその都度のレジスタ25に割り当てられているフラグ26をセットする。これは、該当フラッグ26がベクトル長rの記憶前に既に選択されたレジスタ25においてセットされてしまっているべき場合にも当てはまる。
補正値算定ブロック16は、トリガ要素26’により、全てのフラグ26がセットされているかどうかチェックされる。全てのフラグがセットされている場合(この場合にのみ)、補正値算定ブロック16がレジスタ25に記憶されているベクトル長rに基づいて補正値O1,O2,A,φが更新される。補正値O1,O2,A,φの更新に関連してトリガ要素26’はフラグ26のリセットも行なう。
補正値O1,O2,A,φの更新は、例えば第1信号のためのオフセット補正値O1に関しては、図7にしたがって次のとおり行なわれる。
補正値算定ブロック16は内部にメモリ27を有し、メモリ27において第1信号のためのオフセット補正値O1が記憶されている。その場合に、メモリ27は、和形成器28およびレジスタ29を有するアキュムレータとして構成されていることが好ましい。この場合に自由選択的に和形成器28とレジスタ29との間にリミッタ30が配置されてもよい。
差形成器31には、レジスタ25に格納されているベクトル長rが2つ供給される。これらのレジスタ25に割り当てられているα1,α5は互いに90°ずらされている。再び図11を参照されたいが、理想的には角度範囲α1,α5は、まさに第2信号の零通過が含まれている角度範囲である。
差形成器31は、これに供給される両ベクトル長rの差、すなわち第1信号のオフセット値O1のための基礎補正値O1’を算定する。この基礎補正値O1’は、差形成器31の後段に接続されている掛算器32に供給される。掛算器32には、更に重み係数w1が供給される。重み係数w1は、通例、1よりも明らかに小さい。この重み係数は、好ましくは、0.01と0.03との間の範囲、例えば0.03と0.15との間の範囲にあるとよい。代替として、重み係数w1は、選択的に、固定設定されていてもよいし、あるいはパラメータ化されていてもよい。理想的には、重み係数w1は、1/8,1/16,1/32である。
掛算器32は、これに供給される基礎補正値O1’に重み係数w1を掛算し、その積をアキュムレータ27の和形成器28に供給する。したがって、基礎補正値O1’と重み係数w1との積は、第1信号の補正値変化値O1”に相当する。
したがって、差形成器32および掛算器32は変化値算定回路33を構成し、変化値算定回路33により補正値変化値O1”が求められる。アキュムレータ27において、その都度求められた補正値変化値O1”は、以前に記憶されたオフセット補正値O1に加算される。加算結果は新たなオフセット補正値O1としてレジスタ29に供給され、そこに記憶される。
同様の形にて、補正値算定ブロック16は、第2信号のためのオフセット補正値O2も求める。対応する回路が図8に示されている。この回路は図7の回路に1:1にて対応する。回路に供給されるベクトル長rが異なるレジスタ25から、すなわち角度範囲α3,α7が割り当てられているレジスタ25から取り出されているだけである。理想的には、これらの角度範囲α3,α7において第1信号が零通過を有する(図11参照)。
図9および図10から分かるように、同様のやり方で、第2信号の振幅補正値Aおよび位相補正値φのための補正値変化値A”およびφ"も求められる。図9および図10はこの場合に自明であるので、以下において図9および図10の詳細説明は省略する。補正値変化値A”,φ"を求めるための回路が差形成器31および掛算器32のみならず和形成器34も有することをだけを補足しておく。
既に述べたように、角度範囲α1・・・α8は角度間隙β1・・・β8によって互いに隔てられている。したがって、角度範囲α1・・・α8が全体として覆っているのは360°よりも少ない。角度間隙β1・・・β8が角度範囲α1・・・α8とちょうど同じ大きさである場合には、角度範囲α1・・・α8が覆っているのはそれどころか180°のみである。なおも小さい覆い角(例えば、全体として90°または120°)すら有り得る。
既に述べたように、本発明による評価回路6の上位の制御装置11はクロック信号Tをもたらし、クロック信号Tはクロック周波数fTを有し、クロック周波数fTは典型的には低いkHz範囲にある。同一のクロック周波数fTにより、上位の制御装置11は図1にしたがって駆動装置35も制御する。駆動装置35により移動要素1の移動が影響を及ぼされ得る。駆動装置35のための秩序正しい操作信号を求めるために、上位の制御装置11は、クロック信号Tの各クロックのために、とりわけ移動要素1の実際位置pを必要とする。
したがって、同期化回路10は、図2にしたがって、クロック信号Tの各立ち上がりエッジに基づいて(もしくは代替としてクロック信号Tの各立下りエッジに基づいて)トリガ信号irqを評価ブロック9に出力する。更に、評価ブロック9は、トリガ信号irqの印加時に、移動要素1の実際位置pを求め、この実際位置pを上位の制御装置11に出力する。
評価ブロック9の内部において、トリガ信号irqが平均値形成器18に供給される。平均値形成器18は、同様にハードウェア回路として構成されている。平均値形成回路18には計算ブロック15から計算されたアークタンジェント値αが供給される。平均値形成器18は多数のアークタンジェント値αの平均値を求め、この平均値を周期カウンタ17のカウンタ値Zと共に実際位置pとして出力する。カウンタ値Zは公知のやり方にて周期カウンタ17において求められる。
平均値形成器18において実行される平均値形成は、平均化されるアークタンジェント値αの個数が2の累乗である場合に特に簡単になる。なぜならば、アークタンジェント値αが加算されるだけでよいからである。この場合、アークタンジェント値αの個数による割算は、対応する桁数(例えば8個のアークタンジェント値αの場合には3桁)だけの簡単なシフトによって、あるいは合計値の相応の「桁ずらし」出力によって実現することができる。
ディジタル信号の符号は、図2によれば、監視要素36にも供給される。監視要素36は、同様に評価ブロック9の構成部分であり、ハードウェア回路として構成されている。監視要素36は、ディジタル信号の符号に基づいて、アークタンジェント値αの角度跳躍を監視する。監視要素36は角度跳躍を認識したとき、対応する警報信号Wを平均値形成器18に出力する。したがって、平均値形成器18は、発生する角度跳躍を実際位置pの算定時に考慮する。
このために、平均値形成器18は、内部において平均値形成そのもののために必要であるよりも多い少なくとも1つのビットにより動作するように設計されている。この付加的なビットは、平均値形成器18の許容し得る値範囲を倍加するため、もしくは付加的なビットよりも多い範囲に拡張するために使用される。したがって、警報信号発生時には供給されるアークタンジェント値αに、2πに相当する計数値を加算することができる。同様に、供給されるアークタンジェント値αからこの計数値を減算することもできる。計数値が加算されるか、それとも減算されるかは、警報信号Wによって決定される。それゆえ、警報信号Wから、角度跳躍が発生したかどうか、そして場合によってはどの方向に発生したかが認識可能でなければならない。
したがって、本発明による方法によってアークタンジェント値αが(場合によっては基礎補正値O1’,O2',A',φ’も)テーブル化されて保存されている規模の大きいメモリを設けることがもはや必要でない。したがって、評価ブロック9およびそれの構成要素を集積回路内に集積化すること、もしくは集積回路として構成することが容易に可能である。
本発明による評価回路の概観接続を示すブロック図 図1の評価回路の一部を示すブロック図 補正値投入ブロックを示すブロック図 図3の補正値投入ブロックの回路技術的実現例を示すブロック図 計算ブロックの回路技術的実現例を示すブロック図 補正値算定ブロックの入力部分の回路技術的実現例を示すブロック図 補正値算定ブロックの出力部分の回路技術的実現例を示すブロック図 補正値算定ブロックの出力部分の回路技術的実現例を示すブロック図 補正値算定ブロックの出力部分の回路技術的実現例を示すブロック図 補正値算定ブロックの出力部分の回路技術的実現例を示すブロック図 レジスタへの角度範囲の割り当てを示すダイアグラム
符号の説明
1 移動要素
2 発信器円板
3 マーキング要素
4 センサユニット
5 センサユニット
6 評価回路
7 AD変換器
8 AD変換器
9 評価ブロック
10 同期化回路
11 制御装置
12 周波数調節器
13 低域通過フィルタ
14 低域通過フィルタ
15 計算ブロック
16 補正値算定ブロック
17 周期カウンタ
18 平均値形成器
19 補正値投入ブロック
20 加算器
21 加算器
22 加算器
23 掛算器
24 掛算器
25 レジスタ
25’ 選択器
26 フラグ
26’ トリガ要素
27 メモリ
28 和形成器
29 レジスタ
30 リミッタ
31 差形成器
32 掛算器
33 変化値算定回路
34 和形成器
35 駆動装置
36 監視要素
401 レジスタ
402 レジスタ
403 加算器
404 レジスタ
405 ビット幅低減器
406 シフトレジスタ
407 アンドゲートアレイ
408 ビット幅拡張器
409 ビットシフタ
410 アンドゲートアレイ
501 選択器
502 インバータ
503 符号判別器
504 ビット幅拡張器
505 選択器
506 選択器
507 加算器/減算器
508 レジスタ
509 ビットシフタ
510 符号判別器
511 インバータ
512 固定値メモリ
513 ビット幅拡張器
514 ビット幅低減器
515 レジスタ

Claims (32)

  1. アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法であって、位置固定の要素に対して相対的に移動する要素(1)の時間的に一様な移動時にアナログ信号がほとんど正弦波状でありかつ互いにほぼ90°だけ位相がずれていて、アナログ信号により位置固定の要素に対して相対的に移動する要素(1)の実際位置(p)が算定可能であり、移動要素(1)の最大速度(vmax)での移動時にアナログ信号が対応する最大周波数(fM)を有し、しかも、
    各1つのセンサユニット(4,5)がアナログ第1信号もしくはアナログ第2信号を検出して、それぞれ1つのAD変換器(7,8)に供給し、
    各AD変換器(7,8)は、これに供給されるアナログ信号を走査周波数(fA)にてディジタル化し、対応するディジタル信号を、ハードウェア回路として構成されている評価ブロック(9)に供給し、
    評価ブロック(9)は、ディジタル信号に基づいてリアルタイムで、ディジタル信号に対応するアークタンジェント値(α)および第1信号および第2信号のための補正値(O1,O2,A,φ)を求め、
    AD変換器(7,8)の走査周波数(fA)が最大周波数(fM)の2倍よりも大きい評価方法において、
    ディジタル信号が、評価ブロック(9)内においてアークタンジェント値(α)をリアルタイムで算定する計算ブロック(15)に供給され
    計算ブロック(15)は、供給されるディジタル信号に基づいて、対応するベクトル長(r)を算定し、かつ、アークタンジェント値(α)およびベクトル長(r)を、ハードウェア回路として構成されている補正値算定ブロック(16)に供給し、
    補正値算定ブロック(16)は、それぞれ角度範囲(α1・・・α8)を割り当てられている多数のレジスタ(25)を有していて、アークタンジェント値(α)に基づいて、レジスタ(25)のうちのアークタンジェント値(α)が存在している角度範囲(α1・・・α8)を有するものを選択すると供に、ベクトル長(r)を、選択されたレジスタ(25)に保存し、かつ、レジスタ(25)に保存されたベクトル長(r)に基づいて、補正値(O1,O2,A,φ)を更新することを特徴とする、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  2. AD変換器(7,8)と評価ブロック(9)との間に、ハードウェア回路として構成されている補正値投入ブロック(19)が配置されていて、
    評価ブロック(9)は、補正値(O1,O2,A,φ)を補正値投入ブロック(19)に供給し、
    補正値投入ブロック(19)は、ディジタル信号を補正値(O1,O2,A,φ)だけ補正しその補正されたディジタル信号を評価ブロック(9)に出力することを特徴とする請求項1記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  3. 補正値算定ブロック(16)は、ベクトル長(r)の各保存時に、選択されたレジスタ(25)に割り当てられたフラグ(26)をセットし、
    補正値算定ブロック(16)は、全てのフラグ(26)がセットされているときにのみ、補正値(O1,O2,A,φ)を更新し、
    補正値算定ブロック(16)は、補正値(O1,O2,A,φ)の更新に関連して全てのフラグ(26)をリセットすることを特徴とする請求項記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  4. 補正値算定ブロック(16)は、補正値(O1,O2,A,φ)を内部メモリ(27)に保存し、
    補正値算定ブロック(16)は、補正値(O1,O2,A,φ)の更新のために先ず、レジスタ(25)に保存されたベクトル長(r)に基づいて、ハードウェア回路として構成されている変化値算定回路(33)において補正値変化値(O1",O2",A",φ")を算定し、
    補正値算定ブロック(16)は、アキュムレータ(27)において補正値変化値(O1",O2",A",φ")を補正値(O1,O2,A,φ)に加算して、新たな補正値(O1,O2,A,φ)として保存することを特徴とする請求項1又は記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  5. 補正値算定ブロック(16)は、レジスタ(25)に保存されたベクトル長(r)に基づいて、先ず和および差形成器(34,31)において、和および差形成によって基礎補正値(O1’,O2’,A’,φ’)を算定し、
    補正値算定ブロック(16)は、基礎補正値(O1’,O2’,A’,φ’)に掛算器(32)において重み係数(w1・・・w4)と掛算し、
    補正値変化値(O1”,O2”,A”,φ”)は、重み係数(w1・・・w4)を掛算された基礎補正値(O1’,O2’,A’,φ’)に相当することを特徴とする請求項記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  6. 補正値算定ブロック(16)が補正値(O1,O2,A,φ)を更新する基礎となるレジスタ(25)の角度範囲(α1・・・α8)は、全体として360°よりも少ない角度を覆っていることを特徴とする請求項乃至の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  7. 走査周波数(fA)は、少なくとも最大周波数(fM)の4倍の大きさであることを特徴とする請求項1乃至の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  8. 走査周波数(fA)は、少なくとも最大周波数(fM)の8倍の大きさであることを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  9. 走査周波数(fA)は、少なくとも最大周波数(fM)の16倍の大きさであることを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  10. 第1信号および第2信号のための補正値(O1,O2,A,φ)は、2つのオフセット補正値(O1,O2)、少なくとも1つの振幅補正値(A)および少なくとも1つの位相補正値(φ)を含むことを特徴とする請求項1乃至の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  11. 同期化回路(10)に、クロック周波数(fT)を有するクロック信号(T)が供給され、
    同期化回路(10)は、走査周波数(fA)がクロック周波数(fT)の整数倍となるように、走査周波数(fA)をクロック周波数(fT)に基づいて調整し、
    同期化回路(10)は、走査周波数(fA)をAD変換器(7,8)および評価ブロック(9)に供給することを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の評価方法。
  12. 同期化回路(10)は、クロック信号(T)のエッジに基づいてトリガ信号(irq)を評価ブロック(9)に出力し、評価ブロック(9)は、トリガ信号(irq)の印加時に移動要素(1)の実際位置(p)を求めて出力することを特徴とする請求項11記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  13. 評価ブロック(9)は、アークタンジェント値(α)に基づいて求められた移動要素(1)の多数の位置を平均化し、平均値が実際位置(p)に相当することを特徴とする請求項12記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  14. 評価ブロック(9)は、アークタンジェント値(α)の角度跳躍を監視し、発生した角度跳躍を実際位置(p)の算定時に考慮することを特徴とする請求項13記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  15. アナログ信号がディジタル化前に境界周波数(fG)にて低域通過フィルタ処理され、境界周波数(fG)が最大周波数(fM)と走査周波数(fA)との間にあることを特徴とする請求項1乃至14の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価方法。
  16. アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路であって、位置固定の要素に対して相対的に移動する要素(1)の時間的に一様な移動時にアナログ信号がほとんど正弦波状でありかつ互いにほぼ90°だけ位相がずれていて、アナログ信号により位置固定の要素に対して相対的に移動する要素(1)の実際位置(p)が算定可能であり、移動要素(1)の最大速度(vmax)での移動時にアナログ信号が対応する最大周波数(fM)を有し、AD変換器(7,8)および評価ブロック(9)を備え、
    AD変換器(7,8)にアナログ第1信号もしくはアナログ第2信号が供給可能であり、
    AD変換器(7,8)によって、これに供給されるアナログ信号が走査周波数(fA)にてディジタル化可能であり、
    AD変換器(7,8)によって、これに供給されるアナログ信号に対応するディジタル信号が出力可能であり、
    評価ブロック(9)は、ハードウェア回路として構成されており、
    AD変換器(7,8)は、これによって出力されるディジタル信号の供給のために評価ブロック(9)に接続されており、
    評価ブロック(9)は、評価ブロック(9)がこれに供給されるディジタル信号に基づいてリアルタイムで、ディジタル信号に対応するアークタンジェント値(α)および第1信号および第2信号のための補正値(O1,O2,A,φ)を求めるように構成されており、
    AD変換器(7,8)の走査周波数(fA)が最大周波数(fM)の2倍よりも大きい評価回路において、
    評価ブロック(9)は、内部に、ディジタル信号を供給されてアークタンジェント値(α)をリアルタイムで算定する計算ブロック(15)を備えており、
    計算ブロック(15)は、これに供給されるディジタル信号に基づいて、アークタンジェント値(α)をリアルタイムで算定すると供に、対応するベクトル長(r)を算定し、それらアークタンジェント値(α)およびベクトル長(r)を、ハードウェア回路として構成されている補正値算定ブロック(16)に供給し、
    補正値算定ブロック(16)は、それぞれ角度範囲(α1・・・α8)を割り当てられている多数のレジスタ(25)を有していて、アークタンジェント値(α)に基づいて、レジスタ(25)のうちのアークタンジェント値(α)が存在している角度範囲(α1・・・α8)を有するものを選択し、ベクトル長(r)を、選択されたレジスタ(25)に保存し、かつ、レジスタ(25)に保存されたベクトル長(r)に基づいて、補正値(O1,O2,A,φ)を更新することを特徴とする、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  17. AD変換器(7,8)と評価ブロック(9)との間に、ハードウェア回路として構成された補正値投入ブロック(19)が配置されており、
    補正値投入ブロック(19)に、評価ブロック(9)から補正値(O1,O2,A,φ)が、そしてAD変換器(7,8)からディジタル信号が供給され、
    補正値投入ブロック(19)は、ディジタル信号を補正値(O1,O2,A,φ)だけ補正し、
    補正値投入ブロック(19)は、補正されたディジタル信号を評価ブロック(9)に出力することを特徴とする請求項16記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  18. 各レジスタ(25)にフラグ(26)が割り当てられており、
    補正値算定ブロック(16)は、ベクトル長(r)の各保存時に、選択されたレジスタ(25)に割り当てられたフラグ(26)をセットし、
    補正値算定ブロック(16)は、全てのフラグ(26)がセットされているときにのみ、補正値(O1,O2,A,φ)を更新し、
    補正値算定ブロック(16)は、補正値(O1,O2,A,φ)の更新に関連して全てのフラグ(26)をリセットすることを特徴とする請求項16記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  19. 補正値算定ブロック(16)は内部にメモリ(27)を有し、このメモリ(27)に補正値算定ブロック(16)が補正値(O1,O2,A,φ)を保存し、
    補正値算定ブロック(16)は、ハードウェア回路として構成されている変化値算定回路(33)を有し、変化値算定回路(33)により補正値算定ブロック(16)が補正値変化値(O1”,O2”,A”,φ”)を算定し、
    メモリ(27)は、アキュムレータとして構成されていて、アキュムレータにおいて補正値変化値(O1”,O2”,A”,φ”)は補正値(O1,O2,A,φ)に加算されて、新たな補正値(O1,O2,A,φ)として保存されることを特徴とする請求項16又は18記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  20. 変化値算定回路(33)は、基礎補正値(O1',O2',A',φ')の算定のための和および差形成器(34,31)を有し、その和および差形成器(34,31)には、レジスタ(25)に保存されたベクトル長(r)が供給され、
    和および差形成器(34,31)の後段には掛算器(32)が配置されていて、その掛算器(32)には、基礎補正値(O1',O2',A',φ')および重み係数(w1・・・w4)が供給され、
    かつ、その掛算器(32)は、基礎補正値(O1’,O2’,A’,φ’)および重み係数(w1・・・w4)に基づいて、補正値変化値(O1”,O2”,A”,φ”)を算定することを特徴とする請求項19記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  21. 補正値算定ブロック(16)が補正値(O1,O2,A,φ)を更新する基礎となるレジスタ(25)の角度範囲(α1・・・α8)は、全体として360°よりも少ない角度を覆っていることを特徴とする請求項16乃至20の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  22. 走査周波数(fA)は、少なくとも最大周波数(fM)の4倍の大きさであることを特徴とする請求項16乃至21の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  23. 走査周波数(fA)は、少なくとも最大周波数(fM)の8倍の大きさであることを特徴とする請求項16乃至21の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  24. 走査周波数(fA)は、少なくとも最大周波数(fM)の16倍の大きさであることを特徴とする請求項16乃至21の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  25. 第1信号および第2信号のための補正値(O1,O2,A,φ)は、2つのオフセット補正値(O1,O2)、少なくとも1つの振幅補正値(A)および少なくとも1つの位相補正値(φ)を含むことを特徴とする請求項16乃至24の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  26. 同期化回路(10)には、クロック周波数(fT)を有するクロック信号(T)が供給され、
    同期化回路(10)は、走査周波数(fA)がクロック周波数(fT)の整数倍となるように、走査周波数(fA)をクロック周波数(fT)に基づいて調整し、
    同期化回路(10)は、走査周波数(fA)をAD変換器(7,8)および評価ブロック(9)に供給することを特徴とする請求項16乃至25の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  27. 同期化回路(10)は、クロック信号(T)のエッジに基づいてトリガ信号(irq)を評価ブロック(9)に出力し、評価ブロック(9)は、トリガ信号(irq)の印加時に移動要素(1)の実際位置(p)を求めて出力することを特徴とする請求項26記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  28. 計算ブロック(15)の後段には、アークタンジェント値(α)に基づいて算定された移動要素(1)の多数の位置の平均値形成によって移動要素(1)の実際位置(p)を求めるための平均値形成器(18)が配置されていることを特徴とする請求項27記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  29. 評価ブロック(9)は、アークタンジェント値(α)の角度跳躍を監視するための監視要素(36)を有し、
    監視要素(36)は、角度跳躍の際に相応の信号を平均値形成器(18)に出力し、
    平均値形成器(18)は、角度跳躍を実際位置(p)の算定時に考慮することを特徴とする請求項28記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  30. AD変換器(7,8)の前段には低域通過フィルタ(13,14)が配置されていて、低域通過フィルタ(13,14)は、最大周波数(fM)と走査周波数(fA)との間にある境界周波数(fG)を有することを特徴とする請求項16乃至29の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  31. 計算ブロック(15)がCORDICブロックとして構成されていることを特徴とする請求項16乃至30の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
  32. 評価ブロック(9)が、当該評価回路自体のアプリケーションに特化した固有の機能を備えた集積回路として構成されたものであることを特徴とする請求項16乃至31の1つに記載の、アナログ第1信号およびアナログ第2信号のための評価回路。
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