WO2005043086A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur bestimmung eines gütemasses von phasensignalen - Google Patents

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    • G01D1/18—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application with arrangements for signalling that a predetermined value of an unspecified parameter has been exceeded

Definitions

  • the invention relates to a method and a circuit arrangement for determining a quality measure of phase signals, in particular when detecting a movement or a rotation angle or a torque on axes or shafts, according to the preamble of the main claim.
  • Incremental angle encoders can be used here, which assign a phase measurement value to an angular position based on the evaluation of optically, magnetically or otherwise as a result of the signals generated and detected by suitable means. To increase the uniqueness range, it is possible to view at least one further measuring channel with a different phase slope. There So there are several phase measurements here. from which the quantity to be measured, such as the angle of rotation, an angle difference or the distance to a target, is to be determined.
  • phase measured values are arithmetically transformed using a linear transformation method and evaluated with a predetermined weighting.
  • the method is used, for example, in an optical angle sensor in which N parallel tracks are applied to a cylinder.
  • Other sensor principles, for example magnetic or capacitive, are also possible here.
  • the traces of the sensor can also be applied on one level instead of on a cylinder, for example in the case of a displacement sensor.
  • phase signals can be evaluated by the simple or multiple use of a classic or modified vernier method.
  • phase measurement values are added up in a weighted manner and the integral and non-integral part is then determined therefrom.
  • the non-integer part is proportional to the angular difference between two track groups of an incremental encoder on a shaft, so that the torque on the shaft can be determined by multiplying by the spring rate of a torsion bar connected between the track groups.
  • the generic method can be used, for example, with a corresponding sensor arrangement, as described in the aforementioned DE 101 42 448 AI, on the steering shaft of a vehicle as a so-called torque angle sensor (TAS), in which the steering angle and the steering torque are output simultaneously should.
  • TAS torque angle sensor
  • phase measurement values can be evaluated by scanning at least one phase encoder on the rotating component by means of a respectively assigned sensor.
  • a determination of a quality measure for the phase signals is advantageously carried out in that after a transformation of the phase measured values with a predetermined one Matrix a vector and the result of a quantization operation with respect to the vector is generated and then another vector is generated from the difference between the vector and the result of the quantization operation after a transformation with a further matrix. The absolute minimum is then formed from the components of the further vector and the quality measure is derived from this.
  • the quantities C j and Dj represent coefficients that can be derived from the phase signals.
  • the application of the coefficients C j and Dj and the transformation of the vector with the further matrix can also be summarized in a simple manner in one process step.
  • the method according to the invention can advantageously be implemented with a circuit arrangement which is formed from an electronic circuit and has a linear mapping module for processing the phase signals and a quantization module.
  • the additional vector can be generated from the difference between the vector at the output of the first linear mapping module and the result of the quantization operation at the output of the quantization module, which vector can be loaded with the coefficients.
  • a scaled quality measure can thus advantageously be determined for assessing the relationship between the individual phase measurement values.
  • This measure then makes it possible to identify faults and incorrect measurements of the sensor system.
  • the invention thus enables the entire sensor system to be monitored, since such an assessment of the overall system was previously not possible. For example, an inclination of the sensor head compared to the sensor tracks due to a so-called tilt angle causes a significant reduction in the quality measure.
  • the invention provides a method and a circuit arrangement for determining the quality measure with little expenditure on software and / or hardware in an electronic circuit, since the calculation of the quality measure does not initially require the calculation of the absolute angle values.
  • Figure 1 is a schematic view of a circuit arrangement for detecting the angle of rotation of an axis or shaft by evaluating phase signals and the arrangement for determining the quality measure and
  • FIG. 2 shows the phase signals after a transformation and quantization into a two-dimensional space. Description of the embodiment
  • FIG. 1 shows a block diagram of a circuit arrangement for detecting the angle of rotation of an axis or shaft by evaluating phase signals ⁇ , which are taken, for example, from an axis of a rotating component, the angle of rotation ⁇ and the angle difference of which can be determined using a corresponding sensor arrangement.
  • phase signals ⁇ which are taken, for example, from an axis of a rotating component, the angle of rotation ⁇ and the angle difference of which can be determined using a corresponding sensor arrangement.
  • the size ⁇ is the absolute angle searched for in the measurement task, whereby the same relationships also apply to a linear displacement sensor. Ideal measurement values are assumed, ie there are basically no measurement errors.
  • a linear mapping module M1 for transforming the phase signals with a A matrix Mi is present in a vector T and a quantization module V for generating a quantization operation V.
  • a further linear mapping module M3 for transformation with a matrix M 3 and an operation with an od 2 16 module takes place, taking into account the output signal of a weighting module W for the phase signals ⁇ in order to obtain the angular position wolf ,
  • the starting point for calculating the quality measure R according to the invention are the phase values themselves or a determination according to equation (2) below from the difference t between the vectors T and V, which as intermediate values of the multidimensional phase evaluation according to the prior art DE 101 42 449 AI in the In principle, the usual circuit arrangements are available here.
  • This N-1 dimensional difference t is mapped into a vector X using a matrix M4 according to FIG. 1 in a linear mapping module M4:
  • the matrix M4 consists of
  • e max is the error permitted in all N phase values at the same time; e max depends on the dimension and the special choice of the period numbers nj.
  • the circuit arrangement for other dimensions N is basically identical, only the specified number of signal lines changes.
  • N 3 phase signals
  • the starting point is the values according to equation (2).
  • the matrices Mi and M 4 are in this case:
  • the quality measure R calculated using the previously described method specifies how much noise or which measurement error can still be permitted based on the current phase measurement value, so that the desired functionality can be guaranteed.
  • N 3 dimensions after a transformation into a two-dimensional t-space
  • FIG. 2 shows the range limits BG for the phase measurement values in the t-space as vectors t. The possible locations of the noise for a correct result are limited here with the area RB.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von Phasensignalen zur Ermittlung eines Winkels oder Weges an einem linear oder rotatorisch bewegten Bauteil vorgeschlagen, bei dem eine Anzahl (N) Phasenmesswerte (alpha) ausgewertet werden, die durch Abtasten von mindestens einer Phasengeberanordnung am linear oder rotatorisch bewegten Bauteil mittels eines jeweils zugeordneten Sensors erzeugt werden. Eine Bestimmung eines Gütemaßes (R) erfolgt dadurch, dass nach einer Transformation der Phasenmesswerte (a) mit einer Matrix (M1) ein Vektor (T) und daran anschließend das Ergebnis einer Quantisierungsoperation (V) bezüglich des Vektors (T) erzeugt wird. Aus der Differenz (t) aus dem Vektor (T) und dem Ergebnis der Quantisierungsoperation (V) wird nach einer Transformation mit einer weiteren Matrix (M4) ein weiterer Vektor (X) erzeugt, dessen Komponenten (xj) mit Koeffizienten (Cj) und (Dj) beaufschlagt und daraus wird das Gütemaß (R) abgeleitet.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung eines Gütemaßes von Phasensignalen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung eines Gütemaßes von Phasensignalen, insbesondere bei der Erfassung einer Bewegung oder eines Drehwinkels oder eines Drehmoments an Achsen oder Wellen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Beispielsweise müssen zur Erfassung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wirkenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen des Lenkrades gemessen werden. Hierbei sind Inkrementalwinkelgeber anwendbar, die einer Winkelstellung aufgrund der Auswertung von optisch, magnetisch oder sonst wie durch die Drehung erzeugten und mit geeigneten Mitteln detektierten Signalen einen Phasemesswert zuordnen. Zur Vergrößerung de Eindeutigkeitsbereichs ist es möglich, wenigstens einen weiteren Messkanal mit einer anderen Phasensteigung einzusehen. Es tre- ten hier also mehrere Phasenmesswerte auf. treten, aus denen die zu messende Größe, wie z.B. der Drehwinkel, eine Winkeldifferenz oder der Abstand zu einem Ziel, zu bestimmen ist.
Zur Auswertung solcher Phasenmesswerte wird im Fall von mehr als zwei Phasensignalen beispielsweise ein in der DE 101 42 449 AI beschriebenes Verfahren vorgeschlagen. Dort werden aus einer Anzahl N von mehrdeutigen, gestörten Phasensignalen ein hochgenauer, robuster und eindeutiger Phasen- oder Winkelmesswert erzeugt. Dazu werden die gemessenen Phasenwerte u.a. mittels eines linearen Transformationsverfahren rechnerisch umgeformt und mit einer vorgegebenen Gewichtung ausgewertet.
Das Verfahren findet Anwendung z.B. bei einem optischen Winkelsensor, bei dem N parallele Spuren auf einem Zylinder aufgebracht sind. Auf jeder der N Spuren (i=l...N) befinden sich n± Perioden einer Phaseninformation, die z.B. im optischen Fall durch n± Perioden von Hell- Dunkelübergängen repräsentiert wird. Andere Sensorprinzipien, z.B. magnetisch oder kapazitiv, sind hier auch möglich. Auch können die Spuren des Sensors statt auf einem Zylinder auf einer Ebene aufgebracht sein, beispielsweise bei einem Wegsensor.
Bekannt ist außerdem aus der DE 195 06 938 AI, dass die Phasensignale durch die einfache oder auch mehrfache Anwendung eines klassischen oder modifizierten Noniusver- fahrens ausgewertet werden können.
Weiterhin ist zur Ermittlung einer Winkeldifferenz aus der DE 101 42 448 AI ebenfalls bekannt, dass die Phasenmesswerte gewichtet aufsummiert und daraus dann der ganzzahlige und nichtganzzahlige Anteil ermittelt wird. Der nichtganzzahlige Anteil ist proportional der Winkeldifferenz zwischen zwei Spurengruppen eines Inkrementalwertge- bers an einer Welle, so dass sich durch Multiplikation mit der Federrate eines zwischen die Spurengruppen geschalteten Torsionsstabes das Drehmoment an der Welle bestimmen lässt.
Aus der DE 100 34 733 AI ist darüber hinaus für sich gesehen bekannt, dass in einer Initialisierungsphase ein vorgegebener Offsetwert zum Phasenmesswert addiert wird und daraus wiederum eine Anpassung des Offsetwertes erfolgt. Ein iteratives Näherungsverfahren zum Offsetab- gleich zweier orthogonaler Sensorsignale ist für sich gesehen noch aus der DE 199 15 968 AI bekannt.
Das gattungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit einer entsprechenden Sensoranordnung, wie in der zuvor erwähnten DE 101 42 448 AI beschrieben, an der Lenkwelle eines Fahrzeugs als sogenannter Torque-Angle-Sensor (TAS) eingesetzt werden, bei dem gleichzeitig der Lenkwinkel und das Lenkmoment ausgeben werden soll.
Vorteile der Erfindung
Mit dem eingangs erwähnten gattungsgemäßen Verfahren zur Erfassung beispielsweise des Drehwinkels- und/oder des Drehmoments an rotierenden mechanischen Bauteilen, können Phasenmesswerte durch Abtasten von mindestens einem Phasengeber am rotierenden Bauteil mittels eines jeweils zugeordneten Sensors ausgewertet werden. Erfindungemäß wird eine Bestimmung eines Gütemaßes für die Phasensignale in vorteilhafter Weise dadurch durchgeführt, dass nach einer Transformation der Phasenmesswerte mit einer vorgegebenen Matrix ein Vektor und das Ergebnis einer Quantisierungsoperation bezüglich des Vektors erzeugt wird und dann aus der Differenz aus dem Vektor und dem Ergebnis der Quantisierungsoperation nach einer Transformation mit einer weiteren Matrix ein weiterer Vektor erzeugt wird. Aus den Komponenten des weiteren Vektors wird dann das betragsmäßige Minimum gebildet und hieraus das Gütemaß abgeleitet.
In besonders vorteilhafter Weise kann das Gütemaß nach folgender Beziehung ermittelt werden:
R - e „ =min,_, „ ΛDt ± x. - C
wobei die Größen Cj und Dj Koeffizienten darstellen, die aus den Phasensignalen herleitbar sind. Die Beaufschlagung mit den Koeffizienten Cj und Dj und die Transformation des Vektors mit der weiteren Matrix kann dabei auch auf einfache Weise in einem Verfahrensschritt zusa menge- fasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise mit einer Schaltungsanordnung realisiert werden, die aus einer elektronischen Schaltung gebildet ist und ein Linear Mapping Module zur Verarbeitung der Phasensignale und ein Quantisierungsmodule aufweist. Mit einem weiteren Linear Mapping Module kann aus der Differenz aus dem Vektor am Ausgang des ersten Linear Mapping Moduls und dem Ergebnis der Quantisierungsoperation am Ausgang des Quantisierungsmoduls der weitere Vektor erzeugt werden, der in weiteren Bausteinen mit den Koeffizienten beaufschlagbar ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Schaltungsanordnung kann somit in vorteilhafter Weise ein ska- lares Gütemaß zur Beurteilung des Zusammenhangs zwischen den einzelnen Phasenmesswerten bestimmt werden. Mit Hilfe dieses Maßes wird es dann möglich, Störungen und Fehlmessungen des Sensorsystems zu erkennen. Die Erfindung ermöglicht somit die Überwachung des gesamten Sensorsystems, da bisher eine solche Beurteilung des Gesamtsystems nicht möglich war. Beispielsweise bewirkt eine Schieflage des Sensorkopfes gegenüber den Sensorspuren aufgrund eines sogenannten Tiltwinkels eine deutliche Reduktion des Gütemaßes. Weiterhin ist mit der Erfindung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Gütemaßes mit geringem Aufwand an Soft- und/oder Hardware in einer elektronischen Schaltung geschaffen, da für die Berechnung des Gütemaßes die Berechnung der absoluten Winkelwerte zunächst nicht benötigt wird.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Schaltungsanordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer Achse oder Welle durch Auswertung von Phasensignalen sowie die Anordnung zur Bestimmung des Gütemaßes und
Figur 2 eine Darstellung der Phasensignale nach einer Transformation und Quantisierung in einen zwei- dimensionalen Raum. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer Achse oder Welle durch Auswertung von Phasensignalen α gezeigt, die beispielsweise an einer Achse eines rotierenden Bauelements abgenommen werden, deren Drehwinkel Φ und deren Winkeldifferenz mit einer entsprechenden Sensoranordnung ermittelbar ist. Eine solche Anordnung ist prinzipiell aus der in der Beschreibungseinleitung als Stand der Technik erwähnten DE 101 42 448 AI bekannt. Aus der ebenfalls in der Beschreibungseinleitung erwähnten DE 101 42 449 AI ist bekannt, das für Phasensignale oci im Fall eines Winkelsensors mit N Phasensignalen die folgende Gleichung gilt :
Figure imgf000008_0001
Die Größe Φ ist hier der in der Messaufgabe gesuchte absolute Winkel, wobei die gleichen Beziehungen auch für einen linearen Wegsensor gelten. Hierbei werden ideale Messwerte vorausgesetzt, d.h. es sind prinzipiell keine Messfehler vorhanden. Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend anhand einer vier- dimensionalen Phasenauswertung (N=4) der Signale von optischen Signalgebern. Hieraus kann dann mittels der weiteren Bausteine die Winkelstellung Φm und ggf. das Drehmoment der Welle oder Achse ermittelt werden.
Im einzelnen ist hier nach der Figur 1 ein Linear Mapping Module Ml zur Transformation der Phasensignale mit ei- ner Matrix Mi in einen Vektor T und ein Quantisierungsmodule V zur Erzeugung einer Quantisierungsoperation V vorhanden. Darauf folgt ein weiteres Linear Mapping Module M3 zur Transformation mit einer Matrix M3 und es folgt eine ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Operation mit einem od 216 Baustein unter Berücksichtigung des Ausgangssignals eines Gewichtungsbausteins W für die Phasensignale α um die Winkelstellung Φ zu erhalten.
Ausgangspunkt zur Berechnung des erfindungsgemäßen Gütemaßes R sind die Phasenwerte selbst oder eine Ermittlung nach der untenstehenden Gleichung (2) aus der Differenz t zwischen den Vektoren T und V, die als Zwischenwerte der mehrdimensionalen Phasenauswertung nach dem Stand der Technik DE 101 42 449 AI bei den hier üblichen Schaltungsanordnungen prinzipiell zur Verfügung stehen. _ t = T - V = T - quant(T) (2)
Diese N-l dimensionale Differenz t wird mit Hilfe einer Matrix M4 nach der Figur 1 in einem Linear Mapping Module M4 in einen Vektor X abgebildet:
X = M4 -_t (3)
Die Matrix M4 besteht aus
Figure imgf000009_0001
Zeilen. Anschließend werden die Komponenten Xj des Vektors X_in einem Baustein C mit Koeffizienten Cj multipliziert. Zu dem Ergebnis werden dann weitere nx Koeffizienten Dj addiert bzw. subtrahiert. Von den so erhaltenen 2nx Werten wird dann in einem Baustein R das betrags äßi- ge Minimum gebildet. Dieses Minimum hat den Wert
Figure imgf000010_0001
Der Wert emax ist der gleichzeitig in allen N Phasenwerten zulässige Fehler; emax ist von der Dimension und der speziellen Wahl der Periodenzahlen nj abhängig. Der Berechnungsablauf für die zuvor erwähnten Größen kann beispielsweise für N=4 Dimensionen dem in der Figur 1 dargestellten Signalflussgraphen prinzipiell entnommen werden. Die Schaltungsanordnung für andere Dimensionen N ist grundsätzlich identisch, lediglich die angegebene Anzahl an Signalleitungen ändert sich.
Bei einem Zahlenbeispiel mit N = 3 Phasensignalen werden z.B. folgende Werte angenommen: nι=3, n2=4, und n3=5. Ausgangspunkt sind die Werte nach der Gleichung (2) . Die Matrizen Mi und M4 lauten in diesem Fall:
Figure imgf000010_0002
und die Koeffizienten Cj bzw. Dj mit jeweils j = 1...3 haben dann die Werte:
c=-l c=- c=-l £>!=-, D2=-, D3=- 1 7 2 8 6
Für ideale Phasensignale nach der Gleichung (1) gilt somit R = 1 und
R-e_ =45° Werden beispielsweise alle Phasensignale ± als inverses Muster um 180° verschoben, so ergibt sich eine Gütemaß von R = 0.
Das mit der zuvor beschriebenen Methode berechnete Gütemaß R gibt an, wieviel Rauschen bzw. welcher Messfehler ausgehend vom aktuellen Phasenmesswert noch zugelassen werden kann, damit die gewünschte Funktionalität garantiert werden kann. In Figur 2 sind bei einem Beispiel von N = 3 Dimensionen nach einer Transformation in einen zweidimensionalen t-Raum die Bereichsgrenzen BG für die Phasenmesswerte im t-Raum als Vektoren t aufgezeigt. Die möglichen Orte des Rauschens für ein korrektes Ergebnis sind hier mit dem Bereich RB eingegrenzt.
Das Rauschen wird hierbei typischerweise auf den Wert emax bezogen. Das heißt, bei idealen Phasenwerten nach der Beziehung (1) gilt R = 1 und der aktuelle Messwert liegt somit im Ausgangspunkt des Vektors t. Liegt der aktuelle Messwert genau auf einer Bereichsgrenze BG der Quantisierungseinheit V nach der Figur 1 so nimmt das Gütemaß R seinen Minimalwert R = 0 an.

Claims

Patentansprüche1
1) Verfahren zur Auswertung von Phasensignalen zur Ermittlung eines Winkels oder Weges an einem linear oder rotatorisch bewegten Bauteil, bei dem - eine Anzahl (N) Phasenmesswerte (α) ausgewertet werden, die durch Abtasten von mindestens einer Phasengeberanordnung am linear oder rotatorisch bewegten Bauteil mittels eines jeweils zugeordneten Sensors erzeugt werden und bei dem - die Phasenmesswerte (α) mittels einer linearen Transformation rechnerisch in einen neuen Bereich transformiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Bestimmung eines Gütemaßes (R) dadurch erfolgt, dass nach einer Transformation der Phasenmesswerte (α) mit einer Matrix (Mi) ein Vektor (T) und daran anschließend das Ergebnis einer Quantisierungsoperation (V) bezüglich des Vektors (T) erzeugt wird, dass - aus der Differenz (t) aus dem Vektor (T) und dem Ergebnis der Quantisierungsoperation (V) nach einer Transformation mit einer weiteren Matrix (M4) ein weiterer Vektor (X) erzeugt wird und dass - aus den Komponenten (XJ) des weiteren Vektors (X) das betragsmäßige Minimum gebildet und hieraus das Gütemaß (R) abgeleitet wird. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gütemaß (R) nach folgender Beziehung ermittelt wird:
Figure imgf000013_0001
wobei die Größen (Cj) und (Dj) Koeffizienten darstellen, die aus den Phasensignalen herleitbar sind.
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Beaufschlagung mit den Koeffizienten (Cj) und (Dj) und die Transformation des Vektors (X) mit der weiteren Matrix (M4) in einem Verfahrensschritt zusammenge- fasst sind.
4) Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine elektronischen Schaltung mit einem Linear Mapping Module (Ml) zur Verarbeitung der Phasensignale (α) mit einer Matrix (Mi) und mit einem Quantisierungsmodule (V) versehen ist und dass - mit einem Linear Mapping Module (M4)aus der Differenz (t) aus dem Vektor (T) am Ausgang des Linear Mapping Moduls (Ml) und dem Ergebnis der Quantisierungsoperation (V) am Ausgang des Quantisierungsmoduls (V) der weiterer Vektor (X) erzeugbar ist, der in weiteren Bausteinen (C,D) mit den Koeffizienten (Cj) und (Dj) beaufschlagbar ist.
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