WO2011121069A2 - Vorrichtung und verfahren zur verarbeitung von signalen, die eine winkelstellung einer welle eines motors repräsentieren - Google Patents

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    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/85—Determining the direction of movement of an encoder, e.g. of an incremental encoder

Definitions

  • the invention relates to a device or a method for processing signals representing an angular position of a shaft of a motor according to the preamble of the independent claims. From DE 199 33 844 Al, a device or a method for processing signals representing an angular position of a shaft of an internal combustion engine is already known, in which a direction of rotation of the shaft is detected.
  • the device according to the invention or the method according to the invention according to the independent patent claims have the advantage that a storage of the times which is particularly advantageous for further processing of the information takes place.
  • This type of storage allows a particularly simple logic to be used both for storing the information and for the subsequent calculations.
  • periodic events can be more accurately predicted if the events that occurred one period ago are taken into account in the new calculation. It is thus a particularly simple device or a particularly simple method for processing the signals representing the angular position of the wave created.
  • FIG. 1 shows a shaft of a motor and a sensor device for generating signals representing an angular position of this shaft
  • FIG. 2 shows signals from the sensor of FIG. 1,
  • FIGS. 3 and 4 further processed signals derived from the signals of FIG. 2;
  • FIG. 5 a schematic representation of the device according to the invention
  • FIG. 6 shows another address pointer
  • FIG. 7 shows a sensor device for generating a position signal in an electric motor
  • FIG. 1 shows a shaft 100 of an engine, for example a crankshaft of an internal combustion engine.
  • a transmitter wheel is rigidly connected to the shaft
  • Such a donor wheel 101 may, for example, be a metallic donor wheel, and the outer tooth structures 102 are introduced into the outer circumference of the metallic donor wheel 101 by means of corresponding cutouts.
  • the tooth structures 102 are for example introduced so that they are arranged at constant angular intervals, for example 6 °.
  • the full circumference of the encoder wheel 101 would then have 60 tooth structures 102, wherein for reasons of clarity in Figure 1, only a few are shown, which also each cover a larger angular range than 6 °.
  • two tooth structures 102 are removed at a defined angle, so that a tooth space 103 is created.
  • This tooth gap 103 serves to uniquely identify a specific position of the shaft 100.
  • This arrangement of the encoder disc on a crankshaft of an internal combustion engine is already known for example from DE 199 33 844 AI.
  • the tooth structures 102 pass a sensor 104, the sensor 104 having a high signal level, i. outputs a high signal when a tooth structure 102 is located immediately in front of the sensor 104 and outputs a low signal level, a low signal, when the gap between two tooth structures 102 is located immediately in front of the sensor 104.
  • the output signal of the sensor 104 is shown by way of example in FIG.
  • the output signal S of the sensor 104 is plotted against the time t.
  • the signal S of the sensor 104 jumps from a low level to a high level at time t1 and maintains this high level as long as the tooth structure 102 passes the sensor 104.
  • the signal level S drops back to the value 0.
  • the signal level then jumps back to the value high, since the subsequent tooth structure 102 then emerges in front of the sensor 104. Accordingly, a jump in the signal level S is shown in FIG. 2 in each case at the time t 1, t 2, t 3, t 4, t 5 and t 6.
  • a signal of a different width is generated, as shown at time t6 in FIG.
  • the signal at time t6 is clearly distinguishable in its width.
  • the signal associated with the period t6 may have a width of 90 ⁇ .
  • the width of these signals is shown in an exaggerated manner.
  • FIGS. 3 and 4 there is therefore an overlap of the signals, ie in FIG. 4 further signals are already generated which are based on an evaluation of the width of the signals of FIG.
  • this is not a real effect but only due to the exaggerated width of the representation in FIG.
  • the direction of rotation information can additionally be used for the further processing of the signals of the sensor 104. How can be determined based on the sensor signals 104, in which direction the shaft 100 moves, for example, the DE 199 33 844 AI can be removed. But there are also other sensors or multiple arrangements of offset sensors known, with which also the direction of rotation of the shaft 100 can be detected.
  • the further processing of the signals from FIG. 3 will now be explained with reference to FIG. 4 and FIG. FIG. 5 once again shows the sensor 104, which forwards the signals as described for FIG. 3 to the signal processing device 200.
  • the signal processing 200 is an apparatus for processing signals representing an angular position of the shaft of an engine. This signal processing device
  • the 200 internally has a storage means 202 and a DPLL (digital phase looped loop) 203.
  • the internal interconnection within the evaluation means 200 is not shown here for reasons of clarity. However, it is ensured that each of the parts of the signal processing device 200 described below is supplied with all the information necessary for its function.
  • the individual parts can be designed both as hard-wired switching logic or at least partially by a universal circuit which executes a program.
  • the signal processing device 200 still have a timer
  • the signal processing device 200 are connected via corresponding lines to a position counter 204 and a memory 206.
  • the memory 206 has a plurality of memory locations, of which two memory locations 2061 and 2062 are shown by way of example. Of the
  • position counter 204 and memory 206 may also be part of the signal processing device 200.
  • timer 201 and the address pointer 205 could also be implemented as external components.
  • the apparatus as shown in Fig. 5 operates as follows: Whenever a signal comes in, as shown in Fig. 3 at times t1, t2, t3, t4 and t5, the storage means reads the time the signal received, from the timer 201 and stores this time in the memory 206.
  • the storage in the memory 206 is carried out in a predetermined order, ie, for example, the storage of the time of receipt of the signal at time tl takes place in memory location 2061 by which it is then clear that the storage of the time at which the signal arrives at the time t2 then takes place in the memory location 2062. Because of this fixed order of storage in the memory 206, it is unambiguously determined for further calculations where the current time, ie the last received one, arrives Time is stored and where the previous time is stored. Due to the specified sequence of storing the successive points in time, it is clearly determined for subsequent calculations where the relevant time information can be found. For this purpose, the address pointer 205 is provided which points to a defined location in the memory 206.
  • the address pointer 205 may contain the information on which memory location information was last stored.
  • the address pointer can also point to the next memory to be used in the order. In principle, it does not matter which memory location the address pointer points to, but due to the information in the address pointer 205, it must be possible to clearly determine what the relative position of the next memory operation is and where the time information of previous memory operations can be found.
  • the different pulse widths of the signals S as a function of the direction of rotation of the shaft 100 shown in FIG. 3 are evaluated in the evaluation means 200 and used to influence the storage in the memory 206.
  • the order of storage in the memory 206 is in a first order.
  • storage in the memory 206 occurs in the opposite order. For example, in a clockwise rotation of the shaft 100, storage is from top to bottom, and when the shaft 100 is rotated counterclockwise, storage is from bottom to top.
  • This different order of storage in the memory 206 is effected by a corresponding influence on the address pointer 205.
  • the address pointer 205 points to the next free memory location respectively, the address pointer 205 is incremented on each of the signals of Figure 3 as it rotates in the first direction, and if the rotation is in the opposite direction, the address pointer is decremented on each signal.
  • a change in direction of rotation is shown on the basis of the signals between the times t5 and t6. From the time t6, at which it was recognized that the engine now runs backwards, the address pointer is now no longer increased, but lowered. The storage of the following Time points are therefore no longer in the memory 206 from top to bottom, but from bottom to top. If this order corresponds, it must then be taken into account in the further calculations that the further values are then stored in the memory 206 in this order.
  • the times stored in the memory 206 are important, for example, for the operation of the DPLL (digital phase locked loop) 203.
  • the DPLL digital phase locked loop
  • FIG. 203 has the function to generate from the individual pulses of Figure 3, a plurality of sub-pulses which are referred to below as position pulses. This can be seen simply by comparing Figures 3 and 4, for example, between times t1 and t2. In the figure 3, the times tl and t2 are each characterized by a short rectangular pulse. In FIG. 4, between the times t1 and t2, a plurality of position pulses 150 output from the DPLL 203 and counted in the position counter 204 are shown. The position counter 204 thus always keeps a precise position of the shaft 100 with a much greater resolution than would be possible by the pitch of the tooth structure 102.
  • the position counter 204 thus always keeps a precise position of the shaft 100 with a much greater resolution than would be possible by the pitch of the tooth structure 102.
  • the position counter 204 thus always keeps a precise position of the shaft 100 with a much greater resolution than would be possible by the pitch of the tooth structure 102.
  • the position counter 204 thus always keeps a
  • the PLL 204 is therefore at any time the angular position of the shaft 100 in high resolution, ie removable with great accuracy.
  • the PLL 203 is designed such that it always outputs an equal number of position pulses 150, as shown in FIG. 4, between two pulses of the sensor 104.
  • the DPLL calculates a prediction time when the next pulse of the sensor 104 is to be expected, based on the information stored in the memory 206 about previous times between two pulses of the sensor 104.
  • the DPLL then outputs the position pulses 150 at a frequency that is calculated to just output the intended number of position pulses 150 until the next sensor 104 signal arrives.
  • the correction means of the DPLL would have had to issue additional position pulses 150 immediately after the time t3 in order to bring about a corresponding level of the position counter 204.
  • the position counter 204 always contains precise information of the angular position of the shaft 100.
  • the position counter 204 must also change its counting direction accordingly. If the position counter
  • the position counter 204 is counted up in the first direction of rotation, it must be counted down accordingly upon rotation of the shaft in a second direction, which is opposite to the first direction.
  • the direction of rotation can be communicated to the position counter 204 either by the PLL 203 or by other means of the signal processing device 200. In any case, the position counter receives
  • FIG. 6 describes the use of a further address pointer 30 in the signal processing circuit 200 and the meaning of this further address pointer 30 for the DPPL 203.
  • the further address pointer 30 points to memory locations 301, 302, 303, 304 of a further memory 300 and fetches in each time a signal from the sensor 104, ie at the times t1, t2, t3, t4, t5, t6 of FIG Memory 300 and provides this information to DPLL 203.
  • There are so many memory locations 301, 302, 303 provided as tooth structures 102 are provided on the encoder wheel 101 or how many gaps are provided between the teeth. For the example as described for FIG. 1, these are 60 - 2, ie 58 memory locations.
  • the gaps can have different lengths, depending on whether missing teeth are to be considered or not.
  • the memory locations 301, 302, 303 associated with the normal gaps between the tooth structures 102 include the number 1 and the memory location 304 associated with the missing tooth space 103 is the number 3 , These numbers correspond to the amount of position pulses the DPLL 203 should output.
  • the tooth gap 103 (which is missing 2 tooth structures 102) must output three times the number of 300 position pulses 150 .
  • the address pointer 30 is set so that it in each case points to the memory location indicating the number of position pulses 150 for the next tooth structure 102 or tooth gap 103. It is thus ensured that the DPLL 302 always outputs an appropriate number of position pulses 150.
  • this value 4 always has to be subtracted or added if there is initially no information about the change of direction in the case of a change of direction of the sensor 104 and the address pointers are incremented or decremented as in the last sensor signal time tx, if the values continue to be stored in the memory 206 with respect to the measured time interval of two teeth always after the corresponding interval and the information on the duration of an interval from the profile memory 300 are always fetched before the interval in question. Under other boundary conditions, other correction values are possible.
  • another component which accesses the memory 300 relative to the address pointer 205 of FIG. 5 may also be used. This component would then read in the content of the address pointer 205 for access to the memory 300 and add or subtract it with an offset. For example, upon rotation of the shaft in a first
  • the address pointer 205 always points to the last increment (time stamp or calculated time duration between the last two teeth) and the address pointer 30 shows the future next increment (expected time duration between the next and the next tooth). With another realization, other differences are possible. With this method, it is thus also possible to ensure that the respective value from the memory 300 is always read from the memory 300, which indicates whether the DPLL 203 should now output a simple set of position pulses or a triple set of position pulses.
  • the memory content of the memory 300 has to be selected in each case adapted to the tooth gap 103.
  • this is effected, for example, by the number 3, since, in the absence of two teeth, the threefold amount of position pulses 150 must be output.
  • the tooth gap is smaller, for example, only one tooth is missing, then only twice the amount of position pulses 150 would have to be output from the DPLL.
  • FIG. 7 schematically shows a rotor 1300 of an electric motor.
  • the rotor 1300 is not shown in FIG. 7 as a round rotor but in a developed state. Representation, ie not shown as a round structure around a shaft but as a linear structure. This representation of the rotor is only for the purpose of simplified graphical representation in FIG. 7. Really, the rotor 1300 is designed as a circular structure around a shaft, as shown in FIG.
  • FIG. 8 again shows an overview of the rotor 1300 of an electric motor. It is an electric motor with eight pairs of pools, d. H. eight north poles 1301 and eight south poles 1321, which are arranged alternately. Each pair of pools 1301, 1321 is associated with a tooth structure 1304 having a tooth 1305 and a tooth space 1306. This figure serves to show the overall structure of the rotor. The details of the assignment of sensors and tooth gaps are explained in the detailed representation of FIG.
  • Embedded in the rotor 1300 are permanent magnets 1301, 1321 which, by applying alternating external magnetic fields through corresponding coils in the stator of the electric motor, generate a force against the field of the permanent magnets 1301, 1321 which surrounds the rotor 1300, for example in the direction indicated by the arrow 1303 Direction moves.
  • the corresponding drive coils are not shown here.
  • the permanent magnets 1301 forms a magnetic north pole and the permanent magnets 1321 form a magnetic south pole.
  • the rotor 1300 has tooth structures 1304, each consisting of a tooth 1305 and a tooth space 1306. In the area of the tooth 1305, the rotor 1300 is made thicker, i. H. it forms the tooth 1305 and in the region of the tooth gap 1306, the rotor 1300 is made thinner and thus forms the tooth gap
  • the tooth 1305 has a front 1307 and a back 1308, the front 1307 transitioning from the tooth space 1306 to the tooth 1305, and the rear side moving in the direction of the arrow 1303 the transition between the teeth 1305 and tooth gap 1306.
  • the tooth structure 1304 shown on the left in FIG. 7 is now referred to as the first tooth structure and the next tooth structure in the middle of FIG. 7 as the second tooth structure 1304.
  • the rotor is constructed so that a tooth structure 1304 is associated with each pair of permanent magnets 1301, 1321.
  • sensors 1311, 1312, 1313 and tooth structures 1304 when the rotor 1300 moves in the direction of the arrow 1303, it behaves so that a fixed sequence of signals from the three sensors occurs.
  • the sensors 1311, 1312, 1313 provide a logical one whenever a tooth 1305 is located immediately in front of them and a logical zero when a tooth gap 1306 is located in front of the sensors 1311, 1312, 1313.
  • the sensors 1311 and 1312 output a logical one and the sensor 1313 outputs a logical zero.
  • the signal level changes as soon as the sensor 1312 is beyond the backside 1308 of the first tooth.
  • the sensor 1311 is still located opposite the tooth 1305, while the sensors 1312 and 1313 are both located opposite the tooth space 1306. The sensors therefore provide the output signal 100.
  • the sensor 1313 then exceeds the front 1307 of the second tooth 1305 and the signal from the sensors then changes to the value 101. If then the rotor 1300 continues to move, then both sensors 1311, 1312 located above the tooth space 1306 of the first tooth structure and the third sensor 1313 is in front of the tooth 1305 of the second tooth structure. The sensors thus output the signal 001. In the further movement then follow the signals 011 and in a further movement further the signal 010. When the rotor 1300 then moves further, the output of the signal 110 is again, in which case the sensors are arranged in front of the second tooth structure 1304, as in the figure 7 with respect to the first tooth structure 1304 shown.
  • this signal sequence is repeatedly output, namely 110, 100, 101, 001, 011, 010.
  • this signal sequence will occur in reverse order, whereby a movement of the electric motor in one direction or the other direction can be clearly distinguished.
  • the further processing of the signals of the three sensors 1311, 1312 1313 is carried out by the signal processing device 200 in a similar manner as already described for the signals of the sensor 104. Whenever a signal from the sensors 1311, 1312 or 1313 changes its signal level, the storage means reads in the time at which the signal was received from the timer 201 and stores this time in the memory 206.
  • Storage in the memory 206 takes place in a predetermined manner
  • Order ie, for example, the storage of the time of receipt of the signal transition from 110 to 100 takes place in memory location 2061, which then makes it clear that the storage of the time at which the signal transition from 100 to 101, then takes place in memory location 2062.
  • the sensors 1311, 1312 and 1313 have a total of only 6 states (the states 000 and 111 do not occur)
  • a complete further movement of the rotor 1300 by a pole pair 1301, 1321 is stored by a storage on only 6 memory locations. But to investigate other influences on the speed, it may also be useful to see a larger number of memory locations.
  • the stored times are, as already described for FIG. 5, managed by a corresponding address pointer 205.
  • the direction of rotation of the electric motor can be determined for each signal change. This information can be used to count according to the address pointer 205 in one direction or the other. Based on the stored time points, a plurality of position pulses 150 are generated in the DPLL 203, which then respectively indicate the position of the electric motor.
  • a plurality of position pulses 150 are generated in the DPLL 203, which then respectively indicate the position of the electric motor.
  • it is not necessary to map a complete movement of the rotor 1300, but it is only necessary to know the position of a pole pair for the purpose of controlling the electric motor, since the rotor is again rotated by one pole pair during a rotation of the rotor Starting position exists.
  • a further address pointer 30 and corresponding memory locations 301, 302, 303, 304 may also be provided for the electric motor. In contrast to the evaluation of crankshaft signals, however, no information relating to the expected teeth but information relating to manufacturing tolerances of the encoder wheel of the electric motor or the arrangement of the three sensors 1311, 1312, 1313 are stored in these memory locations.
  • This information includes information on how many position pulses 150 are to be expected until the next signal transition.
  • Manufacturing tolerances can be based on the periodically successive signal sequence of the 6 possible states of the sensors, for example, could differ due to manufacturing fluctuations at a continuous speed, the time from transition 110 to 100 to the transition from 011 to 010. These deviations are then repeated every 6 signal changes and can be corrected by means of corresponding correction values on the 6 memory locations 301, 302... 306. Further correction values may relate to the manufacturing tolerances of the entire rotor, for example deviations on the tooth structures 1304, which only affect one point on the entire rotor 1300.
  • memory locations for the entire rotor 1300 must then be provided for these deviations and a synchronization of the further address pointer 30 with the rotor 1300 must take place.
  • This may alternatively be done either by another sensor, or by marking a location of the rotor 1300 in a manner similar to that in FIG. 1 or by a learning operation.
  • Such a learning process evaluates, in particular, operating phases of the electric motor with a relative synchronization of the engine, for example, an operating phase in which a vehicle operated by the electric motor rolls out. In such phases, it can be learned which differences exist with respect to the arrival of the signal transitions, and corresponding correction information can be stored in the memory locations 301, 302, 303 and so on. This information is then used by DPLL to output different numbers of position pulses 150, depending on when the arrival of the next signal change is expected.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (200) und ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen die eine Winkelstellung einer Welle (100) eines Motors repräsentieren vorgeschlagen. Es sind Speicherungsmittel (202) zum Speichern von Zeitpunkte des Eintreffens der Signale in einem Speicher (206) vorgesehen wobei die Speicherungsmittel (202) zusätzlich eine Drehrichtungsinformation der Welle (100) auswerten. Bei einer Drehung der Welle (100) in eine erste Richtung wird die Speicherung der Zeitpunkte in einer ersten Reihenfolge in dem Speicher (202) und bei einer Drehung der Welle (100) in eine zweiten Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, wird die Speicherung in einer zweiten Reihenfolge, die entgegengesetzt zur ersten Reihenfolge ist, in dem Speicher (202) vorgenommen.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung einer Welle eines Motors repräsentieren
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung einer Welle eines Motors repräsentieren nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der DE 199 33 844 AI ist bereits eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung einer Welle eines Verbrennungsmotors repräsentieren, bekannt, bei dem eine Drehrichtung der Welle erkannt wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen haben den Vorteil, dass eine für eine weitere Verarbeitung der Informationen besonders vorteilhafte Speicherung der Zeitpunkte erfolgt. Durch diese Art der Speicherung kann eine besonders einfache Logik sowohl für das Ablegen der Informationen wie auch für die nachfolgenden Berechnungen verwendet werden. Darüber hinaus lassen sich insbesondere periodische Ereignisse genauer vorhersagen, wenn die Ereignisse, die eine Periode vorher stattgefunden haben, bei der neuen Berechnung berücksichtigt werden. Es wird so eine besonders einfache Vorrichtung bzw. ein besonders einfaches Verfahren zur Verarbeitung der Signale, die die Winkelstellung der Welle repräsentieren, geschaffen.
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Durch das Abspeichern in einer bestimmten Reihenfolge werden die Berechnungen, die üblicherweise einen aktuellen, zuletzt gespeicherten Zeitpunkt und vorhergehende Zeitpunkte verwenden, besonders ein- fach ausgestaltet. Diese Berechnungen werden insbesondere dadurch vereinfacht, dass ein Adresszeiger vorgesehen ist, der auf die entsprechenden Speicherplätze verweist. Die entsprechenden Reihenfolgen werden durch Erhöhen oder Verringern des Adresszeigers erzeugt. Weiterhin kann eine digitale PLL- Schaltung (DPLL) vorgesehen sein, die Positionsimpulse für Winkelstellungen zwischen den Signalen, die eine Winkelstellung der Welle repräsentieren, erzeugen. Diese können dann in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Welle durch Ausgleichsimpulse korrigiert werden. Entsprechend wird dann bei einem Wechsel der Drehrichtung auch die Zählrichtung eines Positionszählers gewechselt. Die Korrekturm ittel können zum Zweck der Korrektur des Positionszählers entweder Impulse hinzufügen oder Auslassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Welle eines Motors und eine Sensorvorrichtung zur Erzeugung von Signalen, die eine Winkelstellung dieser Welle repräsentieren,
Figur 2 Signale des Sensors der Figur 1,
Figur 3 und 4 weiterverarbeitete Signale, die von den Signalen der Figur 2 abgeleitet sind,
Figur 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 6 einen weiteren Adresspointer,
Fig. 7 eine Sensorvorrichtung zur Erzeugung eines Positionssignals bei einem Elektromotor, und
Fig.8 einen Elektromotor mit 8 Polpaaren. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 wird eine Welle 100 eines Motors, beispielsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gezeigt. Mit der Welle starr verbunden ist ein Geberrad
101, welches auf seinem äußeren Umfang eine Zahnstruktur 102 aufweist. Bei einem derartigen Geberrad 101 kann es sich beispielsweise um ein metallisches Geberrad handeln und die äußeren Zahnstrukturen 102 sind durch entsprechende Ausfräsungen in den äußeren Umfang des metallischen Geberrades 101 ein- gebracht. Die Zahnstrukturen 102 sind dabei beispielsweise so eingebracht, dass sie in konstanten Winkelabständen angeordnet sind, beispielsweise 6°. Der volle Umfang des Geberrades 101 würde dann 60 Zahnstrukturen 102 aufweisen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur 1 nur einige wenige dargestellt sind, die zudem jeweils einen größeren Winkelbereich abdecken als 6°. Zur Kennzeichnung einer besonderen Position der Welle 100 sind zwei Zahnstrukturen 102 an einer definierten Winkelstelle entfernt, so dass eine Zahnlücke 103 entsteht. Diese Zahnlücke 103 dient dazu, eine bestimmte Position der Welle 100 eindeutig zu kennzeichnen. Diese Anordnung der Geberscheibe auf einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise bereits aus der DE 199 33 844 AI bekannt. Die Zahnstrukturen 102 streichen an einem Sensor 104 vorbei, wobei der Sensor 104 einen hohen Signalpegel d.h. ein High-Signal ausgibt, wenn sich eine Zahnstruktur 102 unmittelbar vor dem Sensor 104 befindet und einen niedrigen Signalpegel, ein Low-Signal ausgibt, wenn sich unmittelbar vor dem Sensor 104 die Lücke zwischen zwei Zahnstrukturen 102 befindet. Das Ausgangssignal des Sensors 104 wird beispielhaft in der Figur 2 dargestellt.
In der Figur 2 wird das Ausgangssignal S des Sensors 104 gegen die Zeit t aufgetragen. Wie zu erkennen ist, springt das Signal S des Sensors 104 zum Zeitpunkt tl von einem Lowpegel auf einen Highpegel und behält dieses Highpegel bei, solange die Zahnstruktur 102 an dem Sensor 104 vorbeibewegt wird. Wenn sich dann die Zahnstruktur 102 an dem Sensor 104 vorbeibewegt hat, fällt der Signalpegel S wieder auf den Wert 0. Zum Zeitpunkt t2 springt dann der Signalpegel wieder auf den Wert high, da dann die nachfolgende Zahnstruktur 102 vor dem Sensor 104 auftaucht. Entsprechend wird in der Figur 2 jeweils zum Zeit- punkt tl, t2, t3, t4, t5 und t6 ein Springen des Signalpegels S gezeigt. Die Signa- le, die zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4, t5 gezeigt werden, gehören zu einer normalen Drehung der Welle in eine Richtung. Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 erfolgt eine Umkehrung der Drehrichtung der Welle. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen werden weiter unten diskutiert.
Für die weitere Verarbeitung der Signale des Sensors 104 werden nicht die Signale nach der Figur 2, sondern nur die positiven Schaltflanken d.h. von Lowpegel zum Highpegel für eine Weiterverarbeitung berücksichtigt. In der Figur 3 wird die als Reaktion zu diesen positiven Schaltflanken vom Signallevel S = low zu Signallevel S = high gezeigt. Durch eine Vorverarbeitung der Sensorsignale entweder direkt im Sensor 104 oder in einer nachgelagerten Verarbeitungseinheit werden die unmittelbaren Sensorsignale der Figur 2 in die Signale, die in der Figur 3 gezeigt werden, umgewandelt. Für jede positive Schaltflanke wird ein Rechtecksignal mit einer definierten Breite erzeugt. Bei einer Drehung der Welle 100 in einer ersten Richtung, wie dies zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4 und t5 der Fall ist, wird ein Rechtecksignal mit einer definierten Breite von beispielsweise 45με erzeugt. Wenn eine Drehung der Welle 100 in einer entgegengesetzten Richtung zur ersten Richtung festgestellt wird, wird ein Signal einer anderen Breite erzeugt, wie dies zum Zeitpunkt t6 in der Figur 3 gezeigt wird. Das Signal zum Zeitpunkt t6 ist in seiner Breite klar unterscheidbar. Beispielsweise kann das Signal, welches dem Zeitraum t6 zugeordnet ist, eine Breite von 90με aufweisen. In der Darstellung in der Figur 3 wird die Breite dieser Signale übertrieben breit dargestellt. Es kommt daher bei einem Vergleich der Figuren 3 und 4 zu einer Überlappung der Signale d.h. in der Figur 4 werden bereits weitere Signale erzeugt die auf einer Auswertung der Breite der Signale der Figur 3 beruhen. Dies ist aber kein realer Effekt sondern nur durch die übertriebe Breite der Darstellung in der Figur 3 bedingt. Durch diese unterschiedliche Breite lässt sich für die Weiterverarbeitung der Signale des Sensors 104 zusätzlich die Drehrichtungsinformation verwenden. Wie aufgrund der Sensorsignale 104 festgestellt werden kann, in welche Richtung sich die Welle 100 bewegt, ist beispielsweise der DE 199 33 844 AI entnehmbar. Es sind aber auch andere Sensoren oder Mehrfachanordnungen von versetzten Sensoren bekannt, mit denen ebenfalls die Drehrichtung der Welle 100 erkannt werden kann. Die weitere Verarbeitung der Signale aus der Figur 3 wird nun anhand der Figur 4 und der Figur 5 erläutert. In der Figur 5 wird noch einmal der Sensor 104 gezeigt, der die Signale, wie sie zur Figur 3 beschrieben wurden, an die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 weitergibt. Bei der Signalverarbeitung 200 handelt es sich um eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung der Welle eines Motors repräsentieren. Diese Signalverarbeitungsvorrichtung
200 weist intern ein Speicherungsmittel 202 und eine DPLL (digital Phase Lo- cked Loop) 203 auf. Die interne Verschaltung innerhalb der Auswertemittel 200 wird hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Es wird aber sicher- gestellt dass jeder der nachfolgend beschriebenen Teile der Signalverarbeitungsvorrichtung 200 mit allen für seine Funktion notwendigen Information versorgt wird. Die einzelnen Teile können sowohl als fest verdrahtete Schaltlogik ausgebildet sein oder auch zumindest teilweise durch eine universelle Schaltung die ein Programm ausführt ausgebildet sein.
Weiterhin weisen die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 noch einen Zeitgeber
201 und einen Adresspointer 205 auf. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 sind über entsprechende Leitungen mit einem Positionszähler 204 und einem Speicher 206 verbunden. Der Speicher 206 weist mehrere Speicherplätze auf, von denen beispielhaft zwei Speicherplätze 2061 und 2062 dargestellt sind. Der
Positionszähler 204 und der Speicher 206 können natürlich auch Bestandteil der Signalverarbeitungsvorrichtung 200 sein. Ebenso könnte der Zeitgeber 201 und der Adresspointer 205 auch als externe Komponenten realisiert sein. Die Vorrichtung, wie sie in der Figur 5 gezeigt wird, arbeitet wie folgt: Immer wenn ein Signal eingeht, wie dies in der Figur 3 zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4 und t5 gezeigt wird, liest das Speicherungsmittel den Zeitpunkt, zu dem das Signal einging, von dem Zeitgeber 201 ein und speichert diesen Zeitpunkt in dem Speicher 206. Die Speicherung in dem Speicher 206 erfolgt in einer vorgegebe- nen Reihenfolge, d. h. beispielsweise die Speicherung des Zeitpunktes des Eingangs des Signals zum Zeitpunkt tl erfolgt im Speicherplatz 2061, wodurch dann klar ist, dass die Speicherung des Zeitpunktes, zu dem das Signal zum Zeitpunkt t2 eingeht, dann im Speicherplatz 2062 erfolgt. Aufgrund dieser festen Reihenfolge der Speicherung in dem Speicher 206 ist für weitergehende Berechnungen eindeutig festgelegt, wo der aktuelle Zeitpunkt, d. h. der zuletzt eingegangene Zeitpunkt gespeichert ist und wo der vorhergehende Zeitpunkt abgespeichert ist. Durch die festgelegte Reihenfolge der Speicherung der aufeinanderfolgenden Zeitpunkte ist für nachfolgende Berechnungen klar festgelegt, wo denn die relevante Zeitinformation zu finden ist. Zu diesem Zweck ist der Adresspointer 205 vorgesehen, der auf einen definierten Platz im Speicher 206 zeigt. Beispielsweise kann der Adresspointer 205 die Information enthalten, auf welchem Speicherplatz zuletzt ein Einspeichern von Informationen erfolgte. Alternativ kann der Adresspointer natürlich auch auf den in der Reihenfolge als nächsten zu verwendenden Speicherplatz zeigen. Im Prinzip ist es nicht wichtig, auf welchen Spei- cherplatz der Adresspointer zeigt, aber es muss aufgrund der Information im Adresspointer 205 klar ermittelbar sein, wie die relative Position des nächsten Speichervorgangs ist und wo sich die Zeitinformation vorhergehender Speichervorgänge findet.
Die in der Figur 3 gezeigten unterschiedlichen Impulsweiten der Signale S in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Welle 100 wird im Auswertemittel 200 ausgewertet und dazu benutzt, die Speicherung in dem Speicher 206 zu beeinflussen. Wenn sich die Welle 100 in einer ersten Richtung dreht, so erfolgt die Reihenfolge der Speicherung in dem Speicher 206 in einer ersten Reihenfolge. Wenn sich die Welle 100 in die entgegengesetzte Richtung dreht, so erfolgt die Speicherung in dem Speicher 206 in der entgegengesetzten Reihenfolge. Beispielsweise bei einer Drehung der Welle 100 im Uhrzeigersinn erfolgt die Speicherung von oben nach unten, und bei einer Drehung der Welle 100 gegen den Uhrzeigersinn erfolgt die Speicherung von unten nach oben. Diese unterschiedliche Reihenfolge der Speicherung in dem Speicher 206 wird durch eine entsprechende Beeinflussung des Adresspointers 205 bewirkt. Wenn der Adresspointer 205 jeweils auf den nächsten freien Speicherplatz verweist, so wird der Adresspointer 205 bei der Drehung in der ersten Richtung bei jedem der Signale der Figur 3 erhöht und wenn die Drehung in die entgegengesetzte Richtung geht, wird der Adresspointer bei jedem Signal erniedrigt.
In der Figur 3 wird beispielsweise ein Drehrichtungswechsel anhand der Signale zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 dargestellt. Ab dem Zeitpunkt t6, an dem erkannt wurde, dass der Motor nun rückwärts läuft, wird der Adresspointer nun nicht mehr erhöht, sondern erniedrigt. Die Abspeicherung der darauffolgenden Zeitpunkte erfolgt daher in dem Speicher 206 nicht mehr von oben nach unten, sondern von unten nach oben. Entsprechen diese Reihenfolge, muss bei den weiteren Berechnungen dann berücksichtigt werden, dass die weiteren Werte in dieser Reihenfolge dann im Speicher 206 abgelegt sind.
Die in dem Speicher 206 abgespeicherten Zeitpunkte sind beispielsweise für den Betrieb der DPLL (digital Phase Locked Loop) 203 von Bedeutung. Die DPLL
203 hat die Funktion, aus den einzelnen Impulsen der Figur 3 eine Vielzahl von Subimpulsen zu erzeugen die im folgenden als Positionsimpulse bezeichnet werden. Dies sieht man einfach durch einen Vergleich der Figuren 3 und 4, beispielsweise zwischen den Zeitpunkten tl und t2. In der Figur 3 sind die Zeitpunkte tl und t2 durch jeweils einen kurzen Rechteckimpuls gekennzeichnet. In der Figur 4 werden zwischen den Zeitpunkten tl und t2 eine Vielzahl von Positionsimpulsen 150 gezeigt, die von der DPLL 203 ausgegeben werden und in dem Positionszähler 204 gezählt werden. Der Positionszähler 204 hält somit immer eine genaue Position der Welle 100 mit einer sehr viel größeren Auflösung als dies durch die Teilung der Zahnstruktur 102 möglich wäre. Dem Positionszähler
204 ist daher jederzeit die Winkelposition der Welle 100 in großer Auflösung, d. h. mit großer Genauigkeit entnehmbar. Die PLL 203 ist so ausgebildet, dass er zwischen zwei Impulsen des Sensors 104 immer eine gleiche Anzahl von Positionsimpulsen 150, wie sie in der Figur 4 dargestellt werden, ausgibt. Dazu berechnet die DPLL aufgrund der im Speicher 206 gespeicherten Informationen über vorhergehende Zeiten zwischen zwei Impulsen des Sensors 104 eine Vorhersagezeit, wann mit dem nächsten Impuls des Sensors 104 zu rechnen ist. Die DPLL gibt dann die Positionsimpulse 150 mit einer Frequenz aus, die so bemessen ist, dass gerade die vorgesehene Anzahl an Positionsimpulsen 150 ausgegeben wird, bis das nächste Signal des Sensors 104 eintrifft. Wenn diese Vorhersage nicht eintrifft, entweder weil sich die Welle 100 entgegen der Vorhersage deutlich schneller gedreht wurde oder entgegen der Vorhersage deutlich lang- samer gedreht wurde, so müssen entsprechende Korrekturmittel der DPLL korrigierend eingreifen. Dies wird in den Figuren 3 und 4 anhand der Signale zu den Zeitpunkten t2 und t3 erläutert. Wie sich aus der Figur 3 erkennen lässt, ist die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 deutlich länger als zwischen den Zeitpunkten tl und t2. Für die Vorhersage ist die DPLL 203 aber davon ausge- gangen, dass sich die Drehzahl der Welle 100 nicht verlangsamt und hat so, wie in der Figur 4 gezeigt wird, in dem Intervall t2, t3 die Positionsimpulse 150 mit der gleichen Frequenz ausgegeben wie in dem Intervall tl, t2. Nachdem dann die vorgesehene Anzahl von Positionsimpulsen 150 ausgegeben wurde, wird von der DPLL 203 die Ausgabe von weiteren Positionsimpulsen 150 unterdrückt, da ja sonst der Positionszähler 204 einen zu großen Wert annehmen würde. Es folgt somit nach der Ausgabe der entsprechenden Anzahl von Positionsimpulsen 150 ein kurzes Intervall, in dem keine Positionsimpulse ausgegeben werde, wobei dieses Intervall kurz vor dem Zeitpunkt t3 ist. Ab dem Zeitpunkt t3 erfolgt dann wieder eine Ausgabe von Positionsimpulsen. Wenn nun in dem Intervall t2, t3 ei- ne unvorhergesehene Beschleunigung der Drehung der Welle 100 erfolgt wäre, so wäre es mit der gezeigten Frequenz nicht möglich gewesen, bis zum Zeitpunkt t3 die vorgesehene Anzahl von Positionsimpulsen 150 auszugeben. In diesem Fall hätten die Korrekturmittel der DPLL unmittelbar nach dem Zeitpunkt t3 zusätzliche Positionsimpulse 150 ausgeben müssen, um einen entsprechenden Stand des Positionszählers 204 zu bewirken. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, dass der Positionszähler 204 immer eine genaue Information der Winkelstellung der Welle 100 enthält.
Bei einer Änderung der Drehrichtung der Welle 100 muss der Positionszähler 204 auch entsprechend seine Zählrichtung ändern. Wenn der Positionszähler
204 in der ersten Drehrichtung hochgezählt wird, so muss er bei einer Drehung der Welle in einer zweiten Richtung, die entgegen der ersten Richtung ist, entsprechend heruntergezählt werden. Die Drehrichtung kann dem Positionszähler 204 entweder durch die PLL 203 oder durch andere Mittel der Signalverarbei- tungsvorrichtung 200 mitgeteilt werden. Auf jeden Fall erhält der Positionszähler
204 die Information ob die von der PLL gelieferten Positionsimpulse 150 hinzuaddiert oder subtrahiert werden sollen. Die Änderung der Drehrichtung wird nun anhand der Figuren 3 und 4, insbesondere zum Zeitpunkt t6 erläutert. Typischerweise tritt bei einer Brennkraftmaschine bei einer Drehrichtungsumkehr auch eine deutliche Verlängerung der Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen des Sensors 104 auf. In der Figur 3 wird dies durch den längeren Zeitabstand zwischen t5 und t6 dargestellt. Entsprechend wird in der Figur 4 ungefähr in der Mitte des Intervalls zwischen t5 und t6 die Ausgabe von Positionsimpulsen 150 beendet, da die vorgegebene Anzahl von Positionsimpulsen 150 in etwa in der Mitte dieses Intervalls erreicht wurde. Zum Zeitpunkt t6 steht dann nach der Beendigung des Impulses in Fig.3 fest, dass es sich um eine Drehrichtungsumkehr handelt. Ab diesem Zeitpunkt werden die von der PLL 203 ausgegebenen Positionsimpulse 150 nicht mehr zu dem Positionszähler hinzuaddiert, sondern abgezogen. Unmittelbar nach der Beendigung des Impulses vom Zeitpunkt t6 in Fig.3 werden zunächst von der DPLL 203 eine rasche Folge von Positionsimpulsen 150 ausgegeben, die den Stand des Positionszählers 204 entsprechend verringern. Es handelt sich dabei somit um Ausgleichsimpulse die den Stand des Positionszählers 204 entsprechend korrigieren. Diese Impulse entsprechen von ihrer Anzahl her den Positionsimpulsen 150, die in dem Intervall t5, t6 fehlerhaft zum Positionszähler 204 hinzuaddiert wurden. Diese werden in der Figur 4 als schwarzer Block unmittelbar nach dem Zeitpunkt t6 dargestellt, da sie so eng aufeinanderfolgen, dass sie in der Figur 4 nicht als Einzelimpulse darstellbar sind. Es wird somit als erste Maßnahme der Positionszähler korrigiert, indem eine entsprechende Anzahl von Positionsimpulsen 150 abgezogen wird. Erst danach gibt die PLL 203 normale Zählimpulse aus, die sich in ihrer Frequenz daran orientieren, wann denn bei der Rückwärtsdrehung mit dem nächsten Impuls des Sensors 104 zu rechnen ist. Bei den unmittelbar auf den Zeitpunkt t6 folgenden Impulsen mit deutlich erhöhter Frequenz handelt es sich somit um Ausgleichsimpulse, um den Stand des Positionszählers 204 zu korrigieren.
In der Figur 6 wird die Verwendung eines weiteren Adresspointer 30 in der Signalverarbeitungsschaltung 200 und die Bedeutung dieses weiteren Adresspointer 30 für die DPPL 203 beschrieben. Der weitere Adresspointer 30 zeigt auf Speicherplätze 301, 302, 303, 304 eines weiteren Speichers 300 und holt bei jedem Eintreffen eines Signals des Sensors 104, d.h. zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4, t5, t6 der Figur 3 die in dem Speicher 300 und stellt diese Information dem DPLL 203 zur Verfügung. Es sind so viele Speicherplätze 301, 302, 303 vorgesehen wie Zahnstrukturen 102 auf den Geberrad 101 vorgesehen sind oder auch wie viel Lücken zwischen den Zähnen vorgesehen sind. Für das Beispiel wie es zur Figur 1 beschrieben wurde sind dies 60 - 2 d.h. 58 Speicherplätze. Die Lücken können unterschiedliche Längen haben, je nachdem ob fehlende Zähne zu berücksichtigen sind oder nicht. Wie in der Figur 6 dargestellt wird enthalten die Speicherplätze 301, 302, 303, die den normalen Lücken zwischen den Zahnstrukturen 102 zugeordnet sind, jeweils die Zahl 1 und der Speicherplatz 304, der der Zahnlücke 103 mit zwei fehlenden Zähnen zugeordnet ist, die Zahl 3. Diese Zahlen entsprechen der Menge an Positionsimpulsen die die DPLL 203 ausgeben soll. Wenn für eine normale Zahnstruktur 102 beispielsweise 100 Positionsimpulse 150 bis zum Eintreffen des nächsten Impuls des Sensors 104 vom DPLL 203 ausgegeben werden sollen, so muss bei der Zahnlücke 103 (bei der ja 2 Zahnstrukturen 102 fehlen) die dreifache Anzahl d.h. 300 Positionsimpulse 150 ausgegeben werden. Durch eine Synchronisation des Adresspointer 30 bei einem Start der Brennkraftmaschine wird der Adresspointer so eingestellt dass er jeweils auf den Speicherplatz weist der die Anzahl an Positionsimpulsen 150 für die nächste Zahnstruktur 102 oder Zahnlücke 103 anzeigt. Es wird so sichergestellt dass von dem DPLL 302 immer eine angemessene Zahl an Positionsimpulsen 150 ausgegeben wird.
Bei einem Wechsel der Drehrichtung der Welle 100 muss der weitere Adresspointer 30 entsprechend umgestellt werden. Wenn man davon ausgeht, dass die in dem Speicher 300 gespeicherte Information immer vor dem Eintreffen des Impulses des Sensors 104 ausgelesen und der DPPL 203 zur Verfügung gestellt wird und unmittelbar nach diesem Auslesen der weitere Adresspointer 30 verstellt wird, so muss bei einem Wechsel der Drehrichtung der weitere Adresspointer um 4 Speicherplätze entgegen der bisherigen Verstellrichtung verändert werden. Wenn der weitere Adresspointer 30 bei der Drehung der Welle in einer ersten Richtung nach jedem Auslesen erhöht wird, so muss bei einem Wechsel der Drehrichtung der weitere Adresspointer um 4 vermindert werden und dann solange die Welle in der entgegengerichteten Drehrichtung dreht wird der weitere Adresspointer bei jedem Lesevorgang vermindert. Die Zahl 4 steht nur als Beispiel. Dieser Wert 4 muss beispielsweise immer dann subtrahiert bzw. addiert werden, wenn bei einem Richtungswechsel bei einem Signalswechsel des Sensors 104 zunächst noch keine Information über den Richtungswechsel vorliegt und die Adresspointer wie beim letzten Sensorsignalzeitpunkt tx inkrementiert werden bzw. dekrementiert werden, wenn weiterhin die Werte in den Speicher 206 bezüglich dem gemessenen zeitlichen Abstand von zwei Zähnen immer nach dem entsprechenden Intervall abgespeichert werden und die Information über die Dauer eines Intervalls aus dem Profil-Speicher 300 immer vor dem betreffenden Intervall geholt werden. Unter anderen Randbedingungen sind auch andere Korrekturwerte möglich. Statt eines weiteren Adresspointer 30 kann auch ein anderes Bauteil verwendet werden, welches den Zugriff auf den Speicher 300 relativ zum Adresspointer 205 der Figur 5 vornimmt. Dieses Bauteil würde dann für einen Zugriff auf den Speicher 300 den Inhalt des Adresspointer 205 einlesen und mit einem Offset addie- ren oder subtrahieren. Beispielsweise bei einer Drehung der Welle in einer ersten
Richtung könnte zu dem Inhalt des Adresspointer 205 der Wert 2 hinzuaddiert werden und der entsprechende Speicherplatz aus dem Speicher 300 ausgelesen werden. Wenn es dann zu einem Wechsel der Drehrichtung kommt, so würde wiederum einfach der Inhalt des Adresspointer 205 ausgelesen und von diesem Wert zwei Speicherplätze abgezogen werden. Ebenso könnte in Vorwärtsrichtung der Wert 17 zum Adresspointer 205 addiert werden und in Rückwärtsrichtung der Wert 13 addiert werden. Der Unterschied 4 zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf beim Adresspointer 30 ist nur dann richtig, wenn beide Adresspointer bei sofort mit dem Beginn eines Impulses von Figur 3 wie vorher inkre- mentieren oder dekrementieren, wenn noch nicht die Richtungsinformation des
Impulses ausgewertet wurde, der Adresspointer 205 immer auf das letzte Inkre- ment zeigt (Zeitstempel oder berechnete Zeitdauer zwischen den letzten beiden Zähnen) und der Adresspointer 30 das zukünftige nächste Inkrement zeigt (erwartete Zeitdauer zwischen dem nächsten und dem übernächsten Zahn). Mit ei- ner anderen Realisierung sind auch andere Unterschiedswerte möglich. Mit diesem Verfahren kann so auch sichergestellt werden, dass aus dem Speicher 300 immer der jeweilige Wert aus dem Speicher 300 ausgelesen wird, der angibt, ob der DPLL 203 nun eine einfache Menge von Positionsimpulsen oder eine dreifache Menge von Positionsimpulsen ausgeben soll.
Ergänzend angemerkt, dass der Speicherinhalt des Speichers 300 jeweils ange- passt an die Zahnlücke 103 ausgewählt werden muss. Bei dem Zahnrad nach der Figur 1 ist dies beispielsweise durch die Zahl 3 bewirkt, da bei einem Fehlen von zwei Zähnen die dreifache Menge an Positionsimpulsen 150 ausgegeben werden muss. Wenn die Zahnlücke kleiner ist, beispielsweise nur ein Zahn fehlt, so müsste beispielsweise nur die doppelte Menge an Positionsimpulsen 150 von dem DPLL ausgegeben werden.
In der Figur 7 wird schematisch ein Rotor 1300 eines Elektromotors dargestellt. Der Rotor 1300 wird in Fig. 7 nicht als runder Rotor sondern in einer abgewickel- ten Darstellung, d. h. nicht als rundes Gebilde um eine Welle sondern als lineares Gebilde dargestellt. Diese Darstellung des Rotors dient nur zur vereinfachten graphischen Darstellung in der Figur 7. Real ist der Rotor 1300 als kreisförmige Struktur um eine Welle ausgebildet wie dies in der Figur 8 gezeigt wird.
In der Figur 8 wird noch einmal als Übersicht der Rotor 1300 eines Elektromotors dargestellt. Es handelt sich um einen Elektromotor mit acht Poolpaaren, d. h. acht Nordpolen 1301 und acht Südpolen 1321, die jeweils im Wechsel angeordnet sind. Jedem Poolpaar 1301, 1321 ist eine Zahnstruktur 1304 mit einem Zahn 1305 und einer Zahnlücke 1306 zugeordnet. Diese Figur dient dazu den Gesamtaufbau des Rotors zu zeigen. Die Details der Zuordnung von Sensoren und Zahnlücken sind in der detaillierten Darstellung der Figur 7 erläutert.
In dem Rotor 1300 sind eingebettet Permanentmagnete 1301, 1321, die durch Anlegen von wechselnden äußeren Magnetfeldern durch entsprechende Spulen im Stator des Elektromotors eine Kraft gegenüber dem Feld der Permanentmagneten 1301, 1321 erzeugt, die den Rotor 1300, beispielsweise in die durch den Pfeil 1303 gezeigte Richtung bewegt. Die entsprechenden Ansteuerspulen sind hier nicht dargestellt. Die Permanentmagnete 1301 bildet einen magnetischen Nordpol und die Permanentmagnete 1321 einen magnetischen Südpol.
Der Rotor 1300 weist Zahnstrukturen 1304 auf, die jeweils aus einem Zahn 1305 und einer Zahnlücke 1306 bestehen. Im Bereich des Zahns 1305 ist der Rotor 1300 dicker ausgebildet, d. h. er bildet den Zahn 1305 und im Bereich der Zahn- lücke 1306 ist der Rotor 1300 dünner ausgebildet und bildet so die Zahnlücke
1306. Für die weitere Diskussion ist es noch von Bedeutung, dass der Zahn 1305 eine Vorderseite 1307 und eine Rückseite 1308 besitzt, wobei die Vorderseite 1307 den Übergang von Zahnlücke 1306 zu Zahn 1305 und die Rückseite in Bewegungsrichtung des Pfeils 1303 den Übergang zwischen Zahn 1305 und Zahn- lücke 1306 kennzeichnet. Für die weitere Diskussion wird jetzt die in der Figur 7 links gezeigte Zahnstruktur 1304 als erste Zahnstruktur und die nächste Zahnstruktur in der Mitte der Figur 7 als zweite Zahnstruktur 1304 bezeichnet.
Der Rotor ist so aufgebaut, dass jedem Paar von Permanentmagneten 1301, 1321 eine Zahnstruktur 1304 zugeordnet ist. Den Zahnstrukturen 1304 gegenü- berliegend sind drei Sensoren 1311, 1312, 1313 angeordnet, wobei der Abstand dieser Sensoren voneinander so gewählt ist, dass er jeweils ein Drittel der Periodizität der Zahnstrukturen 1304 entspricht. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen dem ersten Sensor 1311 und dem zweiten Sensor 1312 einem Drittel des Abstandes der Vorderseiten 1307 von zwei aufeinanderfolgenden Zahnstrukturen 1304 entspricht. Bei dieser Anordnung von Sensoren 1311, 1312, 1313 und Zahnstrukturen 1304 verhält es sich bei einer Bewegung des Rotors 1300 in Richtung des Pfeils 1303 so, dass eine festgelegte Abfolge von Signalen der drei Sensoren auftritt. Die Sensoren 1311, 1312, 1313 liefern immer dann eine logische Eins, wenn ein Zahn 1305 unmittelbar vor ihnen angeordnet ist und eine logische Null, wenn vor den Sensoren 1311, 1312, 1313 eine Zahnlücke 1306 angeordnet ist. In der Darstellung der Figur 7 ist es beispielsweise so, dass die Sensoren 1311 und 1312 eine logische Eins ausgeben und der Sensor 1313 eine logische Null. Wenn sich nun der Rotor 1300 in Richtung des Pfeils 1303 weiterbewegt, so ändert sich der Signalpegel sobald der Sensor 1312 jenseits der Rückseite 1308 des ersten Zahnes ist. Der Sensor 1311 ist immer noch gegenüber dem Zahn 1305 angeordnet, während die Sensoren 1312 und 1313 beide gegenüber der Zahnlücke 1306 angeordnet sind. Die Sensoren liefern daher das Ausgangssignal 100. Bei einer weiteren Bewegung überschreitet dann der Sensor 1313 die Vorderseite 1307 des zweiten Zahns 1305 und das Signal der Sensoren ändert sich dann zu dem Wert 101. Wenn sich der dann der Rotor 1300 weiterbewegt, so sind beide Sensoren 1311, 1312 über der Zahnlücke 1306 der ersten Zahnstruktur gelegen und der dritte Sensor 1313 ist vor den Zahn 1305 der zweiten Zahnstruktur. Die Sensoren geben somit das Signal 001 aus. Bei der weiteren Bewegung folgen dann die Signale 011 und bei einer abermals weiteren Bewegung das Signal 010. Wenn sich der Rotor 1300 dann noch weiterbewegt, erfolgt wieder die Ausgabe des Signals 110, wobei dann die Sensoren vor der zweiten Zahnstruktur 1304 so angeordnet sind, wie in der Figur 7 bezüglich der ersten Zahnstruktur 1304 gezeigt. Bei der weiteren Bewegung in Richtung des Pfeils 1303 wird immer wieder diese Signalfolge ausgegeben, nämlich 110, 100, 101, 001, 011, 010. Wenn sich der Elektromotor jedoch in die entgegengesetzte Richtung bewegt, so wird diese Signalfolge in umgekehrter Reihenfolge auftreten, wodurch sich eine Bewegung des Elektromotors in die eine Richtung oder die andere Richtung klar unterscheiden lässt. Die Weiterverarbeitung der Signale der drei Sensoren 1311, 1312 1313 erfolgt durch die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 in ähnlicher Weise wie bereits für die Signale des Sensor 104 beschrieben. Immer wenn ein Signal der Sensoren 1311, 1312 oder 1313 seinen Signalpegel verändert liest das Speicherungsmittel den Zeitpunkt, zu dem das Signal einging, von dem Zeitgeber 201 ein und speichert diesen Zeitpunkt in dem Speicher 206. Die Speicherung in dem Speicher 206 erfolgt in einer vorgegebenen Reihenfolge, d. h. beispielsweise die Speicherung des Zeitpunktes des Eingangs des Signalübergangs von 110 zu 100 erfolgt im Speicherplatz 2061, wodurch dann klar ist, dass die Speicherung des Zeitpunktes, zu dem der Signalübergang von 100 zu 101 eingeht, dann im Speicherplatz 2062 erfolgt. Da die Sensoren 1311, 1312 und 1313 insgesamt nur 6 Zustände aufweisen (die Zustände 000 und 111 treten nicht auf) ist durch einen Speicherung auf nur 6 Speicherplätzen eine vollständige Weiterbewegung des Rotors 1300 um ein Polpaar 1301, 1321 abgespeichert. Um aber auch noch andere Einflüsse auf die Drehzahl zu untersuchen kann es auch sinnvoll sein eine größere Zahl von Speicherplätzen vor zu sehen. Die gespeicherten Zeiten werden, wie bereits zur Figur 5 beschrieben, durch einen entsprechenden Adress- pointer 205 verwaltet. Durch die festgelegte Signalfolge der drei Sensoren 1311, 1312 und 1313 kann zu jedem Signalwechsel die Drehrichtung des Elektromotors ermittelt werden. Diese Information kann dazu genutzt werden um entsprechend den Adresspointer 205 in die eine oder andere Richtung zu zählen. Anhand der gespeicherten Zeitpunkte werden in dem DPLL 203 eine Vielzahl von Positionsimpulsen 150 erzeugt die dann jeweils die Position des Elektromotors angeben. Dabei ist es aber im Unterschied zu einem Verbrennungsmotor nicht erforderlich eine komplette Bewegung des Rotors 1300 abzubilden sondern es ist, für den Zweck der Ansteuerung des Elektromotors nur notwenig die Position eines Polpaares zu kennen, da bei einer Verdrehung des Rotors um ein Polpaar wieder die gleiche Ausgangsstellung vorliegt. Das trifft aber nur dann zu, wenn alle Polpaare exakt gleich zueinander positioniert sind und auch exakt gleich relativ zu den Zahnstrukturen 1304 positioniert sind. Wenn es konstruktive Unterschiede der Pole gibt, kann es sinnvoll sein, auch Messwerte für eine gesamte mechanische Umdrehung des Motors zu speichern, weil man dann ggf. auf die Messwerte von einer Umdrehung vorher zurückgreifen kann. Die möglichen Abweichungen werden nachfolgend detailliert in einem Beispiel beschrieben. Gegebenenfalls kann auch für den Elektromotor ein weiterer Adresspointer 30 und entsprechende Speicherplätze 301, 302, 303, 304 vorgesehen sein. Im Unterschied zur Auswertung von Kurbelwellensignalen sind in diesen Speicherplätzen aber keine Information bezüglich der zu erwartenden Zähne sondern Information bezüglich Fertigungstoleranzen des Geberrades des Elektromotors oder der Anordnung der drei Sensoren 1311, 1312, 1313 gespeichert. Diese Informationen beinhalten Informationen wie viele Positionsimpulse 150 bis zum Eintreffen des nächsten Signalübergangs zu erwarten sind. Fertigungstoleranzen können sich auf die periodisch nacheinander abfolgende Signalfolge der 6 möglichen Zustände der Sensoren richten , beispielsweise könnte sich aufgrund von Fertigungsschwankungen bei kontinuierlicher Drehzahl die Zeitdauer vom Übergang 110 zu 100 zum Übergang von 011 zu 010 unterscheiden. Diese Abweichungen wiederholen sich dann alle 6 Signalwechsel und können durch entsprechende Korrekturwerte auf den 6 Speicherplätzen 301, 302 ...306 korrigiert werden. Weitere Korrekturwerte können die Fertigungstoleranzen des gesamten Rotors betreffen, beispielsweise Abweichungen an den Zahnstrukturen 1304 die nur eine Stelle an dem ganzen Rotor 1300 betreffen. Für diese Abweichungen müssen dann natürlich Speicherplätze für den ganzen Rotor 1300 vorgesehen sein und es muss eine Synchronisation des weiteren Adresspointer 30 mit dem Rotor 1300 erfolgen. Dies kann alternativ entweder durch einen weiteren Sensor, oder durch Kennzeichnung einer Stelle des Rotors 1300 in ähnlicher Weise wie in der Figur 1 oder durch einen Lernvorgang erfolgen. Solch ein Lernvorgang wertet insbesondere Betriebsphasen des Elektromotors mit einem relativen Gleichlauf des Motors aus beispielsweise eine Betriebsphase in der ein mit dem Elektromotor betriebenes Fahrzeug ausrollt. In derartigen Phasen kann gelernt werden welche Unterschiede es bezüglich des Eintreffens der Signalübergänge gibt und es können entsprechende Korrekturinformationen in den Speicherplätzen 301, 302, 303 usw. gespeichert werden. Diese Informationen werden dann von DPLL genutzt um unterschiedliche Anzahlen von Positionsimpulsen 150 auszugeben, je nach dem wann mit dem Eintreffen des nächsten Signalswechsels zu rechnen ist.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (200) zur Verarbeitung von Signalen die eine Winkelstellung einer Welle (100) eines Motors repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, dass Spei- cherungsmittel (202) zum Speichern von Zeitpunkte des Eintreffens der Signale in einem Speicher (206) vorgesehen sind, dass die Speicherungsmittel (202) zusätzlich eine Drehrichtungsinformation der Welle (100) auswerten und dass die Speicherungsmittel (202) bei einer Drehung der Welle (100) in eine erste Richtung die Speicherung der Zeitpunkte in einer ersten Reihenfolge in dem Speicher (202) und bei einer Drehung der Welle (100) in eine zweiten Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, die Speicherung in einer zweiten Reihenfolge, die entgegengesetzt zur ersten Reihenfolge ist, in dem Speicher (202) speichern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Zeitpunkte für eine Berechnung verwendet werden, dass bei der Berechnung ein in der Reihenfolge zuletzt gespeicherter Zeitpunkt und ein in der Reihenfolge vorhergehend gespeicherter Zeitpunkt verwendet werden, wobei die Auswahl des vorhergehend gespeicherten Zeitpunkt erfolgt indem bei einer Drehung der Welle (100) in der ersten Richtung ausgehend von dem in der ersten Reihenfolge zuletzt gespeicherter Zeitpunkt entgegen der ersten Reihenfolge ein für die Berechnung benötigter Zeitpunkt ausgewählt wird, und indem bei einer Drehung der Welle (100) in der zweiten Richtung ausgehend von dem in der zweiten Reihenfolge zuletzt gespeicherten Zeitpunkt entgegen der zweiten Reihenfolge ein für die Berechnung benötigter Zeitpunkt ausgewählt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung der Zeitpunkte in Speicherplätzen des Speichers (202) erfolgt, dass ein Adresszeiger (205) vorgesehen ist, der auf den Speicherplatz des letzten gespeicherten Zeitpunkt oder auf den nächsten freien Speicherplatz zeigt, vorgesehen ist, und dass die Reihenfolge bei der ersten Richtung durch Erhöhen und bei der zweiten Richtung durch Verringern des Adresszeigers (205) erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine DPLL- Schaltung (203)(Digital Phase locked loop) vorgesehen ist, dass die DPLL- Schaltung (203) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen die eine Winkelstellung einer Welle eines Motors repräsentieren eine vorgegebene Zahl von Positionsimpulsen (150) erzeugt, dass ein Positionszähler vorgesehen ist der die Positionsimpulse zählt, und dass ein Korrekturmittel vorgesehen ist, wobei dass Korrekturmittel bei einem Wechsel der Drehrichtung der Welle des Motors Ausgleichsimpulse zur Korrektur des Positionszähler (204) erzeugt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel der Drehrichtung der Welle des Motors eine Zählrichtung des Positionszählers (204) gewechselt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmittel die Ausgabe von weiteren Positionsimpulsen (150) unterdrückt wenn die vorgegebene Zahl von Positionsimpulsen erreicht ist und das folgende Signal das eine Winkelstellung repräsentiert noch nicht eingetroffen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmittel weitere Positionsimpulse (150) ausgibt wenn die vorgegebene Zahl von Positionsimpulsen (150) noch nicht erreicht ist wenn das folgende Signal das eine Winkelstellung repräsentiert eintrifft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Adresszeiger (30) vorgesehen ist, dass der weitere Adresszeiger (30) auf Speicherplätze (301 - 304) weist in denen eine Information bezüglich der von der DPLL-Schaltung (203) auszugebenden Zahl von Positionsimpulsen (150) enthalten ist, und dass bei einem Wechsel der Drehrichtung der Welle der weitere Adresszeiger (30) die Zählrichtung ändert und die Stellung des weiteren Adresszeiger (30) korrigiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, der Adresszeiger (205) und der weitere Adresszeiger (30) zueinander einen Versatz aufweisen, wobei der Versatz bei einer Drehung der Welle (100) in einer ersten Richtung einen ersten Wert und bei einer Drehung in der zweiten Richtung einen zweiten Wert aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind die bei einem Wechsel der Drehrichtung mindestens den Adresszeiger (205) und/oder den weiteren Adresszeiger (30) ändern.
Verfahren zur Verarbeitung von Signalen die eine Winkelstellung einer Welle (100) eines Motors repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, dass Speicherungsmittel (202) Zeitpunkte des Eintreffens der Signale in einem Speicher (206) speichern, dass die Speicherungsmittel (202) zusätzlich eine Drehrichtungsinformation der Welle (100) auswerten und dass die Speicherungsmittel (202) bei einer Drehung der Welle (100) in eine erste Richtung die Speicherung der Zeitpunkte in einer ersten Reihenfolge in dem Speicher (202) und bei einer Drehung der Welle (100) in eine zweiten Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, die Speicherung in einer zweiten Reihenfolge, die entgegengesetzt zur ersten Reihenfolge ist, in dem Speicher (202) speichern.
Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Zeitpunkte für eine Berechnung verwendet werden, dass bei der Berechnung ein in der Reihenfolge zuletzt gespeicherter Zeitpunkt und ein in der Reihenfolge vorhergehend gespeicherter Zeitpunkt verwendet werden, wobei die Auswahl des vorhergehend gespeicherten Zeitpunkt erfolgt indem bei einer Drehung der Welle (100) in der ersten Richtung ausgehend von dem in der ersten Reihenfolge zuletzt gespeicherter Zeitpunkt entgegen der ersten Reihenfolge ein für die Berechnung benötigter Zeitpunkt ausgewählt wird, und indem bei einer Drehung der Welle (100) in der zweiten Richtung ausgehend von dem in der zweiten Reihenfolge zuletzt gespeicherten Zeitpunkt entgegen der zweiten Reihenfolge ein für die Berechnung benötigter Zeitpunkt ausgewählt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung der Zeitpunkte in Speicherplätzen des Speichers (202) erfolgt, dass ein Adresszeiger (205) auf den Speicherplatz des letzten gespeicherten Zeitpunkt oder auf den nächsten freien Speicherplatz zeigt, und dass die Reihenfolge bei der ersten Richtung durch Erhöhen und bei der zweiten Richtung durch Verringern des Adresszeigers (205) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine DPLL- Schaltung (203) (digital Phase locked loop) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen die eine Winkelstellung einer Welle eines Motors repräsentieren eine vorgegebene Zahl von Positionsimpulsen (150) erzeugt, dass ein Positionszähler die Positionsimpulse zählt, und dass ein Korrekturmittel bei einem Wechsel der Drehrichtung der Welle des Motors Ausgleichsimpulse zur Korrektur des Positionszähler (204) erzeugt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel der Drehrichtung der Welle des Motors eine Zählrichtung des Positionszählers (204) gewechselt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmittel die Ausgabe von weiteren Positionsimpulsen (150) unterdrückt wenn die vorgegebene Zahl von Positionsimpulsen erreicht ist und das folgende Signal das eine Winkelstellung repräsentiert noch nicht eingetroffen ist.
17. Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmittel weitere Positionsimpulsen (150) ausgibt wenn die vorgegebene Zahl von Positionsimpulsen (150) noch nicht erreicht ist wenn das folgende Signal das eine Winkelstellung repräsentiert eintrifft.
18. Verfahren nach Anspruch 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Adresszeiger (30) auf Speicherplätze (301 - 304) weist in denen eine Information bezüglich der von der DPLL-Schaltung (203) auszugebenden Zahl von Positionsimpulsen (150) enthalten ist, und dass bei einem Wechsel der Drehrichtung der Welle der weitere Adresszeiger (30) die Zählrichtung ändert und die Stellung des weiteren Adresszeiger (30) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, der Adresszeiger (205) und der weitere Adresszeiger (30) zueinander einen Versatz aufweisen, wobei der Versatz bei einer Drehung der Welle (100) in einer ersten Richtung einen ersten Wert und bei einer Drehung in der zweiten Richtung einen zweiten Wert aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel der Drehrichtung mindestens den Adresszeiger (205) und/oder den weiteren Adresszeiger (30) geändert wird.
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