DE10041096A1 - Method for correcting angle measurements using at least two code tracks - Google Patents
Method for correcting angle measurements using at least two code tracksInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Korrektur von Winkelmessungen mittels wenigstens zweier Codespuren mit periodischen Codierungen, die auf einer gemeinsamen Welle fest angeordnet sind, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Verfahren und Vorrichtungen zur Messung von Winkeln mit Codespuren, beispielsweise mit einem magnetischen Maßstab, sind vielfältig bekannt. So wird in der DE 198 18 799 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Winkeln vorgeschlagen, bei dem auf einer Welle zwei magnetische Multipolräder angeordnet sind. Jedem Multipolrad ist ein feststehendes Sensorelement zugeordnet, das die Magnetpole der beiden Multipolräder decodiert und entsprechende Signale an eine Auswerteeinrichtung liefert. Die beiden Multipolräder unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Magnetpole. Die Anzahl der Magnetpole wurde so gewählt, dass sie auf dem halben Umfang eines Ringes teilerfremd ist zu der Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang des anderen Ringes. Die Sensoreinheit weist zwei magnetoresistive Sensorelemente auf, die im gesättigten Zustand betrieben werden. Zusätzlich ist ein Hallsensor vorgesehen, der einem codierten Ring zugeordnet ist, der eine ungerade Anzahl von Polen auf dem halben Umfang des Ringes aufweist. Diese Anordnung ist relativ aufwendig und berücksichtigt nicht Fehler, die durch eine Exzentrizität der Codespuren auftreten können. Des Weiteren ist keine Korrektur von Polteilungsfehlern, Amplitudenfehlern sowie Fehlern der Sensorelemente selbst vorgesehen.The invention is based on a method for correcting Angle measurements using at least two code tracks periodic encodings on a common wave are firmly arranged according to the genus of the main claim. Methods and devices for measuring angles with Code tracks, for example with a magnetic scale, are widely known. So in DE 198 18 799 C2 Method and device for measuring angles proposed in which two magnetic on a shaft Multipole wheels are arranged. Each multipole wheel is one assigned fixed sensor element that the magnetic poles of the two multipole wheels decoded and corresponding signals delivers to an evaluation device. The two Multipole wheels differ in the number of them Magnetic poles. The number of magnetic poles was chosen so that it is coprime on half the circumference of a ring the number of magnetic poles on half the circumference of the other Ring. The sensor unit has two magnetoresistive ones Sensor elements that operate in the saturated state become. In addition, a Hall sensor is provided, which one is associated with an encoded ring that has an odd number of Poland has on half the circumference of the ring. This Arrangement is relatively complex and does not take into account Errors caused by an eccentricity of the code tracks may occur. Furthermore, there is no correction from Pole pitch errors, amplitude errors and errors of the Sensor elements provided themselves.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur von Winkelmessungen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass sowohl in der Fertigung als auch bei der Montage auftretende statische Toleranz- und Dejustagefehler nachträglich korrigiert werden können. Dies ist besonders vorteilhaft, da durch die nachgeschaltete Winkelkorrektur gewünschte Genauigkeitsvorgaben mit Sicherheit eingestellt werden können. Beispielsweise werden bei der Lenkmomentbestimmung für eine Kraftfahrzeugservolenkung Winkelbestimmungen mit größter Präzision gefordert, obgleich die auftretenden Torsionswinkel relativ klein und schwer zu messen sind.The inventive method for correcting Angular measurements with the characteristic features of the The main claim has the advantage that both in the manufacturing as well as static occurring during assembly Tolerance and misalignment errors are subsequently corrected can. This is particularly advantageous because of the downstream angle correction desired Precision specifications can be set with certainty can. For example, when determining the steering torque for a motor vehicle power steering angle determination demanded the greatest precision, although the occurring Torsion angles are relatively small and difficult to measure.
Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass mit Hilfe der vorgeschlagenen Korrekturverfahren die Drehwinkel nahezu beliebig genau bestimmt werden können, so dass das Verfahren vorteilhaft für praktisch alle Anwendungen geeignet erscheint.It is considered to be particularly advantageous that with the aid of the proposed correction method almost the angle of rotation can be determined as precisely as desired, so that the method advantageous for practically all applications appears.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. In diesem Zusammenhang wird als vorteilhaft angesehen, zunächst eine vorläufige Winkelbestimmung mit einem bekannten Noniusverfahren durchzuführen und diesen Drehwinkel dann erfindungsgemäß zu korrigieren. By those listed in the dependent claims Measures are advantageous training and Improvements to the method specified in the main claim possible. In this context it is considered advantageous viewed, first a preliminary angle determination with perform a known vernier process and this Then correct the angle of rotation according to the invention.
Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass die wenigstens zwei Codespuren als periodisch wiederkehrende magnetische oder optische Codierungen ausgebildet sind. Insbesondere mit einem magnetoresistiven bzw. lichtempfindlichen Sensorelement sind die Codierungen einfach erfassbar und als Eingangssignale zur Weiterverarbeitung an eine Auswerteeinheit übertragbar. Solche Einheiten sind einfach und kostengünstig herstellbar und arbeiten besonders zuverlässig.It is considered particularly advantageous that the at least two code tracks as periodically recurring magnetic or optical encodings are formed. In particular with a magnetoresistive or The photosensitive sensor element are the codes easy to detect and as input signals for Further processing can be transferred to an evaluation unit. Such units are simple and inexpensive to manufacture and work particularly reliably.
Bei Anbringung der Codespuren auf gegenüberliegenden Stirnseiten eines Coderades, nebeneinanderliegend oder am Umfang des Coderades verteilt, ergibt sich eine einfache Anordnung, die relativ leicht herstellbar ist. Eine solche Anordnung ist auch gegen Verschmutzungen unempfindlich und erreicht somit eine hohe Zuverlässigkeit.When applying the code tracks on opposite Face of a code wheel, side by side or on Distributed circumference of the code wheel, there is a simple Arrangement that is relatively easy to manufacture. Such Arrangement is also insensitive to dirt and thus achieves high reliability.
Zur Auswertung der von den Sensorelementen gemessenen Eingangsgrößen wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass zunächst in einem Kalibriermodus mit Hilfe eines präzisen Referenzwinkelgebers Korrekturwerte der Eingangsgrößen berechnet werden, wobei das klassische Noniusverfahren genutzt werden kann. Diese werden analysiert und entsprechend abgespeichert, so dass beim späteren Einsatz der Vorrichtung die Eingangsgrößen drehwinkelabhängig korrigiert werden können.To evaluate the measured by the sensor elements Input variables are considered to be particularly advantageous that first in a calibration mode using a precise reference angle encoder correction values of Input variables are calculated, the classic Nonius procedure can be used. These are analyzed and saved accordingly, so that later Use of the device the input variables can be corrected depending on the angle of rotation.
Besonders günstig erscheint auch, dass durch wiederholte Korrektur der Eingangsgrößen oder daraus abgeleiteter Größen der tatsächliche Fehler des Drehwinkels nahezu beliebig verringert werden kann. In der Praxis wird eine bestimmte Genauigkeitsanforderung vorgegeben, die mit Hilfe dieses Verfahrens vorteilhaft eingehalten oder sogar unterschritten werden kann. It also appears to be particularly favorable that through repeated Correction of the input variables or variables derived from them the actual error of the angle of rotation is almost arbitrary can be reduced. In practice, a certain one Precision requirement specified using this Advantageously adhered to or even fell below the procedure can be.
Eine besonders günstige Lösung wird auch darin gesehen, die Fehler der drehwinkelabhängigen Eingangsgrößen oder der daraus abgeleiteten Größen mit Hilfe der Fourier- Transformation zu korrigieren. Dabei werden vorteilhaft die Fourierkomponenten, die nach ihrer Amplitude und Frequenz selektiert wurden, zusammen mit der Phase in einer oder auch zwei Tabellen abgelegt. Mit Hilfe der Tabellen lässt sich dann die Fehlerfunktion berechnen, die für die Winkelkorrektur benötigt wird.A particularly favorable solution is also seen in that Error of the input variables dependent on the angle of rotation or the derived quantities using the Fourier Correct transformation. This will be advantageous Fourier components based on their amplitude and frequency were selected, together with the phase in one or also filed two tables. With the help of the tables then calculate the error function for that Angle correction is needed.
Eine besonders günstige Anwendung ist bei der Lenkwinkelbestimmung eines Kraftfahrzeugs zu sehen. Hier kann die Lenkstange bzw. Lenkwelle mit den Coderädern und den Sensorelementen ausgerüstet sein. Insbesondere bei zusätzlicher Verwendung eines Torsionselementes, das zwischen den beiden Coderädern angeordnet ist, lässt sich ein Verdrehwinkel der beiden Coderäder zusätzlich bestimmen, so dass auch ein an der Lenkstange wirkendes Drehmoment präzise berechenbar ist.A particularly favorable application is the Steering angle determination of a motor vehicle to see. Here can the handlebar or steering shaft with the code wheels and the sensor elements. Especially at additional use of a torsion element, the is arranged between the two code wheels additionally determine an angle of rotation of the two code wheels, so that a torque acting on the handlebar is precisely predictable.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Two embodiments of the invention are in the Drawing shown and in the description below explained in more detail.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Multipolrädern, Fig. 1 shows a first embodiment of the invention with two multipole,
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Multipolrad und zwei Codespuren, Fig. 2 shows a second embodiment of the invention with a multipole and two code tracks,
Fig. 3 zeigt ein erstes Diagramm mit zwei Winkelfehlerkurven, Fig. 3 shows a first diagram with two angular error curves,
Fig. 4 zeigt ein erstes Flussdiagramm, Fig. 4 shows a first flow chart,
Fig. 5 zeigt ein zweites Flussdiagramm, Fig. 5 shows a second flow chart,
Fig. 6 zeigt ein weiteres Fehlerdiagramm und Fig. 6 shows a further error diagram and
Fig. 7 zeigt zwei Diagramme zur Fourieranalyse. Fig. 7 shows two diagrams for Fourier analysis.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit zwei Coderädern 1a, 1b, die auf einer gemeinsamen Welle 3 fest angeordnet sind. Jedes Coderad trägt bei einer Noniusauswertung wenigstens zwei Codespuren 6a, 6b mit gleichförmig verteilten Codierungen 2. Die Codespuren 6a, 6b sind vorzugsweise an einer Stirnseite des Coderades 1a, 1b angeordnet. Beispielsweise können 24, 25 oder andere Anzahlen von Codepaaren 2 gewählt werden. In alternativer Ausführungsform kann die Codespur 6a, 6b bei entsprechender Gestaltung des Coderades 1a, 1b auch am Umfang angeordnet sein. Jedem Coderad 1a, 1b ist ein Sensorelement 5 so zugeordnet, dass es die alternierenden Codierungen 2 der sich drehenden Welle 3 erfasst und ein entsprechendes Eingangssignal für eine schematisch dargestellte Steuerung 10 liefert. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Codierungen 2 abwechselnd mit Nord- und Südpolen magnetisiert und die Sensorelemente 5 magnetoresistiv ausgebildet, so dass bei Drehung der Welle 3 jedes Sensorelement 5 an seinen beiden Ausgängen eine Sinus- und Kosinusfunktion als Eingangssignale für die Auswerteeinheit abgibt. Die Sensorelemente 5 sind vorzugsweise auf einer Leiterplatte 4 angeordnet, die auch die Auswerteeinheit 10 aufnimmt. Um eine möglichst kleine Bauform zu erreichen, sind Aussparungen 8 vorgesehen, in die die Coderäder 1a, 1b mehr oder weniger tief eintauchen können. Zum Schutz gegen Verschmutzung und Beschädigung wird die komplette Einheit mittels einer entsprechend stabilen und dichten Ummantelung umgeben. Eine bevorzugte Anwendung wird zur Lenkwinkelmessung in einem Kraftfahrzeug gesehen, bei dem diese Anordnung an der Lenksäule angebracht ist. Fig. 1 shows a first embodiment with two code wheels 1 a, 1 b, which are fixedly arranged on a common shaft 3 . In a vernier evaluation, each code wheel carries at least two code tracks 6 a, 6 b with uniformly distributed codes 2 . The code tracks 6 a, 6 b are preferably arranged on an end face of the code wheel 1 a, 1 b. For example, 24, 25 or other numbers of code pairs 2 can be selected. In an alternative embodiment, the code track 6 a, 6 b can also be arranged on the circumference if the code wheel 1 a, 1 b is designed accordingly. Each code wheel 1 a, 1 b is assigned a sensor element 5 in such a way that it detects the alternating codes 2 of the rotating shaft 3 and supplies a corresponding input signal for a schematically illustrated control 10 . In a preferred embodiment, the codes 2 are magnetized alternately with north and south poles, and the sensor elements 5 are magnetoresistive, so that when the shaft 3 rotates, each sensor element 5 outputs a sine and cosine function as input signals for the evaluation unit at its two outputs. The sensor elements 5 are preferably arranged on a printed circuit board 4 , which also receives the evaluation unit 10 . In order to achieve the smallest possible design, recesses 8 are provided, into which the code wheels 1 a, 1 b can be inserted more or less deeply. To protect against contamination and damage, the entire unit is surrounded by an appropriately stable and tight casing. A preferred application is seen for steering angle measurement in a motor vehicle in which this arrangement is attached to the steering column.
Wird in alternativer Ausführungsform zwischen den beiden Polrädern 1a, 1b ein Torsionselement mit bekannter Steifigkeit angeordnet, dann kann zusätzlich zur Messung des Drehwinkels ϕ auch ein auf die Welle 3, beispielsweise eine Lenkwelle eines Fahrzeugs, wirkendes Drehmoment aufgrund der Winkelverschiebung zwischen den beiden Multipolrädern 1a, 1b bestimmt werden.If, in an alternative embodiment, a torsion element with known stiffness is arranged between the two pole wheels 1 a, 1 b, in addition to measuring the angle of rotation ϕ, a torque acting on the shaft 3 , for example a steering shaft of a vehicle, can also be applied due to the angular displacement between the two multipole wheels 1 a, 1 b can be determined.
An Stelle der magnetischen Ausführungsform ist alternativ auch vorsehbar, optische Codierungen 2 in den bekannten Ausführungsformen, beispielsweise Strichcodes, Farbmarkierungen, Einprägungen zu verwenden, die von entsprechenden optischen Sensorelementen 5 abgetastet werden. Die optischen Codespuren 6a, 6b sind beispielsweise auch direkt auf die Welle 3 aufbringbar. Die optischen Sensorelemente 5 tasten die optischen Codierungen 2 ab und liefern entsprechende Eingangssignale an die Auswerteeinheit 10, die die Korrektur des Drehwinkels analog nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführt.Instead of the magnetic embodiment, it is alternatively also possible to use optical codings 2 in the known embodiments, for example bar codes, color markings, impressions, which are scanned by corresponding optical sensor elements 5 . The optical code tracks 6 a, 6 b can, for example, also be applied directly to the shaft 3 . The optical sensor elements 5 scan the optical codes 2 and deliver corresponding input signals to the evaluation unit 10 , which carries out the correction of the angle of rotation analogously according to the method according to the invention.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Multipolrades 1c mit einer vereinfachten Ausführungsform, bei dem auf den beiden Stirnseiten zwei Codespuren mit den Polpaaren 6a, 6b angeordnet sind. Entsprechend sind die beiden Sensorelemente 5 auf der Ober- und Unterseite des Multipolrades 1c angeordnet und durch die Platine 4 fixiert. Mit dieser Einrichtung lässt sich lediglich ein Drehwinkel, nicht jedoch ein Drehmoment messen. Fig. 2 shows a second embodiment of a multipole wheel 1 c with a simplified embodiment, in which two code tracks with the pole pairs 6 a, 6 b are arranged on the two end faces. Accordingly, the two sensor elements 5 are arranged on the top and bottom of the multipole wheel 1 c and fixed by the circuit board 4 . With this device, only an angle of rotation, but not a torque, can be measured.
Die weitere Beschreibung und Auswertung der Signale entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1. The further description and evaluation of the signals corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 1.
Anhand der Fig. 3 bis 7 wird das erfindungsgemäße Auswerteverfahren für die von den Sensorelementen 5 gelieferten Winkelsignale erläutert. Bei Drehung der Welle 3 entstehen am Ausgang der beiden Sensorelemente 5 die winkelabhängigen Sinus- bzw. Kosinusspannungen, die als Eingangsgrößen der Auswerteeinheit 10 zugeführt werden. Durch Bildung der Arcustangens-Funktion aus den Sinus- und Kosinuswerten bildet die Auswerteeinheit 10 die periodischen Winkel, die sogenannten Sägezähne α(ϕ), β(ϕ), die aus den verschiedensten Gründen fehlerbehaftet sind und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigiert werden. So werden beispielsweise Polteilungsfehler, Amplitudenfehler, Fehler der Sensorelemente selbst oder solche Fehler korrigiert, die durch Exzentrizitäten der Polräder entstehen. Anschließend erfolgt die Bestimmung des Ist-Drehwinkels ϕ.The evaluation method according to the invention for the angle signals supplied by the sensor elements 5 is explained with reference to FIGS . 3 to 7. When the shaft 3 rotates, the angle-dependent sine or cosine voltages arise at the output of the two sensor elements 5 and are supplied as input variables to the evaluation unit 10 . By forming the arctangent function from the sine and cosine values, the evaluation unit 10 forms the periodic angles, the so-called saw teeth α (ϕ), β (ϕ), which are faulty for a variety of reasons and are corrected using the method according to the invention. For example, pole pitch errors, amplitude errors, errors in the sensor elements themselves, or errors which arise from eccentricities of the pole wheels are corrected. The actual rotation angle ϕ is then determined.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass bei der anfänglichen Einkalibrierung der Sensorelemente 5 zu jedem periodischen Winkel α, β, genannt Sägezahn, ein Fehler Δα bzw. Δβ jedes Polrades als Funktion des Drehwinkels ϕ aufgenommen und gespeichert wird. Dazu ist eine Kalibriereinrichtung mit einem hochpräzisen Winkelgeber erforderlich, mit der die Welle 3 in ausreichend vielen Schritten bis zu 360° gedreht und dabei schrittweise die Eingangsdaten (Ist-Winkel, gemessener Drehwinkel ϕ) aufgenommen und zu jedem Schritt die Fehler Δα bzw. Δβ der beiden Codespuren 6a, 6b bestimmt werden. Bezogen auf eine Umdrehung mit einem Winkel bis zu 360° für die Welle 3 ergibt sich oft eine sinusförmige Fehlerkurve, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, da die Exzentrizität der Codespuren die Fehler dominiert. Die obere Fehlerkurve stellt die Fehlerverteilung an einem Coderad mit 48 Polen und die untere Kurve an einem Polrad mit 50 Polen dar. Die gestrichelte Kennlinie erhält man durch rechnerische Anpassung mit einer Sinusfunktion. Diese Anpassungen (Fits) stellen die Fehlerfunktionen Δα(ϕ) bzw. Δβ(ϕ) dar, die im Betrieb verwendet werden. Die drei Parameter dieser Funktionen, Amplitude, Phase und Offset werden dazu in der Auswerteeinheit abgelegt. Wie in Fig. 3 beispielhaft dargestellt ist, beträgt der maximale Fehler ca. ± 0,25°. Mit Hilfe dieser Kurven können nun die Größen α, β für jeden Drehwinkel ϕ korrigiert werden. Auf diese Weise lassen sich Exzentrizitätsfehler leicht korrigieren. Wie der Fig. 3 weiter entnehmbar ist, entspricht die Periode gerade dem Umfang der Coderäder 1a, 1b.According to the invention, it is therefore proposed that an error .DELTA..alpha. Or .DELTA..beta. Of each pole wheel be recorded and stored during the initial calibration of the sensor elements 5 at every periodic angle .alpha.,. For this purpose, a calibration device with a high-precision angle encoder is required, with which the shaft 3 is rotated in a sufficient number of steps up to 360 ° and the input data (actual angle, measured angle of rotation ϕ) are recorded step by step and the errors Δα or Δβ of the step two code tracks 6 a, 6 b can be determined. Relative to one revolution with an angle of up to 360 ° for the shaft 3 , there is often a sinusoidal error curve, as shown in FIG. 3, since the eccentricity of the code tracks dominates the errors. The upper error curve shows the error distribution on a code wheel with 48 poles and the lower curve on a pole wheel with 50 poles. The dashed curve is obtained by arithmetic adjustment with a sine function. These adaptations (fits) represent the error functions Δα (ϕ) and Δβ (ϕ) that are used in operation. The three parameters of these functions, amplitude, phase and offset are stored in the evaluation unit. As exemplified in Fig. 3, the maximum error is approximately ± 0.25 °. With the help of these curves, the quantities α, β can now be corrected for every rotation angle ϕ. This makes it easy to correct eccentricity errors. As can be seen from FIG. 3, the period corresponds exactly to the circumference of the code wheels 1 a, 1 b.
Fig. 4 zeigt zunächst ein Flussdiagramm für die Kalibrierung der Sensorelemente 5 vor der Inbetriebnahme. In Position 20 erfolgt die Einkalibrierung des Sensorelements 5. Dazu wird der Referenzwinkelgeber 19 verwendet, der sehr präzise arbeitet. Bei jedem Schritt wird nun vom gemessenen Winkel α(ϕ), β(ϕ) der beiden Spuren eines Coderades der Referenzwinkel αref(ϕ) abgezogen, um den Fehlerwinkel Δα(ϕ) bzw. Δα(ϕ) zu erhalten. α und β sind dabei die periodischen Winkel (Sägezähne) der jeweiligen Codespur. Die Fehlerkurven Δα(ϕ), Δβ(ϕ) (Position 21) werden mit einer Fourier- Transformation analysiert (Position 18) und die relevanten Komponenten (Amplitude, Frequenz und Phase) in einer oder zwei Tabellen abgelegt (Position 17), so dass sie für den späteren Betrieb zur Verfügung stehen. Fig. 4 first shows a flow chart for the calibration of the sensor elements 5 before use. The sensor element 5 is calibrated in position 20 . For this purpose, the reference angle encoder 19 is used, which works very precisely. At each step, the reference angle α ref (ϕ) is subtracted from the measured angle α (ϕ), β (ϕ) of the two tracks of a code wheel in order to obtain the error angle Δα (ϕ) and Δα (ϕ). α and β are the periodic angles (saw teeth) of the respective code track. The error curves Δα (ϕ), Δβ (ϕ) (position 21 ) are analyzed with a Fourier transformation (position 18 ) and the relevant components (amplitude, frequency and phase) are stored in one or two tables (position 17 ) so that they are available for later operation.
Im rechten Teil des Flussdiagramms der Fig. 4 wird gezeigt, wie nach der Einkalibrierung der Sensorelemente 5 die Auswertung der Eingangsgrößen bzw. die Bestimmung des Drehwinkels ϕ erfolgt. In Position 22 werden die Sensorelemente 5 aktiviert und messen in Position 23 in einem ersten Schritt die Eingangsgrößen α1, β1. Diese Eingangsgrößen α1, β1 werden dann um ihren jeweiligen Fehler Δα(ϕ) bzw. Δβ(ϕ) korrigiert. Hierzu ist aber in jeder Situation die vorläufige Kenntnis des Drehwinkels ϕ notwendig, der zunächst als vorläufiger Winkel ϕ1 ermittelt wird. Da der vorläufige Drehwinkel ϕ1 noch relativ ungenau ist, wird zu dessen Bestimmung wegen der größeren Fehlertoleranz gemäß Position 24 das klassische Noniusverfahren angewendet. Dieses liefert den vorläufigen Drehwinkel ϕ1 gemäß Position 25. Das modifizierte Noniusverfahren ist hierzu nicht in der Lage, wenn die Fehler der Eingangsgrößen α1, β1 einen bestimmten Fehlerwert überschreiten. Mit diesem Winkel ϕ1 werden gemäß der Tabelle (Position 17) die Fehler Δα(ϕ1) und Δβ(ϕ1) berechnet und von den Eingangsgrößen α1, β1 abgezogen (Position 27). Der Index 1 kennzeichnet dabei die erste Approximation der Größen α, β und ϕ. Die korrigierten Winkel werden dann α2 bzw. β2 genannt. Dieser Schritt wird gemäß dem Rücksprung auf Position 24 so lange wiederholt, bis die Eingangsgrößen die für das modifizierte Noniusverfahren notwendige Genauigkeit besitzen. In Position 31 wird daher eine bestimmte Anzahl an Wiederholungen vorgegeben. In vielen Fällen reicht schon eine einzige Berechnung von ϕ mit dem klassischen Noniusverfahren aus.The right part of the flowchart in FIG. 4 shows how, after the calibration of the sensor elements 5, the evaluation of the input variables or the determination of the angle of rotation Dreh takes place. In position 22 the sensor elements 5 are activated and in position 23 measure the input variables α1, β1 in a first step. These input variables α1, β1 are then corrected for their respective errors Δα (ϕ) and Δβ (ϕ). For this purpose, however, preliminary knowledge of the angle of rotation ϕ is necessary in every situation, which is initially determined as a preliminary angle ϕ1. Since the provisional rotation angle ϕ1 is still relatively inaccurate, the classic vernier method is used to determine it due to the greater fault tolerance according to item 24 . This provides the provisional rotation angle ϕ1 according to position 25 . The modified vernier method is not able to do this if the errors of the input variables α1, β1 exceed a certain error value. With this angle ϕ1, the errors Δα (ϕ1) and Δβ (ϕ1) are calculated according to the table (position 17 ) and subtracted from the input variables α1, β1 (position 27 ). The index 1 denotes the first approximation of the quantities α, β and ϕ. The corrected angles are then called α2 or β2. In accordance with the return to position 24, this step is repeated until the input variables have the accuracy required for the modified vernier method. A certain number of repetitions is therefore specified in position 31 . In many cases, a single calculation of ϕ with the classic vernier method is sufficient.
Nach Erreichen der Fehlergrenze wird in Position 28 nun das modifizierte Noniusverfahren angewendet, das seinerseits wieder stark fehlerreduzierend wirkt und den Drehwinkel ϕ2 gemäß den Positionen 29, 30 ausgibt.After reaching the error limit, the modified vernier procedure is used in position 28 , which in turn has a strong error-reducing effect and outputs the angle of rotation ϕ2 according to positions 29 , 30 .
Ist eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit gewünscht, wird entsprechend der Vorgabe in Position 33 die Fehlerkorrektur nach Position 26 wiederholt, so dass die Fehler der Eingangsgrößen α1, β1 nahezu beliebig minimiert werden können. Auf diese Weise werden systematische Fehler beseitigt. If a further improvement in the measurement accuracy is desired, the error correction according to position 26 is repeated according to the specification in position 33 , so that the errors of the input variables α1, β1 can be minimized almost as desired. This eliminates systematic errors.
Sind jedoch die Genauigkeitsanforderungen so gering, dass auf das modifizierte Noniusprinzip verzichtet werden kann, genügt alternativ auch das iterative Ausführen des klassischen Noniusverfahrens, um eine Fehlerreduktion zu erreichen. Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass das klassische Noniusverfahren bzw. modifizierte Noniusverfahren beispielsweise aus der DE 195 06 938 A1 bekannt ist.However, the accuracy requirements are so low that the modified vernier principle can be dispensed with, Alternatively, iterative execution of the classic vernier method to reduce errors to reach. In addition, it should be pointed out that the classic vernier method or modified vernier method is known for example from DE 195 06 938 A1.
In den Fig. 5 bis 7 wird eine alternative Ausführungsform der Erfindung zur optimalen Korrektur der Fehler Δα(ϕ), Δβ(ϕ) für die Eingangsgrößen α(ϕ) und β(ϕ) vorgeschlagen. Dieses nachfolgend beschriebene Korrekturverfahren eignet sich insbesondere zur Korrektur von langwelligen Störungen aufgrund der Exzentrizität der Sensorelemente 5, der Oberwellen im Sensorsignal sowie von Polteilungsfehlern der Multipolspuren 6a, 6b. Dieses Korrekturverfahren nutzt im wesentlichen die Eigenschaften einer Fourier-Transformation aus und stellt eine Verallgemeinerung des oben beschriebenen Verfahrens dar, bei dem nur die Grundwelle des Fehlers Δα(ϕ), Δβ(ϕ) angepaßt wird.In Figs. 5 to 7 an alternative embodiment of the invention for optimal correction of the error Δα (φ), Δβ (φ) is provided for the input variables α (φ) and β (φ). This correction method described below is particularly suitable for correcting long-wave disturbances due to the eccentricity of the sensor elements 5 , the harmonics in the sensor signal and pole division errors of the multipole tracks 6 a, 6 b. This correction method essentially exploits the properties of a Fourier transformation and represents a generalization of the method described above, in which only the fundamental wave of the error Δα (ϕ), Δβ (ϕ) is adapted.
Wie bereits dargelegt wurde, wird im Zusammenhang mit der Einkalibrierung der Sensorelemente 5 das drehwinkelabhängige Fehlersignal Δα(ϕ) bzw. Δβ(ϕ) ermittelt. Beispielsweise werden die Multipolräder 1a, 1b mit der Welle 3 in Schritten von 0,1°-2° über einen gesamten Drehwinkel von 360° gedreht und die Signale α(ϕ) und β(ϕ) der Sensorelemente 5 (Magnetfeldsensoren) aufgenommen. Mit dem klassischen Noniusverfahren wird dann ein absoluter Drehwinkel ϕ1 bestimmt. Anschließend wird das Fourier-Spektrum des Fehlers für die Größen α(ϕ) und β(ϕ) berechnet.As already explained, in connection with the calibration of the sensor elements 5, the angle of rotation-dependent error signal Δα (ϕ) or Δβ (ϕ) is determined. For example, the multipole wheels 1 a, 1 b are rotated with the shaft 3 in steps of 0.1 ° -2 ° over an entire rotation angle of 360 ° and the signals α (ϕ) and β (ϕ) from the sensor elements 5 (magnetic field sensors) are recorded , An absolute angle of rotation ϕ1 is then determined using the classic vernier method. The Fourier spectrum of the error is then calculated for the quantities α (ϕ) and β (ϕ).
Diese periodischen Größen α(ϕ) und β(ϕ) werden wie gesagt auch Sägezähne genannt. These periodic quantities α (ϕ) and β (ϕ) are said as before also called saw teeth.
Anhand eines zweiten Flussdiagramms gemäß der Fig. 5 wird nun das Korrekturverfahren des Winkelfehlers mit der iterativen Fourier-Filterung erläutert. Gemäß Position 41 werden die Sägezähne α(ϕ) und β(ϕ) von der Auswerteeinheit 10 berechnet. Mit den zwei Sägezähnen α(ϕ) und β(ϕ) (Position 42) wird in Position 43 das klassische Noniusverfahren angewendet und daraus ein absoluter Drehwinkel ϕ1 berechnet (Position 44). Es hat sich bei der Kalibrierung herausgestellt, dass die zu wählende Schrittweite für die Drehwinkelbestimmung von der geforderten Genauigkeit des Absolutwinkels ϕ abhängig ist. Je höher die geforderte Genauigkeit ist, desto höher ist die Frequenz in 1/° derjenigen Fourier-Komponenten, die man vom Sägezahn abziehen muss. Die Maximalfrequenz des Spektrums ist die inverse Schrittweite. Erfahrungsgemäß war das letzte Band im Fourier-Spektrum mit relevanter Amplitude bei ca. 0,6/°, was einer Schrittweite von 1,66° entsprechen würde (vgl. Fig. 7). Die Subtraktion der langwelligen Fourier- Komponenten von dem Wert des Sägezahns wird in Position 45 durchgeführt und anschließend wird in Position 46 nun das modifizierte Noniusverfahren angewendet, so dass in Position 47 der absolute Drehwinkel ϕ2 erhalten wird.The correction method of the angular error with the iterative Fourier filtering will now be explained on the basis of a second flow diagram according to FIG. 5. According to position 41 , the saw teeth α (ϕ) and β (ϕ) are calculated by the evaluation unit 10 . With the two saw teeth α (ϕ) and β (ϕ) (position 42 ), the classic vernier method is used in position 43 and an absolute angle of rotation ϕ1 is calculated from this (position 44 ). It was found during the calibration that the step size to be selected for determining the angle of rotation depends on the required accuracy of the absolute angle ϕ. The higher the required accuracy, the higher the frequency in 1 / ° of those Fourier components that have to be subtracted from the sawtooth. The maximum frequency of the spectrum is the inverse step size. Experience has shown that the last band in the Fourier spectrum with a relevant amplitude was around 0.6 / °, which would correspond to a step size of 1.66 ° (cf. FIG. 7). The subtraction of the long-wave Fourier components from the value of the sawtooth is carried out in position 45 and then the modified vernier method is then used in position 46 , so that the absolute angle of rotation ϕ2 is obtained in position 47 .
Zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels ϕ wird die Tabelle (Position 17) in zwei Tabellen aufgeteilt, beispielsweise eine für die niederfrequenten Fourier-Komponenten bis ca. 0,06 1/° und eine für die höherfrequenten Fourier- Komponenten 0,06 1/° bis 0,5 1/°. In den Tabellen werden die Amplituden, Frequenzen und Phasen der Fourier-Komponenten abgelegt, deren Amplitude einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Grundsätzlich wird der Grenzwert in Abhängigkeit von den Genauigkeitsanforderungen an den Winkelsensor festgelegt. Dieser Schritt erfolgt in Position 48. Um die Genauigkeit des Winkelfehlers weiter zu verbessern, wird iterativ gemäß Position 49 das modifizierte Noniusverfahren erneut angewendet und daraus in Position 50 ein neuer absoluter Drehwinkel ϕ berechnet. Dieses iterative Korrekturverfahren bei Winkelmessungen kann so oft angewendet werden, bis ein vorgegebener Grenzwert für die Genauigkeit erreicht ist.To determine the absolute angle of rotation ϕ, the table (item 17 ) is divided into two tables, for example one for the low-frequency Fourier components up to approx. 0.06 1 / ° and one for the higher-frequency Fourier components 0.06 1 / ° to 0.5 1 / °. In the tables, the amplitudes, frequencies and phases of the Fourier components are stored, the amplitude of which exceeds a certain limit. Basically, the limit value is determined depending on the accuracy requirements for the angle sensor. This step takes place in position 48 . To further improve the accuracy of the angular error, the modified vernier method is iteratively applied again in accordance with position 49 and a new absolute angle of rotation ϕ is calculated therefrom in position 50 . This iterative correction procedure for angle measurements can be used until a predetermined limit value for accuracy is reached.
Anhand eines dritten Fehlerdiagramms gemäß der Fig. 6 wird die Wirkungsweise des Korrekturverfahrens dargestellt. Wie zuvor schon erläutert, wird über den Drehwinkel ϕ der Winkelfehler Δα(ϕ) bzw. Δβ(ϕ) aufgetragen. Die Kurve 1 zeigt den Winkelfehler eines einzelnen Sägezahnes α(ϕ) bzw. β(ϕ). Die Kurve 2 zeigt den Fehlerwinkel nach der Korrektur mit dem klassischen Noniusverfahren entsprechend Position 43 (Fig. 6). Die Kurve 3 zeigt die Korrekturfunktion mit dem modifizierten Noniusverfahren und die Kurve 4 zeigt den Winkelfehler für die Sägezähne nach Abzug der Korrekturfunktion. Eine weitere Verbesserung des Winkelfehlers wird mit der Kurve 5 erreicht, bei der der Winkelfehler für den Sägezahn iterativ nach zwei Korrekturfunktionen berechnet wurde.The mode of operation of the correction method is illustrated on the basis of a third error diagram according to FIG. 6. As already explained above, the angle error Δα (ϕ) or Δβ (ϕ) is plotted over the angle of rotation ϕ. Curve 1 shows the angular error of a single sawtooth α (ϕ) or β (ϕ). Curve 2 shows the error angle after correction using the classic vernier method in accordance with position 43 ( FIG. 6). Curve 3 shows the correction function with the modified vernier method and curve 4 shows the angular error for the saw teeth after deduction of the correction function. A further improvement in the angular error is achieved with curve 5 , in which the angular error for the sawtooth was calculated iteratively after two correction functions.
Fig. 7 zeigt zwei Diagramme, wobei im oberen Diagramm die Phase der Fourier-Transformation des Fehlersignals und im unteren Diagramm die entsprechenden Amplituden aufgetragen sind. Fig. 7 shows two diagrams, wherein the Fourier transform of the error signal and the corresponding amplitudes are plotted in the upper diagram, the phase in the lower chart.
Insbesondere im unteren Diagramm ist ersichtlich, welche Ursachen die Fehler haben. So ist beispielsweise im Frequenzspektrum bei niedriger Frequenz im Bereich von 0 1/° die Amplitude besonders hoch. Dies ist ein Hinweis für einen Exzentrizitätsfehler. Bei etwa 0,25 1/° kennzeichnet die hohe Amplitude einen Pollängenfehler usw.The diagram below shows in particular which one Causes that have errors. For example, in Frequency spectrum at low frequency in the range of 0 1 / ° the amplitude is particularly high. This is a hint for one Eccentricity. At about 0.25 1 / ° the high amplitude a pole length error etc.
Mit dem Verfahren des Fourier-Spektrums lässt sich auf einfache Weise auch die Ursache des Fehlers identifizieren und es lassen sich dadurch gezielte Abhilfemaßnahmen einleiten.Using the Fourier spectrum method, also easily identify the cause of the error and targeted remedial action can be taken initiate.
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