DE10025160C2

DE10025160C2 - Method for evaluating position or rotation angle sensors and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE10025160C2
Application number: DE2000125160
Authority: DE
Inventors: Andreas Buente; Stephan Beineke; Ulrich Koch
Original assignee: Lust Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: DE10025160A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Positionen und Geschwindigkeiten mit Hilfe von Inkre mentalgebern sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determination of positions and speeds with the help of Incre mental donors and a device for performing the Process.

Unter einem Inkrementalgeber versteht man ein Messsys tem, bei dem die Lageinformation in Form von typischerweise zwei um einen Winkel von 90° phasenverschobenen, periodi schen Spursignalen zur Verfügung gestellt wird. Im Allge meinen sind die Spursignale rechteckförmig oder sinusför mig. Die Spursignale können mathematisch als komplexe Funk tion dargestellt werden:
An incremental encoder is a measuring system in which the position information is provided in the form of two periodic track signals, typically phase-shifted by an angle of 90 °. In general, the track signals are rectangular or sinusoidal. The track signals can be represented mathematically as a complex function:

s(ε) = s_a(ε) + j.s_b(ε),
s (ε) = s _a (ε) + js _b (ε),

mit
s(ε) = komplexer Zeiger der Spursignale des Gebers,
s_a(ε), s_b(ε) = reelle Komponenten der Spursignale des Gebers,
j = Konstante,
ε = Winkellage innerhalb einer Periode der Spursignale des Gebers.With
s (ε) = complex pointer of the encoder track signals,
s _a (ε), s _b (ε) = real components of the encoder's track signals,
j = constant,
ε = angular position within a period of the encoder's track signals.

Bei periodischen Spursignalen kann das Signal als Fou rier-Reihe dargestellt werden:
With periodic track signals, the signal can be represented as a Fourier series:

mit
s(ε) = komplexer Zeiger der Spursignale des Gebers,
c _k = Koeffizient der komplexen Fourier-Reihenentwicklung,
ε = Winkellage innerhalb einer Periode der Spursignale des Gebers.With
s (ε) = complex pointer of the encoder track signals,
c _k = coefficient of the complex Fourier series expansion,
ε = angular position within a period of the encoder's track signals.

Nach dem Stand der Technik (Thomas Henke: "Spurenaus wertung" mit Spezial-Chip in "Elektronik 1/1994", Seiten 24 bis 31) wird die Lage unter Berücksichtigung der Drehrich tung des komplexen Zeigers s(ε) bestimmt, indem die Qua drantenübergänge mit Hilfe von Zählern erfasst werden. Bei sinusförmigen Spursignalen kann die Lageauflösung innerhalb einer Signalperiode verbessert werden, indem der Winkel ε = ∠s(ε) berechnet und die Gesamtlage ε_G (für Drehbewegun gen) aus dem Zählerstand und ε zusammengesetzt wird. Die Geschwindigkeit wird durch Differenziation der Lage nach der Zeit berechnet.According to the state of the art (Thomas Henke: "Trace evaluation" with special chip in "Electronics 1/1994", pages 24 to 31), the position is determined taking into account the direction of rotation of the complex pointer s (ε) by the Qua third transitions are recorded with the help of counters. With sinusoidal track signals, the position resolution can be improved within one signal period by calculating the angle ε = ∠ s (ε) and combining the total position ε _G (for rotary movements) from the counter reading and ε. The speed is calculated by differentiating the position over time.

Nachteil dieses zum Stand der Technik gehörenden Ver fahrens ist, dass typische systematische Fehler der Spur signale, wie Offsetfehler, Amplitudenfehler, Phasenfehler oder von der Sinusform abweichende Signalverläufe bei der Berechnung der Gesamtlage und der daraus abgeleiteten Geschwindigkeit zu Fehlern führen. Weiterhin ist es ungüns tig, dass die Positions- und Geschwindigkeitsberechnung in der Regel zeitdiskret vorgenommen wird, wobei aufgrund der hohen Frequenzen der Spursignale bezüglich der systemati schen Fehler das Shannonsche Abtasttheorem nicht eingehal ten werden kann. Die Spektren der Fehler der zeitdiskreten Lage- und Geschwindigkeitssignale finden sich deshalb in verschiedenen Frequenzbereichen wieder, insbesondere auch im für eine Regelung auszuwertenden Basisband um die Fre quenz Null, so dass eine vollständige Unterdrückung mit digitalen Filtern nicht möglich ist. Disadvantage of this Ver belonging to the prior art driving is that typical systematic mistake of the track signals, such as offset errors, amplitude errors, phase errors or waveforms deviating from the sinusoidal shape Calculation of the overall situation and the derived one Speed lead to errors. Furthermore, it is bad that the position and speed calculation in is usually made discretely in time, due to the high frequencies of the track signals regarding the systemati errors, the Shannon sampling theorem is not adhered to can be. The spectra of the errors of the time discrete Position and speed signals can therefore be found in different frequency ranges again, especially also in the baseband to be evaluated for a regulation around Fre quenz zero so that a complete suppression with digital filtering is not possible.

Andere zum Stand der Technik gehörende Auswerteverfah ren (B. Hiller: "HOCHGENAUE MESSUNG VON ZUSTANDSGRÖßEN AN NC-ACHSEN" in: "Moderne Regelungs- und Antriebstechnik", Stuttgart, FISW Selbstverlag, 1996, und Dipl.-Ing. Roland Kirchberger, Dipl.-Ing. Bernhard Hiller: "Oversamplingver fahren zur Verbesserung der Erfassung von Lage und Drehzahl an elektrischen Antrieben mit inkremetellen Gebersystemen", in: "TAGUNGSBAND SPS/IPC/DRIVES", Fachmesse & Kongress, 23. -25. Nov. 1999, Nürnberg, Veranstalter: MESAGO Messe management GmbH, Stuttgart, Seiten 598 bis 606) versuchen die Aliasing-Effekte zu unterdrücken, indem durch Over sampling und Mittelwertbildung die Auswirkungen der Spur signalfehler verringert werden. Nachteil dieser Verfahren ist der hohe Hardwareaufwand durch die erforderlichen schnellen A-D-Umsetzer und der notwendigen Geschwindigkeit des Rechenwerkes.Other evaluation methods belonging to the prior art ren (B. Hiller: "HIGHLY ACCURATE MEASUREMENT OF STATE SIZES NC-AXES "in:" Modern control and drive technology ", Stuttgart, FISW Selbstverlag, 1996, and Dipl.-Ing. Roland Kirchberger, Dipl.-Ing. Bernhard Hiller: "Oversamplingver drive to improve the detection of position and speed on electrical drives with incremental encoder systems ", in: "TAGUNGSBAND SPS / IPC / DRIVES", trade fair & congress, 23. -25. Nov. 1999, Nuremberg, organizer: MESAGO fair management GmbH, Stuttgart, pages 598 to 606) try to suppress the aliasing effects by using Over sampling and averaging the effects of the trace signal errors can be reduced. Disadvantage of these procedures is the high hardware expenditure due to the required fast A-D converter and the necessary speed of the arithmetic unit.

Ein anderer zum Stand der Technik gehörender Ansatz (Dipl.-Ing. Bernhard Höscheler: "Erhöhung der Genauigkeit bei Wegmeßsystemen durch selbstlernende Kompensation syste matischer Fehler" in: "TAGUNGSBAND SPS/IPC/DRIVES", Fach messe & Kongress, 23.-25. Nov. 1999, Nürnberg, Veranstal ter: MESAGO Messemanagement GmbH, Stuttgart, Seiten 617 bis 625), bei dem die wesentlichen Geberfehler mittels eines Rechenwerkes in Kennlinien abgelegt und anschließend mit den Kennlinien kompensiert werden, hat die Nachteile, dass Änderungen der Fehler durch Alterung der Geber oder Tempe ratureinflüsse nicht erfasst werden und ein Abgleich der einzelnen Geber oder zumindest der Gebertypen erforderlich ist.Another prior art approach (Dipl.-Ing. Bernhard Höscheler: "Increased accuracy for measuring systems by self-learning compensation syste Matic error "in:" TAGUNGSBAND SPS / IPC / DRIVES ", subject fair & congress, 23.-25. Nov. 1999, Nuremberg, event ter: MESAGO Messemanagement GmbH, Stuttgart, pages 617 to 625), in which the essential encoder errors are identified by means of a Calculator stored in characteristic curves and then with the characteristics are compensated, has the disadvantages that Changes in errors due to aging of the sensors or temp influences are not recorded and a comparison of the individual encoder or at least the encoder types required is.

Gemäß dem Stand der Technik (DE 195 44 948 A1) ist es auch bekannt, eine Koordinatentransformation mit dem Ziel vorzunehmen, die Spursignale offset- und amplitudenkorri giert abzubilden, das heißt, das Koordinatensystem wird nicht gedreht, sondern nur in Bezug auf Ursprung und Länge der Einheitsvektoren verändert. Dieses zum Stand der Tech nik gehörende Verfahren hat den Nachteil, dass die Korrek turgrößen in einem aufwändigen Verfahren bestimmt werden, welches durch Phasenfehler und Harmonische der Spursignale gestört werden kann. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, dass diese Harmonischen und Phasenfehler bezüglich der Lagebestimmung nicht unterdrückt werden.According to the prior art (DE 195 44 948 A1) it is also known to target a coordinate transformation to make the track signals offset and amplitude corri map, that is, the coordinate system not rotated, but only in relation to origin and length of the unit vectors changed. This to the state of the tech The disadvantage of this method is that the correction door sizes are determined in a complex process, which is caused by phase errors and harmonics of the track signals can be disturbed. Another disadvantage of the process is that these harmonics and phase errors with respect to the Orientation cannot be suppressed.

Zum Stand der Technik (DE 693 15 016 T2) gehört auch ein Verfahren, bei dem ebenfalls eine Drehung eines rechtwinkligen Koordinatensystems vorgenommen wird (Fig. 4), jedoch mit anderen Größen und mit einem anderen Ziel. Ziel dieses zum Stand der Technik gehörenden Verfahrens ist es, die Auflösung des Gebers zu erhöhen, indem mehrere Spursignale, die von unterschiedlichen Abtastköpfen auf ge nommen werden, so verrechnet werden, dass die resultie renden Spursignale einen Zeiger beschreiben, der schneller rotiert als ein einzelnes Paar von Spursignalen. Damit ergibt sich nach außen eine größere Anzahl von Perioden pro mechanische Umdrehung. Sämtliche verrechneten Größen stammen alleine aus dem Geber.The prior art (DE 693 15 016 T2) also includes a method in which a right-angled coordinate system is also rotated ( FIG. 4), but with different sizes and with a different target. The aim of this state-of-the-art method is to increase the resolution of the encoder by calculating a plurality of track signals recorded by different scanning heads in such a way that the resulting track signals describe a pointer that rotates faster than a single one Pair of track signals. This results in a larger number of periods per mechanical revolution. All calculated amounts come from the donor alone.

Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren hat den Nachteil, dass für den Fall, dass eines der verrechne ten Spursignale Amplituden-, Offset- oder Phasenfehler oder Harmonische aufweist, diese Anteile nicht unterdrückt wer den. Eine nachgeschaltete Tiefpassfilterung kann keine Verbesserung bewirken.This has the prior art method the disadvantage that in the event that one of the offset th track signals amplitude, offset or phase errors or Has harmonics, these parts are not suppressed who the. A downstream low-pass filtering cannot Bring about improvement.

Weiterhin wird gemäß dem Stand der Technik (JP-2-186221 A) eine Transformation von rechtwinkligen Koordinaten nach Polarkoordinaten verwendet. Hierbei tritt der Nachteil auf, dass eine Unterdrückung der Geberfehler nicht bewirkt wird. Alle Fehleranteile wirken sich auf die bestimmte Lage aus.Furthermore, according to the prior art (JP-2-186221 A) a transformation from rectangular Coordinates according to polar coordinates used. Here occurs the disadvantage is that suppression of encoder errors is not effected. All errors affect the certain location.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei denen bei der Auswertung von Inkrementalgebern die systematischen Spur signalfehler effektiv unterdrückt werden.The technical problem underlying the invention consists of a method and an apparatus for Execution of the procedure to specify where the Evaluation of incremental encoders the systematic track signal errors can be effectively suppressed.

Dieses technische Problem wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 21 gelöst.This technical problem is solved by the procedure the features of claim 1 and by a device solved with the features of claim 21.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Positionen und/oder Geschwin digkeiten mit Hilfe von Inkrementalgebern, bei dem systema tische Fehler des Gebers unterdrückt werden, oder das durch minimale Verfahrensänderungen ebenfalls die Auswertung von Gebern, beispielsweise von Resolvern, bei denen die inkre mentelle Lageinformation in Form von amplitudenmodulierten Spursignalen vorliegt, erlaubt, so dass Inkrementalgeber und Resolver mit der gleichen Einheit ausgewertet werden können.The method according to the invention relates to a Method for determining positions and / or speed with the help of incremental encoders, in the systema table errors of the encoder can be suppressed, or by minimal process changes also the evaluation of Donors, for example of resolvers, in which the incre mental position information in the form of amplitude-modulated Track signals present, allowed, so that incremental encoder and resolvers can be evaluated with the same unit can.

Vorteilhaft wird das technische Problem dadurch gelöst, dass die Spursignale des Gebers vor der Bestimmung der Position oder der Geschwindigkeit einer Koordinaten transformation durch Multiplikation mit dem komplexen Zei ger t(ϕ) = e^-j ^ϕ unterzogen werden. Es ergibt sich also ein Rechenwerk, das sowohl in analoger Schaltungstechnik als auch in digitaler Technik realisiert werden kann. Man erreicht nämlich durch die Multiplikation mit t(ϕ), dass die transformierten Spursignale s _T(ε) durch die Gleichung
The technical problem is advantageously solved in that the track signals of the encoder are subjected to a coordinate transformation by multiplication with the complex pointer t (ϕ) = e ^-j ^ϕ prior to the determination of the position or the speed. The result is an arithmetic unit that can be implemented both in analog circuit technology and in digital technology. Multiplication by t (ϕ) means that the transformed track signals s _T (ε) are obtained by the equation

gebildet werden. Insbesondere durch die Wahl des Transfor mationswinkels ϕ = ε wird damit die Grundschwingungskompo nente s ₁(ε) = c ₁.e^-j ^ε der Spursignale nach der Transformation zu einer von ε unabhängigen Gleichgröße.be formed. In particular, through the choice of the transformation angle ϕ = ε, the fundamental component s ₁ (ε) = c ₁ .e ^-j ^{ε of} the track signals after the transformation becomes a constant of ε independent.

Betrachtet man beispielhaft den Fall, dass die zu mes sende Geschwindigkeit ω_s = dε/dt konstant ist, lassen sich dann durch eine einfache Tiefpassfilterung der transfor mierten Spursignale die Fehleranteile der Spursignale unterdrücken, wenn die Grenzfrequenz ω_G des Filters klei ner als dε/dt gewählt wird.If one considers, for example, the case where the speed ω _s = dε / dt to be measured is constant, the error components of the track signals can be suppressed by simple low-pass filtering of the transformed track signals if the cutoff frequency ω _{G of} the filter is less than dε / dt is selected.

Die Vorgehensweise kann auf die praktisch relevanten Fälle erweitert werden, bei denen die zu messende Geschwin digkeit nicht exakt konstant oder bekannt ist, sondern um einen Mittelwert schwankt. In diesem Fall können die Spur signale als frequenzmoduliertes Signal der zu messenden Geschwindigkeit betrachtet werden, mit einer Trägerfre quenz, die vom Mittelwert der zu messenden Frequenz ab hängt. Die relevante Information über den Wechselanteil der zu messenden Geschwindigkeit liegt mit einer Bandbreite von B um die Trägerfrequenz. Die Transformation mit dem Zeiger t(ϕ) orientiert sich daher an der Trägerfrequenz, also dem Mittelwert von ω_s. Sofern der Wechselanteil der Drehzahl kleiner als der Gleichanteil ist, ist sichergestellt, dass schon bei kleinen Geschwindigkeiten durch eine Tiefpassfil terung beim transformierten Signal s _T(ε) die systematischen Fehler des Gebers unterdrückt werden können.The procedure can be extended to the practically relevant cases in which the speed to be measured is not exactly constant or known, but fluctuates around an average. In this case, the track signals can be viewed as a frequency-modulated signal of the speed to be measured, with a carrier frequency that depends on the mean of the frequency to be measured. The relevant information about the alternating component of the speed to be measured lies with a bandwidth of B around the carrier frequency. The transformation with the pointer t (ϕ) is therefore based on the carrier frequency, i.e. the mean value of ω _s . If the alternating component of the speed is less than the direct component, it is ensured that the systematic errors of the encoder can be suppressed even at low speeds by low-pass filtering the transformed signal s _T (ε).

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.Further details of the invention can be found in the Unteran sayings are taken.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen: In the drawing is an embodiment of the Invention shown, namely show:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit vier Multiplikatoren; Figure 1 shows a first embodiment with four multipliers.

Fig. 2 die Realisierung der Multiplikatoren mit multiplizierenden D-A-Umsetzern und einem überlagerten digitalen Rechenwerk; FIG. 2 shows the realization of the multipliers by multiplying DA-converters and a superimposed digital arithmetic unit;

Fig. 3a ein Leistungsdichtespektrum der Eingangsgröße s(ε); FIG. 3a shows a power density spectrum of the input variable s (ε);

Fig. 3b das Spektrum aus Fig. 3a, welches durch Koordinatentransformation verschoben ist; FIG. 3b shows the spectrum of Figure 3a, which is shifted by coordinate transformation.

Fig. 3c das Spektrum aus Fig. 3b nach einer Tiefpassfilterung. Fig. 3c, the spectrum of FIG. 3b after low pass filtering.

Fig. 1 zeigt das auf die Eingangsgröße s(ε) einwirkende Rechenwerk zur Koordinatentransformation, bestehend aus vier Multiplikatoren (1, 2, 3, 4), einem Addierer (5) und dem Subtrahierer (6). Die Ausgangsgröße des Rechenwerkes wird einer Tiefpassfilterung (7) unterzogen. Fig. 1 shows the force acting on the input variable s (ε) calculating unit for coordinate transformation, consisting of four multipliers (1, 2, 3, 4), an adder (5) and the subtractor (6). The output variable of the arithmetic unit is subjected to low-pass filtering ( 7 ).

Fig. 2 zeigt die Realisierung der Multiplikatoren (1 bis 4) der Koordinatentransformation mit multiplizierenden D-A-Umsetzern und einem überlagerten digitalen Rechenwerk. Das Rechenwerk besteht aus einem Eingangszwischenspeicher (8), der mittels einer überlagerten und nicht dargestellten Einheit angesteuert wird, einem Addierer (9), der die Werte des Eingangszwischenspeichers (8) und des Ausgangszwischen speichers (10) addiert und dessen Ausgangsgröße zu von außen vorgebbaren Zeitpunkten im Ausgangszwischenspeicher (10) abgelegt wird, und einem Speicherbaustein (11), der die Funktionswerte der Sinus- und Cosinusfunktion enthält und mit einer Adresse angesteuert wird, die aus dem Aus gangszwischenspeicher (10) abgeleitet wird, so dass die digitalen Eingänge der Multiplikatoren mit der Sinus- und Cosinusfunktion beschaltet werden. Fig. 2 shows the implementation of the multipliers ( 1 to 4 ) of the coordinate transformation with multiplying DA converters and a superimposed digital arithmetic unit. The arithmetic unit consists of an input buffer ( 8 ), which is controlled by means of a superimposed and not shown unit, an adder ( 9 ), which adds the values of the input buffer ( 8 ) and the output buffer ( 10 ) and whose output variable to externally specifiable points of time is stored in the output buffer (10), and a memory module (11) that contains the function values of the sine and cosine function and is driven with an address transition between memory from the off is derived (10), so that the digital inputs of the multipliers can be connected with the sine and cosine function.

Fig. 3a zeigt das Leistungsdichtespektrum der Ein gangsgröße s(ε). Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in dieser Darstellung ein Fall mit konstanter Geschwindigkeit ω gezeigt. Fig. 3a shows the power density spectrum of an input variable s (ε). For reasons of clarity, a case with constant speed ω is shown in this illustration.

Gemäß Fig. 3b ist das Spektrum durch die Koordinaten transformation so verschoben, dass die Grundwelle von s _T bei möglichst kleinen Frequenzen liegt.According to FIG. 3b, the spectrum is shifted by the coordinate transformation in such a way that the fundamental wave of s _{T is} at the lowest possible frequencies.

Gemäß Fig. 3c sind die störenden Spektralanteile, die durch systematische Geberfehler verursacht werden, durch die Tiefpassfilterung (7) eliminiert.According to FIG. 3c, the disturbing spectral components, which are caused by systematic encoder errors, are eliminated by the low-pass filtering ( 7 ).

Gemäß Fig. 1 werden für die Multiplikationen (1, 2, 3, 4) multiplizierende D-A-Umsetzer (Digital-Analog-Umsetzer) verwendet, bei denen die Spursignale den Referenzspannungs eingängen der D-A-Umsetzer zugeführt werden und der digi tale Eingang, der zweite Multiplikator, durch ein Rechen werk so vorgegeben wird, dass die Funktionen cosϕ(t) bezie hungsweise sinϕ(t) nachgebildet werden. Das Rechenwerk be steht im Wesentlichen aus einem Addierwerk und einem Spei cherbaustein, in dem die Sinus- und Cosinustabellen abge legt sind (vgl. Fig. 2). Diese Technik ist als NCO bekannt (NCO = Numeric Controlled Oscillator). Die Addition wird mit einer im Vergleich zur Periodendauer der Spursignale kleinen Abtastzeit durchgeführt. Der von außen vorzugebende Summand legt die Geschwindigkeit dϕ/dt fest. Er wird von einer überlagerten Steuerung vorgegeben.Referring to FIG. 1 are used for multiplications (1, 2, 3, 4) multiplying DA-converter (digital-to-analog converter) is used in which the tracking signals inputs the reference voltage of the DA converter are supplied to the digi tale input second multiplier, is set by an arithmetic unit so that the functions cosϕ (t) or sinϕ (t) are simulated. The arithmetic unit consists essentially of an adder and a memory module in which the sine and cosine tables are stored (see FIG. 2). This technique is known as NCO (Numerical Controlled Oscillator). The addition is carried out with a sampling time which is small compared to the period of the track signals. The summand to be specified from the outside defines the speed dϕ / dt. It is specified by a higher-level control.

Vorteilhafte Ausführungsformen bestimmen den Wert des Summanden mit dem nach dem Stand der Technik gemessenen und gefilterten Drehzahlmesswert oder, wenn die erfindungsge mäße Geberauswertung in Verbindung mit der Drehzahlregelung eines Antriebssystems eingesetzt wird, aus dem Drehzahl sollwert. Bei dieser Ausführungsform kann dann das aus s _T(ε) durch Frequenzdemodulation gewonnene Signal als Regelabwei chung des Drehzahlreglers und die durch s _T(ε) dargestellte Position als Integral der Drehzahlregelabweichung verwendet werden.Advantageous embodiments determine the value of the summand with the measured and filtered speed measured value according to the prior art or, if the encoder evaluation according to the invention is used in connection with the speed control of a drive system, from the speed setpoint. In this embodiment, the signal obtained from s _T (ε) by frequency demodulation can then be used as a control deviation of the speed controller and the position represented by s _T (ε) can be used as an integral of the speed control deviation.

Die Grenzfrequenz ω_G eines nachgeschalteten Tiefpass filters muss kleiner als die mittlere Frequenz der Spursig nale, der Trägerfrequenz ω_s = dε/dt, gewählt werden. Auf der anderen Seite ist eine möglichst hohe Grenzfrequenz wün schenswert, um eine Drehzahlbestimmung mit möglichst hoher Bandbreite zu realisieren. Eine vorteilhafte Ausführungs form der Geberauswertung verwendet deshalb einen Tiefpass filter mit steuerbarer Charakteristik. Die Vorgabe der Cha rakteristik ergibt sich aus der gewünschten Dämpfung bei der Trägerfrequenz |ω_s|. Das gefilterte Signal s _F kann mit einem beliebigen Verfahren nach dem Stand der Technik aus gewertet werden, wobei sich die zu messende Lage oder Geschwindigkeit bestimmen lässt, indem die aus s _F gewonne nen Größen mit den Vorgaben für t(ϕ) verrechnet werden. Zur Unterdrückung hochfrequenter Rauschanteile kann hierbei die Auswertung von s _F digital unter Verwendung von Sigma- Delta-Umsetzern vorgenommen werden.The cut-off frequency ω _{G of} a downstream low-pass filter must be selected to be lower than the average frequency of the track signals, the carrier frequency ω _s = dε / dt. On the other hand, the highest possible cut-off frequency is desirable in order to determine the speed with the widest possible bandwidth. An advantageous embodiment of the encoder evaluation therefore uses a low-pass filter with controllable characteristics. The specification of the characteristic arises from the desired damping at the carrier frequency | ω _s |. The filtered signal s _F can be evaluated using any method according to the prior art, it being possible to determine the position or speed to be measured by offsetting the variables obtained from s _F with the specifications for t (ϕ). To suppress high-frequency noise components, the evaluation of s _F digital can be carried out using sigma-delta converters.

Als weitere vorteilhafte Ausführungsform wird das Re chenwerk nach Fig. 2 so gestaltet, dass die D-A-Umsetzer (2, 3) statt mit einer Sinustabelle mit einer mit Null besetzten Tabelle arbeiten, beziehungsweise dass nur die Ausgänge der Multiplikatoren (1, 4) zur Bildung des Signals s _T verwendet werden. Bei konstantem Summanden (8) und geeigneter Charakteristik des nachgeschalteten Tiefpassfil ters (7) führt die Schaltung dann eine Amplitudendemodula tion durch. Damit kann unmittelbar zum Beispiel ein Resol ver ausgewertet werden. Vorteilhaft wird dazu unmittelbar das Erregersignal des Resolvers mit Hilfe des Rechenwerkes aus der Ausgangsgröße eines weiteren D-A-Umsetzers (12) abgeleitet.As a further advantageous embodiment, the calculation system according to FIG. 2 is designed such that the DA converters ( 2 , 3 ) work with a table filled with zero instead of a sine table, or that only the outputs of the multipliers ( 1 , 4 ) are used Formation of the signal s _T can be used. With constant summand ( 8 ) and suitable characteristics of the downstream low-pass filter ( 7 ), the circuit then performs an amplitude demodulation. For example, a resol can be evaluated immediately. For this purpose, the exciter signal of the resolver is advantageously derived directly from the output variable of a further DA converter ( 12 ) with the aid of the arithmetic unit.

Ein typisches Spektrum der Spursignale bei näherungs weise konstanter Geschwindigkeit, die Auswirkung der be schriebenen spektralen Verschiebung und die Wirkung des nachgeschalteten Tiefpassfilters zeigt Fig. 3. Dabei ist auch nach der Tiefpassfilterung die Information über den Geschwindigkeitswechselanteil im transformierten Signal vorhanden. Dieser Wechselanteil kann mit einer konventio nellen Inkrementalgeberauswertung nach dem Stand der Tech nik (Thomas Henke: "Spurenauswertung" mit Spezial-Chip in "Elektronik 1/1994", Seiten 24 bis 31) bestimmt werden. Mit dem ebenfalls bekannten Transformationswinkel ϕ und seiner bekannten Änderungsgeschwindigkeit ist dann der tatsäch liche Verlauf der zu messenden Lage und Geschwindigkeit bestimmt.A typical spectrum of the track signals at approximately constant speed, the effect of the described spectral shift and the effect of the downstream low-pass filter are shown in FIG. 3. Here, even after the low-pass filtering, the information about the speed change component is present in the transformed signal. This alternating component can be determined with a conventional incremental encoder evaluation according to the state of the art (Thomas Henke: "Trace evaluation" with special chip in "Electronics 1/1994", pages 24 to 31). With the also known transformation angle ϕ and its known rate of change, the actual course of the position and speed to be measured is then determined.

Erklärung der FormelzeichenExplanation of the formula symbols

ε Winkellage innerhalb einer Periode der Spursig nale des Gebers
ε_G ε angular position within a period of the track signals of the encoder
ε _G

mechanische Gesamtlage oder Gesamtwinkel (setzt sich zusammen aus ε und der Anzahl der zurück gelegten Perioden)
ϕ Winkel des Transformationszeigers
ω_s total mechanical position or total angle (made up of ε and the number of periods covered)
ϕ Angle of the transformation pointer
ω _s

Winkelgeschwindigkeit des Zeigers der Spursignale
ω_soll Angular velocity of the pointer of the track signals
ω _should

Sollwert der Winkelgeschwindigkeit des Zeigers der Spursignale, der für eine überlagerte Dreh zahlregelung maßgeblich ist
ω_G Target value of the angular velocity of the pointer of the track signals, which is decisive for a superimposed speed control
ω _G

Grenzfrequenz des Tiefpassfilters
c _k Cut-off frequency of the low-pass filter
c _k

Koeffizient der komplexen Fourier-Reihenentwick lung
s_a Coefficient of complex Fourier series development
s _a

, s_b , s _b

reelle Komponenten der Spursignale des Gebers
s real components of the encoder's track signals
s

komplexer Zeiger der Spursignale des Gebers
s _F complex pointer of the encoder's track signals
s _F

komplexer Zeiger der transformierten und gefilterten Spursignale
s _T complex pointer of the transformed and filtered track signals
s _T

komplexer Zeiger der transformierten Spursignale
t complex pointer of the transformed track signals
t

komplexer Zeiger, der die Transformation der Spursignale beschreibt complex pointer that the transformation of the Describes track signals

Bezugszahlenreference numerals

11

bis to

44

Multiplikatoren
multipliers

55

Addierer
adder

66

Subtrahierer
subtractor

77

Tiefpassfilter
Low Pass Filter

88th

Eingangszwischenspeicher
Input buffer

99

Addierer
adder

1010

Ausgangszwischenspeicher
Output buffer

1111

Speicherbaustein
memory chip

1212

D-A-Umsetzer
DA converter

Claims

1. Verfahren zur Auswertung von Lage- oder Drehwinkel gebern, die über den Weg oder Drehwinkel periodische Spur signale aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spursignale vor der Bestimmung von Lage, Drehwinkel, Ge schwindigkeit und/oder Winkelgeschwindigkeit mittels einer Koordinatentransformation in ihrer Winkellage verändert werden, derart, dass die transformierten Spursignale Fre quenzen aufweisen, bei denen die Fehleranteile der Spur signale durch nachgeschaltete Tiefpassfilter unterdrückt werden. 1. A method for evaluating position or angle of rotation sensors that have periodic track signals over the path or angle of rotation, characterized in that the track signals before determining the position, angle of rotation, speed and / or angular velocity changed by means of a coordinate transformation in their angular position are such that the transformed track signals have frequencies at which the error components of the track signals are suppressed by downstream low-pass filters.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinatentransformation wenigstens eine analoge oder digitale Tiefpassfilterung (7) nachgeschaltet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the coordinate transformation is followed by at least one analog or digital low-pass filtering ( 7 ).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformation mit Hilfe von wenigstens zwei multiplizierenden Digital-Analog-Umsetzern (D-A-Umset zern) (1, 2, 3, 4) vorgenommen wird, und dass die wenigs tens zwei multiplizierenden D-A-Umsetzer (1, 2, 3, 4) mit einem digitalen Rechenwerk angesteuert werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the coordinate transformation is carried out with the aid of at least two multiplying digital-to-analog converters (DA converters) ( 1 , 2 , 3 , 4 ), and that the at least two multiplying DA - Converter ( 1 , 2 , 3 , 4 ) can be controlled with a digital arithmetic unit.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den D-A-Umsetzern (1, 2, 3, 4) zusätzliche analoge Rechenwerke (5, 6) oder Filter (7) nachgeschaltet werden.4. The method according to claim 3, characterized in that the DA converters ( 1 , 2 , 3 , 4 ) additional analog arithmetic units ( 5 , 6 ) or filters ( 7 ) are connected downstream.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Koordinatentransformation eine spektrale Verschiebung der Eingangssignale vorgenommen wird.5. The method according to claim 1, characterized in that by means of the coordinate transformation a spectral Shift of the input signals is made.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei spektraler Verschiebung der Frequenzbereich mit der größten spektralen Energiedichte auf betragsmäßig kleine Frequenzen abgebildet wird.6. The method according to claim 5, characterized in that with spectral shift the frequency range with of the largest spectral energy density in terms of amount small frequencies is mapped.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den transformierten Spursignalen oder den trans formierten und gefilterten Spursignalen in Verbindung mit einer Lage- oder Drehwinkelauswertung und zusätzlicher Ver rechnung der dem System bekannten Daten für die vorgenom mene Spektralverschiebung der aktuelle Lage- oder Geschwin digkeits-Istwert berechnet wird.7. The method according to claim 5, characterized in that from the transformed track signals or the trans formed and filtered track signals in connection with a position or angle of rotation evaluation and additional ver calculation of the data known to the system for the previous Mene spectral shift of the current position or speed actuality value is calculated.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transformierten Spursignale oder transformierten und gefilterten Spursignale einer Frequenzdemodulation unterzogen werden, und dass das demodulierte Signal als zeitabhängiger Anteil der aktuellen Geschwindigkeit oder Drehzahl verwendet wird, oder dass das demodulierte Signal unter Verrechnung der dem System bekannten Daten für die vorgenommene Spektralverschiebung zur Berechnung der aktu ellen Geschwindigkeit oder Drehzahl verwendet wird.8. The method according to claim 5, characterized in that the transformed track signals or transformed and filtered track signals of frequency demodulation undergo, and that the demodulated signal as time-dependent part of the current speed or Speed is used, or that the demodulated signal taking into account the data known to the system for the spectral shift made to calculate the current speed or speed is used.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzbereich mit der größten spektralen Ener giedichte aus dem Geschwindigkeits- oder Drehzahlsollwert einer überlagerten Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelung abgeleitet wird.9. The method according to claim 5, characterized in that that the frequency range with the largest spectral ener density from the speed or speed setpoint a superimposed speed or speed control is derived.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass mittels der transformierten Spursignale die über die Zeit integrierte Differenz
∫(ω_s,soll - ω_s)dt = ε_G,soll - ε_G = ε_G,F,
mit
ω_s = Winkelgeschwindigkeit des Zeigers der Spursignale,
ω_s,soll = Sollwert der Winkelgeschwindigkeit des Zeigers der Spursignale,
ε_G = mechanische Gesamtlage oder Gesamtwinkel,
ε_G,soll = mechanische Gesamt-Sollage oder Gesamt-Sollwinkel,
ε_G,F = mechanische Gesamtlage oder Gesamtwinkel der transformierten und gefilterten Spursignale,
gewonnen wird und in einem zugeordneten Regelkreis als In tegral der Regelabweichung verwendet wird.10. The method according to claim 9, characterized in
that by means of the transformed track signals the difference integrated over time
∫ (ω _{s, target} - ω _s ) dt = ε _{G, target} - ε _G = ε _{G, F} ,
With
ω _s = angular velocity of the pointer of the track signals,
ω _s, target = nominal value of the angular velocity of the pointer of the track signals,
ε _G = total mechanical position or total angle,
ε _G, target = total mechanical target position or total target angle,
ε _{G, F} = total mechanical position or total angle of the transformed and filtered track signals,
is obtained and used in an associated control loop as an integral of the control deviation.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geber zwei näherungsweise sinusförmige Spursignale hat, die näherungsweise um 90° verschoben sind. 11. The method according to claim 1, characterized in that an encoder has two approximately sinusoidal track signals that are shifted approximately 90 °.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber zwei näherungsweise rechteckförmige Spur signale hat, die näherungsweise um 90° verschoben sind.12. The method according to claim 1, characterized in that that the encoder has two approximately rectangular tracks has signals that are approximately 90 ° shifted.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausführung des Rechenwerkes alternativ zur Pha senverschiebung unter der Verwendung der Multiplikatoren (1 und 4) und einer nachgeschalteten analogen oder digitalen Tiefpassfilterung (7) eine Amplitudendemodulation der Spur signale vorgesehen ist.13. The method according to claim 1, characterized in that an amplitude demodulation of the track signals is provided as an embodiment of the arithmetic unit as an alternative to the phase shift using the multipliers ( 1 and 4 ) and a downstream analog or digital low-pass filtering ( 7 ).

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, dass die Amplitudendemodulation der Spursignale mit Hilfe von wenigstens zwei multiplizierenden D-A-Umsetzern realisiert wird.14. The method according to claim 13, characterized in net that the amplitude demodulation of the track signals with With the help of at least two multiplying D-A converters is realized.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, dass die wenigstens zwei multiplizierenden D-A-Umset zer über ein digitales Rechenwerk angesteuert werden.15. The method according to claim 14, characterized in net that the at least two multiplying D-A implementations can be controlled via a digital arithmetic unit.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Geber ein Resolver eingesetzt wird, und dass dessen Erregersignal mit einem weiteren D-A- Umsetzer (12) gebildet wird.16. The method according to claim 14 or 15, characterized in that a resolver is used as the transmitter, and that its excitation signal is formed with a further DA converter ( 12 ).

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, dass die Funktionen zur Auswertung von Resolvern und Inkrementalgebern in einer elektronischen Schaltung zusam mengefasst sind und alternativ genutzt werden.17. The method according to claim 13, characterized in net that the functions for evaluating resolvers and Incremental encoders together in an electronic circuit are quantitative and can be used alternatively.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, dass die elektronische Schaltung um ein Rechenwerk er weitert ist, das aus den Spursignalen oder den transfor mierten Spursignalen die Winkelgeschwindigkeit des Zeigers t(ϕ) derart vorgibt, dass die spektrale Verschiebung so er folgt, dass der Frequenzbereich mit der größten spektralen Energiedichte auf betragsmäßig kleine Frequenzen abgebildet wird und das gleiche Rechenwerk die Geschwindigkeit oder die Lage der Spursignale unter Verwendung der trans formierten Spursignale bestimmt und ausgibt.18. The method according to claim 17, characterized in that the electronic circuit is expanded by an arithmetic unit which specifies the angular velocity of the pointer t (ϕ) from the track signals or the transformed track signals in such a way that the spectral shift follows it, that the frequency range with the greatest spectral energy density is mapped to small frequencies and the same arithmetic unit determines and outputs the speed or position of the track signals using the transformed track signals.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefpassfilter eine steuerbare Charakteristik aufweisen.19. The method according to claims 2 or 13, characterized characterized that the low pass filter is a controllable Have characteristics.

20. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschaltete Berechnung der Lage oder Geschwindigkeit digital erfolgt und die A-D-Um setzung mit Sigma-Delta-Umsetzern vorgenommen wird.20. The method according to claims 2 or 13, characterized characterized that the downstream calculation of the Location or speed is done digitally and the A-D-Um implementation with sigma-delta converters.

21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Rechenwerk aufweist, welches wenigstens zwei D-A-Umset zer aufweist, sowie eine Tiefpassfilterung (7).21. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that the device has an arithmetic unit which has at least two DA converters, and a low-pass filtering ( 7 ).

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, dass vier D-A-Wandler (1, 2, 3, 4) vorgesehen sind.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that four DA converters ( 1 , 2 , 3 , 4 ) are provided.