DE10054530A1

DE10054530A1 - Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10054530A1
Application number: DE10054530A
Authority: DE
Inventors: Roustiam Chakirov; Hans-Peter Feustel; Reinhard Orthmann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-11-03
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2020-11-04
Also published as: DE10054530B4

Abstract

Die Winkellage einer Welle, beispielsweise die Lage der Welle eines bürstenlosen Motors, läßt sich mit als Hallsensoren ausgebildeten Sensoren und mit einer mit der Welle mitbewegten und mehrere Magnetpole als Geber aufweisenden Geberanordnung ermitteln. Dabei wird die aus der Drehung der Welle resultierende Änderung des Magnetfelds der Geberanordnung mit den Sensoren erfaßt und zur Ermittlung der Winkellage der Welle ausgewertet. Die Genauigkeit, mit der die Winkellage ermittelt wird, ist jedoch gering. Das neue Verfahren soll die Ermittlung der Winkellage der Welle mit hoher Genauigkeit ermöglichen. DOLLAR A Hierzu wird zunächst eine Referenzmessung vorgenommen, bei der die den tatsächlichen Sensorpositionen und die den tatsächlichen Breiten der Geber entsprechenden Winkelabstände aus von den Sensoren abgegebenen Sensorsignalen berechnet werden. Aus diesen Winkelabständen wird dann die Winkellage der Welle zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt. DOLLAR A Steuerung von elektronisch kommutierten Motoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 4.

Aus der DE 43 07 337 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer Welle bekannt, das zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors verwendet wird. Ein derartiger bürstenloser Gleichstrommotor umfaßt üblicherweise einen mit einer Welle fest verbundenen und mit Permanentmagneten bestückten Rotor sowie einen Stator mit mehreren Elektromagneten, die durch einen Kommu tierungsvorgang in Abhängigkeit der Winkellage des Rotors bestromt werden und durch ihr Magnetfeld den Rotor antreiben. Der vorbekannte Gleichstrommotor weist ferner als Hallsensoren ausgeführte Sensoren auf, die das Magnetfeld der als Ge beranordnung wirkenden Permanentmagnete detektieren und entsprechende De tektorsignale erzeugen. Aus den Detektorsignalen wird dann die Winkellage des Rotors oder der Welle ermittelt.

Als nachteilig erweist sich hierbei, daß Fertigungstoleranzen bei der Positionierung der Sensoren, ungleiche Aufteilung der Magnetpole auf dem Rotor und Schalthyste resen der Sensoren zu hohen Meßfehlern führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Winkella ge einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das mit geringem Kostenaufwand durchführbar ist und genaue Meßwerte liefert. Der Erfin dung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch die Merk male des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird die Winkellage einer Welle mit einer Geberanordnung und mit mehreren voneinander beabstandeten Sensoren ermittelt, wobei die Geberanord nung eine vorgegebene Anzahl von Gebern aufweist, die bei sich drehender Welle relativ zu Sensoren bewegt werden, und wobei mit den Sensoren Zeitpunkte als Detektionszeitpunkte ermittelt werden, zu denen die Grenzen der Geber oder die Grenzübergänge zwischen benachbarten Gebern an den Sensoren vorbeibewegt werden. Wesentlich ist, daß bei sich drehender Welle eine Referenzmessung vorge nommen wird, bei der aus den ermittelten Detektionszeitpunkten Winkelabstände ermittelt werden, die dem Versatz der Sensoren entsprechen, sowie Winkelabstände ermittelt werden, die den Abständen zwischen den Grenzen oder Grenzübergängen der Geber entsprechen. Das heißt, es werden die tatsächlichen Winkellagen der Sensoren bezogen auf einen der Sensoren sowie die tatsächlichen den Breiten der Geber und dem Winkelversatz zwischen benachbarten Gebern entsprechenden Win kel berechnet. Aus den ermittelten Winkelabständen werden dann die Winkelposi tionen der Welle zu den einer Wellenumdrehung entsprechenden Detektionszeit punkten als Winkellage der Welle berechnet.

Vorteilhafterweise werden die während der Referenzmessung berechneten Winkel positionen in einer Tabelle abgespeichert. Die abgespeicherten Winkelpositionen werden dann entsprechend ihrer Reihenfolge zyklisch jeweils einem der nachfol gend, d. h. nach der Durchführung der Referenzmessung, ermittelten Detektions zeitpunkte als Winkellage der Welle zugeordnet. Vorzugsweise wird für jede Dreh richtung der Welle eine Referenzmessung vorgenommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:

- Fehler, die durch mechanische Fertigungstoleranzen bedingt sind oder aus nicht idealem Verhalten der Sensoren resultieren, werden auf einfache Weise kom pensiert.
- Die genaue Kenntnis der Detektionszeitpunkte und der zugehörigen Winkellagen der Welle ermöglicht eine präzise Erfassung der Drehzahl der Welle.
- Durch Extrapolation ist es zudem möglich, auch die genaue Winkellage der Welle zu zwischen den Detektionszeitpunkten liegenden Zeitpunkten zu ermitteln.
- Das Verfahren ist mit einer kostengünstig herstellbaren Vorrichtung durchführ bar. Eine derartige Vorrichtung umfaßt eine als Magnetanordnung ausgebildete Geberanordnung mit einer der Anzahl der Geber entsprechenden Anzahl von Magnetpolen sowie mehrere als Magnetfelddetektoren ausgebildete Sensoren, wobei die Magnetanordnung vorzugsweise mindestens einen als Permanentma gneten ausgebildeten Magneten aufweist und wobei die Magnetfelddetektoren vorzugsweise als Hallsensoren, vorteilhafterweise als digitale Hallsensoren aus gebildet sind.
- Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Steuerung elektro nisch kommutierter (bürstenloser) Motoren. Für die Steuerung eines derartigen, einen Stator und einen Rotor aufweisenden Motors ist die genaue Kenntnis der Winkellage des Rotors erforderlich. Diese Winkellage ist mit dem erfindungsge mäßen Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise ermittelbar. Vorzugs weise fungiert dabei der Rotor des Motors sowohl als Mittel zum Antreiben der Welle als auch als Geberanordnung zur Ermittlung der Winkellage des Rotors und der Welle. Die Referenzmessung kann einmalig bei der ersten Inbetriebnahme des Motors vorgenommen werden, sie kann aber auch mehrmals vorgenommen werden, beispielsweise bei jeder erneuten Inbetriebnahme des Motors oder während des Betriebs.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkellage eines Rotors eines elektronisch kommutierten Motors,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Vor richtung aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm mit Sensorsignalen, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 liefert,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vor richtung aus Fig. 1,

Fig. 5 ein Impulsdiagramm mit Sensorsignalen, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 4 liefert,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Sensorsignale aus Fig. 3 oder 4.

Gemäß Fig. 1 weist der Rotor 10 eine Welle 11 und eine mit der Welle 11 fest ver bundene zylindrische Magnetanordnung auf. Die Magnetanordnung ist als Perma nentmagnet ausgebildet und fungiert als Geberanordnung 12, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel acht Magnetpole P1, P2, . . ., Pm als Geber aufweist, welche abwechselnd entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen sind. Der einem Geber P1, . . ., Pm entsprechende Winkel, d. h. der durch die Grenzen eines Magnetpols P1, . . ., Pm und der Drehachse der Welle gebildete Winkel, wird im fol genden als Geberwinkel oder Polwinkel bezeichnet.

Die Vorrichtung weist ferner eine auf die Geberanordnung 12 ansprechende Sen soranordnung mit drei Sensoren 1, 2, 3 auf, die auf einem als Leiterplatte ausgeführ ten Träger 13 derart positioniert sind, daß sie sich in unmittelbarer Nähe der Magnetpole P1, . . ., Pm befinden. Die Magnetpole P1, . . ., Pm werden somit bei sich dre hender Welle 11 an den Sensoren 1, 2, 3 vorbeibewegt. Auf dem Träger 13 sind mehrere Anschlüsse vorgesehen, und zwar ein Anschluß für die Versorgungsspan nung Vcc der Sensoren 1, 2, 3, ein Anschluß für das Bezugspotential Gnd der Sen soren 1, 2, 3, ein Anschluß für das Sensorsignal S1 des Sensors 1, ein Anschluß für das Sensorsignal S2 des Sensors 2 und ein Anschluß für das Sensorsignal S3 des Sensors 3. Die Sensoren 1, 2, 3 sind als digitale Hallsensoren ausgebildet, so daß die Sensorsignale S1, S2, S3 Signalflanken aufweisen, die dann auftreten, wenn die Grenze zwischen zwei benachbarten Magnetpole P1, . . ., Pm am jeweiligen Sensor 1, 2, 3 vorbeibewegt wird. Diese Signalflanken werden im folgenden als Hallflanken und die Zeitpunkte, zu denen sie auftreten, als Detektionszeitpunkte bezeichnet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wirkt der Rotor 10 als Geberanordnung. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich jedoch ohne weiteres auch auf Vorrichtungen übertragen, die Magnetgabelschranken, Lichtgabelschranken, eine Unterbrecher scheibe oder ein Geberzahnrad als Geberanordnung und geeignete Sensoren als Nehmer aufweisen.

Gemäß Fig. 2 sind die Sensoren 1, 2, 3 in einem ersten Ausführungsbeispiel derart positioniert, daß der Sollwert des Winkels γ¹² zwischen dem Sensor 1 und dem Sensor 2 gleich 2/3 des Polwinkels γ Pol|m eines Magnetpols Pm ist und der Sollwert des Winkels γ¹³ zwischen dem Sensor 1 und dem Sensor 3 gleich 4/3 des Polwin kels γ Pol|m eines Magnetpols Pm ist. Im Idealfall würden diese Sollwerte genau einge halten werden, die Sensoren 1, 2, 3 kein Hystereseverhalten aufweisen, die Grenz übergänge P12, . . ., Pm1 zwischen den Magnetpolen P1, . . ., Pm klar definiert sein, die Polwinkel γ Pol|1, . . ., γ Pol|m aller Magnetpole P1, . . ., Pm gleich groß sein und die von den Sensoren 1, 2, 3 generierten Hallflanken wären dann paarweise gegeneinander um 60° elektrisch versetzt. Der Begriff "elektrisch" verdeutlicht hierbei, daß es sich bei diesem 60°-Winkel um einen Phasenwinkel der elektrischen Signale und nicht um die Lage des Rotors 10 handelt.

Wird der Rotor 10 in mathematisch positive Richtung, d. h. gegen Uhrzeigersinn gedreht, so erhält man für die Sensorsignale S1, S2, S3 das in Fig. 3 gezeigten Signalmuster. Die Hallflanken sind in der Reihenfolge ihres Auftretens mit H1, H2, H3, . . ., Hm3 bezeichnet und die Detektionszeitpunkte, zu denen sie auftreten, sind entsprechend mit T₁, T₂, . . ., T_m.3, bezeichnet, wobei m für die Anzahl der Magnet pole, im vorliegenden Ausführungsbeispiel für den Wert 8, steht. Jede Änderung des logischen Pegels eines der drei Sensorsignale S1, S2, S3, d. h. jede Hallflanke, be stimmt die Grenze eines 60° elektrisch breiten Segments und setzt damit den Kommutierungsvorgang der Motorströme in Gang.

Aufgrund von unvermeidbaren Fertigungstoleranzen und nichtidealen Eigenschaften der Sensoren 1, 2, 3 weichen die ermittelten Detektionszeitpunkte T₁, T₂, . . ., T_m.3, von den im Idealfall zu erwartenden Detektionszeitpunkten ab. Zur genauen Ermitt lung der Winkellage der Welle 11 ist es daher erforderlich, diese Abweichung zu kompensieren.

Hierzu wird nach dem Motorstart zunächst eine Referenzmessung vorgenommen.

Während dieses Meßvorgangs werden die Zeitintervalle ΔT₁, ΔT₂, . . ., d. h. die Flan kenabstände zwischen aufeinanderfolgenden Hallflanken H1, H2, H3, . . ., ermittelt und in der Reihenfolge des Auftretens der zugehörigen Hallflanken H1 bzw. H2 bzw. . . . als Zeitintervallmeßwerte in einer Meßwerttabelle abgespeichert. Des weiteren werden für jede Hallflanke H1, H2, . . . auch die sich danach ergebenden logischen Pegel der Sensorsignale S1, S2, S3 abgespeichert.

Pro Wellenumdrehung werden eine bestimmte Anzahl ANZ von Messungen durch geführt, wobei diese Anzahl ANZ gleich dem Produkt aus der Anzahl m der Magnet pole P1, . . ., Pm und der Anzahl der Sensoren 1, 2, 3 ist. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel mit acht Magnetpolen P1, . . ., Pm und drei Sensoren 1, 2, 3 gilt somit ANZ = m.3 = 24.

Im Anschluß an die Anzahl ANZ von Messungen sind für die nachfolgend beschrie benen Algorithmen noch die nächsten drei aus der weiteren Wellendrehung resultierenden Detektionszeitpunkte T_ANZ+1, T_ANZ+2, T_ANZ+3 zu erfassen und entsprechende Zeitintervalle ΔT_ANZ, ΔT_ANZ+1, ΔT_ANZ+2 in die Meßwerttabelle zu hinterlegen.

Die Störsicherheit läßt sich erhöhen, indem die Zeitintervalle ΔT₁, ΔT₂,. . . für mehre re Wellenumdrehungen ausgewertet werden, wobei für jede dieser Wellenumdre hungen alle Zeitintervalle erfaßt und als Zeitintervallmeßwerte in die Meßwerttabelle hinterlegt werden. Die Anzahl MessANZ der in der Meßwerttabelle hinterlegten Zei tintervallmeßwerte bestimmt sich somit zu MessANZ = n.ANZ+2, wobei n für die Anzahl der Wellenumdrehungen steht.

Im Anschluß an die Meßwertaufnahme erfolgt die Auswertung der Zeitintervallmeß werte. Den Magnetpolen P1, . . ., Pm werden hierzu jeweils eine Nummer k = 1 . . . m als Index zugeordnet.

In einem ersten Schritt wird für jeden Magnetpol Pk das seiner Magnetpolbreite entsprechende Zeitintervall T Pol|k berechnet. Dieses Zeitintervall ist dabei gleich der Zeit, die erforderlich ist, um den betreffenden Magnetpol Pk vollständig am Sensor 1 vorbeizubewegen. Für die Magnetpole Pk mit den Indizes k = 2 . . . m werden diese Zeitintervalle mit der Gleichung

und für den Magnetpol P1 mit dem Index k = 1 mit der Gleichung

berechnet. ΔT_i = T_i+1-T_i steht dabei für den i-ten Zeitintervallmeßwert aus der Meßwerttabelle. Die ersten zwei Zeitintervalle ΔT₁ und ΔT₂ werden somit nicht ausgewertet, dafür werden aber, wie aus Gleichung (1.2) ersichtlich wird, die ersten drei Zeitintervalle ΔT_ANZ, ΔT_ANZ+1, ΔT_ANZ+2 der nächsten Wellenumdrehung ausgewertet. Insgesamt entspricht die Summe der mit den obigen Gleichungen ausge werteten Zeitintervalle ΔT₃, . . ., ΔT_ANZ+2 einer vollständigen Wellenumdrehung.

Des weiteren werden für jeden Magnetpol Pk mit k = 1 . . . m Zeitintervalle T 12|k und T 13|k berechnet, die benötigt werden, um den betreffenden Magnetpol Pk vom Sen sor 1 zum Sensor 2 bzw. vom Sensor 1 zum Sensor 3 zu bewegen. Die Zeitintervalle T 12|1, . . ., T 12|m sind dabei proportional zum Winkelversatz γ¹² zwischen Sensor 1 und Sensor 2 und die Zeitintervalle T 13|1, . . ., T 13|m sind proportional zum Winkelversatz γ¹³ zwischen Sensor 1 und Sensor 3. Die Berechnung dieser Zeitintervalle erfolgt für k = 2 . . . m nach folgenden Gleichungen

und für k = 1 nach folgenden Gleichungen

Drehzahlschwankungen, die während der Meßwertaufnahme auftreten, werden für k = 1 . . . m mit folgender Gleichung eliminiert

Im nächsten Schritt erfolgt die Umrechnung der ermittelten Zeitintervalle T Pol|k, T 12|k und T 13|k in Winkelwerte. Die Umrechnung erfolgt nach folgenden Gleichungen

wobei ϕ Pol|k den der Polbreite des Magnetpols Pk entsprechenden Winkelwert dar stellt, ϕ 12|k den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelversatz zwischen den Sen soren 1 und 2 darstellt und ϕ 13|k den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelver satz zwischen den Sensoren 1 und 3 darstellt.

Die Winkelwerte werden im vorliegenden Fall in Grad angegeben, denkbar ist jedoch auch eine Umrechnung der Winkelwerte in Radiant oder die Normierung der Win kelwerte auf einen bestimmten Winkelwert.

Pro Wellenumdrehung erhält man m Winkelwerte für den Winkelversatz ϕ 12|k zwi schen den Sensoren 1 und 2 und ebenfalls m Winkelwerte für den Winkelversatz ϕ 13|k zwischen den Sensoren 1 und 3. Durch Mittelwertsbildung können Störungen, die beispielsweise aus dem hystereseförmigen Schaltverhalten der Sensoren 1, 2, 3 resultieren, wirksam unterdrückt werden. Die gemittelten Winkelwerte für den Win kelversatz ϕ 12|k bzw. ϕ 13|k werden mit γ¹² bzw. γ¹³ bezeichnet und folgendermaßen berechnet

Werden bei der Referenzmessung die Detektionszeitpunkte mehrerer Wellenumdre hungen ausgewertet, so können für die den Polbreiten der Magnetpole entspre chenden Winkelwerte ϕ Pol|k ebenfalls Mittelwerte gebildet werden. Die Berechnung erfolgt nach Gleichung

wobei n für die Anzahl der Wellenumdrehungen steht.

Die jedem Magnetpolübergang P12, . . ., Pm1 entsprechenden Drehwinkelwerte γ Magnet|k der Welle 11 lassen sich unter der Annahme, daß die Winkelposition der Welle 11 bei der ersten Hallflanke H1 null Grad beträgt, über folgenden Algorithmus in absolute Winkelpositionen γ_i berechnen:

wobei für k = 1 folgende Hilfswerte

und für k = 2 . . . m folgende Hilfswerte berechnet werden

Die Winkelposition γ_i mit i = 1 . . . 3.m stellt dabei den exakten Wert der der Hall flanke Hi entsprechenden Wellenlage dar. Damit lassen sich für alle einer Wellen umdrehung entsprechenden Hallflanken H1, . . ., Hm3 und somit für alle während ei ner Wellenumdrehung detektierten Detektionszeitpunkte T₁, . . ., T_m.3 die zugehörigen tatsächlichen Winkelpositionen γ_i mit i = 1 . . . 3.m der Welle 1 ermitteln und in der Meßwerttabelle entsprechend dem Index i der zugehörigen Hallflanke Hi able gen. Beim anschließenden bestimmungsgemäßen Betrieb wird dann der Index i mit jeder Hallflanke aktualisiert und die diesem aktualisierten Index entsprechende Win kelposition γ_i aus der Meßwerttabelle als momentane Wellenlage ausgelesen. Der Index i wird dabei bei seiner Aktualisierung so oft um den Wert Eins erhöht, bis der Wert i = 3.m, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also der Wert i = 24, erreicht ist. Auf diesen Wert folgt dann wieder der Wert i = 1, d. h. die Meßwerttabelle ist als zyklische Tabelle angelegt.

Fehler in der Indizierung der Tabelle oder in den Sensorsignalen S1, S2, S3 der Sen soren 1, 2, 3 können durch einen Vergleich zwischen dem bei jeder Hallflanke ein gelesenen logischen Pegel der Sensorsignale S1, S2, S3 und den während der Refe renzmessung ermittelten und in der Meßwerttabelle abgespeicherten Pegeln der Sensorsignale erkannt werden. Weichen die Pegel voneinander ab, so liegt ein Feh ler vor. Der Sensor, der das fehlerhafte Sensorsignal lieferte, läßt sich ohne weiteres aus den Pegeln vor und nach der letzten detektierten Hallflanke ermitteln.

Die tatsächlichen Winkelpositionen γ_i werden für beide Drehrichtungen der Welle ermittelt. Dadurch lassen sich Fehler ausgleichen, die aus dem hystereseförmigen Schaltverhalten der Sensoren 1, 2, 3 resultieren.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der Sensor 3 in der Mitte zwischen den Sensoren 1 und 2 positioniert ist. Somit ist der Sollwert des Winkels γ¹² zwischen Sensor 1 und Sensor 2 weiterhin gleich 2/3 des Polwinkels γ Pol|m eines Magnetpols Pm, der Sollwert des Winkels γ¹³ zwischen Sensor 1 und Sensor 3 ist nunmehr jedoch gleich 1 /3 des Polwinkels γ Pol|m eines Magnetpols Pm.

Wenn der Rotor 10 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 in mathematisch positi ve Richtung gedreht wird, dann erhält man für die Sensorsignale S1, S2, S3 das in Fig. 5 gezeigte Signalmuster.

Die Berechnung der Winkelpositionen γ_i für i = 1 . . . 3.m erfolgt analog zu dem oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 beschriebenen Verfahren.

So werden den Magnetpolen P1, . . ., Pm ebenfalls jeweils eine Nummer k = 1 . . . m als Index zugeordnet und für jeden Magnetpol Pk das der Polbreite dieses Magnet pols Pk entsprechende Zeitintervall T Pol|k gemäß den Gleichungen

berechnet. Weiterhin werden für jeden Magnetpol Pk die Zeitintervalle T 12|k und T 13|k berechnet, wobei folgende Gleichungen zum Einsatz kommen

Drehzahlschwankungen der Welle 11, die während der Meßwertaufnahme auftreten, werden für k = 1 . . . m mit der Gleichung

eliminiert.

Die Umrechnung der ermittelten Zeitintervalle

in Winkelwerte erfolgt nach den Gleichungen

wobei ϕ Pol|k ebenfalls den der Polbreite des Magnetpols Pk entsprechenden Winkel wert darstellt, ϕ 12|k ebenfalls den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelversatz zwischen den Sensoren 1 und 2 darstellt und ϕ 13|k ebenfalls den mit dem Magnetpol Pk ermittelten Winkelversatz zwischen den Sensoren 1 und 3 darstellt.

Denkbar ist wiederum auch eine Umrechnung der Winkelwerte in Radiant oder die Normierung der Winkelwerte auf einen bestimmten Winkelwert.

Weiterhin werden gemittelten Winkelwerte

und

gebildet.

Werden bei der Referenzmessung die Detektionszeitpunkte mehrerer Wellenumdre hungen ausgewertet, so können für die den Polbreiten der Magnetpole P1, . . ., Pm entsprechenden Winkelwerte ϕ Pol|k ebenfalls Mittelwerte

gebildet werden, wobei n für die Anzahl der Wellenumdrehungen steht.

Die Winkelpositionen γ_i mit i = 1 . . . 3.m lassen sich mit folgenden Gleichungen berechnen:

wobei für k = 1 folgende Hilfswerte

und für k = 2 . . . m folgende Hilfswerte berechnet werden

Die Winkelpositionen γ_i mit i = 1 . . . 3.m werden dann, wie oben im Zusammen hang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 beschrieben, der Ermittlung der tatsächlichen Wellenlage zugrundegelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit geringem Schaltungsaufwand reali sieren. Gemäß Fig. 6 weist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Ver fahrens einen Mikrokontroller 80, drei EXOR-Gatter 25, 35, 45, ein weiteres logi sches Gatter 50 und drei RC-Glieder 23, 33, 43 auf. Die Sensorsignale S1, S2, S3 werden dabei jeweils einem Eingangsanschluß des Mikrokontrollers 80 und jeweils auf direktem Wege sowie jeweils über eines der RC-Glieder 23 bzw. 33 bzw. 43 einem der EXOR-Gatter 25 bzw. 35 bzw. 45 zugeführt. Die EXOR-Gatter 25, 35, 45 erzeugen somit impulsförmige Signale, wobei ein Impuls eine von der Zeitkonstanten des jeweiligen RC-Glieds abhängige Breite aufweist und zu einem Zeitpunkt auftritt, zu dem das dem jeweiligen EXOR-Gatter zugeführte Sensorsignal S1, S2, S3 eine Signalflanke aufweist. Die Ausgangssignale der EXOR-Gatter 25, 35, 45 werden schließlich in dem beispielsweise als ODER-Gatter ausgeführten logischen Gatter 50 zu einem Detektorsignal zusammengefaßt, das zu den Zeitpunkten des Auftretens der Hallflanken, d. h. zu den Detektionszeitpunkten, Impulse aufweist, und das dem Mikrokontroller 80 als Meßsignal zugeführt wird.

Der Mikrokontroller 80 umfaßt ein Rechenwerk ALU, einen Speicher ROM/RAM mit einem Bereich für das Ablaufprogramm und einem Bereich für die Meßwerttabelle, einen Eingangsport I, dem die Sensorsignale S1, S2, S3 zugeführt werden, eine Er fassungseinheit C1, der das vom Gatter 50 abgegebene Detektorsignal zugeführt wird, sowie ein taktgesteuertes Zählwerk C2 zur Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen den Impulsen des Detektorsignals. Die Zeitintervalle zwischen den Hallflanken werden somit im Mikrokontroller 80 ermittelt.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer drehbaren Welle (11) mit einer eine vorgegebene Anzahl (m) von Gebern (P1, . . ., Pm) aufweisenden Geberanordnung (12) und mit gegeneinander versetzt angeordneten Sensoren (1, 2, 3), wobei die Geber (P1, . . ., Pm) bei sich drehender Welle (11) relativ zu den Sensoren (1, 2, 3) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Sensoren (1, 2, 3) Zeitpunkte als Detektionszeitpunkte (T₁, T₂, . . .) ermittelt werden, zu denen die Grenzen (P12, . . ., Pm1) oder Grenzübergänge der Geber (P1, . . ., Pm) an den Sensoren (1, 2, 3) vorbei bewegt werden, und daß eine Referenzmessung vorgenommen wird, bei der dem Versatz der Sensoren (1, 2, 3) entsprechende Winkelabstände (γ¹², γ¹³) und den Abständen zwischen den Grenzen (P12, . . ., Pm1) oder Grenzübergängen der Geber (P1, . . ., Pm) entsprechende Winkelabstände (γ Pol|1, γ Pol|2, . . . γ Pol|m) ermittelt werden und bei der aus den ermittelten Winkelabständen (γ¹², γ¹³, γ Pol|1, γ Pol|2, . . ., γ Pol|m) die Win kelpositionen (γ₁, γ₂, . . ., γ_m.3) der Welle (11) zu den einer Wellenumdrehung ent sprechenden Detektionszeitpunkten (T₁, T₂, . . ., T_m.3) als Winkellage der Welle (11) berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berechneten Win kelpositionen (γ₁, γ₂, . . ., γ_m.3) in eine zyklische Meßwerttabelle abgespeichert wer den und daß den nach der Durchführung der Referenzmessung ermittelten Detekti onszeitpunkten in der Reihenfolge ihres Auftretens jeweils eine der abgespeicherten Winkelpositionen (γ₁, γ₂, . . ., γ_m.3) in der durch die Meßwerttabelle vorgegebenen Reihenfolge als Winkellage der Welle (11) zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz messung für beide Drehrichtungen der Weile (11) vorgenommen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberanordnung (12) als Magnetanordnung mit einer der Anzahl der Geber entsprechenden Anzahl von Magnetpolen (P1, . . ., Pm) ausgebildet ist und daß drei Magnetfelddetektoren als Sensoren (1, 2, 3) vorgese hen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberanordnung (12) mindestens einen als Permanentmagnet ausgeführten Magneten aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber anordnung (12) als Rotor (10) eines elektronisch kommutierten Motors ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1, 2, 3) als digitale Hallsensoren ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei Sensoren (1, 2, 3) vorgesehen sind, die derart positioniert sind, daß der Winkelversatz zwischen zwei benachbarten Sensoren gleich 2/3 oder 1 /3 des der Breite eines Gebers (P1, . . ., Pm) entsprechenden Winkels (γ Pol|1, . . ., γ Pol|m) ist.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Motors.