DE102014103514B4 - Verfahren zur Drehwinkelerfassung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Drehwinkelerfassung nach dem Noniusprinzip mithilfe einer Sensoreinrichtung und eines Drehgebers aufweisend konzentrisch eine erste Codespur mit einer Periodenzahl A, eine zweite Codespur mit einer Periodenzahl B und eine dritte Codespur mit einer Periodenzahl C, wobei für die Periodenzahlen A, B, C der Codespuren die Bedingungen 1) A < B < C 2) (B – A) – (C – B) muss 1 oder –1 sein 3) (B – A) oder (C – B) ist Teiler von A, B oder C gelten, wobei ein erster Nonius (202), ein zweiter Nonius (204) und ein dritter Nonius (206) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Nonius (206) mithilfe eines ausgewählten Nonius (202, 204) und einer ausgewählten Codespur verbessert wird, wobei zunächst der ausgewählte Nonius (202, 204) mithilfe der ausgewählten Codespur verbessert und nachfolgend der dritte Nonius (206) mithilfe des verbesserten ausgewählten Nonius (202, 204) verbessert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehwinkelerfassung nach dem Noniusprinzip mithilfe einer Sensoreinrichtung und eines Drehgebers aufweisend konzentrisch eine erste Codespur mit einer Periodenzahl A, eine zweite Codespur mit einer Periodenzahl B und eine dritte Codespur mit einer Periodenzahl C, wobei für die Periodenzahlen A, B, C der Codespuren die Bedingungen
    • 1) A < B < C
    • 2) (B – A) – (C – B) muss 1 oder –1 sein
    • 3) (B – A) oder (C – B) ist Teiler von A, B oder C
    gelten, wobei ein erster Nonius, ein zweiter Nonius und ein dritter Nonius gebildet werden.
  • Aus der DE 10 2004 033 084 A1 ist eine Wirbelstromsensoranordnung bekannt, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, umfassend einen Sensor mit wenigstens einer Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem leitfähigen Geber und den Geber, wobei sich der Sensor und der Geber relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung bewegen können, bei der der Geber zwei Spuren aufweist, von denen die eine eine erste Anzahl von Segmenten und die andere eine unterschiedliche zweite Anzahl von Segmenten aufweist. Eine der Spuren weist eine um ein Segment unterschiedliche Anzahl von Segmenten auf als die andere der Spuren. Jeder der Sensoren gibt ein Sensorsignal aus und die Sensorsignale werden nach dem Noniusprinzip ausgewertet.
  • Aus der DE 10 2004 045 811 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Erfassung der Bewegung oder des Drehwinkels an bewegten mechanischen Bauteilen, bei dem Codesignale ausgewertet werden, die durch Abtasten von mehreren senkrecht zur Bewegungsrichtung nebeneinander liegenden Codespuren auf dem bewegten Bauteil mittels jeweils zugeordneter Detektorzeilen eines stationären Sensors erzeugt werden, wobei zusätzliche Detektorzeilen derart angeordnet sind, dass bei maximaler Toleranz des bewegten Bauteils senkrecht zur Bewegungsrichtung jeder Codespur mindestens eine der Detektorzeilen zuordbar ist. Aus einer Nonius-Anordnung mit z. B. fünf örtlich gleichverteilten Detektorzeilen ergibt sich zur Abtastung von vier Codespuren ein angegebenes Layout.
  • Aus der DE 10 2005 033 402 A1 ist ein Verfahren bekannt zur eindeutigen Bestimmung einer physikalischen Größe Φ anhand von m Phasenmesswerten αi mit 1 ≤ i ≤ m, wobei die Phasenmesswerte αi innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs E der physikalischen Größe Φ voneinander verschiedene, ganzzahlige Periodizitäten ni aufweisen, wobei zunächst aus den Phasenmesswerten αi sowie deren Periodizitäten ni ein Wert T mit T = T(αj, nl) und j, l ∊ Z{1, ..., i} berechnet wird, anschließend dem Wert T ein Wert V zugeordnet wird, und letztlich zur Bestimmung der physikalischen Größe Φ der Wert V mit den Phasenmesswerten αi gewichtet aufaddiert wird, wobei die Periodizitäten ni eine ganzzahlige Periodenzahl-Differenz Δn = |ni – ni-1| mit Δn > 1 aufweisen, wobei innerhalb eines reduzierten Eindeutigkeitsbereichs Ered mit Ered ≈ 1 / Δn·E dem Wert T durch eine Zuordnung gemäß
    Figure DE102014103514B4_0002
    mit TUk für eine jeweilige untere Grenze und TOk für eine jeweilige obere Grenze von T der Wert V zugeordnet wird, wobei die Zuordnungsintervalle ΔT = |TOk – TUk| zwischen den oberen (TOk) und den unteren Grenzen (TUk) für T, sowie die Abstände ΔV = |Vk+1 – Vk| mindestens der Periodenzahl-Differenz Δn entsprechen.
  • Aus der Veröffentlichung „Quasdorf, Joachim (2008): Mixed Signal, Interpolation analoger Signale, Auflösung von Winkelmessungen erhöhen. In: ElektronikPraxis, 2008, 18, 22–26” wird ein optisches Noniussystem beschrieben, mit dem mehrere Messskalen auswertbar und zu einem Positionswert kombinierbar sind. Ein Schaltkreis definiert die absolute Winkelposition über die Phasenlage dreier Sinussignale, an die jeweils geringere Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, als dies bei nur zwei Skalen der Fall wäre. Eine Masterspur α1 liefert eine Feinauflösung und ist verantwortlich für eine absolute Systemgenauigkeit, während eine Noniusspur α3 und eine Segmentspur α2 Informationen zum Bestimmen eines Intervalls liefern. Durch schrittweises Berechnen wird eine zulässige Toleranz für Signalfehler erhöht.
  • Aus der JP H08-304 113 A ist eine Einrichtung bekannt, die zur Digitalverarbeitung an einem Nonius-Absolutwertgeber dient. Die Einrichtung weist eine Code-Scheibe mit drei streifenartigen Gittermustern auf, die entlang der Umfänge dreier konzentrischer Kreise angeordnet sind. Ein äußerer Kreis weist N Spalten auf, wobei N eine natürliche Zahl ist. Ein mittlerer Kreis weist N-M Spalten auf, wobei M eine natürliche Zahl ist. Ein innerer Kreis weist N-M-L Spalten auf, wobei L eine natürliche Zahl ist. Das Verhältnis von N = kM und M = L + 1 stellt sich ein zwischen den natürlichen Zahlen N, M und L. Das Gittermuster des äußeren Kreises dient als Hauptspur, die Gittermuster des mittleren und inneren Kreises dienen als Noniusspuren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Insbesondere soll ein möglicher Anwendungsbereich erweitert sein. Insbesondere soll eine konstruktive Ausführung besser ermöglicht oder vereinfacht werden. Insbesondere soll ein Übersprechen nebeneinander liegender Codespuren verhindert werden. Insbesondere soll eine Verwendung baugleicher Sensoren ermöglicht sein.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Drehwinkelerfassung nach dem Noniusprinzip mithilfe einer Sensoreinrichtung und eines Drehgebers aufweisend konzentrisch eine erste Codespur mit einer Periodenzahl A, eine zweite Codespur mit einer Periodenzahl B und eine dritte Codespur mit einer Periodenzahl C, wobei für die Periodenzahlen A, B, C der Codespuren die Bedingungen
    • 1) A < B < C
    • 2) (B – A) – (C – B) muss 1 oder –1 sein
    • 3) (B – A) oder (C – B) ist Teiler von A, B oder C
    gelten, wobei ein erster Nonius, ein zweiter Nonius und ein dritter Nonius gebildet werden, wobei der dritte Nonius mithilfe eines ausgewählten Nonius und einer ausgewählten Codespur verbessert wird, wobei zunächst der ausgewählte Nonius mithilfe der ausgewählten Codespur verbessert und nachfolgend der dritte Nonius mithilfe des verbesserten ausgewählten Nonius verbessert wird.
  • Der Drehgeber kann eine ring- oder scheibenartige Form aufweisen. Der Drehgeber kann zur drehfesten Verbindung mit einer Welle dienen, um deren Drehwinkel zu erfassen. Der Drehgeber kann mit einer Welle konzentrisch verbindbar sein. Die Codespuren können zum Codieren eines Drehwinkelsignals dienen. Die Codespuren können jeweils zur optischen, kapazitiven und/oder magnetischen Signalcodierung dienen. Die Codespuren können jeweils einen sinusförmigen oder sinusartigen Code tragen. Die Codespuren können konzentrisch angeordnet sein. Perioden des Codes können trotz verschiedener Umfänge zumindest annähernd dieselbe mechanische Periodenlänge aufweisen. Periodenzahlen können proportional zu einem Radius, auf dem eine Spur liegt, sein. Wenigstens eine Codespur kann eine Indexmarkierung aufweisen. Die Sensoreinrichtung kann zum inkrementellen oder zum absoluten Messen dienen. Die Sensoreinrichtung kann wenigstens einen Sensor aufweisen. Die Sensoreinrichtung kann für jede Codespur einen Sensor aufweisen. Die Sensoren können in eine Reihe angeordnet sein. Eine Sensorreihe kann zu dem Drehgeber radial oder tangential angeordnet sein. Die Sensoreinrichtung kann zwei Sensorreihen aufweisen. Die Sensorreihen können bezüglich des auf der Sensorspur aufgebrachten sinusförmigen Codes um 90° versetzt angeordnet sein. Die Sensoren der Sensoreinrichtung können auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. Als Sensoren können Fotodioden, Hallelemente und/oder Magnetfeldsensoren dienen. Die Sensoren können analoge Sensoren sein. Die Sensoreinrichtung kann zum Erfassen der mit den Codespuren codierten Signale mittels physikalischer Eigenschaften dienen. Die Sensoreinrichtung kann zum Umformen der mit den Codespuren codierten Signale in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal dienen. Der Drehgeber kann zur Drehwinkelerfassung im Bereich der Automatisierungstechnik dienen. Der Drehgeber kann zur Drehwinkelerfassung in einem Robotergelenk dienen.
  • Das Verfahren kann zur Auswertung von elektrischen Signalen der Sensoreinrichtung dienen. Zur Auswertung kann von Signalen von Sensorreihen, die bezüglich des auf der Sensorspur aufgebrachten sinusförmigen Codes um 90° versetzt angeordnet sind, ein Arkustangens, beispielsweise ein atan2, gebildet werden. Damit kann ein lineares Maß für einen Winkel erhältlich sein. Ein Vorzeichen eine Sinus- oder Kosinuskomponente kann noch berücksichtigt werden. Damit kann eine 360°-Eindeutigkeit erzeugbar sein. Es kann eine Linearisierung erfolgen. Es kann eine Unabhängigkeit von einer Sensoramplitude hergestellt werden.
  • Nach dem Noniusprinzip können die Signale mehrere Codespuren kombiniert werden, um eine Ablesegenauigkeit zu erhöhen. Das Noniusprinzip kann elektronisch angewendet werden. Ein Nonius kann dadurch gebildet werden, dass die Signale mehrere Codespuren ausgewertet und zu einem Positionswert kombiniert werden. Ein Nonius kann dadurch gebildet werden, dass wenigstens ein Signal wenigstens einer Codespur ausgewertet und mit wenigstens einem Positionswert zu einem verbesserten Positionswert kombiniert wird.
  • Messwerte der Sensoreinrichtung können auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 normiert werden. Dieser Verfahrensschritt kann mit den Anweisungen „Sensorsignal_A = normieren(atan2(Sinussignal_Spur_A, Cosinussignal_Spur_A))”, „Sensorsignal_B = normieren(atan2(Sinussignal_Spur_B, Cosinussignal_Spur_B))”, „Sensorsignal_C = normieren(atan2(Sinussignal_Spur_C, Cosinussignal_Spur_C))” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann zuerst durchgeführt werden.
  • Der erste Nonius kann zwischen Messwerten der ersten Codespur und Messwerten der zweiten Codespur gebildet werden. Dieser Verfahrensschritt kann mit der Anweisung „Nonius_AB = Sensorsignal_B – Sensorsignal_A” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann nach einem Normieren durchgeführt werden.
  • Der zweite Nonius kann zwischen Messwerten der zweiten Codespur und Messwerten der dritten Codespur gebildet werden. Dieser Verfahrensschritt kann mit der Anweisung „Nonius_BC = Sensorsignal_C – Sensorsignal_B” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann parallel zur Bildung des ersten Nonius durchgeführt werden.
  • Der dritte Nonius kann aus dem ersten Nonius und dem zweiten Nonius gebildet werden. Dieser Verfahrensschritt kann mit der Anweisung „Nonius_BC = Sensorsignal_C – Sensorsignal_B” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann nachfolgend durchgeführt werden. Der dritte Nonius kann mit der Anweisung „Nonius_ABBC = Nonius_AB – Nonius_BC” als Differenz zwischen dem ersten Nonius und dem zweiten Nonius gebildet werden, wenn eine Periodendifferenz zwischen den Spuren A und B größer als eine Periodendifferenz zwischen den Spuren B und C ist. Der dritte Nonius kann mit der Anweisung „Nonius_ABBC = Nonius_BC – Nonius_AB” als Differenz zwischen dem zweiten Nonius und dem ersten Nonius gebildet werden, wenn eine Periodendifferenz zwischen den Spuren A und B kleiner als eine Periodendifferenz zwischen den Spuren B und C ist. Eine Fallunterscheidung kann mit der Anweisung „Wenn (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) > (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) Dann Nonius_ABBC = Nonius_AB – Nonius_BC Sonst Nonius_ABBC = Nonius_BC – Nonius_AB” getroffen werden.
  • Die Verbesserung des Nonius kann nachfolgend durchgeführt werden. Die Verbesserung kann eine Rauschunterdrückung umfassen. Die Verbesserung kann ein Entfernen von Ausreißern umfassen. Das Verbessern kann auch als Stützen bezeichnet werden. Zum Verbessern des dritten Nonius kann der Nonius ausgewählt werden, dessen Periodenzahldifferenz ein ganzzahliger Teiler einer der Codespuren ist. Zum Verbessern des dritten Nonius kann die Codespur ausgewählt werden, die durch die Periodenzahldifferenz der Codespuren des ausgewählten Nonius ganzzahlig teilbar ist. Außerdem können bei der Auswahl des Nonius und der Codespur weitere Werte festgelegt werden, die für eine spätere Berechnung erforderlich sind. Beispielsweise kann eine Überprüfung „IstTeilerVon” mittels Vergleich eines Divisionsrests mit Null durchgeführt werden. Die Auswahl eines Nonius und einer Codespur kann mit den Anweisungen „Wenn (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_A Dann Sensorsignal_X = Sensorsignal_A Nonius_X = Nonius_AB P_X = PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A P_NX = PeriodenzahlSpur_A/PeriodenzahlSpur_X”, „Wenn (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_A Dann Sensorsignal_X = Sensorsignal_A Nonius_X = Nonius_AB P_X = PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B P_NX = PeriodenzahlSpur_A/PeriodenzahlSpur_X”, „Wenn (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_B Dann Sensorsignal_X = Sensorsignal_B Nonius_X = Nonius_AB P_X = PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A P_NX = PeriodenzahlSpur_B/PeriodenzahlSpur_X”, „Wenn (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_B Dann Sensorsignal_X = Sensorsignal_B Nonius_X = Nonius_AB P_X = PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B P_NX = PeriodenzahlSpur_B/PeriodenzahlSpur_X”, „Wenn (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_C Dann Sensorsignal_X = Sensorsignal_C Nonius_X = Nonius_AB P_X = PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A P_NX = PeriodenzahlSpur_C/PeriodenzahlSpur_X” und/oder „Wenn (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_C Dann Sensorsignal_X = Sensorsignal_C Nonius_X = Nonius_AB P_X = PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B P_NX = PeriodenzahlSpur_C/PeriodenzahlSpur_X” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann nachfolgend durchgeführt werden.
  • Zum Verbessern des ausgewählten Nonius mithilfe der ausgewählten Codespur kann eine Berechnung in mehreren Schritten oder in einem Schritt ohne Verwendung weiterer Variablen durchgeführt werden. Nachfolgend kann eine Rundung erfolgen. Das Runden kann mit den Anweisungen „Nonius_X_t = Nonius_X – Sensorsignal_X/P_NX”, „Nonius_X_r = Runden(Nonius_x_t·P_NX)/P_NX” und „Nonius_X_g = Nonius_X_r + Sensorsignal_X/P_NX” durchgeführt werden. Das Verbessern des dritten Nonius mithilfe des verbesserten ausgewählten Nonius kann mit den Anweisungen „Nonius_ABBC_t = Nonius_ABBC – Nonius_X_g/P_X”, „Nonius_ABBC_r = Runden(Nonius_ABBC_t·P_X)/P_X” und „Winkel = Nonius_ABBC_r + Nonius_X_g/P_X” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann nachfolgend durchgeführt werden.
  • Ein Wertebereich kann auf einen Bereich zwischen 0 und 1 zurückgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann auch als „Wraparound” bezeichnet werden. Dieser Verfahrensschritt kann mit den Anweisungen „Solange Winkel >= 1, Winkel = Winkel – 1” und „Solange Winkel < 0, Winkel = Winkel + 1” durchgeführt werden. Dieser Verfahrensschritt kann nachfolgend durchgeführt werden.
  • Das Verfahren kann mithilfe eines elektronischen Bausteins durchführbar sein, der in einem Gehäuse vergossene integrierte Schaltungen und Anschlüsse aufweist.
  • In dem elektronischen Baustein können die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Funktionen und/oder Verfahrensschritte implementiert sein. Der Baustein kann ein Encoder-Baustein sein. Der Baustein kann einen simultan abtastenden 3-Kanal Sinus-Digital-Wandler aufweisen. Der Sinus-Digital-Wandler kann Sinus/Cosinus-Sensor-Signale über einen hochgenauen SAR-Wandler interpolieren. Dabei kann eine Auflösung von bis zu 13 bit wählbar sein. Der Baustein kann Signaleingänge aufweisen. Jeder Eingang kann über eine separate Sample & Hold-Stufe verfügen, die das Spursignal für die anschließende sequentielle Digitalisierung festhält. Zur Berechnung hochaufgelöster Winkelpositionen können verschiedene 2- und 3-Spur-Nonius-Berechnungen konfigurierbar sein. Es können Winkelauflösungen bis 25 bit ermöglicht sein.
  • Der Baustein kann Signalausgänge aufweisen. Eine Ausgabe einer absoluten Winkelposition kann über eine serielle Schnittstelle erfolgen. Eine Ausgabe kann mit Taktraten von bis zu 4 Mbit/s erfolgen. Der Baustein kann einen integrierten Transceiver aufweisen. Der Transceiver kann einen differentiellen Takteingang sowie einen differentiellen Leitungstreiber zur Datenausgabe aufweisen.
  • Der Baustein kann einen programmierbaren Instrumentenverstärker aufweisen. Eine Verstärkung, eine Offsetkorrektur und/oder eine Phasenkorrektur können für jeden Kanal separat einstellbar sein. Damit können differentielle oder referenzbezogene Eingangssignale ermöglicht sein. Die Eingänge können hochohmig, beispielsweise für Spannungssignale von magnetischen Widerstandsmessbrücken, oder niederohmig konfigurierbar sein, beispielsweise zur Anpassung an Fotosensoren, die Stromsignale liefern. Dadurch kann ein Direktanschluss verschiedener optischer und magnetischer Sensoren ermöglicht sein.
  • Zur Signalstabilisierung kann aus konditionierten Eingangssignalen pro Kanal ein Regelungssignal gewinnbar sein. Das Regelungssignal kann einen Sensor-Versorgungsregler zur Ansteuerung von integrierten Stromquellen verwenden. Der Baustein kann ACOx Quellenausgänge aufweisen, die Sende-LEDs eines optischen Encoders oder magnetoresitiven Messbrücken eines magnetischen Encoders versorgen können. Der Baustein kann einen Versorgungsregler aufweisen. Bei Erreichen von Aussteuerungsgrenzen kann eine Alarmmeldung freigebbar sein.
  • Der Baustein kann eine Überwachung von Signalfehlern ermöglichen. Eine Alarmanzeige kann konfigurierbar sein. Dadurch können typische Sensorfehler wie Signalverlust durch Drahtbruch, Kurzschluss, Verschmutzung oder Alterung für Alarmmeldungen verfügbar sein.
  • Der Baustein kann über weitere digitale Encoderfunktionen verfügen, beispielsweise zur Korrektur von Phasenfehlern zwischen den Codespuren oder zur Nullung bzw. Vorgabe eines bestimmten Positionsoffsets für eine Datenausgabe. Über einen zusätzlich integrierten SSI-Master können Positionsdaten von Multiturn-Sensoren, die beispielsweise ein zweiter Baustein liefert, eingelesen und aufsynchronisiert werden.
  • Der Baustein kann gegen eine verpolte Versorgungsspannung geschützt sein. Dieser Schutz kann auf das System erweitert sein. Der Baustein kann einen integrierten Spannungsschalter aufweisen. Der Baustein kann über ein externes EEPROM konfigurierbar sein.
  • Mit der Erfindung ist ein vergrößerter Abstand zwischen nebeneinander liegenden Codespuren ermöglicht. Damit können den Codespuren zugeordnete Sensoren einen vergrößerten Abstand aufweisen. Ein möglicher Anwendungsbereich ist erweitert. Eine konstruktive Ausführung ist besser ermöglicht oder vereinfacht. Ein Übersprechen nebeneinander liegender Codespuren ist verhindert. Eine Verwendung baugleicher Sensoren ist ermöglicht.
  • Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Signalauswertung für Winkelsensoren.
  • In einem Auswertungsverfahren kann ein weiterer Noniusberechnungsschritt eingeführt werden. Hiermit kann ermöglicht werden, dass Differenzen von Periodenanzahlen zweier benachbarter Spuren größer als eins sein können und sich nur um eins unterscheiden müssen.
  • Mit A, B und C können die Periodenzahlen dreier Spuren bezeichnet werden. Folgende Bedingungen für A, B und C sollen erfüllt sein. Dies kann teilweise auch durch Umsortieren der Spuren ermöglicht werden.
    • 1) A < B < C
    • 2) (B – A) – (C – B) muss 1 oder –1 sein
    • 3) (B – A) oder (C – B) ist Teiler von A, B oder C
  • Für eine Auswertung können auf einen Bereich von 0 ... 1 normierte Messwerte der Spuren sein:
    Sensorsignal_A = normieren(atan2(Sinussignal_Spur_A, Cosinussignal_Spur_A))
    Sensorsignal_B = normieren(atan2(Sinussignal_Spur_B, Cosinussignal_Spur_B))
    Sensorsignal_C = normieren(atan2(Sinussignal_Spur_C, Cosinussignal_Spur_C))
  • Nun kann ein Nonius zwischen Spur A und Spur B gebildet werden:
    Nonius_AB = Sensorsignal_B – Sensorsignal_A
  • Ebenso kann ein Nonius zwischen Spur B und Spur C gebildet werden:
    Nonius_BC = Sensorsignal_C – Sensorsignal_B
  • Aus diesen beiden kann ein weiterer Nonius berechnet werden, der bereits einem gesuchten Winkelwert entsprechen kann, allerdings noch erheblich mit Rauschen belastet sein kann. Dabei kann eine Fallunterscheidung erfolgen, abhängig davon, ob eine Periodendifferenz zwischen den Spuren A und B größer oder kleiner als eine Periodendifferenz zwischen den Spuren B und C ist. Diese Fallunterscheidung kann statisch sein und nur von den Periodenzahlen der Spuren abhängen, die sich im Betrieb des Sensors nicht ändern:
    Wenn (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) > (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B)
    Dann Nonius_ABBC = Nonius_AB – Nonius_BC
    Sonst Nonius_ABBC = Nonius_BC – Nonius_AB
  • Eine weitere (statische, also nur von den Periodenzahlen der Spuren abhängige) Fallunterscheidung kann nun festlegen, welche Spur und welcher Nonius (AB oder BC) zum „Stützen” des Nonius_ABBC verwendet wird. Dabei kann der Nonius ausgewählt werden, dessen Periodenzahlendifferenz ein ganzer Teiler einer der drei Spuren ist und die Spur als Feinspur, welche sich durch die gewählte Periodendifferenz der Spuren des Nonius teilen lässt.
  • Bei der Fallunterscheidung können auch ein paar weitere Werte festgelegt werden, die für eine spätere Berechnung erforderlich sein können. Eine Überprüfung „IstTeilerVon” kann beispielsweise mittels Vergleich eines Divisionsrests mit Null durchgeführt werden.
  • Sind mehrere Varianten möglich, so sollte die verwendet werden, bei der die Differenz der Periodenzahlen der beiden Spuren für die Noniusberechnung und die Periodenzahl der gewählten Feinspur geteilt durch die Periodendifferenz der Noniusspuren möglichst gleich wird.

    Wenn
    (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_A
    Dann
    Sensorsignal_X = Sensorsignal_A
    Nonius_X = Nonius_AB
    P_X = PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A
    P_NX = PeriodenzahlSpur_A/PeriodenzahlSpur_X


    Wenn
    (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_A
    Dann
    Sensorsignal_X = Sensorsignal_A
    Nonius_X = Nonius_AB
    P_X = PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B
    P_NX = PeriodenzahlSpur_A/PeriodenzahlSpur_X

    Wenn
    (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_B
    Dann
    Sensorsignal_X = Sensorsignal_B
    Nonius_X = Nonius_AB
    P_X = PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A
    P_NX = PeriodenzahlSpur_B/PeriodenzahlSpur_X

    Wenn
    (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_B
    Dann
    Sensorsignal_X = Sensorsignal_B
    Nonius_X = Nonius_AB
    P_X = PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B
    P_NX = PeriodenzahlSpur_B/PeriodenzahlSpur_X

    Wenn
    (PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_C
    Dann
    Sensorsignal_X = Sensorsignal_C
    Nonius_X = Nonius_AB
    P_X = PeriodenzahlSpur_B – PeriodenzahlSpur_A
    P_NX = PeriodenzahlSpur_C/PeriodenzahlSpur_X

    Wenn
    (PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B) IstTeilerVon PeriodenzahlSpur_C
    Dann
    Sensorsignal_X = Sensorsignal_C
    Nonius_X = Nonius_AB
    P_X = PeriodenzahlSpur_C – PeriodenzahlSpur_B
    P_NX = PeriodenzahlSpur_C/PeriodenzahlSpur_X
  • Nun kann der gewählte Nonius (Nonius_X genannt) mit der gewählten Spur (Sensorsignal_X genannt) „gestützt” werden. Die hier in mehrere Schritte aufgeteilte Berechnung kann auch in einem Schritt ohne Verwendung weiterer Variablen durchgeführt werden. Die angegebene Runden-Funktion kann mathematisch, also bis kleiner 0,5 ab- und ab 0,5 aufrunden.
    Nonius_X_t = Nonius_X – Sensorsignal_X/P_NX
    Nonius_X_r = Runden(Nonius_x_t·P_NX)/P_NX
    Nonius_X_g = Nonius_X_r + Sensorsignal_X/P_NX
  • Abschließend kann noch der Nonius_ABBC mit dem durch die Feinspur X „gestützten” Nonius_X „gestützt” werden.
    Nonius_ABBC_t = Nonius_ABBC – Nonius_X_g/P_X
    Nonius_ABBC_r = Runden(Nonius_ABBC_t·P_X)/P_X
    Winkel = Nonius_ABBC_r + Nonius_X_g/P_X
  • Für eine bessere Verwertbarkeit der Ergebnisse kann noch ein Wraparound durchgeführt werden, indem der Wertebereich wieder auf den Bereich zwischen 0 und 1 zurückgeführt wird. Hierfür sind auch andere als die angegebene Methode möglich, beispielsweise eine Division durch 1 mit gebrochenem Rest.
    Solange Winkel >= 1, Winkel = Winkel – 1
    Solange Winkel < 0, Winkel = Winkel + 1
  • Mit „kann” sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
  • Es zeigen schematisch und beispielhaft:
  • 1 ein Diagramm mit Signalverläufen dreier Codespuren,
  • 2 ein Diagramm mit Verläufen dreier Nonien und
  • 3 ein Diagramm mit Verläufen von Einzelkomponenten eines Ergebnisses.
  • 1 zeigt ein Diagramm 100 mit Signalverläufen 102, 104, 106 dreier Codespuren. Die Codespuren sind auf einem ring- oder scheibenförmigen Drehgeber angeordnet. Die Codespuren sind zueinander konzentrisch angeordnet. Die Codespuren tragen jeweils einen sinusförmigen Code. Eine erste Codespur weist eine Periodenzahl A auf. Ein Signalverlauf der ersten Codespur ist mit 102 bezeichnet. Eine zweite Codespur weist eine Periodenzahl B auf. Ein Signalverlauf der zweiten Codespur ist mit 104 bezeichnet. Eine dritte Codespur weist eine Periodenzahl C auf. Ein Signalverlauf der dritten Codespur ist mit 106 bezeichnet. Für die Periodenzahlen A, B, C der drei Codespuren gelten die Bedingungen „A < B < C”, „(B – A) – (C – B) muss 1 oder –1 sein” und „(B – A) oder (C – B) ist Teiler von A, B oder C”. Eine Signalaufnahme erfolgt mithilfe einer Sensoreinrichtung, die eine erste Sensorreihe mit drei den Codespuren zugeordneten Sensoren und eine zweite Sensorreihe mit drei den Codespuren zugeordneten Sensoren aufweist. Die Signalverläufe 102, 104, 106 dienen zum Erfassen eines Drehwinkels. Auf der x-Achse ist ein Verlauf über einen Winkel von 360° aufgetragen. Auf der y-Achse sind die Amplituden der Signalverläufe 102, 104, 106 aufgetragen. In dem Diagramm sind die x- und y-Skalen der Signalverläufe 102, 104, 106 normiert dargestellt.
  • 2 zeigt ein Diagramm 200 mit einem Verlauf 202 eines ersten Nonius, einem Verlauf 204 eines zweiten Nonius und einem Verlauf 206 eines dritten Nonius. Der erste Nonius wird zwischen Messwerten der ersten Codespur und Messwerten der zweiten Codespur gebildet. Der zweite Nonius wird zwischen Messwerten der zweiten Codespur und Messwerten der dritten Codespur gebildet. Der dritte Nonius wird zwischen dem ersten Nonius und dem zweiten Nonius gebildet. Auf der x-Achse ist ein Verlauf über einen Winkel von 360° aufgetragen. Auf der y-Achse sind die Amplituden der Verläufe 202, 204, 206 aufgetragen. In dem Diagramm sind die x- und y-Skalen der Verläufe 202, 204, 206 normiert dargestellt. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • 3 zeigt ein Diagramm 300 mit Verläufen 302, 304, 306 von Einzelkomponenten und einem Verlauf 308 eines Ergebnisses. Mit 302 ist der Signalverlauf einer ausgewählten Codespur bezeichnet, die zum Stützen eines ausgewählten Nonius herangezogen wird. Diese Codespur ist eine Feinspur. Mit 304 ist der Verlauf des ausgewählten Nonius abzüglich des Signalverlaufs 302 der ausgewählten Codespur bezeichnet. Mit 306 ist der Verlauf des dritten Nonius abzüglich des mithilfe der ausgewählten Codespur gestützten ausgewählten Nonius bezeichnet. Mit 308 ist der gestützte dritte Nonius bezeichnet. Auf der x-Achse ist ein Verlauf über einen Winkel von 360° aufgetragen. Auf der y-Achse sind die Amplituden der Verläufe 302, 304, 306, 308 aufgetragen. In dem Diagramm sind die x- und y-Skalen der Verläufe 302, 304, 306, 308 normiert dargestellt. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und 2 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Diagramm
    102
    Signalverlauf einer ersten Codespur
    104
    Signalverlauf einer zweiten Codespur
    106
    Signalverlauf einer dritten Codespur
    200
    Diagramm
    202
    Verlauf eines ersten Nonius
    204
    Verlauf eines zweiten Nonius
    206
    Verlauf eines dritten Nonius
    300
    Diagramm
    302
    Signalverlauf
    304
    Verlauf
    306
    Verlauf
    308
    Verlauf

Claims (8)

  1. Verfahren zur Drehwinkelerfassung nach dem Noniusprinzip mithilfe einer Sensoreinrichtung und eines Drehgebers aufweisend konzentrisch eine erste Codespur mit einer Periodenzahl A, eine zweite Codespur mit einer Periodenzahl B und eine dritte Codespur mit einer Periodenzahl C, wobei für die Periodenzahlen A, B, C der Codespuren die Bedingungen 1) A < B < C 2) (B – A) – (C – B) muss 1 oder –1 sein 3) (B – A) oder (C – B) ist Teiler von A, B oder C gelten, wobei ein erster Nonius (202), ein zweiter Nonius (204) und ein dritter Nonius (206) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Nonius (206) mithilfe eines ausgewählten Nonius (202, 204) und einer ausgewählten Codespur verbessert wird, wobei zunächst der ausgewählte Nonius (202, 204) mithilfe der ausgewählten Codespur verbessert und nachfolgend der dritte Nonius (206) mithilfe des verbesserten ausgewählten Nonius (202, 204) verbessert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte der Sensoreinrichtung auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 normiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Nonius (202) zwischen Messwerten der ersten Codespur und Messwerten der zweiten Codespur gebildet wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2–3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Nonius (204) zwischen Messwerten der zweiten Codespur und Messwerten der dritten Codespur gebildet wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3–4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Nonius (206) aus dem ersten Nonius (202) und dem zweiten Nonius (204) gebildet wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Nonius (206) als Differenz zwischen dem ersten Nonius (202) und dem zweiten Nonius (204) oder zwischen dem zweiten Nonius (204) und dem ersten Nonius (202) gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbessern des dritten Nonius (206) der Nonius (202, 204) ausgewählt wird, dessen Periodenzahldifferenz ein ganzzahliger Teiler einer der Codespuren ist.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6–7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbessern des dritten Nonius (206) die Codespur ausgewählt wird, die durch die Periodenzahldifferenz der Codespuren des ausgewählten Nonius ganzzahlig teilbar ist.
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