DE102017115916A1 - Method for determining path signals of a magnetic measuring system - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Wegsignalen eines Magnetmesssystems mit mehreren Magnetsensoren mit einem Sensorelement und einem gegenüber diesem relativ verlagerbar angeordneten Magneten, wobei erste Rohsignale des Magnetmesssystems in Form einer Sinus- und einer Cosinusfunktion entlang einer Verlagerung zwischen Sensorelementen und Magneten ermittelt werden. Um Nichtlinearitäten entlang der Verlagerung zu eliminieren oder zumindest zu verringern, werden Oberwellen dritter Ordnung aus zweiten, aus den ersten Rohsignalen mittels einer Fourieranalyse gebildeten Rohsignalen eliminiert, wird eine Arkustangensfunktion mit den zweiten Rohsignalen durchgeführt und werden aus nach der Anwendung der Arkustangensfunktion gebildeten dritten Rohsignalen (7) die Oberwellen der vierten Ordnung eliminiert.

The invention relates to a method for determining path signals of a magnetic measuring system with a plurality of magnetic sensors with a sensor element and a relative to this relatively displaceably arranged magnet, wherein first raw signals of the magnetic measuring system in the form of a sine and a cosine function along a displacement between sensor elements and magnets are determined. In order to eliminate or at least reduce nonlinearities along the displacement, third harmonic waves are eliminated from second raw signals formed from the first raw signals by Fourier analysis, an arctangent function is performed on the second raw signals and are extracted from third raw signals formed after application of the arctangent function ( 7) eliminates the 4th order harmonics.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Wegsignalen eines Magnetmesssystems mit mehreren Magnetsensoren mit einem Sensorelement und einem gegenüber diesem relativ verlagerbar angeordneten Magneten, wobei erste Rohsignale des Magnetmesssystems in Form einer Sinus- und einer Cosinusfunktion entlang einer Verlagerung zwischen Sensorelementen und Magneten ermittelt werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for determining path signals of a magnetic measuring system with a plurality of magnetic sensors with a sensor element and a relative to this relatively displaceably arranged magnet, said first raw signals of the magnetic measuring system in the form of a sine and a cosine function along a displacement between sensor elements and magnets are determined according to the preamble of claim 1.

Magnetmesssysteme zum Erfassen von Wegsignalen, beispielsweise transversalen Wegsignalen oder Drehwinkelsignalen, sind bekannt. Hierbei sind bevorzugt mehrere, über den Umfang verteilt entlang einer Längsachse oder um eine Drehachse angeordnete Magnetsensoren vorgesehen, die aus einem Sensorelement und einem gegenüberliegenden Magneten ausgebildet sind. Sensorelement und Magnet sind gegeneinander relativ verlagerbar wie verdrehbar angeordnet, so dass der Magnet bei einer Verdrehung gegenüber dem Sensorelement ein von der Verlagerung abhängiges wie beispielsweise drehwinkelabängiges Signal in das Sensorelement induziert. Die Wegsignale, wie beispielsweise Drehwinkelsignale mehrerer Magnetsensoren, ergeben dabei über den gesamten Verlagerungsbereich, wie beispielsweise Linearwegbereich oder Rotationsbereich, ein sinus- beziehungsweise cosinusförmiges Signal über den Weg oder den Drehwinkel, das zum Ermitteln von Verlagerungskennwerten, wie Linearbewegungskennwerten oder Drehkennwerten, wie beispielsweise Relativwegen, des Drehwinkels, der Lineargeschwindigkeit, der Winkelgeschwindigkeit, der Drehzahl, der Längsbeschleunigung, der Winkelbeschleunigung oder dergleichen, dienen kann. Insbesondere kann das Ermitteln dieser Wegsignale oder Drehwinkelsignale zum Steuern und/oder Überwachen von Elektromotoren, beispielsweise elektronisch kommutierten Elektromotoren, dienen. Darüber hinaus kann bei nachgeschaltetem Getriebe mit bekannter Übersetzung das Ermitteln von Drehwinkelsignalen auch das Ermitteln nachfolgender kinematischer Vorgänge abhängig von der Art des Getriebes erfolgen. Beispielsweise kann aus der Drehzahl des Magnetmesssystems die Längenänderung, wie Vorschub einer Einrichtung, beispielsweise einer Betätigungseinrichtung für eine Reibungskupplung, ermittelt werden, wenn zwischen Elektromotor und einem linear verlagerten Element ein Getriebe vorgesehen ist, welches die Rotationsbewegung des Rotors in eine Längenänderung wandelt.Magnetic measuring systems for detecting path signals, for example transverse path signals or rotational angle signals, are known. In this case, a plurality of magnetic sensors, which are distributed over the circumference along a longitudinal axis or arranged about an axis of rotation, are preferably provided which are formed from a sensor element and an opposite magnet. Sensor element and magnet are mutually relatively displaceable arranged as rotatable, so that the magnet induced in a rotation relative to the sensor element dependent on the displacement, such as drehwinkelabängiges signal in the sensor element. The path signals, such as, for example, rotational angle signals of a plurality of magnetic sensors, result in a sinusoidal or cosinusoidal signal over the entire displacement range, such as linear path range or rotational range, for determining displacement characteristics, such as linear motion characteristics or rotational characteristics, such as relative paths. the rotational angle, the linear velocity, the angular velocity, the rotational speed, the longitudinal acceleration, the angular acceleration or the like can serve. In particular, the determination of these travel signals or rotational angle signals can serve for controlling and / or monitoring electric motors, for example electronically commutated electric motors. In addition, in the case of a downstream transmission with a known ratio, the determination of rotational angle signals can also be carried out to determine the following kinematic processes depending on the type of transmission. For example, from the rotational speed of the magnetic measuring system, the change in length, such as feeding a device, such as an actuator for a friction clutch, be determined when a gear is provided between the electric motor and a linearly displaced element, which converts the rotational movement of the rotor in a change in length.

Aus der US 2006/0 077 083 A1 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.From the US 2006/0 077 083 A1 a method according to the preamble of claim 1 is known.

Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die DE 32 39 108 A1 verwiesen.With regard to further prior art is on the DE 32 39 108 A1 directed.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln von Verlagerungssignalen, wie Linearwegsignalen oder Drehwinkelsignalen, mittels eines Magnetmesssystems zu schaffen.The object of the invention is therefore to provide an improved method for determining displacement signals, such as linear path signals or rotational angle signals, by means of a magnetic measuring system.

Genauer gesagt sollen Nichtlinearitäten der Verlagerungssignale, wie Linearwegsignale oder Drehwinkelsignale, eines Magnetmesssystems eliminiert beziehungsweise zumindest verringert werden.More specifically, non-linearities of the displacement signals, such as linear path signals or rotation angle signals, of a magnetic measurement system should be eliminated or at least reduced.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved with the measures specified in claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Genauer gesagt werden Weg- oder Drehwinkelsignale eines um eine Drehachse verdrehbar oder entlang eines Linearwegs verlagerbar angeordneten Magnetmesssystems mit mehreren um die Drehachse oder entlang des Linearwegs angeordneten Magnetsensoren mit einem Sensorelement und einem gegenüber diesem relativ um die Drehachse verdrehbar oder linear verlagerbar angeordneten Magneten ermittelt. Das Ermitteln der Linearwegsignale oder der Drehwinkelsignale kann dem Steuern und/oder Überwachen eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Elektromotors oder Linearantrieben oder dergleichen, dienen. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise das Ermitteln der Drehwinkelsignale einem Erfassen von Positionskennwerten einer nachgeschalteten, beispielsweise von dem Elektromotor angetriebenen, Einrichtung dienen. Abhängig von der Art und Funktion eines zwischen der Einrichtung und dem Elektromotor angetriebenen Getriebes kann das Erfassen der Drehzahlsignale des Magnetmesssystems einen linearen Vorschub bei Einsatz eines Getriebes zum Wandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung ermitteln. Beispielsweise kann eine derartige Einrichtung Bestandteil einer elektrischen oder elektrohydrostatischen Betätigungsvorrichtung für eine Reibungskupplung sein. Bei einem elektrischen Betätigungssystem verlagert der Elektromotor mittels eines die Rotationsbewegung des Rotors des mit dem Magnetmesssystem ausgestatteten Elektromotors in eine Linearbewegung wandelnden Getriebes direkt ein Betätigungsglied. Bei einem elektrohydrostatischen Betätigungssystem ist zwischen das Getriebe und das Betätigungsglied eine hydrostatische Strecke mit einem von dem Getriebe linear angeriebenen Geberzylinderkolben eines Geberzylinders und einem das Betätigungsglied antreibenden Nehmerzylinder zwischengeschaltet. Es versteht sich, dass mit dieser Einrichtung auch andere Gegenstände linear verlagert oder betätigt werden können, beispielsweise Bremsen, Schiebedächer oder dergleichen.More precisely, displacement or rotation angle signals of a magnetic measuring system rotatable about an axis of rotation or displaceable along a linear path are determined with a plurality of magnetic sensors arranged around the axis of rotation or along the linear path with a sensor element and a magnet arranged rotatable or linearly displaceable relative thereto. Determining the linear travel signals or the rotational angle signals can serve to control and / or monitor an electric motor, in particular an electronically commutated electric motor or linear drives or the like. Alternatively or additionally, for example, the determination of the rotational angle signals can be used to detect positional characteristics of a device connected downstream, for example driven by the electric motor. Depending on the type and function of a transmission driven between the device and the electric motor, the detection of the rotational speed signals of the magnetic measuring system can determine a linear feed when using a gear for converting a rotational movement into a translatory movement. For example, such a device may be part of an electrical or electrohydrostatic actuator for a friction clutch. In an electrical actuation system, the electric motor directly displaces an actuator by means of a rotational movement of the rotor of the electric motor equipped with the magnetic measuring system into a linear motion converting gear. at an electro-static actuation system between the transmission and the actuator, a hydrostatic path with a linearly rubbed by the transmission master cylinder piston of a master cylinder and an actuator driving the slave cylinder interposed. It is understood that with this device, other objects can be moved or operated linearly, such as brakes, sunroofs or the like.

Daten des Magnetmesssystems der einzelnen Magnetsensoren des Magnetmesssystems werden erfasst und aus diesen werden erste Rohsignale in Form einer Sinus- und einer Cosinusfunktion über den Linearweg oder den Drehwinkel ermittelt. Zum Verringern von Nichtlinearitäten des Magnetmesssystems werden dritte Harmonische bzw. Oberwellen zweiter Ordnung, d.h. Signalanteile, die ein Dreifaches der Grundfrequenz von zweiten Rohsignalen aufweisen, aus den zweiten Rohsignalen eliminiert, die mittels einer Fourieranalyse aus den ersten Rohsignalen gebildet werden. Die bedeutet, dass aus den ersten Rohsignalen in Sinus- und Cosinusform eine Fourieranalyse durchgeführt wird. Es hat sich dabei gezeigt, dass Nichtlinearitäten der aus den ersten Rohsignalen mittels der Fourieranalyse überführten zweiten Rohsignale auf die dritten Harmonischen zurückgehen. Es wird dabei vor der weiteren Datenverarbeitung ein Eliminieren der Störfrequenzen des Dreifachen der Grundfrequenz der zweiten Rohsignale durchgeführt, indem die entsprechenden Signalanteile beispielsweise zu Null gesetzt, mittels eines Band- oder Tiefpassfilters herausgefiltert und/oder kompensiert werden. Beispielsweise können die Nichtlinearitäten in den zweiten Rohsignalen Signal_sin, Signal_cos mittels der Gleichungen (1), (2) $$Signa{l}_{sin}=B_0\left[\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)+a\cdot \text{sin}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

$$Signa{l}_{cos}=B_0\left[\text{cos}\left({\omega }_{0}t\right)-a\cdot \text{cos}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

mit der Amplitude Bo, dem Nichtlinearitätsbeiwert a, der Drehfrequenz ω₀ und der Zeit t eliminiert werden, indem der Nichtlinearitätsbeiwert a zu Null gesetzt oder minimiert wird.Data of the magnetic measuring system of the individual magnetic sensors of the magnetic measuring system are detected and from these first raw signals in the form of a sine and a cosine function are determined via the linear path or the rotation angle. In order to reduce nonlinearities of the magnetic measurement system, third harmonic waves, ie, signal components which are three times the fundamental frequency of second raw signals, are eliminated from the second raw signals which are formed from the first raw signals by Fourier analysis. This means that a Fourier analysis is performed from the first raw sine and cosine signals. It has been found that nonlinearities of the second raw signals transferred from the first raw signals by means of the Fourier analysis are due to the third harmonic. In this case, before the further data processing, an elimination of the interference frequencies of three times the fundamental frequency of the second raw signals is carried out, for example by setting the corresponding signal components to zero, filtering them out by means of a bandpass filter or lowpass filter and / or compensating them. For example, the non-linearities in the second raw signals signal _sin , signal _cos by means of equations (1), (2) $$SiGna{l}_{sin}=B_0\left[\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)+a\cdot \text{sin}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

$$SiGna{l}_{cOs}=B_0\left[\text{cos}\left({\omega }_{0}t\right)-a\cdot \text{cos}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

with the amplitude Bo, the nonlinearity coefficient a, the rotational frequency ω ₀ and the time t are eliminated by setting the non-linearity coefficient a to zero or minimized.

An diesen Eliminierungsschritt schließt sich in vorteilhafter Weise das Behandeln der zweiten Rohsignale mittels einer Arkustangensfunktion (atan2-Funktion) an. Das Durchführen der atan2-Funktion liefert dritte Rohsignale. Es hat sich hierbei gezeigt, dass die Nichtlinearitäten dieser dritten Rohsignale von starken Nichtlinearitäten vierter Harmonischer, d.h. von Signalanteilen, die ein Vierfaches der Grundfrequenz der dritten Rohsignale aufweisen, geprägt sind. Zum weiteren Reduzieren von Nichtlinearitäten werden daher nach dem Anwendung der Arkustangensfunktion die vierten Harmonischen in den dritten Rohsignalen eliminiert beziehungsweise zumindest verringert. Das Eliminieren kann durch Löschen, Kompensieren und/oder Filtern mittels eines Band- oder Tiefpassfilters erfolgen.This elimination step is followed advantageously by the treatment of the second raw signals by means of an arctangent function (atan2 function). Performing the atan2 function provides third raw signals. It has been found that the non-linearities of these third raw signals are dependent on strong nonlinearities of fourth harmonics, i. of signal components which are four times the fundamental frequency of the third raw signals. To further reduce non-linearities, therefore, after the application of the arctangent function, the fourth harmonics in the third raw signals are eliminated or at least reduced. The elimination can be done by erasing, compensating and / or filtering by means of a bandpass or lowpass filter.

Beispielsweise kann für ein um eine Drehachse angeordnetes Magnetmesssystem eine von einem Verdrehwinkel φ zwischen Sensorelementen und Magneten abhängige Amplitude BNL(φ) der Nichtlinearitäten der dritten Rohsignale nach der Gleichung (3) und deren nachfolgend aufgeführten Zusammenhängen $$\begin{array}{c}{B}_{NL}\left(\phi \right)=B_{af}\left(a,b,c,d,z\right)\cdot \text{sin}\left(\frac{4{\omega }_0\phi }{180}\right)\\ \text{mit Ba}=f_1\left(a,b,c\right)\cdot f_2\left(c,d\right)\cdot f_3\left(a,b,c,z\right)\\ f_2=k_1\cdot \frac{c}{d}\\ f_3=\frac{Br}{\pi }\left[\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)-\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)\right]\\ a=R_a-R_i\\ b=\frac{R_a+R_i}{2*n}\end{array}$$

mit dem Innenradius R_i eines Sensorelements, dem Außenradius R_a eines Magneten, der Anzahl n der Magnetsensoren, der Dicke c der Magneten, der Remanenz B_r des die Magneten aufnehmenden Werkstoffs, dem Abstand z der Sensorelemente zu den Magneten, einer geometrischen Konstante k₁ einer die Magnete aufnehmenden Tasche, der Tiefe d der Tasche, der geometrischen Funktion f₁ der Nichtlinearität, der geometrischen Funktion f₂ der Nichtlinearität der Taschentiefe und der Fehlerkonstante B_af eliminiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die frequenzabhängige Fehlerkonstante B_af in Gleichung (3) durch den Term B_a ersetzt werden kann. For example, for a magnetic measuring system arranged around an axis of rotation, an amplitude BNL (φ) of the nonlinearities of the third raw signals dependent on an angle of rotation φ between sensor elements and magnets can be determined according to equation (3) and its relationships below $$\begin{array}{c}{B}_{NL}\left(\phi \right)=B_{af}\left(a.b.c.d.z\right)\cdot \text{sin}\left(\frac{4{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\omega "\; filenames="DE102017115916A1\_0007.png,DE102017115916A1\_0008.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_0\phi }{180}\right)\\ \text{with Ba}=f_1\left(a.b.c\right)\cdot f_2\left(c.d\right)\cdot f_3\left(a.b.c.z\right)\\ {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="f"\; filenames="DE102017115916A1\_0007.png,DE102017115916A1\_0008.png"\; state="\{\{state\}\}">f</figure-callout>}}_2={\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="k"\; filenames="DE102017115916A1\_0007.png,DE102017115916A1\_0008.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}_1\cdot \frac{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="c\; d\; f"\; filenames="DE102017115916A1\_0007.png,DE102017115916A1\_0008.png"\; state="\{\{state\}\}">c\; </figure-callout>}}{d}& \\ f_{}{}_3=\frac{Br}{\pi }\left[\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)-\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="b"\; filenames="DE102017115916A1\_0007.png,DE102017115916A1\_0008.png"\; state="\{\{state\}\}">b</figure-callout>}}^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)\right]\\ a=R_a-R_i\\ b=\frac{R_a+R_i}{2*n}\end{array}$$

with the inner radius R _{i of} a sensor element, the outer radius R _{a of} a magnet, the number n of the magnetic sensors, the thickness c of the magnets, the remanence B _r of the material receiving the magnet, the distance z of the sensor elements to the magnets, a geometric constant k ₁ of the magnets pocket, the depth d of the pocket, the geometric function f _{1 of} the nonlinearity, the geometric function f ₂ of the pocket depth nonlinearity and the error constant B _{af are} eliminated. It should be noted that the frequency-dependent error constant B _af in equation (3) can be replaced by the term B _a .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können Nichtlinearitäten der Drehzahlsignale vermindert werden, indem der Abstand zwischen den Magneten und den Sensorelementen vergrößert wird. Dies kann anhand der Gleichung (3) gezeigt werden. Steigt durch die vergrößerten Abstände des Außenradius R_a und des Innenradius R_i der Messabstand z, wird der Wert der Funktion f₃ kleiner, wodurch die Amplitude B_NL(Φ) der Nichtlinearitäten abnimmt. Es wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Rohsignale mittels eines vorgegebenen Abstands der Magnete eines oder der Magnetsensoren auf einen maximalen Winkelfehler eingestellt werden. Der vorgegebene Abstand hängt dabei unter anderem von der Bauform der Einrichtung mit dem Magnetmesssystem ab. Insoweit ist eine Vorrichtung mit dem Magnetmesssystem mit einem auf Nichtlinearitäten optimierten Abstand der Sensorelemente gegenüber den Magneten von der Erfindung umfasst. Es hat sich beispielsweise als vorteilhaft erwiesen, zum Erzielen von Nichtlinearitäten kleiner als einem Winkel kleiner gleich zwei, den Abstand zwischen den Sensorelementen und den Magneten größer gleich 3 mm vorzusehen.According to an advantageous embodiment, non-linearities of the rotational speed signals can be reduced by increasing the distance between the magnets and the sensor elements. This can be shown by equation (3). If the measuring distance z increases as a result of the increased distances between the outer radius R _a and the inner radius R _i , the value of the function f ₃ becomes smaller, as a result of which the amplitude B _{NL (Φ) of} the nonlinearities decreases. Therefore, a method is proposed in which the raw signals are set to a maximum angle error by means of a predetermined distance of the magnets of one or more of the magnetic sensors. The predetermined distance depends inter alia on the design of the device with the magnetic measuring system. In that regard, a device with the magnetic measuring system with a non-linearity optimized distance of the sensor elements relative to the magnets of the invention is included. For example, it has proven to be advantageous, in order to achieve nonlinearities smaller than an angle smaller than or equal to two, to provide the distance between the sensor elements and the magnets greater than or equal to 3 mm.

Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 4 dargestellten Diagramme näher erläutert. Dabei zeigen:

• 1 ein Diagramm nicht linearer Rohsignale eines um eine Drehachse angeordneten Magnetmesssystems,
• 2 ein Diagramm der Winkelfehler nach einer atan2-Behandlung der Rohsignale des Diagramms der 1 über den Drehwinkel,
• 3 die Winkelfehler der 2 in einem Phasendiagramm und
• 4 ein Diagramm des Winkelfehlers über den Abstand der Sensorelemente gegenüber den Magneten eines Magnetmesssystems.

The invention is based on the in the 1 to 4 illustrated diagrams explained in more detail. Showing:

• 1 a diagram of non-linear raw signals of a magnetic measuring system arranged around a rotation axis,
• 2 a diagram of the angle errors after an atan2-treatment of the graph's raw signals 1 over the angle of rotation,
• 3 the angular errors of the 2 in a phase diagram and
• 4 a diagram of the angular error over the distance of the sensor elements with respect to the magnets of a magnetic measuring system.

Die 1 zeigt das Diagramm 1 mit den Amplituden in Form von erste Rohsignale repräsentierende Sinuskurven 2 und Cosinuskurven 3 über den Verdrehwinkel φ erfasster Drehwinkelsignale eines Messsystems mit mehreren um eine Drehachse angeordneten Magnetsensoren über annähernd eine Umdrehung zwischen Sensorelementen und Magneten der Magnetsensoren. Abweichend von der Idealkurve treten in Richtung des Pfeils 4 verlaufende Nichtlinearitäten über den Verdrehwinkel φ auf, die zu Winkelfehlern führen. Zur Kompensation dieser Winkelfehler werden die Sinuskurven 2 und Cosinuskurven 3 einer Fourieranalyse unterzogen, woraus die nicht dargestellten zweiten Rohsignale gebildet werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass die dritte Harmonische der zweiten Rohsignale für Nichtlinearitäten systemspezifisch ist. Es werden daher gemäß den Gleichungen (1) und (2) die dritten Harmonischen durch Filtern, Reduzieren, Kompensieren oder zu null Setzen des Nichtlinearitätsbeiwerts a der dritten Harmonischen eliminiert. Im Anschluss daran wird eine atan2-Funktion auf die zweiten Rohsignale angewendet.The 1 shows the diagram 1 with the amplitudes in the form of first raw signals representing sinusoids 2 and cosine curves 3 over the twist angle φ detected rotational angle signals of a measuring system with a plurality of magnetic sensors arranged about a rotation axis over approximately one revolution between sensor elements and magnets of the magnetic sensors. Deviating from the ideal curve occur in the direction of the arrow 4 extending non-linearities over the angle of rotation φ, which lead to angular errors. To compensate for these angular errors, the sinusoids 2 and cosine curves 3 subjected to a Fourier analysis, from which the second raw signals, not shown, are formed. It has been shown that the third harmonic of the second raw signals for non-linearities is system-specific. Therefore, according to equations (1) and (2), the third harmonics are eliminated by filtering, reducing, compensating, or zeroing the third harmonic nonlinearity factor a. Subsequently, an atan2 function is applied to the second raw signals.

Die 2 und 3 zeigen die aus den zweiten Rohsignalen mittels der Anwendung der atan2-Funktion erzeugten dritten Rohsignale 7, 8 als Winkelfehler Δφ über den Verdrehwinkel φ in dem Diagramm 5 der 2 und im Phasendiagramm 6 der 3 abweichend von der idealen Kreisdarstellung. Die dritten Rohsignale 7, 8 weisen hohen Anteile an vierten Harmonischen auf, so dass ein Eliminieren dieser beispielsweise mittels der Gleichung (3) vorgesehen ist.The 2 and 3 show the third raw signals generated from the second raw signals by the application of the atan2 function 7 . 8th as an angle error Δφ about the angle of rotation φ in the diagram 5 of the 2 and in the phase diagram 6 of the 3 different from the ideal circular representation. The third raw signals 7 . 8th have high proportions of fourth harmonics, so that eliminating them is provided, for example, by the equation (3).

Die 4 zeigt in dem Diagramm 9 den Einfluss des Winkelfehlers Δφ über den Messabstand z zwischen den Sensorelementen und den Magneten der Magnetsensoren des Magnetmesssystems. Hieraus wird deutlich, dass der Winkelfehler Δφ über den Messabstand z abnimmt. Abhängig von der vorgegebenen Auslegung einer Einrichtung mit dem Magnetmesssystem ist dabei vorteilhaft, den Abstand der Sensorelemente gegenüber den Magneten zu maximieren, um geringe Winkelfehler zu erhalten. Kann beispielsweise in einer Einrichtung ein Messabstand z von 3 mm eingestellt werden, kann der maximale Winkelfehler Δφ auf 2° begrenzt werden.The 4 shows in the diagram 9 the influence of the angle error Δφ over the measuring distance z between the sensor elements and the magnets of the magnetic sensors of the magnetic measuring system. It is clear from this that the angle error Δφ over the measuring distance z decreases. Depending on the given design of a device with the magnetic measuring system, it is advantageous to maximize the distance between the sensor elements and the magnets in order to obtain small angle errors. Can, for example, in a facility a measuring distance z can be set by 3mm, the maximum angle error Δφ be limited to 2 °.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Diagrammdiagram

22

Sinuskurvesine curve

33

Cosinuskurvecosine

44

Pfeilarrow

55

Diagrammdiagram

66

Phasendiagrammphase diagram

77

drittes Rohsignalthird raw signal

88th

drittes Rohsignalthird raw signal

99

Diagrammdiagram

zz

Messabstandmeasuring distance

φφ

Verdrehwinkelangle of twist

ΔφΔφ

Winkelfehlerangle error

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 2006/0077083 A1 [0003]US 2006/0077083 A1 [0003]
• DE 3239108 A1 [0004]DE 3239108 A1 [0004]

Claims (10)

Verfahren zum Ermitteln von Wegsignalen eines Magnetmesssystems mit mehreren Magnetsensoren mit einem Sensorelement und einem gegenüber diesem relativ verlagerbar angeordneten Magneten, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln von ersten Rohsignalen des Magnetmesssystems in Form einer Sinus- und einer Cosinusfunktion über eine Verlagerung zwischen Sensorelementen und Magneten; Bilden von zweiten Rohsignalen aus den ersten Rohsignalen mittels einer Fourieranalyse; Eliminieren von dritten Harmonischen aus den zweiten Rohsignalen zum Verringern von Nichtlinearitäten des Magnetmesssystems entlang der Verlagerung; und Bilden von dritten Rohsignalen (7, 8) durch Durchführen einer Arkustangensfunktion mit den zweiten Rohsignalen, gekennzeichnet durch Eliminieren von vierten Harmonischen aus den dritten Rohsignalen (7, 8).Method for determining path signals of a magnetic measuring system with a plurality of magnetic sensors with a sensor element and a relative to this relatively displaceably arranged magnet, the method comprising the steps of: determining first raw signals of the magnetic measuring system in the form of a sine and a cosine function via a displacement between sensor elements and magnets ; Forming second raw signals from the first raw signals by a Fourier analysis; Eliminating third harmonics from the second raw signals to reduce nonlinearities of the magnetic measurement system along the displacement; and forming third raw signals (7, 8) by performing an arctangent function on the second raw signals, characterized by eliminating fourth harmonics from the third raw signals (7, 8). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegsignale lineare Wegsignale eines Magnetsystems sind, das linear hintereinander angeordnete Magnetsensoren mit einem Sensorelement und einem gegenüber diesem linear verlagerbaren Magneten aufweist.Method according to Claim 1 , characterized in that the path signals are linear path signals of a magnet system having linearly successively arranged magnetic sensors with a sensor element and a linearly displaceable relative to this magnet. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegsignale Drehwinkelsignale eines um eine Drehachse verdrehbar angeordneten Magnetmesssystems sind, das mehrere um die Drehachse angeordnete Magnetsensoren mit einem Sensorelement und einem gegenüber diesem relativ um die Drehachse verdrehbar angeordneten Magneten aufweist.Method according to Claim 1 , characterized in that the path signals are rotational angle signals of a rotation axis about a rotationally arranged magnet measuring system, which has a plurality of magnetic sensors arranged about the axis of rotation with a sensor element and a relative to this relative to the axis of rotation rotatably arranged magnet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten order vierten Harmonischen gelöscht werden.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the third or fourth harmonics are deleted. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten oder vierten Harmonischen korrigiert werden.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the third or fourth harmonics are corrected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtlinearitäten in den zweiten Rohsignalen Signal_sin, Signal_cos mittels der Gleichungen (1), (2) $$Signa{l}_{sin}=B_0\left[\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)+a\cdot \text{sin}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

$$Signa{l}_{cos}=B_0\left[\text{cos}\left({\omega }_{0}t\right)-a\cdot \text{cos}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

mit der Amplitude B₀, dem Nichtlinearitätsbeiwert a, der Drehfrequenz ω₀ und der Zeit t eliminiert werden.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the nonlinearities in the second raw signals signal _sin , signal _cos by means of the equations (1), (2) $$SiGna{l}_{sin}=B_0\left[\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)+a\cdot \text{sin}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

$$SiGna{l}_{cOs}=B_0\left[\text{cos}\left({\omega }_{0}t\right)-a\cdot \text{cos}\left(3{\omega }_{0}t\right)\right]$$

with the amplitude B ₀ , the nonlinearity coefficient a, the rotational frequency ω ₀ and the time t are eliminated. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nichtlinearitätsbeiwert a minimiert oder zu null gesetzt wird.Method according to Claim 6 , characterized in that the non-linearity coefficient a is minimized or set to zero. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nichtlinearitätsbeiwert a mittels eines Band- oder Tiefpassfilters verringert wird.Method according to Claim 6 or 7 , characterized in that the non-linearity coefficient a is reduced by means of a bandpass or lowpass filter. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude B_NL(φ₎ der Nichtlinearitäten der dritten Rohsignale (7, 8) nach der Gleichung (3) $$\begin{array}{c}{B}_{NL}\left(\phi \right)=B_{af}\left(a,b,c,d,z\right)\cdot \text{sin}\left(\frac{4{\omega }_0\phi }{180}\right)\\ \text{mit Ba}=f_1\left(a,b,c\right)\cdot f_2\left(c,d\right)\cdot f_3\left(a,b,c,z\right)\\ f_2=k_1\cdot \frac{c}{d}\\ f_3=\frac{Br}{\pi }\left[\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)-\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)\right]\\ a=R_a-R_i\\ b=\frac{R_a+R_i}{2*n}\end{array}$$

mit dem Innenradius R_i eines Sensorelements, dem Außenradius R_a eines Magneten, der Anzahl n der Magnetsensoren, der Dicke c der Magneten, der Remanenz B_r des die Magneten aufnehmenden Werkstoffs, dem Abstand z der Sensorelemente zu den Magneten, einer geometrischen Konstante k₁ einer die Magnete aufnehmenden Tasche, der Tiefe d der Tasche, der geometrischen Funktion f₁ der Nichtlinearität, der geometrischen Funktion f₂ der Nichtlinearität der Taschentiefe und der Fehlerkonstante B_af eliminiert wird.Method according to one Claims 1 to 8th , characterized in that an amplitude B _{NL (} φ _{) of} the nonlinearities of the third raw signals (7, 8) according to the equation (3) $$\begin{array}{c}{B}_{NL}\left(\phi \right)=B_{af}\left(a.b.c.d.z\right)\cdot \text{sin}\left(\frac{4{\omega }_0\phi }{180}\right)\\ \text{with Ba}=f_1\left(a.b.c\right)\cdot f_2\left(c.d\right)\cdot f_3\left(a.b.c.z\right)\\ f_2=k_1\cdot \frac{c}{d}\\ f_3=\frac{Br}{\pi }\left[\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)-\text{arctan}\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2+{\left(z+c\right)}^2}\cdot \left(z-c\right)}\right)\right]\\ a=R_a-R_i\\ b=\frac{R_a+R_i}{2*n}\end{array}$$

with the inner radius R _{i of} a sensor element, the outer radius R _{a of} a magnet, the number n of the magnetic sensors, the thickness c of the magnets, the remanence B _r of the material receiving the magnet, the distance z of the sensor elements to the magnets, a geometric constant k ₁ of the pockets receiving the magnets, the pocket depth d, the nonlinearity geometric function f _1, the pocket depth nonlinearity geometric function f _2, and the error constant B _af . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rohsignale mittels eines vorgegebenen Abstands der Magnete eines Magnetsensors auf einen vorgegebenen, minimalen Winkelfehler eingestellt werden.Method according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the first raw signals are adjusted by means of a predetermined distance of the magnets of a magnetic sensor to a predetermined, minimum angle error.

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