DE102022004196A1 - Encoder signal processing unit with input signal switching - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gebersignalverarbeitungseinheit, umfassend: wenigstens einen ersten und zweiten Eingangssignalpfad, welche eingangsseitig verbunden sind, wobei der erste und zweite Eingangssignalpfad wenigstens einen A/D-Wandler umfassen, um das analoge Eingangssignal (A(t), B(t)) in ein digitales Zwischensignal umzusetzen, und wobei der erste und der zweite Eingangssignalpfad wenigstens eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position aus dem Zwischensignal (A', B', A'', B'') aufweisen, wobei der zweite Eingangssignalpfad Eingangssignale (A(t), B(t)) mit im Vergleich zum ersten Eingangssignalpfad höherer Eingangssignalfrequenz verarbeitet. Erfindungsgemäß ist der erste und der zweite Eingangssignalpfad ausgangsseitig mit einer Umschaltvorrichtung zur Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad nach einem Umschaltkriterium verbunden.The present invention relates to a sensor signal processing unit, comprising: at least a first and a second input signal path, which are connected on the input side, wherein the first and second input signal paths comprise at least one A/D converter in order to convert the analog input signal (A(t), B(t)) into a digital intermediate signal, and wherein the first and the second input signal path have at least one calculation unit for calculating the position from the intermediate signal (A', B', A'', B''), wherein the second input signal path processes input signals (A(t), B(t)) with a higher input signal frequency compared to the first input signal path. According to the invention, the first and the second input signal path are connected on the output side to a switching device for switching between the first and the second input signal path according to a switching criterion.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gebersignalverarbeitungseinheit zum Einlesen und Verarbeiten von analogen Gebersignalen in Form von Eingangs-Sinus-Signalen und Eingangs-Cosinus-Signalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Positions- und/oder Drehwinkelgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The invention relates to a sensor signal processing unit for reading in and processing analog sensor signals in the form of input sine signals and input cosine signals according to the preamble of claim 1 and to a position and/or rotary angle sensor according to the preamble of claim 12.

Aus dem Stand der Technik ist aus der EP 1 606 590 B1 ein Positionsmessverfahren bzw. -system bekannt, um analoge Eingangs-Cosinus- bzw. Sinus-Signale zu verarbeiten und ein digitales Positionssignal zu erzeugen. Zu der darin beschriebenen Signalverarbeitung gehört auch eine Filterung des Signals, insbesondere durch ein Tiefpassfilter.From the state of the art, the EP 1 606 590 B1 A position measuring method or system is known for processing analog input cosine or sine signals and generating a digital position signal. The signal processing described therein also includes filtering the signal, in particular using a low-pass filter.

Bei optischen Systemen wird beispielsweise eine Maske vor einer Maßstabseinteilung, typischerweise in Form einer Inkrementalscheibe positioniert und von einem Detektionsstrahl durchleuchtet. Bei einer Relativbewegung der Maske gegenüber der Maßstabseinteilung werden die so entstehenden Hell-Dunkel-Bereiche entsprechend sensorisch abgetastet, sodass ein sinusähnliches Signal erhalten wird. Dieses Sinus-Signal enthält eine Positionsinformation. Durch entsprechende Anordnung weiterer optischer Sensoren kann zusätzlich zu diesem Sinus-Signal auch noch ein cosinusähnliches Signal, das zum Sinus-Signal um 90° phasenverschoben ist, erzeugt werden, um auch eindeutig die Verfahrrichtung zu bestimmen.In optical systems, for example, a mask is positioned in front of a scale, typically in the form of an incremental disk, and is illuminated by a detection beam. When the mask moves relative to the scale, the resulting light and dark areas are scanned by sensors, so that a sine-like signal is obtained. This sine signal contains position information. By arranging additional optical sensors accordingly, a cosine-like signal can be generated in addition to this sine signal, which is 90° out of phase with the sine signal, in order to clearly determine the direction of travel.

Das analoge Eingangssignal wird nach dem Stand der Technik beispielsweise mit einem Tiefpass gefiltert, digitalisiert und in ein Positionssignal umgewandelt. Die EP 1 606 590 B1 beschreibt dazu eine Signalkonditionierung bzw. ein Reduzierung von Fehleranteilen. Mit Digitalfiltern können Fehler- und Rauschanteile herausgefiltert werden. Durch Mittelwertbildung (indem z.B. aus einem digitalen Positionssignal ein gleitender Mittelwert aus zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Werten gebildet wird) können etwa hochfrequente Rauschanteile herausgefiltert werden. Für typische Fehler können Fehlercharakteristiken und dazugehörige Eliminationsalgorithmen in Look-up-Tabellen gespeichert sein.According to the state of the art, the analog input signal is filtered, for example with a low-pass filter, digitized and converted into a position signal. EP 1 606 590 B1 describes signal conditioning or a reduction of error components. Error and noise components can be filtered out using digital filters. High-frequency noise components can be filtered out by averaging (for example, by forming a moving average from a digital position signal using values that occur in quick succession). For typical errors, error characteristics and the associated elimination algorithms can be stored in look-up tables.

In der EP 1 606 590 B1 wird zudem auch eine Ausgangssignalerzeugung beschrieben, wobei das Ausgangssignal dort vornehmlich als Sinus- bzw. Cosinus-Ausgangssignal ausgebildet ist. Das gewonnene Positionssignal kann zur Adressierung von Ausgangstabellen verwendet werden. Eine derartige Tabelle enthält, z.B. in Form eines eindimensionalen oder eindimensional adressierbaren Feldes, die aufeinanderfolgenden digitalen Werte eines Sinus- bzw. Cosinus-Signals mit einer bestimmten Auflösung, welche unabhängig von der Auflösung des Eingangssignals ist.In the EP 1 606 590 B1 In addition, an output signal generation is also described, whereby the output signal is primarily designed as a sine or cosine output signal. The position signal obtained can be used to address output tables. Such a table contains, e.g. in the form of a one-dimensional or one-dimensionally addressable field, the successive digital values of a sine or cosine signal with a specific resolution, which is independent of the resolution of the input signal.

Gerade bei den beschriebenen optischen Systemen können bei einer hohen Drehzahl die Eingangs-Cosinus- bzw. Sinus-Signale Eingangssignalfrequenzen von mehreren 100 kHz aufweisen.Especially in the optical systems described, the input cosine or sine signals can have input signal frequencies of several 100 kHz at high speeds.

Um die Eingangssignale bei einer Eingangssignalfrequenz von beispielsweise bis zu 500 kHz abzutasten, sind A/D-Wandler mit einer Abtastrate von mehr als 1 MHz erforderlich. Allerdings führen die hohen Abtastraten bei den A/D-Wandern und signaltechnisch folgenden Verarbeitungseinheiten zu hohen Kosten, was als nachteilig aufgefasst wird.In order to sample the input signals at an input signal frequency of up to 500 kHz, for example, A/D converters with a sampling rate of more than 1 MHz are required. However, the high sampling rates for the A/D converters and the signal processing units that follow lead to high costs, which is seen as a disadvantage.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige Gebersignalverarbeitungseinheit für einen großen Eingangssignalfrequenzbereich mit möglichst geringer Einbuße hinsichtlich der Signalqualität der Ausgangssignale vorzuschlagen.The object of the invention is therefore to overcome the disadvantages known from the prior art. In particular, the object of the present invention is to propose a cost-effective sensor signal processing unit for a large input signal frequency range with the least possible loss in terms of the signal quality of the output signals.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit nach Anspruch 1 bzw. 12 gelöst.The object is achieved by an inventive sensor signal processing unit according to claim 1 or 12.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.Advantageous developments of the invention are described in the subclaims. The scope of the invention includes all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the claims and/or the figures.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Gebersignalverarbeitungseinheit zum Einlesen und Verarbeiten analoger Gebersignale und zum Ausgeben von wenigstens einem Ausgangssignal mit einer Ausgangssignalfrequenz vorgesehen.Within the scope of the present invention, a sensor signal processing unit is provided for reading in and processing analog sensor signals and for outputting at least one output signal with an output signal frequency.

Die analogen Gebersignale sind in Form von Eingangs-Cosinus-Signalen und Eingangs-Sinus-Signalen mit einer Eingangssignalfrequenz und codieren eine Position eines vom Geber überwachten Körpers, beispielsweise eine Welle.The analog encoder signals are in the form of input cosine signals and input sine signals with an input signal frequency and encode a position of a body monitored by the encoder, for example a shaft.

Die Position kann weiterhin beispielsweise dem Drehwinkel einer Welle entsprechen. Die zeitliche Änderung der Position, beispielsweise die Drehbewegung einer Welle, bestimmt die Eingangssignalfrequenz der Eingangs-Cosinus-Signale und Eingangs-Sinus-Signale.The position can also correspond, for example, to the angle of rotation of a shaft. The change in position over time, for example the rotation of a shaft, determines the input signal frequency of the input cosine signals and input sine signals.

Die Ausgangssignalfrequenz des wenigstens einen Ausgangssignals steht in einem vorbestimmten Verhältnis zur Eingangssignalfrequenz der beiden sinusförmigen Eingangs-Signale.The output signal frequency of the at least one output signal is in a predetermined ratio to the input signal frequency of the two sinusoidal input signals.

Die analogen Gebersignale in der Form von Cosinus- bzw. Sinus-Signalen werden insbesondere mittels eines optischen Drehgebers erzeugt und sind zueinander um 90° phasenverschoben, weshalb die Verfahrrichtung des mit dem Geber überwachten Körpers eindeutig bestimmt werden kann. Werden optische Drehgeber eingesetzt, so können deren Eingangssignale selbst wiederum einen breiten Frequenzbereich abdecken, etwa zwischen 0 Hz und 500 kHz.The analog encoder signals in the form of cosine or sine signals are generated in particular by means of an optical encoder and are phase-shifted by 90° to one another, which is why the direction of travel of the body monitored by the encoder can be clearly determined. If optical encoders are used, their input signals can themselves cover a wide frequency range, for example between 0 Hz and 500 kHz.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich auf Eingangssignale, die einen cosinus- bzw. sinusförmigen Verlauf aufweisen, da diese Signale kontinuierlich eine Positionsinformation liefern. Im Unterschied dazu würden rechteckförmige Eingangssignale erst nach einem Viertel der Signalperiode eine neue Positionsinformation zur Verfügung stellen. Gerade bei niedrigen Frequenzen im Hertz-Bereich würde dies eine Regelung in der Anwendung erschweren.The present invention is limited to input signals that have a cosine or sinusoidal shape, since these signals continuously provide position information. In contrast, rectangular input signals would only provide new position information after a quarter of the signal period. This would make control in the application more difficult, especially at low frequencies in the Hertz range.

Das wenigstens eine Ausgangssignal kann Cosinus- bzw. Sinus-förmig oder auch rechteckförmig sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein digitales Ausgangssignal erzeugt werden, das insbesondere über eine digitale Schnittstelle ausgebbar und weiterverarbeitbar ist. Das digitale Ausgangsignal kann von einem beliebigen digitalen Eingang eingelesen werden, um das Positionssignal für eine Auswertung, Berechnung, einen Regelungsvorgang oder dergleichen zu verwenden. Bevorzugt kann hierfür ein Mikrocontroller, FPGA, ein speziell integrierter Schaltkreis und/oder ähnliche Einheit vorgesehen sein.The at least one output signal can be cosine or sine-shaped or rectangular. Additionally or alternatively, a digital output signal can also be generated, which can be output and further processed in particular via a digital interface. The digital output signal can be read in from any digital input in order to use the position signal for an evaluation, calculation, a control process or the like. A microcontroller, FPGA, a specially integrated circuit and/or similar unit can preferably be provided for this purpose.

Die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit umfasst wenigstens einen ersten Eingangssignalpfad und einen zweiten Eingangssignalpfad, die eingangsseitig verbunden sind, wobei der erste und der zweite Eingangssignalpfad dazu ausgebildet sind, die analogen Eingangssignale mit im Vergleich zueinander unterschiedlicher Eingangssignalfrequenz zu verarbeiten.The sensor signal processing unit according to the invention comprises at least a first input signal path and a second input signal path, which are connected on the input side, wherein the first and the second input signal path are designed to process the analog input signals with input signal frequencies that are different from one another.

Erfindungsgemäß ist der zweite Eingangssignalpfad dazu ausgebildet, Eingangssignale mit im Vergleich zum ersten Eingangssignalpfad höherer Eingangssignalfrequenz zu verarbeiten. Vorteilhaft erhöht sich somit im Einsatz und bei der Auswertung die Flexibilität der Gebersignalverarbeitungseinheit, die gewissermaßen zumindest zwei Auswertungsarten parallel anbietet.According to the invention, the second input signal path is designed to process input signals with a higher input signal frequency than the first input signal path. This advantageously increases the flexibility of the sensor signal processing unit during use and evaluation, which in a sense offers at least two types of evaluation in parallel.

Mit anderen Worten, das Eingangssignal wird über wenigstens einen ersten und zweiten Eingangssignalpfad geleitet, wobei die Pfade eingangsseitig verbunden sind. Vorteilhaft wird somit eine parallele Auswertung der Eingangssignale in unterschiedlicher Weise bzw. nach unterschiedlichen Kriterien ermöglicht.In other words, the input signal is routed via at least a first and a second input signal path, with the paths being connected on the input side. This advantageously enables parallel evaluation of the input signals in different ways or according to different criteria.

Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit wenigstens einen A/D-Wandler zum Umsetzen des jeweiligen analogen Eingangssignals in ein digitales Zwischensignal, wobei der wenigstens eine A/D-Wandler vom ersten und/oder zweiten Eingangssignalpfad umfasst ist.Furthermore, the sensor signal processing unit according to the invention comprises at least one A/D converter for converting the respective analog input signal into a digital intermediate signal, wherein the at least one A/D converter is included in the first and/or second input signal path.

Anders ausgedrückt, der erste und/oder der zweite Eingangssignalpfad umfasst wenigstens einen A/D-Wandler, um die analogen Signale in digitale Zwischensignale umzusetzen. Die Eingangssignale müssen dabei also schnell genug eingelesen werden, d.h. die Anforderungen an die Wandlungsgeschwindigkeit, insbesondere die realisierte Abtastrate, der A/D-Wandler richtet sich nach den Eingangssignalfrequenzen.In other words, the first and/or the second input signal path comprises at least one A/D converter to convert the analog signals into digital intermediate signals. The input signals must therefore be read in quickly enough, i.e. the requirements for the conversion speed, in particular the implemented sampling rate, of the A/D converter are based on the input signal frequencies.

Zudem umfasst die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit wenigstens eine Berechnungseinheit zum Bestimmen eines die Position abbildenden Positionssignals aus dem jeweiligen zeit- und wertdiskreten Zwischensignal, wobei die Berechnungseinheit vom ersten und/oder zweiten Eingangssignalpfad umfasst ist.In addition, the sensor signal processing unit according to the invention comprises at least one calculation unit for determining a position signal representing the position from the respective time- and value-discrete intermediate signal, wherein the calculation unit is comprised by the first and/or second input signal path.

Bevorzugt umfasst der erste und der zweite Eingangssignalpfad jeweils eine Berechnungseinheit, um aus dem Zwischensignal die Position bzw. ein Positionssignal zu bestimmen. Weiter bevorzugt kann es sich auch nur um eine Berechnungseinheit handeln, die dann abwechselnd mit dem ersten oder dem zweiten Eingangssignalpfad in Wirkverbindung bringbar ist, um aus dem jeweiligen Zwischensignal das Positionssignal zu berechnen. Die Positionsbestimmung ist nämlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Grundinformation für weitere Auswertungen.Preferably, the first and the second input signal path each comprise a calculation unit in order to determine the position or a position signal from the intermediate signal. More preferably, it can also be just one calculation unit, which can then be alternately brought into operative connection with the first or the second input signal path in order to calculate the position signal from the respective intermediate signal. In the context of the present invention, the position determination is the basic information for further evaluations.

Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit auch eine Umschaltvorrichtung zum Ausgeben entweder des berechneten Positionssignals des ersten Eingangssignalpfads oder des berechneten Positionssignals des zweiten Eingangssignalpfads in Abhängigkeit eines Umschaltkriteriums.Finally, the sensor signal processing unit according to the invention also comprises a switching device for outputting either the calculated position signal of the first input signal path or the calculated position signal of the second input signal path depending on a switching criterion.

Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung ist bevorzugt endseitig des ersten und zweiten Eingangssignalpfads positioniert und so ausgebildet, dass in Abhängigkeit eines Umschaltkriteriums entweder der erste oder der zweite Eingangssignalpfad ausgangsseitig der Umschaltvorrichtung ausgegeben wird. Das Ausgangssignal wird grundsätzlich aus den verarbeiteten Signalen eines einzelnen Eingangssignalpfads erzeugt: Beim Umschalten werden folglich die Signale des Pfades, auf den umgeschaltet wurde, verwendet, die Signale des Pfades, von dem weggeschaltet wurde, werden in der Regel nicht benötigt und nicht weiter verarbeitet. Umschalten heißt somit, die Signale des einen Pfads zu benutzen und die Signale des anderen Pfads zu verwerfen.The switching device according to the invention is preferably positioned at the end of the first and second input signal path and is designed such that, depending on a switching criterion, either the first or the second input signal path is output on the output side of the switching device. The output signal is basically generated from the processed signals of a single input signal path: When switching, the signals of the path to which the switch was made are therefore used, the signals of the path from which which was switched away are generally not needed and are not processed further. Switching therefore means using the signals of one path and discarding the signals of the other path.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe an diesem Punkt angesetzt, weil schnelle und genaue A/D-Wandler, teils mit Abtastraten von deutlich mehr als 1 MHz, regelmäßig eine hohe Energieaufnahme besitzen und zum Teil in Kombination mit den nötigen Recheneinheiten zusammen auch einen hohen Platzbedarf erfordern, wenn nicht Einbußen in der Signalqualität oder Signallaufzeit stattdessen in Kauf genommen werden sollen. Andererseits kann die Bitbreite der A/D-Wandler nicht beliebig reduziert werden, weil die aus dem Eingangssignal herausgezogene Informationsgehalte innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zu ungenau und gering für die Regelung werden könnten.According to the invention, the solution to the problem is addressed at this point because fast and precise A/D converters, some with sampling rates of significantly more than 1 MHz, regularly have a high energy consumption and, in combination with the necessary computing units, also require a lot of space if losses in signal quality or signal propagation time are not to be accepted instead. On the other hand, the bit width of the A/D converters cannot be reduced arbitrarily because the information content extracted from the input signal could become too imprecise and low for control within a certain period of time.

Da nach dem WKS-Theorem zur exakten Rekonstruktion eines Eingangssignals eine Abtastung mit einer Abtastrate erfolgen muss, die wenigstens doppelt so hoch ist wie die Eingangssignalfrequenz, können entsprechende Gebersignalverarbeitungseinheiten nach dem bisherigem Stand der Technik nicht mehr preisgünstig realisiert werden oder erfordern zusammen mit der anfallenden Signalverarbeitung einen hohen Platz- bzw. Energiebedarf.Since, according to the WKS theorem, for the exact reconstruction of an input signal, sampling must be carried out at a sampling rate that is at least twice as high as the input signal frequency, corresponding encoder signal processing units can no longer be realized inexpensively according to the current state of the art or, together with the resulting signal processing, require a high space or energy consumption.

Die erfindungsgemäße Lehre berücksichtigt aber nunmehr, dass Antriebe und die eingesetzten Regelschleifen ihrerseits eine begrenzte Dynamik aufweisen. Demzufolge kann es bereits ausreichen, die erfindungsgemäß bestimmten Positionssignale und/oder die später noch eingeführten bestimmbaren Geschwindigkeitssignale in ihrer Bandbreite zu begrenzen, mitunter mit Grenzfrequenzen im kleineren kHz-Bereich, insbesondere kleiner als 4 kHz. Zum Filtern bzw. Begrenzen der Bandbreite eignen sich entsprechende Tiefpassfilter. Bei höheren Eingangssignalfrequenzen von insbesondere mehr als 100 kHz ergibt sich daher schon aus den Nulldurchgängen der Eingangssignale, dass die Position und/oder die Geschwindigkeit ausreichend genau und/oder ausreichend schnell erfasst werden kann.However, the teaching according to the invention now takes into account that drives and the control loops used have limited dynamics. As a result, it may already be sufficient to limit the bandwidth of the position signals determined according to the invention and/or the determinable speed signals introduced later, sometimes with cut-off frequencies in the smaller kHz range, in particular less than 4 kHz. Appropriate low-pass filters are suitable for filtering or limiting the bandwidth. At higher input signal frequencies of in particular more than 100 kHz, the zero crossings of the input signals already show that the position and/or the speed can be detected sufficiently accurately and/or sufficiently quickly.

Ein Signal, insbesondere ein analoges Eingangssignal und/oder ein wert- und zeitdiskretes Zwischensignal, liegt typischerweise in Form eines Wellenpaketes vor, welchem auch eine Einhüllende zugeordnet werden kann. Bei der Propagation des Wellenpaketes kann festgestellt werden, in welcher Zeitspanne bzw. mit welcher zeitlichen Verzögerung sich die Einhüllende, etwa beim Durchlaufen einer Komponente, bewegt hat. Diese Zeitspanne wird als Gruppenlaufzeit definiert.A signal, in particular an analog input signal and/or a value and time-discrete intermediate signal, is typically in the form of a wave packet, to which an envelope can also be assigned. When the wave packet propagates, it can be determined in which time period or with which time delay the envelope has moved, for example when passing through a component. This time period is defined as the group delay.

Zum Teil ist darauf zu achten, dass die Gruppenlaufzeiten der Signale klein genug sind, damit eine Regelschleife bei ihren jeweils gewünschten Eigenschaften noch stabil bleibt. Passiert ein Signal bzw. Wellenpaket eine Komponente, insbesondere die Berechnungseinheit und/oder den wenigstens einen A/D-Wandler und/oder die Umschaltvorrichtung und/oder weitere Komponenten einer Funktionseinheit oder einer Regelschleife, so ist das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist in der Regel frequenzabhängig. Die Gruppenlaufzeit kann durch Ableitung der Phasenverschiebung nach der Frequenz bestimmt werden. Für einige Anwendungen können Gruppenlaufzeiten in der Größenordnung von wenigen Mikrosekunden bis wenigen Millisekunden gewünscht sein.In some cases, it is important to ensure that the group delay times of the signals are small enough so that a control loop remains stable with its desired properties. If a signal or wave packet passes through a component, in particular the calculation unit and/or the at least one A/D converter and/or the switching device and/or other components of a functional unit or a control loop, the output signal is phase-shifted compared to the input signal. The phase shift is usually frequency-dependent. The group delay time can be determined by deriving the phase shift with respect to the frequency. For some applications, group delay times in the order of a few microseconds to a few milliseconds may be desired.

Weiterhin wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass der erste und der zweite Eingangssignalpfade so ausgebildet sind, dass sie im Wesentlichen die gleichen Signallaufzeiten erreichen. Bevorzugt wird dies mit Verzögerungseinheiten realisiert, die vom ersten oder zweiten oder beiden Eingangssignalpfaden umfasst sein können.Furthermore, it is pointed out in this context that the first and the second input signal paths are designed such that they achieve essentially the same signal propagation times. This is preferably achieved with delay units that can be included in the first or second or both input signal paths.

Weiterbildend ist vorgesehen, dass der zweite Eingangssignalpfad im Vergleich zum ersten Eingangssignalpfad eine höhere Abtastrate und eine niedrigere Auflösung bei der A/D-Wandlung aufweist.In a further development, the second input signal path has a higher sampling rate and a lower resolution in the A/D conversion compared to the first input signal path.

Bevorzugt zeigt sich dies dadurch, dass die im jeweiligen Pfad genutzten A/D-Wandler unterschiedlich ausgebildet und/oder konfiguriert sind. Damit können sich die Eingangssignalpfade in der Abtastrate und der Auflösung bei der Abtastung voneinander unterscheiden und somit an die verschiedenen Randbedingungen zur Auswertung bzw. an die verschiedenartigen Eingangssignale anknüpfen. Weiter bevorzugt kann es auch zu einem dynamischen Umkonfigurieren eines einzelnen A/D-Wandlers kommen, der dann abwechselnd mit dem ersten oder mit dem zweiten Eingangssignal in Wirkverbindung steht, um die jeweiligen Zwischensignale zu erzeugen.This is preferably shown by the fact that the A/D converters used in the respective path are designed and/or configured differently. This means that the input signal paths can differ from one another in terms of the sampling rate and the resolution during sampling and can thus be linked to the different boundary conditions for evaluation or to the different types of input signals. More preferably, a single A/D converter can also be dynamically reconfigured, which is then alternately connected to the first or the second input signal in order to generate the respective intermediate signals.

Zudem ist es weiterbildend vorgesehen, dass der wenigstens eine A/D-Wandler des zweiten Eingangssignalpfads durch einen 1-Bit-A/D-Wandler zum Erhöhen der Abtastrate und Reduzieren der Auflösung ausgebildet ist, wobei insbesondere die Wertdiskretisierung des 1-Bit-A/D-Wandlers durch einen Komparator, bevorzugt einen Schmitt-Trigger, ausgebildet ist und wobei die Zeitdiskretisierung durch ein schnelles 1 Bit Speicherglied, weiter bevorzugt durch ein mit der höheren Abtastrate des zweiten Signalpfads getaktetes Flipflop, insbesondere ein taktflankengesteuertes D-Flipflop, ausgebildet sein kann.In addition, it is further provided that the at least one A/D converter of the second input signal path is designed by a 1-bit A/D converter for increasing the sampling rate and reducing the resolution, wherein in particular the value discretization of the 1-bit A/D converter is designed by a comparator, preferably a Schmitt trigger, and wherein the time discretization can be designed by a fast 1-bit memory element, more preferably by a flip-flop clocked with the higher sampling rate of the second signal path, in particular a clock edge-controlled D flip-flop.

Durch den 1-Bit-A/D-Wandler kommt es somit zu einem Maximieren der Abtastrate und zu einem Minimieren der Auflösung. Die Abtastrate kann hierbei im zwei- oder dreistelligen MHz-Bereich liegen, um somit Eingangs-Signale mit hohen Eingangsfrequenzen zu erfassen und/oder im zweiten Eingangssignalpfad signaltechnisch zu verarbeiten.The 1-bit A/D converter maximizes the sampling rate and minimizes the resolution. The sampling rate can be in the two- or three-digit MHz range in order to capture input signals with high input frequencies and/or process them in the second input signal path.

Für niedrigere Eingangssignalfrequenzen ist erfindungsgemäß der erste Eingangssignalpfad vorgesehen, da die Interpolation hierfür beim zweiten Eingangssignalpfad schwierig wäre. Die Abtastrate kann daher bei einer entsprechenden Ausführungsform im ersten Eingangssignalpfad geringer ausfallen, während die Auflösung jedoch hier höher gewählt wird.According to the invention, the first input signal path is provided for lower input signal frequencies, since the interpolation for this would be difficult in the second input signal path. The sampling rate can therefore be lower in a corresponding embodiment in the first input signal path, while the resolution is selected to be higher here.

Die derart weitergebildete Gebersignalverarbeitungseinheit eignet sich somit zur Auswertung von Eingangssignalen über einen großen Eingangsfrequenzbereich, wobei die Signalverarbeitung in den Pfaden bevorzugt parallel stattfindet und anschließend der gewünschte Pfad mittels der Umschaltvorrichtung nach einem Umschaltkriterium auswählbar ist.The sensor signal processing unit developed in this way is thus suitable for evaluating input signals over a large input frequency range, wherein the signal processing in the paths preferably takes place in parallel and the desired path can then be selected by means of the switching device according to a switching criterion.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit umfasst zudem eine Angleichungsvorrichtung zum Angleichen der Abtastraten und Wortbreiten zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad. Die Angleichungsvorrichtung ist bevorzugt der Umschaltvorrichtung signaltechnisch vorgeschaltet und umfasst weiter bevorzugt einen Tiefpassfilter.A further development of the sensor signal processing unit according to the invention also comprises an adjustment device for adjusting the sampling rates and word widths between the first and the second input signal path. The adjustment device is preferably connected upstream of the switching device in terms of signal technology and further preferably comprises a low-pass filter.

Die Auflösung bei einer A/D-Wandlung besagt, welche Wortbreite in Bits bei der Umsetzung verwendet wird. Da sich die Abtastrate im ersten Eingangssignalpfad von der Abtastrate im zweiten Eingangssignalpfad unterscheidet, umfassen das Positionssignal des erste Eingangssignalpfad eine erste Wortbreite und das Positionssignals der zweite Eingangssignalpfad eine zweite Wortbreite, wobei die erste und die zweite Wortbreite nicht identisch sind.The resolution of an A/D conversion indicates which word width in bits is used in the conversion. Since the sampling rate in the first input signal path differs from the sampling rate in the second input signal path, the position signal of the first input signal path has a first word width and the position signal of the second input signal path has a second word width, whereby the first and second word widths are not identical.

Der erste und der zweite Eingangssignalpfad umfassen unterschiedliche Abtastraten und unterschiedliche Auflösungen, da das wert- und zeitdiskrete Zwischensignal im zweiten Eingangssignalpfad zum Erfassen von Eingangssignalen mit einer großen Eingangssignalfrequenz im Vergleich zum wert- und zeitdiskreten Zwischensignal des ersten Eingangssignalpfads hinsichtlich der Abtastrate erhöht und hinsichtlich der Auflösung aufgrund der Ausgestaltung des jeweiligen A/D-Wandlers verringert wurde.The first and the second input signal path comprise different sampling rates and different resolutions, since the value and time discrete intermediate signal in the second input signal path for detecting input signals with a high input signal frequency has been increased in terms of sampling rate and reduced in terms of resolution compared to the value and time discrete intermediate signal of the first input signal path due to the design of the respective A/D converter.

Daher unterscheiden sich die wert- und zeitdiskreten Zwischensignale des ersten Eingangssignalpfads von den wert- und zeitdiskreten Zwischensignalen des zweiten Eingangssignalpfads und somit auch die aus den Zwischensignalen gewonnenen Positionssignale.Therefore, the value and time discrete intermediate signals of the first input signal path differ from the value and time discrete intermediate signals of the second input signal path and thus also the position signals obtained from the intermediate signals.

Da bei der vorliegenden Erfindung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad mittels der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung umgeschaltet werden soll, müssen die Signale des ersten Eingangssignalpfads und die Signale des zweiten Eingangssignalpfads für eine weitere Verarbeitung mit denselben Komponenten ein einheitliches Format aufweisen.Since the present invention is intended to switch between the first and the second input signal path by means of the switching device according to the invention, the signals of the first input signal path and the signals of the second input signal path must have a uniform format for further processing with the same components.

Das einheitliche Format bezieht sich bei der vorliegenden Erfindung einerseits auf die Anzahl diskreter Einzelwerte während einer definierten Zeitspanne und andererseits auf die Anzahl diskreter Stufen, durch die die Signale des ersten und des zweiten Eingangssignalpfads abgebildet wird, was sich durch unterschiedliche Wortbreiten äußert.In the present invention, the uniform format refers on the one hand to the number of discrete individual values during a defined period of time and on the other hand to the number of discrete stages through which the signals of the first and the second input signal path are mapped, which is expressed by different word widths.

Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Signal des ersten Eingangssignalpfads und dem Signal des zweiten Eingangssignalpfads um das jeweilige Zwischensignal oder das jeweilig Positionssignal oder das jeweilige, später noch genauer erläuterte Geschwindigkeitssignal handeln.It should be noted that the signal of the first input signal path and the signal of the second input signal path are the respective intermediate signal or the respective position signal or the respective speed signal, which will be explained in more detail later.

Der Tiefpass kann bei der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Funktionen erfüllen.The low-pass filter can fulfill different functions in the present invention.

Soll durch den Tiefpass ein Signal in der Abtastrate heruntergetastet werden, ist es aufgrund des WKS-Theorems häufig erforderlich, Frequenzanteile des Signals, welche über der halben Abtastrate der Zielabtastrate liegen, stark zu dämpfen. Dies kann bevorzugt mit einem Tiefpass vor dem Heruntertasten erreicht werden. Dieser Tiefpassfilter wird häufig als Anti-Aliasing-Filter bezeichnet.If the low-pass filter is to downsample a signal in the sampling rate, it is often necessary, due to the WKS theorem, to strongly attenuate frequency components of the signal that are above half the sampling rate of the target sampling rate. This can preferably be achieved with a low-pass filter before downsampling. This low-pass filter is often referred to as an anti-aliasing filter.

Soll mittels des Tiefpasses ein Signal in einer Abtastrate heraufgetastet werden, so wird bevorzugt ein Tiefpass-Filter nach dem Herauftasten eingesetzt. Dieser kann die zeitlich zusätzlichen Abtastwerte mit sinnvollen Signalanteilen auffüllen. Ein solcher Tiefpassfilter wird häufig als ein Rekonstruktionsfilter bezeichnet.If a signal is to be upsampled using the low-pass filter at a sampling rate, it is preferable to use a low-pass filter after upsampling. This can fill the additional sampling values with useful signal components. Such a low-pass filter is often referred to as a reconstruction filter.

Weiterhin können ein oder mehrere Tiefpassfilter in der Gebersignalverarbeitungseinheit unerwünschte Signalanteile gezielt herausfiltern. Unerwünschte Signalanteile können als Störgrößen in einer Regelschleife auftreten und somit reduziert werden. Weiterhin können Tiefpassfilter, bevorzugt wie ein später noch beschriebene gleitende Mittelwertfilter, die Auflösung der Signale erhöhen.Furthermore, one or more low-pass filters in the sensor signal processing unit can specifically filter out unwanted signal components. Undesirable signal components can occur as disturbances in a control loop and can thus be reduced. Furthermore, low-pass filters, preferably like a moving average filter described later, can increase the resolution of the signals.

Bei einer Weiterbildung ist es ferner vorgesehen, dass die Angleichungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, das Signal des zweiten Eingangssignalpfads, insbesondere das Positionssignal und/oder ein später noch genauer erläutertes erweitertes Positionssignal und/oder das bereits erwähnte Geschwindigkeitssignal herunterzutasten. Der zweite Eingangssignalpfad umfasst dann auch einen Anti-Aliasing-Filter, der zum Begrenzen der Bandbreite vor dem Heruntertasten signaltechnisch vorzusehen ist.In a further development, it is further provided that the adjustment device is designed to adjust the signal of the second input signal path, in particular the position signal and/or an extended position signal explained in more detail later and/or the speed signal already mentioned. The second input signal path then also includes an anti-aliasing filter, which is to be provided in terms of signal technology to limit the bandwidth before downsampling.

Ergänzend oder alternativ ist ferner vorgesehen, dass die Angleichungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, das Positionssignal des ersten Eingangssignalpfads heraufzutasten, wobei der erste Eingangssignalpfad einen Rekonstruktionsfilter aufweist.Additionally or alternatively, it is further provided that the adjustment device is designed to upsample the position signal of the first input signal path, wherein the first input signal path has a reconstruction filter.

Bevorzugt werden die jeweiligen Signale des ersten Eingangssignalpfads und/oder des zweiten Eingangssignalpfads entweder hoch- und/oder runtergetastet, um diese in das einheitliche Format zu überführen, das von einer Bedienperson in Abhängigkeit einer konkreten Anwendung festgelegt wurde.Preferably, the respective signals of the first input signal path and/or the second input signal path are either up-sampled and/or down-sampled in order to convert them into the uniform format defined by an operator depending on a specific application.

Für das Hochsetzten ist die Angleichungsvorrichtung bevorzugt so ausgebildet, dass zusätzliche Einzelwerte zwischen den bestehenden Einzelwerten erzeugt werden, die betragsmäßig zunächst als Nullen definiert werden. Insbesondere mittels eines Rekonstruktionsfilters werden diese Nullen dann durch konkrete Werte ersetzt, die aufgrund der bestehenden Einzelwerte in allgemein bekannter Weise bestimmt werden.For the purpose of increasing, the adjustment device is preferably designed in such a way that additional individual values are generated between the existing individual values, which are initially defined as zeros in terms of their amount. In particular, by means of a reconstruction filter, these zeros are then replaced by concrete values which are determined in a generally known manner on the basis of the existing individual values.

Bevorzugt umfasst die Angleichungsvorrichtung des ersten Eingangssignalpfads diesen Rekonstruktionsfilter. Alternativ kann der Rekonstruktionsfilter auch von der Gebersignalverarbeitungseinheit umfasst sein und der Angleichungsvorrichtung signaltechnisch nachgeschaltet sein und somit insbesondere von der Umschaltvorrichtung oder erst nach der Umschaltvorrichtung in einem Ausgangssignalabschnitt vorgesehen sein. Der Ausgangssignalabschnitt erstreckt sich signaltechnisch hinter der Umschaltvorrichtung und kann weitere Komponenten umfassen, die im Folgenden noch genauer erläutert werden. The adjustment device of the first input signal path preferably comprises this reconstruction filter. Alternatively, the reconstruction filter can also be comprised by the sensor signal processing unit and be connected downstream of the adjustment device in terms of signal technology and thus be provided in particular by the switching device or only after the switching device in an output signal section. The output signal section extends downstream of the switching device in terms of signal technology and can comprise further components, which are explained in more detail below.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Rekonstruktionsfilters als Tiefpassfilter. Von Vorteil ist hierbei, dass das Anpassen der Wortbreite unmittelbar mit der zeitdiskreten Auflösungserhöhung erfolgt.A particularly preferred embodiment of the reconstruction filter is a low-pass filter. The advantage here is that the word width is adjusted immediately with the time-discrete resolution increase.

Für das Heruntersetzten umfasst die Angleichungsvorrichtung bevorzugt einen Anti-Aliasing-Filter. Der Anti-Aliasing-Filter wirkt besonders bevorzugt zur Vorfilterung. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Anti-Aliasing-Filters als Tiefpassfilter, um höhere Frequenzanteile zu dämpfen und/oder herauszufiltern.For the reduction, the adjustment device preferably comprises an anti-aliasing filter. The anti-aliasing filter particularly preferably acts for pre-filtering. A design of the anti-aliasing filter as a low-pass filter is particularly preferred in order to attenuate and/or filter out higher frequency components.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Gebersignalverarbeitungseinheit einen einzigen oder einen zusätzlichen Tiefpassfilter, der der Umschaltvorrichtung nachgeschaltet ist.In a preferred development, the sensor signal processing unit comprises a single or an additional low-pass filter which is connected downstream of the switching device.

Der eine oder der weitere Tiefpassfilter kann insbesondere zur Auflösungserhöhung eingesetzt werden. Bevorzugt kann dieser Tiefpassfilter oder der weitere Tiefpassfilter zusätzlich zur Reduktion von unerwünschten Signalanteilen ausgelegt sein. Besonders bevorzugt ist dieser Tiefpassfilter als Rekonstruktionsfilter ausgelegt.The one or the other low-pass filter can be used in particular to increase the resolution. Preferably, this low-pass filter or the other low-pass filter can also be designed to reduce unwanted signal components. Particularly preferably, this low-pass filter is designed as a reconstruction filter.

Zudem ist es in einer bevorzugten Weiterbildung der Gebersignalverarbeitungseinheit vorgesehen, dass diese eine Ableitungseinheit zum Bestimmen der Geschwindigkeit, insbesondere eines Geschwindigkeitssignals, aus der berechneten Position oder aus wenigstens zwei berechneten Positionen oder aus dem berechneten Positionssignal umfasst.In addition, in a preferred development of the sensor signal processing unit, it is provided that it comprises a derivation unit for determining the speed, in particular a speed signal, from the calculated position or from at least two calculated positions or from the calculated position signal.

Bevorzugt beruht die Geschwindigkeitsbestimmung auf einer Ableitung des Positionssignals. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine zeitdiskrete Ableitung. Ganz besonders bevorzugt ist die Ableitungseinheit so ausgebildet, dass die Geschwindigkeit durch die Differenz zwischen der berechneten Position zu einem zweiten Zeitpunkt und der berechneten Position zu einem ersten Zeitpunkt bestimmt wird, wobei dieser Wert dann durch die zeitliche Differenz, also die Differenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt zum ersten Zeitpunkt, bestimmt wird. Preferably, the speed determination is based on a derivative of the position signal. Particularly preferably, this is a time-discrete derivative. Most preferably, the derivative unit is designed such that the speed is determined by the difference between the calculated position at a second point in time and the calculated position at a first point in time, wherein this value is then determined by the time difference, i.e. the difference between the second point in time and the first point in time.

Bevorzugt ist die Ableitungseinheit vom ersten Eingangssignalpfad oder vom zweiten Eingangssignalpfad oder vom ersten und vom zweiten Eingangssignalpfad umfasst.Preferably, the derivation unit is comprised by the first input signal path or by the second input signal path or by the first and the second input signal path.

Ferner ist es in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, wenn die Ableitungseinheit als Eingangsgröße ein gefiltertes Positionssignal nutzt, das durch das berechnete Positionssignal nach einer Tiefpassfilterung erzeugt wurde. Vorteilhaft können durch den Tiefpass hochfrequente Anteile aus dem Positionssignal entfernt werden, die die Geschwindigkeitsbestimmung negativ beeinflussen würden.Furthermore, it is particularly preferred in this context if the derivation unit uses a filtered position signal as an input variable, which was generated by the calculated position signal after low-pass filtering. The low-pass filter can advantageously remove high-frequency components from the position signal that would negatively influence the speed determination.

Insbesondere im zweiten Eingangssignalpfad mit der bevorzugten Ausführungsform eines 1 Bit-A/D-Wandlers ist auch bevorzugt, wenn der Ableitungseinheit ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Dieser kann bevorzugt zur Auflösungserhöhung ausgebildet sein und weiterhin bevorzugt als eine quasi Rekonstruktion des Signalverlaufes ausgebildet sein.In particular in the second input signal path with the preferred embodiment of a 1-bit A/D converter, it is also preferred if a low-pass filter is connected downstream of the derivation unit. This can preferably be designed to increase the resolution and further preferably as a quasi reconstruction of the signal curve.

Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung zum wahlweisen Übertragen des Positionssignals und des Geschwindigkeitssignals des ersten Eingangssignalpfads oder des Positionssignals und des Geschwindigkeitssignals des zweiten Eingangssignalpfads ausgebildet ist.Furthermore, it is preferred in this context if the switching device according to the invention is designed to selectively transmit the position signal and the speed signal of the first input signal path or the position signal and the speed signal of the second input signal path.

Vorteilhaft ist hierbei auch eine bevorzugte Ausführungsform der Gebersignalverarbeitungseinheit, die eine Umschaltvorrichtung umfasst, deren Umschaltkriterium das Geschwindigkeitssignal nutzt. Vorteilhaft kann hierbei die Signalrückführung entfallen, was die signaltechnische Komplexität der Gebersignalverarbeitungseinheit reduziert.A preferred embodiment of the sensor signal processing unit is also advantageous in this case, which comprises a switching device whose switching criterion uses the speed signal. The signal feedback can advantageously be omitted, which reduces the signal-technical complexity of the sensor signal processing unit.

Alternativ hierzu ist ferner vorgesehen, wenn die Ableitungseinheit der Umschaltvorrichtung signaltechnisch nachgeschaltet ist und somit von dem Ausgangssignalabschnitt umfasst ist. Vorteilhaft muss bei dieser Ausführungsform nur ein Tiefpassfilter im Ausgangssignalabschnitt umfasst sein.Alternatively, it is also provided that the derivation unit is connected downstream of the switching device in terms of signaling and is thus included in the output signal section. In this embodiment, only one low-pass filter advantageously needs to be included in the output signal section.

Weiterbildend ist die Umschaltvorrichtung so ausgebildet, dass als Umschaltkriterium ein Grenzwert für die Eingangssignalfrequenz und/oder ein Grenzwert für die Geschwindigkeit, die aus der berechneten Position, insbesondere dem berechneten Positionssignal, insbesondere mittels Ableitung nutzbar ist.In a further development, the switching device is designed such that a limit value for the input signal frequency and/or a limit value for the speed, which can be used from the calculated position, in particular the calculated position signal, in particular by means of derivation, is used as the switching criterion.

Vorteilhaft korreliert die Geschwindigkeit zur Eingangssignalfrequenz. Wird die Geschwindigkeit signaltechnisch nach der Umschaltvorrichtung erzeugt, umfasst die Gebersignalverarbeitungseinheit ein Rückführungszweig.Advantageously, the speed correlates with the input signal frequency. If the speed is generated by signaling after the switching device, the sensor signal processing unit includes a feedback branch.

Bei dieser Ausführungsform ist es zudem bevorzugt, wenn nach einem Ruhebetrieb, während einer zeitlich begrenzten Startphase das Umschaltkriterium statisch so gewählt wird, dass das Positionssignal des zweiten Eingangssignals von der Umschaltvorrichtung ausgegeben wird, da aus den Signalen des zweiten Eingangssignalpfads über den gesamten Frequenzbereich der Eingangssignale festgestellt werden kann, ob die Eingangssignalfrequenz unterhalb oder oberhalb des Umschaltkriteriums liegt. Damit kann auch während der Startphase der erste oder der zweite Eingangssignalpfad anhand des Umschaltkriteriums ausgewählt werden.In this embodiment, it is also preferred if, after a rest mode, during a time-limited start-up phase, the switching criterion is statically selected so that the position signal of the second input signal is output by the switching device, since it can be determined from the signals of the second input signal path over the entire frequency range of the input signals whether the input signal frequency is below or above the switching criterion. This means that the first or the second input signal path can also be selected during the start-up phase based on the switching criterion.

Weiterbildend ist es vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Eingangssignalpfad eine dem wenigstens einen A/D-Wandler nachgeschaltete Signalkorrekturkomponente zur Korrektur des Zwischensignals aufweist, wobei die jeweilige Signalkorrekturkomponente dazu ausgebildet ist, einen Signal-Offset zu berichtigen und/oder die Signalamplituden zueinander anzugleichen und/oder eine Phasenkorrektur der Zwischensignale vorzunehmen.In a further development, it is provided that the first and/or the second input signal path has a signal correction component connected downstream of the at least one A/D converter for correcting the intermediate signal, wherein the respective signal correction component is designed to correct a signal offset and/or to match the signal amplitudes to one another and/or to carry out a phase correction of the intermediate signals.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass unter anderem ein Signal-Offset berichtigt werden kann, damit beim Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad kein plötzlicher, durch den Offset bedingter Positionssprung auftritt.In this context, it should be noted that, among other things, a signal offset can be corrected so that no sudden position jump caused by the offset occurs when switching between the first and the second input signal path.

Außerdem ist es möglich, eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Eingangssignalpfaden auszugleichen. Vorteilhaft kann somit erzielt werden, dass die Qualität der Ausgangssignale unabhängiger von den einzelnen Eingangssignalpfaden wird.It is also possible to compensate for a phase shift between the two input signal paths. This can advantageously make the quality of the output signals more independent of the individual input signal paths.

Weiterbildend ist es ferner vorgesehen, dass die Gebersignalverarbeitungseinheit oder die Berechnungseinheit eine Zusatzkomponente umfasst, die so ausgebildet ist, dass das Positionssignal über mehrere Signalperioden erweiterbar ist.In a further development, it is further provided that the encoder signal processing unit or the calculation unit comprises an additional component which is designed such that the position signal can be extended over several signal periods.

Wird als Positionssignal der Winkel der Signalperiode verwendet, so durchläuft es zunächst einen Wertebereich von -π bis π. Wird während des Verlaufs ein Sprung des Positionssignals größer als π festgestellt, so kann das Positionssignal dadurch erweitert werden, dass 2*π addiert wird. Es ergibt sich ein erweiterter Wertebereich. Es kann in Schritten von 2*π der erweiterte Wertebereich festgelegt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Signalfrequenz des erweiterten Positionssignals kleiner ist als die Signalfrequenz des Positionssignals. Aufgrund des WKS-Theorems kann das erweiterte Positionssignal vorteilhaft mit einer geringeren Abtastrate abgetastet werden als das Positionssignal. Es ist somit möglich, das erweiterte Positionssignal mit einem größeren Faktor herunterzutasten als das ursprüngliche Positionssignal.If the angle of the signal period is used as the position signal, it first passes through a range of values from -π to π. If a jump in the position signal greater than π is detected during the course, the position signal can be extended by adding 2*π. This results in an extended range of values. The extended range of values can be set in steps of 2*π. It is advantageous that the signal frequency of the extended position signal is lower than the signal frequency of the position signal. Due to the WKS theorem, the extended position signal can advantageously be sampled at a lower sampling rate than the position signal. It is therefore possible to downsample the extended position signal by a larger factor than the original position signal.

Zusätzlich oder alternativ ist es ferner vorgesehen, wenn der zweite Eingangssignalpfad eine Zusatzeinheit zum Bestimmen der Eingangssignalfrequenz des Eingangssignals, insbesondere des analogen Gebersignals, aufweist.Additionally or alternatively, it is further provided that the second input signal path has an additional unit for determining the input signal frequency of the input signal, in particular the analog sensor signal.

Die Eingangssignalfrequenz kann in einer einfachen Ausführungsform durch einen Frequenzzähler insbesondere im zweiten Eingangssignalpfad ermittelt werden. Ein Frequenzzähler kann beispielsweise die Anzahl der Perioden durch das Zählen der Nulldurchgänge je Zeitfenster ermitteln und daraus die Signalfrequenz berechnen. Da der Grenzwert für das Umschaltkriterium bekannt ist, kann der Frequenzzähler und die Länge des Zeitfensters für die Erfassung der Frequenz im Bereich des Grenzwertes ausgelegt werden. Vorteilhaft kann durch die Erfassung der Eingangssignalfrequenz im zweiten Eingangssignalpfad aus dem cosinusförmigen Eingangssignal und/oder sinusförmigen Eingangssignal und/oder berechneten Positionssignal ermittelt werden.In a simple embodiment, the input signal frequency can be determined by a frequency counter, particularly in the second input signal path. A frequency counter can, for example, determine the number of periods by counting the zero crossings per time window and calculate the signal frequency from this. Since the limit value for the switching criterion is known, the frequency counter and the length of the time window for detecting the frequency can be in the range of the limit value. tes can be designed. Advantageously, the input signal frequency can be determined by detecting the second input signal path from the cosinusoidal input signal and/or sinusoidal input signal and/or calculated position signal.

Weiterbildend ist eine Ausführungsform der Gebersignalverarbeitungseinheit vorgesehen, die eine Ausgangssignalerzeugungskomponente umfasst. Die Ausgangssignalerzeugungskomponente ist der Umschaltvorrichtung nachgeschaltet und so ausgebildet, dass wenigstens ein analoges sinusförmiges oder rechteckförmiges Positions- und/oder Geschwindigkeitssignal erzeugbar und als das wenigstens eine Ausgangssignal ausgebbar ist.In a further development, an embodiment of the sensor signal processing unit is provided which comprises an output signal generation component. The output signal generation component is connected downstream of the switching device and is designed such that at least one analog sinusoidal or rectangular position and/or speed signal can be generated and output as the at least one output signal.

Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang ferner vorgesehen, dass die Ausgangssignalerzeugungskomponente eine Laufzeitkorrekturkomponente zum Ausgleichen der Gruppenlaufzeiten umfasst. Die Laufzeitkorrekturkomponente ist insbesondere dazu ausgebildet einen Phasenversatz zwischen der codierten Position der Eingangssignale und der codierten Position der Ausgangssignale auszugleichen.In this context, it is preferably further provided that the output signal generation component comprises a runtime correction component for compensating the group runtimes. The runtime correction component is designed in particular to compensate for a phase offset between the coded position of the input signals and the coded position of the output signals.

Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, dass die Ausgangssignalerzeugungskomponente so ausgebildet ist, dass ein digitales Positions- und/oder Geschwindigkeitssignal als das wenigstens eine Ausgangssignal ausgebbar ist.Additionally or alternatively, it is also conceivable that the output signal generation component is designed such that a digital position and/or speed signal can be output as the at least one output signal.

Bevorzugt umfasst die Ausgangssignalerzeugungskomponente Ausgangssignaltabellen, die mit dem erzeugten Signalen adressiert werden. Je nach Bedarf kann damit ein rechteckförmiges oder auch cosinus- bzw. sinusförmiges Ausgangssignal generiert werden, wobei die Periodenlänge von Eingang und Ausgang sich unterscheiden, aber in ein festes Verhältnis zueinander gesetzt werden können. Zum Beispiel kann die Ausgangssignalerzeugungskomponente ein digitales Positions- bzw. Drehzahlsignal ausgeben, das unmittelbar danach von einer Auswerteeinheit eines Positions- oder Drehgebers verwendet wird.The output signal generation component preferably comprises output signal tables that are addressed with the generated signals. Depending on requirements, a rectangular or cosine or sinusoidal output signal can be generated, whereby the period length of the input and output differ but can be set in a fixed relationship to one another. For example, the output signal generation component can output a digital position or speed signal that is then used immediately by an evaluation unit of a position or rotary encoder.

Schutz wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch für einen Positions- und/oder Drehwinkelgeber mit einer erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit als Vorstufe zur Signalverarbeitung und/oder als Signalverarbeitung beansprucht.Protection is also claimed within the scope of the present invention for a position and/or angle encoder with an encoder signal processing unit according to the invention as a precursor to signal processing and/or as signal processing.

Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Positions- und/oder Drehgeber dadurch aus, dass eine erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit bzw. eine Gebersignalverarbeitungseinheit nach einem der Ausführungsbeispiele als Vorstufe zur Signalverarbeitung und/oder zur Signalverarbeitung verwendet wird, die wenigstens zwei Eingangssignalpfade für höhere und niedere Eingangssignalfrequenzen aufweist und eine Umschaltung zwischen beiden ermöglicht. Somit können Kostenvorteile erzielt werden. Zudem kann die Energieaufnahme und der Platzbedarf für schnelle A/D-Wandler mit entsprechenden Recheneinheiten verringert werden.Accordingly, a position and/or rotary encoder according to the invention is characterized in that an encoder signal processing unit according to the invention or an encoder signal processing unit according to one of the embodiments is used as a pre-stage for signal processing and/or for signal processing, which has at least two input signal paths for higher and lower input signal frequencies and enables switching between the two. Cost advantages can thus be achieved. In addition, the energy consumption and space requirements for fast A/D converters with corresponding computing units can be reduced.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Eingangssignale bereits eingangsseitig mit einem Tiefpassfilter zum Begrenzen der Bandbreite vorgefiltert werden, um störende höherfrequente Signalanteile zu dämpfen oder zu beseitigen. Im Anschluss an das Tiefpassfilter kann im Zuge der A/D-Wandlung ein Abtasten des analogen Eingangssignals mit einem Abtasthalteglied erfolgen.In an advantageous embodiment of the invention, the input signals can be pre-filtered on the input side with a low-pass filter to limit the bandwidth in order to attenuate or eliminate interfering higher-frequency signal components. Following the low-pass filter, the analog input signal can be sampled with a sample and hold element during the A/D conversion.

Die Anwendungen geben in der Regel die Rahmenbedingungen für die Signalverarbeitung vor. Typische Anwendungen für die Erfindung liegen im Bereich von Drehwinkelgebern sowie Linearmesssystemen auch innerhalb einer Regelschleife von Antrieben.The applications usually specify the framework conditions for signal processing. Typical applications for the invention are in the area of rotary encoders and linear measuring systems, also within a drive control loop.

Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die bei den gezeigten Ausführungsformen beispielhaft dargestellte Merkmalskombination kann nach Maßgabe der obigen Ausführungen entsprechend den für einen bestimmten Anwendungsfall notwendigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit durch weitere Merkmale ergänzt werden. Auch können, ebenfalls nach Maßgabe der obigen Ausführungen, einzelne Merkmale bei den beschriebenen Ausführungsformen weggelassen werden, wenn es auf die Wirkung dieses Merkmals in einem konkreten Anwendungsfall nicht ankommt.The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawings. The combination of features shown as examples in the embodiments shown can be supplemented by further features in accordance with the above statements in accordance with the properties of the sensor signal processing unit according to the invention that are necessary for a specific application. Also, also in accordance with the above statements, individual features can be omitted from the embodiments described if the effect of this feature is not important in a specific application.

In den Zeichnungen sind Elemente gleicher Funktion und/oder gleichen Aufbaus mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.In the drawings, elements with the same function and/or the same structure are designated by the same reference symbol.

Es zeigen:

• 1: ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit gemäß eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels,
• 2: ein weiteres schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit gemäß eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels,
• 3: ein weiteres schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit gemäß eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels,
• 4: ein weiteres schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit gemäß eines vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels,
• 5: eine mögliche tabellarische Umsetzung eines Quadraturdekoders, sowie
• 6a/b: eine Gegenüberstellung von möglichen Signalen des ersten und des zweiten Eingangssignalpfads.

Show it:

• 1 : a schematic block diagram of the sensor signal processing unit according to the invention according to a first preferred embodiment,
• 2 : a further schematic block diagram of the sensor signal processing unit according to the invention according to a second preferred embodiment,
• 3 : a further schematic block diagram of the sensor signal processing unit according to the invention according to a third preferred embodiment,
• 4 : a further schematic block diagram of the sensor signal processing unit according to the invention according to a fourth preferred embodiment,
• 5 : a possible tabular implementation of a quadrature decoder, as well as
• 6a /b: a comparison of possible signals from the first and second input signal paths.

Die 1 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit G gemäß eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels.The 1 shows a block diagram of the sensor signal processing unit G according to the invention according to a first preferred embodiment.

Die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G ist zum Einlesen und Verarbeiten von analogen Gebersignalen ausgebildet. Die analogen Gebersignale werden durch ein Eingangs-Cosinus-Signal A(t) und ein Eingangs-Sinus-Signal B(t) mit einer sich innerhalb eines vorbekannten Bereichs ändernden Eingangssignalfrequenz ausgebildet, die eine Position einer Welle einer nicht dargestellten elektrischen Maschine codieren.The sensor signal processing unit G according to the invention is designed to read in and process analog sensor signals. The analog sensor signals are formed by an input cosine signal A(t) and an input sine signal B(t) with an input signal frequency that changes within a previously known range and that encodes a position of a shaft of an electrical machine (not shown).

Zudem ist die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G zum Ausgeben von einem Ausgangssignal X_sw ausgebildet. Das Ausgangssignal X_sw umfasst eine Ausgangssignalfrequenz, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Eingangssignalfrequenz der Eingangssignale A(t), B(t) steht.In addition, the sensor signal processing unit G according to the invention is designed to output an output signal X _sw . The output signal X _sw comprises an output signal frequency which is in a predetermined ratio to the input signal frequency of the input signals A(t), B(t).

Ferner umfasst die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G einen ersten Eingangssignalpfad 1 und einen zweiten Eingangssignalpfad 2, die an einem ersten Ende miteinander verbunden sind und an einem zweiten Ende eingangsseitig in einer Umschaltvorrichtung 8 münden.Furthermore, the sensor signal processing unit G according to the invention comprises a first input signal path 1 and a second input signal path 2, which are connected to one another at a first end and open into a switching device 8 on the input side at a second end.

Der erste Eingangssignalpfad 1 ist so eingerichtet, dass die Eingangssignale A(t), B(t) mit im Vergleich zum zweiten Eingangssignalpfad 2 kleinerer Eingangssignalfrequenzen verarbeitet werden können.The first input signal path 1 is configured such that the input signals A(t), B(t) can be processed with lower input signal frequencies compared to the second input signal path 2.

Für die entsprechende Verarbeitung der Eingangssignale A(t), B(t) umfasst der erste Eingangssignalpfad einen A/D-Wandler 3, der die beiden analogen Eingangssignale A(t), B(t) in zwei wert- und zeitdiskrete Zwischensignale umwandelt.For the corresponding processing of the input signals A(t), B(t), the first input signal path comprises an A/D converter 3, which converts the two analog input signals A(t), B(t) into two value- and time-discrete intermediate signals.

Der zweite Eingangssignalpfad 2 umfasst dagegen zwei separate A/D-Wandler 4, die für die Digitalisierung des Eingangs-Cosinus-Signals A(t) oder des Eingangs-Sinus-Signals B(t) eingerichtet sind. Da der erste Eingangssignalpfad 1 im Vergleich zum zweiten Eingangssignalpfad 2 für niedrigere Eingangssignalfrequenzen eingerichtet ist, umfasst der A/D-Wandler 3 des ersten Eingangssignalpfads 1 im Vergleich zu den beiden A/D-Wandlern 4 des zweiten Eingangssignalpfads 2, die gleich eingerichtet und konfiguriert sind, eine geringere Abtastrate und eine größere Auflösung.The second input signal path 2, on the other hand, comprises two separate A/D converters 4, which are set up for digitizing the input cosine signal A(t) or the input sine signal B(t). Since the first input signal path 1 is set up for lower input signal frequencies compared to the second input signal path 2, the A/D converter 3 of the first input signal path 1 comprises a lower sampling rate and a higher resolution compared to the two A/D converters 4 of the second input signal path 2, which are set up and configured in the same way.

Im konkreten Fall sind nämlich die beiden A/D-Wandler 4 des zweiten Eingangssignalpfads 2 durch jeweils einen Komparator und einem 1 Bit Speicherglied 15 als ein 1-Bit-A/D-Wandler 6 ausgebildet, wobei die Auflösung bei der werte- und zeitdiskreten Umwandlung bei einer Abtastfrequenz von 64 MHz auf je 1 Bit reduziert wurde.In the specific case, the two A/D converters 4 of the second input signal path 2 are each designed as a 1-bit A/D converter 6 by means of a comparator and a 1-bit memory element 15, wherein the resolution in the value and time discrete conversion was reduced to 1 bit each at a sampling frequency of 64 MHz.

Der A/D-Wandler 3 des ersten Eingangssignalpfads 1 weist dagegen im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Abtastfrequenz von 250 kHz und eine Auflösung von 12 Bit auf.In contrast, the A/D converter 3 of the first input signal path 1 in the present embodiment has a sampling frequency of 250 kHz and a resolution of 12 bits.

Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G eine Berechnungseinheit 5, die so ausgebildet und/oder eingerichtet ist, dass aus den Zwischensignalen des ersten Eingangssignalpfads 1 ein erstes Positionssignal x' und aus den Zwischensignalen des zweiten Eingangssignalpfads ein zweites Positionssignal x'' erzeugbar ist.Furthermore, the sensor signal processing unit G according to the invention comprises a calculation unit 5 which is designed and/or configured such that a first position signal x' can be generated from the intermediate signals of the first input signal path 1 and a second position signal x'' can be generated from the intermediate signals of the second input signal path.

Entweder das erste Positionssignal x' oder das zweite Positionssignal x'' wird über die bereits erwähnte Umschaltvorrichtung 8 in Abhängigkeit eines Umschaltkriteriums K ausgangsseitig als das Ausgangssignal x_sw ausgegeben.Either the first position signal x' or the second position signal x'' is output on the output side as the output signal x _sw via the aforementioned switching device 8 depending on a switching criterion K.

Das Umschaltkriterium K wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Grenzwert der Eingangssignalfrequenz gebildet. Die Eingangssignalfrequenz, die innerhalb des vorbekannten Frequenzbereichs variieren kann, wird hierbei in einen unteren Frequenzbereich und einen oberen Frequenzbereich unterteilt, wobei der Übergang vom ersten Frequenzbereich zum zweiten Frequenzbereich durch den Grenzwert, also eine definierbare Grenzfrequenz, festgelegt ist.In the present embodiment, the switching criterion K is formed by a limit value of the input signal frequency. The input signal frequency, which can vary within the previously known frequency range, is divided into a lower frequency range and an upper frequency range, with the transition from the first frequency range to the second frequency range being determined by the limit value, i.e. a definable cutoff frequency.

Bevorzugt umfasst die Umschaltvorrichtung 8 zum Vermeiden eines Hin- und Herspringens zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad eine Hysterese, die in einem definierbaren Grenzbereich um die Grenzfrequenz eine alternierende Ausgabe des Positionssignals des ersten oder des zweiten Eingangssignalpfads nur nach Ablauf einer zuvor definierten Zeitspanne ermöglicht.To avoid jumping back and forth between the first and the second input signal path, the switching device 8 preferably comprises a hysteresis which, in a definable limit range around the limit frequency, enables an alternating output of the position signal of the first or the second input signal path only after a previously defined period of time has elapsed.

Die 2 beschreibt ein schematisiertes Blockdiagramm einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit G. The 2 describes a schematic block diagram of a second preferred embodiment of the sensor signal processing unit G according to the invention.

Auch diese Ausführungsform umfasst einen ersten Eingangssignalpfad 1 und einen zweiten Eingangssignalpfad 2, die einends miteinander verbunden sind und anderenends in der Umschaltvorrichtung 8 enden.This embodiment also comprises a first input signal path 1 and a second input signal path 2, which are connected to one another at one end and end in the switching device 8 at the other end.

Der erste Eingangssignalpfad 1 und der zweite Eingangssignalpfad 2 umfassen jeweils zwei A/D-Wandler 3,4, um das analoge Eingangs-Sinus-Signal B(t) und das analoge Eingangs-Cosinus-Signal A(t) in beiden Eingangssignalpfaden 1, 2 in entsprechende wert- und zeitdiskrete Zwischensignale A', B', A'', B'' umzuwandeln.The first input signal path 1 and the second input signal path 2 each comprise two A/D converters 3, 4 in order to convert the analog input sine signal B(t) and the analog input cosine signal A(t) in both input signal paths 1, 2 into corresponding value- and time-discrete intermediate signals A', B', A'', B''.

Auch hier sind die A/D-Wandler 4 des zweiten Eingangssignalpfads 2 so eingerichtet, dass im Vergleich zu den A/D-Wandlern 3 des ersten Eingangssignalpfads 1 eine höhere Abtastrate und eine niedrigere Auflösung bei der A/D-Wandlung vorliegt.Here too, the A/D converters 4 of the second input signal path 2 are set up such that, compared to the A/D converters 3 of the first input signal path 1, there is a higher sampling rate and a lower resolution in the A/D conversion.

Aus den jeweiligen zeit- und wertdiskreten Zwischensignalen A', B', A'', B'' wird entsprechend der 2 in der Berechnungseinheit 5 ein zeit- und wertdiskretes erstes Positionssignal x' und ein zeit- und wertdiskretes zweites Positionssignal x'' bestimmt, die sich aufgrund der sich unterscheidenden Abtastraten hinsichtlich der Anzahl an Einzelwerten und der unterschiedlichen Auflösung hinsichtlich des Wertebereichs voneinander unterscheiden.From the respective time and value discrete intermediate signals A', B', A'', B'', the 2 in the calculation unit 5, a time- and value-discrete first position signal x' and a time- and value-discrete second position signal x'' are determined, which differ from one another due to the different sampling rates with regard to the number of individual values and the different resolution with regard to the value range.

Aus diesem Grund umfassen die Eingangssignalpfade 1, 2 jeweils eine Angleichungsvorrichtung 7, die zum Angleichen der Abtastraten und Wortbreiten der zeit- und wertdiskreten Positionssignale x', x'' ausgebildet sind.For this reason, the input signal paths 1, 2 each comprise an adjustment device 7, which is designed to adjust the sampling rates and word widths of the time- and value-discrete position signals x', x''.

Konkret bedeutet dies, dass die Angleichungsvorrichtung 7 des ersten Eingangssignalpfads 1 derart eingerichtet ist, dass das Positionssignal x' des ersten Eingangssignalpfads 1 hochgetastet wird. Hierfür umfasst die Angleichungsvorrichtung 7 des ersten Eingangssignalpfads 1 einen Rekonstruktionsfilter 16, der vorliegend von der Angleichungsvorrichtung 7 umfasst ist.Specifically, this means that the adjustment device 7 of the first input signal path 1 is set up such that the position signal x' of the first input signal path 1 is upscaled. For this purpose, the adjustment device 7 of the first input signal path 1 comprises a reconstruction filter 16, which is presently included in the adjustment device 7.

Alternativ ist es in einer anderen Ausführungsform auch vorgesehen, dass der Rekonstruktionsfilter 16 erst in der späteren Signalverarbeitung, insbesondere in oder nach der Umschaltvorrichtung 8 oder in der noch eingeführten Ausgangssignalerzeugungskomponente 11 positioniert ist.Alternatively, in another embodiment, it is also provided that the reconstruction filter 16 is only positioned in the later signal processing, in particular in or after the switching device 8 or in the yet-to-be-introduced output signal generation component 11.

Die Angleichungsvorrichtung 7 des zweiten Eingangssignal 2 ist dagegen so eingerichtet, dass das zeit- und wertediskrete Positionssignal x'' des zweiten Eingangssignalpfads 2 heruntergetastet wird. Zum Begrenzen der Brandbreite des Positionssignals x'' umfasst die Angleichungsvorrichtung 7 des zweiten Eingangssignalpfads 2 einen Anti-Aliasing-Filter 17. Der Anti-Aliasing-Filter 17 ist zur Vorfilterung vorliegend als Tiefpassfilter ausgebildet, um hohe Frequenzanteile zu dämpfen und/oder heraus zu filtern.The adjustment device 7 of the second input signal 2, on the other hand, is set up such that the time and value discrete position signal x'' of the second input signal path 2 is downsampled. To limit the bandwidth of the position signal x'', the adjustment device 7 of the second input signal path 2 comprises an anti-aliasing filter 17. The anti-aliasing filter 17 is designed as a low-pass filter for pre-filtering in order to attenuate and/or filter out high frequency components.

Ferner umfasst die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G nach der zweiten Ausführungsform noch die bereits erwähnte Ausgangssignalerzeugungskomponente 11. Die Ausgangssignalerzeugungskomponente 11 ist der Umschaltvorrichtung 8 signaltechnisch nachgeschaltet und derart eingerichtet, dass als Ausgangssignal ein analoges Positionssignal mit sinusförmigem Verlauf erzeugbar ist. Über eine weitere Schnittstelle wird das Positionssignal x_sw zusätzlich als digitales Positionssignal ausgegeben, dass somit mittels einer Anzeigeeinheit unmittelbar für eine Bedienperson angezeigt werden kann.Furthermore, the sensor signal processing unit G according to the invention according to the second embodiment also comprises the output signal generation component 11 already mentioned. The output signal generation component 11 is connected downstream of the switching device 8 in terms of signal technology and is set up in such a way that an analog position signal with a sinusoidal curve can be generated as the output signal. The position signal x _sw is also output as a digital position signal via a further interface, which can thus be displayed directly to an operator by means of a display unit.

Als Ausgangssignale können Sinus- bzw. Cosinus-förmige Signale oder Rechtecksignale, insbesondere mittels eines Quadraturencoders erzeugt werden. Es können ausgangsseitig auch Digitalwerte für Position- und/oder Geschwindigkeit mittels der Ausgangssignalerzeugungskomponente 11 erzeugt und als Ausgangssignal ausgegeben werden.Sinusoidal or cosinusoidal signals or square-wave signals can be generated as output signals, in particular by means of a quadrature encoder. Digital values for position and/or speed can also be generated on the output side by means of the output signal generation component 11 and output as an output signal.

Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass die Umschaltvorrichtung 8 gemäß der zweiten Ausführungsform als Umschaltkriterium K einen Grenzwert für die Eingangssignalfrequenz nutzt. Hierfür ist eine unmittelbare Signalverbindung zwischen der Berechnungseinheit 5 und der Umschaltvorrichtung 8 über einen Signalbypass 20 vorgesehen.Finally, it should be noted that the switching device 8 according to the second embodiment uses a limit value for the input signal frequency as the switching criterion K. For this purpose, a direct signal connection is provided between the calculation unit 5 and the switching device 8 via a signal bypass 20.

Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel.The 3 shows the sensor signal processing unit G according to the invention according to a third preferred embodiment.

Der erste Eingangssignalpfad 1 und der zweite Eingangssignalpfad 2 dieser dritten Ausführungsform entsprechen wiederum dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad 1,2 des zweiten Ausführungsbeispiels. Aus diesem Grund wird hinsichtlich Funktion und Umfang der umfassten Komponenten auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen.The first input signal path 1 and the second input signal path 2 of this third embodiment correspond in turn to the first and second input signal paths 1, 2 of the second embodiment. For this reason, with regard to the function and scope of the components included, reference is made to the description of the 1 and 2 referred to.

Im Wesentlichen unterscheidet sich die Gebersignalverarbeitungseinheit G nach dem dritten Ausführungsbeispiel durch den Aufbau in einem Ausgangssignalabschnitt 18, der sich ausgangsseitig der Umschaltvorrichtung 9 erstreckt.Essentially, the sensor signal processing unit G according to the third embodiment differs in its structure in an output signal section 18, which extends on the output side of the switching device 9.

Der Ausgangssignalabschnitt 18 umfasst nämlich einen Tiefpassfilter 9, der signaltechnisch unmittelbar nach der Umschaltvorrichtung 8 angeordnet ist. Vorteilhaft ermöglicht dieser Tiefpass 9 unter anderem, dass kleinere Sprünge beim Umschalten, die durch Phasengangunterschiede aufgrund von unterschiedlichen Gruppenlaufzeiten der beiden Eingangssignalpfade 1, 2 entstehen können, reduzierbar sind.The output signal section 18 comprises a low-pass filter 9, which is arranged in terms of signal technology immediately after the switching device 8. This low-pass filter 9 advantageously enables, among other things, smaller jumps in the Switching, which can arise due to phase response differences due to different group delays of the two input signal paths 1, 2, can be reduced.

Daher ist es von Vorteil, die Phasengänge der Signale der zwei Eingangssignalpfade 1, 2 möglichst zueinander anzugleichen. Bevorzugt erfolgt dies durch entsprechende Filter, die von den beiden Eingangssignalpfaden 1, 2 umfasst sind.It is therefore advantageous to match the phase responses of the signals of the two input signal paths 1, 2 as closely as possible to one another. This is preferably done by means of appropriate filters which are included in the two input signal paths 1, 2.

Zudem umfasst der Ausgangssignalabschnitt 18 eine Ableitungseinheit 10, die dazu eingerichtet ist, das berechnete und ausgangsseitig der Umschaltvorrichtung 8 ausgegebene Positionssignal durch eine zeitdiskrete Ableitung in ein Geschwindigkeitssignal V_fil umzuformen.In addition, the output signal section 18 comprises a derivation unit 10 which is designed to convert the calculated position signal output on the output side of the switching device 8 into a speed signal V _fil by means of a time-discrete derivation.

Da das Geschwindigkeitssignal V_fil direkt proportional zu der Eingangssignalfrequenz der Eingangssignale A(t), B(t) am Eingang der Gebersignalverarbeitungseinheit G ist, kann das Geschwindigkeitssignal von der Umschaltvorrichtung 8 als Umschaltkriterium K verwendet werden, weshalb die vorliegende Ausführungsform für das Umschaltkriterium K einen Rückführungszweig 19 für die berechnete Geschwindigkeit V_fil aufweist.Since the speed signal V _fil is directly proportional to the input signal frequency of the input signals A(t), B(t) at the input of the sensor signal processing unit G, the speed signal from the switching device 8 can be used as a switching criterion K, which is why the present embodiment has a feedback branch 19 for the calculated speed V _fil for the switching criterion K.

Ein sinnvoller Umschaltpunkt ist somit leicht wählbar und kann beispielsweise bei 50 kHz-Eingangssignalfrequenz festgelegt sein. Es ist häufig sinnvoll, eine Hysterese beim Schaltvorgang vorzusehen, d.h. zwei unterschiedliche Schaltschwellen zu hinterlegen, um den ständigen Wechsel der Umschaltvorrichtung 8 bei Eingangsfrequenzen um die 50 kHz zu vermeidenA sensible switching point can therefore be easily selected and can be set, for example, at an input signal frequency of 50 kHz. It is often useful to provide a hysteresis during the switching process, i.e. to store two different switching thresholds in order to avoid the constant change of the switching device 8 at input frequencies around 50 kHz.

Schließlich umfasst auch die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G nach dem dritten Ausführungsbeispiel eine Ausgangssignalerzeugungskomponente 11, die im vorliegenden Fall als Ausgangssignal das gefilterte Positionssignal x_fil als ein Digitalwert ausgibt.Finally, the encoder signal processing unit G according to the invention according to the third embodiment also comprises an output signal generation component 11, which in the present case outputs the filtered position signal x _fil as a digital value as an output signal.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wäre es jedoch einfach möglich, neben dem Positionssignal auch das Geschwindigkeitssignal ausgangsseitig der Gebersignalverarbeitungseinheit als Analogsignal oder als Digitalsignal auszugeben.In the present embodiment, however, it would be easily possible to output not only the position signal but also the speed signal on the output side of the encoder signal processing unit as an analog signal or as a digital signal.

In der 4 zeigt die erfindungsgemäße Gebersignalverarbeitungseinheit G gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden nun nur die Besonderheiten des vierten Ausführungsbeispiels beschrieben.In the 4 shows the sensor signal processing unit G according to the invention according to a fourth embodiment. In order to avoid repetition, only the special features of the fourth embodiment will now be described.

Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausführungsvarianten umfasst diese Ausführungsform zwei Berechnungseinheiten 5, die neben dem berechnen des Positionssignals x', x'' auch zum Bestimmen des Geschwindigkeitssignals v', v'' ausgebildet sind. Vorteilhaft kann somit das Geschwindigkeitssignal v', v'', das über die jeweilige Angleichungsvorrichtung 7 auch hinsichtlich der jeweiligen Abtastrate und Wortbreite in ein angepasstes Geschwindigkeitssignal z', z'' angepasst wird, als Umschaltkriterium K von der Umschaltvorrichtung 8 genutzt werden.In contrast to the previously described embodiments, this embodiment comprises two calculation units 5 which, in addition to calculating the position signal x', x'', are also designed to determine the speed signal v', v''. The speed signal v', v'', which is adjusted via the respective adjustment device 7 to an adjusted speed signal z', z'' with regard to the respective sampling rate and word width, can thus advantageously be used as a switching criterion K by the switching device 8.

Zudem umfasst die Gebersignalverarbeitungseinheit G noch eine Signalkorrekturkomponente 21, die im ersten Eingangssignalpfad 1 angeordnet ist. Die Signalkorrekturkomponente 21 ist zur Korrektur der Zwischensignale A', B' ausgebildet, derart, dass ein Signal-Offset korrigierbar und/oder eine Abweichung hinsichtlich der Signalamplitude zwischen den Zwischensignalen A' und B' zueinander ausgleichbar und/oder eine Phasenkorrektur zwischen den Zwischensignalen A' und B' durchführbar ist.In addition, the sensor signal processing unit G also includes a signal correction component 21, which is arranged in the first input signal path 1. The signal correction component 21 is designed to correct the intermediate signals A', B' in such a way that a signal offset can be corrected and/or a deviation in terms of the signal amplitude between the intermediate signals A' and B' can be compensated for and/or a phase correction can be carried out between the intermediate signals A' and B'.

In der 5 ist die tabellarische Umsetzung eines Quadraturdekoders abgebildet, der in einer bevorzugten Ausführungsform von der Berechnungseinheit 5, die insbesondere vom zweiten Eingangssignalpfad 2 des Ausführungsbeispiels nach der 4 umfasst ist und somit in Kombination mit einem 1 Bit-A/D-Wandler mit einer Abtastrate von f_s2 = 64 MHz verwendet wird.In the 5 is the tabular implementation of a quadrature decoder which, in a preferred embodiment, is controlled by the calculation unit 5, which is in particular controlled by the second input signal path 2 of the embodiment according to the 4 and is therefore used in combination with a 1-bit A/D converter with a sampling rate of f _s2 = 64 MHz.

Durch den Quadraturdekoder können aus den wert- und zeitdiskreten Zwischensignalen A'', B'', die einen rechteckförmigen Signalverlauf aufweisen, ein Positionssignal x'' bestimmt werden. Für eine Eingangssignalperiode der sinusförmigen Eingangssignale A(t), B(t) ergeben sich vier Quadranten, d.h. vier verschiedene Positionen.The quadrature decoder can determine a position signal x'' from the value and time discrete intermediate signals A'', B'', which have a rectangular signal waveform. For one input signal period of the sinusoidal input signals A(t), B(t), four quadrants, i.e. four different positions, result.

Weiter bevorzugt ist die den Quadraturdekoder umfassende Berechnungseinheit 5 so ausgebildet, dass neben dem Positionssignal x'' auch ein Geschwindigkeitssignal v'' bestimmt wird.Further preferably, the calculation unit 5 comprising the quadrature decoder is designed such that in addition to the position signal x'', a speed signal v'' is also determined.

Ein solches Geschwindigkeitssignal v'' umfasst bevorzugt die konkreten Werte -1, 0 und 1. Besonders bevorzugt lässt sich das Positions- und/oder Drehzahlsignal jeweils als ein 2 Bit-Wert codieren.Such a speed signal v'' preferably comprises the concrete values -1, 0 and 1. Particularly preferably, the position and/or speed signal can each be encoded as a 2-bit value.

Der Quadraturdekoder ist bevorzugt als ein Zustandsautomat entsprechend der in der 5 gezeigten Tabelle ausgebildet. Die in der Tabelle aufgeführten Größen sind jeweils als diskrete Abtastwerte zu den bestimmten Zeitpunkten t_S2 angegeben.The quadrature decoder is preferably designed as a state machine according to the 5 shown in the table. The quantities listed in the table are each given as discrete samples at the specific times t _S2 .

In der ersten Spalte der Tabelle, die mit St bezeichnet ist, ist ein möglicher erster Zustand aufgeführt.The first column of the table, labeled St, lists a possible first state.

Das zu bestimmende Positionssignal x'', das von der Berechnungseinheit 5 des zweiten Eingangssignalpfads 2 zu bestimmen und ausgangsseitig der Berechnungseinheit 5 auszugeben ist, hängt nur von diesem ersten Zustand St ab. The position signal x'' to be determined by the calculation unit 5 of the second input signal path 2 and to be output on the output side of the calculation unit 5 depends only on this first state St.

Aus dem zeilenweisen Vergleich der Einzelwerte der ersten Spalte St und der sechsten Spalte x'' geht dies konkret hervor. Das Positionssignal x'' kann somit nur einen der folgenden Werte annehmen: -2, -1, 0 und 1, weshalb das Positionssignal x'' im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Auflösung von 2 Bit aufweist.This is clearly evident from the line-by-line comparison of the individual values in the first column St and the sixth column x''. The position signal x'' can therefore only assume one of the following values: -2, -1, 0 and 1, which is why the position signal x'' in the present embodiment has a resolution of 2 bits.

Die analogen Eingangssignale A(t), B(t), die einen sinusförmigen Verlauf aufweisen, ändern sich zeitlich, weshalb sich auch die aufgeführten wert- und zeitdiskreten Zwischensignale A'', B'' mit jedem Abtastschritt ändern, vgl. hierzu insbesondere auch die 6a.The analog input signals A(t), B(t), which have a sinusoidal shape, change over time, which is why the listed value and time discrete intermediate signals A'', B'' also change with each sampling step, see in particular the 6a .

Die zu den Abtastzeitpunkten t_s2 abgetasteten Zwischensignale A'' und B'', die vorliegenden mit dem als Komparator ausgebildeten 1 Bit A/D-Wandler erzeugt wurden, umfassen eine Quantisierung von 1 Bit und sind in den entsprechend beschrifteten Spalten der Tabelle zeilenweise aufgeführt. Jede Zeile der Tabelle entspricht einer möglichen Kombination der Werte der Zwischensignale A'' und B'' und des ersten Zustands St zu einem Abtastschritt zum Abtastzeitpunkt t_s2, wobei die verschiedenen Abtastzeitpunkte sich periodisch zu t_s2 wiederholen. Alle möglichen Kombinationen der Werte der Zwischensignale A'' und B'' und des ersten Zustands St sind somit in der Tabelle aufgeführt.The intermediate signals A'' and B'' sampled at the sampling times t _s2 , which were generated here with the 1-bit A/D converter designed as a comparator, comprise a quantization of 1 bit and are listed line by line in the appropriately labeled columns of the table. Each line of the table corresponds to a possible combination of the values of the intermediate signals A'' and B'' and the first state St for a sampling step at the sampling time t _s2 , with the various sampling times repeating periodically at t _s2 . All possible combinations of the values of the intermediate signals A'' and B'' and the first state St are thus listed in the table.

Der Wert der Eingangssignale bzw. Zwischensignale bestimmt den nächsten Zustand StN des Zustandsautomaten, der in der vierten Spalte der Tabelle aufgeführt ist. Dieser Zustand wird im unmittelbar folgenden Abtastschritt als aktueller Zustand St übernommen. Der nächste Zustand StN des Zustandsautomaten und die ausgegebene Position folgen somit immer dem Zustand der Eingangssignale und/oder Zwischensignale.The value of the input signals or intermediate signals determines the next state StN of the state machine, which is listed in the fourth column of the table. This state is adopted as the current state St in the immediately following sampling step. The next state StN of the state machine and the output position therefore always follow the state of the input signals and/or intermediate signals.

Die Änderung oder der Verlauf des aktuellen Zustandes St des Zustandsautomaten kann als Geschwindigkeitssignal v'' interpretiert werden, das im vorliegenden Fall mit 2 Bit Auflösung bereit gestellt wird und im Regelfall die Werte -1, 0 und 1 aufweist, wie aus der Tabelle hervorgeht.The change or the course of the current state St of the state machine can be interpreted as a speed signal v'', which in this case is provided with 2 bit resolution and usually has the values -1, 0 and 1, as shown in the table.

Sollten sich zu einem Abtastzeitpunkt im Vergleich zum vorhergehenden Abtastzeitpunkt beide Zwischensignale A'' und B'' gleichzeitig ändern, wird zusätzlich das Fehlersignal Err erzeugt sowie das Geschwindigkeitssignal v'' auf -2 gesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Fehlersignal Err immer dann erzeugt, wenn sich die quantisierten Zwischensignale A'', B'' gleichzeitig ändern. Anders ausgedrückt, das Err-Signal wird gleich 1, wenn die Abtastrate in Bezug auf die Eingangssignalfrequenz zu niedrig gewählt wurde und somit ein Zustand übersprungen wurde.If both intermediate signals A'' and B'' change simultaneously at a sampling time compared to the previous sampling time, the error signal Err is also generated and the speed signal v'' is set to -2. In the present embodiment, the error signal Err is always generated when the quantized intermediate signals A'', B'' change simultaneously. In other words, the Err signal is equal to 1 if the sampling rate was chosen to be too low in relation to the input signal frequency and a state was thus skipped.

Weiterbildend kann aus dem berechneten Geschwindigkeitssignal v'' mittels eines zusätzlichen Tiefpassfilters ein hochaufgelöstes Geschwindigkeitssignal erzeugt werden.In addition, a high-resolution speed signal can be generated from the calculated speed signal v'' using an additional low-pass filter.

Da vorliegend die Eingangssignalwortbreite des Geschwindigkeitssignals v'' mit 2 Bit sehr klein ausfällt, ist eine sehr schnelle und speichereffiziente Tiefpassfilterung insbesondere ohne Rundungsfehler möglich. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang ein FIR - Filter, der besonders bevorzugt als ein allgemein bekannter Mittelwertfilter ausgebildet ist. Vorteilhaft ermöglicht dies eine technisch einfache Implementierung in einem Mikrocontroller. Besonders bevorzugt ist zudem, wenn der Mittelwertfilter kaskadiert, insbesondere mehrfach kaskadiert wird, was gleich noch näher erläutert wird.Since the input signal word width of the speed signal v'' is very small at 2 bits, very fast and memory-efficient low-pass filtering is possible, in particular without rounding errors. In this context, an FIR filter is preferred, which is particularly preferably designed as a generally known mean value filter. This advantageously enables a technically simple implementation in a microcontroller. It is also particularly preferred if the mean value filter is cascaded, in particular cascaded multiple times, which will be explained in more detail below.

Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn nur ein einzelner gleitender Mittelwertfilter über 512 Werte aus dem 2-Bit-Geschwindigkeitssignal ein Geschwindigkeitssignal von 11 Bit Wortbreite erstellt.In this context, it is particularly preferred if only a single moving average filter over 512 values creates a speed signal of 11 bit word width from the 2-bit speed signal.

Dieser gleitende Mittelwertfilter würde die letzten 512 Werte des Geschwindigkeitssignals v'' aufsummieren, gewichten und das Ergebnis v'' _ma zu jedem Abtastzeitpunkt t_S2 bereitstellen. Der Mittelwertfilter lässt sich über den folgenden Zusammenhang beschreiben: $$v{"}_{ma}\left(t_{s_2}\left(n\right)\right)=\frac{1}{512}{\displaystyle \sum {}_{i=0}^{511}v"\left(t_{s_2}\left(n-i\right)\right)}.$$

This moving average filter would sum up the last 512 values of the speed signal v'', weight them and provide the result v'' _ma at each sampling time t _S2 . The average filter can be described using the following relationship: $$v{"}_{ma}\left(t_{s_2}\left(n\right)\right)=\frac{1}{512}{\displaystyle \sum {}_{i=0}^{511}v"\left(t_{s_2}\left(n-i\right)\right)}.$$

Unter Kaskadieren wird in diesem Zusammenhang bevorzugt verstanden, dass man diese Aufsummierung mit den Ausgangswerten des Filters wiederholt. Bevorzugt wird mehrfach, besonders bevorzugt dreifach, kaskadiert, um eine ausreichende Dämpfung für die anschließende Signalverarbeitung, insbesondere eine Signaltastung, zu erreichen.In this context, cascading is preferably understood to mean that this summation is repeated with the output values of the filter. Cascading is preferably carried out several times, particularly preferably three times, in order to achieve sufficient attenuation for the subsequent signal processing, in particular signal sampling.

Anschließend kann exakt diskret integriert werden, insbesondere durch das Aufsummieren aller Werte und es kann somit aus dem Geschwindigkeitssignal v''_ma wieder eine Position, insbesondere eine exakte Positionsinformation, die nun hoch aufgelöst und gefiltert ist, erzeugt werden.Subsequently, exact discrete integration can be carried out, in particular by summing up all values, and a position, in particular exact position information, which is now highly resolved and filtered, can be generated from the speed signal v'' _ma .

Der Startwert des Integrators stellt ein Positionsoffset dar, weshalb dieser zu berücksichtigen ist. Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass der Ausgang des Integrators einen größeren Wertebereich umfasst kann, sodass es möglich ist, eine bestimmte Anzahl an Signalperioden zu zählen. Ein solch erweitertes Positionssignal hat eine verlängerte Periodendauer gegenüber einem nicht erweiterten Positionssignal. Es muss dann auch das Positionssignal so erweitert sein, dass es den gleichen Wertebereich wie das erweiterte Positionssignal besitzt, um umgeschaltet werden zu können. Werden als Positionssignale erweiterte Positionssignale genutzt, kann aufgrund der verlängerten Periodendauer auch eine Zielabtastrate gewählt werden, die niedriger als die halbe Signalfrequenz der Eingangssignale A(t) und B(t) ist.The starting value of the integrator represents a position offset, which is why this must be taken into account. Finally, it should be noted that the output of the integrator has a larger value range range, so that it is possible to count a certain number of signal periods. Such an extended position signal has an extended period duration compared to a non-extended position signal. The position signal must then also be extended so that it has the same value range as the extended position signal in order to be able to be switched. If extended position signals are used as position signals, a target sampling rate that is lower than half the signal frequency of the input signals A(t) and B(t) can also be selected due to the extended period duration.

Weiterhin kann es hilfreich sein, direkt vor dem Umschalten die Position, auf die umgeschaltet wird, durch einen zweiten Positionsoffset so zu verändern, dass diese möglichst exakt der Position des anderen Eingangssignalpfads entspricht. Damit gibt es zum Umschaltzeitpunkt keinen Positionssprung. Der zweite Positionsoffset muss jedoch nach dem Umschalten schrittweise auf Null reduziert werden, um wieder die Originalposition zu erhalten. Natürlich darf der zweite Positionsoffset nur klein, insbesondere kleiner als 0,01 rad sein, wobei die Originalposition den Winkel einer Eingangssignalperiode darstellen kann.It can also be helpful to change the position to which the switch is made using a second position offset immediately before switching so that it corresponds as precisely as possible to the position of the other input signal path. This means that there is no jump in position at the time of switching. However, the second position offset must be gradually reduced to zero after switching in order to return to the original position. Of course, the second position offset must only be small, in particular smaller than 0.01 rad, whereby the original position can represent the angle of an input signal period.

Weiterbildend sind die folgenden Maßnahmen vorgesehen, um ein Positionsoffset beim Umschalten zu vermeiden:

• Die beiden Eingangssignalpfade sind bis zur Umschaltvorrichtung möglichst weitgehend auf ihre Eigenschaften wie z.B. Signallaufzeiten angeglichen. Diese Signaleigenschaften können beispielsweise durch unterschiedliche Kennlinien in Bezug auf verwendete Komparatoren und/oder implementierte Quadraturdekoder auftreten. Hierbei handelt es sich um konstante Größen, weshalb statische Positionsoffsets durch Abzug dieser Konstanten ausgeglichen werden können, wobei hier insbesondere auch auf die Ausführung zu der 6b hingewiesen wird.

The following measures are provided to avoid a position offset during switching:

• The two input signal paths are matched as closely as possible to their properties, such as signal propagation times, up to the switching device. These signal properties can arise, for example, from different characteristics in relation to the comparators used and/or implemented quadrature decoders. These are constant values, which is why static position offsets can be compensated by subtracting these constants, whereby particular attention should be paid to the design of the 6b is pointed out.

Dynamische Positionsoffsets, wie sie etwa durch unterschiedliche Gruppenlaufzeiten auftreten können, werden durch Laufzeitausgleiche wie Verzögerungsglieder, Beobachter oder Korrekturrechnungen ausgeglichen.Dynamic position offsets, which can occur due to different group delays, are compensated by delay compensation such as delay elements, observers or correction calculations.

Zudem ist es möglich, nicht korrigierte dynamische Positionsoffsets vor dem Umschalten mittels einer Signalkorrekturkomponente auszugleichen. Direkt vor dem Umschalten wird dazu das Positionssignal, auf das umgeschaltet wird, so durch einen zweiten Positionsoffset verändert, dass dieses möglichst exakt dem Positionssignal des anderen Eingangssignalpfads entspricht. Vorteilhaft lässt sich somit zum Umschaltzeitpunkt ein Positionssprung vermeiden. Der zweite Positionsoffset muss jedoch nach dem Umschalten schrittweise auf Null reduziert werden, um wieder die Originalposition zu erhalten.It is also possible to compensate for uncorrected dynamic position offsets before switching using a signal correction component. Immediately before switching, the position signal to which switching is taking place is modified by a second position offset so that it corresponds as closely as possible to the position signal of the other input signal path. This advantageously avoids a jump in position at the time of switching. However, the second position offset must be gradually reduced to zero after switching in order to regain the original position.

Die 6a/b vergleichen die Signale des ersten Eingangssignalpfads A', B' mit den Signalen des zweiten Eingangssignalpfads A'', B'' für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gebersignalverarbeitungseinheit G, um die Signalabtastung und Signalfilterung, wie sie in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, zu veranschaulichen.The 6a /b compare the signals of the first input signal path A', B' with the signals of the second input signal path A'', B'' for a preferred embodiment of the encoder signal processing unit G according to the invention in order to illustrate the signal sampling and signal filtering as provided in a particularly preferred embodiment of the present invention.

Im ersten Eingangssignalpfad, der einen A/D-Wandler mit einer Abtastfrequenz von 250 kHz und einer Auflösung von 12 Bit umfasst, weisen die zeit- und wertdiskreten Zwischensignale A', B' noch einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf auf, was aus der 6a hervorgeht.In the first input signal path, which includes an A/D converter with a sampling frequency of 250 kHz and a resolution of 12 bits, the time and value discrete intermediate signals A', B' still have an essentially sinusoidal shape, which can be seen from the 6a emerges.

Die Zwischensignale des zweiten Eingangssignalpfads A'', B'', der einen A/D-Wandler mit einer Abtastfrequenz von 64 MHz und einer Auflösung von 1 Bit umfasst, besitzen einen rechteckförmigen Verlauf.The intermediate signals of the second input signal path A'', B'', which includes an A/D converter with a sampling frequency of 64 MHz and a resolution of 1 bit, have a rectangular shape.

Die Positionssignale x', x'', die aus den jeweiligen Zwischensignalen berechenbar sind, sind in der 6b dargestellt.The position signals x', x'', which can be calculated from the respective intermediate signals, are in the 6b shown.

Das Positionssignal x' des ersten Eingangssignalpfads 1 entspricht aufgrund der hohen Quantisierung im Wesentlichen dem idealen Verlauf der Position, die sich insbesondere auch über eine atan2-Funktion aus den sinusförmigen Eingangssignalen A(t), B(t) bestimmen lässt.Due to the high quantization, the position signal x' of the first input signal path 1 essentially corresponds to the ideal course of the position, which can be determined in particular via an atan2 function from the sinusoidal input signals A(t), B(t).

In der 6b sind zur besseren Veranschaulichung die berechneten Positionssignale x' und x'' auf einen Bereich von -2 bis +2 normiert und über der durch die Eingangssignale A(t) und B(t) codierten Position, die als Winkel einer Eingangssignalperiode angegeben ist, dargestellt. Das Positionssignal x'' nimmt die Werte aus der Spalte x'' in der 5 an. Weiterhin ist in der 6b ein statischer Positionsoffset zwischen den Signalen x' und x'' von -π/4 rad zu erkennen, der wie oben beschrieben vor einer Umschaltung berücksichtigt werden muss.In the 6b For better illustration, the calculated position signals x' and x'' are normalized to a range from -2 to +2 and shown over the position encoded by the input signals A(t) and B(t), which is given as the angle of an input signal period. The position signal x'' takes the values from the column x'' in the 5 Furthermore, the 6b a static position offset between the signals x' and x'' of -π/4 rad can be detected, which must be taken into account before switching as described above.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• EP 1606590 B1 [0002, 0004, 0005]EP 1606590 B1 [0002, 0004, 0005]

Claims (12)

Gebersignalverarbeitungseinheit (G) zum Einlesen und Verarbeiten von analogen Gebersignalen in Form von Eingangs-Cosinus-Signalen (A(t)) und Eingangs-Sinus-Signalen (B(t)) mit einer Eingangssignalfrequenz, die eine Position codieren, und zum Ausgeben von wenigstens einem Ausgangssignal (X_sw, O₁ ... _n) mit einer Ausgangssignalfrequenz, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Eingangssignalfrequenz steht, umfassend: • wenigstens einen ersten und einen zweiten Eingangssignalpfad (1, 2), die eingangsseitig verbunden sind, wobei der erste und der zweite Eingangssignalpfad (1, 2) dazu ausgebildet sind, die analogen Eingangssignale (A(t), B(t)) mit im Vergleich zueinander unterschiedlicher Eingangssignalfrequenz zu verarbeiten, wobei der zweite Eingangssignalpfad (2) dazu ausgebildet ist, Eingangssignale (A(t), B(t)) mit im Vergleich zum ersten Eingangssignalpfad (1) höherer Eingangssignalfrequenz zu verarbeiten, • wenigstens einen A/D-Wandler (3, 4) zum Umsetzen des jeweiligen analogen Eingangssignals (A(t), B(t)) in ein digitales Zwischensignal (A', B', A'', B''), wobei der wenigstens eine A/D-Wandler (3, 4) vom ersten und/oder zweiten Eingangssignalpfad (1, 2) umfasst ist, und • wenigstens eine Berechnungseinheit (5) zum Bestimmen eines die Position abbildenden Positionssignals (x', x'') aus dem jeweiligen Zwischensignal (A', B', A'', B''), wobei die Berechnungseinheit (5) vom ersten und/oder zweiten Eingangssignalpfad (1, 2) umfasst ist, gekennzeichnet durch eine von der Gebersignalverarbeitungseinheit (G) umfasste Umschaltvorrichtung (8) zum Ausgeben des berechneten Positionssignals (x', x'') entweder des ersten Eingangssignalpfads (1) oder des zweiten Eingangssignalpfads (2) in Abhängigkeit eines Umschaltkriteriums (K).Sensor signal processing unit (G) for reading in and processing analog sensor signals in the form of input cosine signals (A(t)) and input sine signals (B(t)) with an input signal frequency that encodes a position, and for outputting at least one output signal (X _sw , O ₁ ... _n ) with an output signal frequency that is in a predetermined ratio to the input signal frequency, comprising: • at least one first and one second input signal path (1, 2) that are connected on the input side, wherein the first and the second input signal path (1, 2) are designed to process the analog input signals (A(t), B(t)) with a different input signal frequency compared to one another, wherein the second input signal path (2) is designed to process input signals (A(t), B(t)) with a higher input signal frequency compared to the first input signal path (1), • at least one A/D converter (3, 4) for converting the respective analog input signal (A(t), B(t)) into a digital intermediate signal (A', B', A'', B''), wherein the at least one A/D converter (3, 4) is included in the first and/or second input signal path (1, 2), and • at least one calculation unit (5) for determining a position signal (x', x'') representing the position from the respective intermediate signal (A', B', A'', B''), wherein the calculation unit (5) is included in the first and/or second input signal path (1, 2), characterized by a switching device (8) included in the encoder signal processing unit (G) for outputting the calculated position signal (x', x'') of either the first input signal path (1) or the second input signal path (2) depending on a switching criterion (K). Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingangssignalpfad (2) im Vergleich zum ersten Eingangssignalpfad (1) eine höhere Abtastrate und eine niedrigere Auflösung bei der A/D-Wandlung aufweist.Encoder signal processing unit (G) according to Claim 1 , characterized in that the second input signal path (2) has a higher sampling rate and a lower resolution in the A/D conversion compared to the first input signal path (1). Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine A/D-Wandler (4) des zweiten Eingangssignalpfads (2) durch einen 1-Bit-A/D-Wandler (6) zum Erhöhen der Abtastrate und Reduzieren der Auflösung ausgebildet ist, wobei insbesondere der 1-Bit-A/D-Wandler durch einen Komparator (15) zur Wertdiskretisierung ausgebildet ist.Encoder signal processing unit (G) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one A/D converter (4) of the second input signal path (2) is designed by a 1-bit A/D converter (6) for increasing the sampling rate and reducing the resolution, wherein in particular the 1-bit A/D converter is designed by a comparator (15) for value discretization. Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch, eine von der Gebersignalverarbeitungseinheit (G) umfasste Angleichungsvorrichtung (7) zum Angleichen der Abtastraten und Wortbreiten zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignalpfad (1, 2), die bevorzugt der Umschaltvorrichtung (8) vorgeschaltet ist und die weiter bevorzugt einen Tiefpassfilter umfasst.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized by an adjustment device (7) included in the sensor signal processing unit (G) for adjusting the sampling rates and word widths between the first and the second input signal path (1, 2), which is preferably connected upstream of the switching device (8) and which further preferably includes a low-pass filter. Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Angleichungsvorrichtung (7) dazu ausgebildet ist, das Positionssignal (x'') des zweiten Eingangssignalpfads (2) herunterzutasten, wobei der zweite Eingangssignalpfad (2) einen Anti-Aliasing-Filter (17) zum Begrenzen der Brandbreite aufweist und/oder dass die Angleichungsvorrichtung (7) dazu ausgebildet ist, das Positionssignal (x') des ersten Eingangssignalpfads (1) heraufzutasten, wobei der erste Eingangssignalpfad (1) einen Rekonstruktionsfilter (16) aufweist.Encoder signal processing unit (G) according to Claim 4 , characterized in that the adjustment device (7) is designed to downsample the position signal (x'') of the second input signal path (2), wherein the second input signal path (2) has an anti-aliasing filter (17) for limiting the bandwidth and/or that the adjustment device (7) is designed to upsample the position signal (x') of the first input signal path (1), wherein the first input signal path (1) has a reconstruction filter (16). Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebersignalverarbeitungseinheit (G) einen zusätzlichen Tiefpassfilter (9) umfasst, der der Umschaltvorrichtung (8) zur Auflösungserhöhung nachgeschaltet ist.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor signal processing unit (G) comprises an additional low-pass filter (9) which is connected downstream of the switching device (8) for increasing the resolution. Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von der Gebersignalverarbeitungseinheit (G) umfasste Ableitungseinheit (10) zum Bestimmen der Geschwindigkeit, insbesondere eines Geschwindigkeitssignals, (V_fil) aus der berechneten Position, insbesondere dem berechneten Positionssignals.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized by a derivation unit (10) included in the sensor signal processing unit (G) for determining the speed, in particular a speed signal, (V _fil ) from the calculated position, in particular the calculated position signal. Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (8) dazu ausgebildet ist, als Umschaltkriterium (K) einen Grenzwert für die Eingangssignalfrequenz und/oder eine aus der berechneten Position, insbesondere dem Positionssignal, abgeleitete Geschwindigkeit (v', v'', z', z'', V_fil) zu verwenden.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (8) is designed to use a limit value for the input signal frequency and/or a speed (v', v'', z', z'', V _fil ) derived from the calculated position, in particular the position signal, as the switching criterion (K). Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Eingangssignalpfad (1) einen dem A/D-Wandler (3) nachgeschaltete Signalkorrekturkomponente (21) zur Korrektur der Signale des ersten und/oder des zweiten Eingangssignalpfads (1,2), insbesondere wenigstens eines Zwischensignals aufweist, wobei die jeweilige Signalkorrekturkomponente (21) dazu ausgebildet ist, einen Signal-Offset zu berichtigen und/oder die Signalamplituden zueinander anzugleichen und/oder eine Phasenkorrektur der Signale des ersten und/oder des zweiten Eingangssignalpfads (1,2), insbesondere wenigstens eines Zwischensignals vorzunehmen.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and/or the second input signal path (1) has a signal correction component (21) connected downstream of the A/D converter (3) for correcting the signals of the first and/or the second input signal path (1, 2), in particular at least one intermediate signal, wherein the respective signal correction component (21) is designed to correct a signal offset and/or to equalize the signal amplitudes to one another and/or to carry out a phase correction of the signals of the first and/or the second input signal path (1, 2). output signal path (1,2), in particular at least one intermediate signal. Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Gebersignalverarbeitungseinheit (G), insbesondere die Berechnungseinheit (5), eine Zusatzkomponente umfasst, die so ausgebildet ist, dass das Positionssignal über mehrere Signalperioden erweiterbar ist und/oder • dass der zweite Eingangssignalpfad eine Zusatzeinheit zum Bestimmen der Eingangssignalfrequenz eines der Eingangssignale (A(t), B(t)) aufweist.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized in that • the sensor signal processing unit (G), in particular the calculation unit (5), comprises an additional component which is designed such that the position signal can be extended over several signal periods and/or • that the second input signal path has an additional unit for determining the input signal frequency of one of the input signals (A(t), B(t)). Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch, eine von der Gebersignalverarbeitungseinheit (G) umfasste Ausgangssignalerzeugungskomponente (11), die der Umschaltvorrichtung (8) nachgeschaltet ist und so ausgebildet ist, dass wenigstens ein analoges sinusförmiges oder rechteckförmiges Positions- und/oder Geschwindigkeitssignal (O_{1 ...N}) erzeugbar und als das wenigstens eine Ausgangssignal ausgebbar ist und/oder dass die Ausgangssignalerzeugungskomponente (11) so ausgebildet ist, dass ein digitales Positions- und/oder Geschwindigkeitssignal als das wenigstens eine Ausgangssignal (O₁) ausgebbar ist.Sensor signal processing unit (G) according to one of the preceding claims, characterized by an output signal generation component (11) included in the sensor signal processing unit (G), which is connected downstream of the switching device (8) and is designed such that at least one analog sinusoidal or rectangular position and/or speed signal (O _{1 ...N} ) can be generated and output as the at least one output signal and/or that the output signal generation component (11) is designed such that a digital position and/or speed signal can be output as the at least one output signal (O ₁ ). Positions- und/oder Drehwinkelgeber mit einer Gebersignalverarbeitungseinheit (G) nach einem der vorgenannten Ansprüche als Vorstufe zur Signalverarbeitung und/oder zur Signalverarbeitung.Position and/or angle encoder with an encoder signal processing unit (G) according to one of the preceding claims as a precursor to signal processing and/or for signal processing.

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