DE10138640C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vorbereiten eines analogen Sensorsignals eines Positionsensors für eine Übertragung zu einer Auswerteeinheit - Google Patents

Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Auswertung der Sensorsignale eines Positionssensors mit einer mechanischen Periode dadurch verbessert werden kann, dass das Auseinanderklaffen zwischen der elektrisch optimalen Periode und der in mechanischer Hinsicht optimalen Periode beseitigt wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass das Sensorsignal eines Positionssensors, das eine Periode aufweist, die von der mechanischen Periode des Maßstabs des Positionssensors abhängt, vor bzw. für die Ausgabe bzw. Übertragung zu einer Auswerteeinheit in ein übersetztes Signal übersetzt wird, das eine Periode aufweist, die einer zweiten, beispielsweise auf die elektrisch optimierte Periode eingestellten, mechnischen Periode entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Positionssensoren, die einen Maßstab mit einer mechanischen Periode aufweisen und Sensorsignale mit einer Periode ausgeben, die von der me­ chanischen Periode abhängt, wie z. B. einen Lineardiffertial­ transformator (LVDT = Linear Variable Differential Transfor­ mer) oder einen Drehdifferentialtransformator (RVDT = Rota­ tional Variable Differential Transformer), und insbesondere auf die Vorbereitung eines solchen Sensorsignals eines Posi­ tionssensors zur Ausgabe an eine entsprechende Auswerteein­ heit.

Ein Beispiel für Positionssensoren, die einen mechanischen Maßstab verwenden, um eine Weg- oder Winkelmessung durchzu­ führen, bilden Lineardifferentialtransformatoren oder Dreh­ differentialtransformatoren, die im folgenden als Resolver bezeichnet werden, oder spezielle Anordnungen magnetoresisti­ ver Widerstände oder Hallsensoren, die zur Messung eines We­ ges oder eines Drehwinkels α bei mechanischen Anordnungen oder Maschinen verwendet werden. Diese Sensoren liefern zwei Ausgangssignale, die in Abhängigkeit der mechanischen Positi­ on variieren, so dass aus den Signalen die Position in Bezug auf einen Periodenabschnitt des mechanischen Maßstabs eindeu­ tig bestimmbar ist.

Fig. 1a und Fig. 1c zeigen beispielsweise zwei verschiedene Anordnungen zur Messung der linearen Position, während Fig. 1b eine Anordnung zur Messung eines Drehwinkels zeigt. Die Fig. 1a zeigt eine Erregerspule 10 und zwei Messspulen 20 und 30 und einen Messgegenstand 40 mit geeigneten Materialeigen­ schaften, wie z. B. einer geeigneten magnetischen Suszeptibi­ lität, der zwischen der Erregerspule 10 auf der einen Seite und den Messspulen 20 und 30 auf der anderen Seite angeordnet ist, und entlang einer Achse 50 linear bewegbar ist. Die An­ ordnung ist derart gestaltet, dass eine lineare Verschiebung des Messgegenstands 40 oder der Erregerspule 10 eine Änderung der Kopplungsverhältnisse zwischen der Erregerspule 10 und der Messspule 20 sowie zwischen der Erregerspule 10 und der Messspule 30 bewirkt. Eine Erregerspannung an der Erregerspu­ le 10 bewirkt deshalb Signale an den Messspulen 20 und 30, die in Quadratur zueinander stehen. Die Position des Messge­ genstands 40 ist als ein Winkel α definierbar, der das Ver­ hältnis zwischen den beiden Messsignalen bestimmt, wie es im folgenden erläutert werden wird.

Die in Fig. 1b gezeigte Anordnung entspricht der in Fig. 1a gezeigten Anordnung bis auf den Messgegenstand 40. In diesem Fall ist der Messgegenstand durch einen drehbaren Körper 50 gebildet. Durch Drehen der Körpers 50 ändert sich wie bei der Anordnung in Fig. 1a das Verhältnis zwischen den in den Mess­ spulen 20 und 30 erfassten Messsignalen in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α, wodurch der Drehwinkel α bestimmt werden kann.

Die Fig. 1c zeigt eine zu Fig. 1a alternative Anordnung mit magnetoresistiven Sensoren 60 und 70, wobei als linear ver­ schiebbarer Messgegenstand ein magnetischer Maßstab 80 dient. Der magnetische Maßstab 80 weist zwei geeignet ausgerichtete magnetische Bereiche auf, die jeweils entgegengesetzte Ma­ gnetfelder am Ort der magnetoresistiven Sensoren 60 und 70 erzeugen, wobei diese Bereiche in Fig. 1c durch vier in ab­ wechselnder Richtung ausgerichtete Stabmagnete 80a, 80b, 80c und 80d dargestellt sind. Durch Verschieben des Maßstabs 80 entlang einer Achse 90 ändert sich das magnetische Feld am Ort der magnetoresistiven Sensoren 60 und 70 und somit der elektrische Widerstand derart, dass an den Sensoren 60 und 70 Signale gemessen werden, die in Quadratur zueinander stehen.

Folglich zeichnet sich die Variation der Signale zunächst da­ durch aus, dass dieselben im wesentlichen in Quadratur zuein­ ander stehen. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Wert α einerseits und den Messsignalen an der Spule 20 und an der Messspule 30 andererseits in Abhängigkeit von einer Erre­ gungsspannung U₀ für den in Fig. 1b gezeigten Messaufbau, wo­ bei der Zusammenhang aber im wesentlichen auch auf den in Fig. 1c und Fig. 1a gezeigten Aufbau zutrifft.

Wie es aus Fig. 2 hervorgeht, können die in Bezug auf die me­ chanische Periode l_PER des mechanischen Maßstabs definierten periodischen Signale Usin und Ucos durch folgende Gleichungen beschrieben werden:

wobei U₀ eine Gleich- oder Wechselspannung bzw. ein Gleich- oder Wechselstrom sein kann, wie z. B. U₀ = Upp cos(ωt), wobei Upp die Amplitude der Wechselspannung U₀ ist.

Fig. 3 zeigt die Signalverläufe der Messsignale Usin und Ucos der Sensoren von Fig. 1b und 1c in Abhängigkeit von dem Win­ kel α bzw. der linearen Verschiebung α. Wie zu sehen ist, zeichnet sich die Variation dieser Signale dadurch aus, dass sie in Quadratur zueinander stehen, d. h. sich zueinander wie Cosinus und Sinus verhalten, und dass die Signale Ucos und Usin periodisch sind und eine Periode aufweisen, die der me­ chanischen Periode l_PER des mechanischen Maßstabs entspricht. In dem Fall von Fig. 1b beträgt die mechanische Periode l_PER beispielsweise eine volle Umdrehung, d. h. 360°, und in dem Fall von Fig. 1c ist dieselbe gleich dem Abstand zweier je­ weils gleichsinnig gerichteter Magnete. Anders ausgedrückt weisen die Signale Usin und Ucos nur innerhalb einer Periode l_PER einen eindeutigen Zusammenhang zu der Messgröße α auf und wiederholen sich periodisch beim Durchlaufen mehrerer Pe­ riodenabschnitte der Länge l_PER, wie z. B. bei zwei Umdrehun­ gen.

In Fig. 4 sind beispielsweise die Sensorsignale Ucos und Usin exemplarisch für den Fall einer konstanten Dreh- oder Trans­ lationsbewegung gegen die Zeit t aufgetragen. Wie es zu sehen ist, sind die Signale Usin und Ucos periodische Signale, die in aufeinanderfolgenden Perioden den Wertebereich der in Fig. 3 gezeigten Signalverläufe durchlaufen. Die Zeitperiodenlänge der Signale Ucos und Usin ergibt sich zu dem Quotienten aus der mechanischen Periode l_PER und der linearen Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit v. Nach einer Zeitdauer von l_PER/v hat die relative Drehung bzw. Verschiebung des Maßstabs zu dem Positionssensor eine mechanische Periode l_PER zurückge­ legt. Bei einer nicht-konstanten Drehung bzw. Verfahrge­ schwindigkeit ergeben sich ebenfalls periodische Signale, die jedoch keine konstante Periode sondern eine sich ändernde Pe­ riode aufweisen.

Da fast alle Steuerungen und Regelungen mechanischer Systeme in zunehmendem Masse digital realisiert werden, müssen die Ausgangssignale Usin und Ucos der Sensoren zumeist digitali­ siert werden. Zur Ermittlung einer digitalen Äquivalenz α_DIG der Position α muss das Verhältnis von Usin zu Ucos ausge­ wertet werden, wobei im allgemeinen folgende Beziehung gilt:

Unter den Auswerteverfahren gibt es solche, die beide Span­ nungen Usin und Ucos gemeinsam digitalisieren und daraufhin die Berechnung des Arkustangens digital vornehmen, und sol­ che, die beide Spannung Usin und Ucos gleichzeitig digitali­ sieren und hierbei unmittelbar den digitalen Wert α_DIG bil­ den.

Um die Sensorsignale, wie sie von einem der Sensoren in Fig. 1a-1c erzeugt werden, und wie sie exemplarisch in Fig. 4 ge­ zeigt sind, zu einer Auswerteeinheit zu übertragen, wo die­ selben ausgewertet, wie z. B. digitalisiert, werden, werden herkömmlicher Weise die in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellten Lösungen zum Anschluss des Positionssensors an eine Auswerte­ einheit verwendet. Bei der folgenden Beschreibung der Fig. 5 bis 7 wird darauf hingewiesen, dass identische Elemente in den Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen werden, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser identischen Elemente weggelassen wird.

Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils einen Positionssensor 100, der mittels eines Maßstabs 110 mit einer mechanischen Periode l_PER eine relative lineare Verschiebung 120 des Maßstabs 110 in Relation zu dem Positionssensor 100 oder eine Verschiebung des Positionssensors 100 in Relation zum Maßstab 110 erfasst. In dem Fall von Fig. 5 ist der Positionssensor direkt an eine Auswerteeinheit 130 angeschlossen. Hierzu ist der Positions­ sensor 100 über vier Übertragungsleitungen 140a, 140b, 140c und 140d mit der Auswerteeinheit 130 verbunden, um das Sen­ sorsignal Usin und das Sensorsignal Ucos differentiell an die Auswerteeinheit 130 zu übertragen.

Um die aufgrund der Länge der Übertragungsleitungen 140a-140d auftretenden Übertragungsfehler bei der Übertragung von dem Positionssensor 100 zu der Auswerteeinheit 130 zu verringern, sind bei der in Fig. 6 gezeigten Lösung zur Übertragung der Sensorsignale vor die Übertragungsleitungen 140a-140d analoge Leitungstreiber 150a und 150b geschaltet, die mit dem Sensor 100 über Leitungen 155a, 155b, 155c und 155d verbunden sind und durch eine Verstärkung bzw. Vorbereitung der Sensorsigna­ le Usin und Ucos des Positionssensors 100 eine sicherere Übertragung gewährleisten.

Die in Fig. 7 gezeigte Lösung zur Übertragung der Sensorsi­ gnale des Positionssensors 100 zu der Auswerteeinheit 130 er­ höht die Sicherheit der Übertragung dieser Signale durch eine Vorbereitung bzw. Digitalisierung derselben vor der eigentli­ chen Übertragung zu der Auswerteeinheit 130. Zur Digitalisie­ rung ist ein Analog/Digital-Wandler 160 mit dem Positionssen­ sor 100 verbunden, um die differentiell eingespeisten analo­ gen Sensorsignale Usin und Ucos zu empfangen, dieselben zu digitalisieren und in digitalisierter Form mittels Leistungs­ treibern 160a und 160b an einer Ausgangsstufe desselben zu verstärken und in digitaler und verstärkter Form auf Übertra­ gungsleitungen 170a und 170b an die Auswerteeinheit 130 aus­ zugeben. Im Gegensatz zu den Übertragungen gemäß Fig. 5 und 6 werden die Sensorsignale Usin und Ucos nicht erst in der Aus­ werteeinheit 130 sondern direkt bei dem Positionssensor 100 durch den Analog/Digital-Wandler 160 digitalisiert. Die digi­ tale Auswerteeinheit 130 kann die im vorhergehenden erwähnte Berechnung des Arkustangens basierend auf den digitalen Sen­ sorsignalen durchführen.

Die Auswertung der Sensorsignale Usin und Ucos ist weitestge­ hend unabhängig von der Variation der Erregerspannung Uo, was bedeutet, dass Störungen, die auf beiden Signalen bzw. an beiden Leitungspaaren 140a, 140b bzw. 140c und 140d bzw. bei­ den Leitungen 170a und 170b gleichermaßen auftreten, im we­ sentlichen keine Auswirkung auf das Auswerteergebnis haben. Störungen, die aber nur einem der beiden Sensorsignale Usin und Ucos überlagert sind, wirken sich unmittelbar auf das Messergebnis aus. Um ein möglichst genaues Ergebnis zu erhal­ ten, ist es deshalb wünschenswert, eine möglichst kleine me­ chanische Periode l_PER zu verwenden, um den Quotienten aus den Sensorsignalen Usin und Ucos möglichst ungenau bestimmen und bei einer bestimmten Auflösung nur noch wenige Punkte einer Periode auswerten zu müssen, so daß sich unsymmetrische Stö­ rungen möglichst wenig auf die Auswertung auswirken. Ein Ex­ tremfall besteht in der Abtastung der Nulldurchgänge und Ma­ xima beider Sensorsignale. Bei der digitalen Darstellung der Sensorsignale mit jeweils einem Bit entsteht das in der in­ dustriellen Steuerungstechnik verbreitete Inkrementsignal.

Dem Wunsch nach einer möglichst kleinen mechanischen Periode, um gegen asymmetrische Störungen der zueinander in Quadratur stehenden Signale entgegenzuwirken, stehen jedoch einige Pro­ bleme entgegen. Zum einen ist es fertigungstechnisch und me­ chanisch nicht immer möglich, die Maßstäbe ausreichend klein herzustellen, anzubringen oder abzulesen. Zum anderen werden die Sensorsignale des Positionssensors 100 bei hoher Dreh- bzw. Fahrgeschwindigkeit sehr hochfrequent. In Fig. 4, in der exemplarische Sensorsignale Ucos und Usin für den Fall einer konstanten Dreh- oder Translationsbewegung gegen die Zeit t aufgetragen sind, ist beispielsweise die Abtastzeit Δt zwi­ schen zwei Abtastungen in der Auswerteeinheit dargestellt. In Hinblick auf eine maximale Verfahr- bzw. Drehgeschwindigkeit ist die Auswertbarkeit der Sensorsignale Ucos und Usin folg­ lich durch die Bandbreite und die Abtastgeschwindigkeit Δt der Auswerteelektronik bzw. der Auswerteeinheit beschränkt, so dass beispielsweise Δt ≦ ½l_PER/v gelten muss. Eine untere Schranke für die mechanische Periode ergibt sich ferner dar­ aus, dass höherfrequente Signale in dem Bereich von mehreren Megahertz in den Übertragungsleitungen nicht mehr verlustarm übertragen werden können. Zu den von außen eingestreuten Stö­ rungen kommt noch die durch die Leitungsverluste hervorgeru­ fene Verzerrung der Signale.

Unter Berücksichtigung der Bandbreite und Abtastgeschwindig­ keit der Auswerteelektronik sowie der Übertragungsverluste der Sensorsignale ergibt sich für einen bestimmten Anwen­ dungsfall, der durch eine bestimmte gewünschte Auflösung von α_DIG, die maximal auftretende Verfahr- bzw. Drehgeschwindig­ keit, die Länge der Übertragungsstrecke, über die die Sensor­ signale zur Auswerteeinheit übertragen werden müssen, und die Größe der eingestreuten Störungen entlang der Übertragungs­ strecke charakterisiert ist, eine mechanische Periode für den Positionssensor, die Sensorsignale erzeugt, die optimal über­ tragen und ausgewertet werden können, wobei diese mechanische Periode im folgenden als eine elektrisch optimale Periode be­ zeichnet wird.

Auf der anderen Seite existiert jedoch eine mechanische Peri­ ode, die wegen der Herstellung, Anbringung und Ablesbarkeit unter mechanischen Gegebenheiten optimal wäre, und die meist größer ist als die elektrisch optimale Periode und im folgen­ den als mechanisch optimale Periode bezeichnet wird. Bei gro­ ßer Verfahrgeschwindigkeit ist es aber ebenso möglich, dass der Sensor sehr schnell bewegt wird, und dass die aus mecha­ nischen Gesichtspunkten optimale mechanische Periode kleiner als die elektrische optimale Periode ist.

Abweichungen der mechanisch optimalen zu der elektrisch opti­ malen Periode treten vor allem beim Wechsel eines Positions­ sensors eines bestehenden Maschinensteuerungssystems auf. Wird beispielsweise ein genauerer bzw. höher auflösender und nach einem anderen Prinzip arbeitender Sensor in einem vor­ handenen Maschinensteuerungssystem eingesetzt, so ändert sich auch die Periode des Ausgangssignals und ist nicht mehr auf die optimale eingestellt.

Die DE 198 15 438 A1 betrifft eine Positionsmeßeinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Positionsmeßeinrichtung. Ins­ besondere wird die Verwendung einer Signalperiode- Variationseinheit beschrieben, die zwischen eine Positions­ meßeinrichtung und eine Auswerteeinheit geschaltet ist, um die Signalfrequenzen periodisch modulierter, analoger Inkre­ mentsignale von der Positionseinrichtung zu erhöhen bzw. die geometrische Periode virtuell zu verringern. Ein Ausführungs­ beispiel der Signalperiode-Variationseinheit besteht aus zwei Interpolationseinrichtungen, die die von der Positionsein­ richtung ausgegebenen um 90 Grad phasenversetzten analogen Inkrementsignale empfangen, um Digitalworte auszugeben, die einen Positionswert anzeigen, einer Umrechnungstabelle, wel­ che mittels der Digitalworte bzw. des Positionswertes auf ei­ ne Mehrzahl von Umrechnungstabellen zugreift, in denen jedem Positionswert aus den Digitalwörtern ein bestimmter veränder­ ter Positionswert zugeordnet wird, so daß jeweils ein sinus- bzw. cosinusförmiger Signalverlauf mit vergrößerter Signalpe­ riode resultiert, und zwei D/A-Wandlern, die aus den ausgele­ senen Tabelleneinträgen quasi-analoge sinus- und cosinusför­ mige Inkrementsignale erzeugen, die dann an die Auswerteein­ heit ausgegeben werden. Bei einem weiteren Ausführungsbei­ spiel werden anstatt zweier den augenblicklichen Positions­ wert anzeigender Digitalworte durch eine Interpolationsein­ heit und eine Richtungserkennungseinheit aus den analogen Si­ gnalen ein gepulstes Digitalsignal und ein richtungsangeben­ des Richtungssignal erzeugt. Diese Signale werden einer Adreßzählereinheit 24 zugeführt, die je nach gewünschtem Si­ gnalperiodenvariationsfaktor in einer Umrechnungstabelle und einer Umrechnungstabelle um eine vorbestimmte Anzahl von Ein­ trägen mit einem Adreßzeiger 34A bzw. 34B vorrückt, wobei in den Umrechnungstabellen in digitaler Form Signalamplituden­ werte einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion gespeichert sind. Durch Vergrößern der Schrittweite beim Vorrücken innerhalb der Tabellen 21A und 21B kann die simulierte Signalperiode schrittweise verstellt werden.

Die EP 0463561 B1 und die US 5347355 beschreiben ein Signal­ verarbeitungsverfahren und eine Signalverarbeitungsvorrich­ tung sowie ein System, wie z. B. eine Verschiebungserfassungs­ vorrichtung, die dieselben verwendet. Aus den Sinus- und Co­ sinussignalen S1 und C1 einer Verschiebungserfassungsvorrich­ tung werden durch die geeignete Verwendung von Addierern, Multiplizierern usw., d. h. durch eine analoge Verschaltung, Sinus- und Cosinussignale erzeugt, welche eine um ein ganz­ zahliges Vielfaches größere Signalfrequenz aufweisen. Einge­ baut ist die Schaltung zur Frequenzverdopplung in eine Verar­ beitungsschaltung, die eingangsseitig die um 90 Grad phasen­ versetzten sinus- und cosinusförmigen Signale in Frequenz verdoppelt und anschließend durch Nulldurchgangsanalyse in Teilungspulse umwandelt, die an Zahl der Verschiebung zwi­ schen einer Optik 101, 102, 104-107 und einem Beugungsgitter 103 entsprechen.

Die JP 02099826A beschreibt eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signals eines Codierers, bei der Erfassungssignale mit Phasen von 0 und 90 Grad, die von Detektoren ausgegeben wer­ den, zunächst in Pulssignale umgewandelt und dann in einem Inkremental/Dekremental-Zähler in Binärcodesignale umgewan­ delt werden. Durch Herausnehmen von Binärcodesignalen wahl­ weiser Wertigkeit in Datenauswähleinheiten werden Pulssignale a bzw. b erhalten, die verschiedenen Frequenzteilungen der Erfassungssignale entsprechen. Insbesondere ist die durch die Herausnahme der sich langsamer ändernden Binärcodesignale er­ haltene Pulsfrequenz des Signals a um den Faktor 2 geringer als die des Signals b, das durch die sich mit höherer Fre­ quenz ändernden Binärcodesignale erhalten wird, von denen sich das niedrigstwertige mit gleicher Frequenz ändert, wie das Signal b. Ein zu dem Pulssignal b um 90 Grad phasenver­ setztes Pulssignal c mit gleicher, d. h. halbierter, Frequenz wie das Signal a wird durch XOR-Verknüpfung des Signals a mit dem Signal b erzielt. Die so erzeugten Signale a und c führen auch bei Verwendung einer Steuerschaltung mit geringer Si­ gnalverarbeitungsgeschwindigkeit zu einer hohen Präzision.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines Signals eines Positionssensors für eine Übertragung zu einer Auswer­ teeinheit zu schaffen, so dass das Zusammenwirken zwischen Positionssensoren und Auswerteeinheiten verbessert und/oder unaufwendiger wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Auswertung der Sensorsignale eines Positionssensors mit einer mechanischen Periode oder allgemein das Zusammen­ wirken zwischen Positionssensoren und Auswerteeinheiten da­ durch verbessert werden kann, daß das Auseinanderklaffen zwi­ schen der elektrisch optimalen Periode und der in mechani­ scher Hinsicht optimalen Periode beseitigt wird. Erfindungs­ gemäß wird dies dadurch erzielt, daß das Sensorsignal eines Positionssensors, das eine Periode aufweist, die von der me­ chanischen Periode des Maßstabs des Positionssensors abhängt, vor bzw. für die Ausgabe bzw. Übertragung zu einer Auswerte­ einheit in ein übersetztes Signal übersetzt wird, das eine Periode aufweist, die einer zweiten, beispielsweise auf die elektrisch optimale Periode eingestellten, mechanischen Peri­ ode entspricht. Obwohl hierdurch zunächst der Aufwand zur Si­ gnalaufbereitung vor der eigentlichen Auswertung erhöht wird, wird es durch die Periodenumsetzung ermöglicht, Positionssen­ soren, die bisher aufgrund ihrer ungünstigen Signale bzw. ih­ rer ungünstigen mechanischen Periode nicht oder nur unter Er­ höhung der auftretenden Signalfehler in Verbindung mit einer vorhandenen Steuerung bzw. Auswerteeinheit eingesetzt werden konnten, geeignet zu adaptieren, oder eine ansonsten nicht herstellbare, anbringbare oder ablesbare elektrisch optimale Periode in Vorbereitung auf die Auswertung durch eine Auswer­ teeinheit "zu simulieren", wodurch sowohl Übertragungsfehler minimiert als auch die Auswertbarkeit verbessert werden kön­ nen und zugleich eine aufwendige mechanische Abstimmung des Maßstabs des Positionssensors in Bezug auf die Auswerteein­ heit vermieden wird.

Zur Übersetzung des Sensorsignals in ein übersetztes Signal mit einer Periode, die einer anderen mechanischen Periode als derjenigen des Positionssensors entspricht, kann aus dem Sen­ sorsignal zunächst ein absoluter Positionswert bestimmt wer­ den, der eine Position auf den Maßstab in Bezug auf einen Ab­ schnitt des Maßstabs anzeigt, der zumindest einen momentanen Periodenabschnitt des mechanischen Maßstabs des Positionssen­ sors als auch einen momentanen Periodenabschnitt eines durch die simulierte mechanische Periode definierten Maßstabs ent­ hält, woraufhin das übersetzte Signal aus dem absoluten Posi­ tionswert erzeugt wird.

In dem Fall, dass die elektrisch optimale Periode beispiels­ weise größer als die mechanische Periode des Positionssensors ist, kann die zweite mechanische Periode, in Bezug auf welche das übersetzte Signal definiert ist, beispielsweise auf einen ganzzahligen Bruchteil der mechanischen Periode des Positi­ onssensors eingestellt sein, und der Abschnitt des Maßstabes zur Bestimmung des absoluten Positionswerts entspricht dem momentanen Periodenabschnitt der Folge von Periodenabschnit­ ten des Maßstabs. Um beispielsweise eine Periodenumsetzung der Sensorsignalperiode, die von der mechanischen Periode des Positionssensors abhängt, auf eine Periode zu erzielen, die einer mechanischen Periode entspricht, die 2^-N der Sensorpe­ riode beträgt mit ganzzahligem N größer 0, kann beispielswei­ se ein Digital/Analog-Wandler verwendet werden, um das Sen­ sorsignal des Positionssensors in einen digitalen Wert umzu­ wandeln, um den absoluten Positionswert in digitaler Form zu erhalten, die höchstwertigen Bits des digitalen absoluten Po­ sitionswerts auszublenden und den so erhaltenen digitalen Wert durch einen Digital/Analog-Wandler in das analoge über­ setzte Signal umzuwandeln.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die zweite me­ chanische Periode, in Bezug auf welche das übersetzte Signal definiert sein soll, und die mechanische Periode des Positi­ onssensors beispielweise ein kleinstes gemeinsames Vielfaches auf, wobei die zweite mechanische Periode sowohl kleiner als auch größer als die mechanische Periode des Positionssensors sein kann. Der Abschnitt des Maßstabes zur Berechnung des ab­ soluten Positionswerts umfasst hierbei mehrere aufeinander­ folgende Periodenabschnitte. Um einen absoluten Positionswert zu erhalten, wird das Sensorsignal dahingehend überwacht, dem wievielten Periodenabschnitt innerhalb des Abschnitts des Maßstabs zur Bestimmung des absoluten Positionswerts der mo­ mentane Periodenabschnitt entspricht, in Bezug auf welchen das Sensorsignal die Position des Maßstabs angibt.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine kurze Über­ tragungsstrecke mit dem Positionssensor verbunden ist, sind die Übertragungsverluste des Sensorsignals des Positionssen­ sors, bis dieselben den Eingang der erfindungsgemäßen Vor­ richtung erreichen, gering, auch wenn beispielsweise die me­ chanische Periode des Positionssensors in Hinblick auf die Herstellbarkeit, Anbringbarkeit und Ablesbarkeit des Maßstabs optimiert ist und von der elektrisch optimalen Periode ab­ weicht, weshalb durch die vorliegende Erfindung eine signifi­ kante Reduzierung der Übertragungsverluste erzielt werden kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a 1b und 1c schematische Darstellungen von Sensoran­ ordnungen zur Positionsmessung unter Erzeugung von zueinander in Quadratur stehenden Ausgangssignalen;

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung des Zusam­ menhangs zwischen zueinander in Quadratur stehenden Ausgangssignalen, einem Erregersignal und einem Drehwinkel;

Fig. 3 Graphen, die die Abhängigkeit der Sensorsignale der Sensoranordnungen von Fig. 1a-1c von dem Drehwinkel bzw. dem Verfahrweg zeigen;

Fig. 4 Graphen, die exemplarische Signalverläufe der Sen­ sorsignale der Sensoranordnungen von Fig. 1a-1c in Abhängigkeit von der Zeit für den Fall einer kon­ stanten Dreh- bzw. Verfahrgeschwindigkeit zeigen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines direkten An­ schlusses eines Positionssensors an eine Auswerte­ einheit;

Fig. 6 eine schematische Darstellung, bei der ein Positi­ onssensor über Leistungstreiber an eine Auswerte­ einheit angeschlossen ist;

Fig. 7 eine schematische Darstellung, bei der ein Positi­ onssensor über einen Analog/Digital-Wandler an ei­ ner Auswerteeinheit angeschlossen ist;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Vorbereiten der Sensorsignale eines Positionssen­ sors für eine Ausgabe an eine Auswerteeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 9 ein Blockdiagramm eines speziellen Ausführungsbei­ spiels einer Vorrichtung zum Vorbereiten der Sen­ sorsignale eines Positionssensors für eine Ausgabe an eine Auswerteeinheit, bei dem die mechanische Periode des Positionssensors um eine Potenz von 2 größer als die mechanische Periode ist, der die Pe­ riode des übersetzten Signals entspricht;

Fig. 10 eine Skizze, in der schematisch der Maßstab eines Positionssensors, der Maßstab, wie er durch die me­ chanische Periode des übersetzten Signals festge­ legt wird, und zwei Graphen gezeigt sind, in denen exemplarisch auftretende digitale Werte bei der Vorrichtung von Fig. 9 für eine exemplarische li­ neare Verschiebung dargestellt sind;

Fig. 11 ein Blockdiagramm eines speziellen Ausführungsbei­ spiels einer Vorrichtung zur Vorbereitung der Sen­ sorsignale eines Positionssensors für eine Ausgabe an eine Auswerteeinheit, bei dem die mechanische Periode des Positionssensors und die mechanische Periode, der die Periode des übersetzten Signals entspricht, ein kleinstes gemeinsames ganzzahliges Vielfaches aufweisen.

Bezug nehmend auf Fig. 8 wird zunächst die vorliegende Erfin­ dung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem ein Positionssensor an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, und hierzu eine Vorbereitung von Sensorsignalen des Po­ sitionssensors für eine Ausgabe an die Auswerteeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwen­ det wird.

Fig. 8 zeigt einen Positionssensor 200, der aus einer Sensor­ einheit 210 und einem Maßstab 220 besteht. Die Sensoreinheit 210 und der Maßstab 220 sind relativ gegeneinander verschieb­ bar, wie es durch einen Pfeil 230 dargestellt ist. Der Maß­ stab 220 besteht, wie es bereits in der Beschreibungseinlei­ tung beschrieben worden ist, beispielsweise aus einander ab­ wechselnden magnetischen Abschnitten mit entgegengesetzter Polarisierung, die in Fig. 8 durch helle und dunkle bzw. lee­ re und schraffierte Bereiche dargestellt sind. Der Maßstab 220 weist eine mechanische Periode auf, die durch den Abstand zweier aufeinanderfolgender Bereiche mit gleicher Polarisie­ rung definiert ist und l_PER beträgt. Folglich besteht der Maß­ stab 220 aus einer Folge von angrenzenden Periodenabschnitten 220a und 220b, die jeweils eine Länge von l_PER aufweisen.

Der Sensor 200 bzw. die Sensoreinheit 210 ist über Leitungen 240a, 240b, 240c, 240d mit einer Periodenumsetzungseinrich­ tung 250 verbunden, um an dieselbe die Sensorsignale Usin und Ucos differentiell auf jeweils zwei Leitungen 240a und 240b bzw. 240c und 240d auszugeben. Die Periodenumsetzungseinrich­ tung 250 umfasst an einer Ausgangsstufe zwei analoge Lei­ stungstreiber 260a und 260b und ist über gegebenenfalls lange Übertragungsleitungen 270a, 270b, 270c und 270d mit einer Auswerteeinheit 280 verbunden.

Nachdem im Vorhergehenden der Aufbau zur Übertragung der Sen­ sorsignale von dem Sensor 200 zu der Auswerteeinheit 280 ge­ mäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung be­ schrieben worden ist, wird im folgenden die Funktionsweise der Periodenumsetzungseinrichtung 250 beschrieben, die die Vorbereitung der Sensorsignale Usin und Ucos zur Ausgabe an die Auswerteeinheit 280 über die Übertragungsleitungen 270a-­ 270d durchführt.

Wie es in der Beschreibungseinleitung erwähnt worden ist, gibt der Positionssensor 200 als Sensorsignale Usin und Ucos periodische Signale aus, die in Fig. 8 schematisch als Wel­ lenlinien 290 dargestellt sind, und wie sie für den Fall ei­ ner konstanten Verfahr- bzw. Winkelgeschwindigkeit in Fig. 4 dargestellt sind. Die Sensorsignale Usin und Ucos weisen eine Periode auf, die von der mechanischen Periode l_PER des Maß­ stabs 220 abhängt. Genauer ausgedrückt, geben die Sensorsi­ gnale Usin und Ucos eine durch den Sensor 200 erfasste Posi­ tion in Bezug auf einen momentanen Periodenabschnitt 220b an, da die Sensorsignale Usin und Ucos, wie es Bezug nehmend auf Fig. 3 beschrieben worden ist, lediglich über die Länge l_PER eines Periodenabschnitts einen eindeutigen Zusammenhang zu der erfassten Position aufweisen. Die erfasste Position ent­ spricht in dem Fall dieses Positionssensors 200 beispielswei­ se einer relativen Lage des momentanen Periodenabschnitts 200b des Maßstabs 220 zu einem Referenzpunkt 285 an der Sen­ soreinheit 210.

Die mechanische Periode l_PER des Maßstabs 220 ist vorzugsweise nach Gesichtspunkten der optimalen Herstellbarkeit, Anbring­ barkeit und Ablesbarkeit des Maßstabs 220 ausgewählt. Um die sich ergebenden Übertragungsverluste aufgrund der gegebenen­ falls höherfrequenten Anteile der Sensorsignale Usin und Ucos gering zu halten, kann die Periodenumsetzungseinrichtung 250 in der Nähe des Sensors 200 angeordnet bzw. über kurze Lei­ tungen 240a-240d mit dem Sensor 200 verbunden sein.

Die Periodenumsetzungseinrichtung 250 übersetzt die Sensorsi­ gnale Usin und Ucos in Signale, die bezüglich einer einstell­ baren oder eingestellten mechanischen Periode definiert sind, bzw. in Signale mit einer Periode, die dieser mechanischen Periode entspricht, wobei dieselbe eingestellt werden kann, um an die elektrisch optimale Periode angepasst zu sein, die in Hinblick auf die Signalauswertung durch die Auswerteein­ heit 280 und in Hinblick auf die Übertragung über die Über­ tragungsleitungen 270a-270d optimal ist. Anders ausgedrückt simuliert die Periodenumsetzungseinrichtung 250 aus der Sicht der Auswerteeinheit 280 Sensorsignale, wie sie sich durch ei­ nen Sensor mit der eingestellten mechanischen Periode bzw. einer mechanischen Periode, die gleich der elektrisch optima­ len Periode ist, ergeben hätten. Die entstehenden Signale sind in Fig. 8 schematisch mit Wellenlinien 300 angezeigt und sind periodische Signale mit einer Periode, die von der ein­ gestellten mechanischen Periode abhängt.

In Fig. 8 ist exemplarisch der Fall dargestellt, dass die elektrisch optimale Periode kleiner als die mechanische Peri­ ode des Maßstabs 220 ist, weshalb die Periode der Sensorsi­ gnale 290 größer als diejenige der übersetzten Signale 300 ist. Die Auswerteeinheit 280 kann aufgrund der Periodenumset­ zung durch die Periodenumsetzungseinrichtung 250 eine Auswer­ tung bezüglich Signalen durchführen, die bezüglich einer me­ chanischen Periode definiert sind, die an die Auswertung und an die Übertragung angepasst ist, wodurch eine optimale Aus­ wertung erzielt wird.

Es wird darauf hingewiesen, dass ein Wechsel des Positions­ sensors 200 bzw. das Ersetzen desselben durch einen anderen mit einer anderen mechanischen Periode problemlos möglich ist, da die Periodenumsetzungseinrichtung 250 die Periode der Sensorsignale Usin und Ucos wieder in Signale umwandeln kann, die eine Periode aufweisen, die von der elektrisch optimalen Periode abhängt.

Bezugnehmend auf Fig. 9 wird im folgenden ein spezielles Aus­ führungsbeispiel für die Periodenumsetzungseinrichtung 250 von Fig. 8 für den Fall beschrieben, dass die mechanische Pe­ riode des Positionssensors größer als die elektrisch optimale Periode ist, und daß die Periode der Sensorsignale in eine Periode umgesetzt werden soll, die einer mechanischen Periode entspricht, die 2^-N mit ganzzahligem N größer 0 der mechani­ schen Periode des Positionssensors beträgt. Es wird darauf hingewiesen, dass diejenigen Elemente von Fig. 9 die zu Ele­ menten in Fig. 8 identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen werden, und dass eine wiederholte Beschreibung die­ ser Elemente weggelassen wird.

Die in Fig. 9 gezeigte Periodenumsetzungseinrichtung, die in Fig. 9 allgemein mit 250' angezeigt ist, besteht aus einem analogen Signalaufbereitungsmodul 310, einem Analog/Digital- Wandler 320, einem digitalen Signalaufbereitungsmodul 330, einem Periodenumrechnungsmodul 340, einem Digital-Analog- Wandler 350 und einer Endstufe, die aus zwei Leistungstrei­ bern 360a und 360b besteht. Das Aufbereitungsmodul 310 ist über die Leitungen 240a-240d mit dem Positionssensor 200 ver­ bunden und führt eine Vorverstärkung, Signalfilterung und Aufbereitung der differentiell eingespeisten Sensorsignale Usin und Ucos durch, um dieselben auf den zum Umsetzen in ein digitales Signal benötigten Pegel zu bringen und durch bei­ spielsweise einen Tiefpassfilter von hochfrequentem Rauschen zu befreien. Das Aufbereitungsmodul 310 ist über Leitungen 370a, 370b, 370c und 370d mit dem Analog/Digital-Wandler 320 verbunden, um die Sensorsignale in aufbereiteter Form als Si­ gnal Usinv und Ucosv differentiell an den Analog/Digital- Wandler 320 auszugeben.

Der Analog/Digital-Wandler 320 setzt die analogen Signale Usinv und Ucosv in geeigneter Weise in ein digitales Signal DA um, das dasselbe über eine Leitung 380 an das digitale Si­ gnalaufbereitungsmodul 330 ausgibt. Die Analog/Digital- Umsetzung durch den Analog/Digital-Wandler 320 umfasst bei­ spielsweise die Berechnung der Arkustangensfunktion bezüglich der Signale Usinv und Ucosv, wobei ein Beispiel für einen ge­ eigneten Analog/Digital-Wandler in der Patentanmeldung DE 100 52 152 offenbart ist, deren Anmelderin die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung ist, und die hiermit unter Bezugnahme aufgenommen wird. Das digitale Signal D_A gibt die durch den Positionssensor 200 erfasste Position in Bezug auf einen mo­ mentanen Periodenabschnitt 220a bzw. 220b mit einer bestimm­ ten Auflösung bzw. einer bestimmten Anzahl von gültigen Bits an. Die Auflösung kann beispielsweise 8 Bit betragen, so dass innerhalb eines Periodenabschnitts der Länge l_PER 256 = 2⁸ Po­ sitionen codiert werden können. Anders ausgedrückt stellt das digitale Signal DA eine absolute Position in Bezug auf den momentanen Periodenabschnitt in digitaler Form dar.

Das Signalaufbereitungsmodul 330 führt beispielsweise eine zeitliche Tiefpassfilterung des digitalen Signals D_A oder ei­ ne sonstige Aufbereitung desselben durch, und gibt dasselbe in aufbereiteter Form als digitales Signal D_B auf einer Lei­ tung 390 an das Periodenumrechnungsmodul 340 aus.

Das Periodenumrechnungsmodul 340 ist bei dem Ausführungsbei­ spiel von Fig. 9 zu Periodenumsetzungen geeignet, bei denen die mechanische Periode l_PER durch eine Potenz von 2 geteilt wird, d. h. l_PER → l_PER/2^N, wobei N eine Ganzzahl größer gleich 1 ist. Das Periodenumrechnungsmodul 340 blendet hierzu bei­ spielsweise die N höchstwertigen Bits des digitalen Werts D_B aus. Der so erhaltene Wert D_C gibt die Position auf dem Maß­ stab bezüglich eines momentanen Periodenabschnitts eines Maß­ stabs an, der eine 2^N-fache Auflösung relativ zu dem Maßstab 200 aufweist, wie es bezugnehmend auf Fig. 10 näher erläutert werden wird.

Nach der Periodenumrechnung gibt das Periodenumrechnungsmodul 340 das digitale Ausgangssignal D_C 400 an den Digital/Analog- Wandler 350 aus, der aus dem digitalen Signal D_C wieder ana­ loge Sensorsignale SinOut und CosOut erzeugt, wie sie durch einen Positionssensor erzeugt werden würden, der einen Maß­ stab mit einer mechanischen Periode aufweist, die l_PER/2^N be­ trägt. Die durch den Wandler 350 erzeugten Signale SinOut und CosOut, die bei 300 dargestellt sind, sind wie auch die Sen­ sorsignale Usin uns Ucos periodische Signale, weisen jedoch eine um 2^N kleinere Periode auf.

Der Digital/Analog-Wandler 350 gibt die erzeugten Sensorsi­ gnale SinOut und CosOut über Leitungen 410a, 410b, 410c und 410d an die Leistungstreiber 360a und 360b aus, die dieselben verstärken und über die Übertragungsleitungen 270a, 270b, 270c und 270d an die Auswerteeinheit 280 ausgeben. Die Ver­ stärkung kann an die Übertragungsgegebenheiten angepasst sein, um die Übertragung weiter zu optimieren.

In der Auswerteeinheit 280 können die Signale CosOut und Si­ nOut zur analogen oder nach einer Digitalisierung zu einer digitalen Lagebestimmung verwendet werden.

Folglich kann mittels der Periodenumsetzungseinrichtung 250' von Fig. 9 eine mechanische Periode des Positionssensors 200 in Stufen von Potenzen von 2 an die elektrisch optimale Peri­ ode angepasst werden, die von den Übertragungsgegebenheiten und der Auswerteeinheit 280 abhängt.

Um die Funktionsweise des Periodenumrechnungsmoduls 340 von Fig. 9 zu veranschaulichen, sind in Fig. 10 der zeitliche Verlauf des digitalen Signals D_B, d. h. des Eingangssignals des Periodenumrechnungsmoduls 340, und des digitalen Signals D_C, d. h. des Ausgangssignals des Periodenumrechnungsmoduls 340, für ein Beispiel dargestellt, bei dem die mechanische Periode des Maßstabs des Positionssensors durch 4 = 2² ge­ teilt wird. Wie es zu sehen ist, besteht zwischen den Maßstä­ ben 500 und 510 kein Versatz.

In Fig. 10 sind untereinander der Maßstab 500 des Positions­ sensors mit der mechanischen Periode l_PER und ein Maßstab 510 mit einer viermal kleineren Einteilung dargestellt, wie er durch das Umsetzungsverhältnis, d. h. 4, festgelegt wird. Je­ weils darunter zeigen zwei Graphen exemplarische Zeitverläufe der digitalen Signale D_B und D_C sowie der tatsächlichen Ver­ schiebung zwischen Messstab und Positionssensor, wobei ent­ lang der x-Achse die tatsächliche Verschiebung s bzw. die di­ gitalen Einheiten von D_B bzw. D_C aufgetragen sind, während entlang der y-Achse die Zeit t aufgetragen ist.

Der Graph 520 zeigt bei einer Linie 535 eine exemplarische relative Verschiebung des Maßstabs zu dem Positionssensor, wie sie sich beispielsweise bei einem Anfahrvorgang ergibt. Mit Kreuzchen sind die abgetasteten digitalen Werte des digi­ talen Signals D_B dargestellt, die von 1 bis 17 nummeriert sind, und deren zeitlicher Abtastabstand von der Ana­ log/Digital-Umsetzung abhängt und in dem vorliegenden Fall exemplarisch eine halbe Millisekunde beträgt.

Wie es im vorhergehenden erwähnt wurde, weisen die Sensorsi­ gnale des Positionssensors lediglich innerhalb einer mechani­ schen Periode l_PER einen eindeutigen Zusammenhang zu der er­ fassten Position auf, und dementsprechend codieren die mögli­ chen Zustände des digitalen Signals D_B lediglich eine Länge von l_PER. In dem vorliegenden Fall beträgt die Auflösung bei­ spielsweise 8 Bit, wobei der Wert von 11111111 der Position innerhalb des momentanen Periodenabschnitts entspricht, die 255/265 l_PER von dem Anfang des momentanen Periodenabschnitts entfernt ist. Obwohl folglich die Linearverschiebung s bei ca. 8 Millisekunden von einem Periodenabschnitt 540 zu einem nächsten Periodenabschnitt 550 wechselt, springt das digitale Signal D_B lediglich von einem hohen Wert 16 zu einem niedri­ gen Wert 17. Anders ausgedrückt gibt der digitale Wert D_B je­ weils eine bezüglich eines Referenzpunktes 555 gemessene Po­ sition auf dem Maßstab modulo l_PER an.

In dem Graphen 530 sind die digitalen Werte von D_C gezeigt, die ebenfalls von 1 bis 17 nummeriert sind. Wie es zu ersehen ist, codieren die möglichen Zustände des Signals D_C lediglich einen Bereich der Länge l_PER/4. Um dies zu erzielen, blendet das Periodenumrechnungsmodul 340 die zwei höchstwertigen Bits des digitalen Signals D_B aus, so daß die digitalen Werte D_C lediglich eine 6-Bit Auflösung aufweisen. Das Ausblenden der zwei höchstwertigen Bits der digitalen Wert D_B entspricht dem Rest der digitalen Werte D_B modulo 2⁶. Hierdurch wird erzielt, daß jeder digitale Wert D_C die Position auf dem Maßstab in Bezug auf den momentanen Periodenabschnitt des Maßstabs 510 bzw. als Abstand von dem Anfang desselben angibt. Während der digitale Wert D_B bzw. das Kreuzchen 10 beispielsweise einen Wert zwischen 2.2⁶ und 3.2⁶ aufweist und in Bezug auf den mo­ mentanen Periodenabschnitt 540 definiert ist, weist der digi­ tale Wert D_C bzw. das Kreuzchen 10 einen Wert zwischen 0 und 2⁶ auf und ist in Bezug auf den momentanen Periodenabschnitt 560 definiert.

Bezug nehmend auf Fig. 10 wird darauf hingewiesen, dass die Periode der ursprünglichen Sensorsignale Usin und Ucos ebenso wie das digitale Signal D_B eine in dem vorliegenden Fall viermal größere Periode aufweisen als die Periode der erzeug­ ten Sensorsignale SinOut und CosOut bzw. des digitalen Si­ gnals D_C. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Letzteren in Bezug auf eine viermal kleinere mechanische Periode defi­ niert sind, und dass folglich bei Durchfahren einer gleichen Verschiebungslänge s mehr Perioden durchlaufen werden. Wäh­ rend in Fig. 10 beispielsweise bis zur Zeit t = 8 ms ledig­ lich eine mechanische Periode l_PER durchlaufen wird, werden in der selben Zeit vier mechanische Perioden l_PER/4 durchlaufen. Die kleinere Periode der Signale CosOut und SinOut kann bei­ spielsweise in Hinblick auf die Auswertung vorteilhaft sein, da sie bei gleicher Genauigkeit eine ungenauere Berechnung des Verhältnisses der beiden Signale erfordert.

Fig. 11 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Periodenumset­ zungseinrichtung 250' dar, die sich von derjenigen von Fig. 9 lediglich dadurch unterscheidet, dass sie ebenfalls zu Pe­ riodenumsetzungen fähig ist, bei denen die mechanische Peri­ ode, in Bezug auf welche die erzeugten Sensorsignale SinOut und CosOut definiert sein sollen, größer als die mechanische Periode des Positionssensors sind. Bei dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel ist die Periodenumsetzungseinrichtung 250" dazu in der Lage, die Periode der Sensorsignale des Positi­ onssensors in Signale mit einer Periode zu übersetzen, die einer mechanischen Periode entspricht, die jeden Wert anneh­ men kann, der ein kleinstes gemeinsames Vielfaches mit der mechanischen Periode des Positionssensors aufweist. Bei der folgenden Beschreibung von Fig. 11 werden Elemente, die zu denjenigen von Fig. 9 identisch sind, mit denselben Bezugs­ zeichen versehen, und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird weggelassen.

Die Periodenumsetzungseinrichtung 250" von Fig. 11 unter­ scheidet sich von derjenigen von Fig. 9 lediglich dadurch, dass eine Periodenabschnittswechselüberwachungseinrichtung 600 über eine Leitung 605 und eine Leitung 610 zwischen das Aufbereitungsmodul 330 und das Periodenumrechnungsmodul 340 geschaltet ist, und daß der digitale Wert D_B, der die absolu­ te Position in Bezug auf einen momentanen Periodenabschnitt des Maßstabs 220 des Positionssensors 200 entspricht, durch die Periodenabschnittswechselüberwachungseinrichtung 600 in einen digitalen Wert umgewandelt wird, der die Position in Bezug auf einen aus mehreren Periodenabschnitten des Maßstabs 220 bestehenden Abschnitt des Maßstabs 220 angibt. Falls bei­ spielsweise eine mechanische Periode von a/b l_PER simuliert werden soll, wobei a.L_PER dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen entspricht, so wird aus D_B die Position in Bezug auf a auf­ einanderfolgende Periodeabschnitte bestimmt.

Um dies zu erzielen empfängt die Periodenabschnittswechsel­ überwachungseinrichtung 600 D_B über eine Leitung 605 von dem Aufbereitungsmodul 330 und überwacht die Wert D_B dahingehend, dem wievielten Periodenabschnitt der a aufeinanderfolgenden Periodenabschnitte der momentane Periodenabschnitt ent­ spricht, in Bezug auf welchen D_B die Position angibt. Die Einrichtung 600 kann beispielsweise einen digitalen Zähler umfassen, der in dem Fall, dass das digitale Signal D_B den aufgrund der digitalen Auflösung beschränkten darstellbaren Bereich nach oben oder nach unten verlässt, einen Zählerwert inkrementieren bzw. dekrementieren und dabei das Modul a bil­ den. Soll beispielsweise eine mechanische Periode aus der Sicht der Auswerteeinheit simuliert werden, die doppelt so groß wie die mechanische Periode l_PER des Positionssensors 200 ist, so genügt ein Zählerwert mit einem Bit. Die Überwa­ chungseinrichtung 600 ergänzt den digitalen Wert D_B um den Zählerwert auf der höherwertigen Seite, und gibt das Ergebnis als digitales Signal D_Ges über eine Leitung 610 an das Peri­ odenumrechnungsmodul 340 aus.

Das digitale Signal D_Ges stellt folglich eine absolute Positi­ on in Bezug auf einen Abschnitt des Maßstabes dar, der aus mehreren Periodenabschnitten besteht. Das Periodenumrech­ nungsmodul 340 unterteilt diesen Bereich beispielsweise wie in Fig. 9 durch Ausblenden der niederwertigen Bits oder aber durch eine normale Division in b Teile. Auf diese Weise könn­ te allgemein eine mechanische Periode von a/b und beispiels­ weise insbesondere eine mechanische Periode von 3/8.l_PER si­ muliert werden, indem die Periodenabschnittswechselüberwa­ chung 600 bei Über- bzw. Unterlauf des digitalen Werts D_B den Zählerwert entsprechend inkrementiert bzw. dekrementiert und dabei ein Modul von 3 berücksichtigt und den Zählerwert an den digitalen Wert D_B anhängt, um D_Ges zu erhalten, und das Periodenumrechnungsmodul 340 von dem digitalen Signal D_Ges, das sich auf eine absolute Position in Bezug auf drei zusam­ menhängende Periodenabschnitte der Länge l_PER bezieht, die drei höchstwertigen Bits entfernt.

Die vorhergehende Beschreibung ermöglicht folglich ein Aus­ wertesystem für Sensorsignale, das vorzugsweise in der Nähe des Sensors angeordnet wird, das die Sensorsignale auswertet und mit wählbarer Amplitude und Periode ausgibt. Dadurch wird die am Sensor optimale Periode und der am Sensor vorhandene Signalpegel übersetzt in die optimale Periode und den optima­ len Pegel für die Übertragung zur Maschinensteuerung und für die Maschinensteuerung und für die Signalauswertung der Ma­ schinensteuerung.

Sensoren, die bisher aufgrund ihrer ungünstigen Signale bzw. ihrer ungünstigen Signalperiode nicht in Verbindung mit vor­ handenen Steuerungen eingesetzt werden konnten, können durch die beschriebene Vorbereitung bzw. Periodenumsetzung adap­ tiert werden. Gleichzeitig zur Änderung der Periode kann auch eine Filterung und damit eine Aufbereitung der Signale ge­ schehen, wodurch ein Sensor in verschiedene Steuerungen oder mehrere verschiedene Sensoren in dieselbe Steuerung passen.

Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl sich die vorherge­ hende Beschreibung auf einen Positionssensor für lineare Be­ wegungen bezog, die vorliegende Erfindung auch auf andere Po­ sitionssensoren anwendbar ist, wie z. B. Drehdifferential­ transformatoren. Zudem ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf magnetische Sensoren sondern ferner auch auf optische oder mechanische Sensoren anwendbar. In dem Fall eines opti­ schen Sensors kann der Maßstab beispielsweise eine Grauska­ lierung mit sinusförmigem Graustufenverlauf aufweisen. Folg­ lich sind als Positionssensoren jegliche magnetische, opti­ sche oder mechanische Drehwinkel- oder Längsverschiebungsge­ ber denkbar. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung ohne weiteres auch auf Sensoren anwendbar, die lediglich ein Signal ausgeben, und nicht nur auf solche die zueinander in Quadratur stehende Signale ausgeben. Die im vorhergehenden erwähnte differentielle Einspeisung der Sensorsignale in die Periodenumsetzungseinrichtung kann ebenfalls alternativ durch eine andere Einspeisungsart ersetzt werden.

In Bezug auf das Umsetzungsverhältnis bezüglich der mechani­ schen Periode des Positionssensors und der mechanischen Peri­ ode, in Bezug auf welche das übersetzte Signal definiert sein soll, beziehungsweise das Übersetzungsverhältnis der Sensor­ signalperiode und der Periode des übersetzten Signals wird darauf hingewiesen, dass allgemein auch Verhältnisse ein­ stellbar sind, bei denen die mechanische Periode des Positi­ onssensors und diejenige, auf welche sich das übersetzte Si­ gnal bezieht, kein gemeinsames Vielfaches aufweisen. In die­ sem Fall müsste die Periodenabschnittswechselüberwachungsein­ richtung aus dem in Bezug auf die mechanische Periode absolu­ ten Positionswert einen Positionswert erzeugen, der absolut in Bezug auf einen Bezugspunkt des Maßstabes des Positions­ sensors ist. Zudem sind bei dem Periodenumrechnungsmodul der Fig. 9 und 11 ebenfalls andere Teilerverhältnisse möglich als Potenz von 2, indem ein Dividierer verwendet wird, der den digitalen Wert D_B durch eine ganze Zahl teilt. Zudem können verschiedene Module und Einrichtungen der Fig. 9 und 11 auch fehlen, wie z. B. die Aufbereitungsmodule. Bei einer ganzzah­ ligen Vervielfachung der Sensorsignalperiode kann beispiels­ weise das Periodenumrechungsmodul fehlen und stattdessen nur das Periodenabschnittswechselüberwachungsmodul verwendet wer­ den. Die Leistungstreiber an der Ausgangstufe können eben­ falls fehlen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Vorbereiten eines analogen Sensorsignals eines Positionssensors (200), der einen Maßstab (220) mit einer ersten mechanischen Periode aufweist, für eine Ausgabe zu einer Auswerteeinheit (280), wobei das analo­ ge Sensorsignal eine erste Periode aufweist, die von der ersten mechanischen Periode abhängt, mit folgenden Schritten:
Empfangen des analogen Sensorsignals von dem Positions­ sensor (280);
Übersetzen des analogen Sensorsignals in ein übersetztes analoges Signal, wobei das übersetzte analoge Signal ei­ ne zweite Periode aufweist, die einer zweiten mechani­ schen Periode entspricht; und
Ausgeben des übersetzten analogen Signals zu der Auswer­ teeinheit (280),
wobei das analoge Sensorsignal eine Position auf dem Maßstab (220) in Bezug auf einen ersten momentanen Peri­ odenabschnitt, in dem die Position enthalten ist, einer Folge von Periodenabschnitten (220a, 220b; 540, 550) an­ zeigt, aus denen der Maßstab (220) des Positionssensors (200) besteht, und das übersetzte analoge Signal die Po­ sition auf dem Maßstab (220) in Bezug auf einen zweiten momentanen Periodenabschnitt (560), in dem die Position enthalten ist, einer zweiten Folge von Periodenabschnit­ ten anzeigt, die durch die zweite mechanische Periode festgelegt sind, und wobei der Schritt des Übersetzens des analogen Sensorsignals folgende Teilschritte auf­ weist:
Bestimmen eines digitalen absoluten Positionswerts (320; 600), der die Position auf dem Maßstab (220) in Bezug auf einen Abschnitt des Maßstabs festlegt, der zumindest den ersten momentanen Periodenabschnitt (540) und den zweiten momentanen Periodenabschnitt (560) umfasst, aus dem analogen Sensorsignal; und
Erzeugen des übersetzten analogen Signals aus dem digi­ talen absoluten Positionswert, und
wobei der Abschnitt des Maßstabs (220), in Bezug auf welchen der digitale absolute Positionswert die Position auf dem Maßstab festlegt, einer Anzahl von Periodenab­ schnitten der zweiten Folge von Periodenabschnitten ent­ spricht, wobei die Anzahl gleich 2^x ist, wobei x eine Ganzzahl ist, und bei der der digitale absolute Positi­ onswert ein digitaler Wert mit einer Mehrzahl von Bits ist, und der Schritt zum Erzeugen des übersetzten analo­ gen Signals folgende Merkmale aufweist:
Ausblenden der x höchstwertigen Bits des digitalen abso­ luten Positionswerts.

2. Vorrichtung zum Vorbereiten eines analogen Sensorsignals eines Positionssensors (280), der einen Maßstab (220) mit einer ersten mechanischen Periode aufweist, für eine Ausgabe zu einer Auswerteeinheit (280), wobei das analo­ ge Sensorsignal eine erste Periode aufweist, die von der ersten mechanischen Periode abhängt, mit folgenden Merk­ malen:
einem Eingang zum Empfangen des analogen Sensorsignals von dem Positionssensor (280);
einer Einrichtung (250; 250; 250") zum Übersetzen des analogen Sensorsignals in ein übersetztes analoges Sig­ nal, wobei das übersetzte analoge Signal eine zweite Pe­ riode aufweist, die einer zweiten mechanischen Periode entspricht; und
einem Ausgang zum Ausgeben des übersetzten analogen Sig­ nals zu der Auswerteeinheit (280),
wobei das analoge Sensorsignal eine Position auf dem Maßstab (220) in Bezug auf einen ersten momentanen Peri­ odenabschnitt, in dem die Position enthalten ist, einer Folge von Periodenabschnitten (220a, 220b; 540, 550) an­ zeigt, aus denen der Maßstab (220) des Positionssensors (200) besteht, und das übersetzte analoge Signal die Po­ sition auf dem Maßstab (220) in Bezug auf einen zweiten momentanen Periodenabschnitt (560), in dem die Position enthalten ist, einer zweiten Folge von Periodenabschnit­ ten anzeigt, die durch die zweite mechanische Periode festgelegt sind, und bei der die Einrichtung zum Über­ setzen des analogen Sensorsignals folgende Merkmale auf­ weist:
eine Einrichtung (320; 600) zum Bestimmen eines digita­ len absoluten Positionswerts, der die Position auf dem Maßstab (220) in Bezug auf einen Abschnitt des Maßstabs festlegt, der zumindest den ersten momentanen Perioden­ abschnitt (540) und den zweiten momentanen Periodenab­ schnitt (560) umfasst, aus dem analogen Sensorsignal; und
eine Einrichtung (340) zum Erzeugen des übersetzten ana­ logen Signals aus dem digitalen absoluten Positionswert, und
wobei der Abschnitt des Maßstabs (220), in Bezug auf welchen der digitale absolute Positionswert die Position auf dem Maßstab festlegt, einer Anzahl von Periodenab­ schnitten der zweiten Folge von Periodenabschnitten ent­ spricht, wobei die Anzahl gleich 2^x ist, wobei x eine Ganzzahl ist, und bei der der digitale absolute Positi­ onswert ein digitaler Wert mit einer Mehrzahl von Bits ist, und die Einrichtung (340) zum Erzeugen des über­ setzten analogen Signals folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (340) zum Ausblenden der x höchstwerti­ gen Bits des digitalen absoluten Positionswerts.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die erste mechani­ sche Periode und die zweite mechanische Periode ein kleinstes gemeinsames Vielfaches aufweisen, und der Ab­ schnitt des Maßstabs (220), in Bezug auf welchen der ab­ solute Positionswert die Position auf dem Maßstab (220) festlegt, einer ersten Anzahl von aneinandergrenzenden Periodenabschnitten der ersten Folge von Periodenab­ schnitten und einer zweiten Anzahl von aneinandergren­ zenden Periodenabschnitten der zweiten Folge von Perio­ denabschnitten entspricht, und bei der die Einrichtung (320; 600) zum Bestimmen des digitalen absoluten Positi­ onswerts folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (600) zum Überwachen des analogen Sen­ sorsignals dahingehend, dem wievielten Periodenabschnitt der ersten Anzahl von aneinandergrenzenden Periodenab­ schnitten innerhalb des Abschnitts des Maßstabs (220) der erste momentane Periodenabschnitt entspricht, in Be­ zug auf welchen das analoge Sensorsignal die Position auf dem Maßstab (220) angibt; und
eine Einrichtung (600) zum Berechnen des digitalen abso­ luten Positionswerts basierend auf dem Ergebnis der Ü­ berwachung und dem analogen Sensorsignal.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die erste mechani­ sche Periode ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten me­ chanischen Periode beträgt, und der Abschnitt des Maß­ stabs (220), in Bezug auf welchen der absolute Positi­ onswert die Position auf dem Maßstab festgelegt, dem ersten momentanen Periodenabschnitt entspricht.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Einrichtung (320; 600) zum Bestimmen der Position auf dem Maßstab in Bezug auf den Abschnitt des Maßstabs folgendes Merkmal aufweist:
einen Analog/Digital-Wandler (310) zum Umwandeln des a­ nalogen Sensorsignals in einen digitalen absoluten Posi­ tionswert,
und bei der die Einrichtung (340) zum Erzeugen des über­ setzten Signals aus dem digitalen absoluten Positions­ wert folgendes Merkmal aufweist:
einen Digital/Analog-Wandler (350) zum Umwandeln des nicht-ausgeblendeten Teils des digitalen absoluten Posi­ tionswerts in das analoge übersetzte Signal.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das analoge Sensorsignal zwei zueinander in Quadratur stehende analoge Teilsignale umfasst, die eine Position auf dem Maßstab lediglich in Bezug auf den momentanen Periodenabschnitt eindeutig angeben.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Vorrichtung über eine kurze Übertragungsstrecke (240a-­ 240d) mit dem Positionssensor (200) verbunden ist, so dass Übertragungsverluste des analogen Sensorsignals bis zu dem Eingang der Vorrichtung gering sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die erste mechanische Periode angepasst ist, um bezüg­ lich der Herstellung, Anbringung und Ablesbarkeit des Maßstabs optimiert zu sein, während die zweite mechani­ sche Periode angepasst ist, um bezüglich einer Signal­ übertragung des übersetzten analogen Signals zu der Aus­ werteeinheit (280) und einer Auswertung des übersetzten analogen Signals durch die Auswerteeinheit (280) opti­ miert zu sein.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die zweite mechanische Periode einstellbar ist.