Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung und Plausibilit ts- prüfung bei absoluten Winkellagemeßgebern mit insbesondere serieller Übertragung erfaßter Lageistwerte

Bei absoluten Winkellagemeßgebern können Lageistwerte in binärer Form in vorgegebenen Zeitabständen bevorzugt seriell z.B. an eine Steuerung zur Weiterverarbeitung übertragen werden. Da der Vorgang der seriellen Datenübertragung aller Bits eines derartigen, binärcodierten Istwertes aber eine gewisse Dauer beansprucht, kann sich während dessen der reale Istwert in Ausnahmefällen stark verändern.

Ein erster derartiger Fall ist gegeben, wenn die Welle des absoluten Winkellagemeßgebers z.B. wegen einer an sich unzu¬ lässigen Überdrehzahl vorübergehend mit einer hohen Drehzahl rotiert. Dabei kann sich zwischen Beginn und Ende der seriel¬ len, bitweisen Übertragung eines vorher erfaßten Lageistwer- tes die tatsächliche Lage der Welle um viele Wegeinheiten verändern. Der darauf folgende, seriell übertragene Lageiεt- wert weist dann einen unerwartet sprunghaft veränderten Be¬ trag auf. Ein weiterer derartiger Fall ist gegeben, wenn Fehler bei der seriellen Datenübertragung auftreten. Dabei können z.B. durch elektromagnetische Einstrahlungen verur¬ sacht hochwertige Bits der Codierung des Lageistwertes im seriellen Datenstrom verfälscht werden. Auch in diesem Fall können Lageistwerte einen dann fehlerbedingt sprunghaft veränderten Betrag aufweisen. Werden derartige sprunghafte Änderungen eines Winkellageistwertes z.B. einer Steuerung zugeführt, so wird dort sowohl die Erkennung der Drehrichtung der Welle des Winkellagemeßgebers, als auch die Plausibili- tätsprüfung der eingehenden Lageistwerte erschwert.

Im Normalbetrieb kann die Drehrichtung der Welle des Winkel¬ lagemeßgebers auf einfache Weise ermittelt werden, indem die

Differenz von aufeinander folgenden Istwerten gebildet wird. Ist das Vorzeichen von " aktueller Lageistwert - vorange¬ gangener Lageistwert " positiv, so wird beispielsweise „vorwärts* gedreht, tritt dabei ein negatives Vorzeichen auf, so wird „rückwärts" gedreht. Voraussetzung für die Funktions¬ fähigkeit dieser Methode ist aber, daß die beiden Istwerte in obiger Differenz immer so eng beieinander liegen, daß eine derartiges Paar in jedem Fall entweder „vor" oder „nach" dem sogenannten Nullpunkt der Welle des Winkellagegebers liegt. Die Beträge der beiden Istwerte dürfen somit in der Regel nicht stark voneinander abweichen.

Dies bedeutet aber wiederum, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Welle des Winkellage eßgeberε und die Schnelligkeit der seriellen Datenübertragung immer so aufeinander abgestimmt sein müssen, daß nicht einer der beiden Werte des Paares „vor" und der andere Wert „nach" Überschreitung des Nullpunk¬ tes erfaßt wird. In einem solchen Fall würde eine fehlerhafte Drehrichtung bestimmt werden. Ist der alte, „vor" dem Null- punkt liegende Istwert beispielsweise 3550 ( entspricht z.B. einem Lageiεtwert 355,0 Grad ), der neue, „nach" dem Null¬ punkt liegende Istwert 50 ( entspricht z.B. einem Lageistwert 50,0 Grad ), so ergibt die Differenz " aktueller Lageiεtwert - vorangegangener Lageistwert " , d.h. im Beispiel 50 - 3550, ein negatives Vorzeichen, obwohl die Welle des Winkellageme߬ gebers vorwärts über den Nullpunkt hinweg gedreht wurde. Andererseits dürfen zur Differenzbildung auch nicht durch elektromagnetische Einstrahlungen betragsmäßig stark ver¬ fälschte Lageistwerte verwendet werden. Auch in diesem Fall besteht die Gefahr, daß eine fehlerhafte Drehrichtung be¬ stimmt wird.

Unerwartet oder fehlerbedingt stark veränderte Lageistwerte stellen auch dann ein Problem dar, wenn dieses z.B. in einer Steuerung auf sogenannte Plausibilität überprüft werden.

Hierzu wird meist angenommen, daß die Änderung von eingehen-

den Lageistwerten in einer annähernd quasikontinuierlichen Weise erfolgt. Dann kann überprüft werden, ob deren Betrag eine vorgegebene, maximal zulässige Änderungsgeεchwindigkeit nicht überschreitet. Hiermit können z.B. aufgrund von Fehlern bei der seriellen Datenübertragung verfälschte, unbrauchbare Lageistwerte ausgefiltert werden. Andererseits können derar¬ tige große Istwertsprünge unerwartet auch dann auftreten, wenn die Abstimmung zwischen der Geschwindigkeit der seriel¬ len Datenübertragung und der Rotationsgeschwindigkeit der Welle des Winkellagemeßgebers z.B. durch eine vorübergehende an sich unzulässige Überdrehzahl gestört ist. Derartige große, fehlerhafte oder unerwartete Istwertsprünge sind dann verwechselbar mit zulässigen Istwertsprüngen, welche bei der Winkellageerfassung immer auftreten.

Bei der Erfassung der Lage der Welle eines Winkellagegebers ändert sich nämlich der Istwert vom Maximalwert auf den Start- bzw. Nullwert oder umgekehrt im Moment der Überfahrung des sogenannten Nullpunktes. Bei einem Geber mit z.B. einer sogenannten 0,1 ° Auflösung einer vollen Umdrehung der über¬ wachten Welle ändert sich die binäre Codierung des Istwertes bei Überfahrung des Nullpunktes von einem Maximalwert 3599 ( entspricht z.B. einem Lageistwert 359,9 Grad ) auf 0 ( entspricht z.B. einem Lageistwert von 0 Grad ) . Derartige Betragssprünge im Lageistwert sind nur im Moment der Null- punktsüberschreitung zulässig und üsεen als εolche erkannt werden. Treten aber, wie oben beεchrieben, sporadisch uner¬ wartete oder fehlerbedingte große Betragssprünge auf, so wird hierdurch z.B. in einer auswertenden Steuerung sowohl die Erkennung der Drehrichtung der Welle, als auch die Plausi- bilitätsprüfung eingehender Lageistwerte behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltung an¬ zugeben, womit bei einem absoluten Winkellagegeber trotz eines möglichen Auftretens von großen Betragsänderungen bei den erfaßten Winkellageistwerten die Drehrichtung der Welle

des Winkellagegebers korrekt ermittelt und die Plausibilität der Lageistwerte überprüfen werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst mit der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen derselben sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird mit Hilfe der beiliegenden Figur, welche einen Querschnitt durch die Welle eines Winkellagegebers zeigt, weiter erläutert.

Von der erfindungsgemäßen Schaltung wird z.B. bei der Inbe¬ triebsetzung des Winkellagemeßgebers zunächst ein erster Wert V ermittelt und in einem Speicher hinterlegt. Dieser ent- spricht der Anzahl an Winkeleinheiten, die während zwei auf¬ einander folgender Übertragungen von Lageistwerten über die jeweilige serielle Datenübertragungsstrecke bei Vorliegen der maximal zuläsεigen Drehzahl der Welle deε Winkellagemeßgeberε zurückgelegt wird. Dieser Wert ist somit ein Maß für die Lei- stungsfähigkeit der jeweils eingesetzten seriellen Datenüber¬ tragungseinrichtung relativ zur größtmöglichen Änderungsge¬ schwindigkeit der zu erfassenden und zu übertragenden Lage¬ istwerte, und entspricht dem größtmöglichen Winkelabstand zwischen zwei aufeinander folgend erfaßten und übertragener. Lageistwerten. Da im Normalfall die Drehzahl der Welle klei¬ ner als der Maximalwert sein wird, liegen überlicherweise Lageiεtwerte näher beieinander. Der Wert repräεentiert folg¬ lich zum einen die aktuelle Erfaεεungsgeschwindigkeit auf¬ einander folgender Lageiεtwerte, und zum anderen aber auch den dabei möglichen Maximalwert der Stufenhöhe im Betrag der Istwerten.

Von der erfindungsgemäßen Schaltung wird ferner ein zweiter Wert D ermittelt und gegebenenfallε gemeinsam mit dem ersten entspricht der Differenz aus dem maximalen Wegwert MAX deε

Winkellagemeßgeberε und dem ersten Wert V, d.h. D = ( MAX - V

) . Wert V ebenfalls im Speicher hinterlegt. Dieser Dieser Wert entspricht somit dem Lagewert der Welle des Winkelläge- gebers, dessen Erfassung und serielle Übertragung z.B. an eine Steuerung bei Vorliegen der maximalen Drehgeschwindig- keit der Welle genau soviel Zeit beanspruchen würde, daß der darauf folgend erfaßte Lageistwert mit dem sogenannten Dreh- geberendwert MAX zusammenfällt. Dieser Drehgeberendwert ist der Lageistwert, dem auch abhängig von jeweiligen binären Codierung der maximal vorkommende Betragswert zugeordnet wird. Er liegt in der Regel nur um den der Auflösung des Winkellagegebers entsprechenden Winkelwert vor dem soge¬ nannten Nullpunkt des Gebers.

Bei dem in der Figur gezeichneten Beispiel sei in der glei- chen Weise wie bereits oben angenommen, daß der Winkellage¬ geber Lageänderungen seiner Welle W mit einer Auflösung von 0,1 ° erfassen kann. Diesem kleinsten, meßbaren Winkelbereich wird dann vorteilhaft der kleinste Betragswert A = 1 zugeord¬ net. Bei einer Auflösung von 0,1 ° weist der maximal erfaß- bare Lageistwert die Größe von 359,9 Grad. Diesem unmittelbar vor dem Nullpunkt NP der Welle W liegenden Endwert des Win¬ kellagemeßgebers wird dann der maximale Betragswert von MAX = 3599 zugeordnet. Ferner sei angenommen, daß sich die Welle W des Winkellagemeßgeberε bei Vorliegen der maximal zuläεsigen Drehzahl zwischen Erfasεung und Übertragung von zwei aufeinander folgenden Lageistwerten um einen Winkel¬ bereich von 10 ° weiter dreht. In diesem Fall ergibt sich für den ersten Wert V ( V = 10 ° dividiert durch 0,1 ° ) die Größe 100 und für den zweiten Wert D = MAX minus V = 3599 - 100 = 3499. In der Figur sind rechts und links des Null¬ punktes NP der Welle W die Lageistwerte Ll und L2 darge¬ stellt. Der Lageiεtwert Ll = 3499 liegt dabei um die Größe des ersten Wertes V (100) zuzüglich der Auflösung A (1) , d.h. genau um die Größe des zweiten Wertes D „vor" dem Nullpunkt NP. Der zweite Lageistwert L2 = 100 liegt um die Größe des ersten Wertes V (100) „nach" dem Nullpunkt.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann nun über eine Verarbei¬ tungseinheit mit Hilfe der beiden Werte V und D ermitteln, ob sich ein aktuell erfaßter Lageistwert und der dazugehörige, im unmittelbar vorangegangenen Zyklus erfaßte, übertragene und somit bereits im Speicher befindliche Lageistwert unmit¬ telbar links oder rechts vom Nullpunkt NP befindet, und somit der Fall eintreten ist, daß sich die zur Drehrichtungserken¬ nung miteinander in Verbindung zu bringenden Lageistwerte auεnahmsweise nicht beide gemeinsam auf einer Seite deε Null- punktes befinden. Hierzu werden die Istwerte mit Hilfe von Vergleichsmitteln der erfindungεgemäßen Schaltung mit den jeweiligen Größen der beiden geεpeicherten Werte V und D verglichen.

Die Erfindung wird mit Hilfe der Figur am Beiεpiel von drei

Paaren zuεammengehöriger Lageistwerte X11,X12 und X21,X22 und X31,X33 erläutert, wobei die Werte Xx2 den jeweils aktuellen, neu erfaßten und übertragenen Lageistwert, und die Werte Xxl den jeweils vorangegangenen, im vorherigen Zyklus erfaßten Lageistwert darstellen, wobei für x=l,2,3 gilt.

Ergibt dieser Vergleich in einem ersten Fall, daß ein ak¬ tueller Lageistwert X12 im Bereich zwischen dem Nullpunkt NP und dem mit der Größe des ersten gespeicherten Wertes V übereinstimmenden Lageistwert L2 liegt, d.h. in der Figur rechts vom Nullpunkt, und zusätzlich der vorangegangene Lageistwert Xll im Bereich zwischen dem mit der Größe deε zweiten gespeicherten Wertes D übereinstimmenden Lageistwert Ll und dem Drehgeberendwert MAX liegt, d.h. in der Figur links vom Nullpunkt, sind also die folgenden Bedingungen erfüllt

NP < X12 < V (Gl. 1) D < Xll < MAX (Gl. 2) ,

so ermittelt die erfindungsgemäße Schaltung eine positive Drehrichtung.

Ergibt dieser Vergleich in einem zweiten Fall, daß ein ak- tueller Lageistwert X22 im Bereich zwischen dem mit der Größe des zweiten gespeicherten Wertes D übereinstimmenden Lageist¬ wert Ll und dem Drehgeberendwert MAX liegt, d.h. in der Figur links vom Nullpunkt, und zusätzlich der vorangegangener Lage¬ istwert X21 im Bereich zwischen dem Nullpunkt NP und dem mit der Größe deε ersten gespeicherten Werteε V übereinstimmenden Lageiεtwert L2 liegt, d.h. in der Figur rechts vom Nullpunkt, sind also die folgenden Bedingungen erfüllt

D < X22 < MAX (Gl. 3) NP < X21 < V (Gl. 4) ,

so ermittelt die erfindungsgemäße Schaltung eine negative Drehrichtung.

Ist eine der beiden Bedingungen in einem der obigen Glei¬ chungspaare Gl.l, G1.2 oder G.3, Gl.4 erfüllt, so wurde der Nullpunkt NP der Welle W des Winkellagemeßgebers überschrit¬ ten, und die beiden zur Erfassung der aktuellen Drehrichtung miteinander zu verarbeitenden Werte liegen nicht paarig bei- sammen auf einer Seite des Nullpunktes NP.

Ergibt dieser Vergleich in einem dritten Fall, daß keine der Bedingungen der obigen Gleichungen Gl.l bis G1.4 erfüllt ist, so liegen beide Lageistwerte nicht nahe bei dem bzw. um den Nullpunkt NP. In der Figur ist ein Paar derartiger Lageist¬ werte X32, X31 eingezeichnet. Es wird dann die Differenz zwischen dem aktuellen Lageistwert X32 und dem vorangegange¬ nen Lageistwert X31 wie bisher gebildet. Ist das Vorzeichen dieser Differenz positiv, so ist die Drehrichtung positiv, andernfallε iεt negativ. Im Beispiel der Figur ist die Dreh¬ richtung positiv.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß trotz des möglichen Auf¬ tretens von unerwarteten oder fehlerbedingten großen Betrags- änderungen bei den erfaßten Winkellageistwerten die Drehrich¬ tung der Welle des Winkellagegebers in jedem Fall korrekt ermittelt werden kann. Die Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie auf einfache Weise um eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung von erfaßten Lageistwerten erweiterbar ist.

Hierzu wird der Betrag aus der Differenz " aktueller Lageist¬ wert - vorangegangener Lageistwert " gebildet. Ist dieser Betrag größer als der erste gespeicherte Wert V, so ist einer der beiden Istwerte fehlerhaft, da die Werte auf dem Umfang der Welle dann quasi zu weit auseinander liegen. Ein derar- tiger Betrag kann nur zustande kommen, wenn entweder die tatsächliche Drehzahl höher als die maximal zulässige ist, oder ein Lageistwert z.B. durch elektromagnetische Einstrah¬ lungen bei der seriellen Datenübertragung verfälscht wurde. Tritt ein solcheε fehlerhafteε Paar von Lagewerten auf, εo können dieεe nicht weiterverarbeitet werden, sondern üεεen verworfen werden. Diese Ergänzung der Erfindung hat den Vor¬ teil, daß die übertragenen Lageistwerte auch dann auf Plau- εibilität überprüfbar εind, wenn keine datensichernden Ver¬ fahren z.B. durch Hinzufügung redundanter Informationen wie Paritätε- oder Prüfsummenbits bei der seriellen Datenüber¬ tragung eingesetzt werden.