用于检测旋转构件的绝对角位置或绝对角位移行程的方法与流程

1.本发明涉及一种测量装置，该测量装置包括多极环形编码器和传感器，该编码器具有n对极，该编码器固定到相对于参考构件旋转的旋转构件，该传感器固定到参考构件，每对极包括北类型的极和南类型的极，这n对极在一圈上形成北类型的极和南类型的极的交替，北类型的极和南类型的极的交替并非在角度上均匀地分布。本发明还涉及使用这种装置来检测旋转构件相对于参考构件的绝对角行程。


背景技术：

2.为了确定旋转构件相对于参考构件绕旋转轴线的速度、位移行程或角位置，已知为旋转构件配备环形编码器并且为参考构件配备布置为面向编码器的传感器，在旋转构件的旋转过程中，传感器用于读取由编码器携带的信息。
3.通常，编码器包括至少一个第一读出道（piste de lecture），其在下文中将被称为多极的，包括均匀分布在编码器外围上的北类型的极和南类型的极的交替。编码器可以是磁编码器，也可以是光学编码器（因而通过不同的光学特性（颜色、反射率）来区分北类型的极和南类型的极），或者是通常所说的音轮（roue phonique），即有齿的轮，其中齿和凹槽的交替可以由霍尔效应传感器检测。在所有构型中，传感器检测旋转构件旋转期间连续的北极和南极之间的转变，并且计数器允许从中推断出旋转构件和参考构件之间的相对旋转角度，前提是旋转方向是已知的。与时钟相关联的这种计数器还允许测量旋转速度。极的数目越多且时钟是高分辨率的，则这些测量将更加精确。
4.在校准以及确定了角度计数的原点之后，旋转方向的数据和转变的计数使得可以计算旋转构件相对于参考构件的绝对角位置或绝对角位移，所具有的角度分辨率对应于编码器的两个连续极之间的间距。
5.在实践中，这种类型的测量装置特别用于装配（instrumenter）机械组件，该机械组件包括用于驱动旋转构件相对于固定构件旋转的驱动马达，以及给出马达运行命令和停止命令的马达控制器，在适当的情况下，运行命令包括旋转方向的信息，该信息可以被提取并用于转变的计数，根据旋转方向，所述转变会使计数器进行递增或递减。
6.为了限制能量消耗，这种测量装置通常在旋转构件静止时被停用。该测量装置的启用因此是由马达控制器触发的。
7.由此可见，在一段时间期间该测量装置是盲的，即当马达处于停止状态时该测量装置不能检测到旋转构件的角位置的可能的变化。这些变化尤其可以由内应力的松弛或旋转构件停止时的微位移引起。
8.因而可以证明，当传感器被唤醒时，它不像当它被置于睡眠时那样面对编码器的同一极。如有必要，可以检测到这种状态，例如，唤醒时的极是否具有与睡眠时的极不同的极性，以及传感器是否不仅能够读取极之间的转变，而且能够读取极的极性。但是即使在这种情况下，也无法确定在传感器睡眠期间旋转构件位移的方向或幅度。
9.当然，可以添加第二环形编码器，其承载奇点并由第二传感器读取，以重新调整在
每转时由多极编码器给出的信息。但这样的系统更复杂，而且可能更耗能。
10.为了克服与编码器的制造公差相关的测量的不确切和不精确，在文献 de19835091c1中已经提出了根据在编码器校准过程中提前确定的特征值，校正从转变检测中所推导出的旋转角度的计算。
11.在文献de10017542a1中，已经提出了一种用于确定旋转构件的位置的装置，该装置实现了一种特定的多极编码器，该多极编码器的极的分布是不规则的。更准确地说，多极编码器由多对极组成，每对极具有与其他对极相等的长度，但至少一对极具有不同长度的极。通过测量编码器的在传感器前面通过的连续转变之间的时间，以及利用对极的长度的先验知识，可以确定方向和角速度以及绝对角位置。


技术实现要素：

12.本发明旨在弥补现有技术的缺陷并提出能量消耗少或计算时间消耗少的简单装置，以检测和/或校正旋转构件相对于参考构件的绝对角位置或绝对角位移行程的确定中的错误。
13.为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于检测旋转构件相对于参考构件绕旋转轴线的绝对角位置或绝对角位移行程的方法，该方法借助于测量装置，该测量装置包括固定到旋转构件的包括n对极的多极环形编码器和相对于参考构件固定的传感器，每对极包括北类型的极和南类型的极，这n对极在一圈上形成北类型的极和南类型的极的交替，极的交替并非绕旋转轴线以规则的方式分布，该方法包括由传感器检测一系列连续转变，每个转变表征极的交替中的极在传感器前面的通过，该方法的特征在于，其包括以下操作：
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确定多个滑动的完整旋转一圈的持续时间，每个滑动的完整旋转一圈的持续时间与从一系列连续转变中所提取的转变相关联并且等于将所提取的转变与一系列连续转变中向前数2n次的转变分开的时间，以及根据一个或多个滑动的完整旋转一圈的持续时间，确定所估计的完整旋转一圈的持续时间，
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对于一系列连续转变中的多个转变（每个转变被称为所测试的转变），并且优选地对于一系列连续转变的所有转变，确定所测试的转变的至少一个特征持续时间，所测试的转变的至少一个特征持续时间等于将所测试的转变与一系列连续转变中的另一个转变分开的时间，另一个转变在一系列连续转变中紧邻所述所测试的转变，或者与所测试的转变相隔所述一系列连续转变中的预定数目q的连续转变，q在1和2n-2之间，
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对于每个所测试的转变，计算所测试的转变的特征角度，该特征角度与所测试的转变的特征持续时间和所估计的完整旋转一圈的持续时间之间的比率成比例。
14.该方法可以利用观察到的多极编码器的缺陷，该多极编码器被设计为呈现2n阶的旋转对称性，但其北类型的极和南类型的极的交替被证明是不完全均匀分布的，或者该方法可以实现一种编码器，该编码器被专门设计用于在两个连续极之间呈现至少一个转变，其定位是特定的。
15.例如，标引转变（transition d’indexation）可以是这样的转变，其中，该标引转变与直接相邻的转变中的一者的角度距离是最小的或最大的。在这个假设中，所测试的转变的特征持续时间可以是在一系列检测到的转变中将所测试的转变与直接在它之前或之后的转变（即没有中间转变，q=0）分开的持续时间。
16.在适当的情况下，与一个或多个另外的转变相比，标引转变可以由更复杂的角度签记（signature）来表征：例如，可以通过将标引转变与位于标引转变两侧且直接邻近标引转变（q = 0）或不直接邻近标引转变（q》 0）的两个另外的转变分开的两个特征角度来识别标引转变。
17.完整旋转一圈的持续时间允许估计与每转的平均旋转速度的倒数成比例的量，其对极的角度分布的不规则性不敏感。通过将所测试的转变的特征持续时间与完整旋转一圈的持续时间相关联，可以确定与旋转构件的旋转速度无关的角度测量值。可以设想不同的方法来确定所估计的完整旋转一圈的持续时间：
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根据一个实施例，所估计的完整旋转一圈的持续时间等于与所测试的转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间，或者等于与另一个转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间，或者等于与所测试的转变与另一个转变之间的任何转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间，
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根据另一实施例，所估计的完整旋转一圈的持续时间等于基于滑动的完整旋转一圈的持续时间中的至少一些而计算的平均值，优选地为基于以下持续时间中的多个持续时间而计算的平均值：与所测试的转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间，与另一个转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间，以及在适用时与将所测试的转变与另一个转变分开的一个或多个转变相关联的一个或多个滑动的完整旋转一圈的持续时间。
18.根据一个实施例，将所测试的转变的特征角度与先前存储的特定标引角度进行比较或与所测试的一个或多个另外的转变的一个或多个另外的特征角度进行比较，以确定所测试的转变是否对应于唯一的预定的标引转变，该标引转变表征绕旋转轴线的极的交替的不规则分布。
19.在标引转变的签记是唯一的情况下，可以通过将所测试的转变的特征角度与所有另外的转变的特征角度进行比较来确定所测试的转变是否对应于标引转变。
20.可替代地，并且在所测试的转变的特征持续时间和与所测试的转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间之间所计算的比率给出了作为所测试的转变的特征角度的结果的情况下，则将能够通过将所测试的转变的特征角度与存储在存储器中并且表征特定标引角度的预定值进行比较来确定所测试的转变是否对应于标引转变。
21.根据一个实施例，提供以下操作：
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在由传感器检测表征极的交替中的极在传感器前面的通过的连续转变期间，根据检测到的转变以及在适当情况下根据旋转构件的给定旋转方向对至少一个转变计数器进行递增或递减。
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当所测试的转变对应于标引转变时，读取转变计数器的当前值，并在转变计数器中写入取决于当前值以及取决于标引转变的特定标引号的替换值。
23.转变计数器在每个时刻提供关于由旋转构件行进的角行程的信息，以及关于旋转构件的绝对角位置的信息。在适当的情况下，尤其是在旋转构件已经改变位置而传感器处于睡眠状态的情况下，该信息可能会被错误地污染。对所标引的转变的识别允许校正计数器的值。替换值取决于计数器的当前值（其提供有关角行程的圈数的信息）和标引转变的特定标引号（其明确旋转构件的精确角度定位）。
24.在实践中，旋转构件的驱动由马达或齿轮马达（特别是电动马达）来执行。当旋转
构件的驱动是双向的时，旋转构件的转动方向可以通过确定马达控制命令的方向来获知，例如马达供电电流的极性。根据一个实施例，执行对使旋转构件沿给定旋转方向旋转的命令的检测，并且执行对给定旋转方向的存储。
25.在实践中，预料的误差尤其是非常低幅度的误差，这些误差是由当驱动马达停止并且传感器进入睡眠时旋转构件中的内应力松弛而引起的。可以看出，这种误差的幅度会导致在由传感器在进入睡眠前看到的最后一个极与由传感器被唤醒时看到的第一个极之间出现一个极的偏移。因为这个原因，当传感器能够检测面对传感器的极的交替中的极的类型时，可以提供以下操作：
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当旋转构件停止时，存储检测到的最后一个极的类型以及转变计数器的当前值；
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在旋转构件恢复旋转期间，读取检测到的第一个极的类型，并且基于所存储的当前值恢复转变计数器的递增或递减；
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如果检测到的第一个极的类型与检测到的最后一个极的类型不同，则升起警惕信号旗；
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在写入替换值时降低警惕信号旗。
26.旋转速度的波动在一圈的比例尺上越小，则所测试的转变的特征持续时间与所估计的完整旋转一圈的持续时间之间的比率将是对所测试的转变的特征角度的越正确的估计。优选地，提供用于测试旋转构件相对于参考构件绕旋转轴线的角速度稳定性条件的过程，对于至少所测试的转变和另一个转变，该过程包括：
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计算与所测试的转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间和与另一个转变相关联的滑动的完整旋转一圈的持续时间之间的差值；
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至少将所述差值与取决于所估计的完整旋转一圈的持续时间的阈值进行比较，以确定是否满足速度稳定性条件。
27.根据一个实施例，仅当满足角速度稳定性条件时，才至少执行或利用计算所测试的转变的特征角度的操作。在实践中，用于测试角速度稳定性条件的过程是针对每个所测试的转变执行的。
28.为了针对各个所测试的转变确定旋转一圈的持续时间和特征持续时间，可以每个所测试的转变使用两个时钟，每个时钟在由传感器检测到连续转变时被触发然后被读取以及被重置为零。
29.可替代地，并且根据一个优选实施例，传感器与至少一个时钟和包括至少2n个存储位置的随机存取存储器相链接，该方法包括，对于由传感器检测到的一系列连续转变中的每个转变，将时钟的对应时间存储在随机存取存储器的位置中的一个中，所确定的持续时间中的每一个被计算为所存储的时间中的两个时间之间的时间差。因此，该方法只需要一个时钟。
30.根据一个实施例，基于同一个所测试的转变或者基于两个所测试的转变的至少两个特征角度确定所述旋转构件和所述参考构件之间的相对旋转方向。
31.根据一个实施例，该方法包括，对于每个所测试的转变，确定所测试的转变的至少第二特征持续时间，其等于将所测试的转变与一系列连续转变中的第二另一个转变分开的时间，第二另一个转变在一系列连续转变中紧邻所测试的转变，或者与所测试的转变相隔
所述一系列连续转变中的预定数目q的连续转变，q在1和2n-2之间，并且第二另一个转变与所测试的所述另一个转变不同。
32.根据本发明的另一方面，本发明涉及一种用于装配组件的测量装置，该组件包括能够相对于参考构件绕旋转轴线旋转的旋转构件，该测量装置包括：
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具有n对极的多极环形编码器，其旨在固定到旋转构件，每对极包括北类型的极和南类型的极，这n对极在一圈上形成北类型的极和南类型的极的交替，北类型的极和南类型的极的交替并非绕旋转轴线以规则的方式分布；
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传感器，例如光学传感器或优选的磁传感器，该传感器旨在相对于参考构件固定，以便检测一系列连续转变，每个转变表征极的交替中的极在传感器前面的通过；以及
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测量电路，其被编程以执行如前所述的方法。
33.优选地，传感器能够检测面对传感器的极的交替中的极的北或南类型。传感器尤其可以是霍尔效应传感器，其允许区分多极磁编码器的北磁极和南磁极。
34.该装置优选地包括时钟和存储器，该存储器包括用于存储时钟时间的至少2n个位置，每个存储位置与编码器的在两个连续极之间的2n个连续转变中的一者相关联。
35.测量装置优选地连接到旋转构件的驱动马达或连接到这种驱动马达的控制器，以便读取表示马达旋转方向的信号，以及存储相应的信息。
附图说明
36.本发明的其他特征和优点将在参考附图阅读以下描述时变得明显，在这些附图中：图1示出了包括根据本发明一个实施例的装置的旋转系统；图2示出了图1的装置的编码器的示意图；图3示出了图2的编码器的角度分布的展开图；图4示出了图2的编码器的极之间的连续转变的角度分布，以及转变计数器的相应增量。
37.图5示出了实现根据本发明的方法的程序的流程图。
38.为了更清楚起见，相同或相似的元件在所有附图中由相同的附图标记表示。
具体实施方式
39.在图1上示意性地示出了旋转系统10，旋转系统10包括电动马达12，在电动马达的外壳14中容纳有定子绕组16，定子绕组16允许围绕相对于马达外壳14固定的参考轴线100驱动马达轴18。马达12可以是任何类型。它由发出运行和停止命令的控制电路20控制，如果马达12是双向的，则在适当的情况下，运行命令包括关于旋转方向的信息。
40.在其余的描述中，马达轴18将被称为“旋转构件”，并且马达的固定部分14被称为“参考构件”。旋转系统装配有用于测量旋转构件18相对于参考构件14绕旋转轴线100的绝对角位置或绝对角位移行程的测量装置22，该测量装置22包括多极环形编码器24，该编码器固定到旋转构件18并面对相对于参考构件14固定的传感器26布置。此处，编码器24是磁性类型的并且传感器26是感应传感器（例如霍尔效应传感器），但本发明旨在应用于其他类型的多极编码器和其他传感器，例如根据光学原理运作的那些。
41.在这里，多极编码器是指包括n对极的编码器，n是非零整数，每对极包括北类型的极（例如北磁极或具有第一光学特性的角扇区）和南类型的极（例如南磁极或具有不同于第一光学性质的第二光学性质的角扇区）。这n对极在环的圆周上形成北类型的极和南类型的极的交替，如图2中针对n=4时所示出的。
42.传感器26定位在参考构件14上以便检测北类型的极和南类型的极之间的转变。优选地，传感器26还能够检测与其相对的极的北或南类型。
43.该系统的装配件还包括测量电路28。测量电路28连接到传感器26以读取所检测的转变，并且在需要的情况下读取由传感器26所见的编码器24的每个极的北或南类型。测量电路28还连接到马达12的控制电路26以读取表示马达12的启动和停止命令的信息，以及在需要的情况下读取关于马达12的旋转方向的命令。测量电路28还可以连接到控制电路20以将由测量电路28计算的信息传递给控制电路20。
44.测量电路28可以包括睡眠电路，在检测到马达12的停止命令之后或在检测到旋转构件18的停止之后，睡眠电路能够减少测量电路28的耗电并且特别是停止对传感器的供电，且直到检测到马达12的启动命令为止。
45.测量电路28包括时钟30、存储器32和转变计数器36，存储器32包括用于存储时钟30时间的至少2n个位置34，转变计数器36可以递增、递减或重置为零。测量电路28还包括处理器38，处理器38用于对时钟时间执行逻辑运算和代数运算，并在存储器32和转变计数器36中读取和写入。
46.每次由传感器26检测到编码器的两个极之间的转变时，并且沿着由马达的控制电路20所确定的旋转方向，测量电路28被编程为一方面对采用当前值j（其中j是任何带有正负号的整数）的转变计数器36进行递增或递减，另一方面，在具有2n个位置34的存储器32中以循环方式存储当前的时钟时间tj。因此，对于所检测的一系列至少2n次连续转变，我们拥有了对应系列的至少2n个连续存储时刻tj。
47.值得注意的是，编码器的北类型的极和南类型的极的交替并不是围绕旋转轴线均匀分布的。作为说明，在图2中示意性地示出了具有八个极241至248的编码器24，并且在图3中在线性角度标度上将图2的编码器24的极241至248示出了超过一圈，并且在图4中示出了响应于由传感器26检测到的转变，转变计数器36的相应连续增量（这里随机地记为从1到13）。在转变2和3之间识别出中等宽度的极之前，在转变8和9之间识别出宽极之后，在转变1和2之间、然后在转变9和10之间识别出窄极242。这种不规则性可能是编码器24的制造过程的随机结果，在该制造过程中，极241至248的宽度未被完美控制。这种不规则性还可以并且优选地由具有各种极宽度的编码器24的受控制造引起。
48.这种不规则性的结果是：当p不是2n的倍数时，且特别是当p严格小于2n时，覆盖整数p个极的角扇区随观察到的第一个极而变化。因此，除非p是2n的倍数，否则由传感器观察到的p个连续转变的计数本身并不允许计算相应的角行程或计算走完这些p个转变的平均速度。反之，当p为2n的倍数时，则知道旋转构件已完成整数圈，并且可计算的平均速度不会因误差而受损。
49.根据本发明，预设的是：对于由传感器检测到的每个转变，通过观察将该转变与次序为向前数2n次的检测到的转变分开的时间间隔dj＝t
j-t
j-2n
，来利用该确认结果。因此，通过对于次序为j的每个检测到的转变的计算，确定以该转变结束的旋转构件的完整旋转一
圈的持续时间dj。该持续时间的倒数1/dj表示完整旋转一圈的平均速度，以每单位时间的转数来表示。
50.如果假设旋转构件18的旋转速度在两个给定的观察时刻ti和tj之间变化很小（对应于在检测到的一系列连续转变中足够接近的转变计数器36的两个值i和j），则可以考虑的是：与旋转构件的所估计的完整旋转一圈的持续时间d联系起来的这两个时刻之间所流逝的时间是编码器24的在这两个转变之间的角扇区的测量值，其是转变j的特征角度。
51.。
52.在实践中，可以选择与次序j的观察结果相关联的完整旋转一圈的持续时间dj，或者选择与次序i的观察结果相关联的完整旋转一圈的持续时间di，或者选择关于观察结果i和j之间的间隔所计算的平均值，来作为所估计的完整旋转一圈的持续时间d，例如：或。
53.在实践中，将会选择i与j接近：并且优选地：并且以特别优选的方式：。
54.为了验证旋转构件转速的稳定性的假设，可以对旋转一圈的持续时间dj和di或针对从i到j变化的指数k的所有持续时间dk进行测试，以确定观察到的变化相对于d而言是否是小的。例如，可以验证是否满足以以下方式表达的条件：其中是预定的小阈值，例如小于10-2
。
55.当满足这个条件时，则认为值对应于转变i和j之间的角度值。
56.通过对连续的2n个j的值重复此计算，获得在一圈上所有转变的特征角度的估计值，并且可以识别具有特定签记的j的值（例如，在图2的示例中与占据最小角扇区的极242相对应的最小值，或者在图2的示例中与占据最大角扇区的极241相对应的最大值）。
57.该签记对应于极的或编码器标引转变的已知位置。然后可以检查以2n为模的计数器对应值（即以整数除法将计数器中包含的值除以2n所得的余数）是否对应于极或所标引的转变。在发生偏移的情况下，可以用校正值替换计数器中包含的值，该校正值取决于由计数器检测到的转数（计数器当前值除以2n所得的商）以及取决于归因于奇点的预定值。
58.可替代地，在初步校准步骤期间，可能已经存储了极的或标引交替的特定角度（例如，围绕极242的两个转变之间的角度），然后在设备运行期间，将每个特征角度与这个特定角度进行比较。
59.为了提高极的或标引转变的识别的置信度，可以计算转变的多个特征角度。例如，可以以唯一的方式识别与图4中的增量9相对应的、在极241和极242之间的转变，这是通过将所述转变与围绕它的两个转变分开的两个角度来做到的，这两个角度即：将所述转变与转变8分开的角度，以及将所述转变与转变10分开的角度，要知道是两个连续转变之间的最小角扇区，而是最大角扇区。当特征角度的计算给出的两个连续值和 分别对应于和，或者分别是在一圈上所计算的特征角度的最小值和最大值时，确定增量j对应于极241和极242之间的转变。
60.将观察到，同一转变的多个特征角度的计算不仅允许以更高的置信度识别标引转变，也允许以更高的置信度识别旋转构件的旋转方向。
61.在之前的说明中已经假设：时钟提供了关于观察到的事件的精确时间。在实践中，时钟必须具有时间分辨率f（以hz表示），其大幅地大于这些转变在传感器前面通过的频率。如果v
max
是由马达12提供的最大转速，以rad/s表示，则：。
62.在实践中：。
63.在图5中示出了在j＝i 1的情况下（也就是说，在所计算的特征角度是编码器24的两个连续转变之间的角度的情况下）执行根据本发明的方法的程序的流程图。
64.假设一个初始状态1000，在该初始状态1000中，马达是停止的，转变计数器 36 保留前一次执行程序时的最后已知值，但不必须确切地表示旋转构件的实际位置，旋转构件可能已经从最后的观察结果非常轻微地移动了。可选地，测量电路28还可以存储在停止之前检测到的最后一个极的北或南类型。
65.在步骤1001，在给定方向上控制马达的控制命令由控制电路20发送并由测量电路28检测到，测量电路28存储该旋转方向并唤醒传感器26。可选地，可以预设：传感器在被唤醒时读取检测到的极的北或南类型，并将此类型与停止之前检测到的最后一个极的类型进行比较，以便在两种类型不同时升起警惕信号旗，否则降低警戒信号旗。升起警戒信号旗则意味着我们知晓发生了偏移。如果知晓在马达停止时旋转构件的位置改变只能是非常小的并且小于编码器的最小极的角宽度，则该测试尤其可以是有用的。在这种假设下，实际上，警戒信号旗的位置允许知晓是否发生了偏移，并允许据此决定是否必须执行程序的以下步骤。
66.在步骤 1002，传感器 26 检测编码器24的连续的极之间的转变，并且测量电路28向存储器34提供相应的时钟时间tj并根据先前在步骤1001中所存储的方向递增或递减转变计数器。作为变形，可以提出：旋转方向并不由控制电路20传输到测量电路28，并且两个不同的计数器可以并行使用，其中一个计数器在检测到的每个转变时递增并且对应于第一
旋转方向的假设，另一个计数器在检测到的每个转变时递减，对应于相反旋转方向的假设。
67.在步骤1003，在检测到至少2n个连续转变之后，处理器38在每个转变k时计算自次序为向前数2n次的那个转变以来经过的时间dk。
68.在步骤1004，处理器38对旋转构件的转速进行稳定性测试，并确定是否满足以下不等式：。
69.如果测试是肯定的，则在步骤1005对k在j-n和j之间的那些转变k执行特征角度的计算，并且识别对应于标引转变的转变l。
70.在步骤1006，通过向计数器写入值（该值等于当前值除以2n所得的商和与标引转变相关联的包含在1和2n之间的值的和）来校正转变计数器36。如有必要，可以降低警戒信号旗。从该步骤开始，认为转变计数器36给出关于编码器24和旋转构件18相对于校准位置的角行程的非错误信息。
71.当然，图中所示和上面讨论的示例仅出于说明性和非限制性目的而给出。明确规定可以将不同的图示实施例组合在一起以提出其他实施例。