-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Messen von Winkeln mit einem Feinmesssystem, mit welchem Winkeleinstellungen
eines mit einer primären
Drehzahl drehbaren Objektes zwischen 0° und 360° messbar sind, Mitteln zum Untersetzen
der primären
Drehzahl in eine sekundäre
Drehzahl, einem Grobmesssystem, mit welchem eine Anzahl mit der
primären
Drehzahl vollendeter Umdrehungen messbar ist, und einer Auswerteeinheit,
welche Ausgangssignale des Feinmesssystems und des Grobmesssystems
zu einer Ausgangsgröße verarbeitet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen von Winkeln,
bei dem Winkelstellungen eines mit einer primären Drehzahl drehbaren Objektes
zwischen 0° und
360° mit
einem Feinmesssystem gemessen werden, eine Anzahl der mit der primären Drehzahl
vollendeter Umdrehungen mit einem Grobmesssystem gemessen wird und
Ausgangssignale des Feinmesssystems und des Grobmesssystems in einer
Auswerteeinheit zu einer Ausgangsgröße verarbeitet werden.
-
Gattungsgemäße Vorrichtungen und gattungsgemäße Verfahren
werden beim Messen von Winkeln eingesetzt, welche größer sind
als 360°.
Grundsätzlich
erfolgt eine Messung in der Weise, dass mit dem Feinmesssystem ein
Winkel im Bereich zwischen 0° und
360° mit
einer bestimmten Auflösung
gemessen wird, während
mit einem Grobmesssystem verfolgt wird, wie oft der gesamte Winkelbereich
zwischen 0° und
360° bereits überschritten
wurde. Aus den beiden Informationen, das heißt Anzahl vollendeter Umdrehungen
und aktuelle Winkelstellung im Feinmesssystem, lässt sich dann der Gesamtwinkel
berechnen. Neben einer Winkelmessung bieten die gattungsgemäße Vorrichtung
und das gattungsgemäße Verfahren
auch die Möglichkeit, eine
Wegmessung durchzuführen,
indem nämlich
die Rotationsbewegung durch mechanische Zwischenglieder, beispielsweise
durch Gewindespindeln, in eine Linearbewegung umgesetzt wird. Somit
lässt sich
beispielsweise die Position eines Maschinenschlittens durch die
Messung des überstrichenen
Winkels einer Gewindespindel bestimmen. Als Messsysteme kommen sowohl
analoge als auch digitale Systeme in Frage.
-
In
DE 37 34 938 A1 ist eine Sensor-Einheit beschrieben,
die mehrere in Reihe hintereinander angeordnete Resolver umfasst.
Einem an eine Motorwelle ankoppelbaren hochauflösenden Resolver, der der Winkelmessung
dient, sind über
Untersetzungsgetriebe ein oder mehrere Resolver geringerer Winkelauflösung nachgeschaltet.
Jeder der nachgeschalteten Resolver ist bei dieser Anordnung über ein
jeweiliges Untersetzungsgetriebe mit dem vorgeschalteten Resolver
verkoppelt. Die Untersetzungsgetriebe sind so ausgebildet, dass
sich die Winkelbewegungen der aufeinanderfolgenden Resolver im Verhältnis binärer Teilung
befinden, d. h. die Untersetzungsgetriebe weisen ein Untersetzungsverhältnis von
2
n : 1 auf. Die nachgeschalteten Resolver
weisen jeweils eine Winkelauflösung
auf, die in binärer
Darstellung- um ein Bit größer ist
als das Untersetzungsverhältnis
des vorgeschalteten Untersetzungsgetriebes. Die nachgeschalteten
Resolver weisen so eine Redundanz in ihrer Auflösung auf und werden in ihrem
Winkelwert durch das langsamste Bit des jeweils vorgeschälteten Resolvers
synchronisiert. Hierzu werden die Codewörter des Winkelwertes eines
nachgeschalteten Resolver mit dem Synchronisationsbit des vorgeschalteten
Resolvers zu einem Codewort eines Gray-Codes zusammengefügt. Diese
Vorgehensweise ist notwendig, um Ungenauigkeiten der Untersetzungsgetriebe
auszugleichen.
-
In
DE 37 20 828 A1 wird eine Messeinrichtung
zur Lageistwerterfassung beschrieben. Diese Messeinrichtung besteht aus
einem hochauflösenden
inkrementalen Drehgeber, der über
ein Untersetzungsgetriebe mit einem Absolutwertgeber verbunden ist.
Dieser Absolutwertgeber kann über
ein weiteres Untersetzungsgetriebe mit einem weiteren Absolutwertgeber
verbunden sein. Aus den Signalen des Absolutwertgebers oder der
Absolutwertgeber und des inkrementalen Drehgebers berechnet ein
Mikroprozessor sodann den absoluten Lageistwert.
-
In
DE 44 09 892 A1 wird ein Sensor zur Erfassung
des Lenkwinkels eines Lenkrades beschrieben. Das System besteht
aus einem Grobsystem und aus einem Feinsystem. Das Feinsystem weist
eine Codescheibe auf, mittels der der Winkel innerhalb einer Lenkradumdrehung
messbar ist. Das Grobsystem weist eine zweite Codescheibe auf, die über ein
Planetenumlaufgetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von
exakt 4 : 1 mit der Codescheibe des Feinsystems verkoppelt ist.
Mit dem Grobsystem ist es so möglich,
+/– 2
Lenkradumdrehungen zu messen.
-
In der
DE 41 37 092 C2 ist ein Messsystem offenbart,
welches aus einer Kombination eines Winkelcodierers mit einem Analogwertgeber
besteht. Der Winkelcodierer übernimmt
dabei die Aufgabe des Feinmesssystems. Er weist mindestens eine
Codescheibe auf, welche in Abhängigkeit
der Winkelstellung wechselnde physikalische Eigenschaften hat. Durch
ein Abtasten dieser Eigenschaften können die Winkelstellungen der
Codescheibe abgetastet und in digitaler Form erfasst werden. Als
wechselnde physikalische Eigenschaften kommen optisch unterschiedliche
Eigenschaften oder auch kapazitiv, induktiv und resistiv bedingte Veränderungen
in Frage. Um einen größeren Messbereich
zu erfassen, können
mehrere Codescheiben vorgesehen sein, welche sukzessiv über Untersetzungsgetriebe
miteinander gekoppelt sind. Um Messfehler aufgrund eines Getriebespiels
der zwischen den verschiedenen Codescheiben angeordneten Untersetzungsgetriebe
zu vermeiden, ist es im Allgemeinen erforderlich, zumindest bei
der zweiten und den nachfolgenden Codescheiben in einer Untersetzungsreihe
eine Doppelabtastung der einzelnen Signalspuren vorzunehmen. Beispielsweise
können
eine V-Abtastung oder eine U-Abtastung vorgenommen werden. Eine
Doppelabtastung zieht in der Regel nach sich, dass bei optisch abgetasteten
Codescheiben pro Signalspur zwei Strahlungsquellen und zwei Abtastelemente
erforderlich sind. Ferner benötigt
man zwei Signalverstärker.
In vergleichbarer Weise erhöht
sich der Aufwand bei den genannten anderen Abtastverfahren. Eine
weitere Erhöhung
des Aufwands beruht auf dem höheren
Aufwand der logischen Schaltungen, die die erhöhte Anzahl von Ausgangssignalen
verarbeiten müssen.
-
Ein grundsätzliches Problem bei den gattungsgemäßen absoluten
Messsystemen, das heißt
bei Messsystemen, bei denen jeder Position ein eindeutiger Zahlenwert
zugeordnet ist, besteht darin, dass der Messbereich einen begrenzten
Wert besitzt. Dieser Wert hängt
vom technischen Aufwand ab.
-
Grundsätzlich gestattet der als Grobmesssystem
eingesetzte Analogwertgeber, zum Beispiel ein Potentiometer, nur
eine begrenzte Zahl von Umdrehungen. Ferner sind keine beliebig'
hohen Auflösungen
aufgrund physikalischer Fehler durch Temperatureinfluss, Linearitätsabweichungen
und Ungenauigkeiten möglich.
Hinzu kommt, dass das Untersetzungsgetriebe zwischen Feinmesssystem
und Grobmesssystem ebenfalls die Auflösung begrenzt. So lässt sich
ein Messbereich von zum Beispiel 2000 Umdrehungen nicht mit einer
einzigen Winkelcodierscheibe und dem analogen Grobmesssystem allein
verwirklichen. Es sind zwei oder drei über Getriebe hintereinander
geschaltete Winkelcodierscheiben notwendig. Hierdurch geht einer
der Vorteile aufgrund des analogen Grobmesssystems weitgehend verloren,
da trotz der Bereitstellung des analogen Grobmesssystems dennoch
mehrere Winkelcodierscheiben verwendet werden müssen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und
insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Winkeln
zur Verfügung
zu stellen, welche bei geringem Aufwand eine Erweiterung auf einen
großen
Messbereich gestatten.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
der Ansprüche
1 und 9 gelöst.
-
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung
dadurch auf, dass ein Interpolationsmesssystem vorgesehen ist, mit
welchem Zustände
während
einer mit der sekundären
Drehzahl erfolgenden Umdrehung messbar sind, wobei die Anzahl der
von dem Interpolationsmesssystem messbaren Zustände mit der Untersetzung der
Mittel zum Untersetzen korreliert ist. Auf diese Weise wird dem
Problem begegnet, dass bei einer Vergrößerung der Untersetzung Werte
des Grobmesssystems, welche tatsächlich
zu aufeinanderfolgenden Umdrehungen gehören, nicht mehr aufgelöst werden
können.
Indem nun ein Interpolationsmesssystem zur Verfügung gestellt wird, welches
die Zustände
während
einer mit der sekundären
Drehzahl erfolgenden Umdrehung misst, kann durch Berücksichtigung
dieser Messergebnisse die Auflösung
aufeinanderfolgender primärer
Umdrehungen wieder hergestellt werden.
-
Es ist bevorzugt, dass das Feinmesssystem
eine erste Codescheibe aufweist, dass die Mittel zum Untersetzen
ein Untersetzungsgetriebe aufweisen und dass das Interpolationsmesssystem
eine zweite Codescheibe aufweist. Mit der ersten Codescheibe kann
daher in herkömmlicher
Weise ein Winkelbereich zwischen 0° und 360° ausgemessen werden, wobei die
Auflösung
von der Anzahl und der Codierung der Spuren der ersten Codescheibe
abhängt.
Das Untersetzungsgetriebe kann je nach dem Faktor der Untersetzung
den Messbereich um diesen Faktor erhöhen. Das Interpolationsmesssystem
kann ebenfalls durch eine Codescheibe realisiert sein, wobei je
nach dem Faktor der Messbereichsvergrößerung Codescheiben mit unterschiedlichem
binären
Informationsgehalt, das heißt
mit einer unterschiedlichen Anzahl an Spuren zum Einsatz kommen.
-
Vorzugsweise sind das Feinmesssystem
und das Interpolationsmesssystem so aufeinander abgestimmt, dass
die Ausgangssignale der Systeme eine Phasenverschiebung aufweisen.
Eine solche Phasenverschiebung dient der Unterdrückung von Fehlern, die aufgrund
von Getriebespiel, Fehlern des Grobmesssystems, Ungenauigkeiten
und vergleichbaren Fehlern auftreten können.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Phasenverschiebung zwischen dem Signal der gröbsten Spur des
Feinmesssystems und dem Signal mit der höchsten Auflösung des Interpolationssystems
T0/4 beträgt. T0/4
entspricht einer Viertelumdrehung des Feinmesssystems. Eine solche
Phasenverschiebung ist in den meisten Fällen ausreichend, um die aufsummierten
Fehler, die insbesondere aus den Getriebeübersetzungen resultieren, zu
berücksichtigen.
Bei einem geringeren aufsummierten Fehler kann auch mit erheblich
kleineren Phasenverschiebungen gearbeitet werden, das heißt mit Phasenverschiebungen
die kleiner sind als ein Viertel der der primären Umdrehungen entsprechenden
Periodendauer.
-
Vorzugsweise ist die zweite Codescheibe
durch einen Aufdruck auf ein Getriebezahnrad realisiert. Die Erfindung
kann so im günstigsten
Fall durch nur ein einziges zusätzliches
Zahnrad mit einer Lesestation verwirklicht werden, was einen besonders
geringen apparativen Aufwand mit dennoch erheblichen Vorteilen bedeutet.
-
Bevorzugt weist die Auswerteeinheit
einen Mikrocontroller beziehungsweise einen Mikroprozessor auf.
Auf diese Weise lassen sich die verschiedenen Ausgangssignale mit
geringem apparativen Aufwand verarbeiten.
-
Es ist von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit
einen nichtflüchtigen
Speicher aufweist. Dieser nichtflüchtige Speicher kann unter
anderem dazu dienen, Ausgangssignalbereiche zu speichern. Bei einer
Abfrage, innerhalb welcher Umdrehung sich das Objekt befindet, das
sich mit der primären
Drehzahl dreht, werden dann die in dem nichtflüchtigen Speicher abgelegten
Signalbereiche und die Signale der ersten Codescheibe und der zweiten
Codescheibe miteinander verknüpft.
-
Die Vorrichtung ist vorzugsweise
so ausgelegt, dass ein Messbereich um einen Faktor 2x (x
= 1, 2, 3, ...) vergrößerbar ist,
und dass mit dem Interpolationsmesssystem 2x – 1 Zwischenzustände zwischen
zwei benachbarten eindeutig auflösbaren
Winkelstellungen des Grobmesssystems messbar sind. Will man beispielsweise
einen Messbereich vervierfachen, so werden von dem Interpolationsmesssystem
drei Zwischenwerte gemessen, um die erforderliche Auflösung zur
Verfügung
zu stellen.
-
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren
dadurch auf, dass mit einem Interpolationsmesssystem Zustände während einer
mit der sekundären
Drehzahl erfolgenden Umdrehung gemessen werden, wobei die Anzahl
der von dem Interpolationsmesssystem messbaren Zustände mit
der Untersetzung der Mittel zum Untersetzen korreliert ist. Auf
diese Weise werden die erfindungsgemäßen Vorteile der Vorrichtung auch
im Verfahren umgesetzt.
-
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren,
wenn das Feinmesssystem und das Interpolationsmesssystem so aufeinander
abgestimmt werden, dass die Ausgangssignale der Systeme eine Phasenverschiebung aufweisen.
-
Das Verfahren ist ebenfalls dadurch
vorteilhaft, dass die Phasenverschiebung auf etwa ein Viertel der der
primären
Umdrehungen entsprechenden Periodendauer eingestellt wird.
-
Bei einer vorteilhaften und apparativ
einfachen Variante der Vorrichtung ist das Verfahren so ausgelegt,
dass in der Auswerteeinheit ein Mikrocontroller beziehungsweise
ein Mikroprozessor verwendet wird.
-
Ebenso lässt sich die Erfindung verfahrensmäßig vorteilhaft
umsetzen, wenn Ausgangssignalbereiche der Auswerteeinheit in einem
nichtflüchtigen
Speicher abgelegt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren,
dadurch, dass ein Messbereich um einen Faktor 2x (x
= 1, 2, 3, ...) vergrößert wird
und dass mit dem Interpolationsmesssystem 2x – 1 Zwischenzustände zwischen
zwei benachbarten eindeutig auflösbaren
Winkelstellungen des Grobmesssystems messbar sind.
-
Der Erfindung liegt die überraschende
Erkenntnis zugrunde, dass die Erweiterung des Messbereichs eines
Messsystems zur Messung von Winkeln von mehr als 360° mit nur
geringem apparativen Aufwand erfolgen kann. Ein Interpolationssystem
kann die aufgrund einer Messbereichserweiterung an sich verloren
gegangene Auflösung
durch die Bestimmung von Zwischenzuständen wieder herstellen, wobei
apparativ besonders einfache Lösungen
möglich
sind, im einfachsten Fall durch das alleinige Zufügen eines
weiteren Zahnrades, welches gleichzeitig als Codescheibe eines Interpolationssystems
dient. Hervorzuheben ist ferner die Möglichkeit, Fehler durch das
Bereitstellen einer Phasenverschiebung zwischen den Signalen von
Feinmesssystemen und Interpolationsmesssystemen zu unterdrücken.
-
Die Erfindung wird nun mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
-
Dabei zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2 ein
Draufsicht auf eine Codescheibe;
-
3 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Erfindung und
-
4 weitere
Diagramme zur Erläuterung
der Erfindung.
-
In 1 ist
eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch
dargestellt. Ein Motor 1 treibt über ein Getriebe 5, 6, 7,
beispielsweise ein Zahnradgetriebe, eine Welle 8 an. Das
Getriebe weist die Zahnräder 5, 6, 7 auf,
welche miteinander kämmen.
Die Welle 8 liegt fest in der Achse des Zahnrads 7 und
dreht sich mit der Drehgeschwindigkeit des Zahnrads 7.
Auf der Welle 8 ist eine erste Codescheibe 3 angeordnet, über welche
die Winkelstellung der Welle 8 unter Einbeziehung einer
Lesestation 11 gemessen werden kann. Die Winkelstellung
kann eindeutig in einem Winkelbereich von 0° bis 360° gemessen werden. Eine beispielhafte
Codescheibe wird unten im Zusammenhang mit 2 erläutert.
Die Welle 8 steht ferner mit einem Untersetzungsgetriebe 4 in
Verbindung, so dass sich der Abtrieb der Einheit 4 mit einer sekundären Drehzahl dreht,
welche geringer ist, als die primäre Drehzahl der Welle 8.
Der Abtrieb des Untersetzungsgetriebes 4 dient als Eingangsgröße eines
analogen Winkelgebers 2, welcher als Grobmesssystem wirkt.
Die Drehzahl der Welle 8 wird ferner in eine Drehung der
Codescheibe 9 umgesetzt. Diese Codescheibe 9 kann beispielsweise
zusammen mit einem Zahnrad, welches mit dem Zahnrad 7 kämmt als
Einheit ausgelegt sein. Die Codescheibe, welche beispielsweise die
in 2 dargestellte Oberflächenstruktur
aufweisen kann, ist dann durch einen Aufdruck auf das Zahnrad 9 realisiert.
Zusammen mit der Lesestation 10 wird die Winkelposition
des Zahnrads 9 ermittelt. Die Ausgangsdaten des Winkelgebers 2,
der Lesestation 11, welche die Winkelposition der ersten
Codescheibe 3 erfasst, und der Lesestation 10,
welche die Winkelposition der zweiten Codescheibe 9 erfasst,
werden einer Auswerteelektronik 12 zuführt. Aus diesen Eingangssignalen
wird in der Auswerteelektronik 12 ein Ausgangssignal 13 erzeugt,
welches in bestimmten Zeitintervallen den exakten Wert der Welle 8 angibt.
Die exakte Winkelposition wird somit durch das Zusammenspiel des
aus Codescheibe 3 und Lesestation 11 zusammengesetzten
Feinmesssystems, des als Grobmesssystem wirkenden analogen Gebers 2 und
der als Interpolationsmesssystem wirkenden Kombination aus Codescheibe 9 und
Lesestation 10 zur Verfügung
gestellt.
-
In 2 ist
beispielhaft eine Draufsicht auf eine Codescheibe dargestellt. Die
Codescheibe hat vier konzentrisch angeordnete Spuren, wobei diese
Spuren physikalisch wechselnde Eigenschaften aufweisen. Dabei können beispielsweise
induktive, kapazitive und auch rein mechanische Eigenschaften ausgenutzt
werden, wobei der Wechsel der physikalischen Eigenschaften in 2 durch einen Übergang
von schwarzen Flächen
in weiße
Flächen
dargestellt ist. Eine besonders einfache und anschauliche Weise,
den Wechsel der physikalischen Eigenschaften zu realisieren, besteht
darin, dass beispielsweise die in 2 schwarz
dargestellten Flächen
undurchsichtig sind, während
die weiß dargestellten
Flächen
transparent sind. Mit einer optischen Lesestation, beispielsweise
mit den Lesestationen 10, 11 aus 1, lässt
sich dann die Drehung der Codescheibe verfolgen. Die Codescheibe
in 2 hat eine innere
Spur, welche die gröbste
Auflösung
im Hinblick auf eine Drehung bietet und nach außen nachfolgende Spuren, deren
Auflösung
zunimmt. Mit der inneren Spur lässt
sich jeweils die Vollendung einer halben oder einer vollen Umdrehung
messen. Weitere Positionen innerhalb der genannten Intervalle lassen
sich durch die weiter außen
liegenden Codespuren mit höherer
Auflösung messen,
wobei vorzugsweise, wie in 2 dargestellt,
ein Binärcode
für die
Codierung verwendet wird. Die Codescheibe in 2 kann in der dargestellten Weise sowohl
als erste Codescheibe 3 des Systems gemäß 1 als auch als zweite Codescheibe 9 des
Systems gemäß 1 verwendet werden. Die
Zeitpunkte des Wechsels der Wertigkeit der äußeren feinsten Spur bei der
ersten Codescheibe 3 können
beispielsweise als Ausgabezeitpunkt für das Ausgangssignal 13 der
Auswerteelektronik 12 verwendet werden.
-
3 ist
ein Diagramm zur näheren
Erläuterung
der Erfindung, wobei hier die in 1 dargestellte Eingangsgröße α, das heißt der Drehwinkel
der Welle 8, beispielsweise einer Abtriebswelle, und das
Ausgangssignal y des analogen Gebers 2 gegeneinander aufgetragen
sind. Bei idealen Verhältnissen
hat das Ausgangssignal y in Abhängigkeit
der Eingangsgröße α den Verlauf
der mittleren Kurve. Aufgrund von Fehlern des Analogsystems, zum
Beispiel Temperatureinfluss, Linearitätsfehler, Genauigkeit, etc.,
ist ein Toleranzband der Kurve y = f(α) zu berücksichtigen, welches um die
ideale Kurve schraffiert dargestellt ist. Es wird vereinfachend angenommen,
dass das Toleranzband überall
eine Breite von 2Δy
aufweist.
-
Aus diesen Angaben lässt sich
nun die Winkelauflösung
des Grobmesssystems ermitteln. Jedem Winkelwert αN ist
ein Ausgangssignal yN zugeordnet. Zwei benachbarte
Ausgangssignale yN der Nten Umdrehung und
yN+1 der (N + 1)ten Umdrehung müssen nun
soweit auseinander liegen, dass sich ihre Toleranzbereiche nicht überlappen.
Nur so ist eine eindeutige Zuordnung zwischen Ausgangssignal und
Eingangsgröße möglich. Für die Ausgangssignale
existiert somit die Bedingung: YN+1 – yN ≥ 2Δy, woraus
sich in Kenntnis der Funktion y = f(α) der Mindestabstand Δαmi
n zweier Messwerte αN+1 – αN = Δαmin ergibt.
-
Will man nun den Messbereich des
Systems erhöhen,
so kann dies durch eine Erhöhung
der Untersetzung des Untersetzungsgetriebes 4 gemäß 1 erfolgen. Geht man ohne
Messbereichserhöhung
von einer kleinsten noch auflösbaren
Winkeldifferenz αN+1 – αN aus,
so müssen
nach der Messbereichserhöhung
Zwischenwerte zwischen diesen Winkeln bestimmt werden, so dass eine
eindeutige Unterscheidung zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden
Umdrehungen der Welle 8 gemäß 1 möglich
ist. Soll beispielsweise der kleinste noch auflösbare Winkel αN+1 – αN um
den Faktor 2x (x = 1, 2, 3, ...) vergrößert werden,
so müssen 2x – 1
Zwischenwerte bestimmt werden. Soll zum Beispiel der Messbereich
des Gesamtsystems um den Faktor 4 vergrößert werden und beträgt die Untersetzung
des Untersetzungsgetriebes 4 gemäß 1 zunächst
i, so muss das Untersetzungsgetriebe eine Untersetzung von 4i erhalten.
Somit wird die maximale Zahl von Umdrehungen des Grobmesssystems
erst nach einer viermal so großen
Anzahl von Umdrehungen der Welle 8 erreicht als vor der
Messbereichserhöhung.
Da die zur Bestimmung der exakten Zahl der durchgeführten Umdrehungen
verwendeten Analogsignale aufgrund der gegebenen Fehlerquellen des
Analoggebers keine eindeutige Aussage mehr zulassen, wird nun erfindungsgemäß das Interpolationssystem 9, 10 gemäß 1 verwendet, welches eine
absolute Messung von vier Umdrehungen erlaubt.
-
Wird das Interpolationssystem bei
der Montage des Gesamtsystems so justiert, dass es in den Positionen
4αN und 4αN+1 (bezogen auf die ursprünglichen
Werte ohne Messbereichserhöhung)
jeweils von 3 auf 0 springt, dann stellen die Positionen 1, 2 und 3 die
gewünschten
Zwischenwerte dar. Entsprechendes gilt für andere ganzzahlige Faktoren,
um die der Messbereich vergrößert werden
soll.
-
In 4 werden
diese Zusammenhänge
anhand von Diagrammen näher
erläutert.
Im oberen Teil von 4 ist
wiederum die Funktion y = f(N) dargestellt, wobei die Ausgangssignale
y in Volt angegeben sind und wobei auf der waagerechten Achse die
Anzahl der Umdrehungen N der Welle 8 dargestellt ist. N
ist proportional zu α.
Bei einer Messbereichserhöhung
um den Faktor 4 läßt sich
aufgrund der begrenzten Auflösung
des Grobmesssystems nur noch jede 4. Umdrehung eindeutig messen.
Auf der zweiten waagerechten Achse sind die durch das Interpolationssystem
zu bestimmenden Zwischenwerte K dargestellt. Beträgt nun der
Mindestabstand zweier noch unterscheidbarer Messpunkte yN (3V) und yN+1 (4V)
1 V, so ist ein Zwischenzustand yK = 3,6V
zwischen diesen beiden Zuständen
nicht ohne weiteres messbar. Indem nun aber beispielsweise der Zwischenzustand
K = 15 über
das Interpolationsmesssystem erfasst wird, ist durch Kombination
der Informationen aus Feinmesssystem, Grobmesssystem und Interpolationsmesssystem
der Zwischenzustand yK = 3,6 V einer Messung
zugänglich.
-
Im unteren Bereich von 4 sind die entsprechenden
Signalverläufe,
die sich aufgrund der Abtastung der Spuren der Codescheiben ergeben,
dargestellt. Dabei zeigt S10 den Signalverlauf
der gröbsten
Spur der ersten Codescheibe 3 gemäß 1 an. S20 zeigt
den Signalverlauf der gröbsten
Spur der zweiten Codescheibe 9 an, und S21 zeigt
den Signalverlauf bezüglich
einer weiteren Spur der zweiten Codescheibe 9 an.
-
S10 ist die
Spur mit der niedrigsten Auflösung
des Feinmesssystems, das heißt
der Codescheibe 3 gemäß 1. Diese Spur wechselt jeweils
bei dem Winkel 0°,
bei dem Winkel 180° und
Vielfachen davon ihre Wertigkeit. In 4 ist
eine Messbereichsvergrößerung um
den Faktor 4 dargestellt. Dies bedeutet, dass die Codescheibe 9 gemäß 1, das heißt die Codescheibe
des Interpolationsmesssystems, mindestens 2 Bit aufweisen muss.
Diese sind beispielsweise mit zwei Signalspuren und zwei Abtastelementen
realisierbar. Die Spur S21 weist dann nach
jeweils zwei Signalwechseln der Spur S10 einen
Signalwechsel auf, das heißt
sie wechselt jeweils ihre Wertigkeit, nachdem die Codescheibe 9 eine
Drehung um 90° durchgeführt hat.
Die zweite Spur S20 der Codescheibe 9 schaltet
nach jeweils 180° um.
-
Zur Unterdrückung von Fehlern, beispielsweise
durch ein Getriebespiel beider Getriebe und durch Fehler des Analoggebers,
ist eine Phasenverschiebung von T0/4 zwischen
Signalen S10 und S21 (und
entsprechend auch S20) vorgesehen. Da nur
die exakte Bestimmung der Position 0° und 180° und deren Vielfache der Codescheibe 3 gemäß 1 des Feinmesssystems mit
Hilfe von Grobmesssystem und Interpolationsmesssystem bestimmt werden
soll, ist es möglich,
dass die Signalwechsel (Flanken) von S21 und
S20 um T0/4 um den
Idealwert schwanken, was beispielhaft durch die schraffierten Bereiche
angedeutet ist, ohne dass dadurch das Messergebnis verfälscht würde.
-
Sofern die aufsummierten Fehler wesentlich
kleiner als T0/4 sind, könnte auch eine Phasenverschiebung
von weniger als T0/4 ausreichen, um die
Fehler zu kompensieren. Entsprechend ließe sich der Messbereich auch
um den Faktor 8 oder 16 erweitern, wobei dann die Codescheibe 9 gemäß 1 einen Messbereich von
3 oder 4 Bit aufweisen müsste.
-
Nachfolgend soll die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
noch anhand von Wertetabellen erläutert werden. Die durch Interpolation erzeugten
Zwischenwerte sind mit yK bezeichnet. yK liegt im Bereich von (N + 1)ymax/Nmax ± Δy und Nymax/Nmax ± Δy. Für S10 = H kann sich dann die Welle 8 in
den Umdrehu0ngen 4(N + 1), 4(N + 1) – 1, 4(N + 1) – 2 und
4(N + 1) – 3
befinden. Durch Verknüpfung
mit S21 und S20 lässt sich
die Auswahl aus diesen vier Positionen vornehmen. Hierbei ist allerdings
zu berücksichtigen,
dass aufgrund der zugelassenen Toleranzen von S21 und
S20 von ± T0/4
in Bezug auf S10 der korrekte Wert für die Zahl
der durchgeführten
ganzen und halben Umdrehungen nur an den Flanken von S10 gegeben
ist. Daher werden nur an den Flanken von S10 die
codierten Werte des Interpolationssystems beziehungsweise der Codescheibe
auf dem Zahnrad 9 gemäß 1 ausgewertet. Auf diese
Weise lässt
sich eine V- oder eine U-Abtastung umgehen.
-
Für
den Analogwert y
K und einen Wechsel von
S
10 von H zu L ergibt sich die folgende
Auswertetabelle: S
10: H → L:
-
Für
die jeweilige 180°-Position
gilt dann für
den Pegelwechsel von S
10 von L zu H: S
10: L → H:
-
Der Flankenwechsel von S10 ist
drehrichtungsabhängig.
Da die Motordrehrichtung aber vorgegeben ist, kann dies bei der
Auswertung der Flanken berücksichtigt
werden. Die Tabellen gelten bei Rückwärtsbewegung dann für den umgekehrten
Flankenwechsel von S10.
-
In dem Beispiel, welches anhand von 4 erläutert wurde, findet ein Flankenwechsel
von S10 von H zu L statt. Dann gilt: S21 = H und S20 =
H. N hat in dem in 4 dargestellten
Beispiel den Wert 3. Somit ist K die (4(N + 1) – 1)te Umdrehung. In diesem
Beispiel ist die 15. Umdrehung vollendet.
