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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Korrektur von periodischen
Signalen eines inkrementalen Positionsmesssystems.
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Inkrementale Positionsmesssysteme
liefern bei der Abtastung einer Messteilung ausgangsseitig üblicherweise
ein Paar phasenversetzter, sinusförmiger Signale. Die Weiterverarbeitung
dieser periodischen Signale erfolgt in einer nachgeordneten Folgeelektronik,
beispielsweise in einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung.
Die Folgeelektronik setzt bei der Weiterverarbeitung der Signale,
beispielsweise bei der Signal-Interpolation, eine ideale Signalform
der gelieferten Signale des Positionsmesssystems voraus; insbesondere
wird dabei von gleichbleibenden Signal-Amplituden, einem möglichst
geringen Signal-Offset sowie von einem exakten 90°-Phasenversatz
zwischen den periodischen Signalen ausgegangen. In der Regel liefert
das jeweilige Positionsmesssystem jedoch keine derart optimale Signalform,
d.h. die erzeugten Signale sind aufgrund verschiedenster Einflüsse üblicherweise
fehlerbehaftet bzgl. der Signalparameter Signal-Amplitude, Sig nal-Offset
und Signal-Phasenlage. Zur messsystemseitigen Korrektur dieser Fehler
bzw. zur Ausregelung dieser Fehler wurden bereits eine Reihe von
Lösungen
vorgeschlagen, die nachfolgend kurz diskutiert seien.
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Aus der
EP 708 311 A2 ist eine Schaltungsanordnung
zur Korrektur von Sinussignalen, die eine Positionsinformation beinhalten,
bekannt. Dabei werden die Gleichanteile, das Spannungsverhältnis der Sinussignale
zueinander und die Phasendifferenz durch eine prozessorgesteuerte
Anordnung korrigiert. Hierfür
werden die Punkte der Sinussignale ausgewählt, an denen sie sich schneiden
und an denen sie die maximale Amplitude aufweisen. Aus diesen Punkten
der Signalverläufe
der Sinussignale werden der Gleichanteil in den Sinussignalen berechnet
und gegebenenfalls korrigiert; weiterhin wird daraus das Spannungsverhältnis der
beiden Sinusspannungen zueinander berechnet und gegebenenfalls korrigiert.
Schliesslich wird aufgrund dieser Punkte noch die Phasendifferenz
zwischen den Sinussignalen berechnet und korrigiert. Die genannten Berechnungen
und Korrekturen erfolgen dabei prozessorgesteuert.
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Dabei ist von Nachteil, dass eine
relativ komplexe und damit teure Schaltungsanordnung zur Durchführung der
drei Korrekturmassnahmen erforderlich ist, insbesondere ein separater
Prozessor. Neben den Kosten ist weiterhin der nicht unerhebliche
Platzbedarf nachteilig, der für
die Schaltungsanordnung benötigt
wird, da die Schaltungsanordnung vorteilhaft unmittelbar am Messsystem
angeordnet wird.
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Aus der
DE 196 43 771 A1 ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von Signalen eines
Kodierers bekannt. Dabei werden sinusförmige Signale simuliert und
deren Amplitude aus der Differenz zwischen Maximal- und Minimalwert
bestimmt. Es wird dann eine optimale Bezugsspannung für einen
A/D-Wandler oder eine optimale Bezugsspannung und ein optimaler
Verstärkungsfaktor
für einen Verstärker entsprechend
der Amplitude des simulierten Signals bestimmt. Schliesslich werden
diese ermittelten optimalen Werte eingestellt. Hierbei wird ein Prozessor
zur Ermittlung der optimalen Bezugsspannung und evtl. eines optimalen
Verstärkungsfaktors benötigt.
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Dabei ist wiederum von Nachteil,
dass ein Prozessor zur Ermittlung optimaler Werte benötigt wird.
Weiterhin werden die optimalen Werte nur für bestimmte Positionen berechnet
und nicht permanent nachgeregelt, weshalb während dem Betrieb zwangsläufig auch
suboptimale Werte eingestellt sind.
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Aus der
EP 489,36 A1 ist bereits ein Verfahren und
eine Schaltungsanordnung zur Detektion von Amplituden- und Offsetfehlern
bei zwei um 90° versetzten
Sinussignalen sowie ein Regler dafür bekannt. Es werden beide
Signale in Schwellwertstufen bewertet. Der Zeitpunkt der Bewertung
wird dabei durch den Nulldurchgang des jeweils anderen Signals definiert.
Die Ausgangssignale der Schwellwertstufen werden in einem Steuerwerk
bewertet und entsprechend den dabei ermittelten Fehlern Offset und Amplitude
eingestellt.
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Bei dieser Realisierung ist von Nachteil,
dass lediglich eine einstufige Regelung möglich ist. Daher kann entweder
eine grosse Amplitudenschwankung eines der Sinussignale nicht schnell
genug ausgeregelt werden oder bei einer kleinen Amplitudenschwankung
kann ein Überschwingen
der Regelung nicht verhindert werden. Weiterhin ist ein Steuerwerk erforderlich,
das in der Regel durch einen Prozessor realisiert wird, welcher
einen erheblichen Kostenaufwand darstellt und einen erheblichen
Platzbedarf hat.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren zur Korrektur periodischer Signale eines inkrementalen
Positionsmesssystems sowie eine geeignete Schaltungsanordnung hierfür anzugeben.
Dabei sollen Signal-Parameter der periodischen Signale wie Signal-Amplitude,
Signal-Offset und
Signal-Phasenlage wahlweise korrigierbar sein. Gefordert ist insbesondere,
dass sowohl geringe als auch starke Schwankungen der jeweiligen
Signalparameter ausregelbar sind und ein Überschwingen der Regelung möglichst
vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung mit
den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren weist den Vorteil
auf, dass sowohl geringfügige
als auch starke Schwankungen von Signalparametern der periodischen
Signale des Positionsmesssystems ohne Überschwingungen ausgeregelt
werden, beispielsweise unterschiedlich starke Amplitudenschwankungen.
Geringfügige
Schwankungen des Signalparameters Signalamplitude können etwa
im normalen Messbetrieb durch langsame Driftvorgänge verursacht werden, während starke
Amplitudenschwankungen durch eine Verschmutzung der abgetasteten Messteilung
bedingt sind. In beiden Fällen
stellt das erfindungsgemässe
Verfahren eine zuverlässige
Korrektur der an die Folgeelektronik übertragenen Signale sicher.
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Die zugehörige, erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
weist den Vorteil auf, dass sowohl eine langsame Schwankung als
auch eine schnelle Änderung
in den Signalen, beispielsweise bzgl. des Signalparameters Signalamplitude,
mit nur einer Schaltungsanordnung ausgeregelt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der
Unempfindlichkeit der Schaltungsanordnung gegenüber Störungen, die den Signalen des
Positionsmesssystems überlagert
sind. Dies wird im Fall der Amplitudenkorrektur dadurch erreicht,
dass nur während
eines sehr kurzen Zeitraums die Amplitude der Signale des Positionsmesssystems
betrachtet wird, um anschliessend einen eventuell vorliegenden Fehler
auszuregeln. Alle Störungen,
die nicht in diesem Zeitintervall liegen, können die Korrektur bzw. Regelung nicht
beeinflussen.
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Grundsätzlich kann im Rahmen der vorliegenden
Erfindung je nach Anwendungsfall vorgesehen werden, nur einen Teil
der oben diskutierten Signalfehler zu korrigieren bzw. die entsprechenden
Signalparameter einzuregeln; beispielsweise kann auf erfindungsgemässe Art
und Weise die Korrektur bzw. Regelung der Signal-Amplitude und des
Signal-Offsets erfolgen, während
auf eine Korrektur eventueller Phasenlagefehler verzichtet wird
etc.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich
somit flexibel an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich der
Signalqualität
anpassen.
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Weiterhin ist aufzuführen, dass
die Schaltungsanordnung lediglich einen geringen schaltungstechnischen
Aufwand erfordert, gleichzeitig aber eine schnelle und zuverlässige Signalkorrektur
gewährleistet
ist. Insbesondere erfordert die zugehörige Schaltungsanordnung hierbei
keine schaltungstechnisch aufwendige Detektion von Signal-Spitzenwerten.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten
des erfindungsgemässen
Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigt
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1 ein
Flussdiagramm zur grundsätzlichen
Erläuterung
des erfindungsgemässen
Verfahrens;
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2a ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung, geeignet zur Amplituden- und Offset-Korrektur
für ein
erstes, als Differenzsignal übertragenes
periodisches Signal eines inkrementalen Positionsmesssystems;
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2b eine
Ergänzung
des ersten Ausführungsbeispieles
aus 1a für ein zweites,
phasenversetztes Ausgangssignal;
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3 ein
schematisiertes Schaltbild einer ersten möglichen Anordnung von erfindungsgemäss betriebenen
Stellgliedern im Signalweg eines inkrementalen Positionsmesssystems;
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4a–4f verschiedene Signale aus
dem ersten Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung;
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung, geeignet zur Phasenlage-Korrektur für mehrere
periodische Signale eines inkrementalen Positionsmesssystems;
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6a und 6b je ein schematisiertes
Schaltbild einer zweiten möglichen
Anordnung von erfindungsgemäss
betriebenen Stellgliedern in den Signalkanälen eines inkrementalen Positionsmesssystems;
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7a–7c verschiedene Signale aus
dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung.
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Anhand des Flussdiagrammes in 1 wird nachfolgend das erfindungsgemässe Verfahren grundsätzlich erläutert. Ausgegangen
sei beim beschriebenen Verfahren von einem inkrementalen Positionsmesssystem,
bestehend aus einer periodischen Messteilung und einer relativ hierzu
beweglichen Abtasteinheit. Im Fall der Relativbewegung von Messteilung
und Abtasteinheit resultieren verschiebungsabhängig modulierte, periodische
Signale, die zur Weiterverarbeitung an eine nachgeordnete Folgeelektronik übertragen
werden. Die Relativbewegung kann hierbei in Form einer Linearbewegung
als auch in Form einer rotatorischen Bewegung vorgesehen sein.
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Üblicherweise
handelt es sich bei den erzeugten Signalen um ein Paar sinusförmiger Analogsignale,
die einen Phasenversatz von 90° zueinander aufweisen.
Ein derartiges Positionsmesssystem kann etwa zur präzisen Bestimmung
der Relativposition von Werkzeug und Werkstück in einer numerisch gesteuerten
Werkzeugmaschine eingesetzt werden; als Folgeelektronik fungiert
in diesem Fall die numerische Werkzeugmaschinensteuerung. Grundsätzlich können derartige
Positionsmesssysteme auf verschiedensten physikalischen Abtastprinzipien
basieren, beispielsweise auf photoelektri schem, magnetischem, induktivem
oder kapazitivem Prinzip. Selbstverständlich ist die vorliegende
Erfindung in Verbindung mit all diesen Abtastprinzipien einsetzbar.
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Über
das nachfolgend erläuterte,
erfindungsgemässe
Verfahren wird nunmehr sichergestellt, dass an die Folgeelektronik
stets hinreichend optimierte Signale zur Weiterverarbeitung übertragen werden,
wobei die jeweilige Optimierung gezielt hinsichtlich bestimmter
Signalparameter erfolgt. Als kritische bzw. zu optimierende Signalparameter
der periodischen Signale seien insbesondere die Signal-Amplitude,
der Signal-Offset sowie die oben erwähnte relative Phasenlage aufgeführt.
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In einem ersten Schritt S10 des erfindungsgemässen Verfahrens
wird der aktuelle Ist-Wert von mindestens einem der verschiedenen
Signalparameter vorzusgweise innerhalb einer Signalperiode ermittelt.
Im nachfolgenden Schritt S20 erfolgt ein Vergleich des ermittelten
Ist-Wertes mit ein oder mehreren vorgegebenen Schwellwerten. Hierbei
erfolgt in diesem Schritt S20 eine Bewertung des jeweiligen Ist-Wertes
in Bezug auf die Relativlage zu dem bzw. den verschiedenen Schwellwerten.
Es wird demzufolge bewertet, ob der jeweilige Ist-Wert des Signal-Parameters
größer oder
kleiner als bestimmte Schwellwerte ist. An dieser Stelle ist somit
insbesondere keine schaltungstechnisch aufwendige Spitzenwertdetektion
erforderlich. Je nach Relativlage des Ist-Wertes wird im nachfolgenden
Verfahrenschritt S30 eine Stellgröße bestimmt, die im Verfahrensschritt
S40 auf die periodischen Signale einwirkt, um diese in Richtung
eines vorgegebenen Sollwertes einzuregeln. Anschließend erfolgt
wiederum gemäß dem Verfahrensschritt
S10 die Ermittlung des Ist-Wertes des Signalparameters in einer
nachfolgenden Signalperiode, um ggf. weiter auf den jeweiligen Signalparameter
einzuwirken, bis dieser den gewünschten
Sollwert aufweist bzw. zumindest in einem bestimmten Sollbereich
liegt usw.
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Für
die im Verfahrensschritt S30 bestimmte Stellgröße S stehen mindestens zwei
vorgegebene, verschiedene Stellgrößen SN (z.B.
N = 1...4) zur Verfügung.
Die verschiedenen Stellgrößen SN sind jeweils eindeutig einer be stimmten
Relativlage des Ist-Wertes des Signal-Parameters in Bezug auf die vorgegebenen
Schwellwerte zugeordnet und sind im Hinblick auf ihr jeweiliges
Vorzeichen sowie ihren Betrag vorgegeben. Die mindestens zwei Stellgrößen S unterscheiden
sich betrags- und/oder vorzeichenmäßig. Vorteilhafterweise stehen
vier Stellgrößen zur Verfügung, von
denen sich zwei betragsmäßig deutlich
voneinander unterscheiden; jede der betragsmäßig unterschiedlichen Stellgrößen hat
ferner eine korrespondierende Stellgröße mit umgekehrtem Vorzeichen.
Derart ist sichergestellt, dass auf unterschiedlich starke Schwankungen
des jeweiligen Signalparameters regelungsseitig geeignet reagiert
werden kann. Sollen etwa auf diese Art und Weise die Signalparameter
Signal-Amplitude und Signal-Offset korrigiert werden, so können verschiedene
Ursachen zu einer unerwünschten
Veränderung
dieser Signalparameter führen.
Beispielsweise kann ein langsames Driften der Signalamplitude ebenso
vorliegen, wie ein deutlicher Signalamplitudeneinbruch im Fall einer Verschmutzung
der Messteilung. Während
im ersten Fall über
das erfindungsgemässe
Verfahren eine kleinere Stellgröße S für den Regelungsschritt
S40 bestimmt wird, erfolgt im zweiten Fall die Selektion der grösseren Stellgröße etc.
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Als vorteilhaft erweist sich beim
erfindungsgemässen
Verfahren weiterhin, wenn im Verfahrensschritt S10 die Bestimmung
des jeweiligen Signalparameter-Ist-Wertes innerhalb eines kleinen
Zeitfensters erfolgt, vorzusgweise innerhalb einer Signalperiode.
Dadurch können
Störungen
weitgehend ausgeschlossen werden, die ggf. die Regelung beeinflussen
könnten.
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Ebenso wird dann mit Hilfe der bestimmten Stellgröße S regelungstechnisch
im Schritt S40 lediglich in einem kleinen Zeitfenster reagiert,
etwa über eine
begrenzte Anzahl von Signalperioden hinweg.
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Desweiteren ist vorteilhaft, wenn
eine ggf. erforderliche Änderung
der aktuellen Stellgröße S lediglich
zu Zeitpunkten erfolgt, in denen ein Nulldurchgang des periodischen
Signales vorliegt, d.h. wenn die Amplitude des periodischen Signales
Null oder zumindest annähernd
Null ist.
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Hinsichtlich konkreter Ausführungsformen und
weiterer vorteilhafter Details des erfindungsgemässen Verfahrens sowie erfindungsgemässer Schaltungsanordnungen
sei auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
in den weiteren Figuren verwiesen.
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Im folgenden, ersten Ausführungsbeispiel
einer geeigneten Schaltungsanordnung werden lediglich die Signalparameter
Signal-Amplitude und Signal-Offset
in den Signalen eines inkrementalen Positionsmesssystems korrigiert.
Das erste Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung ist hierbei zur Durchführung des oben erläuterten
Verfahrens geeignet. Im Hinblick auf die Korrektur des Signal-Parameters
Signal-Phasenlage sei auf die später
folgende Beschreibung eines zweiten Ausführungsbeispieles verwiesen.
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In der ersten Variante einer geeigneten Schaltungsanordnung
wird davon ausgegangen, dass das Positionsmesssystem als Ausgangssignale ein
sinusförmiges
und ein um 90° verschobenes
sinusförmiges,
also cosinusförmiges
Signal ausgibt. Die Ausgangssignale sin, cos des Positionsmesssystems
werden jeweils über
zwei Leitungen als Differenzsignale übertragen. Daraus können dann
die jeweils invertierten Signale –sin, –cos einfach erzeugt werden,
falls diese nicht ohnehin bereits vorhanden sind.
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2a zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
der ein Sinussignal sin, ein Cosinussignal cos sowie ein invertiertes
Sinussignal –sin
und ein invertiertes Cosinussignal –cos zugeleitet werden, die
in bekannter Art und Weise vom inkrementalen Messsystem erzeugt
werden. Diese Signale sin, cos, –sin, –cos werden in einer ersten
Baugruppe 1 den Eingängen
eines Multiplexers 1.1 zugeleitet. Die Steuerung des Multiplexers 1.1 erfolgt
abhängig
von der Bewegungsrichtung des Messsystems durch die Auswertung der
Eingangssignale sin, –sin,
cos, –cos
mittels Komparatoren 1.2 und 1.3. Im einzelnen
wird einem ersten Komparator 1.2 auf seinen invertierenden
Eingang das Sinussignal sin und auf seinen nichtinvertierenden Eingang
das invertierte Cosinussignal –cos zugeleitet.
Einem zweiten Komparator 1.3 in der ersten Baugruppe 1 wird
auf seinen invertierenden Eingang ebenfalls das Sinussignal sin
und auf seinen nichtinvertierenden Eingang das Cosinussignal cos zugeleitet.
Die Ausgangssignale der beiden Komparatoren 1.2, 1.3 werden
zur Steuerung des Multiplexers 1.1 derart verwendet, dass
das Ausgangssignal des ersten Komparators 1.2 im Multiplexer 1.1 als niederwertiges
Adressbit zur Auswahl eines der Eingangssignale und das Ausgangssignal
des zweiten Komparators 1.3 als höherwertiges Adressbit zur Auswahl
eines der Eingangssignale benutzt wird. Wird dem Eingang des Multiplexers 1.1 mit
der Adresse 0 das invertierte Cosinussignal cos, dem Eingang
mit der Adresse 1 das Sinussignal sin, dem Eingang mit
der Adresse 2 das Cosinussignal cos und dem Eingang mit
der Adresse 3 das invertierte Sinussignal –sin zugeleitet,
dann wird vom Multiplexer 1.1 jeweils dasjenige Eingangssignal
als Ausgangssignal OUTMUX ausgegeben, welches
gerade die maximale Amplitude aufweist. Dies gilt für eine erste
Bewegungsrichtung auf Seiten des Positionsmesssystems.
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Ändert
sich die Bewegungsrichtung auf Seiten des Positionsmesssystems,
wird dies in einem Richtungsdetektor 1.4 erkannt, der beispielsweise
in bekannter Art und Weise das sinus- und cosinusförmige Ausgangssignal
des Positionsmesssystems auswertet. Der Richtungsdetektor 1.4 steuert
dann einen weiteren Multiplexer 1.5 an, der die Ausgangssignale
der Komparatoren 1.2 und 1.3 derart mit den Steuereingängen des
Multiplexers 1.1 verbindet, dass auch bei geänderter
Bewegungsrichtung dasjenige Eingangssignal sin, cos, –sin, –cos als
Ausgangssignal OUTMUX durch den Multiplexer 1.1 weitergeleitet
wird, welches gerade die maximale Amplitude aufweist. Durch den
Richtungsdetektor 1.4 und den Multiplexer 1.5 wird
somit sichergestellt, dass unabhängig
von der Bewegungsrichtung auf Seiten des Positionsmesssystems immer
diejenige Halbwelle der Eingangssignale sin, cos, –sin, –cos als
Ausgangssignal OUTMUX weitergeleitet wird,
welche gerade die maximale Amplitude aufweist.
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Der Zusammenhang zwischen den vier
Eingangssignalen sin, cos, –sin,
cos und den über
den Multiplexer 1.1 erzeugten Ausgangsisgnale OUTMUX ist in den 4a und 4b graphisch dargestellt.
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Alternativ könnte der Multiplexer 1.5 auch
vor dem Multiplexer 1.1 angeordnet sein, wodurch die Ausgangssignale
sin, cos, –sin, –cos des
Positionsmesssystems derart den Eingängen des Multiplexers 1.1 zugeleitet
werden, dass durch den Multiplexer 1.1 unabhängig von
der Bewegungsrichtung immer dasjenige Eingangssignal als Ausgangssignal
OUTMUX ausgegeben wird, welches gerade eine
maximale Amplitude aufweist.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann
der Multiplexer 1.5 abhängig
von der Bewegungsrichtung auch die an die Synchronisationsbaugruppe 2 weitergeleiteten
sinus- und cosinusförmigen
Signale im Vorzeichen vertauschen. Dadurch wird in einer ersten
Bewegungsrichtung das Cosinussignal cos dem Komparator 2.1 und
das Sinussignal sin dem Komparator 2.5 zugeleitet. In einer
zweiten Bewegungsrichtung wird, umgeschaltet durch den Multiplexer 1.5,
das Sinussignal –sin
dem Komparator 2.5 und das Cosinussignal –cos dem
Komparator 2.1 zugeleitet.
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Das derart erzeugte Ausgangssignal
OUTMUX des Multiplexers 1.1 bzw.
der ersten Baugruppe 1 wird vier Komparatoren 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 zugeleitet,
die einer zweiten Baugruppe 3 zugeordnet sind. Einem ersten
und einem zweiten Komparator 3.1 und 3.2 wird
das Ausgangssignal OUTMUX des Multiplexers 1.1 jeweils
auf den nichtinvertierenden Eingang zugeleitet; einem dritten und
vierten Komparator 3.3 und 3.4 wird das Ausgangssignal
OUTMUX des Multiplexers 1.1 auf
den invertierenden Eingang zugeleitet. Die zweiten Eingänge der
Komparatoren 3.1 bis 3.4 werden jeweils mit einem
Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der ebenfalls zur zweiten Baugruppe 3 gehört.
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Der Spannungsteiler, bestehend aus
einer Stromquelle 3.9 und vier Widerständen 3.5 bis 3.8,
ist derart ausgestaltet, dass vor dem Widerstand 3.5, zwischen
den Widerständen 3.5 und 3.6, 3.6 und 3.7 und
zwischen den Widerständen 3.7 und 3.8 jeweils ein
Abgriff vorgesehen ist. Die Widerstände 3.5 bis 3.8 sind
derart gewählt,
dass die Spannung an den Abgriffen jeweils als Schwellspannung für die nachfolgend
noch detailliert erläuterte
Regelung verwendet werden kann; derart werden somit die bereits oben
erwähnten, verschiedenen
Schwellwerte SW1 – SW4
vorgegeben. Der invertierende Eingang des ersten Komparators 3.1 wird
hierzu mit dem ersten Abgriff vor Widerstand 3.5 verbunden.
Der invertierende Eingang des zweiten Komparators 3.2 wird
mit dem Abgriff zwischen den Widerständen 3.5 und 3.6 verbunden;
der nichtinvertierende Eingang des dritten Komparators 3.3 wird
mit dem Abgriff zwischen den Widerständen 3.6 und 3.7 verbunden
und der nichtinvertierende Eingang des vierten Komparators 3.4 wird
mit dem Abgriff zwischen den Widerständen 3.7 und 3.8 verbunden.
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Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel
eines Spannungsteilers mit fest vorgegebenen Widerständen respektive
Schwellwerten, kann auch vorgesehen werden, die verschiedenen Schwellwerte
einstellbar auszulegen. Dies kann etwa durch eine entsprechende
Anordnung mit mehreren umschaltbaren Widerständen realisiert werden. Auf diese
Art und Weise lässt
sich die vorliegende Erfindung vorteilhaft an verschiedene Abtastverfahren
anpassen. Über
die jeweiligen Schwellwerte lässt
sich in Verbindung mit den Schrittweiten der Stellglieder die gewünschte Regelungs-Steilheit
und die Regelungs-Geschwindigkeit einstellen; es lässt sich
somit beeinflussen, welche Signaländerungen von Signalperiode
zu Signalperiode ausgeregelt werden können.
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Die Ausgangssignale der vier Komparatoren 3.1 bis 3.4 werden
anschließend
in einer dritten Baugruppe 4 ersten Eingängen von
zwei Gruppen aus je vier UND-Gattern 4.1 bis 4.4 und 4.5 bis 4.8 zugeleitet.
Den zweiten Eingängen
der ersten Gruppe von UND-Gattern 4.1 bis 4.4 wird
ein erstes Synchronisationssignal SYNC1 zugeleitet. Durch das Synchronisationssignal
SYNC1 werden die UND-Gatter 4.1 bis 4.4 der ersten
Gruppe dann freigegeben, wenn das cosinusförmige Eingangssignal cos eine
minimale Amplitude nahe Null aufweist. Die Freigabe dauert so lange,
wie der mit den UND-Gattern 4.1 bis 4.4 verbundene
erste Vorwärts-Rückwärts-Zähler 5.1 benötigt, um
die Ausgangssignale der UND-Gatter 4.1 bis 4.4 zu übernehmen.
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Das Ausgangssignal des ersten Komparators 3.1 wird,
synchronisiert durch das erste UND-Gatter 4.1, einem ersten
Zählereingang 10xR eines
Zählers
5.1 zugeleitet,
der den Zähler 5.1 derart
steuert, dass dieser in einer ersten Schrittweite rückwärts zählt. Der
Zähler 5.1.
ist somit wie die weiteren Zähler 5.4, 5.7, 5.10 in
bekannter Art und Weise als Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgebildet;
die verschiedenen Zählereingänge fungieren
als Steuereingänge,
d.h. je nach beaufschlagtem Zählereingang wird
mit einer bestimmten Schrittweite in eine bestimmte Richtung gezählt. Die
erste Schrittweite des Zählers 5.1 wird
derart gewählt,
dass auch starke Amplitudenschwankungen der Signale des Positionmesssystems über eine
geeignete Regelung möglichst
schnell ausgeglichen werden können.
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Das Ausgangssignal des zweiten Komparators 3.2 wird,
synchronisiert durch das zweite UND-Gatter 4.2, einem zweiten
Zählereingang
R des Zählers 5.1 zugeleitet,
wodurch der Zähler 5.1 derart gesteuert
wird, dass dieser in einer zweiten, kleineren Schrittweite rückwärts zählt. Die
zweite, kleinere Schrittweite des Zählers 5.1 wird derart
gewählt,
dass langsame Signaldriften im normalen Betrieb des Messsystems über eine
geeignete Regelung ohne Überschwingungen
ausgeglichen werden.
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Das Ausgangssignal des dritten Komparators 3.3 wird,
synchronisiert durch das dritte UND-Gatter 4.3, einem dritten
Zählereingang
V des Zählers 5.1 zugeleitet,
welcher in einer zweiten Schrittweite vorwärts zählt. Schliesslich wird noch das
Ausgangssignal des vierten Komparators 3.4, synchronisiert
durch das vierte UND-Gatter 4.4 einem vierten Zählereingang
10×V des
Zählers 5.1 zugeleitet,
der den Zähler 5.1 derart
steuert, dass dieser in einer ersten Schrittweite vorwärts zählt.
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Die verschiedenen UND-Gatter 4.1–4.4 in der
dritten Baugruppe 4 dienen somit zum selektiven Zuführen von
Signalen auf bestimmte Zählereingänge R, V,
10R, 10V des Zählers 5.1.
Das Zuführen
der Signale auf die verschiedenen Zählereingänge R, V, 10R, 10V erfolgt
hierbei in Abhängigkeit
der vorher durchgeführten
Vergleichsoperationen, d.h. die verschiedenen Zählereingänge R, V, 10R, 10V werden in
Abhängigkeit
von den Ausgangssignalen der Komparatoren 3.1–3.4 entsprechend
des Ist-Wertes des Signal-Parameters
im Vergleich mit den vorgegebenen Schwellwerten SW1 – SW4 beaufschlagt.
Auf diese Art und Weise wird je nach Ergebnis der Vergleichsoperation
die jeweilige Zähler-Schrittweite und
damit letztlich die aktuelle Stellgröße für die Regelung des Signalparameters
eingestellt.
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Das jeweilige aktuelle Zählergebnis
des Zählers 5.1 wird
einem Zwischenspeicher 5.2 zugeleitet. Weiterhin wird dem
Zwischenspeicher 5.2 ein drittes Synchronisationssignal
SYNC3 zugeleitet. Aus dem Zwischenspeicher 5.2 wird das
Zählergebnis
bzw. der Zählerstand
zu Zeitpunkten, die durch das dritte Synchronisationssignal SYNC3
bestimmt sind, an einen nachgeordneten Decoder 5.3 ausgegeben.
Mit Hilfe des Decoders 5.3 wird ein Stellglied einer Regelung
in Form eines veränderbaren
Widerstandes 6.1 eingestellt. Über die definierte Veränderung
des Widerstandes 6.1 wird dann letztlich regelungstechnisch
die Signal-Amplitude und ggf. der Signal-Offset des vom Positionsmesssystem
ausgegebenen Signales sin verändert.
In Bezug auf die Anordnung des Widerstandes 6.1 im Signalweg
des Positionsmesssystems sei auf die noch folgende Beschreibung
der 3 verwiesen.
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Die zweite Gruppe UND-Gatter 4.5 bis 4.8 in der
dritten Baugruppe 4 ist mit einem zweiten Zähler 5.4 verbunden.
Die Ausgangssignale der Komparatoren 3.1 bis 3.4 aus
der zweiten Baugruppe 3 bilden jeweils auch ein Eingangssignal
für die
UND-Gatter 4.5 bis 4.8. Das zweite Eingangssignal
der UND-Gatter 4.5 bis 4.8 wird durch ein zweites
Synchronisationssignal SYNC2 realisiert. Das zweite Synchronisationssignal
SYNC2 gibt die UND-Gatter 4.5 bis 4.8 zur
Weiterleitung des Ausgangssignals der Komparatoren 3.1 bis 3.4 immer
dann frei, wenn das cosinusförmige
Eingangssignal cos des Multiplexers 1.1 eine Amplitude
nahe Null aufweist. Die Dauer der Freigabe wird wieder derart gewählt, dass
der zweite Zähler 5.4 die
Ausgangssignale der UND-Gatter 4.5 bis 4.8 übernehmen
kann. Dabei wird das Ausgangssignal des ersten UND-Gatters 4.5 einem
Zählereingang 10×R des zweiten
Zählers 5.4 zugeleitet,
der ein Rückwärtszählen in
einer ersten Schrittweite steuert. Das Ausgangssignal des zweiten
UND-Gatters 4.6 wird einem zweiten Zählereingang R des Zählers 5.4 zugeleitet,
der ein Rückwärtszählen in
einer zweiten, kleineren Schrittweite steuert. Das Ausgangssignal des
dritten Komparators 3.3 wird einem dritten Zählereingang
V des Zählers 5.4 zugeleitet,
der ein Vorwärtszählen in
einer zweiten, kleinen Schrittweite steuert. Schliesslich wird noch
das Ausgangssignal des vierten UND-Gatters 4.8 der zweiten
Gruppe dem vierten Zählereingang
10×V des
Zählers 5.4 zugeleitet,
so dass dieser derart gesteuert wird, dass er mit einer ersten,
größeren Schrittweite
vorwärts zählt.
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Das Ausgangssignal des zweiten Zählers 5.4 in
der dritten Baugruppe 4 wird einem zweiten Zwischenspeicher 5.5 zugeleitet.
Dem zweiten Zwischenspeicher 5.5 wird ebenso wie dem ersten
Zwischenspeicher 5.2 das dritte Synchronisationssignal SYNC3
zugeleitet. Dadurch gibt der zweite Zwischenspeicher 5.5 das
Zählergebnis
des zweiten Zählers 5.4 zum
gleichen Zeitpunkt an einen zweiten Decoder 5.6 aus, wie
der erste Zwischenspeicher 5.2. Durch den zweiten Decoder 5.6 wird
ein zweites Stellglied, wiederum ausgebildet als veränderbarer Widerstand 6.2,
in Abhängigkeit
vom aktuellen Zählerstand
eingestellt. Das zweite Stellglied wird wie der erste veränderbare
Widerstand 6.1 dazu benutzt, den Signalparameter Signal-Amplitude und ggf.
Signal-Offset eines der Ausgangssignale des Positionsmesssystems
zu verändern;
im vorliegenden Beispiel wird damit das an die Folgeelektronik übertragene
Signal –sin
entsprechend geregelt. Auch in diesem Zusammenhang sei auf die noch
folgende Beschreibung der 3 hingewiesen,
die u.a. die Anordnung der verschiedenen Stellglieder bzw. der veränderbaren
Widerstände 6.1, 6.2 im
Signalweg zeigt.
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Da die Ausgangssignale des Positionsmesssystems
zur Verbesserung der Störunempfindlichkeit über zwei
Leitungen als Differenzsignale übertragen werden,
wie in 3 dargestellt,
werden mittels der Widerstände 6.1 und 6.2 bzw.
mittels der entsprechenden Stellglieder auf den beiden Leitungen
die Signal-Amplituden und der Signal-Offset der periodischen Signale
sin, –sin
des Positionsmesssystems eingestellt, die an die nachgeordnete Folgeelektronik übertragen
werden. Neben den dargestellten veränderbaren Widerständen 6.1, 6.2 eignen
sich selbstverständlich
auch andere Bauelemente als Stellglieder einer entsprechenden Regelung,
beispielsweise einstellbare Verstärker, MOS-Transistoren, bipolare Transistoren
etc.
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Auf die Erzeugung der verschiedenen
Synchronisationssignale SYNC1, SYNC2, SYNC3, SYNC4 in einer vierten
Baugruppe 3 und deren Funktion im vorliegenden Beispiel
einer Schaltungsanordnung sei nachfolgend näher eingegangen. Zu den verschiedenen
Synchronisationssignalen SYNC1 – SYNC4
und zum Zusammenhang mit den verschiedenen anderen Signalen sei
ferner auf die Darstellung in den 4a–4f verwiesen.
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Grundsätzlich wird im vorliegenden
Ausführungsbeispiel über die
Synchronisationsignale SYNC1 – SYNC4
u.a. immer sichergestellt, dass die Ausgangssignale der Komparatoren 3.1–3.4 entsprechend
den Eingangssignalen sin, cos, –sin, –cos auf die
jeweiligen Zähler 5.1, 5.4 geschaltet
werden. Die verschiedenen UND-Gatter haben dabei eine Sortierfunktion,
so dass jedem Zähler 5.1, 5.4 immer
Informationen bzgl. des gleichen Eingangssignales zugeführt werden.
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Über
den Multiplexer 1.1 werden die anliegenden Eingangssignale
sin, cos, –sin, –cos zu
einer Hüllkurve
zusammengefasst, so dass stets alle Eingangssignale sin, cos, –sin, –cos durch
die gleichen Komparatoren bewertet werden. Fehler unterschiedlicher
Komparatoren wirken sich dadurch nicht als Signaldifferenz am Ausgang
der Regelung aus. Die verschiedenen UND-Gatter verteilen die Ausgangssignale
der Komparatoren schließlich
wieder auf die den Eingangssignalen sin, cos, –sin, –cos zugeordneten Zähler.
-
Zur Erzeugung des in 4d dargestellten ersten Synchronisationssignals
SYNC1 für
die erste Gruppe UND-Gatter 4.1 bis 4.4 wird das
cosinusförmige
Eingangssignal cos des Multiplexers 1.1 in einem Komparator 2.1 der
vierten Baugruppe 2 mit seinem Gleichspannungsanteil UM
verglichen. Das Ausgangssignals des Komparators 2.1 weist
zunächst
ein Tastverhältnis
von 1:1 auf und wird in der vierten Baugruppe 2 anschliessend
einem Impulsbreitenwandler 2.3 zugeleitet. Durch diesen
wird das Tastverhältnis
derart geändert,
dass zu dem Zeitpunkt, zu dem das cosinusförmige Eingangssignal cos einen
Wert aufweist, der der Mittenspannung UM entspricht, ein HIGH-Pegel
durch den Impulsbreitenwandler 2.3 als Synchronisationssignal
SYNC1 ausgegeben wird. Dadurch wird die Dauer des ursprünglich durch
den Komparator 2.1 erzeugten HIGH-Impulses verringert.
Der derart erzeugte HIGH- Impuls dient
dann zur Synchronisation der Ausgangssignale der Komparatoren 3.1 bis 3.4 mittels
der ersten Gruppe von UND-Gattern 4.1 bis 4.4.
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Zur Erzeugung des in 4f gezeigten, zweiten Synchronisationssignales
SYNC2 wird in der vierten Baugruppe 2 das Ausgangssignal
des Komparators 2.1 zusätzlich
einem Inverter 2.2 zugeleitet. Anschliessend wird wieder
das Tastverhältnis
in einem Impulsbreitenwandler 2.4 derart verändert, dass zu
dem Zeitpunkt, zu dem das cosinusförmige Eingangssignal cos einen
Wert aufweist, der der Mittenspannung UM entspricht, ein HIGH-Pegel
durch den Impulsbreitenwandler 2.4 ausgegeben wird. Dadurch wird
die Breite des HIGH-Pegels des Ausgangssignals von Inverter 2.2 verringert.
Das Ausgangssignal des Impulsbreitenwandler 2.4 wird als
zweites Synchronisationssignal SYNC2 der zweiten Gruppe UND-Gatter 4.5 bis 4.8 zugeleitet.
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Zur Erzeugung des dritten Synchronisationssignales
SYNC3 wird in einem weiteren Komparator 2.5 der vierten
Baugruppe 2 das sinusförmige
Eingangssignal sin mit dem für
alle Eingangssignale identischen Gleichanteil UM verglichen, so
dass das Ausgangssignal von Komparator 2.5 wieder ein Tastverhältnis von
1:1 aufweist. Dieses Ausgangssignal wird einem Impulsbreitenwandler 2.6 zugeleitet,
der das Tastverhältnis
verändert
und dann einen HIGH-Pegel ausgibt, wenn das cosinusförmige Eingangssignal
von Multiplexer 1.1 eine maximale Amplitude aufweist. Dieses
dritte Synchronisationssignal SYNC3 wird den beiden Zwischenspeichern 5.2 und 5.5 zur
Synchronisation zugeleitet.
-
Das dritte Synchronisationssignal
SYNC3, welches aus dem sinusförmigen
Eingangssignal sin gewonnen wird, dient somit zur Synchronisation
der Einstellung der veränderbaren
Widerstände 6.1 und 6.2 bzw.
Stellglieder, über
die die Signale sin, –sin des
inkrementalen Positionsmesssystems geleitet werden. Dadurch erfolgt
die Veränderung
der Widerstände 6.1 und 6.2 jeweils
zu Zeitpunkten, in denen die Veränderung
der Widerstandswerte nicht zu einem Sprung im weitergeleiteten Signal
sin, –sin
des inkrementalen Positionsmesssystems führt.
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Durch die Synchronisation der UND-Gatter 4.1 bis 4.8 mittels
aus dem cosinusförmigen
Eingangssignal cos ermittelten ersten und zweiten Synchronisationssignalen
SYNC1 und SYNC2 wird, wie oben bereits angedeutet, sichergestellt,
dass die dem Eingangssignal sin zugeordneten Ausgangssignale der
Komparatoren 3.1–3.4 dem
Zähler 5.1 und die
dem Eingangssignal –sin
zugeordneten Ausgangssignale der Komparatoren 3.1–3.4 dem
Zähler 5.4 zugeleitet
werden.
-
Die verschiedenen Synchronisationssignale SYNC1,
SYNC2, SYNC3, SYNC4, die durch die Impulsbreitenwandler 2.3, 2.4, 2.6 und 2.8 der
vierten Baugruppe 2 ausgegeben werden, weisen nur die unbedingt
erforderliche Zeitdauer zur Übernahme der
Steuersignale in die Vorwärts-Rückwärts-Zähler 5.1 und 5.4 einen
HIGH-Pegel auf. Durch diese möglichst
kurze Übernahmezeit
wird sichergestellt, dass Störungen
auf dem Ausgangssignal des Multiplexers 1.1, die ausserhalb
dieses Zeitfensters für
die Übernahme
auftreten, nicht zu Fehlern in der Regelung führen. Sollte das Ausgangssignal
des Multiplexers 1.1 dennoch gerade in diesem Zeitfenster
durch eine Störung überlagert
sein, wird durch die begrenzte Schrittweite der Zähler 5.1 und 5.4 der
Einfluss der Störung
auf die Regelung klein gehalten.
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Zur Einstellung der Signal-Parameter
Signal-Amplitude und Signal-Offset der cosinusförmigen Ausgangssignale cos, –cos des
inkrementalen Positionsmesssystems werden zusätzlich die in 2b dargestellten Baugruppen 4', 6.3, 6.4 benötigt. Gleichzeitig
werden – wie
dargestellt – Baugruppen aus 1a mitbenutzt, d.h. die
damit erzeugten Signale auch über
die entsprechenden Signalleitungen a – h der Baugruppe 4' zugeführt; bei
den derart mitbenutzten Beugruppen aus 2a handelt es sich insbesondere um die
erste Baugruppe 1, die zweite Baugruppe 3 sowie
die vierte Baugruppe 2. Die in 1b dargestellte dritte Baugruppe 4', sowie die Stellglieder 6.3, 6.4 entsprechen
weitgehend den in 1a dargestellten
Elementen, sowohl in der Verschaltung als auch in ihrer Funktion.
So wird über
die dritte Baugruppe 4' letztlich
ebenfalls eine geeignete Stellgröße bestimmt,
um die Signal-Parameter Signal-Amplitude und Signal-Offset der Signale
cos, –cos des
Positionsmesssystems über
die Stellglieder 6.3, 6.4 auf die vorgegebenen
Soll-Werte einzuregeln.
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Durch die ebenfalls als veränderbare
Widerstände 6.3 und 6.4 ausgebildeten
Stellglieder werden wiederum Signal-Amplitude und ggf. Signal-Offset der
cosinusförmigen
Ausgangssignale cos, –cos
des inkrementalen Positionsmesssystems verändert.
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Um eine Veränderung der Widerstände 6.3 und 6.4 im
Nulldurchgang der Ausgangssignale cos, –cos des Positionsmesssystems
zu erreichen und damit Signalsprünge
zu vermeiden, wird das Synchronisationssignal SYNC1 für die beiden
Zwischenspeicher 5.8 und 5.11 der von Impulswandler 2.3 ausgegebene
Synchronisationsimpuls auf der Signalleitung b benutzt.
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Zur Synchronisation der Steuerung
der beiden Zähler 5.7 und 5.10 werden
die beiden Gruppen UND-Gatter 4.9 bis 4.12 und 4.13 bis 4.16 mit
den Impulswandlern 2.6 und 2.8 bzw. mit den damit
erzeugten Synchronisationssignalen SYNC3, SYNC4 auf den Signalleitungen
c, d verbunden. Deren Steuerimpulse bzw. Synchronisationssignale
SYNC3, SYNC4 werden aus dem sinusförmigen Ausgangssignal sin des
Messsystems hergeleitet. Dadurch werden analog zu 2a die dem Eingangssignal cos zugeordneten
Ausgangssignale der Komparatoren 3.1–3.4 dem Zähler 5.7 und
die dem Eingangssignal –cos
zugeordneten Ausgangssignale der Komparatoren 3.1–3.4 dem
Zähler 5.10 zugeleitet.
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Die Baugruppen 5.9 und 5.12 sind
wieder als Decoder ausgebildet, um die Stellglieder bzw. Widerstände 6.3 und 6.4 proportional
zum ausgegebenen Zählerwert
einzustellen.
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Im folgenden soll die Funktionsweise
des in den 2a und 2b dargestellten, ersten
Ausführungsbeispieles
einer Schaltungsanordnung detailliert erläutert werden, das auch zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist.
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In der Regel werden durch ein inkrementales Positionsmesssystem
ein periodisches, analoges Sinussignal sin und ein periodisches,
analoges Cosinussignal cos ausgegeben. Aus diesen beiden Ausgangssignalen
sin, cos des inkrementalen Messsystems können auf Seiten der Folgeelektronik
die dazu inversen Signale –sin, –cos leicht
erzeugt werden, sofern diese nicht ohnehin ebenfalls vom Positionsmesssystem
ausgegeben werden, wie dies im vorliegenden Beispiel der Fall ist.
Die vier Signale sin, cos, –sin, –cos werden
in der ersten Baugruppe 1 dem Multiplexer 1.1 zugeleitet.
Durch die Komparatoren 1.2. und 1.3 werden zwei
Steuersignale für
den Multiplexer 1.1 derart erzeugt, dass der Multiplexer 1.1 immer
dasjenige Eingangssignal, welches gerade die maximale Amplitude
aufweist, als Ausgangssignal OUTMUX ausgibt.
Dadurch wird über
den Multiplexer 1.1 die Hüllkurve der positiven Halbwellen
der vier Eingangssignale sin, cos, –sin, –cos ausgeben. Diese Hüllkurve
bzw. das Ausgangssignal OUTMUX des Multiplexers 1.1 ist
repräsentativ
für eventuelle
Amplituden- und Offset-Abweichungen der Ausgangssignale des Positionsmesssystems,
die in diesem Ausführungsbeispiel
korrigiert werden sollen.
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Mit Hilfe der ersten Baugruppe 1 wird
in der Schaltungsanordnung somit u.a. der Ist-Wert derjenigen Signalparameter
ermittelt, die letztlich auf vorgegebene Soll-Werte eingeregelt
werden sollen. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich demzufolge
um die Ist-Werte der Signal-Parameter Signal-Amplitude und Signal-Offset,
die auf die vorgeschlagene Art und Weise schaltungstechnisch einfach
ermittelt werden können.
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Die derart erzeugte Hüllkurve
bzw. das Ausgangssignal OUTMUX des Multiplexers 1.1 wird
anschließend
ersten Eingängen
von vier Komparatoren 3.1 bis 3.4 zugeleitet,
die einer zweiten Baugruppe 3 in der Schaltungsanordnung
zugeordnet sind. Die zweiten Eingänge dieser vier Komparatoren 3.1 bis 3.4 sind
mit Abgriffen eines Spannungsteilers 3.5 bis 3.9 verbunden.
Durch den Vergleich der Amplitude der Hüllkurve mit den am Spannungsteiler 3.5 bis 3.9 abgegriffenen
Spannungen wird ermittelt, ob die Maximalamplitude der Ausgangssignale
sin, cos, –sin, –cos des
Positionsmesssystems innerhalb eines gewünschten Bereichs oder nur geringfügig ober halb oder
unterhalb dieses Bereichs oder wesentlich oberhalb oder unterhalb
dieses Bereichs liegen. Somit kann ermittelt werden, ob nur eine
geringe Nachregelung, eine erhebliche Nachregelung oder ggf. gar
keine Nachregelung der Signal-Amplitude bzw. des Signal-Offsets
erforderlich ist. Durch die Wahl der Widerstände 3.5 bis 3.8 des
Spannungsteilers können Schwellwerte
SW1 bis SW4 definiert eingestellt werden und damit derjenige Bereich,
in dem nur eine geringe Nachregelung erforderlich ist bzw. derjenige Bereich
in dem eine erhebliche Nachregelung erforderlich ist usw..
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Die zweite Baugruppe 3 der
Schaltungsanordnung dient somit zum Vergleichen des in der ersten
Baugruppe 1 ermittelten Ist-Wertes eines Signal-Parameters
mit mehreren vorgegebenen Schwellwerten SW1 – SW4. Die Schwellwerte SW1 – SW4 könnnen dabei
durch die geeignete Dimensionierung elektronischer Bauelemente definiert
eingestellt werden, im obigen Beispiel wurde hierzu der Spannungsteiler
verwendet. Über
den Spannungsteiler werden die verschiedenen Schwellwerte SW1 – SW4 somit
in entsprechende Vergleichsspannungen umgesetzt; in 4b sind die vier gesetzten Schwellwerte
in Verbindung mit der erzeugten Hüllkurve bzw. dem Ausgangssignal
OUTMUX des Multiplexers 1.1 dargestellt.
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Um die jeweiligen relativen Maxima
der Hüllkurve
in Bezug auf die verschiedenen Schwellwerte SW1 – SW4 zu bewerten, ist eine
Synchronisation erforderlich. Die entsprechenden Synchronisationssignale
SYNC1 – SYNC4
werden wie oben erläutert
von der vierten Baugruppe 2 erzeugt. Die erforderliche Synchronisation
wird etwa für
die Signale sin, –sin über die
UND-Gatter 4.1 bis 4.4 und 4.5 bis 4.8 durchgeführt. Mittels
des ersten und zweiten Synchronisationssignals SYNC1, SYNC2 werden
die beiden Gruppen von UND-Gattern 4.1 bis 4.4 und 4.5 bis 4.8 jeweils
dann zur Weiterleitung der Ausgangssignale der Komparatoren 3.1 bis 3.4 freigegeben, wenn
die relativen Maxima der Eingangssignale sin, –sin vorliegen. Die Ausgangssignale
der UND-Gatter 4.1 bis 4.8 werden als Steuersignale
für die
verschiedenen Zählereingänge der
Zähler 5.1 und 5.4 benutzt.
-
Falls die Amplitude der Hüllkurve
entsprechend dem Signal sin grösser
ist als der maximale, mittels Spannungsteiler eingestellte Schwellwert SW3
wird vom ersten Komparator 3.1 ein Steuersignal ausgegeben,
das mittels des ersten UND-Gatters 4.1 und des Synchronisationssignales
SYNC1 synchronisiert und dem ersten Zählereingang 10xR des ersten
Zählers 5.1 zugeleitet
wird. Das Vorliegen eines Eingangssignals auf dem ersten Zählereingang 10xR des
Zählers 5.1 bewirkt,
dass dieser mit einer ersten Schrittweite rückwärts zählt. Dieser erste Zählereingang 10xR des
Zählers 5.1 hat
dabei Vorrang vor dessen zweitem Zählereingang R, dem das Ausgangssignal
des zweiten Komparators 3.2 über das zweite UND-Gatter 4.2 zugeleitet
wird.
-
Liegt die Amplitude der Hüllkurve
bzw. des Ausgangssignals OUTMUX des Multiplexers 1.1 etwa in
einem Bereich über
dem Schwellwert SW1, in dem lediglich eine geringfügige Nachregelung
der Signal-Amplitude erforderlich ist, so wird durch den ersten
Komparator 3.1 kein HIGH-Pegel ausgegeben; lediglich der
zweite Komparator 3.2 gibt ein Steuersignal an das UND-Gatter 4.2 und
damit an den zweiten Zählereingang
R des ersten Zählers 5.1 aus.
Daran erkennt der Zähler 5.1,
dass mit einer zweiten, kleineren Schrittweite rückwärts gezählt werden soll. Die beiden
Komparatoren 3.3 und 3.4 geben in den beiden geschilderten
Fällen
keine Ausgangssignale aus.
-
Liegt die Hüllkurve im Bereich zwischen
den Schwellwerten SW1 und SW2, so werden von keinem der vier Komparatoren 3.1 bis 3.4 Signale
ausgegeben, wodurch die Zählerstände der
Zähler 5.1 und 5.4 nicht
verändert
werden, d.h. in diesem Fall erfolgt eine Regelung mit der Schrittweite
Null. Die Signal-Parameter Signal-Amplitude und Signal-Offset liegen
somit im gewünschten
Sollwert-Bereich bzw. Solllwert-Intervall, so dass letztlich keine
Nachregelung erforderlich ist.
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Fällt
die Amplitude der Hüllkurve
bzw. des Ausgangssignals OUTMUX des Multiplexers 1.1 in
einen Bereich, der geringfügig
unterhalb des Schwellwerts SW2 liegt, gibt der dritte Komparator 3.3 einen HIGH-Pegel
aus. Daran erkennt der Zähler 5.1,
dass mit einer zweiten Schrittweite vorwärts gezählt werden soll. Fällt die
Amplitude der Hüllkurve
weiter ab, gibt auch der vierte Komparator 3.4 ein Steuersignal über das
vierte UND-Gatter 4.4 an den vierten Zählereingang 10×V des Zählers 5.1 aus,
woran dieser erkennt, dass mit einer ersten Schrittweite vorwärts gezählt werden
soll.
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Aufgrund der Ausgangssignale der
Komparatoren 3.1 bis 3.4 werden analog die Zählereingänge der übrigen Zähler 5.4, 5.7 und 5.10 mit
den entsprechenden Signalen beaufschlagt und derart bestimmte Schrittweiten
und Zählrichtungen
für die
verschiedenen Zähler 5.4, 5.7 und 5.10 vorgegeben.
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Der Zählerstand der verschiedenen
Zähler 5.1, 5.4, 5.7, 5.10 wird
jeweils in einen zugeordneten bzw. nachgeordneten Zwischenspeicher 5.2, 5.5, 5.8, 5.11 übertragen.
Die Zwischenspeicher 5.2, 5.5, 5.8, 5.11 geben
zu synchronisierten Zeitpunkten das Zählergebnis an nachgeordnete
Decoder 5.3, 5.6, 5.9. 5.12 aus,
die wiederum jeweils einen zugeordneten, veränderbaren Widerstand 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 als Stellglied
in der Regelung ansteuern. Durch Veränderung dieses Widerstands
entsprechend dem Zählerwert
wird ein dem Zählerwert
proportionaler Widerstand 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 eingestellt,
wodurch Signal-Amplitude und Signal-Offset der Signale des Positionsmesssystems
beeinflusst werden, die zur Positionsbestimmung weiterverarbeitet
werden.
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Über
die dritte Baugruppe 4 erfolgt somit die Bestimmung der
jeweils erforderlichen Stellgröße, um den
Signal-Parameter in Richtung des vorgegebenen Soll-Wert hin einzuregeln.
Die Stellgröße wirkt hierbei über die
Stellglieder 6.1–6.4 auf
die Signale sin, cos, –sin, –cos ein.
Das jeweilige Stellglied 6.1–6.4 ist der dritten
Baugruppe 4 nachgeordnet und beaufschlagt die Signale sin,
cos, –sin, –cos jeweils mit
der bestimmten Stellgröße, so dass
derart ein Einregeln des Signal-Parameters in Richtung des vorgegebenen
Soll-Wertes erfolgt.
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Die grundsätzliche Anordnung der derart
betriebenen Stellglieder bzw. der veränderbaren Widerstände zur
Korrektur der vom Positionsmesssystem erzeugten Signale ist in 3 dargestellt, die einen Teil
des Signalweges bzw. Signalkanales der vom inkrementalen Positionsmesssystem
erzeugten Signale sin, –sin
zeigt. Die beiden als Stellglieder genutzten, veränderbaren
Widerstände 6.1 und 6.2 zur
Regelung von Signal-Amplitude und ggf. Signal-Offset sind mit weiteren
Widerständen 7.1 und 7.2 in
Reihe geschaltet. Beide Widerstände 7.1 und 7.2 sind
mit einem weiteren Widerstand 7.3 verbunden, der gegen
Masse geschaltet ist. Durch die Widerstände 7.1 bis 7.3 kann
sowohl der Regelbereich als auch die Empfindlichkeit der Regelung
für den
Signal-Offset und die Signal-Amplitude der Ausgangssignale sin, –sin des
Positionsmesssystems eingestellt werden. Durch die gewählte Größe der Widerstände 7.1 und 7.2 wird
hierbei der Regelbereich für
die Amplitudenregelung eingestellt; über die Wahl des Widerstandes 7.3 wird
die Schrittweite für
die Offsetregelung beeinflusst.
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In 3 sind
lediglich die erforderlichen Stellglieder sowie die zugeordneten
Widerstände 7.1–7.3 für die Regelung
der beiden Signale sin, –sin dargestellt;
werden als Ausgangssignale eines inkrementalen Positionsmesssystems
zwei periodische, um 90° zueinander
versetzte Differenzsignale übertragen,
d.h. ist zusätzlich
die Übertragung
der Signale cos, –cos
vorgesehen, so sind für
diesen Teil des Signalweges selbstverständlich zwei weitere Stellglieder
bzw. veränderbare
Widerstände 6.3, 6.4 inclusive
weiterer Widerstände
zur Einstellung der Regelempfindlichkeit etc. erforderlich.
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Die in 3 ohne
Bezugszeichen dargestellten Bauelemente spielen im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung keine weitere Rolle, sondern entsprechen
der üblichen
Ausgangsbeschaltung derartiger Positionsmesssysteme.
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Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten bei
der Abtastung einer inkrementellen Messteilung ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorzugsweise eine zweistufige Regelung zur Einstellung der Signal-Amplitude
und des Signal-Offsets in den Ausgangssignal des Positionsmesssystems
vorzusehen. In einer ersten Stufe werden kleine Signaländerungen
ausgeregelt, die durch langsames Driften im normalen Betrieb auftreten.
In einer zweiten Stufe werden stärkere
Amplitudenschwankungen ausgeregelt, die insbesondere bei Verschmutzung
der Messteilung auftreten. Um auch hier eine schnelle Regelung für die Signal-Amplituden-
und den Signal-Offset realisieren zu können ist eine betragsmäßig grössere Stellgröße im Regelkreis
erforderlich, als bei der Amplituden- und Offsetregelung im störungsfreien
Betrieb. Daher sind in einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zwei Stellgrößen vorgegeben,
die sich betragsmäßig deutlich
unterscheiden. Zu jeder der beiden Stellgrößen existiert ferner noch eine
betragsmäßig entsprechende
Stellgröße mit umgekehrtem
Vorzeichen. Abhängig
von den Schwankungen der Signal-Amplituden bzw. deren Relativlage
zu bestimmten Schwellwerten, wird jeweils eine der vorgegebenen
Stellgrößen ausgewählt und
wirkt dann auf die Signale ein.
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Schaltungstechnisch werden die in
diesem Beispiel vorgesehenen vier verschiedenen Stellgrößen durch
die unterschiedlichen Schrittweiten der verwendeten Zählern 5.1 und 5.4 und
deren Zählrichtung
umgesetzt.
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Durch die digitale Realisierung der
Ermittlung der Stellgröße des Regelkreises
kann verhindert werden, dass durch Störspitzen auf dem jeweiligen Signal
unerwünschte
Signalbeeinflussungen durch die Regelung hervorgerufen werden.
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Es hat sich als günstig erwiesen, für eine erste
grössere
Schrittweite den zehnfachen Wert der kleineren zweiten Schrittweite
zu benutzen. Dadurch wird ein ausgewogenes Verhältnis zwischen einer möglichst
genauen Regelung mit der zweiten Schrittweite und einer möglichst
schnellen, überschwingungsfreien
Regelung mit der ersten Schrittweite erreicht.
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Eine Übernahme der jeweiligen Zählerstände der
Zähler 5.1 und 5.4 in
die zugeordneten Zwischenspeicher 5.2 und 5.5 erfolgt
beim Nulldurchgang der jeweils zugehörigen Signale, synchronisiert durch
die beiden Synchronisationssignale SYNC3, SYNC1. Dadurch wird verhindert,
dass ein Zählerstand
in den Zwischenspeicher übernommen
wird, während
der Zählerstand
gerade verändert
wird.
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In einer alternativen Ausführungsform
des ersten Ausführungsbeispieles
einer Schaltungsanordnung kann an Stelle der vier Komparatoren 3.1 bis 3.4 und
des Spannungsteilers in der zweiten Baugruppe 3 auch ein
A/D-Wandler verwendet werden, der den Unterschied zwischen Soll-
und Ist-Wert der Signal-Amplituden ermittelt. Dieser ermittelte
Unterschied wird dann unmittelbar den Zählern 5.1, 5.4, 5.7 und 5.10 als
Schrittweite zugeleitet. Dadurch können diese in einem einzigen
Schritt die Abweichung zwischen Soll- und Istwert kompensieren.
Eine Steuerung der Schrittweite der Zähler 5.1, 5.4, 5.7 und 5.10 über vier
verschiedene Steuereingänge
ist dann nicht erforderlich, da die verwendete Schrittweite unmittelbar
durch den A/D-Wandler ausgegeben wird.
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Weierhin ist es auch möglich, die
im obigen Beispiel vorgesehenen Decoder wegzulassen, wenn etwa die
verwendeten Stellglieder direkt über
die Zählerstände aus
den Zwischenspeichern gestellt bzw. variiert werden können.
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Weiterhin kann in alternativen Varianten
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bzw. der entsprechenden Schaltungsanordnung vorgesehen werden, noch
mehr Schwellwerte zu setzen und derart noch mehr verschiedene Stellgrößen einzustellen
usw.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der
beschriebenen ersten Ausführungsvariante
einer Schaltungsanordnung können
die als veränderbare Widerstände 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 ausgebildeten Stellglieder
als Verstärker
mit einstellbarem Verstärkungsfaktor
realisiert werden. Der Verstärkungsfaktor
wird dann proportional zu dem vom jeweiligen Zwischenspeicher 5.2, 5.5, 5.8 oder 5.11 ausgegebenen
Zählerwert
durch den jeweiligen Decoder 5.3, 5.6, 5.9 oder 5.12 eingestellt.
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Während
im ersten Ausführungsbeispiel
einer geeigneten Schaltungsanordnung eine Korrektur der Signal-Parameter
Signal-Amplitude und Signal-Offset in den Ausgangssignalen eines
inkrementalen Positionsmesssystems erfolgte, wird nunmehr ein zweites
Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung beschrieben, über das eine Korrektur des Signal-Parameters
Pha senlage möglich
ist. Wie bereits oben angedeutet, kann im Meßbetrieb auch eine Ablage der
idealen Phasenlage von 90° zwischen den
phasenverschobenen Signalen sin, cos eines inkrementalen Positionsmesssystems
auftreten. Die nachfolgend anhand der 5, 6, 7a–7c beschriebene Schaltungsanordnung,
die zur erfindungsgemäßen Korrektur
des Signal-Parameters Phasenlage geeignet ist, kann etwa als Ergänzung der
oben beschriebenen Schaltungsanordnung eingesetzt werden, so dass
dann alle relevanten Signalparameter erfindungsgemäß korrigierbar
sind. Alternativ ist aber auch denkbar, lediglich die Phasenlage über die nachfolgend
beschriebene Schaltungsanordnung zu korrigieren usw.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass
im zweiten Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung nunmehr lediglich zwei Stellgrößen für die Einregelung
der Signal-Phasenlage auf die gewünschten 90° Phasenversatz vorgegeben sind,
die betragsmäßig gleich
gewählt
sind, aber unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Selbstverständlich könnte aber auch
eine analoge Variante zum ersten Ausführungsbeispiel mit mehreren
vorgegebenen Stellgrößen vorgesehen
werden.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung
werden die in 7a gezeigten
vier Ausgangssignale sin, cos, –sin, –cos des
inkrementalen Positionsmesssystems derart vorverarbeitet, dass am
Eingang der ersten Baugruppe 10 im einzelnen die kombinierten
Signale sin+cos, sin+(–cos), (–sin)+cos
und (–sin)+(–cos) vorliegen.
Der zeitliche Verlauf der einzelnen Signale ist in 7b dargestellt. Grundsätzlich wie
im vorigen Ausführungsbeispiel
erfolgt die Verarbeitung der Eingangssignale sin+cos, sin+(–cos), (–sin)+cos
und (–sin)+(–cos) in der
ersten Baugruppe 10, die wiederum zwei Komparatoren 11.2, 11.3,
einen Richtungsdetektor 11.4 sowie einen Multiplexer 11.1 umfasst.
Am Ausgang des Multiplexers 11.1 bzw. am Ausgang der ersten
Baugruppe 10 liegt somit das in 7c dargestellte Signal OUT'MUX vor,
das die Hüllkurve
der jeweiligen maximalen Signal-Halbwellen der am Eingang anliegenden
Signale sin+cos, sin+(–cos),
(–sin)+cos
und (–sin)+(–cos) repräsentiert.
Wie im ersten Ausführungsbeispeil
erfolgt über
die erste Baugruppe 10 somit die Selektion der jeweils
maximalen Halbwellen der Eingangssignale sin+cos, sin+(–cos), (–sin)+cos und
(–sin)+(–cos) und
die Bildung der entsprechenden Hüllkurve
bzw. des Ausgangssignales OUT'MUX.
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Das Signal OUT'MUX wird anschließend einem
ersten Eingang eines Komparators 33 in einer zweiten Baugruppe 30 zugeführt. Dem
zweiten Eingang des Komparators 33 wird ein Referenzsignal
R zugeführt.
Das Referenzsignal R entspricht hierbei dem Sollwert der maximalen
Signalamplitude des Signales sin+cos.
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Die in der zweiten Baugruppe 30 vom
Komparator 33 gelieferten Ausgangssignale werden anschließend in
einer dritten Baugruppe 40 jeweils einem ersten Eingang
von zwei UND-Gattern 44.1, 44.2 zugeführt. Am
jeweils anderen Eingang der UND-Gatter 44.1, 44.2 liegen
Synchronisationssignale SYNC10, SYNC20 an, die in einer vierten
Baugruppe 20 erzeugt werden. Über die Synchronisationssignale
SYNC10, SYNC20 erfolgt wie im obigen Beispiel eine Freischaltung
der UND-Gatter 44.1, 44.2 zu definierten Zeitpunkten.
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Im freigeschalteten Zustand wird
derart das vom Komparator 33 gelieferte Ausgangssignal
einem der beiden Eingänge
V, R eines Zählers 45.1 zugeleitet.
Der Zähler 45.1 ist
wiederum als üblicher
Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgebildet;
je nachdem, welcher der beiden Eingänge V, R vom Eingangssignal
beaufschlagt wird, erfolgt ein Zählen
mit einer bestimmten Schrittweite in Vorwärts- oder Rückwärts-Richtung.
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Der jeweilige Zählerstand bzw. das jeweilige Zählergebnis
des Zählers 45.1 wird
anschließend
einem Zwischenspeicher 45.2 zugeleitet und anschließend zwei
Decodern 45.3, 45.4 zugeführt. Jeder der beiden Decoder 45.3, 45.4 ist
hierbei wie gezeigt einem Paar von Signalen sin, –sin bzw.
cos, –cos
zugeordnet. Über
die Decoder 45.3, 45.4 wird dann wiederum jeweils
ein Stellglied 60.5, 60.6 definiert verstellt, über das
die Beeinflussung der Phasenlagen der Signale sin, –sin bzw.
cos, –cos
möglich
ist. Hierzu ist vorgesehen, die Stellglieder 60.5, 60.6 wiederum
als veränderbare
Widerstände
auszubilden. Die Widerstände 60.5, 60.6 weisen
hierbei je ein Einstellele ment für
jedes der Signale sin, –sin
bzw. cos, –cos auf.
An das Stellglied 60.5 wird wie gezeigt an je ein Ende
ferner das Signal cos bzw. das Signbal –cos geschaltet; an Stellglied 60.6 wird
an je ein Ende das Signal sin bzw. das Signal –sin geschaltet. Auf diese
Art und Weise kann das Signal sin bzw. –sin gegenüber dem Signal cos hinsichtlich
der Phasenlage sowohl in positiver als auch in negativer Richtung
verschoben werden; analoges gilt für die Signale cos, –cos in
Bezug auf das Signal sin.
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Das gleichzeitige Stellen bzw. Regeln
der Phasen in den Verarbeitungskanälen für die sinus- und cosinusförmigen Signale
hat hierbei den Vorteil, dass keine Wegverschiebung bei der Signalbeeinflussung
durch die Phasenregelung registriert wird. Ferner kann derart der
gleiche Zählerstand
aus dem Zwischenspeicher 45.2 zur Beeinflussung der Phasenlage
im Verarbeitungskanal für
die cosinusförmigen
Signale verwendet werden, der hierzu auf den zweiten Decoder 45.5 geschaltet
wird und damit das zweite Stellglied 60.6 mit den beiden
Einstellelementen für
die Signale cos, –cos
beeinflusst.
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Die Erzeugung der beiden Synchronisationssignale
SYNC10, SYNC20 erfolgt in einer vierten Baugruppe 20. Zur
Erzeugung des Synchronisationssignales SYNC 10 wird das
Signal sin+cos einem ersten Eingang eines Komparators 22.1 zugeführt; am
zweiten Eingang dieses Komparators 22.1 liegt das Gleichspannungs-Referenzsignal
UM. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 22.1 wird
in einem ersten Signalpfad über
einen Impulsbreitenwandler 22.3 einem ersten OR-Gatter 22.9 zugeführt. In
einem zweiten Signalpfad wird das Ausgangssignal des Komparators 22.1 dem
OR-Gatter 22.9 über einen
Inverter 22.2 und einen Impulsbreitenwandler 22.4 zugeführt. Am
Ausgang des ersten OR-Gatters resultiert schließlich das Synchronisationssignal SYNC10,
das wie oben beschrieben zum selektiven Freischalten des Zählereinganges
R im Zähler 45.1 zu
bestimmten Zeitpunkten genutzt wird.
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Analog hierzu erfolgt die Erzeugung
des zweiten Synchronisationssignales SYNC20 aus dem Signal sin+(–cos) über den
Komparator 22.5, den Impuls breitenwandler 22.6,
den Inverter 22.2, den Impulsbreitenwandler 22.8 und
das zweite OR-Gatter 22.10. Das zweite Synchronisationssignal
wird zum Freischalten des Zählereinganges
V im Zähler 45.1 verwendet.
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In 6a und 6b sind schließlich die
Anordnungen der Stellglieder 60.5, 60.6 in den
Signalkanälen
eines inkrementalen Positionsmesssystems dargestellt, die in der
beschriebenen Art und Weise zur Korrektur des Signal-Parameters Signal-Phasenlage bei
den Signalen sin, –sin
bzw. cos, –cos
eingesetzt werden. Desweiteren sind in den 6a und 6b die verschiedenen
Stellglieder 60.1, 60.2, 60.1', 60.2' zur Korrektur
bzw. Regelung der Signal-Parameter Signal-Amplitude und Signal-Offset
dargestellt, die gemäß dem oben
beschriebenen Ausführungsbeispiel arbeiten. Über das
Beispiel in den 6a, 6b ist somit die Korrektur
aller relevanten Signal-Parameter eines inkrementalen Positionsmesssystems
möglich. Die
weiteren Elemente in den 6a, 6b entsprechen wiederum denjenigen
aus dem Ausführungsbeispiel
in 3.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
existieren somit eine Reihe von Ausführungsmöglichkeiten bezüglich der
Korrektur der Signale eines inkrementalen Positionsmesssystems.
Je nach erforderlicher Signalqualität lassen sich erfindungsgemäß die verschiedenen
Signal-Parameter korrigieren.