DE2811807A1 - Digital-absoluter winkelkodierer nach dem nonius-prinzip - Google Patents

Description

• Digital-absoluter inkelkodierer nach dem Nonius-Prinzip Die Erfindung betrifft einen digital-absoluten Winkelkodierer, der zur elektrisch-digitalen Messung der analogen mechanischen Winkelstellung einer drehbaren Welle im anschlagsfreien Vollkreisbereicqh von 0° bis 3600 vorgesehen ist.
• Digital-absolute Winkelkodierer werden in der Prozeßtechnik zur elektrischen Messung von mechanischen Bewegungen insbesondere dann benutzt, wenn elektrisch-digitale Ausgangsdaten erforderlich sind.
• Es ist bekannt, daß digital-absolute Winkelkodierer jeweils aus einer drehbaren Codescheibe und einer feststehenden Anordnung von Abtastsensoren aufgebaut sind. Die Codescheibe trägt ein geometrisches Muster; dieses Muster ist in einer beliebigen physikalischen [viaterialeigenschaft eingeprägt, für welche die Abtastsensoren empfindlich sind, üblicherweise elektrische Leitfähigkeit bei Kontaktburstenabtastung, optische Transparerz bei photoelektrischer Abtastung oder Magnetisierungsstärke bei magnetischer Abtastung. Die Abtastsensoren sind im einfachsten Falle, der den geringsten Aufwand an Abtastsensoren und Signalauswertung erfordert, in einer genau ausgerichteten radialen Zeile angeordnet, deren einzelne Abtastsensoren jeweils ein Bit Information des Meadatenousganges erzeugen,und denen auf der Codescheibe ein Kreisspurenmuster mit von Spur zu Spur unterschiedlicher sektorieller Teilung entsprechend einem nicht- oder wenig-redundanten bina#ren Code zugeordnet ist, meist der Gray-Code, vielfach auch der natürliche inärcode oder ein BCD-rode.
• Es ist bekannt, daß alternativ zu den wenig redundanten binären Codes auch lineare Codes zur Anwendung kommen: Die Codescheibe trägt als spezielles Muster nur eine einfache Einzelmarkierung. Zur Abtastung ist eine Anzahl N von Sensoren in einfacher gleichmäßiger äquidistanter konzentrischer Kreisanordnung vorhanden, so daß stets ein, maximal jedoch zwei Abtastsensoren die Nähe der Einzelmarkierung auf der Codescheibe melden. Durch eine "1-aus-N"-Dekodierungs-Schaltung erfolgt die Identifizierung der gesuchten momentanen Stellung der Eingangswelle mit der Winkelauflösung 3600/N. Dieser Linearcode ist hochredundant im Hinblick auf die Ausnutzung der Abtastsensoren, indem die N Abtastsensoren im Linearcode nur (log2 N) Bit Meßinformation liefern, wohingegen die gleiche Anzahl N von Sensoren im Binärcode maximal N Bit #eßinformation ergibt. Dafür hat derLinearcode gegenüber dem Linearcode den Vorteil, keine LJinkelgleichlauf-Abstimmung zwischen mehreren Abtastspuren zu erfordern.
• Die bekannten digital-absoluten Winkelkodierer haben eine Reihe von Nachteilen: 1, Binär-kodierte Winkelkodierer erfordern sehr hohe Fertigungsgenauigkeiten, insbesondere in der Ausrichtung der Abtastsensoren und der Ausführung des feingliedrigen Musters der Codescheibe. Bei Ausfall eines Abtasto sensors ist die Gesamtfunktion des Winkelkodierers ohne Diagnose- und Korrekturmöglichkeit gestört; redundante Mehrfachanordnung der Abtastelemente ist aus Platz und Genauigkeitsgründen nicht ohne weiteres möglich.
• 2. Linear-kodierte Winkelkodierer erreichen hohe Winkelauflösungen nur mit sehr großen Anzahlen von Abtastsensoren, Bei Ausfall eines Abtastsensors ist die Gesmtfunktion des Winkelkodierers ohne Diagnose- und Korrekturmöglichkeit gestört. Eine redundante Mehrfachanordnung der Abtastelemente vergrößert den ohnehin sehr hohen Aufwand an Abtastsensoren.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen digital-absoluten Winkelkodierer auf der Grundlage des Linearcodes zu schaffen, der bei gegebener Anzahl N von Abtastsensoren die hohe Redundanz des Linearcodes ausnutzt, um bei Ausfall eines Abtastsensors eine Fehlerdiagnose und -Korrektur zu gestatten und zugleich eine höhere Meßauflösung zu erzielen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Winkelkodierer eine feststehende gleichmäßige äquidistante geschlossene Ringanordnung von N gleichartigen Abtastelementen im Winkelabstand von 36D0/N auf einer mit der Eingangswelle konzentrischen Kreisspur vorhanden ist, der eine drehbare Codescheibe mit einem speziellen Muster gegenübersteht; dieses spezielle Muster ist die Überlagerung zweier Teilmuster: 1. eine nicht-rotationssymmetrische Gruppe von Einzelmarkierungen, die im Winkelabstandsmaß 36D0/N der Abtastsensoren, jedoch nicht regelmäßig und nur über einen Sektorausschnitt des ollkreises angeordnet sind; dieses im folgenden in anschaulicher Analogie als Schlüsselbart-Muster bezeichnete Teilmuster dient zur Grobmessung der Winkelstellung.
• 2 eine rotationssymmetrische-äquidistante Ringanordnung von (N+1) gleichartigen Einzelmarkierungen im Winkelabstand 36D0/(N+1); dieses im folgenden in anschaulicher Analogie als "Noniusmuster" bezeichnete Teilmuster dient zur Feinmessung der Winkelstellung.
• Die den beiden Teilmustern angehörenden Mengen von Einzelmarkierungen rufen in den Abtastsensoren unterscheidbare Signale hervor, in der Weise, daß ein beliebiger Abtastsensor aus der Menge von N Sensoren durch einen Signal-Diskriminationsvorgang jeweils eine der folgenden vier möglichen diskreten Meldungen abgibt: 1. keine Einzelmarkierung präsent 2. nur eine Einzelmarkierung des ~?Schlüsselbart musters" präsent 3. nur eine Einzelmarkierung des "Noniusmusters" präsent 4. sowohl eine Einzelmarkierung des 11Schlüsselbartmusters" als auch eine Einzelmarkierung des "Noniusmusters" präsent Die Gesamtheit der von dem 11Schlusselbartmuster11 der Codescheibe in der Ringanordnung der N Abtastsensoren hervorgerufenen diskreten Meldungen wiederholt sich mit jeder Umdrehung der Eingang welle, d#h. ist periodisch mit 3600. Die Gesamtheit dieser N Meldungen ist eindeutig der Stellung der Eingangswelle,mit einem Uinkelauflösungsvermögen von 36n0/N, zugeordnete Durch logische Dekodierung kann aus der Gesamtheit der N diskreten Meldungen die momentane Grob-Winkelstellung, nämlich eine von N möglichen äquidistanten Stellungen im Vollkreis identifiziert werden Die Gesamtheit der von dem '8Noniusmuster'2derderCodescheibe in der Ringzeile der N Abtastsensoren hervorgerufenen N diskreten Meldungen wiederholt sich nach jeder Drehung der Eingangswells um den Winkel 360°/(N+1), da das wellenförmige Schwebunosmuster aus der Überlagerung (Interferenz) der äquidistanten gleichmäßigen Kreisteilung von N Abtastsensoren und der äquidistanten regelmäßigen Kreisteilung von (N+1) Einzelmarkierungen des Noniusmusters innerhalb des Drehwinkelintervalles 36D0/(N+1) einen Vollkreis durchläuft. Die Gesamtheit dieser N diskreten Meldungen ist somit eindeutig der Stellung der Eingangswelle innerhalb des Intervalles 360°/(N+1) mit der Winkelauflösung 3600/N'(N+1) zugeordnet. Durch logische Dekodierung kann aus der Gesamtheit der N diskreten Meldungen die momentane Fein-Winkelstellung, nämlich eine von N Stellungen,#identifiziert werden.
• Dieser Vorgang der Cenauigkeitssteigerung durch eine Feinmessung ist der gleiche wie bei der Noniusablesung des Längenmaßstabes eines gebräuchlichen Werkstatt-Meßwerkzeuges, etwa einer Schiebelehre.
• Die Gesamtheit der Grob- und Feinmessung der Winkelstellung erbringt somit eine Winkelauflösung von 3600/N2.
• Gemäß der weiteren Erfindung ist das "Schlüsselbartmuster" auf der Codescheibe als unregelmäßige Folge von Einzelmarkierungen und Lücken (d.h. Positionen ohne Einzelmarkierungen) im Winkelabstandsmaß 3600/N derart redundant ausgeführt, daß die Dekodierung der momentanen Stellung der Eingangswelle aus den N Sensor-Meldungen von Einzelmarken des Schlüsselbartmusters auch dann eindeutig bleibt, wenn eine oder mehrere Sensormeldungcnfehlerhaft ist, beispielsweise aufgrund eines Versagens von einzelnen Sensoren, daß aber in diesen Fällen in der Dekodierung ein zusätzliches Ausgangssignal erzeugt wird, welches das Auftreten mindestens eines Sensorfehlers anzeigt. Die Messung der Grobstellung der Eingangswelle ist durch diese Redundanzmaßnahme selbsttätig fehlerkorrigierend und selbstdiagnostizierend.
• Gemäß der weiteren Erfindung kann anstelle der Anzahl (N+1) der äquidistanten Einzelmarkierungen des "Noniusmusters" auf der Codescheibe eine Anzahl (N+A) solcher markierungen vorhanden sein, .wobei A eine positive oder negative Zahl ungleich Null vom Betrage IAI<N ist. Auch eine solche Anordnung erbringt eine Feinmessung der Winkelstellung der Eingangswelle, wenngleich mit geringerer Auflösung als im Falle der Anzahl (N+1) Einzelmarkierungen.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch die zusätzliche Noniusablesung mit Hilfe des Noniusmusters die Meßauflösung des linearkodierten Winkelkodierers bei vorgegebener Anzahl von Abtastsensoren gegenüber der Meßauflösung einfacher linearkodierter Winkelkodierer erheblich gesteigert ist: insbesondere wird der Informationsinhalt des Winkelmeßwertes von (log2 N) auf 2s(log2N) verdoppelt. Weiterhin nutzt die Erfindung die hohe Redundanz des Linearcode aus, um eine selbsttätige Sensorfehler-Korrektur und Sensorfehler-Diagnose bei der Winkelgrobmessung auszuführen. Darüberhinaus führt der Ausfall einzelner Abtastsensoren auch in der Fein;-messung nur zu einer kleinen Störung, die maximal eine Meßwertverfälschung um einige Feinauflösungsschritte zur Folge hat; das angewandte Nonius-Meßprinzip ist somit fehlertolerant gegen vereinzelte Sensorfehler, sofern das oder die betragskleinsten Bits des Meßdatenwortes außer Betracht bleiben, je nachdem, ob ein oder mehrere Sensorfehler toleriert werden sollen.
• Die geometrische Fehlplazierung eines oder mehrerer Abtastsensoren innerhalb der winkeläquidistanten Ringanordnung der N Abtastsensoren hat maximal die gleiche meßwertverfalschende Wirkung wie einzelnes Meßwertversagen, so daß die Meßgenauigkeit des Winkels kodisrers von dem Grad der Regelmäßigkeit der gesamten Ringanordnung von Abtastsensoren, nicht jedoch von der örtlichen Positionsgenauigkeit des individuellen Abtastelementes abhängt; in dieser Eigenschaft liegt ein wesentlicher Vorteil gegenüber binär-kodierten Winkelkodierern; diese Eigenschaft hat die Konsequenz, daß der Winkelkodierer mit großen Fertigungstoleranzen hergestellt werden kann beziehungsweise daß Sensorbauteile mit ungenau bekannter örtlicher Empfindlichkeitsverteilung verwendet werden dürfen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
• Figur 1 zeigt eine mögliche Anordnung der Bauglieder des digital-absoluten Winkelkodierers nach dem Noniusprinzip mit N=64 photoelektrischen Abtastsensoren und optischer Codescheibe sowie Zeitmultiplex- Signaldiskriminierung der Sensormeldungen von Einzelmarkierungen des Schlüsselbartmusters und des"Noniusmusters" für die maximale Winkelmeßauflösung von 3600/4096 (=360°/ 1212).
• Figur 2 zeigt das optische Muster der Codescheibe für die in Figur 1 dargestellte Anordnung.
• Figur 3 zeigt eine lineare Abwälzung des "Schlüsselbartmusters" der Codescheibe aus Figur 2.
• Die optische Codescheibe 1 ist mit der Eingangswelle 2 fest verbunden. Die Eingangswelle 2 ist im gehäusefesten Lager 3 frei drehbar gelagert. Die Codescheibe 1 besteht aus transparentem Material und trägt ein optisches Schwärzungsmuster, das aus zwei in konzentrischen Spuren angeordneten Teilmustern, dem "Schlüsselbartmuster" 11 und dem "Noniusmuster"12, besteht.
• Konzentrisch um die Eingangswelle 1 am Gehäuse 31 befestigt befindet sich der Abtastsensorträger 4, der eine äquidistante gleichmäßige konzentrische Ringzeile von N gleichartigen photoelektrischen Abtastsensoren 41 im Winkelabstandsmaß 3600/N trägt, von denen zwei in der Zeichnung im Schnitt sichtbar sind. Diese N Abtastsensoren 41 liefern N unabhängige diskrete Sensorsignale über Signalleitungen 42, von denen zwei in der Zeichnung dargestellt sind. Die Signale der photoelektrischen Abtastsensoren werden hervorgerufen durch zwei konzentrische lineare Ringlichtquellen 51 und 52, die aus der Stromquelle 6 gespeist werden und von dem Taktgeber 7 mittels des Umschalters 8 im Wechseltakt so geschaltet werden, daß jeweils nur eine Lichtouelle, 51 oder 52, Licht emittiert und somit die Abtastsensorzeile 41 durch den konisch schrägen Lichteinfall eine Lichtverteilung meldet, die abwechselnd durch Intensitätsmodulation von dem Teilmuster 11 oder dem Teilmuster 12 hervorgerufen wird. Die Meßwert-Dekoderlogik-Schaltung 9, bestehend aus UND-, ODER- und NICHT-Gattern und logischen Speichergliedern, setzt die über die Sensorsignalleitungen 42 einkommenden Signale zusammen mit dem Taktsignal 71 in das Meßausgangssignal 10 um, das eindeutig Winkelstellung der Eingangswelle angibt.
• Das in Figur 2 dargestellte Schwärzungsmuster der Codescheibe 1 besteht aus dem unregelmäßigen konzentrischen Muster 11 ("Schlüsselbartmuster"), das auf der inneren Spur für die Abtastung durch N=64 Sensoren aus Einzelmarkierungen im Winkelabstandsraster von 3600/64 besteht, und aus dem regelmäßigen konzentrischen Muster 12 (1lNoniusmuster'1), das auf der äußeren Spur angeordnet ist und (N+1)=65 äquidistante Einzelmarkierungen trägt.
• Die in Figur 3 gezeigte lineare Abwälzung des Teilmusters 11 ("Schlüsselbartmuster") der Codescheibe ist erfindungsgemäß eine Anordnung von 4 Einzelmarkierungen und 6 Lücken (=fehlende Einzelmarkierungen) über 10 aneinandergrenzende Winkelintervallschritte im Abstandsmaß 3600/64 in folgender Abfolge (M=Einzelmarkierung, L= Lücke) M-L-M-L-L-M-L-L-L-M sowie (N-10)=54 weiteren Lücken zur Auffüllung des Vollkreises; diese sind nicht in der Zeichnung dargestellt, sondern nur der wesentliche Teil des Teilmusters 11 ist gezeigt. Dieses Teilmuster 11 ist in der Weise redundant, daß beim Auftreten eines einzelnen Fehlers (Fehlsignal anstelle von Lücke oder Nullsignal anstelle von Signal) in fehlerkorrigierender Wirkung in der Dekodierungslogikschaltung das fehlerfreie Signalmuster aus dem gestörten Restrnuster vollständig rekonstruierbar ist.
• Hinsichtlich des Funktionsprinzipes der Erfindung ist es gleichgültig, in welcher physikalischen Materialeigenschaft die abzutastenden Teilmuster in der Codescheibe eingeprägt sind, nach welchen Sensortechniken sie abgetastet werden, ob die Codescheibe in abgewandelter geometrischer Form, etwa als zylindrische Trommel,ausgeführt ist und in welcher Weise die Signaldiskriminierung bei der Unterscheidung der beiden Teilmuster erfolgt, beispielsweise durch Amplitudendiskriminierung (Impulshöhendiskriminierung), geometrische Diskriminierung, Zeit- oder Frequenzdiskriminierung.

Claims (4)

1. Patentanspriiche 1. Digital-absoluter Winkelkodierer nach dem Noniusprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer mit der drehbaren Eingangswelle fest verbundenen Codescheibe ein spezielles Muster eingeprägt ist, das von einer winkeläquidistanten regelmäßigen geschlossenen Ringanordnung einer Anzahl von N Abtastsensoren im Winkelabstandsmaß 3600/N abgetastet wird, wobei das spezielle Muster der Codescheibe aus zwei Teilmustern aufgebaut ist: aus einem über einen Sektor des Volikreises erstreckten unregelmäßigen Muster vnn Einzelmar kierungen und Lücken (=fehlende Einzelmarkierungen) im Winkelabstandsmaß 360°/N ("Schlüsselbartmuster") und einem gleichmäßig über den Vollkreis erstreckten winkeläquidistanten regelmaßigen Muster von (N+1) Einzelmarkierungen im Abstandsmaß 360Q/(N+1) ("Noniusmuster"); die Abtastsensoren geben die Meldung über die Anwesenheit einer Art von Einzelmarkierungen unabhängig von der Anwesenheit von Einzelmarkierungen der anderen Art abpdOhO die Abtastsensoren führen eine Signaldiskriminierung zwischen den Einzelmarkierungen des "Schlüsselbartmusters" und den Einzelmarkierungen des "Noniusmusters" durch, so daß mittels einer Dekoderlogikschaltung eine digitale Grob-Fein-Messung der Winkelstellung der Eingangswelle des ldinkelkodierers nach Art der Noniusablesung einer Skala erfolgen kann.
2. 2. tilinkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unregelmäßige Teilmuster von Einzelmarkierungen ("Schlüsselbartmuster'2) durch Verwendung einer Anzahl von Einzelmarkierungen in solcher Weise redundant ausgeführt ist, daß beim Auftreten eines oder mehrerer Abtastsensorfehler eine fehlerfreie Rekonstruktion des ungestörten Musters möglich ist (Fehlerkorrektur) und zudem die Ausgabe einer Fehlermeldung erfolgt (Fehlerdiagnose).
3. 3, Winkelkodierer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Anzahl (N+1) von regelmäßigen äquidistanten Einzelmarkierungen auf der Codescheibe ("Noniusmuster") eine Anzahl (N+A) solcher Einzelmarkierungen vorhanden sein kann, wobei A eine positive oder negative, von Null verschiedene ganze Zahl vom Betrage|A|<N N sein kann.
4. 4. tijinkelkodierer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaldiskriminierung der diskreten Sensorsignale zwischen den verschiedenen Einzelmarkierungen(des Schlüsselbartmusters und des "Noniusmusterstl) bei photoelektrischer Abtastung einer optischen Codescheibe im Zeitmultiplex vorgenommen wird, indem die Codescheibe zwei konzentrische Spuren mit den somit geometrisch voneinander getrennten Teilmustern trägt, die unter konisch schrägem Lichteinfall im Wechseltakt von getrennten Lichtquellen abwechselnd beleuchtet werden.

   5, blinkelkodierer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von 4 Einzelmarkierungen und 6 Lücken (=fehlende Einzelmarkierungen) über 10 aneinandergrenzende Winkelintervallschritte vom Abstandsmaß 3600/N in folgender Abfolge (M=Einzelmarkierung, L= Lücke) M-L-M- L-L-I1-L-L-L-I9 sowie (N-10) weiteren Lücken zur Auffüllung des Vollkreises als Codescheibenmuster für die Stellunqsgrobmessung ("Schlüsselbartmuster") vorhanden ist, die gegen einen beliebigen einzelnen Sensorfehler fehlertolerant ist,