DE3221982A1

DE3221982A1 - Optisches inkrementalcodiersystem mit adressierbarem index

Info

Publication number: DE3221982A1
Application number: DE19823221982
Authority: DE
Inventors: Donald H. Framingham Mass. Breslow
Original assignee: Itek Corp
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1983-01-05
Also published as: US4410798A; CH654659A5; GB2100423B; IL65970A; FR2507772A1; GB2100423A; JPS582614A; CA1189194A; FR2507772B1

Description

J 84 P 120+GmH

Anmelder: ITEK CORPORATION

10 Maguire Road, Lexington, Massachusetts, U.S.A.

Bezeichnung der

Erfindung: Optisches Inkrementalcodiersystem mit

adressierbarem Index

Beschreibung:

Diese Erfindung bezieht sich auf ein System zur überwachung der Winkelstellung einer Vorrichtung, bei der die von einer elektrooptisch erfaßten Codierspur ausgehenden Impulse gezählt werden. Die Anlage verfügt über eine Einrichtung, mit der ein weniger genaues, elektrooptisch erfaßtes Signal in ein genaues Indexsignal verwandelt wird.

Fig.l zeigt ein typisches inkrementales Codiersystem. Eine Codescheibe 20 ist an einer Codewelle 22 befestigt, deren Winkelstellung überwacht werden soll. Die Scheibe besteht gewöhnlich aus Glas, in das eine ringförmige Datenspur eingraviert ist. Die Spur enthält abwechselnd lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Segmente, die um die Welle 22 herum gleiche Teile definieren. Die Anzahl der Codeperioden kann bis zu einigen tausehden betragen. Die Winkelstellung der Codescheibe wird dadurch überwacht, daß die an einem Detektor vorbeiziehenden Perioden elektronisch gezählt werden, und der Winkel wird noch genauer dadurch angezeigt, daß jede Periode in bis zu 64 Segmenten aufgeteilt wird.

Die Spur 24 wird durch eine Leuchtdiode 26 beleuchtet. Die auf diese Weise beleuchteten lichtdurchlässigen und -undurchlässigen Segmente der Spur werden von Photodetektoren 28 durch optische Präzisionsschlitze 30 hindurch erfaßt. Die Segmente auf der Spur 24 sind so nah beieinander angeordnet, daß sie ein

9. Juni 1982 - 2 -

optisches Raster bilden, das beim Umlaufen der Codescheibe für eine hohe Wiedergabetreue der sinusförmigen Ausgangsignale des Photodetektors sorgt. Die sinusförmigen Ausgangssignale werden in einer Multiplikationsschaltung verarbeitet und ergeben bei umlaufender Scheibe Rechteckwellen hoher Auflösung. Die Rechteckwellen weisen eine Winkelfrequenz auf, die ein Vielfaches der Frequenz von Spur 24 beträgt. Sidney Wingate hat hierzu angegeben, daß zwei Rechteckwellen der gleichen Raumfrequenz aber mit einer Phasenverschiebung von 90° logisch verknüpft werden können, z.B. in einer exklusiv-ODER-Schaltung, und eine neue Rechteckwelle mit der doppelten Eingangsfrequenz ergeben. Wird dieses Signal mit der doppelten Frequenz dann logisch mit einem gleichen, aber phasenverschobenen Signal verknüpft, läßt sich daraus ein Signal mit der vierfachen Raumfrequenz des ursprünglichen Signals gewinnen. Die für dieses Verfahren erforderliche Mehrfachphasenwandlung wird durch Summieren und Gewichten von Sinus- und Cosinussignalen bewirkt. Die sich daraus ergebenden phasenverschobenen sinusförmigen Signale werden dann in Rechteckwellen umgewandelt, um die oben genannte logische Verknüpfung zu ermöglichen. Vergleiche dazu U.S.-Patent 3,310,798 und 3,312,828 von Wingate.

Als Beispiel hoher Auflösung eines Inkrementalcodierers seien zwei phasenverschobene Rechteckwellen (X32) abgeleitet (Abb.2). Die 32-fache Anzeige basiert auf den 32 Zuständen der Rechteckwelle bei jeder Codeperiode der Codespur Die Frequenz eines Signals X32 beträgt 16. Es wird in einer sogenannten X32-Multiplikatorschiatung erzeugt. Die Rechteckwellen X32 sind gegeneinander um 5 5/8 phasenverschoben und ergeben insgesamt 64 Zustände innerhalb einer jeden Codeperiode. Durch die erzielten beiden Rechteckwellen X32 ergeben sich wie beschrieben

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 -3-

64 Auflösungszustände als auch Informationen hinsichtlich der Drehrichtung. Durch Differenzierung werden Inpulsfolgen gebildet, die vorwärts- und rückwärtszählende Taktfolgen X64 ergeben. Diese Impulsfolgen werden elektronisch gezählt und ermöglichen eine genaue Bezeichnung des Winkels von Scheibe 20 entsprechend einem genauen Indexsignal, das von einem weniger genauen Indexcode 27 auf Scheibe 20 bezogen wird.

Fig.2 und 3 zeigen die Arbeitsweise einer herkömmlichen Multiplikationsschaltung X32. Oben in Fig.2 ist eine Periode der Codespur 24 gezeigt, und die beiden sinusförmigen von der Codespur abgenommenen AusgangsSignale sind als Funktion des Codescheibenwinkels wie unterhalb der Spur gezeigt. Die am meisten kennzeichnende von der Spur abgenommene Rechteckwelle, X2, wird durch Verbringen der Welle in Rechteckform direkt der Sinuswelle entnommen. Zusätzliche für größere Auflösung zu erzielende Rechteckewellen sind die unten in der Figur gezeigten Folgen X4, X8, X16 und X32.

Um die Rechteckwelle X32 bilden zu können, wird eine Gruppe von Wellenformen gemäß Fig.2 synthetisiert. Diese Gruppe von Wellenformen schließt die Sinuswelle und die um jeweils 11 1/4° phasenverschobene Sinuswelle mit ein. Diese Wellenformen werden in Parallelschaltkreisen wie in Fig.3 gezeigt synthetisiert. Jede Wellenform wird durch entsprechendes Gewichten und Summieren der Sinus- und Cosinussignale gebildet. Der daraus resultierende Vektor ist eine Sinuslinie derselben Amplitude und Frequenz wie die ursprünglichen Sinuslinien, jedoch um die angegebenen Beträge vom Sinus verschoben. Für eine Multiplikationsschaltung X16 wären nur halb so viele Sinuslinien erforderlich, die um Winkel von je 22 1/2 erhöht würden. Desgleichen würde eine Multiplikationsschaltung X64 die zweifache Anzahl von um jeweils 5 5/8° erhöhte Sinuslinien erfordern.

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 4 -

-4-

Die Gruppe von Sinuslinien wird in Parallelschaltkreisen in Rechteckform gebracht und ergibt die unterhalb der Wellenform X2 gezeigten Rechteckwellen. Um dann eine Rechteckwelle X32 erzielen zu können, müssen Reehteckwellen X4, X8 und X16 in dieser Reihenfolge durch Verknüpfen von Wellen in einer exklusiv-ODER-Schaltung erhalten werden. Zum Beispiel werden die in Rechteckform gebrachte Sinuswelle und die in Rechteckform gebrachte Cosinuswelle einer exklusiv-ODER-Schaltung zugeführt, um die Welle X4 zu erhalten. Die Welle X4 wird dann dazu verwendet, die Welle X8 zu erhalten, indem sie einer exklusiv-ODER-Schaltung zusammen mit einem um 45° phasenverschobenen Signal X4 zugeführt wird. Letzteres Signal erhält man wiederum aus den Signalen 45 und 135 , die einer exklusiv-ODER-Schaltung zugeführt werden. Um das Signal X16 auf diese Weise zu erhalten, sind zweimal so viele Parallelschaltungen zur Bildung phasen verschobener Reehteckwellen und Verknüpfung dieser Reehteckwellen mit der nächst signifikanteren Welle vorgesehen. Mit jeder weiteren binären Auflösungswertigkeit, die von der Spur abgeleitet wird, verdoppelt sich die Anzahl der die erforderlichen Gewichtungs-, Summierungs- und Rechteckschwingungen erzeugenden Kreise.

Die um 5 5/8° verschobene, in Fig.2 unten gezeigte Rechteckwelle X32 läßt sich gleichermaßen dadurch erhalten, daß zusätzliche 14 (nicht gezeigte) sinusförmige Wellen erzeugt und die resultierenden Reehteckwellen in einem weiteren Schaltkreis einer exklusiv-ODER-Schaltung zugeführt werden. Durch nachfolgende Invertierung aller Signale X32 und ihrer Differenzierung zur Erzielung eines Kurzimpulses an jeder Vorderkante der vier Signale X32 läßt sich ein Taktsignal X64 mit 64 Taktimpulsen pro Codeperiode erzeugen. Unter Verwendung entsprechender logischer Schaltungen ergeben sich zwei gegenseitig exklusive Impulsfolgen

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 5 -

X64 als rechts- und linksläufige Taktausgänge. Die beiden Sätze Taktimpulse können in einem Vorwärts-Rückwärtszähler gezählt werden und ergeben eine Winkelanzeige aus einem Index.

Der Index wird aus einem Grobindex 27 mit einer Breite von 11/4 bis 11/2 Perioden erzeugt. Der Grobindex wird einem UND-Tor mit drei Eingängen zugeführt und eine benachbarte Rechteckwelle bildet die Vorausphase mit umgekehrtem X32 Multiplier. Zum Beispiel kann man den unten in Fig.2 gezeigten Feinindex erhalten. Dieser Feinindex dient als Bezug und kann gezählt werden, um die Drehzahl der Codescheibe anzuzeigen. Der Feinindex kann in jedem gewünschten Winkel innerhalb der Codeperiode liegen; hierzu werden die entsprechenden beiden, der UND-Schaltung zuzuführenden Rechteckwellen ausgewählt. Der Grobindes wird mit einer der Rechteckwellen A bis P und einer benachbarten Rechteckwelle von dem X32 Multiplier einem UNDGatter mit drei Eingängen zugeführt. In der gleichzeitig anhängigen USAnmeldung Serial-Nr.197,646 vom 16,10.80 des Anmelders für eine optische Codieranlage ist eine quadrantengeschaltete Multiplikationsschaltung offenbart, mit der die Anzahl der sinusförmigen Wellen wesentlich reduziert werden kann, die zur Erzielung einer Impulsfolge einer gegebenen Auflösung erzeugt, in Rechteckform gebracht, und einer exklusiv-ODER-Schaltung zugeleitet werden müssen. Zum Beispiel müssen in einer Multiplikationsschaltung X32 nur sieben Wellenformen in Summierungs und Gewichtungsschaltungen erhalten werden - im Vergleich zu den 14 Wellenformen, die in herkömmlichen Multiplikationsschaltungen X32 erforderlich sind. Ein bei der Anwendung der quadrantengeschalteten Multiplikationsschaltung in einem Inkrimentalkodierer auftretendes Problem besteht darin, daß ohne einen vollen Satz aus den Sinuswellen gebildeter Rechteckwellen auf herkömmliche Weise

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 " ⁶ "

-V-

kein genauer Index für irgend eine gewünschte Winkelstellung innerhalb einer Codeperiode erzeugt werden kann.

Die Erfindung sieht eine adressier bare, indexgenerierende Schaltung vor, die bei jedem beliebigen Winkel innerhalb einer Codeperiode und selbst bei Verwendung einer quadrantengeschalteten Multiplikationsschaltung einen Index ermöglicht.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Inkrementalwinkelcodiersystem mit einem Codierer, der eine Codespur und einen darauf gebildeten Grobindex sowie Detektoren zur Erfassung von Codespur als auch Index aufweist. Darauf ansprechend erzeugt ein Multiplikationsschaltkreis ein Signal hoher Winkelauflösung, das jede Codeperiode in Winkelsegmente aufteilt. Die Multiplikationsschaltung weist gleichfalls einen aus mehreren Bits bestehenden Binärausgang mit einer Winkelauflösung auf, die der des Signals hoher Auflösung gleichkommt. Eine darauf ansprechende Logikschaltung erzeugt ein genaues Indexsignal innerhalb einer vom Grobindex angezeigten Codeperiode und in einer vom binären Mehrbitausgang bestimmten Winkellage. In näherer Erläuterung verknüpft die logische Schaltung den Mehrbit-Ausgang mit dem Grobindexsignal und erzeugt damit einen Feinindex, der genau innerhalb der vom Grobindex angezeigten Codeperiode liegt.

Vorzugsweise ist ein Bit des Mehrbitwortes ein Signal das allgemein von der Multiplikationsschaltung ausgehenden phasenverschobenen Signalpaares. Signifikantere Bits zu diesem Wort sind Rechteckwellen, die in der Multiplikationsschaltung zur Erzeugung des Verschiebungspaares verwendet werden, und ein weniger signifikantes Bit wird aus dem Verschiebungspaar gebildet.

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 7 -

Die beigefügten Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstäblich; vielmehr wird Wert auf die Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips gelegt.

Fig.l zeigt in perspektibischer Ansicht eine typische Codescheibe sowie die optische Einrichtung zu dieser Scheibe, mit der der Code erfaßt wird.

Fig.2 zeigt in vorliegendem sowie in einem herkömmlichen System gebildete Sinuswellen und Impulsfolgen sowie eine mit dem vorliegenden System erzeugte Folge X64,

Fig.3 zeigt die Vektorbildung von phasenverschobenen Sinuswellen in einer herkömmlichen Multiplikationsschaltung X32,

Fig.4 zeigt die Quadrantenauswahl und Eingangswellenformen für die in dieser Erfindung verwendete Multiplikatorschaltung,

Fig.5 ist eine schematische Darstellung der optischen Einrichtung zur Erfassung der Codespur,

Fig.6 zeigt verschiedene Wellenformen im Schaltkreis von Fig.5 als Funktion der Winkelstellung der Codescheibe,

Fig.7 ist ein elektrisches Blockbild eines Codiersystems gemäß der Erfindung,

Fig.8 ist ein Verdrahtungsplan für einen in der Multiplikatorschaltung von Fig.7 verwendeten Vorverstärker und Inverter,

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 8 -

Fig.9 ist ein Verdrahtungsplan der Multiplikatorschaltung X4 und der Quadrantenwahlschaltung von Fig.7,

Fig.10 ist ein Verdrahtungsplan eines der Multiplikatorschaltungen gem. Fig.8 einschließlich der Quadrantenschaltung der Multiplikatoreingänge.

Die logische Struktur des Quadrantenschaltmultiplikators gemäß der gleichzeitig anhängigen Anmeldung wird mit Bezug auf Fig.2 und 4 erklärt. Wie aus Fig.2 zu entnehmen ist, wiederholen sich die Codefolgen der Rechteckwellen X8 und weniger signifikant in jedem Quadranten der Codeperiode. Die vier Quadranten dieser Periode sind durch die senkrechten, durch die Rechteckwellen hindurchführenden gestrichelten Linien gekennzeichnet.

Da sich jede der weniger signifikanten Folgen in jedem Quadranten wiederholt, muß eine Multiplikatorschaltung lediglich zur Entschlüsselung der sinusförmigen Eingänge zum Multiplikator in einem der Quadranten ausgelegt sein, so lange wie die Eingänge zum Multiplikator in jedem Quadranten gleichbleiben. Dementsprechend ergibt ein Vergleich der in Rechteckform gebrachten, phasenverschobenen Signale von Fig.2 und des X32 Signals, z.B., daß die Durchgänge des Signals X32 an den Durchgängen der einzelnen in Rechteckform gebrachten Signale auftreten. Zum Beispiel steuern im ersten Quadranten der Codeperiode die Durchgänge in den zwischen 90 und 100 phasenverschobenen Rechteckwellen die Durchgänge im ersten Quadranten der Codeperiode. Gleichermaßen steuern die Durchgänge der Rechteckwellen mit Phasenwinkeln zwischen 0 und90° die Durchgänge im zweiten Quadranten der Codeperiode. Die abfallenden Kanten dieser beiden Gruppen von Rechteckwellen steuern die Durchgänge im dritten und vierter Quadranten der Codeperiode.

J 84 P 120+GmH
9. Juni 1982 - 9 -

■::·#221982

Nachdem 16 Wellen erforderlich sind, die notwendigen Durchgänge im X32 Signal zu erzielen, läßt sich ersehen, daß die erforderliche Anzahl Rechteckwellen um beinahe die Hälfte reduziert wird, wenn der Multiplikator in nur einem Quadranten arbeitet; zum Beispiel ergibt die Gruppe der Rechteckwellen bei Phasenwinkeln zwischen 0 und 90° die Anzahl der im zweiten Quadranten der Folge X32 erforderlichen Durchgänge. Dabei bleibt jedoch das Problem hinsichtlich der Auslegung der logischen Schaltelemente im Multiplikator erhalten, die die gewünschten Multiplikatorausgänge innerhalb eines Quadranten aus den phasenverschobenen Rechteckwellensignalen X2 in diesem Quadranten abgeben. Wenn weiterhin der gleiche Multiplikator für jeden Quadranten verwendet werden soll, müssen die Eingänge zum Multiplikator je nach Quadranten so variiert werden, daß die Bildung der Rechteckwellen den Forderungen der logischen Schaltelemente entspricht.

Mit Bezug auf den zweiten Quadranten der in Fig.2 gezeigten Codespurperiode, ist die Wellenform X8 im zweiten Quadranten identisch mit der Rechteckwelle 45° innerhalb dieses Quadranten. Um die Folge X8 zu erzielen, ist es daher nur erforderlich, daß eine sinusförmige um 45 vom Sinuseingang phasenverschobene Welle in Rechteckform gebracht und direkt einem Ausgang X8 zugeführt wird.

Um die Folge X16 im zweiten Quadranten der Codeperiode mittels excluslv-ODER-Schaltung zu erzielen, ist die Folge X8 sowie ein Signal mit der in gestrichelter Linie unterhalb der Folge X8 gekennzeichneten Wellenform erforderlich. Diese Wellenform kann wiederum durch die Zuführung der Signale 22 1/2° und 67 1/2° im zweiten Quadranten in eine exklusivODERSchaltung erzielt werden. Gleichermaßen kann die Folge X16 im zweiten Quadranten durch die Zuleitung der Folge X16 und der in gestrichelter Linie unterhalb der Folge X 16 gezeigten

3 84 P 100+GmH

9. Juni 1982 - 10 -

'4S-

Wellenform in eine exklusiv ODER-Schaltung erhlaten werden. Letztere Wellenform kann wiederum durch Zuführung der Signale 11 1/4, 33 3/4, 56 1/4 und 78 3/5 in eine exklusiv-ODER-Schaltung erzielt werden.

Bei einer solchen Auslegung des Multiplikators zur Ausübung der obengenannten Schaltfunktionen, wenn die Codespur sich in einer Stellung für eine Auslesung im zweiten Quadranten befindet, kann der gleiche Multiplikator dazu verwendet werden, den gleichen Ausgang in jedem der anderen drei Quadranten der Codespurperiode vorzusehen, indem die sinusförmigen Eingänge der Schaltung zugeschaltet werden. In diesen anderen Quadranten müssen die Eingänge zur Simulierung der gewöhnlich im zweiten Quadranten vorgefundenen Eingänge geschaltet werden. Die den Gewichtungs- und Summierungsschaltungen in jedem Quadranten der Codeperiode zuzuschaltenden Signale lassen sich aus Fig.4 ermitteln. In dieser Abbildung sind die herkömmlichen Cosinus- und Sinussignale zusammen mit diesen Signalen in invertierter Form dargestellt. Durch die Wahl des invertierten Sinus- und Cosinussignals als Ersatz für die Cosinus- und Sinussignale duplizieren die Wellenformen im ersten Quadranten die Wellenformen im zweiten Quadranten, für die der Multiplikator ausgelegt ist. Dies wird durch die fettgedruckten Linien für diese Signale angedeutet. Gleichermaßen werden im dritten Quadranten das Sinussignal und das invertierte Cosinussignal, und im vierten Quadranten das invertierte Cosinussignal und das invertierte Sinussignal gewählt.

Der Quadrant der Codeperiode, innerhalb derer der Codierer gestellt ist, wird durch die Folgen X2 und X4 angezeigt. Diese Folgen sind in Fig.4 in Gray-Code gezeigt (Signale A und B).

Die einzelne Schaltungen der optischen Einrichtungen zum Erfassen des Codes, sowie die Multiplikatorschaltung und der Indexgenerator sind in Fig.5 bis 10 gezeigt.

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 _ u_

-46-

Die den sinusförmigen Ausgang erzeugende Photodetektorschaltung ist in Fig.5 gezeigt. In Fig.6 sind ausgewählte Signale als Funktion der Winkelstellung gezeigt. Zur Erzeugung eines ersten sinusförmigen Ausganges (Sinussignal) sind zwei Gruppen Schlitze 52 und 54 genau gegenüber der Feinspur 25 so ausgerichtet, daß sich jeder eine Anzahl von Perioden plus 180 Periodengrad vom anderen entfernt befindet. Die den Schlitzen 52 und 54 zugeordneten Detektoren sind Phototransistoren 56 und 58, die in einer Gegentaktkonfiguration zusammengeschlossen sind. Wie gezeigt, sind die Schlitze 52 in einer Linie mit den lichtdurchlässigen Segmenten der Codespur 25 ausgerichtet; der Transistor 56 wird damit von Leuchtdiode 57 beleuchtet und leitend. Andererseits sind die Schlitze 54 um 180 phasenverschoben gegenüber den Schlitzen 52 und liegen auf einer Linie mit den lichtundurchlässigen Segmenten, womit der Transistor 58 nicht leitet. Beim Umlaufen der Codescheibe werden die beiden Transistoren 56 und wechselweise beleuchtet und ergeben damit die in Fig.6a und 6b gezeigten Ausgänge. Der an Leitung 60 resultierende Ausgang ist eine Sinuslinie gemäß Fig.6c.

Zur Erzielung eines Cosinussignals sind zwei Gruppen Schlitze 62 und 64 um eine Anzahl von Perioden plus 90° von den jeweiligen Schlitzgruppen 52 und beabstandet angeordnet. Dementsprechend werden die Cosinusdetektortransistoren 66 und 68 beleuchtet, um den in Fig.6f gezeigten verknüpften Ausgang an Leitung 70 zu erzielen. Es ist ersichtlich, daß das Cosinussignal auf Leitung 6f dem Sinussignal von Fig.6c gegenüber um 90 Periodengrad verschoben ist.

Wie in Fig.7 gezeigt, wird die Sinuswelle auf Leitung 60 in einem invertierenden Vorverstärker 72 verstärkt und bildet damit die invertierte Sinuswelle?. Das

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 12 -

Signal s wird dann durch einen Analoginverter 74 geführt und ergibt das verstärkte Sinussignal s. Der Vorverstärker 72 und der Inverter 74 sind ausführlicher in Fig.8 gezeigt. Das Cosinussignal auf Leitung 36 wird gleichermaßen vorverstärkt und in Verstärker 76 und Inverter 78 invertiert.

Zur Erzielung der Folgen X2 und X4 werden die Sinus- und Cosinussignale an den X4-Multiplikator 80 angelegt. Die Schaltung 80 liefert auch die in Fig.4 gezeigten Bits A und B zur Auswahl des Quadranten. Im einzelnen werden im Schaltkreis 80 die Sinus- und Cosinussignale an Komparator 82 und 84 (Fig.9) angelegt, die die in Rechteckform gebrachten Wellenformen A und B liefern. Um einen genauen Index in einer weiter unten noch zu besprechenden Weise zu erzeugen, wird dieser 2-Bit Gray-Code mittels einer exklusiv-ODER-Schaltung die den X4 Bit-Ausgang liefert, in natürliche Binärform entschlüsselt.

Wie oben besprochen, zeigen die Signale A und B den Quadranten der Codespurperiode an, in der sich die Codescheibe in einem gegebenen Moment befindet. Diese Signale gehen an eine Analogschaltergruppe 92, die die jeweiligen Signale s, c, s oder c auswählt, die an die Gewichtungs- und Summierungsschaltungen in einer Multiplizierschaltung anzulegen sind, die zwei Quadrantenmultiplikatoren und 95 enthält. Diese Sinussignale werden zu den Quadrantenmultiplikatoren auf den Leitungen X COM und Y COM geführt. Der Multiplikator 94 erzeugt einen Ausgang fi X32 und erzeugt dabei auch Ausgänge X8 und X16. Der Multiplikator 95 gleicht dem Multiplikator 94, liefert jedoch einen um 5 5/8 verschobenen Ausgang X 32. Die beiden X32-Ausgänge bilden ein Paar phasenverschobener Rechteckwellen, die zur Erzielung des Ausgangsimpulssignals hoher Auflösung aus dem Inkrementalcodierer verwendet werden kann.

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 13 -

"22 1982

Jeder Quadrantenmulitplikator weist die Schaltungskonfiguration gemäß Fig.10 auf und ist entsprechend der oben besprochenen Theorie ausgelegt. Das heißt, um die Folge X8 liefern zu können, werden die Sinuseingänge durch die Widerstände R14 und R15 gleich gewichtet und bei Knoten 96 am nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 98 summiert. Der Ausgang des Komparators 98 ist eine gegenüber der Welle X COM um 45° verschobene Rechteckwelle.

Wie oben festgestellt wurde, wird das Signal X16 durch die Zuführung von Rechteckwellen, die gegenüber dem Signal X COM um 22 1/2 und 67 1/2° phasenverschoben sind, in eine exklusiv-QDER-Schaltung sowie die Zuführung der sich daraus ergebenden Rechteckwelle zusammen mit dem Signal X8 in eine solche Schaltung gewonnen. Zu diesem Zweck wird das um 22 1/2 verschobene Signal durch Gewichtung und Summierung der resultierenden Signale bei Knoten 102 am Eingang des Komparators 104 gebildet. Gleichermaßen wird die Rechteckwelle 67 1/2° durch den Komparator 108 geliefert. Die Digitalsignale aus den Komparatoren 104 und 108 werden durch eine exklusiv-ODER-Schaltung 112 geführt, um das in Fig.2 unterhalb der Folge X8 in gestrichelter Linie angezeigt Signal zu erhalten. Dieses Signal wird wiederum mit dem Signal X8 durch die exklusiv-ODER-Schaltung 114 geführt und ergibt damit die Folge X16.

Auf gleiche Weise werden um 111/4, 33 1/4, 56 1/4 und 78 3/4° verschobene Rechteckwellen durch Gewichten und Summieren der Sinussignale an den Eingängen der Komparatoren 116,118,120 und 122 erzielt. Die Signale 78 3/3 und 33 3/4 werden an die exklusiv-ODER-Schaltung 132 angelegt, während die Signale 56 1/4 und 11 1/4 in die exklusiv-ODER-Schaltung 134 geführt werden. Die daraus entstehenden Signale werden in die exklusiv-ODER-Schaltung 136 geführt und ergeben das in Fig.2 unterhalb der Folge X16 in gestrichelter Linie gekenn-

J 84 P 120+GmH
9. Juni 1982

-IAn-

-19-

zeichnete Signal. Letzlich wird das Signal mit dem Ausgang X16 in die exklusiv-ODER-Schaltung 138 geführt und ergibt den Ausgang X32.

Daraus geht hervor, daß je nach dem Quadranten der durch die Multiplikatorschaltung X4 angezeigte Codespurperiode die zur Erzeugung der fett ausgezogenen Eingänge in Fig.4 erforderlichen Sinussignale an die parallelgeschalteten Gewichtungs-Summier- und Rechteckschaltungen des Quadrantenmultiplikators gelegt werden. Diese Signale werden wiederum an Logikelemente gelegt, die die phasenverschobenen Rechteckwellen auf die Signale X18, X16 und X 32 entschlüsseln.

Wie bei herkömmlichen Multiplikatoren wird die Phasenverschiebung der sinusförmigen Welle durch die Relativwiderstandswerte der Eingangswiderstände der Komparatoren wie z.B. R14 und R15, bestimmt. Die tatsächlichen Widerstandswerte hängen auch vom jeweils verwendeten Komparator ab. Die nachstehende Tabelle enthält geeignete Widerstandswerte für diese Eingangswiderstände in jedem der Quadrantenmultiplikatoren 94 und 95:

	Multiplikator 94	Widerstands wert (Ohm)	Multiplikator	95 ■
Widerstand	Phasen winkel	8.87K	Phasen winkel	Widerstands wert (Ohm)
R 14	45	8.87K	50 5/8	8.06K
R 15		6.19K		9.88K
R 18	67 1/2	15.0 K	73 1/8	5.69K
R 19		15.0 K		18.7 K
R 22	221/2	6.19K	28 1/8	12.7 K
R 23				6.81K
J 84 P 120+GmH 9. Juni .19S2			-15-

	Multiplikator 94	Widerstands	Multiplikator	95	Widerstands
	Phasen	wert (Ohm)	Phasen	wert (Ohm)
Widerstand	winkel	5.36K	winkel	4.87K
R 26	78 3/4	26.7 K	84 3/8	49.3 K
R 27		11.0 K		9.88K
R 30	33 3/4	7.32K	39 3/8	8.06K
R 31		7.32K		6.81K
R 34	56 1/4	11.0 K	617/8	12.7 K
R 35		26.7 K		18.7 K
R 38	111/4	5.36K	16 7/8	5.69K
R 39

Das Signal X32 und das um 5 5/8 phasenverschobene Signal X32 in Fig.2 stellen die gewöhnlichen Verschiebungsausgänge eines Inkrementalcodierers dar. Diese Signale können invertiert werden und durch die Differenzierung der aufsteigenden Kanten einer jeden der vier resultierenden Impulsfolgen können 64 Impulse pro Periode erzielt werden. Bei Verwendung entsprechender richtungsbezogener Logikelemente wird die Impulsfolge X64 als entweder rechts- oder linksdrehender Ausgang geliefert. Diese Impulse steuern Vorwärts- und Rückwärtszähler an, die die genaue Stellung der Codescheibe gegenüber einem Feinindex überwachen. Der Feinindex wird elektronisch aus einem Grobindex erzeugt, der an der Codescheibe erfaßt wird. Der Grobindex entspricht 1 1/4 bis 1 1/2 Perioden der Codespur. Der erzeugte Feinindex entspricht einem einzigen Segment einer 64er Teilung dieser Periode. Bei herkömmlichen Codiersystemen kann ein beliebiges Segment innerhalb der Periode durch zwei der phasenverschobenen Rechteckwellen bestimmt werden, die in den Multiplikatoren (einschl. A bis P in Fig.2) erzeugt werden. Bei der Verwendung von Qudrantenmultiplikatoren stehen jedoch nur die Hälfte dieser Signale zur Verfügung. Um daher einen für jedes

3 84 P 120+GmH 9. Juni 1982

- 16-

Segment innerhalb der Periode andressierbaren Feinindex zu erzielen, muß eine andere Lösung zur Erzeugung dieses Index angewendet werden.

Wie in Fig.7 gezeigt, werden die beiden Folgen X32 an eine exklusiv-ODER-Schaltung 140 angelegt, um einen Ausgang X64 gemäß Fig.2 zu erzeugen. Ein jedes der Signale X2, X4, X8, X16, X32 und X64 wird dann an einen Indexgenerator 142 angelegt. Der Indexgenerator erhält ebenso ein digitalisiertes Grobindexsignal durch den Komparator 144.

Es ist daraus ersichtlich, daß die Folgen X2 bis X64 zusammen ein Wort mit 6 Bits bilden, das ein beliebiges Segment der 64 Segmente der Codespurperiode bezeichnen kann; das heißt also, die Auflösung dieses Mehrbitwortes entspricht der des phasenverschobenen Paares X32. Diese Bits bzw. Komplemente einiger solcher Bits werden an ein UND-Gatter im Generator 142 zusammen mit dem digitalisierten Grobindex gelegt und ergeben den Feinindex. Damit kann, obwohl kein voller Satz Sinussignale zur Verfügung steht, an einer beliebigen Stelle in der Periode eine Adresse gebildet und der Index verschlüsselt werden, indem 6 absolute Bits aus der Codespur entweder direkt oder in logisch komplementierter Form verwendet werden. Aus den 6 zur Verfügung stehenden Bits läßt sich eine jede der 64 eindeutigen Winkelstellen bestimmen.

Dadurch, daß Inverter im Generator 142 vorgesehen sind, stehen 12 Adressensignale zur Eingabe an das UND-Gatter zur Verfügung, und 6 werden gewählt. Bei einem herkömmlichen, adressierbaren Index in einem System X64, müssen 30 Signale zum Anschluß an die Indexlogik verfügbar sein, obwohl lediglich zwei gewählt werden nrvxoon.

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 17 -

Zusammenfassend kann das optische Inkrementalcodiersystem mit adressierbarem Index nochmals wie folgt dargestellt werden.

Die zur Erzielung eines phasenverschobenen Rechteckwellenpaares, das ein winkelanzeigendes Signal hoher Auflösung in einem inkrementalen Codierer bildet, erforderlichen Schaitvorkehrungen werden durch die Verwendung eines quadrantengeschalteten Multiplikators reduziert. Die Bits eines binären Mehrbitwortes werden zusammen mit einem der Codescheibe entnommenen Grobindex einer Gatterschaltung zugeleitet und ergeben einen vollständig adressierbaren Feinindex einer Auflösung, die der des phasenverschobenen Paares gleichkommt. Das binäre Mehrbitwort schließt Rechteckwellen ein, die bereits im Multiplikator enthalten sind sowie ein zusätzliches Bit, das aus einer logischen Verknüpfung des Paares phasenverschobener Signale erhalten wird.

J 84 P 120+GmH
9, Juni 1982

Claims

J 84 P 120+GmH

Anmelder; ITEK CORPORATION .

10 Maguire Road, Lexington, Massachusetts, U.S.A.

Bezeichnung der

Erfindung; Optisches Inkrementalcodiersystem mit

adressierbarem Index

Patentansprüche;

ι Iy Inkrementales Winkelcodiersystem bestehend aus einem Codiergerät mit einer Codespur und einem darauf gebildeten Grobindex, einer Einrichtung zur Erfassung von Codespur und Index, und einer Multiplizierschaltung zur Erzeugung eines Signals hoher Winkelauflösung, das jede Codeperiode in Weinkelsegmente aufteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierschaltung (80,94,95,140) einen binären Mehrbitausgang liefert, der eine Winkelauflösung entsprechend diesem Signal hoher Auflösung aufweist, wobei eine logische Schaltung (142) zur Erzeugung eines Feinindexsignals innerhalb einer vom Grobindex angezeigten Codeperiode bei einer durch den binären Mehrbitausgang bestimmten Winkelstelle vorgesehen ist.

2. Codiersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal hoher Auflösung ein Paar phasenverschobener Rechteckwellen enthält.

3. Codiersystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden

am wenigsten signifikanten Bits des binären Mehrbitwortes eine Recheckwelle sind, die durch eine logische Verknüpfung der Paares phasenverschobener Rechter Zweiten und einer phasen verschobenen Rechteckwelle gebildet werden.,

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 2 -

4. Codiersystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die signifikanteren Bits des binären Mehrbitwortes Rechteckwellen aus dem Multiplikator sind, die dann zu einer Welle des Paares phasenverschobener Rechteckwellen verknüpft werden.

5. Codiersystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das am meisten signifikante Bit ein in Rechteckform gebrachter Ausgang der Codespur ist.

6. Codiersystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinindex dadurch gebildet wird, daß der Grobindex und die Bits des binären Mehrbitwortes entweder direkt oder in logisch komplementierter Weise durch ein UND-Gatter geleitet werden.

7. Optisches, inkrementales Winkelcodiersystem mit einer Codescheibe, die eine optische Codespur sowie einen darauf gebildeten Grobindex aufweist, mit einer Einrichtung zur Erfassung der Codespur und Erzielung eines sinusförmigen Ausganges als Funktion der Winkelstellung der Codescheibe, und mit einer Multiplizierschaltung zur Erzeugung eines Signals hoher Winkelauflösung, das jede Codeperiode in Winkelseg,emte dadurch aufteilt, daß eine Gruppe von phasenverschobenen Sinuswellen in parallelschaltkreisen geschaffen wird, die Gruppen von sinusförmigen Wellen in Rechteckwellen umgewandelt wobei die Rechteckwellen logisch verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierschaltung (80,94,95,140) zur Erzeugung des Signals hoher Winkelauflösung nur durch ein von einer Mehrzahl von Segmenten der Codeperiode ausgelegt ist, wobei diese Multiplizierschaltung einen binären Mehrbit-

J 84 P 100+GmH

9. Juni 1982 - 3 -

ausgang mit einer Winkelauflösung erzeugt, die der des Signals hoher Auflösung gleichkommt, wobei Wahlschaltungen (92) zur gezielten Veränderung der sinusförmigen Eingänge an der Multiplizierschaltung dahingehend vorgesehen sind, daß diese Eingänge für jedes dieser Segmente der Codespurperiode identisch sind, und wobei ein Logikelement (142) zur Erzeugung eines Feinindexsignals innerhalb einer Codeperiode vorgesehen ist, die durch den Grobindex an einer vom binären Mehrbitausgang bestimmten Winkelstelle angezeigt wird.

8. Optisches inkrementales Winkelcodiersystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Multiplizierschaltung (80,94,95,104) zur Erzeugung des Signals hoher Winkelauflösung nur durch einen Quadranten der Codeperiode ausgelegt ist, und daß diese Wahlschaltungen (92) gezielt die sinusförmigen Eingänge an der Multiplizierschaltung so verändern, daß diese Eingänge für alle Quadranten der Codespurperiode identisch sind.

9. Codiersystem gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal hoher Auflösung ein paar phasen verschobener Rechteckwellen enthält.

10. Codiersystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden

am wenigsten signifikanten Bits des binären Mehrbitwortes aus einer Rechteckwelle und einer der phasenverschobenen Rechteckwellen gebildet ist.

11. Codiersystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die signifikanteren Bits des binären Mehrbitwortes Rechteckwellen aus dem Multiplikator sind, die dann verknüpft werden und eine Welle eines Paares phasenverschobener Rechteckwellen bilden.

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 4 -

12. Codiersystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das am meisten signifikante Bit ein in Rechteckform gebrachter Ausgang aus der Codespur ist.

13. Codiersystem gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Feinindex dadurch gebildet wird, daß der Grobindex und die Bits des binären Mehrbitwortes entweder direkt oder auf logisch komplementierte Weise zu einem UND-Gatter (142) geleitet werden.

14. Optisches inkrementales Winkelcodiersystem gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Multiplizierschaltung einen Binärausgang erzeugt, der eine Winkelauflösung aufweist, die der des Signals hoher Auflösung gleichkommt, wobei die Bits des Binärausganges einen in Rechteckform gebrachten Ausgang aus der Codespur einschließen, Rechteckwellen, die in einem Multiplikator erzeugt werden und eine Welle eines phasenverschobenen Rechteckwellenpaares bilden, die eine des phasenverschobenen Paares, und eine Rechteckwelle, die aus der logischen Verknüpfung des phasen verschobenen Rechteckwellenpaares gebildet wird, und daß diese Logikschaltung (142) eine logische UND-Schaltung zur Erzeugung dieses Feinindexsignals enthält.

15. Verfahren zur Erzeugung eines Feinindexsignals in einem inkrementalen Winkelcodiersystem mit einer Mehrperiodencodespur und einem Grobindex auf einem Codierer sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals hoher Auflösung, das die Codeperioden in Winkelsegmente hoher Auflösung aufteilt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte bei der Erfassung des Grob-

J 84 P 120+GmH

9. Juni 1982 - 5 -

indexes: Erfassung der Codespur und Schaffung eines sinusförmigen Ausganges als Funktion der Winkelstellung des Codierers, Erzeugung eines winkelanzeigenden binären Mehrbit-Codewortes aus diesem sinusförmigen Ausgang mit einer Winkelauflösung, die der des Signals hoher Auflösung gleichkommt, und logische Verknüpfung des binären Mehrbitcodewortes mit dem Grobindex zur Schaffung eines Feinindexes, der der Auflösung des Signals hoher Auflösung entspricht.

J 84 P 120+GmH
9. Juni 1982