DE3513343C2

DE3513343C2 -

Info

Publication number: DE3513343C2
Application number: DE19853513343
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Huebler (Fh), 7243 Voehringen, De
Original assignee: Mauser Werke Oberndorf GmbH
Current assignee: Mauser Werke Oberndorf GmbH
Priority date: 1985-04-13
Filing date: 1985-04-13
Publication date: 1993-04-08
Also published as: DE3513343A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Weg- und Winkelmeßsystemen.

Aus der Fachzeitschrift "ELEKTRONIK 1/11.01.1985", Seiten 45 bis 50, ist eine Auswerteelektronik für inkrementale Wegmeßsysteme bekannt. Danach werden inkrementale Drehgeber wie auch translatorische Wegmeßsysteme überall dort eingesetzt, wo es auf hohe Genauigkeit ankommt. Die Auswertelogik besteht aus einem Richtungsdiskriminator, welchem die vom Drehgeber gelieferten Zählimpulse zugeführt werden und welcher die Drehrichtung des Drehgebers erfaßt. Die nachfolgende Impulsverviel facher-Schaltung multipliziert die Anzahl der Zählimpulse je nach der Einstellung der Flankenauswertung mit dem Faktor 1, 2 oder 4. Die so aufbereiteten Zählimpulse gelangen dann entsprechend der Drehrichtung als Vorwärts- oder Rückwärtsimpulse an den Eingang eines Vorwärts-/ Rückwärtszählers.

Aus diesem Bericht geht nicht hervor, ob es sich bei der Auswertelogik für inkrementale Wegmeßsysteme um eine hochauflösende Auswertung der Signale solcher inkrementaler Wegmeßsysteme handelt und demzufolge auch nicht, wie ggf. eine solche hochauflösende Auswertelogik im einzelnen aufgebaut ist.

Bekanntermaßen besteht die Auswertelogik für die eingangs genannten Meßsysteme grundsätzlich aus einer Interpolations-/Vervielfacher- Schaltung für die Erhöhung der Auflösung des Systems gegenüber der eines Maßstabes bzw. Drehgebers und einer Richtungserkennung, welche die Richtung der Bewegung detektiert.

Es ist allgemein bekannt, daß inkrementale Wegmeßsysteme und auch Winkeldrehgeber beim Verfahren ihres mit Sensoren bestückten Lesekopfes entlang einem Maßstab mindestens zwei sinusförmige Signale liefern, wobei jeweils das eine Signal gegenüber dem anderen Signal um 90° phasenverschoben ist.

Diese beiden Signale sin ϕ und cos ϕ werden im Regelfall jeweils gewichtet und einer Summationsstelle zugeführt, an deren Ausgänge wiederum sinusförmige Sinale entstehen, die ihrerseits gegenüber dem Eingangssignal phasenverschoben sind. Jeder Summationsstelle ist sodann ein Komparator nachgeschaltet, an dessen Ausgänge eine logische 1 erscheint, wenn das jeweilige Summensignal am Eingang positiv ist, und eine logische 0 erscheint, wenn das jeweilige Summensignal negativ ist. Der Übergang zwischen der logischen 1 und der logischen 0 findet jeweils ziemlich genau am Übergang des Eingangs-Signals von negativ nach positiv statt.

Die Stelle des Übergangs zwischen den Nullen und Einsen, das ist immer die Stelle, bei der zwei benachbarte Komparatoren unterschiedliche Ausgangssignale aufweisen, wandert nun bei der Vorwärtsrichtung von den Komparatoren K₁ nach K_n und bei der Rückwärtsbewegung von den Komparatoren K_n nach K₁. Dies bedeutet, daß immer nur die zwei benachbarten Komparatoren interessante Informationen anbieten, deren Ausgangssignale ungleich sind.

Von Nachteil bei dieser bekannten Einrichtung ist es, daß der Bauteileaufwand für die diesen Komparatoren nachfolgende Schaltung zur Erkennung der Bewegungsrichtung mit der gewünschten Auflösung überproportional ansteigt.

Für jeden Komparator wird dabei eine eigene Summenkurve

a · sinϕ + b · cosϕ

mit eigener individueller Phasenverschiebung gebildet. Anders ausgedrückt heißt dies, daß man Sinuskurven mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen gegenüber der vom Meßsystem kommenden Sinuskurve bildet, indem das Verhältnis b zu a variiert wird. Ein Komparator schaltet beim Nulldurchgang dieser Kurve.

Aus den Druckschriften DE 33 33 393 A1, DE 30 48 366 A1 und US 44 68 745 sind bereits Einrichtungen zur Auswertung der Signale von Weg- und Winkelmeßsystemen allgemein bekannt.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Wegmeßsystemen zu schaffen, die einen nur geringen Bauteileaufwand erfordert und trotzdem einen beliebigen Interpolationsfaktor ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

In Ausbildung dieser Erfindung können die Multiplizierer analoge oder digitale Multiplizierer oder multiplizierende Digital-/Analog-Wandler sein.

In vorteilhafter Weise beschränkt sich die erfindungsgemäße Einrichtung darauf, nur die zwei Wertepaare zu betrachten, bei denen die zwei resultierenden Summensignale unterschiedliche Polarität haben, worauf dann auch der schaltungstechnische Aufwand beschränkt bleibt. In Abhängigkeit von der Position des Lesekopfes sind dies natürlich nicht immer die gleichen Wertepaare. Die Steuerlogik erkennt jedoch daran, welcher der beiden Komparatoren sein Ausgangssignal schaltet, in welche Richtung der Lesekopf bewegt wird. Dementsprechend wählt die Steuerlogik zwei andere Wertepaare a und b aus, durch die die Ausgangssignale wieder ungleich werden. Damit fängt die Schaltung stets die Stelle, an der der Übergang zwischen den Nullen und Einsen in den Ausgangssignalen der Komparatoren liegt. Der Bauteileaufwand wird bei dieser erfindungsgemäßen Einrichtung unabhängig von dem Interpolationsfaktor jeweils so klein gehalten, daß insgesamt nur zwei Summationsstellen, zwei Komparatoren und vier Multiplizierer erforderlich sind.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt.

Die Einrichtung 1 zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Wegmeßsystemen weist eine Steuerlogik 2 auf, welche eingangsseitig über die Zuleitungen 3 und 4 mit einer Einrichtung 5 zur Vorgabe des Interpolationsfaktors und einem Speicher (ROM)-Baustein 6 mit trigonometrischen Tabellen verbunden ist. Zwei weitere Auswerteleitungen 7 und 8 verbinden die Komparatoren 9 und 10 mit der Eingangsseite der Steuerlogik 2.

Ausgangsseitig der Steuerlogik 2 führen vier Versorgungsleitungen 11, 12, 13 und 14 zu Multiplizierern 15, 16, 17 und 18. Ferner gehen vom Lesekopf 19 zwei sin ϕ-Versorgungsleitungen 20 und 21 zu den beiden Multiplizierern 16 und 18, während phasenverschoben zwei cos ϕ-Versorgungsleitungen 22 und 23 zu den Multiplizierern 15 und 17 führen. Jeweils zwei benachbarte Multiplizierer 15, 16 und 17, 18 sind mit einer gemeinsamen Summationsstelle 24 und 25 über die Signalleitungen 27, 28 und 29, 30 angeschlossen. Jeder Summa tionsstelle 24, 25 ist über die Leitungen 31, 32 ein Komparator 9, 10 nachgeschaltet. Zwei weitere Ergebnisleitungen 33 und 34 füh ren von der Steuerlogik 2 zu einem Auf-/Ab-Zähler 35.

Die Steuerlogik 2 bekommt aus den trigonometrischen Tabellen des Speichers (ROM)-Bausteins 6 die Winkelfunktionswerte sowie aus der Einrichtung 5 die Vorgabe des Interpolationsfaktors.

Diese Werte werden von der Steuerlogik 2 an die Multiplizierer 15, 16, 17 und 18 weitergegeben, wo durch Multiplikation der Winkel funktionswerte mit den Signalwerten sinusförmige Signale gebildet werden. Jeweils zwei benachbarte Multiplizierer 15 und 16 bzw. 17 und 18 werden zu einer zugeordneten Summationsstelle 24 bzw. 25 zusammengeführt, wo das sinusförmige Summensignal a_i × sinϕ + b_i × cosϕ bzw. a_i ₊₁ × sinϕ + b_i _{+ 1} × cosϕ gebildet wird. Die Komparatoren 9 und 10 werten die sinusförmigen Summen signale aus, ob sie positiv oder negativ sind.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Lesekopf 19 des inkremen talen Meßsystems in einer Position stehe, bei welcher nach dem herkömmlichen Verfahren die Komparatoren folgende Zustände aufweisen:
K₄ = 0
K₃ = 0
K₂ = 1
K₁ = 1

Die Indizes 1 bis 4 zu den Komparatoren in der obigen Aufstellung bedeuten nur die Komparatoren 1 bis 4 bei den eingangs genannten Verfahren und haben darüberhinaus keine Bedeutung.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erhalten die Multiplizierer von der Steuerlogik die Faktoren a 2/b 2 und a 3/b 3. Die Indizes bei den Faktoren a und b deuten auch hier wiederum nur auf die Reihen folge der in der obigen Aufstellung genannten Komparatoren K₂ und K₃ hin. Bei diesem Beispiel ist nun der Ausgang des Komparators 10 (K₂) auf den Wert 1 und der Ausgang des Komparators 9 (K₃) auf den Wert 0 gestellt. Damit sind die beiden Ausgänge unterschiedlich. Wird nun der Lesekopf 19 des inkrementalen Meßsystems um den Betrag der Auflösung weiter bewegt, dann ändert sich entweder der Kompara tor 9 oder der Komparator 10, in jedem Fall werden deren beide Aus gangssignale jedoch gleich.

Je nach dem, ob sich der Komparator 9 oder der Komparator 10 ändert, wurde der Lesekopf 19 vorwärts oder rückwärts bewegt. Hat sich bspw. der Komparator 10 geändert (rückwärts), dann gibt die Steuer logik 2 zunächst einen Rückwärts-Zählimpuls aus an den Zähler 35 und schaltet an die Multiplizierer 16 und 18 nun die neuen Faktoren, so daß die Ausgangssignale von den Komparatoren 9 und 10 anschließend wieder unterschiedlich sind.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Bauteileaufwand un abhängig vom Interpolationsfaktor immer so groß wie in der Zeichnung dargestellt. Demgegenüber würde der Bauteileaufwand bei einer her kömmlichen Einrichtung überproportional mit dem Interpolationsfaktor ansteigen.

Sollen die Signale eines inkrementalen Meßsystems, nämlich sinϕ und phasenverschoben cosϕ feininterpoliert werden, so müssen diese Signale sehr genau sein in Bezug auf die Amplitude und die Phasen verschiebung.

Vor allen Dingen beim Anfahren oder beim Abbremsen einer Achse kann es zu Verkippungen des Lesekopfes 19 gegenüber dem inkrementalen Maßstab kommen, wodurch sowohl die Amplituden der Signale als auch die Phasenverschiebung zwischen ihnen gestört wird.

Es empfiehlt sich aus diesem Grunde eine Einrichtung, bei welcher bei hohen Frequenzen vom Maßstab, d.h., bei hoher Geschwindigkeit zunächst nur grob, und erst bei niedrigen Frequenzen sodann fein interpoliert wird.

Claims

1. Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Weg- und Winkelmeßsystemen mit einem Lesekopf (19), insbesondere von inkrementalen Maßstäben und Drehgebern an Bearbeitungs- und Meßmaschinen, mit den Merkmalen,
daß eine Erkennung der Drehrichtung bzw. der Wegrichtung nach vorwärts oder rückwärts vorgesehen ist,
daß eine Steuerlogik (2) eingerichtet ist, die aus trigonometrischen Tabellen eines ROM-Speicherbausteines (6) Winkelfunktionswerte empfängt und über vier Versorgungsleitungen (11, 12, 13, 14) an vier Multiplizierer (15, 16, 17, 18) abgibt,
daß am Eingang der Steuerlogik (2) eine Einrichtung (5) zur Vorgabe des Interpolationsfaktors zugeschaltet ist,
daß vom Lesekopf (19) jeweils eine Leitung für die sin-Signalwerte zu dem ersten (15) und dritten (17) Multiplizierer und jeweils eine Leitung für die cos-Signalwerte zu dem zweiten (16) und vierten (18) Multiplizierer führt,
daß die Multiplizierer durch Multiplikation der Signalwerte mit den Winkelfunktionswerten sinusförmige Signale bilden, die jeweils paarweise für den ersten (15) und zweiten (16) sowie für den dritten (17) und vierten (18) Multiplizierer Summationsstellen (24, 25) zugeführt werden, welche aus den vier empfangenen sinusförmigen Signalen durch Summenbildung wiederum zwei sinusförmige Summensignale bilden, welche zu je einem nachgeschalteten Komparator (9, 10) geleitet werden, welche die sinusförmigen Summensignale auswerten und als Ausgangssignale der Steuerlogik (2) zur Verfügung stellen, die die Winkelfunktionswerte so auswählt, daß die Ausgangssignale der zwei Komparatoren ungleich sind, um sodann Negativ- oder Positiv-Zählimpulse zwecks Erfassung des Gesamtmeßergebnisses einem Zähler (35) zuzuführen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierer (15, 16, 17, 18) analoge oder digitale Multiplizierer oder multiplizierende Digital-/Analogwandler sind.