DE3787668T2

DE3787668T2 - Verlagerungsdetektor für einen Codierer.

Info

Publication number: DE3787668T2
Application number: DE87850140T
Authority: DE
Inventors: Iijima C O Yamaha C Kenzaburou; Hayashi C O Yamaha C Yoshinori
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1986-05-01
Filing date: 1987-04-29
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2007-04-30
Also published as: KR920010015B1; DE3787668D1; KR870011451A; US4782329A; EP0244385A3; EP0244385B1; EP0244385A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wegdetektor für einen Kodierer, welcher sich gut zur Bestimmung von Winkel- oder Positionsänderungen eignet.
Es sind verschiedene Detektoren zur Bestimmung der Verschiebung bzw. des Versatzes mittels Demodulation von Ausgangssignalen eines Kodierers entwickelt und in der Praxis eingesetzt worden. Ein typisches Beispiel für einen solchen herkömmlichen Wegdetektor findet sich in der US-A-4 811 254, die einen elektronischen Phasenregelkreis beschreibt, welcher Ausgänge aus oberen und unteren Bits generiert, was später detaillierter beschrieben wird. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß ein solcher Wegdetektor einen aus einem Paar im Abstand zueinander angeordneter magnetischer Sensoren gebildeten Detektorkopf enthält, der zu einer Skala eines Kodierers weist. Die Skala ist entweder kreisförmig oder linear und enthält eine Reihe aufeinander folgender Weißscher Bezirke mit gleichem Abstand. Die magnetischen Sensoren und die Skala sind so angeordnet, daß sie sich in einer vorgeschriebenen Weise relativ zueinander bewegen.
Während der Relativbewegung setzen die magnetischen Sensoren sequentiell eine Folge von phasenverschobenen Ausgangssignalpaaren entsprechend der Intensitätsänderung des von den Weißschen Bezirken auf der Skala des Kodierers erzeugten Magnetfeldes ab. Nach einer vorgeschriebenen Signalverarbeitung durch verschiedene Schaltungselemente setzt der Wegdetektor eine Gruppe von Systemausgängen in Form von Verschiebe- bzw. Versatzdaten ab, die die momentane Position der magnetischen Sensoren in Bezug auf die Skala des Kodierers anzeigen. Jedes Versatzdatum Dout besteht aus Ausgangssignalen, welche von einem Zählerpaar im Parallelmodus abgesetzt werden. Das Ausgangssignal eines Zählers bildet obere Bits des Versatzdatums Dout und zeigt die momentane Position der magnetischen Sensoren bezogen auf die Skala des Kodierers an, d. h. die Anzahl der von den magnetischen Sensoren passierten Weißschen Bezirke. Dagegen stellt das Ausgangssignal des anderen Zählers untere Bits des Versatzdatums Dout dar und zeigt die momentane Position der magnetischen Sensoren innerhalb eines von den magnetischen Sensoren gerade passierten Weißschen Bezirks an.
Bei der obenbeschriebenen Schaltung des Wegdetektors sei nunmehr angenommen, daß die Skala 1024 Weißsche Bezirke umfaßt und der erstgenannte Zähler eine Breite von 8 Bits hat. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Skala gleich 1 RPS (rotation per second - Umdrehung pro Sekunde) ist, so beträgt die Frequenz des untersten Bit des ersten Zählers etwa 260 kHz.
Von einem rotierenden Kodierer wird verlangt, daß er über eine Funktion verfügt, die die exakte Positionsbestimmung selbst bei einer Drehgeschwindigkeit im Bereich von 6 bis 60 RPS gestattet. Die obenbeschriebene Schaltung stellt die Positionsbestimmung mit einem hohen Auflösungsgrad bei relativ geringer Drehgeschwindigkeit der Skala sicher. Allerdings kann die Schaltung einer hohen Drehgeschwindigkeit der Skala aufgrund des trägen Ansprechens des Phasenregelkreises nicht mehr gut folgen, und eine solch unzureichende Funktion bei hoher Drehgeschwindigkeit beeinträchtigt die Genauigkeit des Zählwerts Φ des ersten Zählers, der die momentane Position eines magnetischen Sensors innerhalb eines Weißschen Bezirks anzeigt. Diese ungenauen Versatzdaten werden von der Schaltung ohne jede geeignete Kompensation ausgegeben.
Im Falle der obenbeschriebenen Schaltung werden das Ausgangssignal N des zweiten Zählers und der Zählwert Φ des ersten Zählers in einem Parallelmodus abgesetzt, um das Versatzdatum Dout zu bilden. Demzufolge muß die Anzahl der zur Signalübertragung verwendeten Leitungen gleich oder größer der Anzahl von Bits des Versatzdatums Dout sein. Wird das Versatzdatum Dout in einem solchen Parallelmodus aus dem System nach außen übertragen, so besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit für Übertragungsfehler aufgrund von Rauschen etc., was die Zuverlässigkeit der Bestimmung mindert.
Des weiteren werden im Fall der obenbeschriebenen herkömmlichen Schaltung die Zählwerte der Zähler bei abgeschalteter Spannungsquelle nicht festgehalten. Deshalb können unmittelbar nach Einschalten der Spannungsquelle keine Versatzdaten Dout ausgegeben werden. Es ist denkbar, bei Abschaltung der Spannungsquelle einen geeigneten externen Speicher zur vorläufigen Abspeicherung der Versatzdaten Dout zu verwenden. In diesem Fall unterscheidet sich jedoch das im Speicher abgelegte Versatzdatum Dout vom tatsächlichen Versatz, falls sich die Skala nach Abschaltung der Spannungsquelle bewegt.
Weitere Beispiele für den Stand der Technik finden sich in US- A-449 117 und GB-A-2 156 977. Die erstgenannte Veröffentlichung beschreibt einen Digitalisierer, welcher Analogsignale empfängt und einen digitalen Ausgang eines Winkels liefert. Die an zweiter Stelle genannte Veröffentlichung beschreibt eine Längenmeßvorrichtung, bei der das Meßsignal in Form zweier phasenverschobener Sinuswellenspannungen geliefert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wegdetektor für einen Kodierer bereitzustellen, welcher in der Lage ist, kontinuierlich exakte Versatzdaten ohne jeglichen Einfluß der Versatzgeschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Detektorkopf und dem Kodierer zu liefern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wegdetektor für einen Kodierer bereitzustellen, welcher in einem seriellen Modus Versatzdaten liefern, um eine hohe Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung zu gewährleisten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wegdetektor für einen Kodierer bereitzustellen, welcher in der Lage ist, sogar unmittelbar nach Einschalten der Spannungsquelle korrekt die momentanen Versatzdaten zu liefern.
Die Erfindung ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dargelegt, weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schaltschema einer Ausführungsform des Wegdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform des Wegdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 und 4 sind graphische Darstellungen, welche die in der Schaltung gemäß Fig. 2 verarbeiteten Signale zeigen;
Fig. 5 ist ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform des Wegdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ist ein Schaltschema eines typischen herkömmlichen Wegdetektors.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es sind verschiedene Detektoren Bestimmung der Verschiebung bzw. des Versatzes mittels Demodulation von Ausgangssignalen eines Kodierers entwickelt und in der Praxis eingesetzt worden. Ein Beispiel für einen solchen herkömmlichen Wegdetektor ist in der Fig. 6 dargestellt, bei dem eine Skala 15 durch Magnetisierung einer gegebenen Spur in Form einer Sinuswelle konstanter Periode gebildet ist. Normalerweise hat eine solche Skala 15 die Form einer kreisförmigen Magnetspur auf einer runden magnetisierbaren Scheibe. Die Wellenlänge λ der zur Magnetisierung verwendeten Sinuswelle wird im Bereich zwischen einigen zehn bis mehreren hundert um gewählt. Ein Paar magnetischer Sensoren 16 und 17 ist zur Skala 15 weisend so angeordnet, daß Signale generiert werden, deren Pegel der Intensität der Magnetisierung der Skala 15 entsprechen. Die Ausgangssignale dieser Sensoren 16 und 17 sollten keine Trägerwellen enthalten. Für die Sensoren werden beispielsweise Halbleiterelemente verwendet. Die Sensoren 16 und 17 sind zueinander um λ/4 (90º) phasenverschoben. In anderen Worten, die Sensoren 16 und 17 sind zueinander in einem Abstand gleich (m ± 1/4)λ angeordnet, wobei m eine positive ganze Zahl ist. Die Skala 15 und die magnetischen Sensoren 16, 17 sind für eine relative Drehbewegung angeordnet. Wenn der magnetische Sensor 16 ein sinusförmiges Ausgangssignal generiert, dann generiert der magnetische Sensor 17 ein cosinusförmiges Ausgangssignal. Entspricht die Periode R eines Zyklus der zur Magnetisierung herangezogenen Sinuswelle, d. h. der Polabstand der Skala 15, dem Bereich 0 bis 2π, so generieren die magnetischen Sensoren 16 und 17 Ausgangssignale gleich sin R und cos R.
Die magnetischen Sensoren sind über entsprechende A/D-Wandler 18 und 19, welche die Ausgangssignale der magnetischen Sensoren 16 und 17 digitalisieren, mit Eingangsanschlüssen zugeordneter Multiplizierer 20 und 21 verbunden. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 20 und 21 werden an Anschlüsse einer Reduktionsstufe 22 übergeben, deren Ausgangssignal an einen Digitalkomparator 23 übergeben wird. Der Komparator 23 liefert ein U/ -Signal an einen Aufwärts-Abwärts-Umschaltanschluß eines Zählers 24. Das U/ -Signal nimmt den Wert "1" an, wenn das Ergebnis der Reduktion unter 0 liegt, und den Wert "0", wenn das Ergebnis der Reduktion über 0 liegt. Außerdem werden Taktimpulse an den Zähler 24 geliefert. Bei Erhalt eines Signals "1" vom Komparator ist der Zähler 24 auf einen Aufwärtsmodus und bei Erhalt eines Signals "0" auf einen Abwärtsmodus eingestellt. Der U/ -Zähler 24 ist mit einem Funktionsgenerierungs- ROM 25 verbunden, welches sinΦ- und cosΦ-Daten enthält. Die cosΦ-Daten werden an den anderen Eingangsanschluß des Multiplizierers 20 übergeben, während die sinΦ-Daten an den anderen Eingangsanschluß des Multiplizierers 21 übergeben werden. Bei dieser Anordnung ist der Ausgang der Reduzierstufe gleich sin(R-Φ). Der Komparator 23 generiert ein U/ -Signal "1", wenn sin(R-Φ) positiv und ein U/D-Signal "0", wenn sin(R- Φ) negativ ist. Die Zählwerte Φ des Zählers 24 ändern sich in Abhängigkeit von der Polarität bzw. dem Vorzeichen von sin (R -Φ.
Die magnetischen Sensoren sind zusätzlich mit entsprechenden Wellenform- bzw. Signalform-Diskriminatorschaltungen 30 und 31 gekoppelt. Jede Diskriminatorschaltung vergleicht das Ausgangssignal des zugehörigen magnetischen Sensors mit einem gegebenen Schwellenwert und generiert ein zweiwertiges bzw. logisches Signal des Pegels "1" oder "0". Ausgangssignale Pi und P&sub2; der Diskriminatorschaltungen 30 und 31 werden in Form von Rechteckwellen ausgegeben, die um π/2 phasenversetzt sind. Bewegen sich die magnetischen Sensoren 16 und 17 in positiver Richtung, so schreitet das eine Ausgangssignal P&sub1; fort. Wenn sich die magnetischen Sensoren 16 und 17 in der negativen Richtung bewegen, so schreitet das andere Ausgangssignal P&sub2; fort. Die Signalform-Diskriminatorschaltungen 30 und 31 sind mit einer gemeinsamen Richtungs-Diskriminatorschaltung 33 verbunden, welche die Bewegungsrichtung der magnetischen Sensoren 16 und 17 erkennt. Ein Ausgangssignal Sw der Richtungs-Diskriminatorschaltung 33 wird einerseits an den Aufwärts-Abwärts- Umschaltanschluß eines Zählers 34 und andererseits an ein externes System übergeben. Der Zähler 34 zählt die Ausgangssignale Sw der einen Signalform-Diskriminatorschaltung 33. Der Zähler 34 ist auf den Aufwärtsmodus eingestellt, wenn sich die magnetischen Sensoren 16 und 17 in positiver Richtung bewegen, und auf den Abwärtsmodus, wenn sich die magnetischen Sensoren 16 und 17 in negativer Richtung bewegen. Nach jedem vollständigen Umlauf der magnetischen Sensoren 16 und 17 wird in der Referenzposition ein Nullpunktsignal Sz generiert und über eine Signalform-Diskriminatorschaltung 32 an den Rücksetzanschluß des obenbeschriebenen Zählers 34 gelegt. Der Zähler 34 wird also jedesmal rückgesetzt, wenn die magnetischen Sensoren 16 und 17 die Referenzposition passieren. Dies hat zur Folge, daß die Zählwerte des Zählers 24 der Anzahl Weißscher Bezirke auf der Skala entsprechen, die von den magnetischen Sensoren 16 und 17 zwischen der aktuellen und der Referenzposition passiert worden sind.
Der Ausgang N des Zählers 34 bildet die oberen Bits des Versatzdatums Dout, während der Ausgang des Zählers 24 die unteren Bits des Versatzdatums Dout bildet.
Bewegen sich sich magnetischen Sensoren 16 und 17 in positiver Richtung, so führt der Zähler 34 mit jedem Passieren eines Weißschen Bezirks eine Aufwärtszählung aus und generiert die Zählwerte für die oberen Bits des Versatzdatums Dout. Demzufolge geben die oberen Bits des Versatzdatums Dout die Anzahl der bereits von den magnetischen Sensoren 16 und 17 passierten Weißschen Bezirke an, d. h. die aktuelle Position der magnetischen Sensoren 16 und 17 bezogen auf die Referenzposition.
Nach der Digitalisierung- durch die A/D-Wandler 18 und 19 werden die Signale sinR und cosR der magnetischen Sensoren 16 und 17 mit den vom Funktionsgenerator-ROM 25 generierten Signalen für sinΦ und cosΦ multipliziert, und das Multiplikationsprodukt wird zur Bestimmung von sin(R-Φ) an den Reduzierer 22 geliefert. Der Zählwert Φ des Zählers 24 ändert sich in Abhängigkeit von der Polarität bzw. dem Vorzeichen von sin(R-Φ), womit sich die Ausgangssignale sinΦ und cosΦ des Funktionsgenerierungs-ROM 25 gemäß dem Betrag des Zählwerts Φ ändern. Somit bildet die obenbeschriebene Schaltung eine Art Phasenregelkreis, in dem der Wert von sin(R-Φ) auf Null gebracht wird. Als Folge davon zeigt der Zählwert Φ des Zählers 24 die momentane Position des magnetischen Sensors 16 innerhalb eines Weißschen Bezirks an. Wenn d,er erste Zähler 8 bis 10 Bits umfaßt, liegt der Auflösungsgrad des Zählwerts in einem Bereich von 1/256 bis 1/2048 der Länge eines Weißschen Bezirks.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wegdetektors ist in der Fig. 1 dargestellt, in der Schaltungselemente, die im wesentlichen denjenigen der in der Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Schaltung entsprechen, mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Ein Geschwindigkeitsdetektor 40 ist mit dem magnetischen Sensor 16 gekoppelt, um die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den Sensoren 16 und 17 und der Skala 15 auf Basis des Ausgangssignals e des magnetischen Sensors 16 zu bestimmen. Der Geschwindigkeitsdetektor 40 setzt ein Signal "0" ab, wenn die Versatzgeschwindigkeit eine gegebene Standardgeschwindigkeit unterschreitet, und ein Signal "1", wenn die Versatzgeschwindigkeit die Standardgeschwindigkeit überschreitet. Eine Signalform-Diskriminatorschaltung 41 ist ebenfalls mit dem magnetischen Sensor 16 gekoppelt, um das Ausgangssignal des magnetischen Sensors 16 durch Vergleich mit einem gegebenen Schwellenwert in ein zweiwertiges bzw. logisches Signal mit den Pegeln "1" und "0" zu wandeln. Eine Datenweiche 42 ist mit dem Signalform-Diskriminator 41 verbunden, um selektiv entweder das höchstwertige Bit MSB des Zählwerts Φ des Zählers 24 im Phasenregelkreis P oder das Ausgangssignal der Signalform-Diskriminatorschaltung 41 an einen Zähler 43 zu liefern. Liegt vom Geschwindigkeitsdetektor 40 ein Signal "0" vor, so wird das höchstwertige Bit MSB des Zählwerts Φ zur Übergabe an den Zähler 43 gewählt. Demgegenüber wird das Ausgangssignal der Signalform-Diskriminatorschaltung 41 zur Übergabe an den Zähler 43 gewählt, wenn ein Signal "1" vorliegt.
Der Aufwärts-Abwärts-Umschaltanschluß U/ dieses Zählers 43 empfängt das Ausgangssignal Sw der Richtungsdiskriminatorschaltung 33. Der Zähler 43 zählt die Eingangssignale bis zum Umschalten seines Zählmodus gemäß einem Ausgangssignal W. Im Falle des dargestellten Beispiels führt der Zähler 43 eine Aufwärtszählung durch, wenn sich die magnetischen Sensoren 16 und 17 in positiver Richtung bewegen, und eine Abwärtszählung, wenn sie sich in negativer Richtung bewegen. Der Rücksetzanschluß R des Zählers empfängt den Nullpunktimpuls Pz, welcher von der Signalform-Diskriminatorschaltung 32 über ein AND-Gate 44 übergeben wird. Somit wird der Zähler 43 immer dann rückgesetzt, wenn die magnetischen Sensoren 16 und 17 eine Referenzposition erreichen. Da entweder das höchstwertige Bit MSB des Zählwerts Φ des Zählers 24 oder das Ausgangssignal der Signalform-Diskriminatorschaltung 41 an den Zähler 43 geliefert wird, gibt der Zählwert des Zählers 43 die Anzahl Weißscher Bezirke auf der Skala 15 an, welche von den magnetischen Sensoren 16 und 17 zwischen der momentanen Position und der Referenzposition passiert wurden. Der Zähler 43 entspricht somit hinsichtlich seiner Funktion dem für die herkömmliche Schaltung gemäß Fig. 6 verwendeten Zähler 34. Der Unterschied besteht jedoch darin, daß der Zähler 43 die höchstwertigen Bits MSB des Zählwerts Φ des Zählers 24 im Phasenregelkreis P zählt, wenn die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15 die Standardgeschwindigkeit unterschreitet.
Der Phasenregelkreis P enthält des weiteren einen Geschwindigkeitsdetektor 35, welcher den Zählwert Φ des Zählers 24 nach der Zeit "t" ableitet. Der Zählwert Φ ändert sich somit gemäß der relativen Versatzgeschwindigkeit. Als Konsequenz entspricht die Änderungsgeschwindigkeit dΦ/dt des Zählwerts Φ der relativen Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15, und der Geschwindigkeitsdetektor 35 setzt ein Geschwindigkeitssignal ab.
Eine Zwischenspeicherschaltung 45 ist zum Empfang des Ausgangssignals N des Zählers 43 und des Zählwerts Φ des Zählers 24 mit den Zählern 43 und 24 verbunden. Die Zwischenspeicherschaltung 45 übernimmt das Eingangssignal mit einem Systemtaktimpuls CK und übergibt ein Versatzdatum Dout an einen Parallel-Serien-Umsetzer 46. Das Ausgangssignal N bildet die oberen Bits des Versatzdatums Dout, während der Zählwert Φ die unteren Bits bildet. Auf diese Weise kann Synchronisation mit der Parallel-Serien-Umsetzerschaltung 46 hergestellt werden.
Der Phasenregelkreis P verfügt über eine Richtungsdiskriminatorschaltung 36 zur Erkennung bzw. Unterscheidung der Bewegungsrichtung der magnetischen Sensoren 16 und 17 auf Basis des niedrigstwertigen Bit LSB des Zählwerts Φ von Zähler 24 und eines Wertes (LBB+1). Eine Datenweiche 47 ist mit den Richtungsdiskriminatorschaltungen 33 und 36 verbunden, um an die Zwischenspeicherschaltung 45 selektiv entweder ein Ausgangssignal Sv der Diskriminatorschaltung 36 oder das Ausgangssignal Sw der Diskriminatorschaltung 33 zu liefern. Die Datenweiche 47 übergibt bei Empfang des Signals "0" vom Geschwindigkeitsdetektor 40 das Ausgangssignal Sv an die Zwischenspeicherschaltung 45. Demgegenüber wird das Ausgangssignal Sw an die Zwischenspeicherschaltung 45 übergeben, wenn das Signal "1" vom Geschwindigkeitsdetektor 40 empfangen wird. Anders ausgedrückt: das Signal Sv wird als ein Richtungssignal Sb an die Zwischenspeicherschaltung 45 übergeben, welches die Bewegungsrichtung der magnetischen Sensoren 16 und 17 angibt, wenn die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15 die Standardgeschwindigkeit unterschreitet. Das Signal Sw dagegen wird als das Richtungssignal Sb an die Zwischenspeicherschaltung 45 geliefert, wenn die relative Versatzgeschwindigkeit die Standardgeschwindigkeit überschreitet. Nach der Übernahme mit den Systemtaktimpuls CK übergibt die Zwischenspeicherschaltung 45 dem Parallel-Serien-Umsetzer 46 das über die Datenweiche 47 gelieferte Richtungssignal Sb sowie das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsdetektors 40.
Der Parallel-Serien-Umsetzer 46 wandelt parallele Daten, bestehend aus dem Versatzdatum Dout und dem Richtungssignal Sb von der Zwischenspeicherschaltung 45, in entsprechende serielle Daten. Wenn das Signal "0" vom Geschwindigkeitsdetektor 40 geliefert wird, werden das Versatzdatum Dout und das Richtungssignal Sb gewandelt. In diesem Fall werden die oberen Bits des Versatzdatums Dout durch das Ausgangssignal des Zählers 43 und die unteren Bits durch den Zählwert Φ des Zählers 24 gebildet. Wird das Signal "1" vom Geschwindigkeitsdetektor 40 geliefert, so werden die oberen Bits des Versatzdatums Dout vom Ausgangssignal N des Zählers 43 gebildet, jedoch beträgt der Zählwert Φ des Zählers 24 Null. Das bedeutet, daß der Zählwert Φ des Zählers 24 des Phasenregelkreis es P ungültig gemacht wird, wenn die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15 die gegebene Standardgeschwindigkeit überschreitet.
Der Parallel-Serien-Umsetzer 46 ist mit einem Kodierer 50 verbunden, welcher die seriellen Daten vom Umsetzer 46 kodiert. Die seriellen Daten werden nach einem der folgenden Codes verschlüsselt: NRZ, Biphase, f/2f, Double-current RZ, RZ, Bipolar, Dicode oder NRZ1. Das kodierte Signal wird nach Hinzufügen von einem Prüfbit, z. B. einem Paritätsbit, durch einen Treiber 51 in einem seriellen Modus aus dem System nach außen übertragen. In diesem Fall kann der Treiber so aufgebaut sein, daß er eine serielle Übertragung unter RS422-, RS232C- oder RS423-Standard vornimmt. Der Treiber 51 kann auch so aufgebaut sein, daß er eine faseroptische Übertragung ausführt.
Es ist eine Spannungsquellen-Überwachungsschaltung 55 einschließlich einer Batterie 56 vorgesehen. Bei externer Spannungsversorgung liefert die Überwachungsschaltung die Spannung an eine Schaltungsgruppe B, welche den Kodierer 50 und den Treiber 51 enthält, und an eine Schaltungsgruppe A, welche andere Schaltungselemente enthält. Ist die externe Spannungsversorgung abgeschaltet, so wird die Schaltungsgruppe B nur von der Batterie 56 mit Spannung versorgt.
Die Funktionsweise des obenbeschriebenen Wegdetektors ist wie folgt.
(I) Es sei erstens angenommen, daß die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15 die Standardgeschwindigkeit unterschreitet.
In diesem Fall wird einerseits ein Signal "0" vom Geschwindigkeitsdetektor 40 an die Datenweichen 42 und 47 sowie andererseits über die Zwischenspeicherschaltung 45 an den Parallel-Serien-Umsetzer 46 geliefert. Als Resultat wird das höchstwertige Bit MSB des Zählwerts Φ des Zählers 24 über die Datenweiche 42 an den Zähler 43 übergeben.
Das Versatzdatum Dout, welches untere vom Zählwert Φ des Zählers 24 gebildete Bits und obere vom Zählwert N des Zählers 43 gebildete Bits enthält, wird über die Zwischenspeicherschaltung 45 an den Parallel-Serien-Umsetzer 46 geliefert. Das Ausgangssignal Sv der Richtungsdiskriminatorschaltung 36 wird ebenfalls als das die Bewegungsrichtung der magnetischen Sensoren 16 und 17 anzeigende Richtungssignal Sb an den Umsetzer 46 geliefert. Als Folge dessen werden sowohl das Versatzdatum Dout als auch das Richtungssignal in entsprechende serielle Daten gewandelt, die dann unter Angabe des Versatzes mit einem Auflösungsgrad dem Kodierer 50 übergeben werden.
Nach der Kodierung werden die seriellen Daten durch den Treiber 51 im seriellen Modus aus dem System nach außen übertragen.
(II) Es sei zweitens angenommen, daß die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15 die Standardgeschwindigkeit überschreitet.
In diesem Fall wird einerseits ein Signal "1" an die Datenweichen 42 und 47 sowie andererseits über die Zwischenspeicherschaltung 45 an den Parallel-Serien-Umsetzer 46 geliefert. Als Resultat wird das Ausgangssignal der Signalform-Diskriminatorschaltung 41 über die Datenweiche 42 an den Zähler 43 übergeben.
Das Versatzdatum Dout, welches untere vom Zählwert Φ des Zählers 24 gebildete Bits und obere vom Zählwert N des Zählers 43 gebildete Bits enthält, wird über die Zwischenspeicherschaltung 45 an den Parallel-Serien-Umsetzer geliefert. Das Ausgangssignal Sw der Richtungsdiskriminatorschaltung 33 wird ebenfalls als das die Bewegungsrichtung der magnetischen Sensoren 16 und 17 anzeigende Richtungssignal Sb an den Umsetzer 46 geliefert. In diesem Fall wird der Zählwert Φ des Zählers 24 ungültig gemacht.
Nach der Umwandlung werden serielle Daten, welche den Versatz mit einem geringen Auflösungsgrad angeben, an den Kodierer 50 geliefert. Nach der Kodierung werden die seriellen Daten durch den Treiber 51 im seriellen Modus aus dem System nach außen übertragen.
Ist die relative Versatzgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Sensoren 16, 17 und der Skala 15 gering oder gleich Null, so werden absolute Versatzdaten mit einem hohen Auflösungsgrad ausgegeben. Demgegenüber werden absolute Versatzdaten mit einem niedrigen Auflösungsgrad ausgegeben, wenn die relative Versatzgeschwindigkeit hoch ist.
(III) Es sei drittens angenommen, daß die externe Spannungsversorgung abgeschaltet ist.
In diesem Fall übernimmt die Batterie 56 der Überwachungsschaltung 55 die Spannungsversorgung der Schaltungsgruppe B, welche ohne Unterbrechung arbeitet, so daß die aktuellen Versatzdaten nach Wiederaufnahme der externen Spannungsversorgung ausgegeben werden können.
Im Falle des Detektorsystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, setzt der aus einem Paar magnetischer Sensoren gebildete Detektorkopf drei Signale ab, d. h. ein Ausgangssignalpaar und ein Nullpunktsignal, welches die Referenzposition der Skala angibt.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wegdetektors für einen Kodierer des Hochgeschwindigkeitstyps, kann im Falle einer langsamen Relativbewegung die Versatzbestimmung mit einem hohen Auflösungsgrad erfolgen. Im Falle einer schnellen Relativbewegung jedoch liegen die Frequenzen der Ausgangssignale im Bereich mehrerer MHz, und derart hohe Frequenzen der Ausgangssignale erfordern schnelle Signalverarbeitung in den nachgeschalteten Stufen, was Schwierigkeiten in der Produktion und einen Anstieg der Kosten verursacht. Des weiteren werden unvermeidliche Oberwellenstörungen hervorgerufen.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wegdetektors für einen Kodierer des normalen Typs liegen die Frequenzen der Ausgangssignale im Bereich von etwa 200 Hz, der frei von Störungen der schnellen Signalverarbeitung in den nachgeschalteten Stufen sowie von Oberwellenstörungen ist. Im Falle einer langsamen Relativbewegung kann jedoch die Versatzbestimmung nicht mit einem hohen Auflösungsgrad ausgeführt werden.
Es werden weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemäß den Fig. 2 und 5 vorgeschlagen, um die obenbeschriebenen der herkömmlichen Versatzbestimmung inhärenten Nachteile zu beseitigen.
In der in der Fig. 2 dargestellten Schaltung setzt ein Detektorkopf 61 drei Signale I, II und III ab. Die Signale I und II sind Ausgangssignale eines Paares magnetischer Sensoren, welche den Detektorkopf 61 bilden, und das Signal III ist ein Nullpunktsignal, welches die Referenzposition der Skala angibt. Diese Signale I, II und III werden über eine Signalform- Diskriminatorschaltung 62 an eine Synchronschaltung 63 übergeben. Im Falle dieses Beispiels liegen die Signale I und II in Form von Impulssignalen, wie in den Fig. 2(A) und 2(B) gezeigt, vor. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Impulssignale um eine viertel Periode phasenversetzt. In diesem Fall eilt das Impulssignal I dem Impulssignal II voraus. Bei umgekehrter Relativbewegung zwischen dem Detektorkopf 61 und der Skala eilt das Impulssignal II dem Impulssignal I voraus.
Die Impulssignale I und II werden außerdem an eine Verstärkerschaltung 64 übergeben. Hier werden die Impulssignale I und II um das n-fache verstärkt, wobei n eine positive ganze Zahl ist, wie die Fig. 2(C) und 2(D) zeigen, in denen die Signale Id und IId Ausgangssignale der Verstärkerschaltung 64 darstellen. Die Verstärkerschaltung 64 enthält einen Phasenregelkreis. Als Ergebnis der Verstärkung betragen die Perioden der Signale Id und IId 1/n derjenigen der Signale I und II, und die Signale Id und IId sind um eine viertel Periode phasenversetzt. Die Impulse Id und IId werden dann über eine Richtungsdiskriminatorschaltung 65 an die Synchronschaltung 63 übergeben. Die Richtungsdiskriminatorschaltung 65 erkennt die Richtung der Relativbewegung auf Basis der Phasenverschiebung zwischen den Signalen I und II und setzt ein Signal Sc ("0" oder "1") ab, welches die Richtung der Relativbewegung angibt.
Das Signal II wird außerdem an eine Frequenzeinstellschaltung 66 übergeben. Wenn das Signal II auf dem Pegel "1" liegt, zählt diese Schaltung 66 die Systemtaktimpulse CK und vergleicht den Zählwert mit einem durch manuelle Schalter S1 bis S4 gewählten Referenzwert. Liegt das Signal II auf dem Pegel "0", so löscht diese Schaltung 66 den Zählwert und setzt ein Signal Sd ab, wenn der Zählwert den Referenzwert überschreitet. Wie in der Fig. 4 dargestellt, bedeutet dies, daß die Systemtaktimpulse CK während der Perioden Ta gezählt werden, und der Zählwert mit Absetzen des Signals Sd während der Perioden Tb gelöscht wird.
Wird das Signal Sd geliefert, so generiert die Synchronschaltung 63 Impulssignale PI und PII, welche den Impulssignalen I und II entsprechen. Liegt das Signal Sd nicht vor, so generiert die Synchronschaltung 63 die Impulssignale PI und PII, welche den Impulssignalen Id und IId entsprechen. Unabhängig vom Vorliegen des Signals Sd generiert die Synchronschaltung 63 ein Impulssignal PIII, welches dem Nullpunktsignal III entspricht. Je nach Vorliegen des Signals Sd von der Frequenzeinstellschaltung 66 werden folglich entweder die Impulssignale I und II oder die Impulssignale Id und IId selektiv zur Generierung der Signale PI und PII in der Synchronschaltung 63 gewählt. In diesem Fall übernimmt die Synchronschaltung 63 die mit den Systemtaktimpulsen übergebenen Signale zur Synchronisierung beim Schalten der zu wählenden Signale.
Im Falle einer langsamen Relativbewegung zwischen dem Detektorkopf 61 und der Skala setzt die Frequenzeinstellschaltung 66 das Signal Sd nicht ab, und die Synchronschaltung 63 setzt die von den Impulssignalen Id und IId abgeleiteten Impulssignale PI und PII ab, wodurch die Versatzbestimmung mit einem hohen Auflösungsgrad sichergestellt ist. Das Fehlen des Signals Sb weist auf die Tatsache hin, daß momentan verstärkte Impulssignale abgesetzt werden. Der Wert des Signals Sc gibt die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Detektorkopf und der Skala an.
Im Falle einer schnellen Relativbewegung gegenüber dem durch die manuellen Schalter S1 bis S4 gewählten Referenzwert setzen die Frequenzeinstellschaltung 66 das Signal Sd und die Synchronschaltung 62 die von den Impulssignalen I und II abgeleiteten Impulssignale PI und PII ab. Da die Frequenzen der Impulssignale I und II niedriger sind als diejenigen der verstärkten Impulssignale Id und IId, lassen sich Oberwellenstörungen gut vermeiden, und es ist keine schnelle Signalverarbeitung in den nachgeschalteten Stufen erforderlich.
Anstelle der manuellen Schalter S1 bis S4 können dem System geeignete Referenzwertdaten extern übergeben werden.
Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schaltsystems. In diesem Fall liegen die Signale I und II ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 in Form von sinR und cosR vor. Die Signale I und II werden an eine Geschwindigkeitsdetektorschaltung 71 übergeben. Diese Schaltung 71 nimmt einen Signalformvergleich der Signale I und II zur Bildung von Rechteckimpulsen vor, wie sie in der Ausführungsform gemäß Fig. 2 verwendet sind. Auf Basis der Phasenverschiebung zwischen den Rechteckimpulsen bestimmt die Schaltung 71 die Richtung der Relativbewegung und setzt ein die Richtung angebendes Signal Sd ab. Die Schaltung 71 setzt außerdem einen oder beide der Rechteckimpulse als Geschwindigkeitssignal Sv ab. Des weiteren subtrahiert die Schaltung 71 mittels einer PLL-Schaltung R von den Signalen I und II und setzt ein aus einer Anzahl von Bits bestehendes digitales Signal DR ab.
Dieses digitale Signal DR wird dann an eine Bitschiebeschaltung 72 übergeben, welche ein sequentielles Verschieben von den untersten auf die oberen Bits des Signals DR beim Umschalten von langsamer auf schnelle Versatzgeschwindigkeit zwischen dem Detektorkopf und der Skala zur Ausgabe ausführt. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal Dn der Bitschiebeschaltung 72 ein ein Bit breites Signal zwischen DRmin und DRmax (das ursprüngliche Signal) ist. Außerdem setzt die Bitschiebeschaltung 72 ein Signal S(n) ab, welches die aktuell gewählte Bitnummer angibt. Die Bitschiebeschaltung 72 führt die Geschwindigkeitsbestimmung beispielsweise durch Prüfen der Frequenz des aus dem untersten Bit DRmin des digitalen Signals DR abgeleiteten Signals aus.
Im Fall einer langsamen Relativbewegung zwischen dem Detektorkopf und der Skala setzt die Bitschiebeschaltung 72 untere Bits des digitalen Signals DR mit einem hohen Auflösungsgrad ab. Im Fall einer schnellen Relativbewegung setzt die Bitschiebeschaltung 72 obere Bits des digitalen Signals DR ab, wodurch die Ausgangsfrequenz niedrig gehalten wird.

Claims

1. Wegdetektor für einen Drehstellungsgeber, umfassend einen Meß- oder Detektorkopf (16, 17), der in Gegenüberstellung zu einer Skala (15) des Drehstellungsgebers für eine Relativbewegung dazu angeordnet ist und zwei phasengesteuerte Ausgangssignale (sin R, cos R) entsprechend der Intensität oder Stärke eines in der Skala gespeicherten Signals zu erzeugen vermag; mit dem Detektorkopf verbundene erste und zweite A/D-Wandler (18, 19) zum Digitalisieren dieser Ausgangssignale; eine an die ersten und zweiten A/D-Wandler angeschlossene Funktionsgenerier- und Multipliziereinheit (25, 20, 21), die ein erstes Multiplikationsprodukt (sin R, cos Φ) des Ausgangssignals vom ersten A/D-Wandler mit einem Kosinuswert vorgeschriebener Daten und ein zweites Multiplikationsprodukt (cos R, sin Φ) des Ausgangssignals vom zweiten A/D-Wandler mit einem Sinuswert der vorgeschriebenen Daten zu erzeugen vermag; eine mit der Funktionsgenerier- und Multipliziereinheit verbundene Reduktionsstufe (22) zum Berechnen der Differenz [sin (R-Φ)] zwischen den ersten und zweiten Multiplikationsprodukten; und eine erste Zähl(er)einheit (23, 24), die mit der Reduktionsstufe sowie der Funktionsgenerier- und Multiplizierstufe verbunden ist, eine Zählung entsprechend der Differenz im Multiplikationsprodukt durchführt, ihren Zählmodus in Abhängigkeit von der Polarität der Differenz [sin (R-Φ)] im Multiplikationsprodukt umschaltet und ihren Zählwert (Φ) als die genannte vorgeschriebene Größe zur Funktionsgenerier- und Multipliziereinheit leitet; dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalumschalteinheit (40, 41, 42) an den Detektorkopf (16; 17) und die erste Zähleinheit (24) angeschlossen ist,

daß die Signalumschalteinheit eine Geschwindigkeit der genannten Relativbewegung erfaßt, eines der Ausgangssignale vom Detektorkopf nach Wellenformdiskriminierung wählt, wenn diese Geschwindigkeit eine Standardgeschwindigkeit übersteigt, und ein Signal im höchsten Bit des Zählwerts (Φ) der ersten Zähleinheit (24) wählt, wenn diese Geschwindigkeit unter der Standardgeschwindigkeit liegt,

daß eine zweite Zähl(er)einheit (43) an die Signalumschalteinheit angeschlossen ist und ein Ausgangssignal von letzterer zählt,

daß eine Parallel/Reihen-Umwandlungseinheit (45, 46) an die ersten und zweiten Zähleinheiten (24, 43) angeschlossen ist und die ersten Absolutverschiebungs- oder -wegdaten, welche durch den Zählwert (Φ) der ersten Zähleinheit (24) gebildete niedrigere Bits sowie durch einen Zählwert (N) der zweiten Zähleinheit gebildete höhere Bits enthalten, in entsprechende erste Reihendaten umwandelt, wenn die Geschwindigkeit der Relativbewegung niedriger ist als die Standardgeschwindigkeit, und

daß die Umwandlungseinheit die zweiten Absolutverschiebungs- oder -wegdaten, welche durch den Zählwert (N) der zweiten Zähleinheit (43) gebildete höhere Bits enthalten, nach der Ungültigmachung des Zählwerts (Φ) von der ersten Zähleinheit (24) in entsprechende zweite Reihendaten umwandelt, wenn die genannte Geschwindigkeit die Standardgeschwindigkeit übersteigt.

2. Wegdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an die oben angegebenen Schaltungselemente angeschlossene Stromquellen-Überwachungsschaltung (55) für vorübergehende Zuspeisung einer Batteriespannung, wenn eine externe Stromquelle deaktiviert ist.

3. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala (15) ein magnetisiertes Muster speichert, daß der Detektorkopf erste und zweite, mit erstem bzw. zweitem A/D-Wandler (18, 19) verbundene Magnetsensoren (16, 17) enthält und daß die ersten und zweiten Magnetsensoren voneinander in einem Abstand entsprechend einem Viertel der Periode des magnetisierten Musters angeordnet sind.

4. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgenerier- und Multipliziereinheit erste und zweite, an ersten bzw. zweiten A/D-Wandlern (18, 19) angeschlossene Multiplizierstufen (20, 21) und einen mit den Eingangsseiten der Multiplizierstufen verbundenen Funktionsgenerier-ROM (25) aufweist.

5. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zähleinheit einem Zähler (24) und einen zwischen die Reduktionsstufe (22) und eine Aufwärts/Abwärts-Schiebeklemme des Zählers eingeschalteten Komparator (23) aufweist und daß der Komparator ein Signal gleich 1 ausgibt, wenn das Ergebnis der Reduktion positiv ist, und ein Signal gleich 0 ausgibt, wenn das Ergebnis der Reduktion negativ ist.

6. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalumschaltschaltung bzw. -einheit einen mit dem Detektorkopf (16, 17) verbundenen Geschwindigkeitsdetektor (40), eine mit dem Detektorkopf verbundene Wellenform-Diskriminierschaltung (41) und einen mit dem Geschwindigkeitsdetektor, der Wellenform-Diskriminierschaltung und der ersten Zähleinheit (23, 24) verbundenen Datenwähler (42) aufweist.

7. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallel/Reihen-Umwandlungseinheit eine Verriegelungsschaltung (45) und einen an deren Eingangsseite angeschlossenen Parallel/Reihen-Wandler (46) aufweist.

8. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten A/D-Wandler (18, 19) die Funktionsgenerier- und Multipliziereinheit (20, 21, 25), die Reduktionsstufe (22) und die erste Zähleinheit (23, 24) eine formgekoppelte (shape locked) Schleife bildet.

9. Wegdetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Generieren eines dividierten Signals einer Frequenz, die dem n-fachen oder dem 2n-fachen des Ausgangssignals vom Detektorkopf (16, 17) entspricht, mit n = eine positive ganze Zahl, und eine Signalwählschaltung, welche die Geschwindigkeit der Relativbewegung erfaßt und das Ausgangssignal unmittelbar vom Detektorkopf wählt, wenn die Geschwindigkeit die Standardgeschwindigkeit übersteigt, und die dividierte Geschwindigkeit wählt, wenn die Geschwindigkeit unter der Standardgeschwindigkeit liegt.

10. Wegdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwählschaltung eine Einrichtung zum freien (beliebigen) Einstellen der Standardgeschwindigkeit aufweist.

11. Wegdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardgeschwindigkeit mittels eines extern (von außen) zugespeisten Signals einstellbar ist.