DE3921312A1 - Hochaufloesender absolutencoder - Google Patents
Hochaufloesender absolutencoderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen hochauflösenden Absolutencoder nach der Gattung
des Hauptanspruchs.
In der Raumfahrt kommen zunehmend Drehmechanismen mit feinster Winkelauflösung
zum Einsatz. Ob zur Verstellung von Scanspiegeln bei Wettersatelliten oder zum
Positionieren von Teleskopen zur Himmelsbeobachtung etc., immer werden zur
Überwachung der Drehbewegungen Winkelencoder mit unterschiedlichen Auflösungen
benötigt. In speziellen Fällen muß diese Auflösung im Bogensekundenbereich
oder noch darunter liegen. Binär ausgedrückt, bezogen auf 360°, sind dies
20 bis 22 Bit Auflösung.
Zur Zeit bekannte und im Einsatz befindliche Encoder arbeiten meist nach
optischen Prinzipien. Man verwendet zum Beispiel Glasscheiben mit aufgebrach
tem Kode (Encoderscheibe) und dazu eine Leseeinheit, bestehend aus einer Licht
quelle und einem Lichtempfänger. Naturgemäß ist die Winkelauflösung einer
solchen Anordnung vom Durchmesser bzw. Umfang der Encoderscheibe sowie von
der kleinstmöglichen Breite des Strichkodes abhängig.
Ist z.B. die minimale Strichbreite 1µm und der Zwischenraum auch 1µm, dann
können 500 Striche pro 1 mm Umfang untergebracht werden. Um eine Auflösung
von 20 Bit ( ca. 106 Striche/Umfang) zu erreichen, müßte der Umfang 2000 mm
betragen, was einem Durchmesser der Scheibe von ca. 65 cm entspricht.
Da diese Größe in der Praxis unrealistisch ist, macht man die Scheiben kleiner,
ordnet entsprechend weniger Striche auf dem Umfang an und wendet kombinierte
optische und elektronische Interpölationsmethoden an, um die Auflösung zu
steigern. Zum Beispiel durch Anordnung einer feststehenden Strichplatte mit
leicht veränderten Strichabständen relativ zu den Abständen auf der Encoder
scheibe (ähnlich dem Prinzip eines Nonius) unter der bewegten Encoderscheibe
bekommt man über eine breitere Fläche eine sinusförmige Helligkeitsmodulation
je nach Stellung der beiden Strichplatten zueinander. Die elektronische Aus
wertung dieser Sinusförm erlaubt eine Erhöhung der Auflösung.
Nachteile dieser Technik sind starke Variationen der feinsten Schritte, Drift
der absoluten Genauigkeit, hoher elektronischer Aufwand, dennoch große Bauform
sowie Empfindlichkeit der Glasscheibe gegen Vibration (z.B. während des Starts).
Andere Techniken arbeiten magnetisch und bedienen sich ähnlicher Interpolations
methoden. Auch diese sind relativ groß und schwer und zudem empfindlich gegen
magnetische Störfelder.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten
Merkmale gelöst.
Der neuartige Winkelencöder ist wie folgt aufgebaut:
Eine Encoderscheibe besteht aus einem Material ähnlich den bekannten Compact
Discs. Am Rand der Scheibe ist in relativ groben Abständen (ca. 10-20 µm) ein
schmaler, in Bewegungsrichtung oder senkrecht dazu verlaufender, binärer Strich
kode aufgebracht. Dieser Kode ist nach dem Prinzip der optischen Speicher von
einem Laserstrahl abtastbar und kann eine absolute Winkelinformation in der ge
wünschten Genauigkeit enthalten. Die genaue Winkelposition der Strichkodes ist
durch Kalibriermessung bekannt. Der Kode kann jedoch auch eine Adresse eines
Speichers enthalten, in dem die genaue Winkelposition gespeichert ist.
Der Strichkode wird von einem speziell aufgebauten Laserscanner abgetastet und
die Binärinformation von einem Mikrorechner ausgewertet. Der Aufbau des Lasers
canners spielt bei der Erreichung der hohen Auflösung eine Schlüsselrolle, da
über ihn eine Positionsinformation zwischen den einzelnen Strichkodes zu er
halten ist.
Die detaillierte Beschreibung erfolgt anhand von mehreren Beispielen.
Es zeigen:
Fig. 1a einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absolutencodes mit
einem streifenförmigen Kodierungsträger und senkrecht zur Bewegungs
richtung aufgebrachten Kodierungen,
Fig. 1b einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absolutencodes mit
einem scheibenförmigen Kodierungsträger und radial zur Bewegungs
richtung aufgebrachten Kodierungen,
Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absolutencoders mit
in Bewegungsrichtung auf den Kodierungsträger aufgebrachten Kodierung,
Fig. 3 einen Teil des Absolutencoders nach Fig. 2 mit in Bewegungsrichtung
aufgebrachter Kodierung und prinzipiell dargestelltem Positionssensor.
In Fig. 1a wird der Strahl 2 einer Laserdiode 1 von einer Linse 3 so fokussiert,
daß er an der 0berfläche einer Encoderscheibe 6 einen Brennfleck von 1-2 µm
Durchmesser bildet. Über zwei Scanspiegel 4, 5 kann der Strahl 2 über die En
coderscheibe 6 bewegt werden. Hierbei führt der erste Scanspiegel 4 eine Dauer
schwingung mit konstanter Amplitude aus, so daß der Leuchtfleck in y-Richtung
über die volle Länge 1 der Strichkodes 7 bewegt wird.
Der zweite Scanspiegel 5 kann den Leuchtfleck in x-Richtung bewegen und ist in
seinem Winkelbereich beliebig steuerbar. Dabei sind zwei Betriebsarten möglich:
- a) Suchvorgang
Der Leuchtfleck bewegt sich, während er sich mit hoher Frequenz in y-Richtung hin und her bewegt langsam in x-Richtung. Sobald der Strahl 2 auf einen Strichkode 7 trifft, fällt der reflektierte Strahl 11 auf den Vier- Quadrantendetektor 10. In diesem Moment wird die Betriebsart des zweiten Scanspiegels 5 von Suchen auf Nachführung umgeschaltet. - b) Nachführung
Der Leuchtfleck bewegt sich auf einem Strichkode 7 und die Daten können ge lesen werden. Sobald der Strahl 2 etwas von der Mitte des Strichkodes 7 ab weicht, generiert der Vier-Quadrantendetektor 10 ein Fehlersignal, welches den zweiten Scanspiegel 5 so nachsteuert, daß der Leuchtfleck auf der Mitte des Strichkodes 7 geführt wird. Damit ist die Position der Encoderscheibe 6 auf einen Bruchteil der Strichkodebreite detektierbar. Sobald die Position eines Strichkodes 7 berechnet ist, wird die Betriebsart Nachführung abgebro chen und ein neuer Suchvorgang in Richtung eines benachbarten Strichkodes 7 eingeleitet. Dort wird der Nachführvorgang wiederholt usw. - Aus mehreren Positionen wird dann ein Mittelwert berechnet. Der Absolutwinkel der Encoderscheibe 6 bzw. der Absolutweg wird bestimmt aus der Information des momentan abgetasteten Strichkodes 7 plus der momentanen dazu notwendigen Auslenkung des zweiten Scanspiegels 5 aus seiner Nullage. Die Auslenkung dieses Scanspiegels 5 wird mit Hilfe eines hochauflösenden Abstandssensors (nicht dargestellt) so genau gemessen, daß eine Interpolation zwischen zwei Strichkodes 7 um den Faktor 102 oder mehr möglich ist.
Die Auslenkung der Scanspiegel 4 und 5 kann auch ersetzt werden durch laterale
Verschiebung der Fokussierlinse 3 (Fig. lb). Selbstverständlich muß auch die Fo
kussierung ständig nachgeführt werden. Das Fokusfehlersignal wird ebenfalls aus
dem Detektorsignal des Vier-Quadratendetektors 10 gewonnen. Die Linse 3 muß also
dreidimensional bewegt werden. Die Bewegung in x-Richtung wird von einem Sensor
überwacht.
Selbstverständlich kann auch eine Mischung aus den beiden Möglichkeiten, Spiegel
auslenkung für eine Richtung und Linsenverschiebung für die dazu senkrechte
Richtung, angewendet werden.
Der absolute Winkelfehler bzw. Wegfehler ergibt sich aus der Abweichung der
Lage der Strichkodes 7 von ihrer Sollage, die als Datenwort in einem elektroni
schen Speicher gespeichert ist plus dem Winkelmeßfehler am zweiten Scanspiegel 5
(Fig. 1a) (oder der Linse 3 Fig. 1b) plus dem Nachführfehler des Abtastsystems.
Die ersten beiden Fehleranteile lassen sich durch entsprechende Kalibrierung
sehr gering halten, so daß der Nachführfehler den Hauptanteil des Absolutfehlers
enthält.
Unter der Annahme, daß der Nachführfehler 0,2 µm beträgt und die Summe der
anderen Fehler < 0,1 µm bleibt, ist der Absolutfehler bezogen auf einen
Encoderscheibenumfang von 450 mm (⌀ < 150 mm) 1/(1,5×106) des Umfangs.
Dies entspricht einer Auflösung von mehr als 20 Bit.
In Fig. 2 ist ein Absolutencoder nach Fig. 1b mit in Bewegungsrichtung auf den
Kodierungsträger 6 aufgebrachten Kodierungen 7 dargestellt. Bei diesem Aufbau
des Absolutencoders wechseln die Bewegungsrichtungen des Abtaststrahls in den
beiden Betriebsarten gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel. Beim
Suchvorgang bewegt sich der Fokus langsam in y-Richtung während er in x-Richtung
mit hoher Frequenz hin und her bewegt wird. Die Umschaltung auf den Nachführvor
gang und der Nachführvorgang selbst laufen ähnlich ab wie beim Beispiel nach
Fig. 1. Der Unterschied ist, daß jetzt zur Nachführung des Abtaststrahls die
Linse 3 (bzw. der Scanspiegel 4) und zum Lesen der Informetion ebenfalls die
Linse 3 (bzw. der Scanspiegel 5) bewegt wird.
Die maximal erreichbare Auflösung dieses Absolutencoders ist damit begrenzt von
der Steilheit der Flanke 12 (Fig. 3) und der damit verbundenen Auflösung der Po
sition 21 durch den Positionssensor 20. Eine Voraussetzung für die Lesefähigkeit
des Strichkodes 7 ist eine Abtastgeschwindigkeit in x-Richtung, die wesentlich
höher ist, als die zu messende Bewegung des Kodierungsträgers 6 in x-Richtung.
Die hochgenaue Positionsinformation steckt in diesem Fall innerhalb der Kodie
rungen 7 in Form einer exakt detektierbaren Flanke 12 eines Ubergangs von Null
nach Eins. Durch einen besonders langen Einszustand 16 nach der Flanke 12 ist
diese Positionsmarke deutlich vom Dateninhalt 13 des Kodierwortes zu unter
scheiden. Beim Abtasten dieser Art von Kodierung wird die x-Bewegung 21 des
Abtaststrahls durch einen Positionssensor 20 überwacht und der Positionswert zum
Abtastzeitpunkt der Flanke 12 gespeichert. Dieser Wert wird dann zur Interpola
tion benutzt und dem Absolutwert des Datenwortes 7 hinzu addiert.
Claims (5)
1. Hochauflösender Absolutencoder, bei dem auf einem bewegbaren Kodierungsträger
Kodierungen aufgebracht sind, die mittels eines Abtaststrahl einer Lese
vorrichtung optisch ausgelesen werden und die die Stellung des Kodierungs
trägers kennzeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl (2) in
der Bewegungsrichtung des Kodierungsträgers (6) auslenkbar ist und in einem
vorgegebenen kleinen Bereich den Bewegungen der gerade von dem Abtaststrahl
(2) erfaßten Kodierung (7) folgt und daß jeweils aus der mittels der Kodie
rung (7) gegebenen Stellungsinformation und der Auslenkung des Abtaststrahls
(2) die augenblickliche Stellung des Kodierungsträgers (6) ermittelt wird
und daß jeweils bei Erreichen einer Bereichsgrenze der Abtaststrahl (2)
gegebenenfalls in einem Suchvorgang auf die benachbarte erfaßbare Kodierung
(7) verstellt wird.
2. Hochauflösender Absolutencoder, bei dem auf einem bewegbaren Kodierungsträger
Kodierungen aufgebracht sind, die mittels eines Abtaststrahls einer Lesevor
richtung optisch ausgelesen werden und die die Stellung des Kodierungsträgers
kennzeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kodierungsträger (6) in Bewe
gungsrichtung mit einer Vielzahl von hintereinanderliegenden Kodierungen (7),
von denen jede die Lage eines Punktes der einzelnen Kodierungen (7) kenn
zeichnet, versehen ist und daß am Anfang jeder Kodierung (7) eine durch die
Lesevorrichtung auswertbare Flanke vorgesehen ist, daß der Abtaststrahl (2)
in der Bewegungsrichtung des Kodierungsträgers (6) in einem vorgegebenen
kleinen Bereich alternierend ausgelenkt wird und dabei wenigstens eine der
Kodierungen (7) ausliest, und weiterhin die Auslenkung (21) des Abtaststrahls
(2) bei der Erfassung der Flanke (12) bestimmt und daß jeweils aus der mit
tels der Kodierung (7) gegebenen Stellungsinformation und der Auslenkung des
Abtaststrahls (2) bei Flankenerfassung die augenblickliche Stellung des
Kodierungsträgers (6) ermittelt wird.
3. Absolutencoder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ko
dierung (7) eine Adresse darstellt, zu der eine Stellungsangabe einem Spei
cher entnehmbar ist.
4. Absolutencoder nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ko
dierung (7) selbst die Stellungsangabe beinhaltet.
5. Absolutencoder nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kodierung (7) senkrecht zur Bewegungsrichtung auf den Kodierungsträ
ger (6) aufgebracht ist und daß der Abtaststrahl (2) auch in dieser Richtung
auslenkbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3921312A DE3921312A1 (de) | 1988-06-29 | 1989-06-29 | Hochaufloesender absolutencoder |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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DE3921312A DE3921312A1 (de) | 1988-06-29 | 1989-06-29 | Hochaufloesender absolutencoder |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3921312A1 true DE3921312A1 (de) | 1990-03-01 |
Family
ID=25869541
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3921312A Withdrawn DE3921312A1 (de) | 1988-06-29 | 1989-06-29 | Hochaufloesender absolutencoder |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3921312A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1989
- 1989-06-29 DE DE3921312A patent/DE3921312A1/de not_active Withdrawn
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