DE4017898A1 - Optisches abtastsystem fuer dreh- oder linear-impulsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem für Dreh- oder Linearimpulsgeber, wobei die Maßeinteilung eines Impuls­ gebers optisch über eine Blendenmaske abgetastet wird.

Derartige Dreh- oder Linear-Impulsgeber sind in weitem Umfang gem. Fig. A bekanntgeworden.

Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß in einem Gehäuse eine LED oder eine andere Lichtquelle wie z. B. eine Glühlampe ange­ ordnet ist und das Licht dieser Lichtquelle durchstrahlt eine ortsfest angeordnete Abtastblende, die gem. Fig. A eine Blenden­ maske enthält, wobei beispielsweise hier eine Blendenmaske 4 mit zwei Kanälen A, B dargestellt ist.

Diese Blendenmaske 4 ist also ortsfest angeordnet und wird zum Beispiel von unten (in der Zeichenebene) von der Lichtquelle durchstrahlt. Das Licht tritt also durch die diese schlitzför­ migen Öffnungen in der Blendemaske 4 hindurch und trifft auf eine um die Drehachse 3 drehbar angeordnete Impulsscheibe für den Fall eines Drehgebers, während für den Fall eines Linear- Impulsgebers diese Drehscheibe als linear bewegbarer Schieber ausgebildet ist. Im Falle der Verwendung eines Linear-Impulsgebers ist es im übrigen auch bekannt, die Blendenmaske 4 selbst zu verschieben, während der lineare Maßstab mit der Maßstabsein­ teilung (Stricheinteilung 2) feststeht.

Der Einfachheithalber wird im folgenden nur noch ein Dreh-Im­ pulsgeber beschrieben, während in analoger Weise ein derartiger Linear-Impulsgeber aufgebaut ist.

Wie eingangs dargestellt tritt also das Licht über die Schlitze der ortsfest angeordneten Blendenmaske 4 hindurch und trifft in zugeordnete identische Schlitze 2, die in der drehbar angeord­ neten Scheibe 1 angeordnet sind. Die Schlitze bzw. Kanäle A, B in der ortsfesten Blendenmaske 4 in bezug zu den Schlitzen 2 in der drehbaren Impulsscheibe 1 sind genau fluchtend zueinander angeordnet. Jenseits der Dreh-Impulsscheibe ist nun eine optische Empfangsanordnung angebracht wie z. B. eine Fotodiode oder eine andere Empfangsanordnung.

Verdreht man nun die Dreh-Impulsscheibe 1 in bezug zu der orts­ festen Blendenmaske 4, dann kommt es je nach dem Drehzustand zu einer Überdeckung, zu einer teilweisen Überdeckung oder zu einer vollständigen Gegenüberlage (Öffnungszustand) von­ einander gegenüberliegenden Schlitzen bzw. Kanälen A, B in der Blendenmaske 4 und in der drehbar angeordneten Impulsscheibe 1.

Die Schlitze 2 in der Impulsscheibe sind rundum laufend in gleichem Abstand voneinander angeordnet und entsprechen in ihren Abmessungen genau den Abmessungen der Schlitze auf der Blenden­ maske 4.

Die Blendenmaske ist nicht umlaufend angeordnet, sondern sie ist geometrisch begrenzt und erstreckt sich zum Beispiel über einen Winkelbereich von 5 bis beliebig vielen Winkelgraden. Im Bild 3 sind 7 Winkelgrade der Maske dargestellt.

Die Schlitze bzw. Kanäle A, B auf der Blendenmaske sind durch einen genau definierten Abstand voneinander getrennt und bilden so Kanäle, wobei im Bild 1 eine Blendenmaske 4 mit zwei Kanälen A, B dargestellt ist.

Unten im Bild 3 ist eine Blendenmaske mit ingesamt vier Kanälen dargestellt, wobei die Kanäle A und B jeweils invertiert sind und die Kanäle und bilden.

Eine Lichtempfangsanordnung wird also bei einer Verdrehung der Dreh-Impulsscheibe sinusförmig moduliert, wie es im Bild 2 dargestellt ist.

Durch die fortlaufende Abschattung, teilweise Überdeckung und vollständige Überdeckung der Fenster auf der Dreh-Impulsscheibe in bezug zu den Fenstern in der jeweiligen Blendenmaske Kanal A und Kanal B kommt es also beispielsweise beim Kanal A auf der Empfangsanordnung zu dem sinusförmigen Signalverlauf.

Es ist nun bekannt, zwischen dem Kanal A und dem Kanal B einen derartigen Abstand zu machen, daß dieser Abstand nicht genau der Strichteilung entspricht, sondern daß dieser Abstand einen bestimmten Phasenversatz aufweist, der im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel z. B. T/4 ausmacht, d. h. es handelt sich um einen Phasenversatz von 90 Grad. Das entspricht einer 1/4-Strichteilung. Der Buchstabe T gibt hierbei die Teilung an.

Aufgrund dieses Phasenversatzes zwischen dem Kanal A und dem Kanal B erhält man dementsprechend auch wie im Bild 2 gem. dem Stand der Technik dargestellt, einen zum Kanal A, und zwar um eine 1/4-Strichteilung verschobenen Kanal B.

Ebenso ist Stand der Technik eine Anordnung nach Bild 3, wo in Er­ weiterung zu Bild 1 eine Blendenmaske mit Komplement-Signalen dargestellt ist.

Auch hier ist die beschriebene Phasenverschiebung zwischen dem Kanal A und dem Kanal B bzw. zwischen dem Kanal und dem Kanal dargestellt und gleich.

Man erhält dann gem. Bild 4 (Stand der Technik) wiederum eine Phasenverschiebung zwischen dem Kanal A und dem Kanal B und in analoger Weise natürlich auch zwischen den invertierten Signalen A und B.

Das digitale Signal A′, B′ wird dann als Geber-Ausgangssignal er­ reicht.

Aus Bild 4 ist also erkennbar, daß jeweils die Nulldurchgänge der Signale A und A sowie B und B erfaßt werden und dement­ sprechend die digitalen Ausgangssignale am Geber mit A′ und B′ erzeugt werden.

Dies ist also Stand der Technik, daß man lediglich bei den sinusförmigen Verläufen, die phasenverschoben zueinander sind, die Nulldurchgänge erkennt.

Ebenso ist Bild 5 gem. der DE-PS 25 10 113 Stand der Technik, wo man erkennt, daß die Signale S1 und S2 mehrfach abgetastet werden. Es handelt sich also wiederum um zwei zueinander phasenverschobene sinusförmige Signale von einem Kanal A und einem Kanal B, wobei diese Signalverläufe der Kanäle A und B mehrfach abgetastet werden, indem zwei voneinander getrennte Schwellen S1 und S2 vorgesehen sind, und jeweils der Durchgang durch das Schwellensignal dieser beiden Kurven A und B zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignales verwendet wird.

Man erkennt hierbei, daß dementsprechend für die Schwelle S1 beim Signal A eine digitale Ausgangskurve A1 erzeugt wird, während in analoger Weise für die Schwelle S2 bei dem Signal A ein digitales Ausgangssignal A2 erzeugt wird. In analoger Weise erfolgt dies für die Ausgangssignale B1 und B2.

Die Signale A1 und A2 werden nun EXOR miteinander verknüpft, d. h. wenn die beiden Signale A1 und A2 unterschiedlich von­ einander sind, wird ein Ausgangssignal JA erzeugt.

In analoger Weise wird das EXOR-Signal für die Signalverläufe B1 und B2 erzeugt, wobei hierbei die Kurve JB erzeugt wird.

Das Signal ZT wird dann dadurch erreicht, indem eine NAND-Ver­ knüpfung zwischen den Signalen JA und JB durchgeführt wird, d. h. nur wenn beide Signale gleichzeitig Null sind wird ein positives Ausgangssignal im Kanal ZT erzeugt.

Mit dem Signalverlauf im Kanal ZT erfolgt also eine Verdop­ pelung der ansonsten vorhandenen Impulse, wodurch die Auflösung der gesamten Anordnung ebenfalls verdoppelt wird.

Nachteil der genannten Anordnung nach dem Stand der Technik ist, daß die Sinusverläufe A und B sehr konstant gehalten werden müssen, d. h. es darf weder eine Phasenverschiebung oder Phasen­ trift vorliegen noch darf eine Verschiebung in der Amplitude vorliegen. Insbesondere gehen ungewollte und unerwünschte Am­ plitudenveränderungen in den Signalverläufen der Signale A und B stark in das Meßergebnis ein. Derartige Amplitudenverläufe entstehen zum Beispiel beim einem Taumeln der Dreh-Impulsscheibe, wenn diese nicht 100%ig winklig zur Achse steht. Ebenso entstehen derartige Fehler bei einem exzentrischen Versatz der Dreh-Im­ pulsscheibe in bezug zu ihrer Drehachse. Die mechanischen Anfor­ derungen (Toleranzen) sind bei derartiger Signalerzeugung sehr hoch.

Ein optisches Abtastsystem der genannten Art ist auch aus der US-PS 42 25 931 bekannt. Dort ist allerdings ein sehr hoher Schaltungsaufwand erforderlich, wobei besondere Bauteile zum Beispiel ein Microprozessor eingesetzt werden muß, um die Än­ derungen in der Schwankung der sinusförmigen Verläufe zu kom­ pensieren.

Die gleiche Kritik gilt für die DE-OS 27 29 697, wo in Ver­ bindung mit einer optischen Abtastung von Impulsmarken eben­ falls ein sehr hoher Schaltungsaufwand getroffen werden muß.

Aus der DE-OS 37 32 962 ist bereits eine Vielfachabtastung der Sinuskurve bekannt, wo jedoch die Abtastung in Verbindung mit Amplitudenveränderungen erfolgt, was mit einem sehr hohen Schaltungsaufwand verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Dreh-Impulsgeber bzw. einen Linear-Impulsgeber der ein­ gangs genannten Art so weiter zu bilden, daß eine hohe Auflösung erreicht wird, ohne einen hohen Schaltungsaufwand betreiben zu müssen, um die Amplitude des Sinusignals konstant zu halten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in der Blendenmaske mindestens mehr als zwei geometrisch voneinander getrennte und zueinander phasen­ verschobene Kanäle vorhanden sind, wobei paarweise benachbarte Kanäle jeweils um das gleiche Maß zueinander phasenverschoben sind und daß die durch die Abtastung des Nulldurchgangs ge­ wonnenen digitalen Empfangssignale wiederum zueinander, um ein bestimmtes gleichmäßiges Maß phasenverschoben sind und daß ferner jeweils paarweise diese digitalen Ausgangssignale EXOR miteinander verknüpft werden.

Mit der gegebenen technischen Lehre wird der wesentliche Fort­ schritt erreicht, daß für jeweils paarweise erfaßte digitale Signale genau eine Signalverdoppelung festgestellt werden kann, wenn eine EXOR-Verknüpfung zwischen den jeweils paarweisen digitalen Ausgangssignalen der Empfangseinrichtung vorgenommen wird.

Es gehört hierbei zum Stand der Technik, jeweils einen Signal­ verlauf EXOR zu verknüpfen (z. B. die Kanäle A und B) und einen weiteren Signalverlauf ebenfalls EXOR verknüpft herzustellen, wie z. B. bei den Kanälen C und D. Dies wird nach dem Stand der Technik in der nachfolgenden Auswerteschaltung zur Erken­ nung der Drehrichtung des Dreh-Impulsgebers bzw. des Liniar- Impulsgebers benötigt.

Mit der EXOR-Verknüpfung von paarweise vorhandenen Kanälen wird also die gewünschte Impulsverdoppelung durchgeführt, wo­ durch bei gleichbleibenden Schaltungsaufwand die Auflösung der gesamten Anordnung verdoppelt wird.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist nun, daß willkürlich gewählte Schwellen zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignales vermieden werden. Derartige Schwellen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, haben den großen Nachteil, daß eben hier eine Signaltrift zu einer Verfälschung des Aus­ gangssignales führt. Erfindungsgemäß wird nun lediglich der Nulldurchgang festgestellt, wobei jetzt klar ist, daß ent­ sprechende Amplitudenänderungen keinen Einfluß mehr auf das digital erzeugte Ausgangssignal haben, weil eben nur der Null­ durchgang festgestellt wird und nicht irgendwelche Amplituden­ werte zur Herstellung eines digitalen Ausgangssignales herange­ zogen werden.

Hier liegt der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung, die also vorsieht, die Impulsvervielfachung durch die Erzeu­ gung mehrerer, phasenverschobener Signale zu erreichen und dabei den Nulldurchgang bei der Auswertung der sinusförmigen Empfangs­ signale zur Erzeugung der digitalen Ausgangssignale heranzuziehen und dann paarweise die sinusförmigen Signale von phasenversetzt zueinander angeordneten Kanälen mit einer EXOR-Verknüpfung zu verknüpfen.

Die Erfindung wird nun im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert, wobei aus der nachfolgenden Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. Es zeigt

Fig. A ein optisches Abtastsystem mit einem Drehimpulsgeber nach dem Stand der Technik,

Bild 1 eine Blendenmaske mit zwei Kanälen nach dem Stand der Technik,

Bild 2 die Phasenbeziehung zwischen Kanal A und Kanal B nach Bild 1 gem. dem Stand der Technik,

Bild 3 eine Blendenmaske mit Komplement-Signalen nach dem Stand der Technik,

Bild 4 die Komplement-Signale und Geberausgangssignale gem. der Blendenmaske nach Bild 3 nach dem Stand der Technik,

Bild 5 ein Beispiel einer Mehrfachabtastung, wo ein Sinussignal mit zwei Referenzpunkten abgetastet wird nach dem Stand der Technik,

Bild 6 eine Blendenmaske mit der Lage der Schlitzblenden zu­ einander gem. der Erfindung,

Bild 7 die Phasenlage der Analogsignale mit einer Blendenmaske nach Bild 6, gem. der Erfindung,

Bild 8 die erreichte Impulsverdoppelung durch logische Ver­ knüpfung der Signale gem. der Erfindung.

Nach der Erfindung ist es wichtig, daß der Phasenversatz zwischen den Kanälen A, B, C und D (vergl. Bild 6) in der Blendenmaske selbst hergestellt wird, d. h. also durch geometrische Tren­ nung und entsprechende Abstandsbildung zwischen den benach­ barten paarweise zusammenzufassenden Kanälen A und B sowie C und D.

Eine derartige Phasenverschiebung wird also nicht elektronisch hergestellt, wie es teilweise auch bekannt ist und was mit relativ hohen Schaltungsaufwand verbunden ist und im übrigen ungenau ist, sondern es wird eine geometrische Lösung vorge­ schlagen.

Die Erfindung wird also in den Bildern 6, 7 und 8 allein darge­ stellt, wobei Bild 6 eine derartige Blendenmaske mit vier phasen­ versetzt zueinander angeordneten Kanälen A-D zeigt.

Hierbei ist noch darüber hinausgehend dargestellt, daß inver­ tierte Kanäle bis wodurch gem. Bild 7 eine verbesserte Störfestigkeit erreicht wird.

In Bild 7 ist nämlich bei der Kurve A beispielsweise auch das invertierte Signal dargestellt, wobei man sieht, daß gerade diese Signalverläufe den gleichen Nulldurchgang haben und dieser Nulldurchgang wird nun erfindungsgemäß sehr leicht erkannt und ausgewertet. Wenn man also zur Auswertung noch das inver­ tierte Signal bis hinzuzieht, erhält man eine noch ver­ besserte Störsicherheit im Vergleich zu der einfachen Auswer­ tung, wie sie im Bild 7 dargestellt ist.

Der Buchstabe T ist die Teilung und der Buchstabe V ist die Phasenverschiebung der einzelnen Kanäle.

Zwischen dem Kanal A und B ist hierbei in Bild 6 eine Phasen­ verschiebung von zwei Mal also 2×V gegeben, während ebenso zwischen dem Kanal C und D eine Phasenverschiebung von ebenso 2×V gegeben ist.

Die Kanäle A und B sowie die Kanäle C und D werden nachfolgend dann paarweise miteinander verknüpft.

Wenn man nun aus Bild 7 die Nulldurchgänge meßtechnisch er­ faßt, bekommt man die digitalen Signale gem. Bild 8.

Wenn man nun die Kanäle A und B, C und D paarweise über eine EXOR-Verknüpfung miteinander verknüpft, erhält man die digitalen Ausgangssignale, wie sie im Bild 8 an der vorletzten und der letzten Apsise angegeben sind.

Es handelt sich also hierbei um verdoppelte Signale, die in bezug ihrer Frequenz im Vergleich zu dem digitalen Ausgangs­ signal A und B verdoppelt sind, wobei die Phasenlage beibehalten bleibt.

Diese verdoppelten Ausgangssignale sind die Ausgangssignale des Drehgebers bzw. des Lineargebers. Für jeden Schritt, den nun bei der Verdrehung die Dreh-Impulsscheibe zu der ortsfesten Blendenmaske ausführt, ergibt sich hierbei ein Impuls beim Aus­ gangssignal, wobei - wie dargestellt - das Ausgangssignal nun erfindungsgemäß verdoppelt ist. In der obigen Beschreibung wurde bisher lediglich angegeben, daß eine Verdoppelung des Ausgangssignals durch eine paarweise Verknüpfung von vier Kanälen vorgenommen wird.

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, auch andere Vervielfachungen des Ausgangssignals zu erreichen, nämlich zum Beispiel Verdreifachungen, Vervierfachungen und ganzzahlige Werte mehr.

Bei einer Vervierfachung müßten dann in analoger Weise 8 Kanäle vorhanden sein, wobei jeweils 4 Kanäle EXOR verknüpft werden und dann die erhaltenen Ausgangssignale wiederum nochmals EXOR verknüpft werden.

Es wird dann insgesamt eine Vervierfachung des Ausgangssignals erreicht.

Mit der gegebenen technischen Lehre wird also der wesentliche Vorteil erreicht, daß unabhängig von Amplituden eine Auswertung erfolgen kann, was mit relativ geringem Schaltungsaufwand erfolgt. Wichtig hierbei ist, daß mit ein und derselben Schlitzscheibe, die bereits schon in der Regel bei vorhandenen Dreh-Impulsgebern vorhanden ist, diese Schlitzscheibe weiter verwendet werden kann und nur die ortsfeste Blendenmaske nach der vorliegenden Erfindung durch eine entsprechende Blendenmaske nach Bild 6 beispielsweise ausgewechselt werden muß.

Weiterer Eingriffe bedarf es hierbei nicht. Mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Schaltungsauswertung, die jedoch relativ einfach vonstatten geht.

Ich habe es den EXOR verknüpften Kanälen A ⊕ B den Buchstaben E zugeordnet und den EXOR verknüpften Kanälen C ⊕ D den Buch­ staben F.

Wichtig ist im übrigen, daß man aus dem erfindungsgemäßen Dreh- Impulsgeber bzw. Lineargeber nicht nur die verdoppelten Signal­ kanäle E und F herausführen kann, sondern daß man ebenso auch die digitalen Einfachsignale A und B zur Verfügung hat.

Sollte sich also bei irgendwelchen Schaltungen herausstellen, daß die Grenzfrequenz für die Auswertung der Signale E und F überschritten wird, kann auf die einfache Frequenz der Signale A bis D zurückgegriffen werden und dennoch eine präzise Aus­ wertung erfolgen.

Insbesondere ist wichtig, daß man während der schnellen Verfahr­ weise, d. h. also während der schnellen Verdrehung auf Signale der Kanäle A bis D zurückgreift, während bei einer langsamen Annäherung, wo es auf höchste Genauigkeit und Auflösung an­ kommt, auf die Signalverläufe der Kanäle E und F zurückge­ griffen wird.

Aus den Darlegungen zur Erfindung wird deutlich, daß hier ein neues optisches Abtastsystem vorgeschlagen wird, das insbe­ sondere wegen der Erfassung der Nulldurchgänge nicht den Elek­ tronikaufwand erfordert, der beim Stand der Technik notwendig ist.

Nach der Erfindung werden im wesentlichen in technisch einfacher Art innerhalb der Blendenmaske mehrere Blenden untergebracht, wobei immer ein um T/4 versetztes Blendenpaar, also immer zwei Kanäle zusammengehören. Der Abstand der jeweiligen Blendensysteme, die alle die gleiche Stricheinteilung besitzen, beträgt V=T/(2×K), wobei T die Teilung des Linienrasters ist (bei Angabe in Winkeln: T=360 Grad) und K die Anzahl der Kanäle.

Stellt man zum Beispiel eine Maske mit 4 Kanälen mit den je­ weiligen Abständen V=T/8=45 Grad, so erhält man nach der Licht­ schranke 4 Ausgangssignale, die jeweils um 45 Grad phasenver­ schoben sind (Bild 6 und 7). Die am Ausgang des Drehgebers benötigten Rechtecksignale werden in an sich bekannter Weise mit einer einfachen Komparatorschaltung erzeugt, bei welcher eine einstellbare Spannungsreferenz den Triggerpunkt bildet.

Erfindungsgemäß wird nun eine logische Verknüpfung (A ⊕ B und C ⊕ D) vorgenommen, wobei ein Ausgangssignal entsteht, mit einer erwünschten Impulsvervielfachung von K/2. Bei obengenanntem Beispiel wird eine Impulsverdoppelung erreicht, wobei die Aus­ gangsschnittstelle der eines "normalen" Incrementalgebers ent­ spricht (Bild 8).

Bei dem oben dargelegten neuen optischen Abtastsystem nach der Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

• - einfache elektronische Realisierung, auch bei sehr ungenauen Sinussignalen an der Lichtschranke,
• - keine Erhöhung der Anforderungen an die Mechanik und Optik
• - keine Änderung der Impulsscheibe,
• - gleichbleibende Geber-Schnittstelle ohne zusätzliche Änderungen.

Zeichnungslegende

01 Impulsscheibe
02 Schlitze
03 Drehachse
04 Blendenmaske

Claims (4)

1. Optisches Abtastsystem für Dreh- oder Linear-Impulsgeber, wobei die Maßeinteilung eines Impulsgebers optisch über eine Blendenmaske abgetastet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Blendenmaske mindestens mehr als zwei geometrisch voneinander getrennte und zuein­ ander phasenverschobene Kanäle vorhanden sind, wobei paarweise benachbarte Kanäle jeweils um das gleiche Maß zueinander phasen­ verschoben sind und daß die durch die Abtastung des Nulldurch­ gangs gewonnenen digitalen Empfangssignale wiederum zueinander, um ein bestimmtes gleichmäßiges Maß phasenverschoben sind und daß ferner jeweils paarweise diese digitalen Ausgangssignale EXOR miteinander verknüpft werden.

2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 4 Kanäle A, B, C, D in der Blendenmaske vorgesehen sind, wobei der Phasenversatz zwischen den Kanälen A, B, C, D auf mechanische Art durch geometrische Anordnung bzw. Abstandsbildung der Kanäle in der Blendenmaske erreicht wird.

3. Optisches Abtastsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, d a durch gekennzeichnet, daß in der Blenden­ maske für eine verbesserte Störsicherheit weitere Kanäle , , , vorgesehen sind, die zu diesen Kanälen A, B, C, D in­ vertiert ausgeführt sind.

4. Optisches Abtastsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kanäle A, B, C, D einen Phasenversatz von V=T/(2×K) aufweisen (T=Teilung in Winkelgraden, K=Anzahl der Kanäle).