AT510820A1

AT510820A1 - Korrekturverfahren für drehgeber

Info

Publication number: AT510820A1
Application number: ATA2055/2010A
Authority: AT
Original assignee: Schneider Electric Power Drives Gmbh
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-15
Also published as: AT510820B1

Abstract

Korrekturverfahren für einen Drehgeber zur Bestimmung einer, mit Drehstellungsänderungen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe eines impulsförmigen Drehgeberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobei die Impulslänge (ATi) einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement (Ayi) entspricht, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen (AT2) einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement (AY2) r und aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und die Messgröße bestimmbar sind. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die zeitliche Position dreier aufeinander folgender Impulsflanken gemessen wird, und anhand der ersten und dritten Impulsflanke die Rotationsgeschwindigkeit (v) des Drehgebers ermittelt wird, und anhand der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit (v) eine erwartete, zeitliche Position der zweiten Impulsflanke errechnet wird, und nachfolgende Impulsflanken mit der ermittelten Abweichung zwischen der gemessenen zeitlichen Position der zweiten Impulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position korrigiert werden.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Korrekturverfahren für einen Drehgeber zur Bestimmung einer, mit Drehstellungsänderungen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe eines impulsförmigen Drehgeberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobei die Impulslänge einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement entspricht, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement, und aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und die Messgröße bestimmbar sind, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Drehgeber dienen zur Messung von Messgrößen wie etwa Wegstrecken, Geschwindigkeiten oder Drehwinkeln eines mit dem Drehgeber verbundenen drehbaren Objekts. Die Drehgeber weisen dazu einen Sensor zur Erfassung einer Drehstellung oder Drehstellungsänderung auf. Im industriellen Umfeld werden Drehgeber etwa in Werkzeugmaschinen, in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt. Derartige Drehgeber können z.B. an einem Rotorwellenende einer elektrischen Maschine zur Erfassung der Drehstellungsänderung der Rotorwelle angebracht sein. Der Drehgeber kann alternativ über einen Zahnriemen mit der Rotorwelle verbunden sein. Die Drehgeberausgangssignale werden üblicherweise zur Überwachung und/oder zur Regelung der elektrischen Maschine benötigt. Die elektrische Maschine kann z.B. ein Elektromotor oder ein Generator sein. Sie kann eine Asynchron- oder Synchronmaschine sein.

Der Drehgeber kann etwa ein Inkrementaldrehgeber sein, der beispielsweise auf einem photoelektrischen oder magnetischen Prinzip basiert. Im ersteren Fall wird ein Lichtstrahl, der in der Regel durch eine LED erzeugt wird, durch eine mit Strichen oder Schlitzen versehene Abtastplatte auf einen photooptischen Sensor, in der Regel ein Phototransistor, geleitet. Rotiert die Abtastplatte, wird der Lichtstrahl zwischen LED und Phototransistor mithilfe der Abtastplatte zyklisch moduliert. Aus dem modulierten Signal des Phototransistors lasst sich ein impulsförmiges Drehgeberausgangssignal mit steigenden und 2 * * · ···♦ ♦ · * * «

fallenden Impulsflanken generieren. Solche Drehgeber erzeugen in der Regel zumindest zwei Drehgeberausgangssignale, die auch als Spuren bezeichnet werden, mit deren Hilfe die Drehstellungsänderung und in weiterer Folge die Drehstellung und Rotationsgeschwindigkeit bestimmt werden können. Im oben erwähnten Beispiel der Abtastplatte können zwei Spuren etwa mithilfe von radial versetzten Folgen an Schlitzen erzeugt werden, durch die jeweils ein Lichtstrahl moduliert wird. Mithilfe mehrerer Spuren lasst sich etwa auch die Drehrichtung des Drehgebers ermitteln. Des Weiteren sind Inkrementaldrehgeber bekannt, welche zusätzlich bei einem vorbestimmten Drehwinkel ein Referenzsignal ausgeben. Durch Auswertung dieses Signals kann der absolute Drehwinkel abgeleitet werden.

Derartige Drehgeber sind in der Lage, einen Drehwinkel mit sehr hoher Drehwinkelauflösung zu erfassen, um in weiterer Folge die entsprechende Messgröße mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Da für jeden Drehgeber die Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Drehgebers bzw. die Anzahl der Impulse pro Drehwinkelinkrement bekannt sind (so genannte „Strichzahl" des Drehgebers), ist es lediglich erforderlich, etwa die steigenden Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals einer ersten Spur, im Folgenden als „Spur A" bezeichnet, zu zählen. Die Impulslänge entspricht dabei einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement des Drehgebers, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement, sodass aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit die Drehstellungsänderung, also der Drehwinkel, und in weiterer Folge die Messgröße bestimmbar sind.

Zur Erhöhung der Auflösung können zusätzlich zu den steigenden Impulsflanken der Spur A auch die fallenden Impulsflanken der Spur A mitgezählt werden. Dadurch ergibt sich theoretisch eine Verdopplung der Auflösung. Werden zusätzlich auch noch die steigenden und fallenden Impulsflanken einer zweiten Spur B in die Zählung miteinbezogen, ergibt sich gegenüber der bloßen Zählung der steigenden Impulsflanken der Spur A theoretisch eine Vervierfachung der Auflösung.

In der Praxis ist diese Vorgangsweise zur Erhöhung der Auflösung freilich mit Schwierigkeiten behaftet, da die gemessene zeitliche Position der steigenden und insbesondere der fallenden Impulsflanken nicht exakt mit der theoretischen Position übereinstimmt, oder messtechnisch nicht exakt bestimmbar ist. Dieser Sachverhalt wird auch als fehlerbehaftete Aufteilung der steigenden und fallenden Impulsflanken einer Spur bezeichnet. Des Weiteren unterliegt die Aufteilung zwischen steigenden und fallenden Impulsflanken einer Spur, sowie zwischen unterschiedlichen Spuren, auch Fertigungsschwankungen des Drehgebers. Diese Fertigungsschwankungen sind bei verschiedenen Drehgebern unterschiedlich, erzeugen aber innerhalb desselben Drehgebers konstante Fehler.

Die fehlerbehaftete Aufteilung der Spuren im Drehgeberausgangssignal begrenzt die Genauigkeit der Messgrößenermittlung, und erweist sich insbesondere bei hochdynamischen Regelungserfordernissen als problematisch. Da die auftretenden Abweichungen im Drehgeberausgangssignal aufgrund des rotierenden Messsystems des Drehgebers periodisch sind, könnte etwa mithilfe einer Tiefpassfilterung versucht werden, die Messfehler im Drehgeberausgangssignal zu reduzieren, wodurch jedoch wiederum die Regeldynamik beeinträchtigt wird.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, mithilfe eines entsprechenden Korrekturverfahrens die Auflösung eines

Drehgebers, und somit die Genauigkeit der Ermittlung der entsprechenden Messgröße zu erhöhen, ohne dabei die Einsatzmöglichkeiten des Drehgebers im Rahmen einer hochdynamischen Regelung zu beschränken.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.

Anspruch 1 bezieht sich hierbei auf ein Korrekturverfahren für 4 einen Drehgeber zur Bestimmung einer, mit Drehstellungsänderungen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe eines impulsförmigen Drehgeberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobei die Impulslänge einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement entspricht, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement, und aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und die Messgröße bestimmbar sind. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die zeitliche Position dreier aufeinander folgender Impulsflanken gemessen wird, und anhand der ersten und dritten Impulsflanke die Rotationsgeschwindigkeit des Drehgebers ermittelt wird, und anhand der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit eine erwartete, zeitliche Position der zweiten Impulsflanke errechnet wird, und nachfolgende Impulsflanken mit der ermittelten Abweichung zwischen der gemessenen zeitlichen Position der zweiten Impulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position korrigiert werden.

Bei der ersten und dritten Impulsflanke kann es sich etwa um steigende Impulsflanken handeln, da die steigenden Impulsflanken in der Regel messtechnisch genauer zu erfassen sind.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gehen dabei davon aus, dass sich drehende Systeme aufgrund des Trägheitsmoments im Allgemeinen nur träge in ihrer Rotationsgeschwindigkeit ändern oder ändern lassen. Sofern hinreichend kleine Seit Intervalle betrachtet werden, kann somit die Rotationsgeschwindigkeit als konstant betrachtet werden. Wird mithilfe einer Zeitmesseinrichtung die Zeitdifferenz zwischen den Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals gemessen, kann aus den bekannten Gleichungen über den Zusammenhang zwischen Zeit, Drehwinkel und Rotationsgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme der Strichzahl des Drehgebers die Rotationsgeschwindigkeit errechnet werden. Aus der Strichzahl erhält man nämlich die Drehwinkeländerung des Drehgebers pro Zählschritt, also etwa zwischen zwei . steigenden Impulsflanken des

Drehgeberausgangssignals, und aus der Zeitmessung die Zeitdifferenz zwischen den beiden steigenden Impulsflanken· Aus der Division der Drehwinkeländerung und der Zeitdifferenz folgt die Rotationsgeschwindigkeit des Drehgebers. Erfindungsgemäß wird nun anhand der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit ein idealisiertes Referenzsystem konstruiert, bei dem die Aufteilung der steigenden und fallenden Impulsflanken gemäß ihrem theoretisch erwarteten Wert festgelegt wird. Daraus kann eine erwartete zeitliche Position der dazwischen liegenden Impulsflanke errechnet werden, also etwa der fallenden Impulsflanke, falls zwei aufeinander folgende, steigende Impulsflanken für die Errechnung der Rotationsgeschwindigkeit herangezogen wurden. Die Differenz zwischen der gemessenen zeitlichen Position der zweiten Impulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position ergibt einen Fehler, der bei einer als hinreichend konstant vorausgesetzten Rotationsgeschwindigkeit auch bei nachfolgenden Tmpulsf1anken zu erwarten ist, und die somit rechnerisch korrigiert werden können. Der ermittelte Fehler ist dabei eine für den jeweiligen Drehgeber typische Größe, und kann etwa laufend ermittelt werden. Hierfür ist lediglich die Vermessung von drei aufeinander folgenden Impulsflanken, also von zwei Zählschritten, notwendig, ohne dass es dabei einer absoluten Referenzposition bedarf. Das erfindungsgemäße

Korrekturverfahren ist daher insbesondere bei Inkrementaldrehgebern gut anwendbar. F,s kann dabei bei jedem Impuls begonnen werden, und korrigiert auch drehgeberspezifische Veränderungen der Aufteilungsfehler, etwa im Zuge der Abnutzung des Drehgebers im Laufe der

Betriebszeit. Das erfindungsgemäße Korrekturverfahren korrigiert sich somit gewissermaßen selber.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die

Fig. 1 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes von zwei, um 90° versetzte Spuren eines Drehgeberausgangssignals, zweier des

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung Auswertemöglichkeiten der beiden Spuren

Drehgeberausgangssignals gemäß der Fig. 1, dem realen idealisierten Fehlers des

Fig. 3 einen Vergleich zwischen

Drehgeberausgangssignal (oben) und einem

Referenzsystem (unten) zur Ermittlung des

Realsystems anhand der Spur B, und die

Fig. 4 eine Gegenüberstellung einer Spur des Drehgeberausgangssignals (unten) mit dem entsprechenden Zählwert (oben) .

Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Wie bereits erwähnt wurde, kann aus der, für jeden Drehgeber bekannten Anzahl der Strichzahl, also der Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Drehgebers bzw. der Anzahl der Impulse pro Drehwinkelinkrement, durch Abzählen etwa der steigenden Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals einer ersten Spur, in der Fig. 1 als „Spur A" bezeichnet, der zurückgelegte Drehwinkel bestimmt werden. Die Impulslänge, in der Fig. 1 mit „Periodenhälfte X2" bezeichnet, entspricht dabei einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement des Drehgebers, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen, also die Differenz zwischen der in der Fig. 1 als „Periode XI" bezeichneten Intervall und der „Periodenhälfte X2", einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement. Aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit sind die Drehstellungsänderung, also der Drehwinkel, und in weiterer Folge die Messgröße bestimmbar. In der Fig. 1 ist des Weiteren eine zweite Spur B eingezeichnet, die gegenüber der Spur A um 90° versetzt ist. Mithilfe der Verwendung mehrerer Spuren kann die Messgenauigkeit erhöht werden, sowie zusätzliche Information gewonnen werden, etwa über die Drehrichtung des Drehgebers.

Zur Erhöhung der Auflösung können nun zusätzlich zu den steigenden Impulsflanken der Spur A auch die fallenden 7

Impulsflanken der Spur A mitgezählt werden, sowie die steigenden und fallenden Impulsflanken der zweiten Spur B. Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 2 veranschaulicht. Die durchgezogene Stufenlinie im unteren Teil der Fig. 2 zeigt dabei jene Zählwerte, die durch Zählung der steigenden Impulsflanken der Spur A gewonnen werden. Werden sowohl die steigenden und fallenden Impulsflanken der Spur A und der Spur B berücksichtigt, werden jene Zählwerte gewonnen, wie sie in der strichliert gezeichneten Stufenlinie im unteren Teil der Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch ergibt sich gegenüber der bloßen Zählung der steigenden Impulsflanken der Spur A theoretisch eine Vervierfachung der Auflösung.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist diese Vorgangsweise zur Erhöhung der Auflösung in der Praxis mit Schwierigkeiten behaftet, da die gemessene zeitliche Position der steigenden und insbesondere der fallenden Impulsflanken nicht exakt mit der theoretischen Position übereinstimml, oder messtechnisch nicht exakt bestimmbar .ist. Daraus folgen Fehlberechnunqen der zu bestimmenden Messgröße. Diese fehlerbehaftete Spuraufteilung der steigenden und fallenden Impulsflanken einer Spur ist in der Fig. 3 angedeutet. Die untere Spur der Fig. 3 zeigt eine ideale Spuraufteilung, und die obere Spur eine reale Spuraufteilung, bei der die Impulslänge geringfügig größer ist, und der zeitliche Abstand zwischen der fallenden Impulsflanke und der steigenden Impulsflanke des darauf folgenden Impulses entsprechend verkürzt.

Diese fehlerbehaftete Aufteilung der Spuren im Drehgeberausgangssignal begrenzt die Genauigkeit der Messgrößenermittlung, und erweist sich insbesondere bei hochdynamischen Regelungserfordernissen als problematisch. Zur Korrektur dieser fehlerbehafteten Aufteilung wird nun das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagen, das von einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit v in ausreichend langen ZeitIntervallen ausgeht. Diese Annahme ist in der Regel aufgrund der Massenträgheit der im Messsystem rotierenden Teile zutreffend, insbesondere da zumeist Maschinen mit hohem 8

Trägheitsmoment zu messen oder regeln sind. Zunächst kann dabei mithilfe einer Zeitmesseinrichtung die Zeitdifferenz ΔΤ2 zwischen zwei aufeinander folgenden, steigenden Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals gemessen werden. Diese reale Zeitdifferenz ΔΤ2 ist in der Fig. 4 eingezeichnet, und ist auch in der oberen Spur der Fig. 3 ersichtlich. Anhand der Zeitdifferenz ΔΤ2 wird in weiterer Folge ein idealisiertes Referenzsystem in Form der unteren Spur der Fig. 3 definiert. Aus den bekannten Gleichungen über den Zusammenhang zwischen Zeit, Drehwinkel und Rotationsgeschwindigkeit kann dabei unter Zuhilfenahme der Strichzahl des Drehgebers zunächst die Rotationsgeschwindigkeit v errechnet werden, da das entsprechende Drehwinkelinkrement Δγ2 bekannt ist. Dieser Zusammenhang ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben: v. ΔΤ2 = Δγ2 (1) Wäre die Spuraufteilung ni.cht feh.I erbehaftet, könnte über eine ana Loge Gleichung aus der bekannten Rotati onsgeschwind! gkeit v die Impulslänge ΔΤχ mithilfe des entsprechenden Drehwinkelinkrements Δγι errechnet werden. Aufgrund der fehlerbehafteten Spuraufteilung ist aber der mathematische Zusammenhang gemäß Gleichung (1) für die reale, obere Spur der Fig. 3 nicht exakt erfüllt, vielmehr muss folgende Gleichung (2) angesetzt werden: v. ΔΊ'ι + F ~ Δγι (2)

Es lässt sich jedoch aus der Gleichung (2) der Fehler F errechnen, der der Abweichung zwischen der gemessenen zeitlichen Position der fallenden Impulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position entspricht (siehe Fig. 3 und 4). Da der Fehler F somit bestimmt wurde, können alle nachfolgenden Impulsflanken mit diesem, nun als Korrekturwert verwendeten Fehler F rechnerisch korrigiert werden. Es ergibt sich somit ein rechnerisch korrigiertes

Drehgeberausgangssignal für jede Spur, dessen steigende und fallende Impulsflanken in weiterer Folge zur Erhöhung der Auflösung des Drehgebers herangezogen werden können.

Der ermittelte Fehler ist eine für den jeweiligen Drehgeber typische Größe, und kann etwa laufend ermittelt werden. Er könnte auch lediglich bei Drehbeginn ermittelt werden, oder in zeitlich festgelegten Abständen. In diesem Fall muss aber vor Korrektur einer Impulsflanke festgestellt werden, ob es sich um eine steigende oder fallende Impulsflanke handelt, und ob der Korrekturwert daher zu addieren oder subtrahieren ist. Die Bestimmung des Fehlers F und somit des Korrekturwertes für nachfolgende Impulsflanken ist jedoch sehr einfach, da hierfür lediglich die Vermessung von drei aufeinander folgenden Impulsflanken, also von zwei Zählschritten, erforderlich ist. Die Ermittlung des Korrekturwertes, sowie die Korrektur nachfolgender Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals können daher ohne weiteres laufend erfolgen, etwa mithilfe ohnehin vorgesehener Datenverarbe.i. tungseinrichtungen zur S i qnalauswo r t ung. Es kann dabei bei jedem Impuls begonnen werden, wobei auch drehgeberspezifische Veränderungen der Spuraufteilungsfehler, etwa im Zuge der Abnutzung des Drehgebers im Laufe der Betriebszeit, korrigiert werden.

Claims

10 Patentansprüche: 1. Korrekturverfahren für einen Drehgeber zur Bestimmung einer, mit Drehstellungsänderungen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe eines impulsförmigen Drehgeberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobei die Impulslänge (ΔΤi) einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement (Δγι) entspricht, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen (ΔΤ2) einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement (Δγ2) , und aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und die Messgröße bestimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Position dreier aufeinander folgender Impulsflanken gemessen wird, und anhand der ersten und dritten Impulsflanke die Rotationsgeschwindigkeit (v) des Drehgebers ermittelt wird, und anhand der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit (v) eine erwartete, zeitliche Position der zweiten Impulsflanke errechnet wird, und nachfolgende Impulsflanken mit der ermittelten Abweichung zwischen der gemessenen zeitlichen Position der zweiten Impulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position korrigiert werden.

2 . Korrekturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten und dritten Impulsflanke um steigende Impulsflanken handelt. Wien, am

3. Dez. 2010