AT510820B1 - Korrekturverfahren für drehgeber - Google Patents

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 (∆T1) einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement (∆γ1) entspricht, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen (∆T2) einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement (∆γ2), 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

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Korrekturverfahren für einen Drehgeber zur Bestimmung einer,mit Drehstellungsänderungen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe einesimpulsförmigen Drehgeberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobeidie Impulslänge einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement entspricht, und der zeitlicheAbstand zwischen zwei Impulsen einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement, und aus derAnzahl der Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und die Messgröße be¬stimmbar sind, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Drehgeber dienen zur Messung von Messgrößen wie etwa Wegstrecken, Geschwindig¬keiten oder Drehwinkeln eines mit dem Drehgeber verbundenen drehbaren Objekts. Die Dreh¬geber weisen dazu einen Sensor zur Erfassung einer Drehstellung oder Drehstellungsänderungauf. Im industriellen Umfeld werden Drehgeber etwa in Werkzeugmaschinen, in der Handha-bungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt. DerartigeDrehgeber können z.B. an einem Rotorwellenende einer elektrischen Maschine zur Erfassungder Drehstellungsänderung der Rotorwelle angebracht sein. Der Drehgeber kann alternativ übereinen Zahnriemen mit der Rotorwelle verbunden sein. Die Drehgeberausgangssignale werdenüblicherweise zur Überwachung und/oder zur Regelung der elektrischen Maschine benötigt. Dieelektrische Maschine kann z.B. ein Elektromotor oder ein Generator sein. Sie kann eine Asyn¬chron- oder Synchronmaschine sein.

[0003] Der Drehgeber kann etwa ein Inkrementaldrehgeber sein, der beispielsweise auf einemphotoelektrischen oder magnetischen Prinzip basiert. Im ersteren Fall wird ein Lichtstrahl, der inder Regel durch eine LED erzeugt wird, durch eine mit Strichen oder Schlitzen versehene Ab¬tastplatte auf einen photooptischen Sensor, in der Regel ein Phototransistor, geleitet. Rotiert dieAbtastplatte, wird der Lichtstrahl zwischen LED und Phototransistor mithilfe der Abtastplattezyklisch moduliert. Aus dem modulierten Signal des Phototransistors lässt sich ein impulsförmi¬ges Drehgeberausgangssignal mit steigenden und fallenden Impulsflanken generieren. SolcheDrehgeber erzeugen in der Regel zumindest zwei Drehgeberausgangssignale, die auch alsSpuren bezeichnet werden, mit deren Hilfe die Drehstellungsänderung und in weiterer Folge dieDrehstellung und Rotationsgeschwindigkeit bestimmt werden können. Im oben erwähntenBeispiel der Abtastplatte können zwei Spuren etwa mithilfe von radial versetzten Folgen anSchlitzen erzeugt werden, durch die jeweils ein Lichtstrahl moduliert wird. Mithilfe mehrererSpuren lässt sich etwa auch die Drehrichtung des Drehgebers ermitteln. Des Weiteren sindInkrementaldrehgeber bekannt, welche zusätzlich bei einem vorbestimmten Drehwinkel einReferenzsignal ausgeben. Durch Auswertung dieses Signals kann der absolute Drehwinkelabgeleitet werden.

[0004] Derartige Drehgeber sind in der Lage, einen Drehwinkel mit sehr hoher Drehwinkelauflö¬sung zu erfassen, um in weiterer Folge die entsprechende Messgröße mit hoher Genauigkeit zubestimmen. Da für jeden Drehgeber die Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Drehgebersbzw. die Anzahl der Impulse pro Drehwinkelinkrement bekannt sind (so genannte „Strichzahl"des Drehgebers), ist es lediglich erforderlich, etwa die steigenden Impulsflanken des Drehge¬berausgangssignals einer ersten Spur, im Folgenden als „Spur A" bezeichnet, zu zählen. DieImpulslänge entspricht dabei einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement des Drehgebers,und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkre¬ment, sodass aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit die Drehstellungsänderung, also derDrehwinkel, und in weiterer Folge die Messgröße bestimmbar sind.

[0005] Zur Erhöhung der Auflösung können zusätzlich zu den steigenden Impulsflanken derSpur A auch die fallenden Impulsflanken der Spur A mitgezählt werden. Dadurch ergibt sichtheoretisch eine Verdopplung der Auflösung. Werden zusätzlich auch noch die steigenden undfallenden Impulsflanken einer zweiten Spur B in die Zählung miteinbezogen, ergibt sich gegen¬über der bloßen Zählung der steigenden Impulsflanken der Spur A theoretisch eine Vervierfa¬chung der Auflösung.

[0006] In der Praxis ist diese Vorgangsweise zur Erhöhung der Auflösung freilich mit Schwierig¬keiten behaftet, da die gemessene zeitliche Position der steigenden und insbesondere derfallenden Impulsflanken nicht exakt mit der theoretischen Position übereinstimmt, oder mess¬technisch nicht exakt bestimmbar ist. Dieser Sachverhalt wird auch als fehlerbehaftete Auftei¬lung der steigenden und fallenden Impulsflanken einer Spur bezeichnet. Des Weiteren unter¬liegt die Aufteilung zwischen steigenden und fallenden Impulsflanken einer Spur, sowie zwi¬schen unterschiedlichen Spuren, auch Fertigungsschwankungen des Drehgebers. Diese Ferti¬gungsschwankungen sind bei verschiedenen Drehgebern unterschiedlich, erzeugen aber inner¬halb desselben Drehgebers konstante Fehler.

[0007] Die fehlerbehaftete Aufteilung der Spuren im Drehgeberausgangssignal begrenzt dieGenauigkeit der Messgrößenermittlung, und erweist sich insbesondere bei hochdynamischenRegelungserfordernissen als problematisch. Da die auftretenden Abweichungen im Drehgeber¬ausgangssignal aufgrund des rotierenden Messsystems des Drehgebers periodisch sind, könn¬te etwa mithilfe einer Tiefpassfilterung versucht werden, die Messfehler im Drehgeberaus¬gangssignal zu reduzieren, wodurch jedoch wiederum die Regeldynamik beeinträchtigt wird.

[0008] Es ist daher das Ziel der Erfindung, mithilfe eines entsprechenden Korrekturverfahrensdie Auflösung eines Drehgebers, und somit die Genauigkeit der Ermittlung der entsprechendenMessgröße zu erhöhen, ohne dabei die Einsatzmöglichkeiten des Drehgebers im Rahmen einerhochdynamischen Regelung zu beschränken.

[0009] Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sichhierbei auf ein Korrekturverfahren für einen Drehgeber zur Bestimmung einer, mit Drehstel¬lungsänderungen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe eines impulsförmi¬gen Drehgeberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobei die Impuls¬länge einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement entspricht, und der zeitliche Abstandzwischen zwei Impulsen einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement, und aus der Anzahlder Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und die Messgröße bestimmbarsind. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die zeitliche Position dreier aufeinanderfolgender Impulsflanken gemessen wird, und anhand der ersten und dritten Impulsflanke dieRotationsgeschwindigkeit des Drehgebers ermittelt wird, und anhand der ermittelten Rotations¬geschwindigkeit eine erwartete, zeitliche Position der zweiten Impulsflanke errechnet wird, undnachfolgende Impulsflanken mit der ermittelten Abweichung zwischen der gemessenen zeitli¬chen Position der zweiten Impulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position korrigiertwerden.

[0010] Bei der ersten und dritten Impulsflanke kann es sich etwa um steigende Impulsflankenhandeln, da die steigenden Impulsflanken in der Regel messtechnisch genauer zu erfassensind.

[0011] Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gehen dabei davon aus, dass sich drehendeSysteme aufgrund des Trägheitsmoments im Allgemeinen nur träge in ihrer Rotationsgeschwin¬digkeit ändern oder ändern lassen. Sofern hinreichend kleine Zeitintervalle betrachtet werden,kann somit die Rotationsgeschwindigkeit als konstant betrachtet werden. Wird mithilfe einerZeitmesseinrichtung die Zeitdifferenz zwischen den Impulsflanken des Drehgeberausgangssig¬nals gemessen, kann aus den bekannten Gleichungen über den Zusammenhang zwischen Zeit,Drehwinkel und Rotationsgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme der Strichzahl des Drehgebersdie Rotationsgeschwindigkeit errechnet werden. Aus der Strichzahl erhält man nämlich dieDrehwinkeländerung des Drehgebers pro Zählschritt, also etwa zwischen zwei steigendenImpulsflanken des Drehgeberausgangssignals, und aus der Zeitmessung die Zeitdifferenzzwischen den beiden steigenden Impulsflanken. Aus der Division der Drehwinkeländerung undder Zeitdifferenz folgt die Rotationsgeschwindigkeit des Drehgebers. Erfindungsgemäß wird nunanhand der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit ein idealisiertes Referenzsystem konstruiert,bei dem die Aufteilung der steigenden und fallenden Impulsflanken gemäß ihrem theoretischerwarteten Wert festgelegt wird. Daraus kann eine erwartete zeitliche Position der dazwischenliegenden Impulsflanke errechnet werden, also etwa der fallenden Impulsflanke, falls zwei auf¬ einander folgende, steigende Impulsflanken für die Errechnung der Rotationsgeschwindigkeitherangezogen wurden. Die Differenz zwischen der gemessenen zeitlichen Position der zweitenImpulsflanke zu deren errechneten, zeitlichen Position ergibt einen Fehler, der bei einer alshinreichend konstant vorausgesetzten Rotationsgeschwindigkeit auch bei nachfolgenden Im¬pulsflanken zu erwarten ist, und die somit rechnerisch korrigiert werden können. Der ermittelteFehler ist dabei eine für den jeweiligen Drehgeber typische Größe, und kann etwa laufendermittelt werden. Hierfür ist lediglich die Vermessung von drei aufeinander folgenden Impuls¬flanken, also von zwei Zählschritten, notwendig, ohne dass es dabei einer absoluten Referenz¬position bedarf. Das erfindungsgemäße Korrekturverfahren ist daher insbesondere bei Inkre¬mentaldrehgebern gut anwendbar. Es kann dabei bei jedem Impuls begonnen werden, undkorrigiert auch drehgeberspezifische Veränderungen der Aufteilungsfehler, etwa im Zuge derAbnutzung des Drehgebers im Laufe der Betriebszeit. Das erfindungsgemäße Korrekturverfah¬ren korrigiert sich somit gewissermaßen selber.

[0012] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.Es zeigen hierbei die [0013] Fig. 1 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes von zwei, um 90° versetzte Spuren eines Drehgeberausgangssignals, [0014] Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung zweier Auswertemöglichkeiten der beiden

Spuren des Drehgeberausgangssignals gemäß der Fig. 1, [0015] Fig. 3 einen Vergleich zwischen dem realen Drehgeberausgangssignal (oben) und einem idealisierten Referenzsystem (unten) zur Ermittlung des Fehlers des Re¬alsystems anhand der Spur B, und die [0016] Fig. 4 eine Gegenüberstellung einer Spur des Drehgeberausgangssignals (unten) mit dem entsprechenden Zählwert (oben).

[0017] Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Wie bereits erwähnt wurde, kann ausder, für jeden Drehgeber bekannten Anzahl der Strichzahl, also der Anzahl der Impulse proUmdrehung des Drehgebers bzw. der Anzahl der Impulse pro Drehwinkelinkrement, durchAbzählen etwa der steigenden Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals einer ersten Spur,in der Fig. 1 als „Spur A" bezeichnet, der zurückgelegte Drehwinkel bestimmt werden. Die Im¬pulslänge, in der Fig. 1 mit „Periodenhälfte X2" bezeichnet, entspricht dabei einem ersten,bekannten Drehwinkelinkrement des Drehgebers, und der zeitliche Abstand zwischen zweiImpulsen, also die Differenz zwischen der in der Fig. 1 als „Periode X1" bezeichneten Intervallund der „Periodenhälfte X2", einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement. Aus der Anzahlder Impulse pro Zeiteinheit sind die Drehstellungsänderung, also der Drehwinkel, und in weite¬rer Folge die Messgröße bestimmbar. In der Fig. 1 ist des Weiteren eine zweite Spur B einge¬zeichnet, die gegenüber der Spur A um 90° versetzt ist. Mithilfe der Verwendung mehrererSpuren kann die Messgenauigkeit erhöht werden, sowie zusätzliche Information gewonnenwerden, etwa über die Drehrichtung des Drehgebers.

[0018] Zur Erhöhung der Auflösung können nun zusätzlich zu den steigenden Impulsflankender Spur A auch die fallenden Impulsflanken der Spur A mitgezählt werden, sowie die steigen¬den und fallenden Impulsflanken der zweiten Spur B. Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 2 veran¬schaulicht. 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 sowohldie steigenden und fallenden Impulsflanken der Spur A und der Spur B berücksichtigt, werdenjene Zählwerte gewonnen, wie sie in der strichliert gezeichneten Stufenlinie im unteren Teil derFig. 2 gezeigt ist. Dadurch ergibt sich gegenüber der bloßen Zählung der steigenden Impuls¬flanken der Spur A theoretisch eine Vervierfachung der Auflösung.

[0019] Wie bereits ausgeführt wurde, ist diese Vorgangsweise zur Erhöhung der Auflösung inder Praxis mit Schwierigkeiten behaftet, da die gemessene zeitliche Position der steigendenund insbesondere der fallenden Impulsflanken nicht exakt mit der theoretischen Position über¬einstimmt, oder messtechnisch nicht exakt bestimmbar ist. Daraus folgen Fehlberechnungen der zu bestimmenden Messgröße. Diese fehlerbehaftete Spuraufteilung der steigenden undfallenden Impulsflanken einer Spur ist in der Fig. 3 angedeutet. Die untere Spur der Fig. 3 zeigteine ideale Spuraufteilung, und die obere Spur eine reale Spuraufteilung, bei der die Impulslän¬ge geringfügig größer ist, und der zeitliche Abstand zwischen der fallenden Impulsflanke undder steigenden Impulsflanke des darauf folgenden Impulses entsprechend verkürzt.

[0020] Diese fehlerbehaftete Aufteilung der Spuren im Drehgeberausgangssignal begrenzt dieGenauigkeit der Messgrößenermittlung, und erweist sich insbesondere bei hochdynamischenRegelungserfordernissen als problematisch. Zur Korrektur dieser fehlerbehafteten Aufteilungwird nun das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagen, das von einer konstanten Rotati¬onsgeschwindigkeit v in ausreichend langen Zeitintervallen ausgeht. Diese Annahme ist in derRegel aufgrund der Massenträgheit der im Messsystem rotierenden Teile zutreffend, insbeson¬dere da zumeist Maschinen mit hohem Trägheitsmoment zu messen oder regeln sind. Zunächstkann dabei mithilfe einer Zeitmesseinrichtung die Zeitdifferenz ΔΤ2 zwischen zwei aufeinanderfolgenden, steigenden Impulsflanken des Drehgeberausgangssignals gemessen werden. Diesereale Zeitdifferenz ΔΤ2 ist in der Fig. 4 eingezeichnet, und ist auch in der oberen Spur der Fig. 3ersichtlich. Anhand der Zeitdifferenz ΔΤ2 wird in weiterer Folge ein idealisiertes Referenzsystemin Form der unteren Spur der Fig. 3 definiert. Aus den bekannten Gleichungen über den Zu¬sammenhang zwischen Zeit, Drehwinkel und Rotationsgeschwindigkeit kann dabei unter Zuhil¬fenahme der Strichzahl des Drehgebers zunächst die Rotationsgeschwindigkeit v errechnetwerden, da das entsprechende Drehwinkelinkrement Δγ2 bekannt ist. Dieser Zusammenhangist durch die folgende Gleichung (1) gegeben: v. ΔΤ2 = Δγ2 (1) [0021] Wäre die Spuraufteilung nicht fehlerbehaftet, könnte über eine analoge Gleichung ausder bekannten Rotationsgeschwindigkeit v die Impulslänge AT: mithilfe des entsprechendenDrehwinkelinkrements Δγ! errechnet werden. Aufgrund der fehlerbehafteten Spuraufteilung istaber der mathematische Zusammenhang gemäß Gleichung (1) für die reale, obere Spur derFig. 3 nicht exakt erfüllt, vielmehr muss folgende Gleichung (2) angesetzt werden: v. ΔΤ, + F = Ay: (2) [0022] Es lässt sich jedoch aus der Gleichung (2) der Fehler F errechnen, der der Abweichungzwischen 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, kön¬nen alle nachfolgenden Impulsflanken mit diesem, nun als Korrekturwert verwendeten Fehler Frechnerisch korrigiert werden. Es ergibt sich somit ein rechnerisch korrigiertes Drehgeberaus¬gangssignal für jede Spur, dessen steigende und fallende Impulsflanken in weiterer Folge zurErhöhung der Auflösung des Drehgebers herangezogen werden können.

[0023] Der ermittelte Fehler ist eine für den jeweiligen Drehgeber typische Größe, und kannetwa laufend ermittelt werden. Er könnte auch lediglich bei Drehbeginn ermittelt werden, oder inzeitlich festgelegten Abständen. In diesem Fall muss aber vor Korrektur einer Impulsflankefestgestellt werden, ob es sich um eine steigende oder fallende Impulsflanke handelt, und obder Korrekturwert daher zu addieren oder subtrahieren ist. Die Bestimmung des Fehlers F undsomit des Korrekturwertes für nachfolgende Impulsflanken ist jedoch sehr einfach, da hierfürlediglich die Vermessung von drei aufeinander folgenden Impulsflanken, also von zwei Zähl¬schritten, erforderlich ist. Die Ermittlung des Korrekturwertes, sowie die Korrektur nachfolgenderImpulsflanken des Drehgeberausgangssignals können daher ohne weiteres laufend erfolgen,etwa mithilfe ohnehin vorgesehener Datenverarbeitungseinrichtungen zur Signalauswertung. Eskann dabei bei jedem Impuls begonnen werden, wobei auch drehgeberspezifische Veränderun¬gen der Spuraufteilungsfehler, etwa im Zuge der Abnutzung des Drehgebers im Laufe derBetriebszeit, korrigiert werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Korrekturverfahren für einen Drehgeber zur Bestimmung einer, mit Drehstellungsänderun¬gen des Drehgebers korrespondierenden Messgröße mithilfe eines impulsförmigen Dreh¬geberausgangssignals mit steigenden und fallenden Impulsflanken, wobei die Impulslänge(ΔΤ1) einem ersten, bekannten Drehwinkelinkrement (Δγ^ entspricht, und der zeitliche Ab¬stand zwischen zwei Impulsen (ΔΤ2) einem zweiten, bekannten Drehwinkelinkrement (Δγ2),und aus der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit somit die Drehstellungsänderung und dieMessgröße bestimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Position dreieraufeinander folgender Impulsflanken gemessen wird, und anhand der ersten und drittenImpulsflanke die Rotationsgeschwindigkeit (v) des Drehgebers ermittelt wird, und anhandder ermittelten Rotationsgeschwindigkeit (v) eine erwartete, zeitliche Position der zweitenImpulsflanke errechnet wird, und nachfolgende Impulsflanken mit der ermittelten Abwei¬chung zwischen der gemessenen zeitlichen Position der zweiten Impulsflanke zu deren er-rechneten, zeitlichen Position korrigiert werden.
2. 2. Korrekturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei derersten und dritten Impulsflanke um steigende Impulsflanken handelt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen