CH628426A5

CH628426A5 - Verfahren und vorrichtung zur kompensation fehlerhafter signalparameter.

Info

Publication number: CH628426A5
Application number: CH616678A
Authority: CH
Inventors: Ernst Schwefel
Original assignee: Heidenhain Gmbh Dr Johannes
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1978-06-06
Publication date: 1982-02-26
Also published as: IT1115408B; ATA377478A; GB2086039A; GB2000589A; US4225931A; FR2396270B1; GB2086039B; DE2729697A1; JPS5419773A; FR2396270A1; IT7812679A0; GB2000589B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation fehlerhafter Signalparameter von mindestens einem periodischen Analogsignal einer digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmesseinrichtung, bei welcher jedes Analogsignal durch Abtastung einer Teilung mittels einer Abtasteinheit gewonnen wird.

Digitale Messeinrichtungen, von denen die Erfindung ausgeht, liefern bekanntlich Impulse, deren Anzahl ein Mass für die lineare Verschiebung oder den Drehwinkel darstellt. Die Impulse werden in einem elektronischen Vor-/Rückwärtszäh-ler als Wegelemente aufsummiert und der Messwert numerisch angezeigt. Diese Impulse werden durch Auswertung der in der Abtasteinheit gewonnenen periodischen Analogsignale erzeugt, die aber bezüglich ihrer Signalparameter (z.B. Gleichspannungsanteil, Amplitudengleichheit und Phasendifferenz) fehlerbehaftet sein können. Derartige fehlerhafte Signalparameter können unter anderem durch eine fehlerhafte Abtastung einer Teilung bzw. durch eine fehlerhafte Teilung selbst verursacht werden und sind der Messgenauigkeit bei derartigen Präzisionsmesseinrichtungen abträglich.

Das Auflösungsvermögen solcher Messeinrichtungen ist durch die Gitterkonstante der benutzten Teilungen begrenzt. Es wurden bereits Anstrengungen unternommen, bei digitalen Messeinrichtungen insbesondere durch elektronische Massnahmen kleinere Digitaischritte zu erreichen.

Bei einer bekannten Anordnung zur Interpolation - wie sie am häufigsten eingesetzt wird — sind die zueinander phasenverschobenen Analogsignale (Primärsignale) an eine Widerstandskette gelegt, die eine Reihe einstellbarer Potentiometer aufweist. Durch Abgriff der Potentiometer können eine Vielzahl von Sekundärsignalen erzeugt werden, die zwischen den Primärsignalen liegen und somit eine Interpolation ermöglichen (z.B. CH-PS 407 569).

Anordnungen mit Widerstandsnetzwerken zum Erzeugen von Sekundärsignalen lassen bei der praktischen Anwendung keinen hohen Unterteilungsfaktor zu. Der hierfür erforderliche Schaltungsaufwand, der mit zunehmendem Unterteilungsfaktor enorm ansteigt, setzt einer breiten Anwendung insbesondere in konstruktiver, fertigungstechnischer und kostenmässi-ger Hinsicht Grenzen.

Aus der US-PS 3 618 073 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkellage zwischen dem Rotor und dem Stator eines Synchros bekannt, bei der drei jeweils um 12° gegeneinander phasenverschobene Analogsignale des Stators demoduliert werden und eine logische Schaltung eine geeignete Kombination zweier Analogsignale auswählt, die einen Winkelsektor kennzeichnen. Die ausgewählten Analogsignale werden mittels eines Umsetzers digitalisiert und einem Prozessor zur Berechnung von Winkelwerten innerhalb eines Segments zugeleitet, die in digitaler Form angezeigt werden können. Die Genauigkeit dieser Winkelwerte ist aber von der Güte der Signalparameter der Analogsignale abhängig.

Mit steigendem Unterteilungsfaktor erhöhen sich somit die Anforderungen an die Güte der Analogsignale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation fehlerhafter Signalparameter von periodischen Analogsignalen anzugeben, die mit einfachen Mitteln die Erzeugung optimaler Signalparameter erlauben, so dass auch bei hohem Unterteilungsfaktor exakte Messergebnisse erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss im wesentlichen dadurch gelöst, dass das Analogsignal mittels eines Umsetzers digitalisiert wird, dass diese Digitaldaten einem Digitalrechner zugeführt werden, dass in einem mit dem Digitalrechner verbundenen Speicher vorab ermittelte Korrekturwerte der Signalparameter herangezogen werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass unabhängig von der Güte der Teilung bzw. von der Güte der Abtastung der Teilung die Gewinnung optimaler Signalparameter ermöglicht wird; die Anforderungen an die Güte der Teilung bzw. an die Güte der Abtastung der Teilung können wesentlich reduziert werden. Des weiteren sind der Erhöhung des Unterteilungsfaktors bei einer Interpolation praktisch keine Grenzen gesetzt, so dass die Auflösung der Messeinrichtung ohne Einbusse an Messgenauigkeit wesentlich gesteigert werden kann.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist im abhängigen Anspruch 2 angegeben, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anwendung des Verfahrens sind in den unabhängigen Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet.

Anhand der Zeichnung werden Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Kompensations- und Interpolationsanordnung mit Digitalrechner,

Fig. 2 eine Anordnung wie Fig. 1, jedoch mit anderem Umsetzer zum Erzeugen von Digitalwerten,

Fig. 3 eine Kompensations- und Interpolationsanordnung, die auch bei Bewegung der Messeinrichtung funktionsfähig ist.

In Fig. 1 ist mit G/M eine lineare inkrementale Messeinrichtung bezeichnet. G bezeichnet die Abtasteinheit, M den Gittermassstab. Die vorgenannten Teile G/M können am Bett bzw. am Schlitten z.B. einer Bearbeitungs- oder Messmaschine angebracht sein. Die Abtasteinheit G und der Massstab M sind in der gezeigten Pfeilrichtung relativ zueinander verschiebbar.

Die Abtasteinheit G enthält eine Gitterabtastplatte, eine Beleuchtungseinrichtung und Fotoelemente, die den an den Gittern modulierten Lichtstrom in sinusförmige, 90° zueinander phasenversetzte elektrische Ausgangssignale S, und S2 (sin

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x und cos x) umformen. Die Analogsignale Si und S2 werden Verstärkern Vj und V2 sowie Triggern und T2 zugeführt und in Rechtecksignale S/ und S2' umgeformt. RI bezeichnet einen Richtungsdiskriminator, Z einen elektronischen Vor-/Rückwärtszähler, der vom Richtungsdiskriminator RI er- 5 zeugte Impulse vorzeichenrichtig zählt.

Messeinrichtungen der vorstehend beschriebenen Art sind allgemein bekannt und bedürfen deshalb keiner näheren Erläuterung.

Zur Interpolation, d.h. zur Unterteilung, einer Signalperiode 10 in eine Vielzahl von Digitalschritten wird ein Digitalrechner R verwendet. Bevorzugt findet dabei ein Mini- oder Microcomputer Anwendung.

In Fig. 1 werden mittels bekannter Analog-/Digitalumset-zer Ui und U2 die Analogsignale S! und S2 digitalisiert und die 15 Digitalwerte in den Rechner R zur Errechnung von Interpolationswerten innerhalb einer Signalperiode eingegeben. In den Rechner R wird auch das Zählergebnis des Vor-/Rückwärts-zählers Z und ein binäres Steuersignal S2' eingespeist. An der Anzeigeeinheit A können Positionswerte, die die jeweilige Re- 20 lativlage von Massstab M und Abtasteinheit G angeben, in numerischer Form abgelesen werden. Der Rechner R bewirkt dabei eine Synchronisation zwischen der Anzeige der Werte der vollen Signalperiode und der Interpolationswerte.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Schaltung zum Digitalisieren 25 der Analogsignale Si und S2. Die Schaltung enthält einen vom Rechner R (zweckmässig Mikroprozessor) gesteuerten Digital-/Analogumsetzer U3, dessen Ausgang zusammen mit den verstärkten Analogsignalen Sj und S2 an die Eingänge von Differenz-Triggern T3 und T4 gelegt ist. Die Ausgänge der 30 Trigger T3 und T4 sind am Rechner R angeschlossen. Derartige Schaltungen zum Digitalisieren sind an sich bekannt und beschrieben z.B. auf Seite 52 der Druckschrift «MCS-4 Microcomputer Set» der Firma Intel Corporation, Santa Clara;

Users Manual, September 1974, Rev. 5, Second Printing. 35

Die Digitalisierungs-Schaltung nach Fig. 2 bietet den Vorteil einer besonders einfachen und preiswerten Herstellung der Interpolationsanordnung.

Die Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die eine Interpolation auch während der Bewegung der Messeinrichtung 40 G/M gestattet. Dem Analog-/Digitalumsetzer U4 ist eine sogenannte Sample and Hold-Schaltung SPls SP2 vorgeschaltet. Weitere Speic.her (Digitalspeicher) SP3 und SP4 finden sich noch in den Leitungen zwischen Rechner R und Trigger T2 bzw. Rechner R und Vor-/Rückwärtszähler Z. Die Speicher SP,, SP2, SP3 und SP4 werden im Ausführungsbeispiel über den Rechner R gesteuert. Es ist selbstverständlich, dass die Steuerung der vorgenannten Speicher SPX, SP2, SP3 und SP4 auch über einen externen Befehl erfolgen kann.

Die Schaltung nach Fig. 3 kommt auch mit nur einem Ana-log-/Digitalumsetzer U4 aus. Zwischen den Speichern SPa und SP2 und dem Umsetzer U4 ist ein elektronischer Schalter W vorgesehen, welcher, gesteuert über den Rechner R, die Speicher SPj und SP2 wechselweise an den Umsetzer U4 an-schliesst.

Insbesondere bei einem hohen Unterteilungsfaktor, der durch den Rechner R realisierbar ist, wird zweckmässig vor Anwendung des Interpolationsalgorithmus an den Digitalwerten noch eine erfindungsgemässe Korrektur vorgenommen. Zweckmässig werden bei fehlerhaften Signalparametern die aus den Analogsignalen St und S2 gebildeten Digital werte noch korrigiert, vorzugsweise auf Symmetrie, Amplitudengleichheit und 90°-Phasenversatz. Die Korrekturwerte werden dabei als Korrekturtabelle im Rechner R eingespeichert.

Die Berechnung der interpolierten Positionswerte P kann z.B. im Rechner R nach der Formen geschehen:

N ist in der Formel der Unterteilungsfactor

Usin bzw. Ucos sind Momentanwerte der Spannungen der Ausgangssignale

Die entsprechende Programmierung des Rechner R ist dem Fachmann geläufig und bedarf somit keiner näheren Erläuterung.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene lichtelektrische Messsystem beschränkt, sondern kann selbstverständlich auch in Verbindung mit induktiven, magnetischen, kapazitiven Messsystemen eingesetzt werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch nicht darauf beschränkt, dass die Analogsignale etwa sinusförmig sind, sondern es ist auch z.B. bei dreieckförmigen Signalen anwendbar.

P = ^-arctan-^_

2-t Ucos falls Usin < Ucos beziehungsweise

P — arc cot ^cos 2^ Usin s

3 Blatt Zeichnungen

Claims

628 426 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Kompensation fehlerhafter Signalparameter von mindestens einem periodischen Analogsignal einer digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmesseinrichtung, bei welcher jedes Analogsignal durch Abtastung einer Teilung mittels einer Abtasteinheit gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Analogsignal (Sl5 S2) mittels eines Umsetzers (Ul5 U2; U3, T3, T4; U4) digitalisiert wird, dass diese Digitaldaten einem Digitalrechner (R) zugeführt werden, dass in einem mit dem Digitalrechner (R) verbundenen Speicher vorab ermittelte Korrekturwerte abgespeichert sind und dass diese Korrekturwerte zur Kompensation der Signalparameter herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abtastung Momentanwerte der elektrischen Analogsignale (Si, S2) jeweils in einem Analogspeicher (SPi, SP2) nach Abruf durch den Digitalrechner (R) gespeichert werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analog-/Digital-umsetzer (Ul5 U2; U3, T3, T4; U4) und ein mit einem Speicher verbundener Digitalrechner (R) vorgesehen sind.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einer Längen- oder Winkelmesseinrichtung, bei welcher mittels des Digitalrechners (R) Interpolationswerte innerhalb einer Signalperiode wenigstens eines Analogsignals (Sa, S2) gebildet werden und wobei vor Durchführung des Interpolationsvorganges zur Kompensation fehlerhafter Signalparameter der Digitalrechner (R) die Digitaldaten des Analogsignals (S1; S2) mit den als Korrekturwerte abgespeicherten Digitaldaten beaufschlagt.