DD282338A5

DD282338A5 - Method for increasing the resolution of an incremental position measuring system

Info

Publication number: DD282338A5
Authority: DD
Publication date: 1990-09-05

Abstract

Das Verfahren zur Erhoehung der Aufloesung eines incrementellen Wegmeszsystemes findet bei incrementellen Wegmeszsystemen hoechster Genauigkeit Anwendung. Sie werden vorzugsweise an Werkzeugmaschinen und Feinmeszeinrichtungen eingesetzt. Die Erhoehung der Aufloesung wird erfindungsgemaesz durch das besagte Verfahren, bei dem die Signale des Wegmeszsystemes in bekannter Weise in digitale Signale gewandelt und Auswahlsignale gebildet werden, dadurch geloest, dasz die digitalen Signalfolgen getrennt nacheinander, mit aufeinander folgenden Takten, in jeweils zwei in Signalfolge in Reihe liegende Register eingetragen werden, so dasz zwischen zwei Takten die Differenz zweier aufeinanderfolgender Werte am Eingang des jeweiligen nachfolgenden Komparators anliegen, und dasz die von den Komparatoren ausgehenden interpolierten Signale den Auswahlsignalen zugeordnet werden und in einer Zaehlimpulsbildungseinheit die entsprechenden Vor- beziehungsweise Rueckwaertsimpulse gebildet werden. Fig. 1{incrementelles Wegmeszsystem; erhoehte Aufloesung; Signalumbildung; digitale Signale; Signalfolgentrennung; Taktung; Register; Zaehlimpulsbildung}The method for increasing the resolution of an incremental path measuring system is used in incremental path measuring systems of the highest accuracy. They are preferably used on machine tools and Feinmeszeinrichtungen. The increase in resolution is achieved according to the invention by the said method in which the signals of the Wegmeszsystemes in a known manner converted to digital signals and selection signals are formed, dasz the digital signal sequences separately successively, with successive clocks, in each two in the signal sequence in Registered rows so that between two clocks abut the difference of two successive values at the input of the respective subsequent comparator, andz that the interpolated signals from the comparators are assigned to the selection signals and in a count pulse forming unit, the respective forward and backward pulses are formed. Fig. 1 {incremental Wegmeszsystem; increased resolution; Signalumbildung; digital signals; Signal sequence separation; clocking; Register; Zaehlimpulsbildung}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung findet Anwendung bei inkrementellen Wegmeßsystemen höchster Genauigkeit, die vorzugsweise an Werkzeugmaschinen und Feinmeßeinrichtungen verwendet werden.The invention finds application in high precision incremental displacement measuring systems which are preferably used on machine tools and precision measuring devices.

Characteristic of the known state of the art

Inkrementell Wegmeßsysteme sind dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei quasi sinusförmige Signale, welche um 90° zueinander versetzt sind, liefern. Die jeweilige Lage dieser beiden Signale zueinander gibt die Bewegungsrichtung des Meßsystemes an, die Anzahl der gelieferten Signalperioden verkörpert den zurückgelegten Weg.Incremental position measuring systems are characterized in that they provide two quasi-sinusoidal signals, which are offset by 90 ° to each other. The respective position of these two signals to each other indicates the direction of movement of the measuring system, the number of delivered signal periods embodies the path traveled.

Bekannt ist die Unterteilung der Signalperioden durch Auswertung der O-Durchgänge und der Punkte betragsmäßiger Gleichheit beider Signale. Damit ist eine achtfache Unterteilung der Periode möglich.Known is the subdivision of the signal periods by evaluating the O-passages and the points of equal magnitude of both signals. Thus, an eightfold subdivision of the period is possible.

Durch Beaufschlagen der Signale mit bestimmten Faktoren kann bei diesem Verfahren eine weitere Unterteilung mit vertretbarem Aufwand bis zum Teilungsfaklor 16 durchgeführt werden (DD-PS 121178).By applying the signals with certain factors, a further subdivision can be carried out with reasonable effort up to the division factor 16 in this method (DD-PS 121178).

In der Lösung nach der DE-OS 1548692 werden trigonometrische Beziehungen ausgenutzt, um die Periode durch phasenverschobene Hilfssignale zu unterteilen. Jede Unterteilung um einen weiteren Faktor 2 bedeutet einen weiteren Aufwand oder größere Rechenzeit.In the solution according to DE-OS 1548692 trigonometric relationships are exploited to divide the period by phase-shifted auxiliary signals. Each subdivision by a further factor 2 means a further effort or greater computing time.

Ähnlich verhält es sich bei der Lösung nach der DE-OS 2212220, bei der die Beziehung sin 2ü)t = 2sincut coscot und cos 2cot = cos²(üt - sin²üJtThe situation is similar in the case of the solution according to DE-OS 2212220, in which the relationship sin 2π) = 2sincut coscot and cos 2cot = cos ² (üt-sin ² )

zur η-fachen Halbierung der Periodenlänge η mal hintereinander angewendet wird.for the η-fold halving of the period length η times in succession is applied.

Auch die Modulation der Meßkopfsignale mit HF-Trägern und der Phasenvergleich des modulierten mit einem HF-Bezugssignal gestattet gemäß der DE-AS 1291776 die Interpolation der Maßstabsperiode.The modulation of the Meßkopfsignale with RF carriers and the phase comparison of the modulated with an RF reference signal allowed in accordance with DE-AS 1291776, the interpolation of the scale period.

In der Lösung nach der DD-PS 139372 wird ein rechnergestütztes Verfahren beschrieben, bei dem die Signale normiert, digitalisiert und an den Interpolationsstellen mit Soll-Werten verglichen werden.In the solution according to DD-PS 139372 a computer-assisted method is described in which the signals are normalized, digitized and compared at the interpolation points with desired values.

Bekannt ist eine Lösung (DD-PS 203137), bei der wird zum Vergleich der Signalgrößen mit einem Soll-Wert von den beiden etwa 90grd phasenverschobenen Signalen nur das Gebiet der Signale, in dem noch ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen Weg und Signalamplitude besteht, zur Auswertung herangezogen.A solution is known (DD-PS 203137), in which is to compare the signal sizes with a desired value of the two approximately 90grd phase-shifted signals only the field of the signals in which there is an approximately linear relationship between path and signal amplitude to Evaluation used.

Allen diesen genannten bekannten Lösungen gemeinsam ist, daß die Steigerung der Interpolationsrate entweder mit einer Vervielfachung des Hardwareaufwandes oder mit einer Vielzahl von Rechenoperationen mit merklicher Zeitdauer verbundenWhat is common to all these known solutions is that the increase in the interpolation rate involves either a multiplication of the hardware expenditure or a large number of arithmetic operations with appreciable time duration

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist e:in Verfahren zur Erhöhung der Auflösungeines inkrementellen Wegmeßsystems, das die genannten Nachteile der bekannten Lösungen nicht aufweist und mit geringe-n technisch-ökonomischen Aufwand herstellbar ist.The aim of the invention is e: in methods for increasing the resolution of an incremental position measuring system, which does not have the mentioned disadvantages of the known solutions and can be produced with little technical and economic effort.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung eines inkrementellen Wegmeßsystemes zu schaffen, bei dem gegenüber den bekannten Lösungen die Auflösung wesentlich verbessert, die interpolierten Positionen mit geringster Zeitverzögerung zur Verfügung stehen und das mit geringem technisch-ökonomischem Aufwand durchführbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung eines inkrementellen Wegmeßsystemes, bei dem in bekannter Weise die beiden sinusförmigen Signale in eine Folge digitaler Signale umgewandelt l nd jede PeriodeThe invention has for its object to provide a method for increasing the resolution of an incremental position measuring system, in which compared to the known solutions significantly improves the resolution, the interpolated positions with the least time delay are available and which can be carried out with low technical and economic effort. According to the invention, the object is achieved by a method for increasing the resolution of an incremental position measuring system in which, in a known manner, the two sinusoidal signals are converted into a sequence of digital signals and each period

durch Vergleich der absoluten Beträge, unter Zuhilfenahme der Funktionen -sin und -cos, in vier quasi lineare Abschnitte, die Auswahlsignale, unterteilt wird, dadurch gelöst, daß die digitalen Signalfolgen getrennt für sin und cos nacheinander, mit aufeinanderfolgenden Takten, in jeweils zwei in Sigrialfolge in Reihe liegende Register eingetragen werden, so daß zwischen zwei Takten die Differenz zweier aufeinander folgender Werte am Eingang des jeweiligen nachfolgenden Komparators anliegen, daß die am Ausgang der Komparatoren für die Dauer von t_n bis t„ + ι anliegenden vier interpolierten Signale Jnd die vier Auswahlsignale einer Zählimpulsbildungseinheit zugeleitet und in dieser durch Zuordnung der vier interpolierten Signalo zu den vier Auswahlsignalen Vor- beziehungsweise Rückwärtsimpulse gebildet werden, die wiederum einem Zähler zugeführt werden.by comparing the absolute amounts, with the aid of the functions -sin and -cos, into four quasi-linear sections, the selection signals is divided, solved in that the digital signal sequences separated for sin and cos successively, with successive clocks, in each case two in Sigrialfolge in register registers are entered, so that lie between two clocks, the difference between two successive values at the input of the respective subsequent comparator that the four interpolated signals Jnd the output of the comparators for the duration of t _n to t "+ ι four selection signals are fed to a Zählimpulformseinheit and formed in this by assigning the four interpolated Signalo to the four selection signals forward and reverse pulses, which in turn are supplied to a counter.

Ausführungsbeispiel 'Exemplary embodiment

Die Verfahrensschritte des Verfahrens zur Erhöhung der Auflösung eines inkrementellen Wegmeßsystemes werden an einer in den Zeichnungen dargestellten Schaltungsanordnung näher erläutertThe method steps of the method for increasing the resolution of an incremental position measuring system are explained in more detail on a circuit arrangement shown in the drawings

Es zeigen: Show it:

Fig. 1: eine SchaltungsanordnungFig. 1: a circuit arrangement

Fig.2: den inneren Aufbau einer Interpolationseinheit und2 shows the internal structure of an interpolation unit and

Fig.3: das Impulsbild des Taktgebers.3: the pulse image of the clock.

Die von einem inkrementellen Wegmeßsystem gelieferten sin- und cos-Signale werden im Verstärker 1 verstärkt auf das für die anschließende Analog-Digital-Wandlung erforderliche Potential gebracht. Die Signale werden dabei einer Gleichspannung überlagert, welche so ausgelegt ist, daß sie dem halben Aussteuerbereich des Analog-Digital-Wandlers 2 entspricht. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt mittels eines schnellen Analog-Digital-Wandlers 2 mit zum Beispiel 6 bit Datenbreite, der gesamte Bereich zwischen U_max und U_m;_n wird in diesem Fall in 64 Werte unterteilt. Die Umschaltpunkte der angenähert linearen Bereiche liegen jeweils bei 45,135,225,315grd, der Wertebereich für je einen angenähert linearen Bereich beträgt:The sin and cos signals supplied by an incremental measuring system are amplified in the amplifier 1 to the potential required for the subsequent analog-to-digital conversion. The signals are superimposed on a DC voltage which is designed so that it corresponds to half the control range of the analog-to-digital converter 2. The analog-to-digital conversion takes place by means of a fast analog-to-digital converter 2 with, for example, 6-bit data width, the entire range between U _max and U _m ; _n is divided into 64 values in this case. The switching points of the approximately linear ranges are each at 45.135.225.315grd, the value range for each approximately linear range is:

η = 2 x 32 x sin45grd = 45 Für die gesamte Periode ergeben sich somit:η = 2 x 32 x sin45grd = 45 For the entire period we get:

4 χ 45 = 180 verschiedene Digitalwerte.4 χ 45 = 180 different digital values.

Zur Ermittlung der Umschaltpunkte werden neben den beiden Grundfunktionen sin und cos auch die Funktionen -sin und -cos verwendet. Durch die Lage der Sinus- bzw. Cosinusfunktion innerhalb des digitalen Wertebereichs (32 = Nullage), werden die negativen Funktionen durch einfache Komplementbildung der Ausgangswerte der beiden Analog-Digital-Wandlungen in dem Komplementbildner 3 gewonnen. Für die Auswahl je eines der vier angenähert linearen Funktionsbereiche werden vier Auswahlsignale A, B, C, D in einer Auswahleinheit 4 gebildet. Für die Bildung der vier Auswahlsignale A, B, C und D werden nur die positiven Tei'e der sinusförmigen Funktionen herangezogen, d. h. Bedingung ist für alle Funktionen das most significant Bit= 1.To determine the switching points, the functions -sin and -cos are used in addition to the two basic functions sin and cos. Due to the position of the sine or cosine function within the digital value range (32 = zero position), the negative functions are obtained by simple complementation of the output values of the two analog-to-digital conversions in the complementer 3. For selecting one of the four approximately linear functional regions, four selection signals A, B, C, D are formed in a selection unit 4. For the formation of the four selection signals A, B, C and D, only the positive parts of the sinusoidal functions are used, i. H. Condition is the most significant bit = 1 for all functions.

Die Auswahlsignale werden in der Auswahleinheit 4 durch digitale Komparatoren und entsprechende Verknüpfungslogik gewonnen. Es werden folgende log.sehe Funktionen realisiert:The selection signals are obtained in the selection unit 4 by digital comparators and corresponding logic logic. The following log.sehe functions are realized:

A = cos > sin vcos > -sin B = sin> cosvsin > -cos C = -cos > sinv-cos > -sin D = -sin > -cosv-sin > cosA = cos> sin vcos> -sin B = sin> cosvsin> -cos C = -cos> sinv-cos> -sin D = -sin> -cosv-sin> cos

Di) Bildung von vier interpolierten Signalen A1, B1.C1 und D1 erfolgt in der Interpolationseinheit 5. Im Ausführungsbeispiel wird der mögliche Wechsel der digitalen Werte von 45 innerhalb eines angenähert linearen Abschnittsauf die Hälfte reduziert, d. h., das last significant Bit der digitalisierten Funktionen sin und cos wird nicht ausgewertet. Zur Erläuterung der Funktion der Interpolationseinheit F< ist diese in Fig. 2 im Detail dargestellt.Di) Formation of four interpolated signals A1, B1.C1 and D1 takes place in the interpolation unit 5. In the exemplary embodiment, the possible change of the digital values of 45 within an approximately linear section is reduced to half, i. h., the last significant bit of the digitized functions sin and cos is not evaluated. To explain the function of the interpolation unit F <this is shown in Fig. 2 in detail.

Gesteuert wird die Bildung der interpolierten Signale A i, 31, C1 und D1 durch einen Taktgeber 6, der an seinem Ausgang T1 einen Impuls W1 und an seinem Ausgang T2 die Impulse W21 und W22 erzeugt (Fig.3). Der Impuls W1 wird dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 2, der Impuls W21 den Registern RS1 und RC1 und der Impuls W22 den Registern RS 2 und RC 2 kugeLitet.The formation of the interpolated signals A i, 31, C1 and D1 is controlled by a clock generator 6, which generates at its output T1 a pulse W1 and at its output T2 the pulses W21 and W22 (FIG. The pulse W1 is the output of the analog-to-digital converter 2, the pulse W21 the registers RS1 and RC1 and the pulse W22 the registers RS 2 and RC 2 kugeLitet.

Mit α ά ansteigenden Flanke von T1 liegt der aktuelle Digitalwert am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers an, das System hat anschließend eine halbe Periode von T1 Zeit zum Einschwingen. Mit der ansteigenden Flanke von T2 wird der Digilalwert in den Registern RS1 und RC1, mit der abfallenden Flanke in den Registern RS2 und RC 2 übernommen. Sind die aufeinanderfolgenden Digitalwerte unterschiedlich, dann bilden die beiden Komparatoren KS und KC Signale von der halben Periodenlänge von T?. Für die interpolierten Signale A1, B1.C1 undD1 gilt folgendes:With α ά rising edge of T1, the current digital value at the output of the analog-to-digital converter is present, the system then has half a period of T1 time to settle. With the rising edge of T2, the digital value in registers RS1 and RC1 is taken over, with the falling edge in registers RS2 and RC2. If the successive digital values are different, then the two comparators KS and KC form signals of half the period length of T ?. The following applies to the interpolated signals A1, B1.C1 and D1:

A1 = sintO < sinti (Sinus steigend) B1 = sintO > sinti (Sinus fallend» C1 = costO <cost1 (Cosinus stehend) DI = costO >cost1 (Cosinus teilend)A1 = sintO <sinti (sine rising) B1 = sintO> sinti (sine falling »C1 = costO <cost1 (cosine standing) DI = costO> cost1 (cosine dividing)

bezogen auf die positive Bewegungsrichtung.related to the positive direction of movement.

Mit diesen interpolierten Signalen AI₁B1, C1 und D1 sowie den Auswahlsignalen A, B, C und D werden in der Zählimpulsbildungseinheit 7 Vor- beziehungsweise Rückwärtsimpulse V und R nachWith these interpolated signals AI ₁ B1, C1 and D1 and the selection signals A, B, C and D in the Zählimpulsbildseinheit 7 forward or backward pulses V and R after

V = (A · a)(B · d)(C · b)(D · c) R = (A · b)(B · c)(C · a)(D · d)V = (A ·a) (B ·d) (C ·b) (D ·c) R = (A ·b) (B ·c) (C ·a) (D ·d)

gebildet.educated.

Die Vor- undRückwärtsimpulse.V und R werden einem dualen Zähler 8 zugeführt, dessen aktueller Stand die jeweilige Lage des inkrementellen Meßsystems widerspiegelt. Mit der gewählten Anzahl von 22 Impulsen pro Periodenabschnitt ergibt sich der aktuelle Zählerstand zu:The forward and backward pulses V. and R are applied to a dual counter 8, the current state of which reflects the particular position of the incremental measuring system. With the selected number of 22 pulses per period section, the current counter reading is:

Z = 88N + nZ = 88N + n

mit N = Anzahl der Eingangsperiodenwith N = number of input periods

η = Anzahl der einer Teilperiode entsprechenden Impulse.η = number of pulses corresponding to one sub-period.

Bei dem Ausführungsbeispiel wurde für die Interpolationsimpulsbildung nur die Sinus- und Cosinusfunktion herangezogen, ebenso k'Jnnten die angenähert linearen Teile von -sin und -cos hierfür Verwendung finden.In the exemplary embodiment, only the sine and cosine functions were used for the interpolation pulse formation, likewise the approximately linear parts of -sin and -cos could be used for this purpose.

Claims

Method for increasing the resolution of an incremental position measuring system, in which, in a known manner, the two sinusoidal signals are converted into a sequence of digital signals, and each period is converted into four quasi-linear sections by comparing the absolute values, with the aid of the functions -sin and -cos Selection signals, is divided, characterized in that the digital signal sequences separately for sin and cos successively, with successive clocks, in each case in two signal sequence in series registers (RS 1, RS2, RC1, RC2) are entered, so that between two clocks the difference between two consecutive values at the input of the respective following comparator (KS, KC) concern that the output of the comparators (KS, KC) are _n for the duration of t _{n +} ^ accompanying four interpolated signals (A1, B1, C1, D1) and the four selection signals (A, B, C, D) of a Zählimpulsbildseinheit (7) and fed therein by assigning the four int Erpolierten signals (A 1, B1, C1, D1) to the four selection signals (A, B, C, D) forward or backward pulses (V, R) are formed which in turn are supplied to a counter (8).

For this

2 pages drawings