DD291147A5 - Verfahren zur umformung sinusaehnlicher sensorsignale eines positionsmesssystems hoher aufloesung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Umformung sinusaehnlicher Sensorsignale eines Positionsmeszsystems hoher Aufloesung fuer grosze Verfahrgeschwindigkeit. Durch versetzte Maszstabteilungsabtastung werden aus mehreren Sensorsignalen in zugeordneten Modulationszweigen mit einer Teilerschaltung diskrete Teilsignale gebildet, die taktweise von Abgriffschaltern in Abhaengigkeit einer Traegerfrequenz aktiv geschaltet und durch Addition ein treppenfoermiges, einem sinusfoermigen Verlauf angenaehertes Produktsignal mit vom Sensorsignal abhaengiger Amplitude und vom Traegersignal abhaengiger Frequenz erzeugt wird. Zur besseren Annaeherung des Produktsignals an die Sinusform sind hohe Approximationsschrittzahlen erforderlich, die ohne Erhoehung der Schaltfrequenz der Abgriffschalter dadurch erreicht werden, dasz eine Gruppe von hintereinanderliegenden durch die Teilerschaltung gebildeten Teilsignalen parallel von einer Abgriffschaltergruppe aktiv geschaltet werden. Dabei wird taktgesteuert die Konfiguration der angeschalteten Abgriffschaltergruppe durch gleichzeitiges Schalten mehrerer Abgriffschalter geaendert.{Positionsmeszsystem; versetzte Maszstabteilungsabtastung; Modulationszweig; Teilerschaltung; diskrete Teilsignale; taktgesteuerte Abgriffschalter; treppenfoermige Produktsignale; angenaeherter Sinusverlauf}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung sinusähnlicher Sensorsignale eines Positionsmeßsystems hoher Auflösung für große Verfahrgeschwindigkeit, wobei mit versetzter Maßstabteilungsabtastung mehrere Sensorsignale abgenommen und aus ihnen in zugeordneten Modulationszweigen mit einer Teilerschaltung diskrete Teilsignale gebildet werden, die taktweise von Abgriffschaltern in Abhängigkeit einer Trägerfrequenz aktiv geschaltet werden und durch Addition ein treppenförmiges einem sinusförmigen Verlauf angenähertes Produktsignal mit vom Sensorsignal abhängiger Amplitude und vom Trägersignal abhängiger Frequenz erzeugt wird. Die in den Modulationszweigen gebildeten Produktsignale werden zu einem Positionssignal zusammengefaßt, dessen Phasenwinkel bezogen zum Trägersignal die Position abbildet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der DD-PS 246615 !st eine Schaltungsanordnung zur phasenmodulierten Umformung von Sensorsignalen, insbesondere von Sinus/Kosinus-Ftastermaßstababtastsignalen in ein Wegmeßsignal bekannt. Es sind dafür zwei Modulationszweige vorgesehen, wobei in jedem dieser eine Abtast- und Sensorsignalerzeugungsschaltung sowie ein Produktbildner enthalten sind.

Die Ausgangesignate der Modulationszweige werden zu olnem phasenmodulierten Signal addiert, dessen Phasenwinkel die Wegstelle des Rastermaßstabos abbildet. Die Produktbildnerschaltung umfaßt eine Hüllkurvenschaltung, eine Signalteilerschaltung, Abgriffschalter einschließlich einer Aktivierungsschaltung für die Abgriffschalter sowie einen Summator mit nachgeschaltetem Filterglied. Das sinusförmige Signalprodukt wird dabei mit einer festen driftfroien Phasenlage zum vom Systemtakt abgeleiteten Trägersignal erzeugt, was für eine genaue absolute Positionsermittlung mittels Meßwertinterpolation in der Maßstabteilungsperiode erforderlich ist. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Sensorteilsignale wird das zu erzeugende

sinusförmige Produktsignal ausreichend stetig aus der Trögersignalwelle und dem Sensorsignal approximiert. Aus demtreppenförmig verlaufenden Signal wird durch die nachgeschalteten Filter ein verbessertes stetiger verlaufendes

Näherungssignal erreicht. Dieses verbesserte, stetige Näherungssignal ist die Voraussetzung dafür, daß die nachfolgende Moßwertinterpolation mit einem hohen Intorpolationsfaktor realisiert werden kann. Jede Filterschaltung führt aber ihrerseits, je

größer ihre Wirkung ist, zu Phasenfehlorn, die temperatur- und frequenzabhängig unterschiedlich groß sind und dadurch schwerkorrigierbare Wegmeßfehler hervorrufen. Die Erhöhung der Meßauflösung durch Anwendung eines erhöhten

Interpolationsfaktors ohne dominierende zusätzliche Filterglieder kann aber nur dann zum Erfolg führen, wenn bereits die Produktsignale wesentlich besser an die Sinusform approximiert werden. Die Erhöhung der Schrittzahl für die Approximation

orfordert, sofern die Meßdynamik nicht verschlechtert werden soll, daß die Schaltfroquenz der Abgriffschalter um den gleichen

Faktor wie die Approximationsschrittzahl erhöht werden muß. Diesem Lösungsweg sind bisher mit Erreichen der Grenzschaltfrequenz der Abgriffschalter Grenzen gesetzt. Andererseits ist es bekanntermaßen möglich, die Wegauflösung bei gleichbleibendem Interpolationsfaktor durch Verkleinerung

der Maßstabteilungsperiode zu erhöhen. Das führt bei der maximalen Bewegungsgeschwindigkeit des Meßobjektes zu einemvergrößerten Frequenzhub des phasenmodulierten Positlonsmeßsignalc. Daraus resultiert die Forderung nach einer höheren

Trägersignalfrequenz, um den relativen Frequenzhub für die zulässige maximale Bewegungsgeschwindigkeit konstant halten zu

können. Der Erzeugung einer höheren Trägersignalfrequenz sind aber dadurch Grenzen gesetzt, daß die Bedingung einerdriftfreien Phasenlage dor Trägersignalfrequenz zum Systemtakt nur auf quasi digitaler Basis realisierbar ist und insbesonderedie dafür erforderlichen Abgriffschalter (Signalschalter) an die Grenze ihrer Schaltfrequenz kommen.

Mit dem bekannten Stand der Technik (DD 246615) läßt sich deshalb bei hohen Genauigkeitsanforderungen, wie z. B. Meßmaschinen mit einer Wegauflösung von 0,1 Mikrometer, nur eine Bewugungsgeschwindigkeit von etwa 2 bis 3 Meter pro Minute erreichen. Wegauflösungen von 0,1 Mikrometer und Bewegungsgeschwindigkeit von 15 Meter pro Minute, wie dies für Bahnsteuerungen

moderner Werkzeugmaschinen gefordert wird, lassen sich mit den bekannten Steuerungen im durchgängigen Echtzeitbetiebnicht realisieren.

Zur Überwindung der mit den bekannten technischen Mitteln erreichten Grenze hinsichtlich einer hohe Meßauflösung bei

gleichzeitig hoher Verfahrgeschwindigkeit des Meßobjekts wurden bisher nur Lösungswego gefunden, die die Verarbeitung deranlaufenden Mbßsignale geschwindigkeitsabhängig mit unterschiedlichem Verarbeitungsmode vornehmen, d.h. den

Vorarbeit mgsmode wechseln und erst nach Reduzierung der maximalen Verfahrgeschwindigkeit mit der Meßsignalverarbeitung in den hochauflösenden Mode zurückkehren. Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat die phasenmodulierende Umformung sinusähnlicher Sensorsignale eines Positionsmeßsystem hoher Auflösung für hohe Verfahrgeschwindigkeiten des Meßobjektes zum Ziel. Außerdem sollen keine temperatur- und ge-.chwindigkeitsabhängigen Positionsmeßfehler entstehen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umformung von sinusähnlichen Sensorsignalen eines Positionsmeßsystems hoher Auflösung, welches aus mit versetzter Maßstabteilungsabtastung abgenommenen mehreren Sensorsignalen in zugeordneten Modulationszweigen diskrete Teilsignale bildet, die taktweise von Abgriffschaltern aktiv geschaltet werden, so weiterzubilden, daß troü unveränderter Schaltfrequenz der Abgriffschalter das treppenförmige, dem Sinusverlauf angenähertes Produktsignal aus der Trägersignalwelle und dem Sensorsignal im Echtzeitbetrieb sowohl mit einer erhöhten Approximationsschrittzahl bei gleichbleibender Trägerfrequenz und reduzierten Filtermaßnahmen als auch mit erhöhter Trägerfrequenz bei unveränderter Approximationsschrittzahl ohne verstärkte Filtermaßnahmen approximiert werden soll.

Die Anwendung eines hochauflösenden Positionsmeßsystems soll durchgängig hin zur Meßbarkeit von mit hohen Geschwindigkeiten bewegten Meßobjekten erweitert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jeweils eine Gruppe von hintereinanderliegenden durch die Teilerschaltung gebildeten Teilsignalen parallel von einer Abgriffschaltergruppe aktiv geschaltet werden, wobei mit Bezug zur Trägerfrequenz taktgesteuert die Konfiguration der angeschalteten Abgriffschaltergruppe durch gleichzeitiges Schalten mehrerer Abgriffschalter geändert wird. Dazu wird jeweils mindestens ein erster Abgriffschalter auf ein nächstes in der Abgriffreihenfolge liegendes Teilsignal weitergeschaltet und mindestens ein zweiter Abgriffschalter mit seinem Teilsignal aus der Gruppe herausgeschaltet. Dabei wird stets eine konstante Anzahl von Abgriff schaltern angeschaltet, deren aktiv geschalteten Teilsignale zum Produktsignal des Modulationszweiges addiert werden.

Vorzugsweise werden als Gruppe von hinterelnanderllegenden Teilelgnalen benachbarte Teilsignale aktiv geschaltet, wobei

taktweise gleichzeitig das jeweils in der Abgriffreihenfolge nächstllegende Teilsignal angeschaltet und das letzte In der

Abgriffreihonfolge liegende Teilsignal abgeschaltet wird. Es ist aber auch verfahrensgomäß eine weitere Erhöhung der Approximationsschritte dadurch zu erreichen, daß als Gruppe von

hintereinander liegenden Teilsignalen anfangs benachbarte Teilsignale aktiv geschaltet werden und taktweise gleichzeitig in der

Abgriffsrelhenfolgo das vorderste Teilsignal der Gruppe abgeschaltet und das nächste Teilsignal angeschaltet wird und mit dem

nachfolgenden Takten jeweils gleichzeitig das zuletzt abgeschaltete Teilsignal wieder zugeschaltet und dessen entgegen dor

Abgriffreihenfolge liegende benachbarte Teilsigna! abgeschaltet wird. Die Gruppen von Teilsignalen werden in einer vom positiven zum negativen Maximalspannungspegel gegebenen Reihenfolge

wechselweise in aufsteigender und abfallender folge aktiv geschaltet.

In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird jedes Teilsignal von dem zugehörigen Abgriffichalter abwechselnd in

ansteigender und anschließend in abfallander Reihenfolge der Teilsignale aktiv geschaltet, wobei im Bereich dos

Umkehrpunktes sowohl des positiven wie auch des negativen Maximalspannungspegels weitere symmetrisch zum Umkehrpunkt liegende Teilsignale aktiv geschaltet werden. In einer anderen Ausführungsvariante wird jedes Teilsignal von jeweils zwei zugehörigen Abgriffschaltern aktiv geschaltet,

indem die einen Abgriffschalter in aulsteigender Reihenfolge der Teilsignale und die anderen Abgriffschalter in abfallender

Reihenfolge der Teilsignale angeschaltet werden und die Abgriffschalter zyklisch umlaufend betrieben werden. AusführungsbeUplel

DI« Position eines Maßstabes wird von mindestens zwei versetzt angeordneten Zweigsensoroinheiten abgetastet. Diese liefern positionsunabhängige direkte und inveree Sensorsignale. Sind beispielsweise drei Sensoreinheiten, bezogen auf einen Maßetabtellungsperiode, gleich zueinander versetzt angeordnet, entstehen jeweils drei entsprechende direkte und inverse Sensorsignale. Jedes Sensorsignal bildet zunächst nur die absolute Position innerhalb seines abgetasteten Teils der Maßstabteilungsperiode ab und liefert somit noch keine Information bezüglich der Bewegungsrichtung. Es erfolgt deshalb die Verarbeitung mehrerer Zweigsensorsignale in ihren zugeordneten Moduiationszweigen. Jedem Modulationszwoig wird eine Trägerschwingung direkt oder indirekt zugeleitet, die gleiche Frequenz haben, aber zueinander phasenverschoben sind. Ein Addierglied faßt die Ausgangsignale der Modulationszweige zusammen und stellt an seinem Ausgang ein quasi oberwellenfreies phasenmoduliertes Positionsmeßsignal zur Verfügung.

Dia direkten und invers verlaufenden Sensorsignale jeder Sensoreinheit werden von einer Teilerschaltung abgegriffen, d.h. die Sensoreinheit speist jeweils die Tellerschaltung, welche im einfachsten Falle einer Realisierung mit nur passiven Elementen aus mehreren die Teilsignale bildenden Teilerwiderständen besteht.

Diese in der Teilerschaltung erzeugten diskreten Teilsignale werden von zugehörigen Abgrlffschaltern aktiv geschaltet und zum Produktsignal des Modulationszweiges addiert. Dazu werden die Abgriffschalter in bezug zu dem Trägersignal aktiviert, welches im Modulationszweig aus dem zugeleiteten Systemtakt für die Trägerschwingung gebildet wird. Mit Bezug zum Trägersignal werden taktweise jeweils mehrere bestimmte Abgriffschalter angesteuert. Das sinusförmige Trägerfrequenzsignal des Modulationszweiges wird dadurch mittels einer treppenförmigen Kurve approximiert. Die Approximation gelingt um so besser, je mehr durch die Abgriffschalter funktionsgerechte Tollsignale vorgesehen werden. Bei einer entsprechend hohen Approxirr.ationsschrittzahl von beispielsweise 32 entsteht bereits ein praktisch gut verwertbares Näherungssignal. Unter Beibehaltung der Trägerfrequenz kann dabei die Filterschaltung {Bandpaß, Tiefpaß, Integrierglied) auf ein Minimum reduziert werden. Die hohe Approximationsschrittzahl wird aus wenigen feilspannungen (wenig Spannungeteilwiderstände) unter Beibehaltung der Schaltfrequenz der Abgriffschalter dadurch ei reicht, daß von einer Gruppe Abgriffschalter hintereinanderliegende durch die Teilerschaltung gebildete Teilsignalspannungen gleichzeitig aktiv geschaltet werden und als Summenspannung das Produktsignal des Modulationszweiges bilden.

Mit jeder mit Bezug zur Trägerfrequenz taktweise ausgelösten neuen Aktivierung werden zwei Abgriffschalter geschaltet, nämlich einer der Abgriffschalter wird auf das in der Abgriffreihenfolge nächste Teilsignal geschaltet und ein anderer Abgriffschalter wird mit seinem Teilsignal aus der Gruppe herausgeschaltet. Dadurch wird jeder Abgriffschalter in Abhängigkeit der Größe der Gruppe und des Schaltregimes in der Gruppe in größeren auf einen Takt bezogenen Taktabständen aktiviert. Die das Produktsignal bildende Summenspanung verändert sich aber mit jedem Takt.

Der Abgriff der von den Sensorsignalen gebildeten Teilsignale über die Teilerschaltung kann dabei in unterschiedlicher Weise erfolgen. So können nach einem spezifischen Verfahrensmerkmal die Gruppe von hintereinanderliegenden Teilsignalen benachbarte Teilsignale sein, von denen taktweise gleichzeitig das in der Abgriffreihenfolge nächstliegende Teilsignal angeschaltet und das letzte Teilsignal aus der Gruppe der Teilsignale abgeschaltet wird. Ein anderer Verfahrensablauf für das Schaltregime der Abgriffschalter ausgehend von einer Gruppe benachbarter Teilsignale schaltet mit jedem Takt das in der Abgriffreihenfolge liegende vorderste Teilsignal ab und gleichzeitig das nächstfolgende Teilsignal zu. Mit den folgenden Takten wird jeweils gleichzeitig das zuletzt abgeschaltete Teilsignal wieder zugeschaltet und dessen entgegen der Abgriffreihenfolge liegende benachbarte Teilsignal wieder abgeschaltet. Damit wird für die Änderung der Summenspannung eine wesentlich größere druch die taktweise Aktivierung vorgegebene Approximationsschrittzahl erreicht, weil jede Gruppe benachbarter Teilsignale taktweise in Zwischenschritten von einer Lücke (ein aus der Gruppe herausgeschaltetes Teilsignal) durchlaufen wird, bevor die nächste Gruppe benachbarter Teilsignale entsteht.

Die von den Sensorsignalen gebildeten Teilsignale können unter Anwendung einer der vorher beschriebenen Arten der Gruppenbildung in einer vom positiven zum negativen Maximalspannungspegel gegebenen Reihenfolge wechselweise in aufsteigender und abfallender Folge aktiv geschaltet werden, d.h. das so erzeugte Signal wird im Wechsel zwischen dem positiven zum negativen Maximalspannungspegel der Teilsignale approximiert. Die Abgriffschalter werden in der durch die aneinandergeschalteten Teilerwiderstände der Teitarschaltung gegebenen Reihenfolge der Teilsignale abwechselnd vom

positiven bis zum negativen Maximalspannungspegel in ansteigender Reihenfolge und anschließend mit dem negativen

Maximalspannungspegel beginnend in abfallender Reihenfolge angeschaltet. Dabei werden zur Erhaltung einer konstanten Anzahl von aktiv geschalteten Teilsignalen beim Überschreiten des Umkehrpunktos des positiven wie auch des negativen Maximalspannungspegele symmetrisch zum Umkehrpunkt liegende Teilsignale angeschaltet. Die Teilsignale können aber auch verfahrensgemäß in der Art abgegriffen werden, daß eine ringförmige Anschaltung entsteht,

die zyklisch umläuft. Jedes Teilsignal kann hierbei von zwei Abgriffschaltern aktiv geschaltet werden, wobei die sinen

Abgriffschalter, wie bereits beschrieben, nacheinander angeschaltet werden und die hinzu gekommenen (zweiten) Abgriffschalter die gleichen Teilsignale in entgegengesetzter Richtung aktiv schalten. Sind beispielsweise 8 abzugreifende Teilerwiderstände und 16 Abgriffschalter vorgesehen, von denen ständig 8 Abgriffschalter eine Gruppe benachbarter Teil3ignalo

aktiv schalten, sind stets 8 Abgriffschalter zur Bildung des Produktsignals des Modulationszweiges aktiviert. Da nun mit jedem

Takt das in der ringförmigen Reihenfolge nächste Teilsignal durchgeschaltet und Jas in der Gruppe letzte Teilsignal abgeschaltet

wird, bleibt jeder Abgriffschalter über 8 Takte im gleichen Schaltzustand, und erreicht erst wieder nach Ablauf von 16 Taktenseine Ausgangsschaltstellung, d. h. er schaltet nur mit der Approximationswellenfroquenz.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in überraschenderweise Weise eine verbesserte Approximation bei beliebig

erhöhter Approximationsschrittzahl erreicht, ohne daß jeweils eine spezielle für die Schrittzahl zugeschnittene

Spannungsteilerschaltung, in der erforderlichen Präzisionsausführung, benötigt wird. Dies bedeutet, deß mit einer einfachen Spannungsteilerschaltung jeder vorgegebene Anwendungsfall von der einfachen 4schrittigen Approximation bis zu einer

solchen mit einer hohen Approximationsschrittzahl von beispielsweise 256 realisiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber ebenso für die Approximation mit erhöhter Trägerfrequenz geeignet, ohne daß die Filtermaßnahmen (Bandpaß, Tiefpaß, Integrierglied) verstärkt zu werden brauchen. Die Aufgabe der Erhöhung der Meßdynamik ohne Erhöhung der Grenzschaltfrequenz der Abgriffschalter ist damit gelöst, wobei

in überraschenderweise keine Verkopplung zu den die Meßgenauigkeit beeinflussenden Faktoren eintritt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Umformung sinusähnlicher Sensorsignale eines Positionsmeßsystems hoher Auflösung für große Verfahrgeschwindigkeit, wobei mit versetzter Maßstabteilungsabtastung mehrere Sensorsignale abgenommen und aus ihnen in zugeordneten Modulationszweigen mit einer Teilerschaltung diskrete Teilsignale gebildet werden, die taktweise von Abgriffschaltern in Abhängigkeit einer Trägerfrequenz aktiv geschaltet werden und durch Addition ein treppenförmiges einem sinusförmigen Vorlauf angenähertes Produktsignal mit vom Sensorsignal abhängiger Amplitude und vom Trägersignal abhängiger Frequenz erzeugt wird, wobei die in den Modulationszweigen gebildeten Produktsignale zu oinem Positionssignal zusammengefaßt werden, dessen Phasenwinkel bezogen zum Trägersignal die Position abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Gruppe von hinterolnanderliegenden durch die Teilerschaltung gebildeten Teilsignalen parallel von einer Abgriffschaltergruppe aktiv geschaltet werden, wobei mit Bezug zur Trägerfrequenz taktgesteuert die Konfiguration der angeschalteten Abgriffschaltergruppe durch gleichzeitiges Schalten mehrerer-Abgriffschalter geändert wird, indem jeweils mindestens ein erster Abgriffschalter auf ein nächstes in der Abgriffreihenfolge liegendes Teilsignal weitergeschaltet und mindestens ein zweiter Abgriffschalter mit seinem Teilsignal aus der Gruppe herausgeschaltet wird, wobei stets eine konstante Anzahl von Abgriffschaltern angeschaltet wird, deren aktiv geschalteten Teilsignale zum Produktsignal des Modulationszweiges addiert worden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gruppe von hintereinanderliegenden Teilsignalen benachbarte Teilsignale aktiv geschaltet werden und taktweise gleichzeitig jeweils das in der Abgriffreihenfolge nächstliogende Teilsignal angeschaltet und das letzte in der Abgriffreihenfolge liegende Teilsignal abgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gruppe von hintereinanderliegenden Teilsignalen anfangs benachbarte Teilsignale aktiv geschaltet werden und taktweise gleichzeitig in der Abgriffreihenfolge das vorderste Teilsignal der Gruppe abgeschaltet und das nächste Teilsignal angeschaltet wird und mit den nachfolgenden Takten jeweils gleichzeitig das zuletzt abgeschaltete Teilsignal wieder zugeschaltet und dessen entgegen der Abgriff reihenfolge liegende benachbarte Teilsignal abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Teilsignalen in einer vom positiven zum negativen Maximalspannungspegel gegebenen Reihenfolge wechselweise in aufsteigender und abfallender Folge aktiv geschaltet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilsignal von dem zugehörigen Abgriffschalter abwechselnd in ansteigender und anschließend in abfallender Reihenfolge der Teilsignale aktiv geschaltet wird, wobei im Bereich des Umkehrpunktes sowohl des positiven wie auch des negativen Maximalspannungspegels weitere symmetrisch zum Umkehrpunkt liegende Teilsignale aktiv geschaltet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilsignal von jeweils zwei zugehörigen Abgriffschaltern aktiv geschaltet wird, indem die einen Abgriffschalter in aufsteigender Reihenfolge der Teilsignale und die anderen Abgriffschalter in abfallender Reihenfolge der Teilsignale angeschaltet werden und die Abgriffschalter zyklisch umlaufend betrieben werden.