DD291149A5 - Verfahren zur umformung sinusaehnlicher sensorsignale eines positionsmessystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umformung sinusaehnlicher Sensorsignale eines Positionsmeszsystems in ein phasenmoduliertes Positionsmeszsignal. In Modulationszweigen wird aus vom Sensorsignal abgeleiteten Teilsignalen ein Produktsignal gebildet. Die Teilsignale werden in zwei Gruppen an mehreren benachbarten Anschluszstellen einer Teilsignalschaltung abgegriffen und von in Schaltergruppen zusammengefaszten taktgesteuerten Abgriffschaltern auf eine Summationsschaltung durchgeschaltet, davon in einer der beiden Gruppen invertiert. Bei jedem Approximationsschritt aendern ein abgeschalteter und ein gleichzeitig zugeschalteter anderer Abgriffschalter die Signalgroesze der Gruppen von Teilsignalen in entgegengesetzter Richtung. Bei verminderter Schaltfrequenz der Abgriffschalter wird das Produktsignal besser an die Sinusform angenaehert. Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind rasterinkrementale Positionsmeszsysteme.{Sensorsignale; Umformung; Positionsmeszsignal, phasenmoduliert; Modulationszweige, Teilsignalschaltung; Anschluszstellen; Teilsignalgruppe; Abgriffschalter; Produktsignal; Sinusform; Schaltergruppe; Schaltfrequenz}

Description

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Positionsmeßsysteme hoher Auflösung für große Verfahrgeschwindigkeit. Dabei werden mit versetzter Maßstabteilungsabtastung mehrere sinusähnliche Sensorsignale abgenommen und aus ihnen in zugeordneten Modulationszweigen mit eine Teilsignalschaltung diskrete Teilsignale gebildet, in jedem Modulationszweig erhält eine Summationsschaltung in Abhängigkeit einer Trägerfrequenz die Teilsignale zugeführt und erzeugt ein Produktsignal mit vom Sensorsignal abhängiger Amplitude und vom "frägerfrequenzsignal abhängiger Frequenz. Die in den Modulationszweigen gebildeten Produktsignale werden zu einem Positionsmeßsignal zusammengefaßt, dessen Phasenwinkel bezogen zum Trägerfrequenzsignal die Position abbildet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus DD 246615A11st die phasenmodulierte Umformung von Sensoreignalan, insbesondere von Sinus/Kosinus-Rastermaßstababtaetslgnalen In ein Positionsmeßsignal bekannt, In jedem von zw' Modulationszweigen ist eine Produktbildnerschaltung mit einer Teilerschaltung enthalten. Abgriffschalter nehmun an Anschlußstellen der Teilerschaltung diskrete Teilsignale ab. Ein Steuerwerk betätigt die Abgriffschalter in Abhängigkeit von Sinus/Kosinus-Trägerfrequenzsignalen. Im Steuerwerk enthaltene Schwellwertschalter zerlegen dasTrägerfrequenzsignal in Abschnitte, während denen joweils nur ein Abgriffschalter auf Durchgang geschaltet wird. Eine Summationsschaltung erzeugt aus den Teilsignalen ein treppenförmigos Produktsignal, daß einen sinusförmigen Verlauf annähert. Seine Amplitude ist vom Sensorsignal und seine Frequenz vom Trägerfr.equenzsignal abhängig. Die in beiden Modulationszweigen erzeugten Produktsignale werden von einem Addierglied zum Positionsmeßsignal vereinigt.

Eine genaue absolute Positionsermittlung erfordert eine Meßwertintorpolation in der Maßstabteilungsperiode. Durch Erhöhung des Interpolationsfaktors laßt sich die Meßauflösung verbessern. Dabei tritt ein Erfolg aber nur dann ein, wenn die Produktsignale weitgehend der Sinusform angenähert werden, was durch eine erhöhte Approximationsschrittzahl erreichbar ist. Soll die Meßdynamik nicht verschlechtert worden, muß die Schaltfrequenz der Abgriffschalter um den gleichen Faktor wie die angewachsene Approximationsschrittzahl erhöht werden. Bei der angestrebten immer höheren Meßauflösung der Positionsmeßsysteme mit den hierfür erforderlichen höheren Interpolationsfaktoren sind Approximationsschrittzahlen erforderlich, boi denen die einsetzbaren Halbleiterschalter mit Schaltfrequenzen in der Größenordnung ihrer Grenzfrequenz betrieben werden müssen. Boi solchen hohen Schaltfrequenzen weichen die Halbleiterschalter wegen des zunehmenden Einflusses parasitärer Schaltelemente von ihrer normalen Arbeitsweise ab. Ein wesentlicher Einflußfaktor sind dabei unter anderem Kapazitätsänderungen, die in Abhängigkeit des zu schaltenden Spannungspegels und dessen Polarität an parasitären Kapazitäten des Abgriffschalters auftreten. Als Folge davon geht der symmetrische Verlauf beider Halbwellen des approximierten sinusförmigen Signals verloren.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, das Produktsignal besser an die Sinusform anzunähern. I arlegung des Wesens der Erfindung Die Ursache des in der Charakteristik des bekannten Standes der Technik aufgezeigten Nachteils besteht darin, daß die mit

wachsender Approximationsschrittzahl immer besser Näherung der Signalform an die genaue Sinusform durch die praktischverwertbare Schaltfrequenz der Abgriffschalter begrenzt und in Abhängigkeit des zu schaltenden Signalpegels sowie dessen

Polarität genauigkeitsmindernd beeinfi ¹U wird. Um diese Ursache zu beseitigen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umformung sinusähnlicher Sensorsignale eines Positionsmel? systems gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs so auszugestalten, daß eine

erhöhte Aproximationsschrittzahl ermöglicht wird, ohne die Abgriffschalter mit einer erhöhten Schaltfrequenz betreiben zumüssen, und daß dabei der Einfluß des zu schaltenden Signalpegels sowie dessen Polarität weitgehend ausgeschlossen wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in jedem Modulationszweig die Teilsignale gleichzeitig in jeweils zwei Gruppen an jeweils mehreren hintereinander und bezüglich ihres Mittenwerts symmetrisch liegenden Anschlußstellen

abgegriffen und von mindestens einem Paar Schaltergruppen der Abgriffschalter durchgeschaltet werden, wobei eine jeweilsgleiche Anzahl von Abgriffschaltern als Schaltergruppe in den gleichen Schaltzustand versetzt wird, daß taktweise jeweils einabgeschalteter Abgriffschalter zugeschaltet und gleichzeitig ein zugeschalteter Abgriffschalter abgeschaltet wird, diesesabwechselnd in einer Schaltergruppe, die der einen Gruppe von Teilsignalen zugeordnet ist, und in einer Schaltergruppe, die deranderen Gruppe von Teilsignalen zugeordnet ist, geschieht, daß dabei alternierend die eine Gruppe von Teilsignalen in Richtungeiner zunehmenden Signalgröße und die andere Gruppe von Teilsignalen in Richtung einer abnehmenden Signalgrößedurchgeschaltet wird und daß die eine durchgeschaltete Gruppe von Teilsignalen invertiert und der anderen durchgeschalteten

Gruppe von Teilsignalon hinzuaddiert wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß bei mehreren Paaren von Schaltergruppen

jeden nächstfolgende Paar seinen Aktivierungsumlauf taktversetzt zum vorherigen Paar beginnt und nach Durchlauf aller Paarezyklisch wiederholt.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Lösung beginnen die Schaltergruppen eines Paares ihren Aktivierungsumlauf

taktversetzt.

Vorteilhaft ist es, wenn jede Gruppe von Teilsignalen an benachbarten Anschlußstellen abgegriffen wird und in der Schaltergruppe taktweise gleichzeitig das jeweils in der Abgriff reihenfolge nächste Teilsignal zugeschaltet und das jeweils in der Abgriffreihenfolge letzte Teilsignal abgeschattet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß jede Gruppe von Teilsignalen anfangs an benachbarten Anschlußstellen abgegriffen wird

und in der Schaltergruppe taktweise gleichzeitig in uer Abgriffreihenfolge das vorderste Teilsignal abgeschaltet sowie dasnächste Teilsignal zugeschaltet wird und mit den nachfolgenden Takten jeweils das zuletzt abgeschaltete Teilsignal wiederzugeschaltet und dessen entgegen der Abgriffreihenfolge benachbartes Teilsignal abgeschaltet wird.

Als Vorteil erweist sich auch, wenn in einer Schaltergruppe die Teilsignale in aufsteigender Reihenfolge und anschließend in

abfallender Reihenfolge durchgeschaltet werden, wobei im Bereich des Umkehrpunktes weitere zu ihm symmetrischvvertgleiche Teilsignale durchgeschaltet werden.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Lösung in einer vorteilhaften Weise ausgestaltet, wenn in einer Schaltergruppe jedes Teiteignal von jeweils zwei zugehörigen Abgriffschaltern durchschaltbar ist, wobei die eine Hälfte der Abgriffschalter in

aufsteigender Reihenfolge der Teilsignale und die andere Hälfte der Abgriffschalter in abfallender Reihenfolge der Teilsignaleaktiviert wird.

Ausführungsbeispiel

An einem Positionsmeßsystem werden mit versetzter Maßstabteilungsabtastung sinusähnliche Sensorsignale abgenommen. Aus ihnen werden in zugeordneten Modulationszweigen mittels jeweils einer Teilsignalschaltung diskrete Teilsignalo gebildet. Die Teilsignalschaltung besteht aus einer Kette fester bPiiehungsweise fest eingestellter Teilorwiderstände. Dem einen Ende der Teilsignalschaltung wird das nicht invertierte Sensorsignal und dem anderen Ende das invertierte Sensorsignal zugeführt. An den Anschlußstellen der Teilsignalschaltung lassen sich in regelmäßigen Zoitabständon die Teilsignale von Abgriffschaltern abnehmen und in Abhängigkeit einer Trägerfrequenz auf eine Summationsschaltung durchschalten. Es werden jeweils mehrere Teilsignale an mehreren benachbarten und zur Mitte der Teilsignalschaltung symmetrisch liegenden Anschlußstellen abgegriffen. Die anfangs bezüglich dieser Mitte auf der eine Seite abgegriffenen Teilsignale bilden eine erste Gruppe von Teilsignalen und die auf der anderen Seite abgegriffenen Teilsignale bilden eine zweite Gruppe von Teilsignalon. Die Summationsschaltung erzeugt aus den Teilsignalen ein Produktsignal, das bei entsprechender Dimensionierung der Teilerwiderstände einen periodischen sinusförmigen Signalverlauf treppenförmig annähert. Das Produktsignal weif t eine vom Sensorsignal abhängige Amplitude und eine vom Trägerfrequenzsignal abhängige Frequenz auf. Die in den Modulationszweigen erzeugten froduktsignale werden zu einem Positionsmeßsignal zusammengefaßt, desson Phasenwinkel bezogen zum Trägerfrequenzsignal die Position abbildet.

Jedes Teilsignal ist über wenigstens ein Paar Abgriffschalter bis zur Summationsschaltung durchschaltbar. Das geschieht zum einen durch die jeweils einen Abgriffschalter eines jeweiligen Paares direkt für oin'Teilsignal aus der ersten Gruppe und zum anderen durch die jeweils anderen Abgriffschalter des jeweils gleichen Paares, denen über ein Addierglied ein Invertierglied nachgoschaltet ist, für ein Teilsignal der zweiten Gruppe. Durch die Summation der nicht invertierten Teilsignale aus der ersten Gruppe und der invertierten Teilsignale aus der zweiten Gruppe werden die Einflüsse unterschiedlicher Signalpegel und Polaritäten der Teilsignale eliminiert. Darüber hinaus tragen die beiden Gruppen von Teilsignalen zur Verminderung der Schalthäufigkcit bei, da der eine Abgriffschalter eines Paares erst dann erneut aktiviert wird, nachdem der andere Abgriffschalter des Paares an der Reihe war.

Um die Schalthäufigkeit der Abgriffschaltor entscheidend zu senken, wird für die Durchschaltung der Teilsignale aus jeder der beiden Gruppen eine mehrfache Anzahl von Abgriffschaltern eingesetzt. Bevor derselbe Abgriffschalter erneut geschaltet wird, muß erst eine Vielzahl anderer Abgriffschalter tätig geworden sein.

Von den an allen Anschlußstellen der Teilsignalschaltung angeschlossenen Paaren von Abgriffschaltern sind jeweils nur diejenigen Paare geschlossen, die die Teilsignale aus der ersten Gruppe und die Teilsignale aus der zv/eiten Gruppe momentan durchschalten. Diejenigen Abgriffschalter der Paare, die Teilsignale aus der ersten Gruppe durchschalten, sind zu einer ersten Schaltergruppe zusammengefaßt, und diejenigen Abgriffschalter derselben Paare, die Teilsignale aus der zweiten Gruppe durchschalten, zu einer zweiten Suhaltergruppe. Beide Schaltergruppen bilden ein Paar. Obwohl sich bereits mit einem einzigen solchen Paar Schaltergruppen das Produktsignal bilden läßt, bringt der Einsatz mehrerer Paare von Schaltergruppen einen weiteren Beitrag zur Verminderung der Schalthäufigkeit der Abgriffschalter.

Die bei der Bildung des Produktsignals ablaufenden Approximationsschritte werden taktweise vorgenommen. Dabei wird in einer Schaltergruppe ein Abgriffschalter abgeschaltet und ein anderer Abgrifischalter zugeschaltet. Das geschieht im Wechsel für die eine Gruppe von Teilsignalen und für die andere Gruppe von Teilsignalen. Bei mehreren Paaren von Schaltergruppen durchläuft dieser eine Wechsel erst alle Schaltergruppen, bevor er zum ersten Paar der Schaltergruppen zurückkehrt und dort fortgesetzt wird.

Innerhalb eines Paares von Schaltergruppen werden die Signalgrößen der beiden Gruppen von Teilsignalen gogensinnig geändert. Die eine Gruppe von Teilsignalen wird in Richtung einer zunehmenden Signalgröße und die andere Gruppe in Richtung einer abnehmenden Signalgröße und dann umgekehrt und so weiter durchgeschaltet. Dabei wandern die beiden Schaltergruppen eines Paares symmetrisch nach und nach von einem E.nde der Teilsignalschaltung zum entgegengesetzten Ende.

Dieser Ablauf kann in der Weise gesteuert werden, daß in der Schaltergruppe gleichzeitig das jeweils in der Abgriffreihenfolge nächste Teilsignal zugeschaltet und das jeweils in der Abgriffreihonfolge ietzte Teilsignal abgeschaltet wird. Damit wandert die Schaltergruppe als geschlossener Block.

Der Ablauf ist aber auch so steuerbar, daß in der Schaltergruppe gleichzeitig anfangs das in der Abgriffreihenfolge vorderste Teilsignal abgeschaltet sowie das dazu nächste Teilsignal zugeschaltet wird und mit nachfolgenden Takten das jeweils zuletzt abgeschaltete Teilsignal wieder zugeschaltet und dessen entgegen der Abgriffreihenfolge benachbartes Teilsignal abgeschaltet wird. Damit wandert taktweise der Zustand eines abgeschalteten Teilsignals als Lücke rückwärts durch die Schaltergruppo und erst danach ist die Schaltergruppe als Block um einen Teilsignalabgriff gewandert.

Erreicht die Schaltergruppe mit ihrer Mitte ein Ende der Teilsignalschaltung, dann bestehen zwei Möglichkeiten, die Abgriffreihenfolge fortzusetzen. Die eine Möglichkeit ist die Richtungsumkehr. Die bisher in aufsteigender Reihenfolge durchgeschalteten Teilsignale werden ab dem Umkehrpunkt nun hinten beginnend fortfahrend in abfallender Reihenfolge durchgeschaltet. Weil dabei in der Schaltergruppe das in der Abgriffreihenfolge hinterste Teilsignal ebenso zu berücksichtigen ist wie das in der Abgriffreihenfolge vorderste Teilsignal, werden im Bereich des Umkehrpunkts auch symmetrisch wertgleiche Teilsignale durchgeschaltet.

Bei der zweiten Möglichkeit, die im Unterschied keine Richtungsumkehr aufweist, sind in einer Schaltergruppe jedem Teilsignal zwei Abgriffschalter zugeordnet. Die eine Hälfte der Abgriffschalter wird in aufsteigender Reihenfolge und die andere Hälfte der Abgriffschalter in abfallender Reihenfolge der Teilsignale aktiviert. Die Teilsignale von beiden Enden der Teilsignalschaltung werdon jeweils über die ihnen zugeordneten Abgriffschalter zweimal nacheinander zugeschaltet. Auf diese Weise entsteht eine umlaufend geschlossene Reihenfolge ohne Richtungsumkehr für die durchgeschalteten Teilsignale.

Mit jeder Abschaltung eines Abgriffschalters und gleichzeitigen Zuschaltung eines anderen Abgriffschalters wird unabhängig davon, für welches Teilsignal, in welcher Gruppe von Teilsignalen, in welcher Schaltergruppe odor in welchem Paar von Schaltergruppen es geschieht, ein Approximationsschritt realisiert. Die realisierbare Anzahl der Approximationsschritte je Zeiteinheit beträgt abhängig von der Anzahl der Toilsignale in der Gruppe von Teilsignalen von der Art der Abschaltung und Zuschaltung von Toilsignalen in der Gruppe und von dor Anzahl der Paare von Schaltergruppen ein Vielfaches der Schalthäufigkeit eines Abgriffschalters. Damit wird eine vervielfachte Anzahl von Punkten des sinusähnlichen Produktsignals erzeugt, ohne die Abgriffschalter mit einer Schaltfrequenz betreiben zu müssen, die in der Nähe ihrer Grenzfrequenz liegt. Die Näherung an die Sinusform verbessert sich mit zunehmender Anzahl der Approximationsschritte. Jeder Approximationssr.hritt erzeugt einen Punkt des Produktsignals, der als Stützpunkt für eine weitere Interpolation dienen kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Umformung sinusähnlicher Sensorsignale eines PositionsmeßsysUms hoher Auflösung für große Verfahrgeschwindigkeit in ein phasenmoduliertes Positionsmeßsignal, wobei mit versetzter Maßstabteilungsabtastung mehrere Sensorsignale abgenommen und aus ihnen in zugeordneten Mndulationszweigen mit einerTeilsignalschaltung diskrete Teilsignale gebildet werden, die an Anschlußstellen der Teilsignalschaltung taktweise in Abhängigkeit tiner Trägerfrequenz von Abgriffschaltern abgenommen und auf eine Summationsscha^jng durchgeschaltet werden, die aus den Teilsignalen ein treppenförmiges, einem sinusförmigen Verlauf angenähertes Produktsignal mit vom Sensorsignal abhängiger Frequenz erzeugt, wobei die in den Modulationszweigen gebildeten Produktsignale zu einem Positionsmeßsignal zusammengefaßt werden, dessen Phasenwinkel bezogen zum Trägerfrequenzsignal die Position abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Modulationszweig die Teilsignale gleichzeitig in jeweils zwei Gruppen an jeweils mehreren hintereinander und bezüglich ihres Mittenwerts symmetrisch liegenden Anschlußstellen abgegriffen und von mindestens einem Paar Schaltergru^pen der Abgriffschalter durchgeschaltet werden, wobei eine jeweils gleiche Anzahl von Abgriffschaltern als Schaltergruppe in den gleichen Schaltzustand versetzt wird, daß taktwoise jeweils ein abgeschalteter Abgriffschalter zugeschaltet und gleichzeitig ein zugeschalteter Abgriffschalter abgeschaltet wird, dieses abwechselnd in einer Schaltergruppe, die der einen Gruppe von Teilsignalen zugeordnet ist, und in einer Schaltergruppe, die der anderen Gruppe von Teilsignalen zugeordnet ist, geschieht, daß dabei alternierend die eine Gruppe von Teilsignalen in Richtung einer zunehmenden Signalgröße und die andere Gruppe von Teilsignalen in Richtung einer abnehmenden Signalgröße durchgeschaltet wird und daß die eine durchgeschaltete Gruppe von Teilsignalen invertiert und der anderen durchgeschalteten Gruppe von Teilsignalen hinzuaddiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Paaren von Schaltergruppen jedes nächstfolgende Paar seinen Aktivierungsumlauf taktversetzt zum vorherigen Paar beginnt und nach Durchlauf aller Paare zyklisch wiederholt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltergruppen eines Paares ihren Aktivierungsumlauf taktversetzt beginnen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Teilsignalen an benachbarten Anschlußstellen abgegriffen wird und in der Schaltergruppe taktweise gleichzeitig das jeweils in der Abgriffreihenfolge nächste Teilsignal zugeschaltet und das jeweils in der Abgriff reihenfolge letzte Teilsignal abgeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Teilsignalen anfangs an benachbarten Anschlußstellen abgegriffen wird und in der Schaltergruppe taktweise gleichzeitig in der Abgriffreihenfolge das vorderste Teilsignal abgeschaltet sowie das nächste Teilsignal zugeschaltet wird und mit den nachfolgenden Takten jeweils das zuletzt abgeschaltete Teilsignal - wieder zugeschaltet und dessen entgegen der Abgriff reihenfolge benachbartes Teilsignal abgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schaltergruppe die Teilsignale in aufsteigender Reihenfolge und anschließend in abfallender Reihenfolge durchgeschaltet werden, wobei im Bereiche des Umkehrpunktes weitere zu ihm symmetrisch wertgleiche Teilsignale durchgeschaltet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schaltergruppe jedes Teilsignal von jeweils zwei zugehörigen Abgriffschaltern durchschaltbar ist, wobei die eine Hälfte der Abgriffschalter in aufsteigender Reihenfolge der Teilsignale und die andere Hälfte der Abgriffschalter in abfallender Reihenfolge der Teilsignale aktiviert wird.