DE10020979A1 - Schritt-Drehcodierer insbesondere für ein Vermessungsinstrument - Google Patents

Schritt-Drehcodierer insbesondere für ein Vermessungsinstrument

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DE10020979A1
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Katsuhiko Kenjo
Masami Shirai
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Asahi Seimitsu KK
Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schritt-Drehcodierer, der zwei sinusförmige Signale mit einer Phasendifferenz von 90 DEG abgibt, wenn er in Betrieb ist. Er enthält einen Binärcodierer (72a, 72b) zum Codieren eines jeden sinusförmigen Signals zu einem Binärsignal, einen Spannungsdetektor (71a, 71b) zum Erfassem der Spannung eines der beiden sinusförmigen Signale zum Zeitpunkt einer Änderung des Binärsignals des anderen sinusförmigen Signals und eine Steuerung (75), die einen Rechner enthält, der eine gerade Zahl Spannungswerte aus jedem der beiden sinusförmigen Signale zu einem Mittelwert umrechnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schritt-Drehcodierer, der sich zum Einsatz in Vermes­ sungsinstrumenten wie Gesamtstationen, Theodoliten o. ä. eignet.
Vermessungsinstrumente dieser Art sind in jüngerer Zeit mit einem Schritt-Dreh­ codierer als Winkelmeßvorrichtung zum Messen horizontaler oder vertikaler Win­ kel ausgerüstet. Die Winkel werden berechnet aus der Summe eines ersten Win­ kelwertes (Zählwert) und eines zweiten Winkelwertes (Interpolationswert). Zwei Signale mit sinusförmigem und cosinusförmigem Verlauf (sinθ, cosθ) mit einem Phasenunterschied von 90° werden von Sensoren des Schritt-Drehcodierers ab­ gegeben, wenn er sich dreht, und jeweils in ein Binärsignal mit Bezug auf eine entsprechende Referenzspannung umgesetzt, um den ersten und den zweiten Winkelwert zu erhalten. Der Zählwert ergibt sich durch Zählen der Punkte von Änderungen des Signalpegels eines jeden Binärsignals, während der Interpolati­ onswert durch Teilen eines Abschnitts zwischen zwei benachbarten Änderungs­ punkten des Signalpegels des Binärsignals erhalten wird.
Der Interpolationswert wird mit der Änderung der Schwingung gegenüber der konstanten Referenzspannung berechnet. Wenn die mittlere Spannung eines je­ den sinusförmigen Verlaufs von der Referenzspannung abweicht, so ist der Inter­ polationswert nicht genau berechnet, er enthält einen Fehler.
Dieser Fehler wird im folgenden eingehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläu­ tert. Dort wird vorausgesetzt, daß der Lissajous-Kreis des Sinus- oder des Cosi­ nus-Signals, der als Mittelpunkt den Schnittpunkt der x-Achse und der y-Achse einer Referenzspannung hat, von dem Schnittpunkt abweicht und dann um den Schnittpunkt der x'-Achse und der y'-Achse (jeweils gestrichelt) einer mittleren Spannung dreht. In diesem Zustand hat ein Punkt a des abweichenden Lissajous- Kreises keine Deklination gegenüber der y'-Achse der mittleren Spannung, son­ dern eine Deklination α zur y-Achse der Referenzspannung. Diese Deklination α verursacht einen Fehler in der Interpolationsrechnung des Interpolationswertes.
Da sich der Interpolationswert durch Teilen eines Winkels entsprechend einem Zählschritt des oben genannten Zählwertes ergibt, wird der Einfluß der Span­ nungsdifferenz auf den Fehler des Interpolationswertes um so größer, je kleiner die Impulszahl pro Umdrehung des Schritt-Drehcodierers ist (d. h. je größer der Winkel pro Zählschritt ist).
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schritt-Drehcodierer anzugeben, der eine Verringerung des Fehlers des Interpolationswertes durch Einstellen der mittleren Spannung ermöglicht, die zum Verarbeiten der Phasendifferenzsignale benutzt wird, welche von dem Schritt-Drehcodierer im Betrieb abgegeben werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 10. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Durch die Erfindung kann die Genauigkeit der Interpolationsrechnung erhöht wer­ den. Bei einem magnetischen Schritt-Drehcodierer, der allgemein eine geringere Anzahl magnetisierter Abschnitte der Magnettrommel, verglichen mit einem opti­ schen Schritt-Drehcodierer, hat, kann die Anzeigeauflösung und die Genauigkeit verbessert werden.
Bei noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die mitt­ lere Spannung zweier sinusförmiger bzw. cosinusförmiger Signale bei gegensei­ tiger Phasenverschiebung von 90° bestimmt, wenn der Codierer in Betrieb ist, und dann wird der Interpolations-Drehwinkel des Schritt-Drehcodierers berechnet. Dies ermöglicht eine Berechnung des Interpolationswertes (Interpolations-Dreh­ winkel θ) mit hoher Genauigkeit.
Ferner kann die mittlere Spannung eines jeden der beiden sinusförmi­ gen/cosinusförmigen Signale mit einem Phasenunterschied von 90°, die von dem Drehcodierer bei dessen Betrieb abgegeben werden, mit der entsprechenden Zielspannung zusammenfallen, so daß der Interpolationswert mit hoher Genauig­ keit durch Interpolationsrechnung ermittelt wird.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 die Rückansicht einer ersten Ausführungsform einer Gesamtstation mit zwei magnetischen Schritt-Drehcodierern, die in einem Quer­ schnitt dargestellt sind,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Gesamtstation nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Darstellung eines Abschnitts des in Fig. 1 und 2 gezeigten Drehcodierers,
Fig. 4 die elektrische Schaltung magnetischer Widerstandselemente eines Magnetsensors bei einem Drehcodierer der in Fig. 1 und 2 gezeigten Art,
Fig. 5 die Lissajous-Figur eines sinusförmigen Signals eines Magnetsen­ sors in einem Drehcodierer,
Fig. 6 das Blockdiagramm der ersten Ausführungsform einer elektroni­ schen Schaltung für einen magnetischen Schritt-Drehcodierer nach der Erfindung,
Fig. 7 den zeitlichen Verlauf von Sinus-/Cosinus-Signalen eines Magnet­ sensors des in Fig. 1 und 2 gezeigten Drehcodierers,
Fig. 8 das Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der elektroni­ schen Schaltung,
Fig. 9 das Flußdiagramm der Arbeitsweise des Schritt-Drehcodierers in der Schaltungsanordnung nach Fig. 6, und
Fig. 10 das Flußdiagramm der Arbeitsweise des Drehcodierers in der Schaltungsanordnung nach Fig. 8.
In Fig. 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gesamtstation (ein­ schließlich eines optischen Instruments) mit zwei magnetischen Schritt-Drehco­ dierern dargestellt.
Die Gesamtstation 11 hat eine Grundplatte 13, eine Nivellierplattform 17, eine Säule 21 und ein Teleskop 25. Die Grundplatte 13 ist mit einem nicht dargestell­ ten Dreibein verbunden, wenn die Gesamtstation 11 darauf montiert ist. Die Grundplatte 13 hat drei Nivellierschrauben 15, auf denen die Nivellierplattform 17 befestigt ist. Die Säule 21 ist auf der Nivellierplattform 17 mit einer vertikalen Achse 19 so befestigt, daß sie um diese drehbar ist. Die Säule 21 hat einen all­ gemein U-förmigen Querschnitt und zwei Träger 21a auf der linken und der rechten Seite (Fig. 1). Das Teleskop 25 wird mit den beiden Trägern 21a gehalten und ist um zwei koaxiale horizontale Achsen 23 drehbar, die auf der linken und der rechten Seite des Teleskops 25 befestigt sind. Die beiden Achsen 23 sind an den Trägern 21a drehbar. In Fig. 1 ist nur eine horizontale Achse 23 (die linke Achse 23) im Querschnitt dargestellt.
Die vertikale Achse 19 ist in einem vertikalen Lager 27 angeordnet, das an der Nivellierplattform 17 befestigt ist. Die Basis der Säule 21 verbindet die beiden Träger 21a und ist an dem oberen Ende der vertikalen Achse 19 befestigt. Jede horizontale Achse 23 ist in einem horizontalen Lager 29 drehbar gelagert, das an dem entsprechenden Träger 21a befestigt ist. Das Teleskop 25 ist an den beiden horizontalen Achsen 23 befestigt.
Die Gesamtstation 11 ist auf der vertikalen Achse 19 mit einem ersten magneti­ schen Schritt-Drehcodierer 41 versehen, der den Drehwinkel (Horizontalwinkel) der vertikalen Achse 19 (der Säule 21 und des Teleskops 25) gegenüber der Ni­ vellierplattform 17 mißt. Die Gesamtstation 11 ist ferner an der horizontalen Achse 23 mit einem zweiten magnetischen Schritt-Drehcodierer 51 versehen, der den Drehwinkel (Vertikalwinkel) der horizontalen Achse 23 (des Teleskops 25) gegenüber der Säule 21 mißt. Der erste Drehcodierer 41 hat eine Magnettrommel (Drehteil) 43, die an der vertikalen Achse 19 befestigt ist. Sie hat an ihrem Außenumfang eine vielpolig magnetisierte Schicht (nicht dargestellt). Der erste Drehcodierer 41 hat ferner zwei Magnetsensoren 44 und 45, die der magnetisier­ ten Schicht unter geringem Abstand beiderseits der Magnettrommel 43 bezüglich der vertikalen Achse 19 gegenüberstehen. Die beiden Magnetsensoren 44 und 45 sind gegeneinander um etwa 180° versetzt. Ähnlich hat der zweite Drehcodierer 51 eine Magnettrommel (Teilungsscheibe/Drehteil) 53, die an der horizontalen Achse 23 befestigt ist. Die Magnettrommel 53 hat an ihrem Außenumfang eine vielpolig magnetisierte Schicht 53a (Fig. 3), die gleichartig wie die magnetisierte Schicht der Magnettrommel 43 ausgebildet ist. Der zweite Drehcodierer 51 hat zwei Magnetsensoren 54 und 55, die der magnetisierten Schicht 53a unter einem geringen Abstand beiderseits der Magnettrommel 53 bezüglich der horizontalen Achse 23 gegenüberstehen. Die beiden Magnetsensoren 54 und 55 sind gegen­ einander um etwa 180° versetzt angeordnet.
Obwohl die Einzelheiten in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, hat die Ge­ samtstation 11 in der Basis der Säule 21 eine elektronische Schaltung (Fig. 6), die einen Abschnitt zum Bestimmen des Drehwinkels eines jeden Drehcodierers 41 und 51 durch Erfassen der Ausgangsspannung der Magnetsensoren 44, 45, 54, 55 enthält. Die Gesamtstation 11 ist auf der Vorder- und der Rückseite der Säule 21 mit Bedienungsfeldern 31 und 32 versehen (Fig. 2). Jedes Bedie­ nungsfeld 31 und 32 hat einen Tastschalter, der von dem Benutzer manuell betä­ tigt wird, um die Gesamtstation 11 in Betrieb zu setzen, und eine Anzeige (z. B. LCD-Feld) für mit der Tastatur eingegebene Daten, der gemessenen Winkel usw.
Wie Fig. 1 und 2 zeigen, hat die Gesamtstation 11 ferner einen Handgriff 33, der zum Tragen dient, und eine Schutzhaube 34, die die Säule 21 einschließt und den ersten Drehcodierer 41 sowie dessen Batterie (nicht dargestellt) vor Staub schützt. Das Teleskop 25 hat ein Objektiv 36 (Fig. 2) und ein Okular 35 (Fig. 1).
Im folgenden wird der Aufbau des ersten und des zweiten Drehcodierers 41 und 51 im einzelnen an Hand der Fig. 3 und 4 beschrieben. Der grundsätzliche Aufbau des ersten Codierers 41 ist gleichartig wie derjenige des zweiten Codie­ rers 51, so daß nur dieser im folgenden beschrieben wird. Fig. 3 zeigt den Ma­ gnetsensor 54 und einen Teil der Magnettrommel 53, wobei der Zusammenhang zwischen der vielpolig magnetisierten Schicht 53a der Magnettrommel 53 und dem Magnetsensor 54 erkennbar wird.
Der zweite Drehcodierer 51 hat am Außenumfang der Magnettrommel 53 die viel­ polig magnetisierte Schicht 53a mit einer Vielzahl magnetisierter Abschnitte, die mit der Teilung N (N = positive ganze Zahl) gleichmäßig verteilt sind. Die Teilung der magnetisierten Abschnitte, d. h. der Winkelabstand zweier benachbarter Ma­ gnetpole der vielpolig magnetisierten Schicht 53a sei λ. Der erste Magnetsensor 54 steht der magnetisierten Schicht 53a mit einem geringen Abstand gegenüber. Er hat eine ebene Platte 54a und acht magnetische Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4. Diese acht Elemente sind in Intervallen von λ/4 an der Oberfläche der ebenen Platte 54a angeordnet, die der vielpolig ma­ gnetisierten Schicht 53a gegenübersteht, so daß eine gerade Linie, die senkrecht durch die Mitte eines jeden magnetischen Widerstandselementes läuft, die Dreh­ achse der Magnettrommel 53 schneidet.
Dreht sich die Magnettrommel 53, so erfaßt der zweite Drehcodierer 51 die Ände­ rung des Widerstandswertes der acht magnetischen Widerstandselemente 4a1 bis 4b4, der sich abhängig von der Änderung des Magnetfeldes 3 der vielpolig ma­ gnetisierten Schicht 53a ändert, wodurch der Drehwinkel der Magnettrommel 53 mit einer Teilung von λ/4 bestimmt werden kann. Ein gegenüber λ/4 kleinerer Drehwinkel wird durch Interpolationsrechnung bestimmt.
Die Teilung λ bezeichnet in der vorliegenden Beschreibung den Teilungswinkel.
Die acht magnetischen Widerstandselemente 4a1 bis 4b4 können in zwei Gruppen unterteilt werden, entsprechend einer A-Phase und einer B-Phase mit einer Pha­ sendifferenz von λ/4 oder 3 λ/4. Die vier magnetischen Widerstandselemente 4a1 bis 4a4 und die A-Phase sowie die vier magnetischen Widerstandselemente 4b1 bis 4b4 und die B-Phase sind abwechselnd angeordnet. Die vier magnetischen Widerstandselemente 4a1 bis 4a4 der A-Phase sind mit Intervallen von λ/2 ange­ ordnet, gleiches gilt für die vier magnetischen Widerstandselemente 4b1 bis 4b4 der B-Phase.
Wie Fig. 3 zeigt, sind die vier magnetischen Widerstandselemente 4a1 bis 4a4 der A-Phase in Form einer Brückenschaltung verbunden, während die vier magneti­ schen Widerstandselemente 4b1 bis 4b4 der B-Phase gleichfalls als Brücken­ schaltung geschaltet sind. Eine elektrische Schaltung (Fig. 6) liefert eine Kon­ stantspannung V (+V und -V) an die Anschlüsse einer jeden Brückenschaltung. Sie erfaßt eine Änderung eines Magnetfeldes, d. h. eine Änderung des Drehwin­ kels der Magnettrommel 53 abhängig von der Spannung an den Anschlüssen e0 und e1 der A-Phase und der Spannung an den Anschlüssen e0' und e1' der B- Phase (Fig. 4).
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte a1, a2, a3 und a4 der vier magnetischen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 der A-Phase ab­ hängig von der Änderung des Magnetfeldes 3 veränderlich, das durch Drehung der Magnettrommel 53 entsprechend den folgenden Gleichungen erzeugt wird:
a1 = R0+Rsin(Nω)
a2 = R0+Rsin(Nω + π) = R0-Rsin(Nω)
a3 = R0+Rsin(Nω + 2π) = R0+Rsin(Nω)
a4 = R0+Rsin(Nω + 3π) = R0-Rsin(Nω)
darin ist ω der Drehwinkel der Magnettrommel 53, R0 der Widerstandswert im Falle des fehlenden Magnetfeldes, R das Widerstandsverhältnis (Koeffizient) und N die Anzahl magnetisierter Abschnitte der vielpolig magnetisierten Schicht 53a.
An den Anschlüssen e0 und e1 der A-Phase treten zwei Signale mit sinusförmigem Verlauf auf (ein SIN-Signal und ein SIN-Signal), deren Phasendifferenz 180° be­ trägt. Die Differenz dieser beiden sinusförmigen Signale wird verstärkt zu einem sinusförmigen Signal (d. h. ein SIN-Signal).
Die magnetischen Widerstandselemente 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 der B-Phase sind jeweils gegenüber den magnetischen Widerstandselementen 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 der A-Phase um π/2 versetzt, so daß die Anschlüsse e0' und e1' der B-Phase zwei cosinusförmige Signale (COS-Signal und COS-Signal) abgeben, deren Phasendifferenz 180° beträgt. Die Differenz dieser beiden cosinusförmigen Signale wird verstärkt zu einem cosinusförmigen Signal (d. h. COS-Signal), das ei­ nen Phasenunterschied von 90° gegenüber dem SIN-Signal hat.
Der Drehwinkel der Magnettrommel 53 kann mit einer Teilung von N/4 bestimmt werden, indem die Nulldurchgangspunkte der Ausgangssignale der A-Phase und der B-Phase ermittelt werden. Die Erfassungsteilung ist um den Faktor 4 kleiner (d. h. ein Viertel) als die Anzahl N der Teilungen, um eine hohe Auflösung zu rea­ lisieren. Bei Vermessungsinstrumenten ist allgemein eine Erfassungsteilung klei­ ner als ein Viertel der Anzahl N der Teilungen erforderlich, so daß die Anzahl ma­ gnetisierter Abschnitte der vielpolig magnetisierten Schicht 53a größer als die An­ zahl N der Teilungen sein muß. Hierzu wird bei dem Ausführungsbeispiel die Er­ fassungsteilung mit einer Interpolationsrechnung folgendermaßen erhöht:
tan-1 (y/x)
wobei x die Spannung der A-Phase und y die Spannung der B-Phase ist.
Die Struktur des zweiten Magnetsensors 55 stimmt mit derjenigen des ersten Ma­ gnetsensors 54 überein.
Vorstehend wurde der Aufbau der Gesamtstation 11 und des magnetischen Schritt-Drehcodierers 51 beschrieben. Die Eigenschaften des Schritt-Drehcodie­ rers 51 in der in Fig. 1 und 2 gezeigten Gesamtstation 11 werden unter Bezug­ nahme auf Fig. 6 bis 10 weiter erläutert.
Fig. 6 zeigt das Blockdiagramm der ersten Ausführungsform einer elektronischen Schaltung für den magnetischen Schritt-Drehcodierer, Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der sinus- bzw. cosinusförmigen Signale des ersten Magnetsensors 54, wobei die zeitliche Lage der Erfassung der Ausgangsspannung des ersten Ma­ gnetsensors 54 gezeigt ist. Die Fig. 6 und 7 sind auch relevant für den zweiten Magnetsensor 55.
Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung enthält den ersten Magnetsensor 54, zwei Diffe­ renzverstärker 71a und 71b, zwei Binärcodierer 72a und 72b, zwei Flankende­ tektoren 73a und 73b, zwei A/D-Wandler 74a und 74b, einen Mikrocomputer (Steuerung) 75 und einen nicht flüchtigen Speicher (z. B. flash memory) 76.
Die Schaltung 61 liefert eine Konstantspannung (+V und -V) an die Anschlüsse der A-Phasen-Brückenschaltung. Dreht sich die Magnettrommel 53, so werden zwei sinusförmige Signale (ein SIN-Signal und ein SIN-Signal) mit einem Pha­ senunterschied von 180° und einer mittleren Spannung von etwa 0 Volt an den Anschlüssen e0 und e1 der A-Phase abgegeben. Die Differenz dieser beiden Si­ gnale wird mit dem Differenzverstärker 71a verstärkt und ergibt ein sinusförmiges Signal (SIN-Signal in Fig. 7), dessen mittlere Spannung etwa Null ist. Dieses SIN- Signal wird mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72a verglichen und zu einem Binärsi­ gnal codiert.
Ähnlich liefert die Schaltung 61a eine Konstantspannung +V bzw. -V an die An­ schlüsse der B-Phasen-Brückenschaltung, so daß bei Drehung der Magnettrom­ mel 53 zwei cosinusförmige Signale (COS-Signal und COS-Signal) mit einer Phasendifferenz von 90° gegenüber den sinusförmigen Signalen an den An­ schlüssen e0' und e1' der B-Phase abgegeben werden. Die Differenz der beiden cosinusförmigen Signale wird mit dem Differenzverstärker 71b verstärkt und ergibt ein cosinusförmiges Signal (COS-Signal in Fig. 7), dessen mittlere Spannung etwa Null ist. Dieses COS-Signal wird mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72b vergli­ chen und zu einem Binärsignal codiert.
Der Flankendetektor 73a erfaßt den Änderungspunkt des Binärsignals von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 aus dem Binärcodierer 72a und gibt ein Impulssignal (Flanken­ impuls) ab. Ähnlich erfaßt der Flankendetektor 73b den Änderungspunkt des Bi­ närsignals von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 aus dem Binärcodierer 72b und gibt ein Impulssignal (Flankenimpuls) ab.
Dann wird durch den Phasenunterschied des SIN-Signals und des COS-Signals von etwa 90° die Spannung des COS-Signals zum Zeitpunkt der Erfassung des Änderungspunktes des binären SIN-Signals und gleichzeitig die Spannung des SIN-Signals zum Zeitpunkt der Erfassung des Änderungspunktes des COS-Binär­ signals erfaßt, um eine ungefähre Spitzenspannung des SIN-Signals und des COS-Signals zu erhalten. Die Spannung des COS-Signals aus dem Differenzver­ stärker 71b wird zu einem entsprechenden digitalen numerischen Wert (Span­ nungswert X) mit dem A/D-Wandler 74a bei einem Flankenimpuls des Flanken­ detektors 73a umgesetzt. Ähnlich wird die Spannung des SIN-Signals aus dem Differenzverstärker 71a in einen entsprechenden digitalen Signalwert (Span­ nungswert Y) mit dem A/D-Wandler 74b bei einem Flankenimpuls des Flanken­ detektors 73b umgesetzt.
Bei Erfassen des Impulssignals des Flankendetektors 73a empfängt der Mikro­ computer 75 den digitalen numerischen Wert des COS-Signals (Spannungswert X) von dem A/D-Wandler 74a. Ähnlich übernimmt der Mikrocomputer 75 bei Er­ fassen des Impulssignals aus dem Flankendetektor 73b den digitalen numeri­ schen Wert des SIN-Signals (Spannungswert Y) des A/D-Wandlers 74b. Der Mi­ krocomputer 75 übernimmt eine gerade Zahl der Spannungswerte Y und X (d. h. übernimmt die Spannungswerte Y und X zu einer geraden Anzahl Zeitpunkte), um die mittlere Spannung VC(SIN) des SIN-Signals und die mittlere Spannung VC(COS) des COS-Signals mit den folgenden Gleichungen zu bestimmen:
VC(SIN) = (Y1 + Y2 + . . . + Y2N-1 + Y2N)/2N (3)
VC(COS) (X1 + X2 + . . . + X2N-1 + X2N)/2N (4)
Nach Bestimmen der mittleren Spannung VC(SIN) des SIN-Signals und der mittleren Spannung VC(COS) des COS-Signals wandelt der Mikrocomputer 75 die Span­ nungswerte X und Y in Spannungswerte x und y um, die gegenüber der mittleren Spannung VC(COS) und der mittleren Spannung VC(SIN) gemessen werden, mit den folgenden Gleichungen (1):
x = X-VC(COS), und
Y = Y-VC(SIN) (1)
Dann wird der Interpolationswert (Interpolations-Drehwinkel θ) entsprechend den gewandelten Spannungswerten x und y mit der folgenden Gleichung (2) berech­ net:
θ = tan-1(y/x) (2)
Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen des COS-Signals und des SIN-Signals, die dem Mikrocomputer 75 zugeführt werden, an dem Erfassungs­ punkt der Änderung des binären SIN-Signals und des binären COS-Signals. Aus Fig. 7 ist zu ersehen, daß bei jedem dieser Signale die Erfassungspunkte (darge­ stellt durch kleine Kreise an jedem sinusförmigen Signal) beiderseits der mittleren Spannung der Signalverläufe liegen und übereinstimmende Absolutwerte, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen haben.
Die vorstehend beschriebenen Operationen werden mit dem Mikrocomputer 75 ausgeführt. Fig. 9 zeigt das Flußdiagramm, wenn der Mikrocomputer 75 zwei di­ gitale numerische Werte des COS-Signals aus dem A/D-Wandler 74a und zwei digitale numerische Werte des SIN-Signals aus dem A/D-Wandler 74b über­ nimmt. Der Mikrocomputer 75 arbeitet als Spannungsdetektor zum Erfassen der Spannungen des COS- und des SIN-Signals, sowie als Rechner.
Wird ein Flankenimpuls von dem Flankendetektor 73a an einen Interruptanschluß INT0 des Mikrocomputers 75 abgegeben, so tritt die Steuerung in Schritt S101 ein. Hier wird bestimmt, ob der Flankenimpuls (Interrupt) zum ersten oder zum zweiten Mal auftritt. Tritt er erstmals auf, so geht die Steuerung zu Schritt S103, bei dem sie eine Zeit abwartet, die zum Umsetzen der Spannung des COS-Si­ gnals aus dem Differenzverstärker 71b in einen entsprechenden Digitalwert mit dem A/D-Wandler 74a erforderlich ist. Dann wird der Digitalwert in einen Puffer­ speicher des Mikrocomputers 75 mit Schritt S105 und S107 eingeschrieben. Da­ nach wartet die Steuerung auf einen Flankenimpuls am Interruptanschluß INT0 oder einem Interruptanschluß INT1 des Mikrocomputers 75.
Ergibt Schritt S101, daß der Flankenimpuls zum zweiten Mal am Interruptan­ schluß INT0 auftritt, so geht die Steuerung zu Schritt S109, bei dem sie eine Zeit abwartet, die zum Umsetzen der Spannung des COS-Signals des Differenzver­ stärkers 71b in einen entsprechenden Digitalwert mit dem A/D-Wandler 74a er­ forderlich ist. Dann wird der Digitalwert bei Schritt S111 gelesen und mit den Schritten S113, S115 und S117 bestimmt, ob dieser Digitalwert dasselbe Vorzei­ chen wie der in dem Pufferspeicher enthaltene Digitalwert hat. Trifft dies zu, so wird der in den Pufferspeicher eingeschriebene Digitalwert durch den gelesenen Digitalwert ersetzt (Schritte S113, S115 und S107 oder Schritt S113, S117 und S107). Dann wartet die Steuerung auf die Eingabe des nachfolgenden Interrupts am Interruptanschluß INT0 oder INT1. Hat der gelesene Digitalwert ein dem Vorzeichen des in den Pufferspeicher eingeschriebenen Digitalwertes entgegen­ gesetztes Vorzeichen, d. h., geht die Steuerung von Schritt S113 zu Schritt S115 oder von Schritt S113 zu Schritt S117, so wird der Mittelwert des gelesenen Digi­ talwertes und des im Pufferspeicher enthaltenen Digitalwertes bei Schritt S119 berechnet. Dann wird die mittlere Spannung VC(COS) des COS-Signals bei Schritt S121 auf diesen Mittelwert gesetzt.
Wird ein Flankenimpuls des Flankendetektors 73b an den Interruptanschluß INT1 abgegeben, so werden Operationen ähnlich denjenigen der Schritte S101 bis S121 in beschriebener Weise ausgeführt, um den Mittelwert zweier Digitalwerte mit unterschiedlichen Vorzeichen zu berechnen und die mittlere Spannung VC(SIN) des SIN-Signals auf diesen berechneten Mittelwert zu setzen (Schritt S151).
Nach Bestimmen der mittleren Spannung VC(SIN) des SIN-Signals und der mittleren Spannung VC(COS) des COS-Signals geht die Steuerung zu Schritt S161, bei dem die nachfolgend erfaßten Spannungswerte X und Y in Spannungswerte x und y, gemessen gegenüber der mittleren Spannung VC(COS) und der mittleren Spannung VC(SIN), mit den folgenden Gleichungen (1) umgesetzt werden:
x = X-VC(COS), und
Y = Y-VC(SIN) (1)
Dann wird der Interpolationswert (Interpolations-Drehwinkel θ) mit den umge­ setzten Spannungswerten x und y mit der folgenden Gleichung (2) berechnet:
θ = tan-1(y/x) (2)
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel werden die mittle­ ren Spannungen des SIN- und des COS-Signals, die der magnetische Schritt- Drehcodierer bei seiner Drehung abgibt, bestimmt, und dann wird der Interpolati­ onswert (Interpolations-Drehwinkel θ) aus der Spannungsdifferenz der mittleren Spannung VC(SIN) des SIN-Signals und der erfaßten Spannung des SIN-Signals sowie der Spannungsdifferenz der mittleren Spannung VC(COS) des COS-Signals und der erfaßten Spannung des COS-Signals berechnet, so daß sich der Interpo­ lationswert mit hoher Genauigkeit ergibt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel können die Werte der mittleren Spannungen des SIN- und des COS-Signals VC(SIN) und VC(COS), die beim Betrieb der Gesamt­ station 11 bestimmt werden, in dem nicht flüchtigen Speicher 76 gespeichert wer­ den, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Wird sie dann wieder einge­ schaltet, so können die gespeicherten Werte der mittleren Spannungen gelesen werden, um den Interpolationswert zu berechnen.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel können die mittleren Spannungen des SIN- und des COS-Signals, VC(SIN) und VC(COS), bestimmt werden, wenn der Benutzer es wünscht oder die Stromversorgung der Gesamtstation 11 eingeschaltet wird. Die Werte dieser bestimmten mittleren Spannungen können in dem nicht flüchtigen Speicher 76 gespeichert und jeweils bei Benutzung gelesen werden. Bei dieser Art der Speicherung der Werte der bestimmten mittleren Spannungen und ihrer Nutzung durch Lesen aus dem Speicher 76 kann der Interpolationswert immer mit hoher Genauigkeit und kürzerer Rechenzeit berechnet werden.
Ferner treten keine Probleme auf, da die mittleren Spannungen des SIN- und des COS-Signals bestimmt werden können, obwohl die Einschaltzeit des Binärsignals allgemein 50% beträgt, auch wenn die Einschaltzeit des Binärcodes von 50% abweicht.
Fig. 8 zeigt das Blockdiagramm des zweiten Ausführungsbeispiels einer elektro­ nischen Schaltung für den magnetischen Schritt-Drehcodierer. Hier werden die Offsetspannungen der Differenzverstärker 71a und 71b (die Spannungen an den Offsetanschlüssen dieser Verstärker) so eingestellt, daß die mittlere Spannung VC mit einer vorbestimmten Referenzspannung übereinstimmt. Der grundsätzliche Aufbau der Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels stimmt mit demjenigen des ersten überein, so daß nur die Unterschiede im folgenden erläutert werden.
Zusätzlich zu den Elementen der ersten elektronischen Schaltung in Fig. 6 sind zwei D/A-Wandler 77a und 77b vorgesehen. Die Offsetanschlüsse der Differenz­ verstärker 71a und 71b sind mit dem Mikrocomputer 75 über die D/A-Wandler 77a und 77b verbunden.
Die mittlere Spannung VC (VC(SIN) oder VC(COS)), die in derselben Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bestimmt wird, wird mit einer vorbestimmten Zielspannung VCONST verglichen, die zuvor in dem nichtflüchtigen Speicher 76 ge­ speichert wurde, zum Berechnen ihres Unterschiedes (d. h. einer Spannungsdiffe­ renz VOFFSET), wozu die folgende Gleichung dient:
VOFFSET = VC-VCONST
Die Offsetspannungen der Differenzverstärker 71a und 71b, die der Mikrocom­ puter 75 abgibt (d. h. die Ausgangswerte der D/A-Wandler 77a und 77b, die an die Offsetanschlüsse 71a und 71b abgegeben werden), werden entsprechend dem Absolutwert der Spannungsdifferenz VOFFSET und deren Vorzeichen so eingestellt, daß die Spannungsdifferenz VOFFSET Null wird.
Auf diese Weise stellt der Mikrocomputer 75 die mittlere Spannung VC gleich der Zielspannung VCONST ein, indem die Offsetspannungen an die Offsetanschlüsse der Differenzverstärker 71a und 71b (d. h. mit Gegenkopplung) angelegt werden, so daß die Spannungsdifferenz VOFFSET, die mit der oben genannten Gleichung berechnet wurde, Null wird. Der Mikrocomputer 75 und die D/A-Wandler 77a und 77b bilden eine geschlossene Regelschleife.
Wenn in diesem Ausführungsbeispiel die Spannungen der beiden sinusförmigen Signale SIN und COS durch X und Y angegeben werden und wenn die Zielspan­ nungen der beiden Signale durch VCONST(COS) und VCONST(SIN) angegeben werden, so führen die folgenden Gleichungen (1-2):
x = X-VCONST(COS), und
y = Y-VCONST(SIN) (1-2)
zu einer Spannung x gegenüber der Zielspannung VCONST(COS) und einer Spannung y gegenüber der Zielspannung VCONST(SIN).
Der Interpolationswert (Interpolations-Drehwinkel θ) wird dann mit der folgenden Gleichung (2) berechnet:
θ = tan-1(y/x) (2)
Wenn jede Zielspannung VCONST(COS) und VCONST(SIN) gleich der entsprechenden Referenzspannung Vref(COS) bzw. Vref(SIN) gesetzt wird (Spannung am positiven An­ schluß des Binärcodierers 72a bzw. 72b), so wird jedes der beiden sinusförmigen Signale SIN bzw. COS in ein Binärsignal mit Bezug auf die jeweilige mittlere Spannung codiert. Daher wird die Einschaltdauer des Binärsignals eines jeden Binärcodierers 72a und 72b auf 50% gehalten.
Der Mikrocomputer 75 stellt die Zielspannungen ein und berechnet den Interpola­ tionswert. Fig. 10 zeigt das Flußdiagramm der dazu erforderlichen Operationen. Zunächst werden Operationen ähnlich wie bei den Schritten S101 bis S121 und 151 des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 9) ausgeführt, um die mittlere Span­ nung VC(COS) und die mittlere Spannung VC(SIN) bei Schritt S201 zu bestimmen. Dann geht die Steuerung zu Schritt S203, bei dem die Differenz der mittleren Spannung VC(SIN) und der Zielspannung VCONST(SIN), die zuvor in dem nicht flüchti­ gen Speicher 76 gespeichert wurde (d. h. Spannungsdifferenz VOFFSET(SIN)), mit der folgenden Gleichung berechnet wird:
-VOFFSET(SIN) = 0-VCONST(SIN)
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird jede Zielspannung VCONST(SIN) und VCONST(COS) auf 0 Volt gesetzt.
Dann geht die Steuerung zu Schritt S205, bei dem die Spannung -VOFFSET(SIN) (die digitale Offsetspannung) in eine entsprechende analoge Offsetspannung mit dem D/A-Wandler 77a umgesetzt wird und dem Offsetanschluß des Differenzverstär­ kers 71a zugeführt wird.
Dann geht die Steuerung zu Schritt S207, bei dem die Differenz der mittleren Spannung VC(COS) und der Zielspannung VCONST(COS), die zuvor in dem nicht flüchti­ gen Speicher 76 gespeichert wurde (d. h. die Spannungsdifferenz VOFFSET(COS)), mit der folgenden Gleichung berechnet wird:
-VOFFSET(COS) = 0-VCONST(COS)
Dann geht die Steuerung zu Schritt S209, bei dem die Spannung -VOFFSET(COS) (die digitale Offsetspannung) in eine entsprechende analoge Offsetspannung mit dem D/A-Wandler 77b umgesetzt und dem Offsetanschluß des Differenzverstärkers 71b zugeführt wird.
Nachdem die beiden analogen Offsetspannungen jeweils dem Offsetanschluß des Differenzverstärkers 71a bzw. 71b zugeführt sind, geht die Steuerung zu Schritt S211, bei dem nachfolgend erfaßte Spannungswerte X und Y in Spannungswerte x und y gegenüber der Zielspannung VCONST(COS) bzw. VCONST(SIN) umgesetzt wer­ den, und dann wird der Interpolationswert (Interpolations-Drehwinkel θ) aus den umgesetzten Spannungswerten x und y berechnet.
Die vorstehende Beschreibung ergibt, daß bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die mittlere Spannung des SIN-Signals und des COS-Signals aus dem magneti­ schen Schritt-Drehcodierer gleich der entsprechenden Zielspannung VCONST(SIN) oder VCONST(COS) gemacht werden kann, so daß der Interpolationswert mit hoher Genauigkeit berechnet wird. Ferner wird durch Gleichsetzen der jeweiligen Zielspannung VCONST(COS) bzw. VCONST(COS) mit der dem Referenzspannungsan­ schluß (positiven Anschluß) des Binärcodierers 72a bzw. 72b zugeführten Span­ nung der Einschaltzyklus des von jedem Binärcodierer 72a und 72b abgegebenen Binärsignals auf 50% gehalten.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung sind die Werte der Offsetspannungen, die die Spannungsdifferenzen VOFFSET(SIN) und VOFFSET(COS) zu Null machen (berechnet aus den Werten der mittleren Spannung VC und der Zielspannung VCONST), in dem nicht flüchtigen Speicher 76 gespei­ chert, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Danach können die gespei­ cherten Werte der Offsetspannungen aus dem Speicher 76 ausgelesen und dem D/A-Wandler 77a bzw. 77b zugeführt werden, um die Offsetspannungen einzu­ stellen. Dies ermöglicht ein Berechnen des Interpolationswertes (Interpolations- Drehwinkel θ) mit hoher Genauigkeit.
Ferner können bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Werte der Offsetspan­ nungen bestimmt werden, wenn der Benutzer dies wünscht oder wenn die Strom­ versorgung der Gesamtstation 11 eingeschaltet wird. Die Werte der Offsetspan­ nungen können in dem nicht flüchtigen Speicher 76 gespeichert und je nach Er­ fordernis ausgelesen werden. Durch diese Art der Speicherung der bestimmten Werte der Offsetspannungen in dem Speicher 76 und der Nutzung dieser Werte im Betrieb der Gesamtstation 11 durch Auslesen aus dem Speicher 76 können die Interpolationswerte immer mit hoher Genauigkeit und kurzer Rechenzeit berech­ net werden.

Claims (10)

1. Schritt-Drehcodierer zur Abgabe zweier sinusförmiger Signale mit einem Phasenunterschied von 90°, mit
einer Binärcodierschaltung zum Codieren der beiden sinusförmigen Signale zu einem Binärsignal,
einem Spannungsdetektor zum Erfassen der Spannung eines der beiden si­ nusförmigen Signale zum Zeitpunkt einer Änderung des Binärsignals des anderen sinusförmigen Signals, und
einer Steuerung mit einem Rechner, der aus einer geraden Zahl erfaßter Spannungswerte einen Mittelwert für jedes der beiden sinusförmigen Signale berechnet.
2. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner eine mittlere Spannung des jeweiligen sinusförmigen Signals mit dem Mittelwert berechnet und eine Interpolationsrechnung mit der erfaßten Spannung und dem Mittelwert ausführt, um einen Interpolations-Drehwinkel des Schritt-Drehcodierers zu berechnen.
3. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen drehbaren Teil,
einen Sensor zur Abgabe zweier sinusförmiger Signale mit einer Phasendif­ ferenz von 180° gegenüber jedem der beiden sinusförmigen Signale, deren Phasendifferenz 90° ist, und
einem Differenzverstärker zum Verstärken der Differenz der beiden sinus­ förmigen Signale mit der Phasendifferenz von 180°.
4. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner die Interpolationsrechnung mit den folgenden Gleichungen (1) und (2) ausführt:
x = X-VC(COS) und
y = Y-VC(SIN) (1);
θ = tan-1(y/x) (2);
wobei X und Y die Spannungen der beiden sinusförmigen Signale sind,
VC die mittlere Spannung ist, und
θ der Interpolations-Drehwinkel ist.
5. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen nicht flüchtigen Speicher, in den die mittleren Spannungen VC(SIN) und VC(COS) zu­ vor eingespeichert sind, und durch das Auslesen der gespeicherten Werte der mittleren Spannungen VC(SIN) und VC(COS) aus dem nicht flüchtigen Spei­ cher zur Interpolationsrechnung.
6. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geschlossene Regelschleife zum Vergleich des Mittelwertes mit einer vorbestimmten Zielspannung, um die mittlere Spannung der vorbestimmten Zielspannung anzunähern.
7. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen drehbaren Teil,
einen Sensor zur Abgabe zweier sinusförmiger Signale mit einer Phasendif­ ferenz von 180° gegenüber jedem der beiden sinusförmigen Signale, deren Phasendifferenz 90° ist, und
einem Differenzverstärker zum Verstärken der Differenz der beiden sinus­ förmigen Signale mit der Phasendifferenz von 180°,
wobei die geschlossene Regelschleife die Offsetspannung des Differenzver­ stärkers so einstellt, daß die mittlere Spannung mit der vorbestimmten Zielspannung übereinstimmt.
8. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen nicht flüchtigen Speicher, in den zuvor die eingestellte Offsetspan­ nung eingespeichert wurde, wobei die Steuerung die gespeicherte Offset­ spannung aus diesem Speicher ausliest, um die Spannungswerte X und Y einzustellen, die mit dem Spannungsdetektor erfaßt werden, nachdem die Stromversorgung aus- und wieder eingeschaltet wurde.
9. Schritt-Drehcodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Magnettrommel, und durch einen ersten und einen zweiten, bezüglich der Drehachse der Magnettrommel einander gegenüber­ liegend angeordneten Magnetsensor.
10. Vermessungsinstrument mit einer Nivellierplatte,
einer mit der Nivellierplatte um eine vertikale Achse drehbar verbundene Säule,
einem an der Säule um eine horizontale Achse relativ zu ihr drehbaren Teles­ kop,
einer Horizontalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels der Säule relativ zu der Nivellierplatte, und
einer Vertikalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels des Te­ leskops relativ zu der Säule, wobei mindestens eine der Winkel-Meßvor­ richtungen einen Schritt-Drehcodierer enthält,
wobei der Schritt-Drehcodierer einen drehbaren Teil, einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor enthält, die so angeordnet sind, daß sie einander bezüglich der Drehachse des drehbaren Teils gegenüberliegen,
wobei der Schritt-Drehcodierer zwei sinusförmige Signale mit einer Phasen­ differenz von 90° abgibt, wenn er sich dreht, und
wobei der Schritt-Drehcodierer enthält:
eine binäre Codierschaltung zum Codieren der beiden sinusförmigen Si­ gnale zu Binärsignalen,
einen Spannungsdetektor zum Erfassen der Spannung eines der beiden si­ nusförmigen Signale zum Zeitpunkt einer Änderung des Binärsignals des anderen sinusförmigen Signals, und
einen Rechner, der aus einer geraden Anzahl erfaßter Spannungswerte ei­ nes jeden der beiden sinusförmigen Signale einen Mittelwert bildet.
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