DE10020980A1

DE10020980A1 - Schritt-Drehcodierer

Info

Publication number: DE10020980A1
Application number: DE10020980A
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Kenjo; Masami Shirai
Original assignee: Asahi Seimitsu KK; Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hoya Corp; Pentax Precision Co Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2000-11-09
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: US6384405B1; JP2000314640A; US6555809B2; US20020153479A1; DE10020980B4; JP3564000B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schritt-Drehcodierer mit einem ersten und einem zweiten Sensor (54, 55), die jeweils zwei sinusförmige Signale mit einer Phasendifferenz von 90 DEG beim Drehen eines drehbaren Teils abgeben. Der Schritt-Drehcodierer enthält eine Absolut-Nullmarken-Erfassungsvorrichtung für den ersten Sensor (54), mindestens einen Binärcodierer (72, 74), der jedes der beiden sinusförmigen Signale und das Nullmarkensignal zu einem Binärsignal codiert, eine Verriegelungsschaltung (77) zum Halten der Pegeldaten des Binärsignals eines jeden sinusförmigen Signals des zweiten Sensors (55), wenn ein Nullmarkensignal abgegeben wird, und eine Steuerung zum Bestimmen, ob die Phase der beiden sinusförmigen Signale des zweiten Sensors (55) der Phase der beiden sinusförmigen Signale des ersten Sensors (54) vor- oder nacheilt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schritt-Drehcodierer, der sich für Vermessungsinstru mente wie Gesamtstationen, Theodoliten o. ä. eignet. Fotoelektrische Schritt- Drehcodierer, die mehr als 10.000 Impulse pro Umdrehung abgeben, werden bei Vermessungsinstrumenten weitläufig eingesetzt. Solche Drehcodierer enthalten gewöhnlich zwei Sensoren, die gegeneinander um 180° an einer Drehskalen scheibe versetzt angeordnet sind. Jedem Sensor ist eine Erfassungsvorrichtung zugeordnet, die ein Signal immer dann abgibt, wenn der Sensor eine Absolut-Null- Marke an der Drehskala erfaßt. Der Grund für den gegenseitigen Versatz von 180° an der Drehskalenscheibe besteht darin, daß durch Exzentrizität der Scheibe entstehende Fehler zu kompensieren sind. Ferner ist die Absolut-Null-Marke erforderlich, um den Einfluß des Abstandes zwischen der Drehachse der Drehskalenscheibe und ihrem Lager zu vermeiden, der die Exzentrizität der Drehskalenscheibe hervorruft.

Bei der Vertikalwinkelmessung mit einem fotoelektrischen Schritt-Drehcodierer muß der vorstehend genannte Exzentrizitätsfehler kompensiert werden, um die Genauigkeit des Codierers zu erhöhen. Zur Kompensation eines solchen Fehlers sollen die beiden Sensoren gegeneinander um 180° an der Drehskalenscheibe versetzt sein. Das Nullmarkensignal muß aber theoretisch nur von einem der bei den Sensoren abgegeben werden, so daß es kostspielig und raumaufwendig ist, wenn für jeden der beiden Sensoren eine Erfassungsvorrichtung für das Nullmar kensignal vorgesehen ist.

Bei der Vertikalwinkelmessung wird in den meisten Fällen der Erfassungspunkt der Absolut-Null-Marke aus dem Phasenunterschied ihres Signals gegenüber zwei sinusförmigen Signalen (ein SIN-Signal und ein COS-Signal) bestimmt, die von einem Sensor abgegeben werden, und dann werden die Änderungspunkte des Signalpegels eines jeden sinusförmigen Signals gezählt. Üblicherweise treten vier Änderungspunkte pro Impuls auf.

Wenn die Erfassungsvorrichtung für die Absolut-Null-Marke nur einem der beiden Sensoren zugeordnet ist, so ist der Anfangspunkt der Impulszählung, der nach dem Erfassen der Absolut-Null-Marke bestimmt wird, für den Sensor mit der Erfassungsvorrichtung auf einer Seite der Drehskalenscheibe praktisch immer derselbe, während die Absolut-Null-Marke in einem Bereich weniger Zählschritte bei dem Sensor auf der anderen Seite der Drehskalenscheibe, dem keine Auswertevorrichtung zugeordnet ist, veränderlich ist. Dies verursacht einen Fehler bei der Impulszählung (Absolut-Null-Erfassungsfehler) jeweils beim Erfassen einer Absolut-Null-Marke.

Bei Schritt-Drehcodierern, die weniger Impulse als die fotoelektrischen Schritt- Drehcodierer pro Umdrehung (wenige Tausend Impulse pro Umdrehung) abge ben, wie magnetische Schritt-Drehcodierer, ist der Abstand zwischen der Dreh achse der Drehskalenscheibe und ihrem Lager relativ zu der Teilung der drehba ren Trommel (z. B. Magnettrommel) klein, so daß ein Fehler bei der Erfassung der Absolut-Null-Marke kaum auftritt. Es verbleibt aber die Möglichkeit eines Fehlers der Impulszählung in einem Bereich von ± einem Zählschritt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schritt-Drehcodierer anzugeben, der eine relativ kleine Anzahl Impulse pro Umdrehung abgibt, z. B. ein magneti scher Schritt-Drehcodierer, bei dem kein Fehler bei der Erfassung der Absolut- Null-Marke auftritt, auch wenn die Erfassungsvorrichtung nur einem der beiden Sensoren zugeordnet ist, die um 180° gegeneinander versetzt sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 11. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Bei einem Drehcodierer nach der Erfindung wird erfaßt, ob die Phasenlage der Ausgangsspannung eines der beiden Magnetsensoren, dem keine Erfassungsvor richtung für die Absolut-Null-Marke zugeordnet ist, gegenüber der Phasenlage der Ausgangsspannung des anderen Magnetsensors, dem eine Erfassungsvor richtung zugeordnet ist, innerhalb des Betrages eines Teilungsabschnitts vor- oder nacheilt. Deshalb wird die Erfindung effektiv bei Schritt-Drehcodierern an gewendet, die weniger Impulse als ein fotoelektrischer Schritt-Drehcodierer pro Umdrehung abgeben wie z. B. magnetische Schritt-Drehcodierer.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 die Rückansicht einer Gesamtstation mit zwei magnetischen Schritt- Drehcodierern, die im Querschnitt gezeigt sind,

Fig. 2 die Seitenansicht der Gesamtstation nach Fig. 1,

Fig. 3 eine beispielsweise Darstellung eines Abschnitts eines der beiden magnetischen Schritt-Drehcodierer aus Fig. 1 und 2,

Fig. 4 die Schaltung magnetischer Widerstandselemente an einem Ma gnetsensor eines der Schritt-Drehcodierer aus Fig. 1 und 2,

Fig. 5 die Vorderansicht eines der magnetischen Schritt-Drehcodierer aus Fig. 1 und 2,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht, teilweise als Draufsicht, des ma gnetischen Schritt-Drehcodierers aus Fig. 5,

Fig. 7 das Blockdiagramm einer elektronischen Schaltung des in Fig. 5 und 6 gezeigten magnetischen Schritt-Drehcodierers,

Fig. 8 den zeitlichen Verlauf eines Nullmarkensignals, binär codierter COS- und SIN-Signale eines der beiden Magnetsensoren und binär co dierter COS- und SIN-Signale des anderen Magnetsensors aus Fig. 5 und 6, und

Fig. 9 das Flußdiagramm der grundsätzlichen Arbeitsweise der magneti schen Schritt-Drehcodierer aus Fig. 5 und 6.

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 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 magnetisierten Schicht unter geringem Abstand beiderseits der Magnettrommel 43 bezüglich der vertikalen Achse 19 gegenüberstehen. Die beiden Magnetsensoren 44 und 45 sind gegen einander um etwa 180° versetzt. Ähnlich hat der zweite Drehcodierer 51 eine Ma gnettrommel (Teilungsscheibe) 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 Ma gnettrommel 43 ausgebildet ist. Der zweite Drehcodierer 51 hat zwei Magnetsen soren 54 und 55, die der magnetisierten Schicht 53a unter einem geringen Ab stand beiderseits der Magnettrommel 53 bezüglich der horizontalen Achse 23 ge genüberstehen. Die beiden Magnetsensoren 54 und 55 sind gegeneinander 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. 7), 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 Bedienungsfeld 31 und 32 hat einen Tastschalter, der von dem Benutzer manuell betätigt 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. 7) 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.

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 Si gnale 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 zweiten Drehcodierers 51 beschrieben. Die Eigenschaften des zweiten Drehcodierers 51 in der in Fig. 1 und 2 gezeigten Gesamtstation 11 werden unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 9 weiter erläutert.

Fig. 5 zeigt schematisch die Vorderansicht des zweiten Drehcodierers 51. Fig. 6 zeigt schematisch die Seitenansicht des zweiten Drehcodierers 51, bei der auch eine Draufsicht der beiden Magnetsensoren 54 und 55 dargestellt ist.

Die beiden Magnetsensoren 54 und 55 sind gegeneinander um etwa 180° bezüg lich der horizontalen Achse 23 versetzt, so daß die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors derjenigen der Ausgangsspannung des ersten Sensors um einen elektrischen Winkel von λ/2 vor- oder nacheilt.

Die Magnettrommel 53 hat am Außenumfang an einer von der vielpolig magneti sierten Schicht 53a in Richtung der horizontalen Achse 23 um einen vorbestimm ten Abstand getrennten Position einen magnetisierten Teil 53b, der eine Absolut- Null-Marke des zweiten Drehcodierers 51 darstellt.

Zusätzlich zu den magnetischen Widerstandselementen 4a₁, 4a₂, 4a₃, 4a₄, 4b₁, 4b₂, 4b₃ und 4b₄ hat der erste Magnetsensor 54 außerdem vier magnetische Wi derstandselemente 4c₁, 4c₂, 4c₃, 4c₄ zum Erfassen des magnetisierten Teils 53b. Die vier magnetischen Widerstandselemente 4c₁, 4c₂, 4c₃, 4c₄ sind an dem ersten Magnetsensor 54 längs einer Linie ausgerichtet, die in Richtung der horizontalen Achse 23 einen Abstand zu einer Linie hat, auf der die magnetischen Wider standselemente 4a₁, 4a₂, 4a₃, 4a₄, 4b₁, 4b₂, 4b₃ und 4b₄ ausgerichtet sind. Die magnetischen Widerstandselemente 4c₁, 4c₂, 4c₃, 4c₄ sind mit Intervallen von λ/2 angeordnet. Der zweite Magnetsensor 55 hat acht magnetische Widerstandsele mente 5a₁, 5a₂, 5a₃, 5a₄, 5b₁, 5b₂, 5b₃ und 5b₄, die gleichartig wie die magneti schen Widerstandselemente 4a₁, 4a₂, 4a₃, 4a₄, 4b₁, 4b₂, 4b₃ und 4b₄ des ersten Magnetsensors 54 sind. Dieser Magnetsensor 55 hat aber keine magnetischen Widerstandselemente zum Erfassen des magnetisierten Teils 53b, also der Ab solut-Null-Marke.

Die vier magnetischen Widerstandselemente 4c₁, 4c₂, 4c₃ und 4c₄ sind gleichfalls als Brückenschaltung verbunden. Sie geben zwei sinusförmige Signale (ein abs- Signal und ein abs-Signal) ab, die eine gegenseitige Phasendifferenz von 180° haben und jeweils mit Durchlauf des magnetisierten Teils 53b erzeugt werden. Die Differenz der beiden sinusförmigen Signale wird mit einem Differenzverstärker 73 (Fig. 7) zu einem sinusförmigen Signal verstärkt, das in Fig. 8 als Nullmarken signal ABS gezeigt ist.

Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung enthält auf der Seite des ersten Magnetsensors 54 drei Differenzverstärker 71a, 71b und 73, drei Binärcodierer 72a, 72b und 74 und eine Absolut-Null-Erfassungsschaltung 75. Diese ist ein Grundelement der Absolut-Null-Erfassungsvorrichtung, die einen Erfassungsimpuls ABSD ausgibt. Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung enthält auf der Seite des zweiten Magnetsensors 55 zwei Differenzverstärker 71c und 71d und zwei Binärcodierer 72c und 72d. Sie enthält ferner einen Aufwärts/Abwärts-Zähler 76, zwei Verriegelungsschaltungen 77a und 77b und einen Mikrocomputer (Steuerung) 78.

Das Messen des Vertikalwinkels der horizontalen Achse 23 mit dem zweiten Drehcodierer 51 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in Fig. 7 gezeigte Schaltung und das in Fig. 8 gezeigte Zeitdiagramm erläutert.

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, dessen mittlere Spannung etwa Null ist. Dieses SIN-Signal wird mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72a verglichen und zu einem Binärsignal 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), dessen mittlere Spannung etwa Null ist. Dieses COS-Signal wird mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72b verglichen und zu einem Binärsignal codiert.

Die Differenz des SIN-Signals und des SIN-Signals sowie die Differenz des COS- Signals und des COS-Signals aus dem ersten Magnetsensor 54 werden mit dem Differenzverstärker 71a bzw. 71b zu einem sinusförmigen COS-Signal und einem sinusförmigen SIN-Signal verstärkt, die eine Phasendifferenz von 90° haben. Das COS-Signal wird mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72b verglichen und in ein Binär signal gewandelt, das einen Einschaltzyklus von 50% hat. Ähnlich wird das SIN- Signal mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72a verglichen und in ein Binärsignal um gesetzt, dessen Einschaltzyklus gleichfalls 50% ist.

Ähnlich werden die Differenz des SIN-Signals und des SIN-Signals sowie die Differenz des COS-Signals und des COS-Signals aus dem zweiten Magnetsensor 55 mit den Differenzverstärkern 71c und 71d zu einem sinusförmigen COS-Signal und einem sinusförmigen SIN-Signal verstärkt, die eine Phasendifferenz von 90° haben. Das COS-Signal wird mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72d verglichen und in ein Binärsignal umgesetzt, dessen Einschaltzyklus 50% ist. Ähnlich wird das SIN- Signal mit 0 Volt in dem Binärcodierer 72c verglichen und in ein Binärsignal umgesetzt, dessen Einschaltzyklus 50% beträgt.

In der Schaltung des ersten Magnetsensors 54, bei dem der magnetisierte Teil 53b der Absolut-Null-Marke erfaßt wird, wird die Differenz der beiden sinusförmi gen Signale (abs-Signal und abs-Signal), die von dem ersten Magnetsensor 54 abgegeben werden, mit dem Differenzverstärker 73 zu dem Nullmarkensignal ABS (Fig. 7) verstärkt. Dieses Signal wird in dem Binärcodierer 74 zu einem Bi närsignal codiert. Dann wird dieses binäre Signal ABS mit dem SIN-Signal und dem COS-Signal kombiniert, die von den Binärcodierern 72a und 72b abgegeben werden, um den Nullmarkenimpuls ABSD (Fig. 8) über die Erfassungsschaltung 75 abzugeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Nullmarkenimpuls ABSD so erzeugt, daß er zum Zeitpunkt des Anstiegs des binären SIN-Signals von 0 auf 1 gleichfalls von 0 auf 1 ansteigt unter der Bedingung, daß das Nullmarkensignal ABS und das binäre COS-Signal den Wert 0 haben.

Die Pegeldaten (1 oder 0) des binären SIN-Signals und die Pegeldaten (1 oder 0) des binären COS-Signals des zweiten Magnetsensors 55 werden in die Verrie gelungsschaltungen 77a und 77b eingegeben und dem Mikrocomputer 78 zuge führt, wenn ein Impulsanstieg des Nullmarkenimpulses ABSD auftritt.

Nachdem der Mikrocomputer 78 den Nullmarkenimpuls ABSD erfaßt hat, wird der Aufwärts/Abwärts-Zähler 76 abhängig von der Drehrichtung der Magnettrommel 53 erhöht oder verringert, wenn der Mikrocomputer 78 den Änderungspunkt des SIN-Signals und des COS-Signals erfaßt, die von jedem Magnetsensor 54 und 55 abgegeben werden.

Entsprechend der Logik der Ausgangssignale der Verriegelungsschaltung 77a und 77b bestimmt der Mikrocomputer 78, ob der Zeitpunkt der Ausgabe des binären SIN-Signals und des binären COS-Signals um Einheiten von ¼ Teilung gegenüber einem erwarteten Zeitpunkt (einem erwarteten Wert) vor- oder nacheilt, um einen Kompensationswert zu bestimmen, der dem vor- oder nacheilenden Zeitpunkt entspricht. Dann benutzt der Mikrocomputer 78 die Summe des Kom pensationswertes und des Zählwertes des Aufwärts/Abwärts-Zählers 76, um den Vertikalwinkel der horizontalen Achse 23 zu berechnen.

Ein Ausführungsbeispiel der Bestimmung des Kompensationswertes wird im fol genden unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm in Fig. 8 und das Flußdiagramm in Fig. 9 beschrieben.

Ein Erfassungspunkt der Absolut-Null-Marke (d. h. der Zeitpunkt der Erzeugung des Nullmarkenimpulses ABSD) entspricht dem Zeitpunkt, zu dem das binäre SIN-Signal aus dem ersten Magnetsensor 54 von 0 auf 1 ansteigt, wenn das bi näre COS-Signal des ersten Magnetsensors 54 den Wert 0 hat, während das Nullmarkensignal ABS erzeugt wird (d. h. während das Nullmarkensignal ABS den Wert 0 hat). Der Pegel 1 des COS-Signals und der Pegel 0 des SIN-Signals, die mit dem zweiten Magnetsensor 55 erzeugt werden, sind zu diesem Zeitpunkt die idealen Pegelwerte (erwartete Werte), wenn der zweite Drehcodierer 51 nicht durch den Abstand zwischen der horizontalen Achse 23 und dem horizontalen Lager 29 beeinflußt wird.

Es wird angenommen, daß die Phase des COS-Signals und des SIN-Signals des zweiten Magnetsensors 55, dem keine Erfassungsvorrichtung für die Nullmarke zugeordnet ist, gegenüber der Phase des COS- und des SIN-Signals des ersten Magnetsensors 54 um 90° verzögert ist durch den Einfluß des Abstandes zwi schen der horizontalen Achse und dem horizontalen Lager 29. Bei dieser An nahme veranlaßt die Phase des COS- und des SIN-Signals des zweiten Magnet sensors 55 zum Zeitpunkt der Erfassung des magnetisierten Teils 53b der Null marke einen negativen Zählschritt zu dem originalen Zählwert (erwarteter Zähl wert). Dann wird der Aufwärts/Abwärts-Zähler 76 erhöht oder verringert, wobei ein Verzögerungspunkt von 90° als der Punkt des Zählbeginns (Erfassung der Abso lut-Null-Marke) betrachtet wird, so daß der zuvor genannte negative Zählschritt als Fehler (Absolut-Null-Erfassungsfehler) in der nachfolgenden Zähloperation verbleibt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein solcher negativer Zählschritt als Kompensationswert zum aktuellen Zählerstand hinzugefügt, der aus dem Aufwärts/Abwärts-Zähler 76 aus gelesen wird. Die folgende Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang der Logik der Ausgangssignale der Verriegelungsschaltungen 77a und 77b sowie des Kompen sationswertes.

Tabelle 1

Darin ist L der Unten-Wert (0) und H der Oben-Wert (1).

Der Kompensationswert wird durch den Mikrocomputer 78 bestimmt, wenn der Zählwert des Aufwärts/Abwärts-Zählers 76 mit dem Mikrocomputer 78 kompen siert wird. Der Mikrocomputer 78 enthält einen Kompensationswertspeicher 79, in dem der bestimmte Kompensationswert gespeichert ist. Der Prozeß der Bestim mung des Kompensationswertes und der Kompensation des Zählwertes des Auf wärts/Abwärts-Zählers 76 wird im folgenden eingehend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 9 erläutert.

Dieses Flußdiagramm enthält nur die Grundoperationen zum Messen des Verti kalwinkels in dem Prozeß der Bestimmung des Kompensationswertes und dem Prozeß des Kompensierens des Zählwertes des Aufwärts/Abwärts-Zählers 76. Der Mikrocomputer 78 führt normalerweise eine Interpolationsrechnung zum Be stimmen des erfaßten Winkels aus, der kleiner als die Teilung (λ/4) ist, sowie weitere Prozesse, wie einen Prozeß zum Initialisieren des Systems und einen Prozeß zum Messen des Horizontalwinkels.

Der Mikrocomputer 78 setzt den in Fig. 9 gezeigten Prozeß fort, wenn die Strom versorgung der Gesamtstation 11 eingeschaltet ist. Zunächst wird bestimmt, ob ein Merker für das Erfassen des Nullmarkenimpulses (im folgenden als ABSD- Erfassungsmerker bezeichnet) auf 1 gesetzt ist (Schritt S101). Ist er noch nicht auf 1 gesetzt, so geht die Steuerung zu Schritt S103, bei dem geprüft wird, ob der Nullmarkenimpuls ABSD ausgegeben wurde. Ist er noch nicht ausgegeben, so tritt die Steuerung aus dem in Fig. 9 gezeigten Prozeß aus.

Ergibt Schritt S103, daß der Nullmarkenimpuls ABSD ausgegeben wurde, so wird geprüft, ob die Pegel an den Ausgängen der Verriegelungsschaltungen 77a und 77b unten (L) und oben (H) sind (Schritt S105). Trifft dies zu, so liegt ein fehler freier Zustand vor, d. h. die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors 55 hat keinen Unterschied gegenüber der Phase der Ausgangsspannung des er sten Sensors 54, so daß die Steuerung zu Schritt S107 geht, wo der Kompensati onswert auf 0 gesetzt und in dem Kompensationswertspeicher 79 gespeichert wird. Dann geht die Steuerung zu Schritt S119.

Ergibt Schritt S105, daß die Pegel der Ausgangssignale der Verriegelungsschal tungen 77a und 77b nicht L und H sind, so geht die Steuerung zu Schritt S109, wo geprüft wird, ob die Pegel an den Ausgängen der Verriegelungsschaltungen 77a und 77b beide den Wert L haben. Trifft dies zu, so zeigt dies, daß die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors 55 der Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors 55 der Phase der Ausgangsspannung des ersten Sensors 54 um ¼ Teilung voreilt, so daß die Steuerung zu Schritt S111 geht, bei dem der Kompensationswert auf +1 gesetzt und in dem Kompensationswertspeicher 79 gespeichert wird. Dann geht die Steuerung zu Schritt S119.

Ergibt Schritt S109, daß die Pegel der Ausgangssignale der Verriegelungsschal tungen 77a und 77b nicht beide den Wert L haben, so geht die Steuerung zu Schritt S113, wo geprüft wird, ob die Pegel an den Ausgängen der Verriegelungs schaltungen 77a und 77b beide den Wert H haben. Trifft dies zu, so zeigt dies, daß die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors 55 der Phase der Ausgangsspannung des ersten Sensors 54 um ¼ Teilung nacheilt, so daß die Steuerung zu Schritt S111 geht, bei dem der Kompensationswert auf -1 gesetzt und in dem Kompensationswertspeicher 79 gespeichert wird. Dann geht die Steuerung zu Schritt S119.

Ergibt Schritt S113, daß die Pegel der Ausgangssignale der Verriegelungsschal tungen 77a und 77b nicht beide den Wert H haben, d. h. daß sie den Wert H und L haben, so zeigt dies, daß die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors 55 der Phase der Ausgangsspannung des ersten Sensors 54 um ½ Teilung nacheilt, so daß die Steuerung zu Schritt S117 geht, bei dem der Kompensati onswert auf -2 gesetzt und in den Kompensationswertspeicher 79 eingegeben wird. Dann geht die Steuerung zu Schritt S119.

Nachdem die Logik der Ausgangssignale der Verriegelungsschaltungen 77a und 77b in vorstehend beschriebener Weise geprüft wurde, wird der ABSD-Erfas sungsmerker auf 1 gesetzt (Schritt S119). Dann wird der Zählwert des Auf wärts/Abwärts-Zählers 76 ausgelesen und in den Mikrocomputer 78 eingegeben (Schritt S121). Dann wird der Kompensationswert zu dem Zählwert des Auf wärts/Abwärts-Zählers 76 addiert, um den Zählwert zu kompensieren (Schritt S123). Danach wird der Vertikalwinkel des Teleskops 25 berechnet entsprechend dem kompensierten Zählwert des Aufwärts/Abwärts-Zählers 76, der auf der An zeige mindestens eines der Bedienungsfelder 31 und 32 anzuzeigen ist (Schritt S125).

Wenn dann die Operation des Schritts S101 ausgeführt wird, ist der ABSD-Erfas sungsmerker bereits gesetzt, so daß die Steuerung von Schritt S101 zu Schritt S121 geht und die Operationen der Schritte S103 bis S119 überspringt. Ist der ABSD-Erfassungsmerker bereits gesetzt, so überspringt die Steuerung nämlich die Schritte S103 bis S119, solange die Stromversorgung eingeschaltet ist.

Die vorstehende Beschreibung ergibt, daß auch bei einem Aufbau des zweiten Drehcodierers 51 derart, daß die beiden Sensoren 54 und 55 um 180° an der Ma gnettrommel 53 gegeneinander versetzt sind und die Erfassungsvorrichtung für die Absolut-Null-Marke nur dem ersten Magnetsensor 54 zugeordnet ist, eine Be stimmung möglich ist, ob die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Sensors 55 mit Einheiten einer ¼ Teilung gegenüber der Phase der Ausgangsspannung des ersten Sensors vor- oder nacheilt. Deshalb kann die Genauigkeit des Codie rers zum Messen des Vertikalwinkels verbessert werden, indem der Kompensati onswert zum Kompensieren des Zählwertes des Aufwärts/Abwärts-Zählers 76 entsprechend der Logik der Ausgangssignale der Verriegelungsschaltungen 77a und 77b bestimmt und dann dieser Kompensationswert zu dem aktuellen Zählwert des Aufwärts/Abwärts-Zählers 76 addiert wird.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Einfluß des Abstandes zwischen der horizontalen Achse 23 und dem horizontalen Lager 29 beseitigt werden. Ferner kann ein Schritt-Drehcodierer realisiert werden, bei dem der Ab solut-Null-Markenfehler nicht auftritt, auch wenn nur einer der beiden Sensoren, die gegeneinander um 180° an der Drehskalenscheibe oder -trommel versetzt sind, eine Erfassungsvorrichtung für die Absolut-Null-Marke hat. Ferner kann ein Auftreten des Erfassungsfehlers von ¼ Teilung für die Absolut-Null-Marke ver mieden werden.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel des Schritt-Drehcodierers gilt nur für den Fall, daß die Phase der Ausgangsspannung eines der beiden Magnetsensoren, dem keine Erfassungsvorrichtung für die Absolut-Null-Marke zugeordnet ist, der Phase der Ausgangsspannung des anderen Magnetsensors, dem eine solche Erfassungsvorrichtung zugeordnet ist, innerhalb einer Teilung vor- oder nacheilt. Deshalb wird die Erfindung effektiv auf einen Schritt-Drehcodierer angewendet, der weniger Impulse als ein fotoelektrischer Schritt-Drehcodierer pro Umdrehung (wenige Tausend Impulse pro Umdrehung) abgibt, z. B. ein magnetischer Schritt- Drehcodierer.

Der erste Drehcodierer 41 kann gleichartig wie der zweite Drehcodierer 51 aufge baut sein.

Da bei der Erfindung die Verriegelungsschaltungen 77a und 77b die Pegeldaten des Binärsignals eines jeden sinusförmigen Signals des zweiten Sensors zu dem Zeitpunkt beibehalten, zu dem die Erfassungsvorrichtung für die Absolut-Null- Marke das Nullmarkensignal abgibt, und da der Mikrocomputer 78 bestimmt, ob die Phase der beiden sinusförmigen Signale des zweiten Sensors der Phase der beiden sinusförmigen Signale des ersten Sensors vor- oder nacheilt, kann der Erfassungspunkt der Absolut-Null-Marke bei dem zweiten Sensor kompensiert werden, indem die Erfassungsvorrichtung nur dem ersten Sensor zugeordnet ist.

Claims

1. Schritt-Drehcodierer mit einem ersten und einem zweiten Sensor, die jeweils zwei sinusförmige Signale mit einem Phasenunterschied von 90° bei Dre hung eines drehbaren Teils abgeben und um 180° gegeneinander versetzt nahe dem drehbaren Teil angeordnet sind, gekennzeichnet durch
eine Absolut-Nullmarken-Erfassungsvorrichtung für den ersten Sensor, die ein Nullmarkensignal abgibt, wenn der erste Sensor eine Absolut-Null-Marke an dem drehbaren Teil erfaßt,
mindestens einen Binärcodierer zum Codieren jedes sinusförmigen Signals und des Nullmarkensignals zu einem Binärsignal,
eine Verriegelungsschaltung zum Halten der Pegeldaten des Binärsignals eines jeden sinusförmigen Signals des zweiten Sensors zu dem Zeitpunkt, zu dem die Erfassungsvorrichtung das Nullmarkensignal abgibt, und
eine Steuerung zum Erfassen, ob die Phase der beiden sinusförmigen Si gnale des zweiten Sensors der Phase der beiden sinusförmigen Signale des ersten Sensors vor- oder nacheilt.

2. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen Zähler, dessen Zählwert jeweils bei Auftreten einer Änderung eines jeden der beiden sinusförmigen Signale aus den beiden Sensoren erhöht oder verringert wird, wobei
die Steuerung einen Drehwinkel des drehbaren Teils entsprechend dem Zählwert des Zählers berechnet, der das Zählen beginnend mit dem Erfas sen der Absolut-Null-Marke beginnt, und wobei
die Steuerung den durch den zweiten Sensor erzeugten Zählwert entsprechend der Bestimmung des Vor- oder Nacheilens zum Bestimmen des Drehwinkels kompensiert.

3. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung bestimmt, ob die Phase der beiden sinusförmigen Signale des zweiten Sensors der Phase der beiden sinusförmigen Signale des ersten Sensors um ¼ Teilung vor- oder nacheilt.

4. Schritt-Drehcodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Teil eine Magnettrommel ist, die an ihrem Außenumfang eine vielpolig magnetisierte Schicht mit einer Vielzahl magnetisierter, gleichmäßig verteilter Abschnitte hat, deren Teilung λ einen vorbestimmten Wert hat, daß die Magnettrommel an einem stationären Teil drehbar gelagert ist,
daß jeder Sensor ein an dem stationären Teil befestigter und der vielpolig magnetisierten Schicht gegenüberstehender Magnetsensor ist,
der mehrere magnetische Widerstandselemente mit Intervallen von λ/4 trägt, und
daß die magnetischen Widerstandselemente in zwei Gruppen geteilt sind und in jeder Gruppe mit Intervallen von λ/2 angeordnet sind.

5. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens einen Differenzverstärker, der die Differenz der Ausgangssignale der beiden Gruppen magnetischer Widerstandselemente zu einem sinusförmigen Signal verstärkt.

6. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnettrommel einen magnetisierten Teil enthält, der die Absolut-Null-Marke darstellt und am Außenumfang der Magnettrommel mit Abstand zu der vielpolig magnetisierten Schicht in Richtung der Drehachse der Ma gnettrommel angeordnet ist, und daß der erste Magnetsensor mindestens ein magnetisches Widerstandselement enthält, das so angeordnet ist, daß es dem magnetisierten Teil gegenübersteht und das Nullmarkensignal immer dann abgibt, wenn der magnetisierte Teil an ihm vorbeiläuft.

7. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolut-Nullmarken-Erfassungsvorrichtung eine Erfassungsschaltung ent hält, die einen Erfassungsimpuls zu dem Zeitpunkt abgibt, zu dem der Pegel eines der beiden sinusförmigen Signale aus dem ersten Sensor sich ändert und das Nullmarkensignal erzeugt wird, und daß zwei Binärsignale von dem zweiten Sensor abgegeben werden, wenn der Erfassungsimpuls abgegeben wird.

8. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Spei cher, in dem ein Kompensationswert, der mit einer Bestimmung des Vor- oder Nacheilens durch die Steuerung auftritt, gespeichert ist,
daß die Steuerung eine Kombination der Pegeldaten der beiden Binärsignale zu dem Zeitpunkt erfaßt, zu dem die Erfassungsschaltung den Erfassungsimpuls abgibt, dann prüft, ob die Phase der beiden sinusförmigen Signale des zweiten Sensors der Phase der beiden sinusförmigen Signale des ersten Sensors um ¼ Teilung vor- oder nacheilt und dann einen Kompensationswert bei Vor- oder Nacheilen speichert, der durch die Steue rung bestimmt wurde, und daß
der gespeicherte Kompensationswert zu dem Zählwert addiert wird, um die sen zu kompensieren.

9. Schritt-Drehcodierer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die mittlere Spannung des sinusförmigen Signals etwa 0 ist.

10. Schritt-Drehcodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein magnetischer Schritt-Drehcodierer ist.

11. Vermessungsinstrument mit
einer Nivellierplatte,
einer an der Nivellierplatte um eine vertikale Achse drehbar befestigten Säule,
einem an der Säule um eine horizontale Achse drehbaren Teleskop,
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,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Horizontalwinkel-Meßvorrich tung oder die Vertikalwinkel-Meßvorrichtung einen Schritt-Drehcodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.