DE10060185A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Winkeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Winkeln mit einem Feinmesssystem (3, 11), mit welchem Winkelstellungen eines mit einer primären Drehzahl drehbaren Objektes (8) zwischen 0 DEG und 360 DEG messbar sind, Mitteln (4) zum Untersetzen der primären Drehzahl in eine sekundäre Drehzahl, einem Grobmesssystem (2), mit welchem eine Anzahl mit der primären Drehzahl vollendeter Umdrehungen messbar ist, und einer Auswerteeinheit (12), welche Ausgangssignale des Feinmesssystems (3, 11) und des Grobmesssystems (2) zu einer Ausgangsgröße (13) verarbeitet, wobei ein Interpolationsmesssystem (9, 10) vorgesehen ist, mit welchem Zustände während einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung messbar sind, und wobei die Anzahl der von dem Interpolationsmesssystem (9, 10) messbaren Zustände mit der Untersetzung der Mittel (4) zum Untersetzen korreliert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen von Winkeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Winkeln mit einem Feinmesssystem, mit welchem Winkeleinstellungen eines mit einer primären Drehzahl drehbaren Objektes zwischen 0° und 360° messbar sind, Mitteln zum Untersetzen der primären Drehzahl in eine sekundäre Drehzahl, einem Grobmesssystem, mit welchem eine Anzahl mit der primären Drehzahl vollendeter Umdrehungen messbar ist, und einer Auswerteeinheit, welche Ausgangssignale des Feinmesssystems und des Grobmesssystems zu einer Ausgangsgröße verarbeitet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen von Winkeln, bei dem Winkelstellungen eines mit einer primären Drehzahl drehbaren Objektes zwischen 0° und 360° mit einem Feinmesssystem gemessen werden, eine Anzahl der mit der primären Drehzahl vollendeter Umdrehungen mit einem Grobmesssystem gemessen wird und Ausgangssignale des Feinmesssystems und des Grobmesssystems in einer Auswerteeinheit zu einer Ausgangsgröße verarbeitet werden.

Gattungsgemäße Vorrichtungen und gattungsgemäße Verfahren werden beim Messen von Winkeln eingesetzt, welche größer sind als 360°. Grundsätzlich erfolgt eine Messung in der Weise, dass mit dem Feinmesssystem ein Winkel im Bereich zwischen 0° und 360° mit einer bestimmten Auflösung gemessen wird, während mit einem Grobmesssystem verfolgt wird, wie oft der gesamte Winkelbereich zwischen 0° und 360° bereits überschritten wurde. Aus den beiden Informationen, das heißt Anzahl vollendeter Umdrehungen und aktuelle Winkelstellung im Feinmesssystem, lässt sich dann der Gesamtwinkel berechnen. Neben einer Winkelmessung bieten die gattungsgemäße Vorrichtung und das gattungsgemäße Verfahren auch die Möglichkeit, eine Wegmessung durchzuführen, indem nämlich die Rotationsbewegung durch mechanische Zwischenglieder, beispielsweise durch Gewindespindeln, in eine Linearbewegung umgesetzt wird. Somit lässt sich beispielsweise die Position eines Maschinenschlittens durch die Messung des überstrichenen Winkels einer Gewindespindel bestimmen. Als Messsysteme kommen sowohl analoge als auch digitale Systeme in Frage.

In der DE 41 37 092 C2 ist ein Messsystem offenbart, welches aus einer Kombination eines Winkelcodierers mit einem Analogwertgeber besteht. Der Winkelcodierer übernimmt dabei die Aufgabe des Feinmesssystems. Er weist mindestens eine Codescheibe auf, welche in Abhängigkeit der Winkelstellung wechselnde physikalische Eigenschaften hat. Durch ein Abtasten dieser Eigenschaften können die Winkelstellungen der Codescheibe abgetastet und in digitaler Form erfasst werden. Als wechselnde physikalische Eigenschaften kommen optisch unterschiedliche Eigenschaften oder auch kapazitiv, induktiv und resistiv bedingte Veränderungen in Frage. Um einen größeren Messbereich zu erfassen, können mehrere Codescheiben vorgesehen sein, welche sukzessiv über Untersetzungsgetriebe miteinander gekoppelt sind. Um Messfehler aufgrund eines Getriebespiels der zwischen den verschiedenen Codescheiben angeordneten Untersetzungsgetriebe zu vermeiden, ist es im Allgemeinen erforderlich, zumindest bei der zweiten und den nachfolgenden Codescheiben in einer Untersetzungsreihe eine Doppelabtastung der einzelnen Signalspuren vorzunehmen. Beispielsweise können eine V-Abtastung oder eine U-Abtastung vorgenommen werden. Eine Doppelabtastung zieht in der Regel nach sich, dass bei optisch abgetasteten Codescheiben pro Signalspur zwei Strahlungsquellen und zwei Abtastelemente erforderlich sind. Ferner benötigt man zwei Signalverstärker. In vergleichbarer Weise erhöht sich der Aufwand bei den genannten anderen Abtastverfahren. Eine weitere Erhöhung des Aufwands beruht auf dem höheren Aufwand der logischen Schaltungen, die die erhöhte Anzahl von Ausgangssignalen verarbeiten müssen.

Ein grundsätzliches Problem bei den gattungsgemäßen absoluten Messsystemen, das heißt bei Messsystemen, bei denen jeder Position ein eindeutiger Zahlenwert zugeordnet ist, besteht darin, dass der Messbereich einen begrenzten Wert besitzt. Dieser Wert hängt vom technischen Aufwand ab.

Grundsätzlich gestattet der als Grobmesssystem eingesetzte Analogwertgeber, zum Beispiel ein Potentiometer, nur eine begrenzte Zahl von Umdrehungen. Ferner sind keine beliebig hohen Auflösungen aufgrund physikalischer Fehler durch Temperatureinfluss, Linearitätsabweichungen und Ungenauigkeiten möglich. Hinzu kommt, dass das Untersetzungsgetriebe zwischen Feinmesssystem und Grobmesssystem ebenfalls die Auflösung begrenzt. So lässt sich ein Messbereich von zum Beispiel 2000 Umdrehungen nicht mit einer einzigen Winkelcodierscheibe und dem analogen Grobmesssystem allein verwirklichen. Es sind zwei oder drei über Getriebe hintereinander geschaltete Winkelcodierscheiben notwendig. Hierdurch geht einer der Vorteile aufgrund des analogen Grobmesssystems weitgehend verloren, da trotz der Bereitstellung des analogen Grobmesssystems dennoch mehrere Winkelcodierscheiben verwendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Winkeln zur Verfügung zu stellen, welche bei geringem Aufwand eine Erweiterung auf einen großen Messbereich gestatten.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 gelöst.

Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch auf, dass ein Interpolationsmesssystem vorgesehen ist, mit welchem Zustände während einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung messbar sind, wobei die Anzahl der von dem Interpolationsmesssystem messbaren Zustände mit der Untersetzung der Mittel zum Untersetzen korreliert ist. Auf diese Weise wird dem Problem begegnet, dass bei einer Vergrößerung der Untersetzung Werte des Grobmesssystems, welche tatsächlich zu aufeinanderfolgenden Umdrehungen gehören, nicht mehr aufgelöst werden können. Indem nun ein Interpolationsmesssystem zur Verfügung gestellt wird, welches die Zustände während einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung misst, kann durch Berücksichtigung dieser Messergebnisse die Auflösung aufeinanderfolgender primärer Umdrehungen wieder hergestellt werden.

Es ist bevorzugt, dass das Feinmesssystem eine erste Codescheibe aufweist, dass die Mittel zum Untersetzen ein Untersetzungsgetriebe aufweisen und dass das Interpolationsmesssystem eine zweite Codescheibe aufweist. Mit der ersten Codescheibe kann daher in herkömmlicher Weise ein Winkelbereich zwischen 0° und 360° ausgemessen werden, wobei die Auflösung von der Anzahl und der Codierung der Spuren der ersten Codescheibe abhängt. Das Untersetzungsgetriebe kann je nach dem Faktor der Untersetzung den Messbereich um diesen Faktor erhöhen. Das Interpolationsmesssystem kann ebenfalls durch eine Codescheibe realisiert sein, wobei je nach dem Faktor der Messbereichsvergrößerung Codescheiben mit unterschiedlichem binären Informationsgehalt, das heißt mit einer unterschiedlichen Anzahl an Spuren zum Einsatz kommen.

Vorzugsweise sind das Feinmesssystem und das Interpolationsmesssystem so aufeinander abgestimmt, dass die Ausgangssignale der Systeme eine Phasenverschiebung aufweisen. Eine solche Phasenverschiebung dient der Unterdrückung von Fehlern, die aufgrund von Getriebespiel, Fehlern des Grobmesssystems, Ungenauigkeiten und vergleichbaren Fehlern auftreten können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Phasenverschiebung zwischen dem Signal der gröbsten Spur des Feinmesssystems und dem Signal mit der höchsten Auflösung des Interpolationssystems T₀/4 beträgt. T₀/4 entspricht einer Umdrehung des Feinmesssystems. Eine solche Phasenverschiebung ist in den meisten Fällen ausreichend, um die aufsummierten Fehler, die insbesondere aus den Getriebeübersetzungen resultieren, zu berücksichtigen. Bei einem geringeren aufsummierten Fehler kann auch mit erheblich kleineren Phasenverschiebungen gearbeitet werden, das heißt mit Phasenverschiebungen die kleiner sind als ein Viertel der der primären Umdrehungen entsprechenden Periodendauer.

Vorzugsweise ist die zweite Codescheibe durch einen Aufdruck auf ein Getriebezahnrad realisiert. Die Erfindung kann so im günstigsten Fall durch nur ein einziges zusätzliches Zahnrad mit einer Lesestation verwirklicht werden, was einen besonders geringen apparativen Aufwand mit dennoch erheblichen Vorteilen bedeutet.

Bevorzugt weist die Auswerteeinheit einen Mikrocontroller beziehungsweise einen Mikroprozessor auf. Auf diese Weise lassen sich die verschiedenen Ausgangssignale mit geringem apparativen Aufwand verarbeiten.

Es ist von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit einen nichtflüchtigen Speicher aufweist. Dieser nichtflüchtige Speicher kann unter anderem dazu dienen, Ausgangssignalbereiche zu speichern. Bei einer Abfrage, innerhalb welcher Umdrehung sich das Objekt befindet, das sich mit der primären Drehzahl dreht, werden dann die in dem flüchtigen Speicher abgelegten Signalbereiche und die Signale der ersten Codescheibe und der zweiten Codescheibe miteinander verknüpft.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass ein Messbereich um einen Faktor 2^x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößerbar ist, und dass mit dem Interpolationsmesssystem 2^x - 1 Zwischenzustände zwischen zwei benachbarten eindeutig auflösbaren Winkelstellungen des Grobmesssystems messbar sind. Will man beispielsweise einen Messbereich vervierfachen, so werden von dem Interpolationsmesssystem drei Zwischenwerte gemessen, um die erforderliche Auflösung zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass mit einem Interpolationsmesssystem Zustände während einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung gemessen werden, wobei die Anzahl der von dem Interpolationsmesssystem messbaren Zustände mit der Untersetzung der Mittel zum Untersetzen korreliert ist. Auf diese Weise werden die erfindungsgemäßen Vorteile der Vorrichtung auch im Verfahren umgesetzt.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn das Feinmesssystem und das Interpolationsmesssystem so aufeinander abgestimmt werden, dass die Ausgangssignale der Systeme eine Phasenverschiebung aufweisen.

Das Verfahren ist ebenfalls dadurch vorteilhaft, dass die Phasenverschiebung auf etwa ein Viertel der der primären Umdrehungen entsprechenden Periodendauer eingestellt wird.

Bei einer vorteilhaften und apparativ einfachen Variante der Vorrichtung ist das Verfahren so ausgelegt, dass in der Auswerteeinheit ein Mikrocontroller beziehungsweise ein Mikroprozessor verwendet wird.

Ebenso lässt sich die Erfindung verfahrensmäßig vorteilhaft umsetzen, wenn Ausgangssignalbereiche der Auswerteeinheit in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt werden.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, dadurch, dass ein Messbereich um einen Faktor 2^x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößert wird und dass mit dem Interpolationsmesssystem 2^x - 1 Zwischenzustände zwischen zwei benachbarten eindeutig auflösbaren Winkelstellungen des Grobmesssystems messbar sind.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Erweiterung des Messbereichs eines Messsystems zur Messung von Winkeln von mehr als 360° mit nur geringem apparativen Aufwand erfolgen kann. Ein Interpolationssystem kann die aufgrund einer Messbereichserweiterung an sich verloren gegangene Auflösung durch die Bestimmung von Zwischenzuständen wieder herstellen, wobei apparativ besonders einfache Lösungen möglich sind, im einfachsten Fall durch das alleinige Zufügen eines weiteren Zahnrades, welches gleichzeitig als Codescheibe eines Interpolationssystems dient. Hervorzuheben ist ferner die Möglichkeit, Fehler durch das Bereitstellen einer Phasenverschiebung zwischen den Signalen von Feinmesssystemen und Interpolationsmesssystemen zu unterdrücken.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Draufsicht auf eine Codescheibe;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung und

Fig. 4 weitere Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Ein Motor 1 treibt über ein Getriebe 5, 6, 7, beispielsweise ein Zahnradgetriebe, eine Welle 8 an. Das Getriebe weist die Zahnräder 5, 6, 7 auf, welche miteinander kämmen. Die Welle 8 liegt fest in der Achse des Zahnrads 7 und dreht sich mit der Drehgeschwindigkeit des Zahnrads 7. Auf der Welle 8 ist eine erste Codescheibe 3 angeordnet, über welche die Winkelstellung der Welle 8 unter Einbeziehung einer Lesestation 11 gemessen werden kann. Die Winkelstellung kann eindeutig in einem Winkelbereich von 0° bis 360° gemessen werden. Eine beispielhafte Codescheibe wird unten im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert. Die Welle 8 steht ferner mit einem Untersetzungsgetriebe 4 in Verbindung, so dass sich der Abtrieb der Einheit 4 mit einer sekundären Drehzahl dreht, welche geringer ist, als die primäre Drehzahl der Welle 8. Der Abtrieb des Untersetzungsgetriebes 4 dient als Eingangsgröße eines analogen Winkelgebers 2, welcher als Grobmesssystem wirkt. Die Drehzahl der Welle 8 wird ferner in eine Drehung der Codescheibe 9 umgesetzt. Diese Codescheibe 9 kann beispielsweise zusammen mit einem Zahnrad, welches mit dem Zahnrad 7 kämmt als Einheit ausgelegt sein. Die Codescheibe, welche beispielsweise die in Fig. 2 dargestellte Oberflächenstruktur aufweisen kann, ist dann durch einen Aufdruck auf das Zahnrad 9 realisiert. Zusammen mit der Lesestation 10 wird die Winkelposition des Zahnrads 9 ermittelt. Die Ausgangsdaten des Winkelgebers 2, der Lesestation 11, welche die Winkelposition der ersten Codescheibe 3 erfasst, und der Lesestation 10, welche die Winkelposition der zweiten Codescheibe 9 erfasst, werden einer Auswerteelektronik 12 zuführt. Aus diesen Eingangssignalen wird in der Auswerteelektronik 12 ein Ausgangssignal 13 erzeugt, welches in bestimmten Zeitintervallen den exakten Wert der Welle 8 angibt. Die exakte Winkelposition wird somit durch das Zusammenspiel des aus Codescheibe 3 und Lesestation 11 zusammengesetzten Feinmesssystems, des als Grobmesssystem wirkenden analogen Gebers 2 und der als Interpolationsmesssystem wirkenden Kombination aus Codescheibe 9 und Lesestation 10 zur Verfügung gestellt.

In Fig. 2 ist beispielhaft eine Draufsicht auf eine Codescheibe dargestellt. Die Codescheibe hat vier konzentrisch angeordnete Spuren, wobei diese Spuren physikalisch wechselnde Eigenschaften aufweisen. Dabei können beispielsweise induktive, kapazitive und auch rein mechanische Eigenschaften ausgenutzt werden, wobei der Wechsel der physikalischen Eigenschaften in Fig. 2 durch einen Übergang von schwarzen Flächen in weiße Flächen dargestellt ist. Eine besonders einfache und anschauliche Weise, den Wechsel der physikalischen Eigenschaften zu realisieren, besteht darin, dass beispielsweise die in Fig. 2 schwarz dargestellten Flächen undurchsichtig sind, während die weiß dargestellten Flächen transparent sind. Mit einer optischen Lesestation, beispielsweise mit den Lesestationen 10, 11 aus Fig. 1, lässt sich dann die Drehung der Codescheibe verfolgen. Die Codescheibe in Fig. 2 hat eine innere Spur, welche die gröbste Auflösung im Hinblick auf eine Drehung bietet und nach außen nachfolgende Spuren, deren Auflösung zunimmt. Mit der inneren Spur lässt sich jeweils die Vollendung einer halben oder einer vollen Umdrehung messen. Weitere Positionen innerhalb der genannten Intervalle lassen sich durch die weiter außen liegenden Codespuren mit höherer Auflösung messen, wobei vorzugsweise, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Binärcode für die Codierung verwendet wird. Die Codescheibe in Fig. 2 kann in der dargestellten Weise sowohl als erste Codescheibe 3 des Systems gemäß Fig. 1 als auch als zweite Codescheibe 9 des Systems gemäß Fig. 1 verwendet werden. Die Zeitpunkte des Wechsels der Wertigkeit der äußeren feinsten Spur bei der ersten Codescheibe 3 können beispielsweise als Ausgabezeitpunkt für das Ausgangssignal 13 der Auswerteelektronik 12 verwendet werden.

Fig. 3 ist ein Diagramm zur näheren Erläuterung der Erfindung, wobei hier die in Fig. 1 dargestellte Eingangsgröße α, das heißt der Drehwinkel der Welle 8, beispielsweise einer Abtriebswelle, und das Ausgangssignal y des analogen Gebers 2 gegeneinander aufgetragen sind. Bei idealen Verhältnissen hat das Ausgangssignal y in Abhängigkeit der Eingangsgröße α den Verlauf der mittleren Kurve. Aufgrund von Fehlern des Analogsystems, zum Beispiel Temperatureinfluss, Linearitätsfehler, Genauigkeit, etc., ist ein Toleranzband der Kurve y = f(α) zu berücksichtigen, welches um die ideale Kurve schraffiert dargestellt ist. Es wird vereinfachend angenommen, dass das Toleranzband überall eine Breite von 2Δy aufweist.

Aus diesen Angäben lässt sich nun die Winkelauflösung des Grobmesssystems ermitteln. Jedem Winkelwert α_N ist ein Ausgangssignal y_N zugeordnet. Zwei benachbarte Ausgangssignale y_N der Nten Umdrehung und y_N+1 der (N+1)ten Umdrehung müssen nun soweit auseinander liegen, dass sich ihre Toleranzbereiche nicht überlappen. Nur so ist eine eindeutige Zuordnung zwischen Ausgangssignal und Eingangsgröße möglich. Für die Ausgangssignale existiert somit die Bedingung:

Y_N+1 - y_N ≧ 2Δy,

woraus sich in Kenntnis der Funktion y = f(α) der Mindestabstand Δα_min zweier Messwerte

α_N+1 - α_N = Δα_min

ergibt.

Will man nun den Messbereich des Systems erhöhen, so kann dies durch eine Erhöhung der Untersetzung des Untersetzungsgetriebes 4 gemäß Fig. 1 erfolgen. Geht man ohne Messbereichserhöhung von einer kleinsten noch auflösbaren Winkeldifferenz α_N+1 - α_N aus, so müssen nach der Messbereichserhöhung Zwischenwerte zwischen diesen Winkeln bestimmt werden, so dass eine eindeutige Unterscheidung zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Welle 8 gemäß Fig. 1 möglich ist. Soll beispielsweise der kleinste noch auflösbare Winkel α_N+1 - α_N um den Faktor 2^x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößert werden, so müssen 2^x - 1 Zwischenwerte bestimmt werden. Soll zum Beispiel der Messbereich des Gesamtsystems um den Faktor 4 vergrößert werden und beträgt die Untersetzung des Untersetzungsgetriebes 4 gemäß Fig. 1 zunächst i, so muss das Untersetzungsgetriebe eine Untersetzung von 4i erhalten. Somit wird die maximale Zahl von Umdrehungen des Grobmesssystems erst nach einer viermal so großen Anzahl von Umdrehungen der Welle 8 erreicht als vor der Messbereichserhöhung. Da die zur Bestimmung der exakten Zahl der durchgeführten Umdrehungen verwendeten Analogsignale aufgrund der gegebenen Fehlerquellen des Analoggebers keine eindeutige Aussage mehr zulassen, wird nun erfindungsgemäß das Interpolationssystem 9, 10 gemäß Fig. 1 verwendet, welches eine absolute Messung von vier Umdrehungen erlaubt.

Wird das Interpolationssystem bei der Montage des Gesamtsystems so justiert, dass es in den Positionen 4α_N und 4α_N+1 (bezogen auf die ursprünglichen Werte ohne Messbereichserhöhung) jeweils von 3 auf 0 springt, dann stellen die Positionen 1, 2 und 3 die gewünschten Zwischenwerte dar. Entsprechendes gilt für andere ganzzahlige Faktoren, um die der Messbereich vergrößert werden soll.

In Fig. 4 werden diese Zusammenhänge anhand von Diagrammen näher erläutert. Im oberen Teil von Fig. 4 ist wiederum die Funktion y = f(N) dargestellt, wobei die Ausgangssignale y in Volt angegeben sind und wobei auf der waagerechten Achse die Anzahl der Umdrehungen N der Welle 8 dargestellt ist. N ist proportional zu α. Bei einer Messbereichserhöhung um den Faktor 4 läßt sich aufgrund der begrenzten Auflösung des Grobmesssystems nur noch jede 4. Umdrehung eindeutig messen. Auf der zweiten waagerechten Achse sind die durch das Interpolationssystem zu bestimmenden Zwischenwerte K dargestellt. Beträgt nun der Mindestabstand zweier noch unterscheidbarer Messpunkte y_N (3 V) und y_N+1 (4 V) 1 V, so ist ein Zwischenzustand y_K = 3,6 V zwischen diesen beiden Zuständen nicht ohne weiteres messbar. Indem nun aber beispielsweise der Zwischenzustand K = 15 über das Interpolationsmesssystem erfasst wird, ist durch Kombination der Informationen aus Feinmesssystem, Grobmesssystem und Interpolationsmesssystem der Zwischenzustand y_K = 3,6 V einer Messung zugänglich.

Im unteren Bereich von Fig. 4 sind die entsprechenden Signalverläufe, die sich aufgrund der Abtastung der Spuren der Codescheiben ergeben, dargestellt. Dabei zeigt S₁₀ den Signalverlauf der gröbsten Spur der ersten Codescheibe 3 gemäß Fig. 1 an. S₂₀ zeigt den Signalverlauf der gröbsten Spur der zweiten Codescheibe 9 an, und S₂₁ zeigt den Signalverlauf bezüglich einer weiteren Spur der zweiten Codescheibe 9 an.

S₁₀ ist die Spur mit der niedrigsten Auflösung des Feinmesssystems, das heißt der Codescheibe 3 gemäß Fig. 1. Diese Spur wechselt jeweils bei dem Winkel 0°, bei dem Winkel 180° und Vielfachen davon ihre Wertigkeit. In Fig. 4 ist eine Messbereichsvergrößerung um den Faktor 4 dargestellt. Dies bedeutet, dass die Codescheibe 9 gemäß Fig. 1, das heißt die Codescheibe des Interpolationsmesssystems, mindestens 2 Bit aufweisen muss. Diese sind beispielsweise mit zwei Signalspuren und zwei Abtastelementen realisierbar. Die Spur S₂₁ weist dann nach jeweils zwei Signalwechseln der Spur S₂₀ einen Signalwechsel auf, das heißt sie wechselt jeweils ihre Wertigkeit, nachdem die Codescheibe 9 eine Drehung um 90° durchgeführt hat. Die zweite Spur S₂₀ der Codescheibe 9 schaltet nach jeweils 180° um.

Zur Unterdrückung von Fehlern, beispielsweise durch ein Getriebespiel beider Getriebe und durch Fehler des Analoggebers, ist eine Phasenverschiebung von T₀/4 zwischen Signalen S₁₀ und S₂₁ (und entsprechend auch S₂₀) vorgesehen. Da nur die exakte Bestimmung der Position 0° und 180° und deren Vielfache der Codescheibe 3 gemäß Fig. 1 des Feinmesssystems mit Hilfe von Grobmesssystem und Interpolationsmesssystem bestimmt werden soll, ist es möglich, dass die Signalwechsel (Flanken) von S₂₁ und S₂₀ um T₀/4 um den Idealwert schwanken, was beispielhaft durch die schraffierten Bereiche angedeutet ist, ohne dass dadurch das Messergebnis verfälscht würde.

Sofern die aufsummierten Fehler wesentlich kleiner als T₀/4 sind, könnte auch eine Phasenverschiebung von weniger als T₀/4 ausreichen, um die Fehler zu kompensieren. Entsprechend ließe sich der Messbereich auch um den Faktor 8 oder 16 erweitern, wobei dann die Codescheibe 9 gemäß Fig. 1 einen Messbereich von 3 oder 4 Bit aufweisen müsste.

Nachfolgend soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens noch anhand von Wertetabellen erläutert werden. Die durch Interpolation erzeugten Zwischenwerte sind mit y_K bezeichnet. y_K liegt im Bereich von (N+1)y_max/N_max ± Δy und Ny_max/N_max ± Δy. Für S₁₀ = H kann sich dann die Welle 8 in den Umdrehungen 4(N + 1), 4(N + 1) - 1, 4(N + 1) - 2 und 4 (N + 1) - 3 befinden. Durch Verknüpfung mit S₂₁ und S₂₀ lässt sich die Auswahl aus diesen vier Positionen vornehmen. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, dass aufgrund der zugelassenen Toleranzen von S₂₁ und S₂₀ von ±T₀/4 in Bezug auf S₁₀ der korrekte Wert für die Zahl der durchgeführten ganzen und halben Umdrehungen nur an den Flanken von S₁₀ gegeben ist. Daher werden nur an den Flanken von S₁₀ die codierten Werte des Interpolationssystems beziehungsweise der Codescheibe auf dem Zahnrad 9 gemäß Fig. 1 ausgewertet. Auf diese Weise lässt sich eine V- oder eine U-Abtastung umgehen.

Für den Analogwert y_K und einen Wechsel von S₁₀ von H zu L ergibt sich die folgende Auswertetabelle:

S₁₀: H → L

Für die jeweilige 180°-Position gilt dann für den Pegelwechsel von S₁₀ von L zu H:

S₁₀: L → H

Der Flankenwechsel von S₁₀ ist drehrichtungsabhängig. Da die Motordrehrichtung aber vorgegeben ist, kann dies bei der Auswertung der Flanken berücksichtigt werden. Die Tabellen gelten bei Rückwärtsbewegung dann für den umgekehrten Flankenwechsel von S₁₀.

In dem Beispiel, welches anhand von Fig. 4 erläutert wurde, findet ein Flankenwechsel von S₁₀ von H zu L statt. Dann gilt: S₂₁ = H und S₂₀ = H. N hat in dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel den Wert 3. Somit ist K die (4(N + 1) - 1)te Umdrehung. In diesem Beispiel ist die 15. Umdrehung vollendet.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Messen von Winkeln mit
einem Feinmesssystem (3, 11), mit welchem Winkelstellungen eines mit einer primären Drehzahl drehbaren Objektes (8) zwischen 0° und 360° messbar sind,
Mitteln (4) zum Untersetzen der primären Drehzahl in eine sekundäre Drehzahl,
einem Grobmesssystem (2), mit welchem eine Anzahl mit der primären Drehzahl vollendeter Umdrehungen messbar ist, und
einer Auswerteeinheit (12), welche Ausgangssignale des Feinmesssystems (3, 11) und des Grobmesssystems (2) zu einer Ausgangsgröße (13) verarbeitet,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Interpolationsmesssystem (9, 10) vorgesehen ist, mit welchem Zustände während einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung messbar sind, wobei die Anzahl der von dem Interpolationsmesssystem (9, 10) messbaren Zustände mit der Untersetzung der Mittel (4) zum Untersetzen korreliert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinmesssystem (3, 11) eine erste Codescheibe (3) aufweist,
dass die Mittel zum Untersetzen ein Untersetzungsgetriebe (4) aufweisen und
dass das Interpolationsmesssystem (9, 10) eine zweite Codescheibe (9) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinmesssystem (3, 11) und das Interpolationsmesssystem (9, 10) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Ausgangssignale der Systeme eine Phasenverschiebung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung etwa ein Viertel der einer primären Umdrehung entsprechenden Periodendauer beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Codescheibe (9) durch einen Aufdruck auf ein Getriebezahnrad realisiert ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (12) einen Mikrocontroller beziehungsweise einen Mikroprozessor aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (12) einen nichtflüchtigen Speicher aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Messbereich um einen Faktor 2^x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößerbar ist und
dass mit dem Interpolationsmesssystem (9, 10) 2^x - 1 Zwischenzustände pro einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung messbar sind.

9. Verfahren zum Messen von Winkeln, bei dem
Winkelstellungen eines mit einer primären Drehzahl drehbaren Objektes zwischen 0° und 360° mit einem Feinmesssystem (3, 11) gemessen werden,
die primäre Drehzahl in eine sekundäre Drehzahl untersetzt wird,
eine Anzahl mit der primären Drehzahl vollendeter Umdrehungen mit einem Grobmesssystem (2) gemessen wird und
Ausgangssignale des Feinmesssystems (3, 11) und des Grobmesssystems (2) in einer Auswerteeinheit zu einer Ausgangsgröße verarbeitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem Interpolationsmesssystem (9, 10) Zustände während einer mit der primären Drehzahl erfolgenden Umdrehung gemessen werden, wobei die Anzahl der von dem Interpolationsmesssystem (9, 10) messbaren Zustände mit der Untersetzung der Mittel (4) zum Untersetzen korreliert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinmesssystem (3, 11) und das Interpolationsmesssystem (9, 10) so aufeinander abgestimmt werden, dass die Ausgangssignale der Systeme eine Phasenverschiebung aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung auf etwa ein Viertel der einer primären Umdrehung entsprechenden Periodendauer eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (12) ein Mikrocontroller beziehungsweise ein Mikroprozessor verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangswerte der Auswerteeinheit (12) in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Messbereich um einen Faktor 2^x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößert wird und
dass mit dem Interpolationsmesssystem 2^x - 1 Zwischenzustände pro einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung gemessen werden.