DE10060185A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Winkeln - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Messen von WinkelnInfo
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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 2x (x = 1, 2, 3, . . .)
vergrößerbar ist, und dass mit dem Interpolationsmesssystem
2x - 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 2x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößert
wird und dass mit dem Interpolationsmesssystem 2x - 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 αN ist ein
Ausgangssignal yN zugeordnet. Zwei benachbarte
Ausgangssignale yN der Nten Umdrehung und yN+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:
YN+1 - yN ≧ 2Δy,
woraus sich in Kenntnis der Funktion y = f(α) der
Mindestabstand Δαmin zweier Messwerte
αN+1 - αN = Δαmin
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 αN+1 - αN 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 αN+1 - αN um den Faktor 2x (x
= 1, 2, 3, . . .) vergrößert werden, so müssen 2x - 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 4αN und
4αN+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 yN (3 V) und yN+1 (4 V) 1 V, so ist
ein Zwischenzustand yK = 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 yK = 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 yK bezeichnet. yK liegt im
Bereich von (N+1)ymax/Nmax ± Δy und Nymax/Nmax ± 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 yK und einen Wechsel von S10 von H zu L
ergibt sich die folgende Auswertetabelle:
Für die jeweilige 180°-Position gilt dann für den
Pegelwechsel von S10 von L zu 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.
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.
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 2x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößerbar ist und
dass mit dem Interpolationsmesssystem (9, 10) 2x - 1 Zwischenzustände pro einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung messbar sind.
dass ein Messbereich um einen Faktor 2x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößerbar ist und
dass mit dem Interpolationsmesssystem (9, 10) 2x - 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.
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 2x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößert wird und
dass mit dem Interpolationsmesssystem 2x - 1 Zwischenzustände pro einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung gemessen werden.
dass ein Messbereich um einen Faktor 2x (x = 1, 2, 3, . . .) vergrößert wird und
dass mit dem Interpolationsmesssystem 2x - 1 Zwischenzustände pro einer mit der sekundären Drehzahl erfolgenden Umdrehung gemessen werden.
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---|---|---|---|
DE2000160185 DE10060185B4 (de) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Winkeln |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2000160185 DE10060185B4 (de) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Winkeln |
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DE10060185A1 true DE10060185A1 (de) | 2002-06-13 |
DE10060185B4 DE10060185B4 (de) | 2004-02-19 |
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ID=7665716
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DE2000160185 Expired - Lifetime DE10060185B4 (de) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Winkeln |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1753140A1 (de) * | 2005-08-13 | 2007-02-14 | Spezialantriebstechnik GmbH | Elektronisch kommutierter Gleichstrom-Servomotor |
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- 2000-12-04 DE DE2000160185 patent/DE10060185B4/de not_active Expired - Lifetime
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