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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Positionsinformationen.
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In Messsystemen erzeugen Positionssensoren elektrische Signale, welche Aufschluss über die Lage von relativ zueinander bewegten Objekten liefern. Die Erfindung steht insbesondere im Zusammenhang mit Messsystemen, welche sowohl vergleichsweise feine, inkrementale Lageinformationen als auch relativ grobe Positionsangaben erzeugen. Diese beiden Positionsdaten sind insbesondere für kommutierende Elektroantriebe von großer Bedeutung. In dieser Anwendung werden die feinen inkrementalen Lageinformationen zur Drehzahl- und Drehwinkelbestimmung genutzt. Die relativ groben Positionsangaben werden dann für die Ansteuerung der Kommutierung verwendet.
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Häufig sind die entsprechenden Elektroantriebe als rotatorische Elektromotoren ausgestaltet, für die in der Regel Drehgeber zur Drehwinkelmessung eingesetzt werden. Die Erfindung kann aber auch im Zusammenhang mit dem Betrieb von Linearmotoren zum Einsatz kommen. In diesem Fall enthält das Messsystem ein Längenmessgerät. Statt der Drehzahl- bzw. Drehwinkelbestimmung wird hier eine translatorische Geschwindigkeit bzw. Längenposition gemessen. In diesem Anwendungsfall kann das Kommutierungssignal entweder über den gesamten Verfahrweg als eine Sinus- oder Kosinuswelle ausgebildet sein, oder als mehrere hintereinander erzeugte Sinus- oder Kosinuswellen. Für die letztgenannte Ausbildung ist zur Bestimmung der Absolutposition eine Information notwendig, die Aufschluss darüber gibt in welchem Bereich sich das bewegte Teil des Linearmotors gerade befindet.
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Die Messsysteme umfassen ein Messwerterfassungssystem, Signalleitungen und eine Auswerteelektronik. Die Messsysteme können auf unterschiedlichsten Messprinzipien beruhen, wie zum Beispiel auf optischen Messprinzipien, aber auch magnetische oder induktive Messverfahren können für diese Zwecke verwendet werden.
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In den letzten Jahren wurden entsprechende Messwerterfassungssysteme, bestehend unter anderem aus Positionssensoren und den dazugehörigen elektronischen Komponenten immer kostengünstiger. Andererseits haben sich die Preise für die Signalleitungen zur Übertragung der Positionsinformationen nicht verbilligt. Dementsprechend wurde der relative Kostenanteil der Signalleitungen an den Gesamtkosten eines derartigen Messsystems stetig größer. Aus diesem Grund wurden immer wieder Anstrengungen unternommen, die Anzahl der Signalleitungen zwischen dem Messwerterfassungssystem und der Auswerteelektronik zu minimieren.
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In der Offenlegungsschrift
DE 195 17 437 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen inkrementaler Weginformationen beschrieben, bei dem das zu übertragende Signal zunächst in eine Pulsfolge umgewandelt wird, und nach der Übertragung zur Auswerteelektronik wieder dekodiert wird.
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Die
EP 0 800 264 A2 zeigt eine Vorrichtung zum Übertragen von Messsignalen, bei der durch den Einsatz eines Multiplexers die Anzahl der Signalleitungen reduziert werden kann.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 197 42 801 A1 ist ein Verfahren zur Übertragung von Prozessinformationen für geregelte Antriebe bekannt, bei dem sinus- und cosinusförmige Signale an den Ausgängen einer Regeleinrichtung durch Differenzbildung gebildet werden.
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Schließlich wird in der
DE 198 35 377 A1 ein Messsystem offenbart, bei dem durch Addition der Ausgangsspannungen von mit Widerständen versehenen Positionssensoren eine relativ grobe Lagebestimmung möglich ist. Eine Dekodierung des in die Auswerteelektronik eingehenden Spannungssignals in ein Kommutierungssignal und in ein inkrementales Signal ist mit der gezeigten Lösung nicht möglich.
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Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen den Nachteil auf, dass durch die Reduzierung der Anzahl der Signalleitungen entweder weniger Information übertragen wird, oder dass die erforderlichen Informationen nur zeitweise zur Verfügung stehen, wie es etwa bei Multiplexer-Schaltungen der Fall ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem alle erforderlichen Positionsinformationen zeitgleich von einem Messwerterfassungssystem an eine Auswerteelektronik übertragen werden, wobei die Anzahl der dafür erforderlichen Signalleitungen reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Maßnahmen in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass sämtliche Positionsinformationen, wie zum Beispiel inkrementale Lage- und Kommutierungsinformationen gleichzeitig über wenige Signalleitungen übertragen werden. Für die elektronische Schaltung des Messsystems, insbesondere der Auswerteelektronik, können dabei bewährte Empfangsschaltungselemente verwendet werden. Sofern eine der Positionsinformationen Kommutierungssignale für einen Elektroantrieb umfasst, ist mit dem neuen Verfahren bzw. mit der neuen Vorrichtung kein Umschalten zwischen Steuerung und Drehgeber erforderlich, wie es etwa bei Multiplexer-Systemen unabdingbar ist, wo neben den positionsabhängigen Signalen auch noch Umschaltsignale korrekt übertragen werden müssen. Demnach ist auch das Fehlerrisiko bei der Signalübertragung reduziert.
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Darüber hinaus bietet die zeitgleiche Übertragung von inkrementalen Lageinformationen und Kommutierungssignalen auch Vorteile für sicherheitsrelevante Anwendungen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vor der Übertragung der Signale an die Auswertelektronik ein vergleichsweise kurzwelliges Inkrementalsignal mit einem relativ langwelligen Kommutierungssignal durch eine Additionsoperation miteinander Verknüpft, so dass ein Gesamtsignal über die relativ lange Signalleitung zwischen dem Messwerterfassungssystem und der Auswerteelektronik übertragen wird. Unter kurzwelligen Signalen sind solche Signale zu verstehen, die eine Signalfrequenz aufweisen, die mindesten fünfmal größer ist als die Signalfrequenz eines langwelligen Signals. Das heißt, dass im einem Bereich, in dem das langwellige Signal eine volle Periode aufweist, mindesten fünf volle Perioden des kurzwelligen Signals auftreten.
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In der Auswerteelektronik werden die positionsabhängigen Informationen wieder voneinander getrennt. Die Trennung erfolgt durch eine Subtraktionsoperation. Unter Subtraktionsoperation ist ein Vorgang zu verstehen, bei dem die Differenz zweier Signale ermittelt wird. Nach den Gesetzen der Mathematik entspricht eine Subtraktion eines negativen Terms von einem positiven Term einer Addition der beiden Terme mit positiven Vorzeichen. Von daher kann der Begriff Subtraktionsoperation durch den Begriff Additionsoperation ausgetauscht werden, sofern ein entsprechender Vorzeichenwechsel vorgenommen wurde.
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Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 einen Prinzipschaltplan eines Teilbereiches eines Messsystems,
- 2 Spannungsverläufe von Inkremental- und Kommutierungssignalen, aufgetragen über dem Drehwinkel,
- 3 Spannungsverläufe der Referenz-Signale, aufgetragen über dem Drehwinkel.
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In der
1 ist eine vereinfachte Schaltung eines entsprechenden Messsystems dargestellt. Die gezeigte Anordnung dient zur Übertragung von Positionsinformationen von einem Messwerterfassungssystem
1 zu einer Auswerteelektronik
2 über Signalleitungen
31,
32,
33,
34,
35,
36, welche in diesem Beispiel als Adern eines Kupferkabels ausgebildet sind. Die Signalleitungen
31,
32,
33,
34,
35,
36 sind jeweils über eine Steckverbindung mit dem Messwerterfassungssystem
1 und der Auswerteelektronik
2 in Verbindung. Auf die Darstellung von Details des Messwerterfassungssystems
1 wurde in der
1 verzichtet, sofern diese Einzelheiten für die Erläuterung der Erfindung unwesentlich sind. So sind die Positionssensoren und ihre nachgeschalteten Signalverstärker, durch welche die Inkrementalsignale
A,
A ,
B,
B sowie die Kommutierungssignale
C,
D und die Referenzsignale
R,
R erzeugt werden nicht dargestellt. Ebenso wenig sind in der Abbildung Leitungen berücksichtigt, die zur Versorgung einzelner Komponenten dienen. Im gezeigten Beispiel stammen die genannten Signale aus einem optischen Drehgeber. Dieser weist eine Teilscheibe mit unterschiedlichen Spuren auf. Eine dieser Spuren besteht aus sehr eng beabstandeten Teilungsstrichen, die für die Erzeugung der kurzwelligen Inkrementalsignale
A und
B ausgewertet werden. Durch eine geeignete Anordnung von lichtempfindlichen Positionssensoren des Drehgebers sind die Signale
A und
B um 90° versetzt. Demnach ergibt sich für die Inkrementalsignale folgender Zusammenhang:
wobei Ä der Scheitelwert der Positionssensorspannung, n die Anzahl der Teilungsstriche auf der entsprechenden Spur, α der mechanische Drehwinkel der Drehgeberwelle, und
U0 eine konstante Vergleichsspannung ist.
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Ein entsprechendes invertiertes Signal kann so beschrieben werden:
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Entsprechend gilt für das Inkrementalsignal
B:
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Um ein Winkelmesssystem flexibel einsetzen zu können, ist es üblich, die Absolutposition zur Kommutierung eines in der
1 nicht dargestellten Elektromotors über eine volle Umdrehung eindeutig zu bestimmen. Hierfür ist auf der Teilscheibe eine spezielle Kommutierungsspur aufgebracht. Die Kommutierungsspur erlaubt die vergleichsweise grobe Bestimmung der Rotor-Absolutposition auf Grundlage der Kommutierungssignale
C und
D. Die entsprechenden Kommutierungssignale weisen hierbei eine Periodenlänge auf, welche einer Umdrehung des rotierenden Antriebsteiles entspricht, so dass über eine Rotor- bzw. Drehgeberwellenumdrehung eine absolute Positionsbestimmung im Rahmen der erforderlichen Messgenauigkeit eindeutig möglich ist. Die entsprechenden Signale
C,
D können durch folgenden Formelzusammenhang beschrieben werden:
bzw.:
wobei Ĉ und D̂ Scheitelwerte der entsprechenden Positionssensorspannung sind.
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Darüber hinaus werden auch Referenzsignale R, R gebildet, die nur einmal pro Umdrehung eine „Spannungsspitze“ aufweisen.
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Die Inkrementalsignale A, A , B und B sowie die Kommutierungssignale C und D werden gemäß der 1 mit Operationsverstärkern 11, 12, 13, 14 verschaltet. An den „+“-Eingängen der Operationsverstärker 11, 12, 13, 14 liegt jeweils die konstante Vergleichsspannung U0 , in dem gezeigten Beispiel 2,5V, an. Die Vorschaltwiderstände 15 im Messwerterfassungssystem 1 weisen alle die gleichen Widerstandwerte auf. Die Inkrementalsignale A, A , B und B werden also entsprechend der Verschaltung in 1 zu den Kommutierungssignalen C, D addiert, so dass jeweils ein kurzwelliges mit einem langwelligen Signal zu einem Gesamtsignal A1, A1, B1, B1 verknüpft wird.
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Der Übersichtlichkeit halber ist in der 2 der Signalverlauf, also die Signalspannung über dem mechanischen Drehwinkel α der Drehgeberwelle, nur für die A und C-Signale aufgetragen. Entsprechend würden sich auch die B und D-Signale darstellen lassen.
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Das im Operationsverstärker
11 gebildete Gesamtsignal
A1 kann wie folgt beschrieben werden:
entsprechend gilt für
A1:
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Die beiden Gesamtsignale A1 und A1 sind also analoge Signale, die aus positionsabhängigen Signalen, nämlich aus A, A und C, bestehen und über die entsprechenden Signalleitungen 31, 32 an die Auswerteelektronik 2 übertragen werden.
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In der
3 ist der Spannungsverlauf der Referenzsignale
R und
R gezeigt. In diesem Beispiel wird eine Spannungsspitze beim passieren einer Referenzmarke pro Umdrehung ausgelöst. Die Referenzsignale
R und
R werden über zwei Signalleitungen
35,
36 an die Auswerteelektronik
2 übertragen. Der Verlauf der Referenzsignale
R und
R kann folgendermaßen beschrieben werden:
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Als singuläres Ereignis ist in diesem Fall eine Zahl zu sehen, die über einen weiten Drehwinkelbereich den Wert 1 hat und beim passieren der Referenzmarke ihren Wert verändert.
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Im gezeigten Beispiel sind also sechs Signalleitungen zum Übertragen der Inkrementalsignale A, A , B, B und der Kommutierungssignale C und D notwendig. Bei herkömmlichen Anordnungen wären für den gleichen Zweck zehn Signalleitungen erforderlich, nämlich jeweils eine für die Signale A, A, B, B , C, C , D, D , R und R .
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Die in die Auswerteelektronik
2 eingehenden Gesamtsignale
A1 und
A1 werden in einem Differenzempfänger
21 mit den dazugeschalteten gleich großen Widerständen
29 einer Subtraktionsoperation unterworfen:
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Somit werden Kommutierungsinformationen, die im Kommutierungssignal C enthalten sind, aus dem Signal A2 wieder entfernt, so dass A2 nur noch Informationen des Inkrementalsignals A enthält. Aus der 2 ist zu entnehmen, dass das Signal A2 die gleiche Wellenlänge aufweist, wie die Signale A und A , aber im Vergleich zu A und A die doppelte Spannungsamplitude.
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Ganz allgemein kann festgestellt werden, dass durch die differenzielle, also durch ein Subtraktion erreichte Signaltrennung relativ störfest ist. Durch die oben erläuterte Amplitudenverstärkung wird die Auswertung überdies noch robuster und zuverlässiger.
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Zwischen den Signalleitungen 31 und 32 befindet sich eine Spannungsteilerschaltung 26. Die Spannungsteilerschaltung 26 ist nach Art eines festen Spannungsteilers aus zwei in Reihe geschalteten unveränderbaren Spannungsteilerwiderständen 261 und 262 aufgebaut. Im gezeigten Beispiel haben die Spannungsteilerwiderstände 261 und 262 jeweils einem Widerstand von 60 Ω. Dadurch, dass die beiden Spannungsteilerwiderstände 261 und 262 gleiche Widerstandswerte aufweisen, wird zwischen den Spannungsteilerwiderständen 261 und 262 eine im Vergleich zur Spannung zwischen den Signalleitungen 31 und 32 halbe Spannung abgegriffen. Mathematisch beschrieben wird durch die Spannungsteilerschaltung 26 ein Signal C2 ( 2) erzeugt, der dem arithmetischen Mittelwert aus den Spannungen A1 und A1 zu einem beliebigen Zeitpunkt und bezogen auf Erdpotential entspricht.
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Alternativ oder ergänzend zu den ohmschen Widerständen können auch entsprechende Impedanzen und Kapazitäten, oder eine entsprechenden Mischschaltung verwendet werden.
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Somit ergibt sich folgender Signalverlauf für
C2:
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Dieses Signal C2 wird an den negativen Eingang eines Kommutierungsdifferenzempfängers 22 angelegt. Entsprechend wird auch das Signal D2 mit einer Spannungsteilerschaltung 27 erzeugt. Des weiteren wird eine Referenzspannungsteilerschaltung 28 zur Bildung eines Signals RM verwendet. Auch hier werden jeweils zwei in Reihe geschaltete unveränderbare Spannungsteilerwiderstände 281 und 282 mit gleichen Widerstandswerten verwendet.
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Der positive Eingang des Kommutierungsdifferenzempfängers
22 ist mit der Referenzspannungsteilerschaltung
28 verbunden. Diese Schaltung liefert ein Signal RM, das folgenden Verlauf aufweist:
daraus folgt:
- RM = U0, also die konstante Vergleichsspannung, unabhängig vom Drehwinkel α.
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Nachdem die beiden Signale
RM und
C2 im Kommutierungsdifferenzempfänger
22 voneinander subtrahiert werden, ergibt sich am Ausgang des Kommutierungsdifferenzempfängers
22 das Signal
C3 mit folgendem Verlauf:
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Somit wurde auf diese Weise das Kommutierungssignal C zurückgewonnen, wobei durch die Differenzbildung beispielsweise zeitabhängige Schwankungen der Vergleichsspannung U0 keinen Einfluss auf das Ergebnis haben.
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Selbstverständlich kann statt dem Signal RM auch eine Gleichspannung an die positiven Eingänge der Kommutierungsdifferenzempfänger 22 bzw. 24 angelegt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn sich diese Gleichspannung relativ zur Vergleichsspannung U0 nicht verschiebt.
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Analog zu den oben gemachten Erläuterungen wird die Separierung der B und D-Signale vorgenommen.
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Aus dem Differenzempfänger 25 für die Referenzspannung R, R wird das Signal R2 ausgegeben.
