DE10150936A1

DE10150936A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts

Info

Publication number: DE10150936A1
Application number: DE2001150936
Authority: DE
Inventors: Roland Heilscher; Thomas Jaeger; Andreas Schroter; Erich Strasser
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2001-10-08
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts mit einem dem Objekt zugeordneten Codeträger 1 mit einer Inkrementalspur 2 mit periodischer Signalstruktur, einer Referenzmarkenspur 3 zur Bestimmung einer absoluten Position innerhalb eines vorgegebenen Intervalls der Inkrementalspur 2 und einer Codespur 4 zur Erzeugung von Codesignalen für einen mit dem Objekt verbundenen elektrischen Antrieb sowie mit der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur 2, 3, 4 zugeordneten Abtastelementen löst die Referenzmarkenspur 3 mehrere Signalwechsel pro Intervall aus und das Referenzmarkensignal und die Codesignale werden zur Erzeugung eines Referenzimpulses innerhalb eines vorgegebenen Intervalls miteinander verknüpft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Positionsmesssystem zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einem inkrementalen Positionsmesssystem ist einem beweglichen Objekt ein Codeträger in Form eines Maßstabes (im Falle eines Linearmesssystems) oder in Form einer Code- oder Teilscheibe (im Falle eines rotatorischen Messsystems) zugeordnet, der eine Inkrementalspur mit einer periodischen Signal- oder Strichstruktur aufweist. Die Strichstruktur der Inkrementalspur wird mit einer Abtasteinrichtung abgetastet, die bei Anwendung eines magnetischen Messprinzips aus magnetfeldempfindlichen Abtastelementen wie Hall-Sensoren oder bei Anwendung eines photoelektrischen Messprinzips aus lichtempfindlichen Sensoren wie Photodioden besteht.

Aus den Ausgangssignalen der Abtasteinheit wird mit einer Auswerteelektronik der Betrag der Verschiebung des beweglichen Objekts relativ zu der Lage bestimmt, in der es sich beim Einschalten des Positionsmesssystems befand. Dies gestattet eine kontinuierliche Bestimmung der Lage des beweglichen Objekts gegenüber seinem Ausgangspunkt beim Einschalten des Positionsmesssystems.

In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, zusätzlich zu der hochgenauen inkrementalen Positionsmessung eine Absolutpositionsinformation zu Verfügung zu stellen, um die Lage des beweglichen Objekts direkt bestimmen zu können. Zu diesem Zweck wird auf dem Codeträger neben der Inkrementalspur eine zusätzliche Referenzmarkenspur (oder Nullimpuls-Spur) angeordnet, so dass ein bestimmtes Intervall des Positionsmesssystems durch ein Referenzmarkensignal oder einen Referenzimpuls gekennzeichnet ist. Im Falle eines rotatorischen Messsystems kann beispielsweise ein einzelnes Referenzmarkensignal auf der Codescheibe vorgesehen werden, so dass bei jeder vollen Umdrehung der Codescheibe das Referenzmarkensignal erfasst wird. Dadurch kann innerhalb einer Umdrehung der Codescheibe die exakte Position des beweglichen Objekts bestimmt werden.

Aus der DE-Firmenschrift: "Positionsmessgeräte für elektrische Antriebe" der Firma Dr. Johannes Heidenhain, März 2000, Seiten 16, 17 und 30 ist es weiterhin bekannt, inkrementale Drehgeber mit einer sogenannten Z1-Spur zu versehen, die ein zusätzliches Sinus- und Cosinussignal pro Motorwellen-Umdrehung liefert, mit dem elektronisch kommutierten Drehstrommotoren während des Laufs und vor dem Anlauf die Rotorposition als absoluter Wert für die elektronische Kommutierung zu Verfügung gestellt wird. Alternativ können inkrementale Drehgeber mit Block-Codespuren vorgesehen werden, die Codesignale abgeben, mit denen die Leistungselektronik direkt angesteuert wird. Unabhängig davon dienen die aus der Inkrementalspur gewonnenen Inkrementalsignale zur Lage- und Drehzahlregelung.

Die bei inkrementalen Positionsmessgeräten mit magnetischer Abtastung mittels magneto-resistiver Sensoren verwendeten inkrementalen Drehgeber weisen als Maßverkörperung hartmagnetische Teilungen auf, wobei die Abtastplatte magnetoresistive Elemente (Widerstandsbahnen) oder Hall-Elemente trägt, die entsprechend des magnetischen Feldes der Maßverkörperung ihre Widerstandswerte verändern. Die spezielle geometrische Anordnung der Widerstandsbahnen gewährleistet eine hohe Signalgüte, die Voraussetzung für nur kleine Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode ist. Zur Erzeugung des Referenzmarkensignals ist auf einer separaten Spur ein einzelner Referenzmarkenpol magnetisiert, so dass es möglich ist, diesen absoluten Positionswert exakt einem Messschritt zuzuordnen.

Die Anordnung eines einzelnen Referenzmarkenpols innerhalb der Referenzmarkenspur führt jedoch zu einem sehr geringen Störabstand des Referenzmarkensignals, da das Umfeld des Referenzmarkenpols nicht entgegengesetzt zum Referenzmarkenpol magnetisiert ist. Durch wechselseitige Beeinflussung der Magnetpole der einzelnen Spuren in Verbindung mit dem geringen Störabstand des Referenzmarkensignals treten fehlerhafte Abtastsignale bei der Abtastung der Referenzmarkenspur auf, die zu fehlerhaften Positionsbestimmungen des beweglichen Objekts führen.

Dieses Problem tritt unter anderem bei Verwendung einer Codescheibe auf wie sie aus der EP 0 715 151 B1 bekannt ist. Die bekannte Codescheibe weist eine Maßverkörperung mit in Messrichtung angeordneten Magnetelementen auf und besteht aus zwei zusammengefügten Grundkörpern identischer Struktur, wobei alle Magnetelemente jedes Grundkörpers in einer einzigen gemeinsamen Richtung gleichsinnig magnetisiert sind und die zusammengefügte Maßverkörperung in Messrichtung abwechselnd ein Magnetelement des einen und des anderen Grundkörpers aufweist. Das Magnetfeld der Magnetelemente des einen Grundkörpers ist dann im zusammengefügten Zustand zu dem Magnetfeld der Magnetelemente des anderen Grundkörpers entgegengesetzt gerichtet. Beim Zusammenfügender Grundkörper greifen die Lücken der erhabenen Magnetelemente des einen Grundkörpers in die erhabenen Magnetelemente des anderen Grundkörpers ein, so dass die in Messrichtung angeordneten Magnetelemente an der Oberfläche der Maßverkörperung ein zumindest annähernd nullsymmetrisches magnetisches Wechselfeld bilden.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und Fig. 2 einen Schnitt durch eine aus der EP 0 717 151 B1 bekannte Codescheibe 1, die aus zwei Grundkörpern zusammengesetzt ist, von denen in den Fig. 1 und 2 ein Grundkörper 11 dargestellt ist. Die Codescheibe 1 bzw. der Grundkörper 11 enthält eine Maßverkörperung mit einer Inkrementalspur 2, einer Referenzmarkenspur 3 und einer Codespur 4. Da die die Spuren abtastenden digitalen Hall-Sensoren bei magnetischen Südpolen von nur wenigen Milli-Tesla schalten, ist der Referenzmarkenpol 30 als Südpol ausgeführt. Um einen großen Störabstand zu erhalten, müsste der Rest der Referenzmarkenspur aus einem etwa gleichgroßen Nordpol bestehen, d. h. als Aussparung mit einem entsprechenden Gegenpol ausgebildet sein.

Dies ist jedoch insbesondere bei Codescheiben, die aus ineinandergesteckten Grundkörpern mit erhabenen Magnetelementen 5 und Aussparungen 6, in die die erhabenen Magnetelemente 5 eingreifen, ausgebildet sind aus Symmetrie- und Festigkeitsgründen nicht möglich, so dass der Bereich der Referenzmarkenspur außerhalb des Referenzmarkenpols 30 bzw. Nullimpulses oder Referenzmarkensignals nur gering magnetisiert ausgeführt ist.

Durch Inhomogenitäten in der Codescheibe 1, die beispielsweise durch Anspritzpunkte hervorgerufen werden, entstehen im Bereich der Referenzmarkenspur 3 zusätzlich zu dem als Südpol ausgeführten Referenzmarkenpol 30 weitere Südpole, die zu einem fehlerhaften Schalten des der Referenzmarkenspur 3 zugeordneten Hall-Sensors und damit zu einer falschen Ausgabe eines Referenzmarkensignals ebenso führen können wie durch Fremdmagnetfelder ausgelöste Referenzmarkensignale.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts der eingangs genannten Gattung sowie ein Positionsmesssystem anzugeben, bei dem der Störabstand des Referenzimpulses verbessert bzw. die Auslösung fehlerhafter Referenzimpulse beseitigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet einen deutlich verbesserten Störabstand des Referenzimpulses und vermeidet die Gefahr der fehlerhaften Auslösung von Referenzimpulsen auch unter Verwendung von bekannten Codeträger-Konstruktionen, beispielsweise in Form einer aus zwei magnetisierten Grundkörpern zusammengesetzten Codescheibe, aber auch bei linearen Positionsmesssystemen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Überlegung aus, dass ohne Veränderung des grundlegenden Aufbaus eines Codeträgers ein höherer Störabstand des Referenzmarkensignals bzw. Referenzimpulses durch eine entsprechende Ausbildung der Magnetfeldlinien der Referenzmarkenspur geschaffen wird, so dass sich Inhomogenitäten des Codeträgers oder Fremdfeldbeeinflussungen nicht auf den Referenzimpuls auswirken. Um entsprechend ausgebildete Magnetfeldlinien der Referenzmarkenspur zu erhalten, wird die Referenzmarkenspur zusätzlich zu dem Referenzmarkenpol zur Generierung des Referenzimpulses noch mit einer überlagerten Spur mit wechselnden Magnetpolen versehen, d. h. in der Referenzmarkenspur werden abwechselnd weitere Nord- und Südpole angeordnet, so dass sich die Magnetfeldlinien auf kurzem Wege schließen können und damit eine entsprechend hohe Feldstärke erzeugen.

Die Lage dieser überlagerten Spur wird dabei so gewählt, dass in unmittelbarer Nachbarschaft des Referenzmarkenpols gegensinnig magnetisierte Magnetpole vorgesehen werden, d. h. bei einer Ausbildung des Referenzmarkenpols als Südpol sind zu beiden Seiten des Referenzmarken-Südpols Nordpole angeordnet.

Durch diese Maßnahme ist die Magnetisierung der Referenzmarkenspur am Ort des Referenzmarkenpols aber nicht mehr einmalig, da die infolge der überlagerten Spur angeordneten Südpole das der Referenzmarkenspur zugeordnete Abtastelement ebenfalls aktivieren, d. h. der als Abtastelement vorgesehene Hall-Sensor generiert an diesen Orten ebenfalls Referenzimpulse.

Als zweiter Schritt zur Eliminierung dieser durch die besondere Ausgestaltung der Referenzmarkenspur ausgelösten "fehlerhaften" Referenzimpulse wird die Lage der überlagerten Referenzmarkenspur, d. h. die Magnetisierung der Referenzmarkenspur in Umfangsrichtung so gewählt, dass die Kombination von Referenzmarkenpolen der Referenzmarkenspur und der Pole bzw. Signalpegel der Codespur am Ort des eigentlichen Referenzmarkenpols, d. h. des korrekt auszulösenden Referenzimpulses einmalig für jedes vorgegebene Intervall bzw. jede Periode oder Umdrehung einer Codescheibe bei rotatorischen Positionsmesssystemen ist.

In einem dritten Schritt wird in der Auswerteelektronik durch logische Verknüpfung der von dem der Referenzmarkenspur zugeordneten Abtastelement abgegebenen Referenzmarkensignale und der von dem der Codespur zugeordneten Abtastelement abgegebenen Codesignale der Referenzimpuls eindeutig auscodiert, d. h. der Referenzimpuls wird nur an der dafür vorgesehenen Stelle generiert, während an den Orten der weiteren in der Referenzmarkenspur vorgesehenen Südpole keine Referenzimpulse erzeugt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Referenzimpuls nur dann generiert, wenn das Referenzmarkensignal einen vorgegebenen Signalpegel aufweist und die vorzugsweise um 90° zueinander versetzten Codesignale einen vorgegebenen Signalpegel (HIGH oder LOW) aufweisen. Insbesondere wird ein Referenzimpuls dann generiert, wenn das Referenzmarkensignal einen vorgegebenen Signalpegel aufweist und die um 90° zueinander versetzten Codesignale sich auf unterschiedlichem Signalpegel (HIGH bzw. LOW) befinden.

Am Ausgang des Positionsmessgebers wird somit ein Referenzimpuls nur dann generiert oder für eine weitere interne Verknüpfung der Auswerteelektronik bereitgestellt, wenn

a) der der Referenzmarkenspur zugeordnete Hall-Sensor einen vorgegebenen Schaltzustand einnimmt, d. h. beispielsweise sich auf niedrigem (LOW) Signalpegel befindet,
b) das von dem einen der Codespur zugeordneten Hall-Sensor abgegebene 0°- Codesignal HIGH ist und
c) das von dem anderen der Codespur zugeordneten Hall-Sensor abgegebene 90°- Codesignal LOW ist.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann zusätzlich zur logischen Verknüpfung der Abtastsignale der Referenzmarkenspur und der Codespur eine weitere Verknüpfung der Signale mit den von der Inkrementalspur gewonnenen Impulsen zur Erzeugung eines Referenzimpulses innerhalb eines vorgegebenen Intervalls vorgenommen werden, so dass ein Referenzimpuls nur dann generiert wird, wenn das Referenzmarkensignal einen vorgegebenen Signalpegel aufweist, die vorzugsweise um 90° zueinander versetzten Codesignale sich auf unterschiedlichem Signalpegel befinden und das Inkrementalsignal ebenfalls einen vorgegebenen Signalpegel aufweist.

Selbstverständlich liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, auch mehrere Referenzimpulse innerhalb eines bestimmten Messbereichs zu generieren, d. h. bei einem rotatorischen Positionsmesssystem beispielsweise zwei Referenzimpulse pro Umdrehung einer Codescheibe abzugeben, indem der Referenzmarkenspur zwei um 180° zueinander versetzt angeordnete Hall-Sensoren zugeordnet werden, so dass bei einer rotierenden Codescheibe in jeder Umdrehung zwei Referenzimpulse von den beiden Hall-Sensoren abgegeben und in der Auswerteelektronik mit den Signalen der Codespur bzw. mit den Signalen der Codespur und der Inkrementalspur verknüpft werden.

Eine besondere Anwendung der Codespur zur groben Positionierung ist ihre Ausgestaltung und Funktion als Kommutierungsspur, wobei die Auflösung und Genauigkeit der groben absoluten Positionsbestimmung ausreichend sein muss, um die Motorwicklungen beispielsweise eines elektronisch kommutierten Elektromotors phasenrichtig für den Anlauf des Motors zu bestromen.

Die vorstehenden Ausführungen gelten selbstverständlich auch für lineare Positionsmesssysteme, bei denen ein entsprechend codierter Maßstab mit einer linearen Strichmarkierung, entsprechende Codespuren und eine lineare Referenzmarkenspur vorgesehen ist.

Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Positionsmesssystem zur Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts besteht aus einem Messgerät mit

- einem Codeträger, der eine Inkrementalspur mit periodischer Signalstruktur, eine Referenzmarkenspur zur Bestimmung einer absoluten Position innerhalb eines vor gegebenen Intervalls der Inkrementalspur und mindestens eine Codespur zur Erzeugung von Codesignalen für einen mit dem Objekt verbundenen elektrischen Antrieb aufweist,
- einer Abtasteinheit mit der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur zugeordneten Abtastelementen und
- einer mit der Abtasteinheit verbundenen und Positionsinformationen sowie Inkrementalsignale zur Lage- und Drehzahlregelung abgebenden Auswerteelektronik, die eine Logik zur Verknüpfung der Referenzmarkensignale und der Codesignale zur Erzeugung mindestens eines Referenzimpulses innerhalb eines vorgegebenen Intervalls enthält.

Entsprechend dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Auswerteelektronik ein erstes UND-Glied auf, an das das 0°-Codesignal und das invertierte 90°-Codesignal angelegt sind und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines zweiten UND-Gliedes verbunden ist, an dessen zweitem Eingang das invertierte Referenzmarkensignal angelegt ist und an dessen Ausgang ein einzelner Referenzimpuls innerhalb eines vorgegebenen Intervalls ansteht.

Die als Ausführungsbeispiel gewählte logische Verknüpfung mit UND-Gliedern kann selbstverständlich auch in anderer Form, beispielsweise mit NAND-, NOR- oder anderen bekannten Verknüpfungsbausteinen realisiert werden.

Weiterhin kann zur weiteren Verknüpfung das Ausgangssignal oder invertierte Ausgangssignal des der Inkrementalspur zugeordneten Abtastelements an einen weiteren Eingang des ersten oder zweiten UND-Gliedes gelegt werden bzw. alternativ das Ausgangssignal des zweiten UND-Gliedes mit einem ersten Eingang eines dritten UND-Gliedes beaufschlagt werden und das Ausgangssignal oder invertierte Ausgangssignal des der Inkrementalspur zugeordneten Abtastelements an den zweiten Eingang des dritten UND-Gliedes gelegt werden.

In weiterer Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Abtasteinheit mehrere, in vorgegebenem Abstand zueinander angeordnete, der Referenzmarkenspur zugeordnete Abtastelemente enthalten, deren Ausgänge oder invertierte Ausgänge jeweils an den zweiten Eingang des jeweils einen Referenzimpuls abgebenden zweiten UND-Gliedes angeschlossen sind.

Auf diese Weise können mehrere Referenzimpulse pro Intervall oder Periode auscodiert werden und zur exakten Positionsbestimmung des bewegten Objekts dienen.

Das Messgerät kann wahlweise aus einem inkrementalen Drehgeber oder Längenmessgerät mit jeweils magnetischer Abtastung bestehen.

Vorzugsweise besteht das Messgerät aus einem inkrementalen Drehgeber mit magnetischer Abtastung und der Codeträger ist als Codescheibe mit permanentmagnetischen Teilungen für die Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur ausgebildet und die Abtasteinheit weist der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur zugeordnete magnetoresistive Elemente, insbesondere Widerstandsbahnen, oder Hall-Elemente auf.

Eine einfach herstellbare Codescheibe, deren Aufbau der eingangs wiedergegebenen aus zwei Grundkörpern zusammengesetzten Codescheibe entspricht, ist den Merkmalen der Unteransprüche 15 bis 17 zu entnehmen. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung ist diese Codescheibe problemlos und mit sicherer Erfassung des Referenzimpulses einsetzbar.

Eine besondere Ausgestaltung der Codescheibe sieht vor, dass die Referenzmarkenspur abwechselnd mehrere Nord- und Südpole aufweist und dass an den den Referenzimpuls auslösenden Referenzmarkenpol zwei entgegengesetzt polarisierte Magnetpole der Referenzmarkenspur bzw. überlagerten Referenzmarkenspur angrenzen, wobei insbesondere der den Referenzimpuls auslösende Referenzmarkenpol als Südpol ausgebildet ist, an den unmittelbar die beiden als Nordpole ausgebildeten Magnetpole der Referenzmarkenspur bzw. überlagerten Referenzmarkenspur angrenzen.

Die Breite des Referenzmarkenpols wird vorzugsweise derart gewählt, dass der daraus gewonnene Referenzimpuls einer Signalperiode des Inkrementalsignals und somit einer bestimmten Teilungsperiode der Inkrementalspur eindeutig zugeordnet ist.

Vorzugsweise ist die überlagerte Referenzmarkenspur, d. h. die Referenzmarkenspur ausserhalb des Referenzmarkenpols entgegengesetzt zur Codespur magnetisiert.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich die Magnetfelder über einen kurzen Weg schliessen können und somit Störfelder vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform überstreicht der den Referenzimpuls auslösende Referenzmarkenpol einen kleineren Sektor als die der überlagerten Referenzmarkenspur zugeordneten Magnetpole und die Sektorlänge der unmittelbar an den den Referenzimpuls auslösenden Referenzmarkenpol angrenzenden Magnetpole ist kleiner als die der übrigen, die Referenzmarkensignale ausbildenden Magnetpole, aber größer als die Sektorlänge des den Referenzimpuls auslösenden Referenzmarkenpols.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 eine Draufsicht und einen Schnitt durch eine magnetisierte Codescheibe nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 (eine Draufsicht auf die Innenseite eines Grundkörpers einer aus zwei identischen Grundkörpern zusammengesetzten magnetisierten Codescheibe des erfindungsgemäßen Positionsmesssystems;
Fig. 4 einen Schnitt durch die Codescheibe gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Außenseite des einen Grundkörpers einer aus zwei identischen Grundkörpern zusammengesetzten magnetisierten Codescheibe des erfindungsgemäßen Positionsmesssystems;
Fig. 6 eine schematisch-perspektivische Darstellung der aus zwei Grundkörpern zusammengesetzten Codescheibe gemäß den Fig. 3 bis 5;
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Abtasteinheit des erfindungsgemäßen Positionsmesssystems;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der von der erfindungsgemäßen Codescheibe abgetasteten Impulsfolgen und der am Ausgang der Auswerteeinheit generierten Referenzimpulses;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Verknüpfungslogik der Auswerteelektronik und
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Verknüpfungslogik der Auswerteelektronik.
Die in den Fig. 3 bis 6 dargestellte Codescheibe 1 besteht entsprechend der aus der EP 0 715 151 B1 bekannten Maßverkörperung aus zwei zusammengefügten Grundkörpern 11, 12, von denen in den Fig. 3 bis 5 Außen- und Innenseitenansichten und ein Querschnitt des einen Grundkörpers 11 und in Fig. 6 eine schematisch-perspektivische Darstellung der beiden zur Codescheibe 1 zusammmenzufügenden Grundkörper 11, 12 gezeigt ist. Beide Grundkörper 11, 12 sind identisch aufgebaut und lückenlos ineinanderfügbar, indem der eine Grundkörper 12gegenüber dem anderen Grundkörper 11 um 180° gedreht und die Innenseiten der beiden Grundkörper 11, 12 aufeinanderliegend miteinander verbunden werden.
Beide Grundkörper 11, 12 weisen in konzentrischen Spuren angeordnete Magnetelemente 20, 30 bis 39, 40 auf, die jeweils zur Außenseite der Grundkörper 11, 12 einen Nordpol und zur Innenseite einen Südpol ausbilden. Durch Zusammensteckender beiden Grundkörper 11, 12 greifen die jeweils erhabenen Teile 5 des einen Grundkörpers 11 bzw. 12 in die Lücken oder Aussparungen 6 des anderen Grundkörpers 12 bzw. 11 ein, so dass in den konzentrischen Spuren 2, 3, 4 abwechselnd Nord- und Südpole ausgebildet werden.
Abweichend von der vorstehend beschriebenen und in den Fig. 3 bis 6 dargestellten, aus zwei Grundkörpern 11, 12 zusammengesetzten Codescheibe 1 kann für das erfindungsgemäße Positionsmesssystem sowie zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch jede andere für eine magnetische Abtastung geeignete Codescheibe mit entsprechender Magnetisierung der konzentrischen Spuren eingesetzt werden.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Lösung auch auf ein lineares Positionsmesssystem anstelle eines in dem Ausführungsbeispiel dargestellten rotatorischen Positionsmesssystems angewandt werden.
Die Codescheibe 1 weist am Umfang eine Inkrementalspur 2 auf, die in Verbindung mit dem der Inkrementalspur 2 zugeordneten Abtastelement 81 gemäß Fig. 7 zur Erzeugung von Inkrementalsignalen dient, die aufgrund ihrer feinen Unterteilung eine exakte Positionsbestimmung ermöglichen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Breite eines Pols der Inkrementalspur 5°, d. h. ein aus einem Nord- und Südpol zusammengesetztes Magnetelement 20 der Inkrementalspur 2 überstreicht einen Winkel von 10°, so dass insgesamt 36 Magnetelemente 20 identischer Größe am Umfang der Codescheibe 1 bzw. jeweils 36 Magnetpole am Umfang der Grundkörper 11, 12 verteilt angeordnet sind.
In praktischen Ausführungen eines entsprechenden Messgeräts werden üblicherweise zwei um 90° el. phasenverschobene Inkrementalsignale A und B erzeugt, indem mindestens zwei Abtastelemente der Inkrementalspur 2 zugeordnet werden.
Koaxial zur Inkrementalspur 2 sind eine Referenzmarkenspur 3 und eine Codespur 4 vorgesehen, wobei die Anordnung der Codespur 4 und der Referenzmarkenspur 3 auf innerem oder mittlerem Radius beliebig ist. In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Codespur 4 auf dem inneren Radius der Codescheibe 1 und weist sechs Magnetpole mit abwechselnden Nord- und Südpolen auf, so dass die drei aus Nord- und Südpolen gebildeten Magnetelemente 40 jeweils einen Winkel von 120° überstreichen.
Zwischen der Codespur 4 und der Inkrementalspur 2 ist eine Referenzmarkenspur 3 angeordnet, die aus einem Referenzmarkenpol 30 sowie einer überlagerten Referenzmarkenspur 3' mit abwechselnd ausgebildeten Nord- und Südpolen 31 bis 39 besteht. Die überlagerte Referenzmarkenspur 3' ist dabei so angeordnet, dass zu beiden Seiten des Referenzmarkenpols 30 ein zum Referenzmarkenpol 30 entgegengesetzter Magnetpol 31, 32 ausgebildet ist. Auf diese Weise werden ähnlich der Codespur 4 drei Magnetelemente ausgebildet, wobei im Unterschied zur Codespur 4 ein integrierter Referenzmarkenpol 30 vorgesehen ist, der zur Erzeugung des eigentlichen (und für ein vorgegebenes Intervall einzigen) Referenzimpulses dient.
Wie insbesondere der Darstellung gemäß Fig. 3 zu entnehmen ist, sind zu beiden Seiten des als Südpol ausgebildeten Referenzmarkenpols 30 Nordpole 31, 32 vorgesehen, so dass ein entsprechend starkes Magnetfeld zwischen dem Referenzmarken-Südpol 30 und den benachbarten Nordpolen 31, 32 ausgebildet wird, das einen hohen Störabstand aufweist und auch bei Fertigungsungenauigkeiten, unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen und starken Fremdfeldern eine sichere Generierung des Referenzimpulses gewährleistet.
Fig. 6 verdeutlicht in schematisch-perspektivischer Ansicht die bevorzugte Ausführungsform einer aus zwei identischen Grundkörpern 11, 12 zusammengesetzten Codescheibe 1 mit Aussparungen 6 und erhabenen Magnetpolen 5 in den Grundkörpern 11, 12. Infolge der symmetrischen Anordnung der Magnetpole 5 können beide Grundkörper 11, 12 so zusammengefügt werden, dass eine Codescheibe 1 mit abwechselnden Nord- und Südpolen in der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespurgebildet wird.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Abtasteinheit 8, die durch eine Platine 80 gebildet wird, auf der mehrere Hall-Sensoren 81 bis 85 auf der Fläche der Platine 80 verteilt in unterschiedlichem radialen Abstand vom Mittelpunkt der Platine 80 angeordnet und den jeweiligen schematisch eingetragenen Spuren zugeordnet sind.
In dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Abtasteinheit 8 sind fünf Hall- Sensoren 81 bis 85 vorgesehen, von denen ein Hall-Sensor 81 der Inkrementalspur 2 und zwei um 180° zueinander versetzt angeordnete Hall-Sensoren 82, 83 der Referenzmarkenspur 3 zugeordnet sind. Zwei weitere um 30° zueinander versetzt angeordnete Hall-Sensoren 84, 85 sind der Codespur 4 zugeordnet. In dieser Ausführungsform kann die Positionsbestimmung des Inkrementalgebers innerhalb einer halben Umdrehung der Codescheibe und des mit der Codescheibe verbundenen elektrischen Antriebs erfolgen, während bei Anordnung eines einzelnen der Referenzmarkenspur zugeordneten Hall-Sensors eine Positionsbestimmung innerhalb einer vollen Umdrehung der Codescheibe ermöglicht.
Alternativ kann die Referenzmarkenspur 3 auch von nur einem Hall-Sensor, beispielsweise dem Hall-Sensor 82, abgetastet werden.
Zur Erzeugung von mehreren um 90° gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignalen kann die Inkrementalspur 2 in an sich bekannter Weise von mehreren gegeneinander versetzten Hall-Sensoren abgetastet werden.
Fig. 8 zeigt eine Darstellung der verschiedenen Signale am Ausgang der den einzelnen Spuren zugeordneten Abtastelemente bzw. Hall-Sensoren sowie am Ausgang der Auswerteelektronik im Verlauf einer vollen Umdrehung der Codescheibe.
Die Impulsfolge IS bezeichnet das Inkrementalsignal, das von der Inkrementalspur gewonnen wird. Da die Inkrementalspur 36 Magnetelemente, d. h. 36 Nord- und Südpole aufweist, treten bei einer vollen Umdrehung der Codescheibe 36 Impulse auf. Die unterhalb des Inkrementalsignals dargestellte Impulsfolge RM bezeichnet das aus der Referenzmarkenspur gewonnene Referenzmarkensignal, das entsprechend der Ausgestaltung der Referenzmarkenspur mehrere Referenzmarkensignale unterschiedlicher Impulslänge beinhaltet, von denen ein Referenzmarkensignal innerhalb des 360°-Intervalls der eigentliche Referenzimpuls ist, der durch eine entsprechende Verknüpfungslogik auscodiert wird.
In der Darstellung gemäß Fig. 8 sind unterhalb des Referenzmarkensignals RM die Impulsfolgen der aus der Codespurmittels der beiden der Codespur zugeordneten Hall- Sensoren gewonnenen Codesignale KS1 und KS2 dargestellt, die um 30° zueinander versetzt sind.
Die Generierung des Referenzimpulses aus den vorstehend beschriebenen Impulsfolgen wird an Hand der in den Fig. 9 und 10 als Ausführungsbeispiel für eine logische Verknüpfung in der Auswerteelektronik dargestellten elektrischen Schaltung 7 vorgenommen.
Fig. 9 zeigt eine erste Ausführungsform einer logischen Verknüpfung, bei der das Codesignal KS1 und das invertierte Codesignal KS2 an Eingänge eines ersten UND- Gliedes 71 gelegt werden, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines zweiten UND-Gliedes 72 verbunden ist. An den zweiten Eingang des zweiten UND-Gliedes 72 ist das invertierte Referenzmarkensignal RM gelegt und am Ausgang des zweiten UND- Gliedes 72 steht der aus dieser logischen Verknüpfung gewonnene Referenzimpuls RI_a an.
Fig. 8 zeigt, dass infolge der logischen Verknüpfung der Codesignale KS1 und KS2 mit dem Referenzmarkensignal RM ein Referenzimpuls RI_a nur in den Bereichen z generiert werden kann, so dass der zwischen 180° und 210° auftretende Referenzimpuls eliminiert wird. Die Impulsfolge gemäß Fig. 8 zeigt dementsprechend die Abgabe eines Referenzimpulses RI_a im Bereich zwischen 0 und 30° bzw. nach einer vollen Umdrehung der Codescheibe zwischen 360° und 390°.
Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung eine der Auswerteelektronik zugeordnete elektrische Schaltung 7' zur logischen Verknüpfung der Codesignale KS1 und KS2 mit dem Inkrementalsignal IS und dem Referenzmarkensignal RM. Das Codesignal KS1 und das invertierte Codesignal KS2 werden an die Eingänge eines ersten UND-Gliedes 71 gelegt, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines zweiten UND-Gliedes 72 verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Inkrementalsignal IS bzw. mit dem invertierten Inkrementalsignal IS beaufschlagt ist. Der Ausgang des zweiten UND- Gliedes 72 ist mit einem ersten Eingang eines dritten UND-Gliedes 73 verbunden, an dessen zweitem Eingang das Referenzmarkensignal RM bzw. das invertierte Referenzmarkensignal RM ansteht. Am Ausgang des dritten UND-Gliedes 73 steht der aus den vorstehend genannten Impulsfolgen gebildete Referenzimpuls RI_b an.
Fig. 8 zeigt die entsprechende Generierung des Referenzimpulses RI_b aus den darüber dargestellten Impulsfolgen, wobei durch die Verknüpfung der Codesignale KS1 und KS2 mit dem Inkrementalsignal IS ein Referenzimpuls RI_b geringerer Breite als der zuvor beschriebene Referenzimpuls RI_a gebildet wird.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt neben der zuvor beschriebenen Ausführungsform verschiedenen Varianten zu, da sich die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung nicht auf ein rotatorisches Positionsmesssystem und damit auf Drehgeber und Winkelmessgeräte beschränkt, sondern auch auf Längenmessgeräte angewendet werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts mit einem dem Objekt zugeordneten Codeträger mit einer Inkrementalspur mit periodischer Signalstruktur, einer Referenzmarkenspur zur Bestimmung einer absoluten Position innerhalb eines vorgegebenen Intervalls der Inkrementalspur und einer Codespur zur Erzeugung von Codesignalen für einen mit dem Objekt verbundenen elektrischen Antrieb sowie mit der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur zugeordneten Abtastelementen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Referenzmarkenspur (3) mehrere Signalwechsel pro Intervall auslöst und
dass das Referenzmarkensignal (RM) und die Codesignale (KS1, KS2) zur Erzeugung eines Referenzimpulses (RI_a, RI_b) innerhalb eines vorgegebenen Intervalls miteinander verknüpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzimpuls (RI_a) nur dann generiert wird, wenn das Referenzmarkensignal (RM) einen vorgegebenen Signalpegel (HIGH bzw. LOW) aufweist und die vorzugsweise um 90° zueinander versetzten Codesignale (KS1, KS2) einen vorgegebenen Signalpegel (HIGH bzw. LOW) aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmarkensignal (RM), die Codespursignale (KS1, KS2) und das Inkrementalsignal (IS) zur Erzeugung mindestens eines Referenzimpulses (RI_b) pro Intervall miteinander verknüpft werden und dass ein Referenzimpuls (RI_b) nur dann generiert wird, wenn das Referenzmarkensignal (RM) einen vorgegebenen Signalpegel (HIGH bzw. LOW) aufweist, die vorzugsweise um 90° zueinander versetzten Codesignale (KS1, KS2) sich auf unterschiedlichem Signalpegel (HIGH bzw. LOW) befinden und das Inkrementalsignal (IS) einen vorgegebenen Signalpegel (HIGH bzw. LOW) aufweist.

4. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche für einen magnetisierten Codeträger mit der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur zugeordneten magnetfeldempfindlichen Abtastelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkenspur (3) aus einem den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösenden Referenzmarkenpol (30) und einer überlagerten Referenzmarkenspur (3') mit abwechselnd mehreren Nord- und Südpolen zusammengesetzt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar neben dem Referenzmarkenpol (30) Magnetpole (31, 32) mit entgegengesetzter Polarität zum Referenzmarkenpol (30) auftreten.

6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur dann ein Referenzimpuls (RI_a) abgegeben wird, wenn

a) der Signalpegel des Referenzmarkensignals (RM) LOW ist,

b) der Signalpegel des 0°-Codesignals (KS1) HIGH ist,

c) der Signalpegel des 90°-Codesignals (KS2) LOW ist.

7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur dann ein Referenzimpuls (RI_b) abgegeben wird, wenn

a) der Signalpegel des Referenzmarkensignals (RM) LOW ist,

b) der Signalpegel des 0°-Codesignals (KS1) HIGH ist,

c) der Signalpegel des 90°-Codesignals (KS2) LOW ist,

d) das Inkrementalsignal (IS) einen vorgegebenen Signalpegel (HIGH bzw. LOW) aufweist.

8. Positionsmesssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
ein Messgerät mit
einem Codeträger (1), der eine Inkrementalspur (2) mit periodischer Signalstruktur, eine Referenzmarkenspur (3) zur Bestimmung einer absoluten Position innerhalb eines vorgegebenen Intervalls der Inkrementalspur (2) und mindestens eine Codespur (4) zur Erzeugung von Codesignalen (KS1, KS2) für einen mit dem Objekt verbundenen elektrischen Antrieb aufweist,
einer Abtasteinheit (8) mit der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur (2, 3, 4) zugeordneten Abtastelementen (81-85) und
einer mit der Abtasteinheit (8) verbundenen und Positionsinformationen sowie Inkrementalsignale zur Lage- und Drehzahlregelung abgebenden Auswerteelektronik, die eine Logik (7) zur Verknüpfung der Referenzmarkensignale (RM) und der Codesignale (KS1, KS2) zur Erzeugung eines Referenzimpulses (RI_a, RI_b) innerhalb eines vorgegebenen Intervalls.

9. Positionsmesssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik ein erstes UND-Glied (71) enthält, an das das 0°-Codesignal (KS1) und das invertierte 90°-Codessignal (KS2) angelegt sind und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines zweiten UND-Gliedes (72) verbunden ist, an dessen zweitem Eingang das invertierte Referenzmarkensignal (RM) angelegt ist und an dessen Ausgang ein einzelner Referenzimpuls (RI_a) innerhalb eines vorgegebenen Intervalls ansteht.

10. Positionsmesssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkrementalsignal (IS) an einen weiteren Eingang des ersten oder zweiten UND- Gliedes (71, 72) gelegt ist.

11. Positionsmesssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des zweiten UND-Gliedes (72) an einen ersten Eingang eines dritten UND-Gliedes (73) angeschlossen ist und dass das Inkrementalsignal (IS) oder das invertierte Inkrementalsignal (IS) an den zweiten Eingang des dritten UND-Gliedes (73) gelegt ist.

12. Positionsmesssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (6) mehrere, in vorgegebenem Abstand zueinander angeordnete, der Referenzmarkenspur (3) zugeordnete Abtastelemente (62, 63) enthält, deren Ausgänge oder invertierte Ausgänge jeweils an den zweiten Eingang des jeweils einen Referenzimpuls (RI_a, RI_b) abgebenden zweiten oder dritten UND-Gliedes (72, 73) angeschlossen sind.

13. Positionsmesssystem nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät aus einem inkrementalen oder absoluten Drehgeber oder Längenmessgerät mit magnetischer Abtastung besteht.

14. Positionsmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät aus einem inkrementalen Drehgeber mit magnetischer Abtastung besteht und dass der Codeträger als Codescheibe (1) mit permanentmagnetischen Teilungen für die Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur (2, 3, 4) ausgebildet ist und die Abtasteinheit (8) der Inkremental- Referenzmarken- und Codespur (2, 3, 4) zugeordnete magnetfeldempfindliche Abtastelemente (81-85) aufweist.

15. Positionsmesssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung der Codescheibe (1) in Messrichtung angeordnete Magnetelemente aufweist und aus zwei Grundkörpern (11, 12) zusammengefügt ist, deren Magnetpole (5, 5') in einer einzigen gemeinsamen Richtung gleichsinnig magnetisiert sind, wobei die aus den zusammengefügten Grundkörpern (11, 12) bestehende Maßverkörperung in Messrichtung abwechselnd einen Magnetpol (5, 5') des einen und anderen Grundkörpers(11, 12) aufweist und das Magnetfeld der Magnetpole(5, 5') des einen Grundkörpers (11) im zusammengefügten Zustand zu dem Magnetfeld der Magnetpole (5, 5') des anderen Grundkörpers (12) entgegengerichtet ist.

16. Positionsmesssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper (11, 12) gleiche Abmessungen aufweisen und beim Zusammenfügen der Grundkörper (11, 12) in die Lücken (6) zwischen den Magnetelementen (5, 5') des einen Grundkörpers (11) die Magnetelemente (5, 5') des anderen Grundkörpers (12) eingreifen.

17. Positionsmesssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (5, 5') erhaben und die Lücken zwischen den Magnetpolen (5, 5') als Aussparungen (6) ausgebildet sind, derart, dass die Oberflächen der zusammengefügten Grundkörper (11, 12) abwechselnd Nord- und Südpole in der Inkremental-, Referenzmarken- und Codespur (2, 3, 4) ausbilden.

18. Positionsmesssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkenspur (3) abwechselnd mehrere Nord- und Südpole aufweist und dass unmittelbar an den den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösenden Referenzmarkenpol (30) zwei entgegengesetzt polarisierte Magnetpole (31, 32) der Referenzmarkenspur (3) bzw. überlagerten Referenzmarkenspur (3') angrenzen.

19. Positionsmesssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösende Referenzmarkenpol (30) als Südpol ausgebildet ist, an den unmittelbar die beiden als Nordpole ausgebildeten Magnetpole (31, 32) der Referenzmarkenspur(3) bzw. überlagerten Referenzmarkenspur (3') angrenzen.

20. Positionsmesssystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die überlagerte Referenzmarkenspur (3') entgegengesetzt zur Codespur (4) magnetisiert ist.

21. Positionsmesssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösenden Referenzmarkenpols (30) so gewählt ist, dass der daraus gewonnene Referenzimpuls (RI_a, RI_b) einer Signalperiode des Inkrementalsignals (IS) und somit einer bestimmten Teilungsperiode der Inkrementalspur (2) eindeutig zugeordnet ist.

22. Positionsmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösende Referenzmarkenpol (30) einen kleineren Sektor überstreicht als die der überlagerten Referenzmarkenspur (3') zugeordneten Magnetpole (31-39) und dass die Sektorlänge der unmittelbar an den den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösenden Referenzmarkenpol (30) angrenzenden Magnetpole (31, 32) kleiner als die der übrigen, die Referenzmarkensignale ausbildenden Magnetpole (33-39), aber größer als die Sektorlänge des den Referenzimpuls (RI_a, RI_b) auslösenden Referenzmarkenpols (30) ist.