DE102004002722A1

DE102004002722A1 - Absoluter Codierer, der auf einem inkrementalen Codierer beruht

Info

Publication number: DE102004002722A1
Application number: DE102004002722A
Authority: DE
Inventors: Chiau Woon Yeo
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: DE102004002722B4; JP4593910B2; JP2004233339A; US6683543B1

Abstract

Es wird ein Codierer offenbart, der ein Erfassungsbauelement umfaßt, das Codierungsmarkierungen auf einer Erfassungsoberfläche erfaßt, die ferne eine oder mehrere Referenzmarkierungen umfaßt. Das Erfassungsbauelement erzeugt ein erstes und ein zweites Codierersignal, wenn die Codierungsmarkierungen das Erfassungsbauelement passieren. Die Codierungssignale definieren die Bewegungsrichtung und den Bewegungsgrad der Erfassungsoberfläche. Ein Register speichert die Position der Codierungsoberfläche relativ zu dem Erfassungselement. Eine Steuerung empfängt das erste und das zweite Codierersignal und inkrementiert oder dekrementiert das digitale Register auf der Basis des empfangenen ersten und zweiten Codierersignals. Der Codierer umfaßt ferner einen Referenzmarkierungsdetektor, der ein erstes Referenzmarkierungssignal erzeugt, wenn die erste Referenzmarkierung den Referenzmarkierungsdetektor passiert. Die Steuerung setzt den digitalen Wert auf einen ersten Referenzwert zurück, wenn der Codierer das erste Referenzmarkierungssignal empfängt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Codierer.
Um die folgende Erörterung zu vereinfachen, wird die vorliegende Erfindung anhand eines Wellencodierers bzw. Drehgebers erklärt. Ein Wellencodierer gibt ein digitales Signal aus, das die Position der Welle relativ zu einer bekannten Referenzposition angibt. Ein absoluter Wellencodierer verwendet üblicherweise eine Mehrzahl von Spuren auf einer Platte, die mit der Welle verbunden ist. Jede Spur besteht aus einer Serie von dunklen und hellen Streifen, die durch einen Detektor betrachtet werden, der einen Wert einer digitalen 1 oder 0 ausgibt, je nachdem, ob der durch den Detektor betrachtete Bereich hell oder dunkel ist. Ein binärer N-Bit-Codierer verwendet üblicherweise N derartige Spuren, eine pro Bit.

Falls N groß ist, stellt eine Ausrichtung der verschiedenen Komponenten beträchtliche Probleme dar. Zusätzlich zu den mit der Ausrichtung der Spuren verbundenen Problemen müssen auch die Photodetektoren miteinander ausgerichtet sein. Das Erfordernis, eine präzise Ausrichtung der Komponenten zu liefern, erhöht die Kosten des Codierers beträchtlich, wenn N groß ist.

Dagegen sind inkrementale Codierer relativ kostengünstig. Ein inkrementaler N-Bit-Codierer kann als die Spur betrachtet werden, die dem mindestwertigen Bit in einem absoluten N-Bit-Codierer entspricht. Das heißt, daß die Spur aus 2^N Regionen besteht, die zwischen hell und dunkel abwechseln. Der Codierer bestimmt einen absoluten Abstand, in dem er jedesmal, wenn der der Spur zugeordnete Photodetektor in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der codierenden Spur relativ zu dem Photodetektor seine Ausgabe ändert, einen Zähler inkrementiert oder dekrementiert. Die Bewegungsrichtung der codierenden Spur wird erfaßt, indem zwei Photodetektoren verwendet werden, die in Bezug aufeinander verschoben sind. Da der inkrementale Codierer keine große Anzahl von Spuren aufweist, die ausgerichtet werden sollen, werden die oben erörterten Ausrichtungskosten vermieden. Solange die Vorrichtung keinen Zählwert ausläßt, ist der Zählerwert ein Maß für die Position relativ zu dem Punkt auf dem Codierungsrad, an dem der Zählwert 0 war. Ungünstigerweise führt ein Leistungsverlust zu einem Verlust des Zählwerts, und somit wird die Position unbekannt. Ferner können Fehler, die sich aus einen ausgelassenen Zählwert oder einem Detektorrauschen ergeben, auch Fehler bei der Positionsmessung einführen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Codierer zu schaffen, der einen Verlust des Zählwerts und somit der Position vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch einen Codierer gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Codierer, der ein Erfassungsbauelement umfaßt, das Codierungsmarkierungen auf einer Erfassungsoberfläche erfaßt, die ebenfalls eine oder mehrere Referenzmarkierungen umfaßt. Das Erfassungsbauelement erzeugt ein erstes und ein zweites Codierersignal, wenn die Codierungsmarkierungen das Erfassungsbauelement passieren. Das zweite Codierersignal eilt dem ersten Codierersignal voraus oder nach, je nach der Bewegungsrichtung der Erfassungsoberfläche bezüglich des Erfassungsbauelements. Der Codierer umfaßt ein Register zum Speichern eines digitalen Werts, der die Position der Codierungsoberfläche relativ zu dem Erfassungsbauelement angibt. Eine Steuerung empfängt das erste und das zweite Codierersignal und inkrementiert oder dekrementiert das digitale Register auf der Basis des empfangenen ersten und zweiten Codierersignals.

Der Codierer umfaßt ferner einen Referenzmarkierungsdetektor, der ein erstes Referenzmarkierungssignal erzeugt, wenn die erste Referenzmarkierung den Referenzmarkierungsdetektor passiert. Die Steuerung setzt den digitalen Wert auf einen ersten Referenzwert zurück, wenn der Codierer das erste Referenzmarkierungssignal empfängt. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der Codierer ferner einen nicht-flüchtigen Speicher zum Speichern eines Registerwertes und eine Leistungserfassungsschaltung zum Bestimmen, ob das Potential auf einer Leistungsversorgungsleitung gerade abnimmt oder zunimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bewirkt die Steuerung, daß der digitale Wert in dem Register in dem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert wird, wenn die Leistungserfassungsschaltung bestimmt, daß das Potential auf einer Leistungsversorgungsleitung gerade abnimmt. Wenn die Leistungserfassungsschaltung bestimmt, daß das Potential auf der Leistungsversorgungsleitung gerade zunimmt, bewirkt die Steuerung, daß der in dem nichtflüchtigen Speicher gespeicherte Wert in dem Register gespeichert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Codierers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungsdetektorschaltung 80; und
3 einen linearen Codierer 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Art und Weise, auf die die vorliegende Erfindung ihre Vorteile liefert, wird unter Bezugnahme auf 1, die ein Ausführungsbeispiel eines Codierers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, leichter verständlich. Der Codierer 10 verwendet ein Codierungsrad 16, das an einer Welle 17 befestigt ist, die sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen kann. Das Codierungsrad 16 weist eine Mehrzahl von Codierungsbändern 18 auf, die durch einen Quadratursensor 11 erfaßt werden, der zwei Signale erzeugt, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Quadratursensoren dieses Typs sind in der Technik gebräuchlich und werden somit hier nicht ausführlich erläutert. Für die Zwecke dieser Erläuterung ist es ausreichend, anzumerken, daß der Quadratursensor 11 zwei bei 31 und 32 gezeigte Photodetektoren umfaßt, die um 1/4 der Periode der Codierungsbänder voneinander versetzt sind. Die Ausgaben aus diesen Detektoren werden verwendet, um auf Leitungen 20 und 21 Signale zu erzeugen. Das Signal auf der Leitung 20 eilt dem Signal auf der Leitung 21 um 90 Grad voraus oder nach, je nach der Drehrichtung der Welle 17. Während die Codierungsbänder in der Zeichnung als radiale Linien gezeigt sind, versteht es sich, daß diese Bänder in der Regel abwechselnde schwarze und weiße Bänder einer gleichen Breite sind.
Die Signale von dem Quadratursensor 11 werden durch eine Steuerung 15 empfangen. Die Steuerung 15 umfaßt ein Register 22, das an jeder vorauseilenden Flanke des Signals auf der Leitung 20 inkrementiert oder dekrementiert wird. Der Zustand des Signals auf der Leitung 21 wird in Verbindung mit dem Signal auf der Leitung 20 verwendet, um die Bewegungsrichtung des Codierungsrads 16 zu bestimmen. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das Register 22 inkrementiert, falls sich das Codierungsrad im Uhrzeigersinn dreht, und dekrementiert, falls sich das Codierungsrad gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die Art und Weise, wie die Steuerung 15 diese Bestimmung durchführt, wird nachfolgend ausführlicher erläutert.
Der Codierer 10 umfaßt ferner einen nicht-flüchtigen Speicher 13, der den Zählwert in dem Register 22 speichert, wenn eine Leistungserfassungsschaltung 14 bestimmt, daß Leistung ausfällt. Wenn der Codierer 10 wieder mit Leistung versorgt wird, wie durch die Leistungserfassungsschaltung 14 bestimmt wird, wird der in dem Speicher 13 gespeicherte Wert in das Register 22 umgeladen. Daher sind die Leistungsausfallzuverlässigkeitsprobleme, die normalerweise mit inkrementalen Codierern verbunden sind, bei der vorliegenden Erfindung beträchtlich verringert.
Während das oben beschriebene Leistungsausfallsystem Fehler beträchtlich verringert, kann das Register 22 trotzdem noch einen Fehler aufweisen. Wenn sich beispielsweise das Codierungsrad oder die Welle, an der es angebracht ist, bewegt, während die Leistung abgeschaltet ist, wird das Register 22 nicht ordnungsgemäß aktualisiert, und daher ist die angegebene Position des Codierungsrades fehlerhaft. Ferner ist, wenn der Codierer zunächst eingeschaltet wird, die Position des Rades und somit die Nullposition des Registers 22 unbekannt.
Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Problem, indem sie eine oder mehrere absolute Referenzmarkierungen an dem Codierungsrad 16 liefert. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden diese Referenzmarkierungen durch einen Sensor 33, der ein Teil des Quadratursensors 11 ist, erfaßt; der Referenzsensor kann jedoch ein separates Bauelement sein, das von dem Quadratursensor 11 unabhängig ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden vier Referenzmarkierungen verwendet. Eine beispielhafte Referenzmarkierung ist bei 23 gezeigt.
Falls mehr als eine Referenzmarkierung verwendet wird, liefert jede Referenzmarkierung vorzugsweise ein eindeutiges Signal, so daß die Steuerung die Identität der Referenzmarkierung bestimmen kann. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Referenzmarkierungen radiale Markierungen. Die Identität jeder Referenzmarkierung wird durch die Anzahl von radialen Markierungen, die zusammengruppiert sind, spezifiziert. Für die Zwecke dieser Erläuterung sei angenommen, daß der Referenzpunkt an dem Codierungsrad, der durch jede Referenzmarkierung markiert ist, die Position der ersten radialen Markierung ist, auf die der Referenzsensor trifft. Die genaue Position dieser Referenzmarkierung hängt bei dem in 1 gezeigten Beispiel von der Bewegungsrichtung ab.
Die Steuerung 15 umfaßt vorzugsweise eine Tabelle, die die absolute Position jeder Referenzmarkierung anhand des erwarteten Zählwerts in dem Register 22 speichert, wenn die Referenzmarkierung angetroffen wird. Wenn, wie oben erwähnt, die Referenzmarkierungen breit sind, kann diese Tabelle einen Eintrag für jede Markierung und die Drehrichtung des Codierungsrades umfassen.
Wenn eine Referenzmarkierung den Referenzsensor passiert, wird ein Signal an die Steuerung 15 gesandt, die den Inhalt des Registers 22 bezüglich des Tabelleneintrags für diese Referenzmarkierung und Bewegungsrichtung prüft. Falls der erwartete Registerwert nicht gefunden wird, korrigiert die Steuerung 15 den Wert in dem Register 22 so, daß das Register 22 den erwarteten Wert aufweist, wenn die nächste Referenzmarkierung angetroffen wird. Falls also ein Fehler auftritt, korrigiert der Codierer den Fehler rasch. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Fehler innerhalb einer Vierteldrehung des Codierers korrigiert.
Schließlich sollte man anmerken, daß die Steuerung 15 vorzugsweise eine binäre Zahl ausgibt, die durch den Inhalt des Registers 22 bestimmt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Ausgabe dieselbe wie die, die durch einen herkömmlichen absoluten Codierer geliefert wird, so daß die vorliegende Erfindung als Ersatz für derartige Codierer verwendet werden kann.
Wie oben erwähnt wurde, verwendet die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Leistungserfassungsschaltung 14 zum Bestimmen, wann Leistung verloren und wiedergewonnen wird. Auf ein Erfassen einer absinkenden Leistungsversorgungs spannung hin signalisiert der Detektor zu der Steuerung, die wiederum bewirkt, daß der Wert in dem Register 22 in dem Speicher 13 gespeichert wird. Bei diesem Schema wird davon ausgegangen, daß die Steuerung 15 eine Leistungsquelle mit einer ausreichenden Leistungsspeicherung aufweist, um die Steuerung 15 zu befähigen, diese Operationen durchzuführen, wenn der Leistungsdetektor einen Leistungsausfall signalisiert. Für diesen Zweck können Leistungsspeichervorrichtungen verwendet werden, die auf Kondensatoren oder Batterien beruhen.
Unter Bezugnahme auf 2, die eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungsdetektorschaltung 80 ist, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Leistungsdetektorschaltung 80 wird von dem Vcc-Bus mit Leistung versorgt, der verwendet wird, um die Elektronik, die dem Codierungsrad zugeordnet ist, z.B. die LEDs, Photodioden usw., mit Leistung zu versorgen. Leistung wird an die Steuerung und den Speicher von einem Kondensator 81 geliefert, der durch eine Diode 82 von Vcc geladen wird, was verhindert, daß die Ladung von dem Kondensator 81 austritt, falls ein Leistungsverlust auftritt. Wenn ein Leistungsverlust auftritt, geht Vcc sehr viel schneller auf Masse als die Spannung über den Kondensator 81; somit erfaßt ein Komparator 87 eine Differenz in den Eingaben in denselben und erzeugt ein Auslösersignal, das durch die Steuerung 15 empfangen und durch die Steuerung verwendet wird, um die Speicherung des Zählwerts in dem Register 22 in den nicht-flüchtigen Speicher 13 auszulösen. Die Eingaben in den Komparator 87 werden durch zwei Widerstandsteiler erzeugt, die bei 83–84 und 85–86 gezeigt sind.
Es ist zu erwähnen, daß das Leistungsausfallerfassungsmerkmal der vorliegenden Erfindung optional ist, falls das oben erörterte Referenzmarkierungssystem verwendet wird. Falls die Vorrichtung einen Leistungsverlust erfährt und der Inhalt des Registers 22 verlorengeht, gewinnt die Vorrichtung den korrekten Wert wieder, sobald das Codierungsrad eine der Referenzmarkierungen passiert.
Wie oben erwähnt wurde, hängt die vorliegende Erfindung davon ab, in der Lage zu sein, die Bewegungsrichtung des Codierungsrads 16 aus den Ausgaben des Quadratursensors 11 zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann eine einfache Zustandsmaschine verwendet werden. Man bezeichne das Signal auf der Leitung 20 mit X und das Signal auf der Leitung 21 mit Y. X und Y können die Werte 0 und 1 annehmen, je nachdem, ob das Signal hoch oder niedrig ist. Es gibt vier mögliche Zustände XY. In einer Richtung lauten die Zustände 01 bis 00 bis 10 bis 11. In der anderen Bewegungsrichtung verlaufen die Zustände von 01 bis 11 bis 10 bis 00. Somit muß die Steuerung 15 lediglich den vorherigen Zustand und den aktuellen Zustand nachverfolgen, um die Bewegungsrichtung zu bestimmen.
Die oben erörterten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben ein kreisförmiges Codierungsrad verwendet, um die Position einer Welle, die sich dreht, nachzuverfolgen. Jedoch kann ebenso ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert werden, das auf einem linearen Codierstreifen arbeitet, der die Position eines linearen Betätigungsglieds nachverfolgt. Es sei nun auf 3 Bezug genommen, die einen linearen Codierer 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Um die folgende Erörterung zu vereinfachen, wurden diejenigen Elemente des Codierers 100, die dieselbe Funktion wie die entsprechenden Elemente in 1 erfüllen, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden hier nicht näher erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Codierungsbalken 101 und die Referenzmarkierungen 102 auf einem linearen Streifen 103 angeordnet, der sich unter einem Quadratursensor 104 bewegt, der ähnlich demjenigen ist, der oben unter Bezugnahme auf das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Während sich der Streifen 103 hin- und herbewegt, inkrementiert oder dekre mentiert die Steuerung 15 den Inhalt des Registers 22 auf dieselbe Weise, die oben beschrieben wurde.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden einen Quadraturdetektor, um ein Paar von Signalen zu erzeugen, die sowohl den Bewegungsgrad der Erfassungsoberfläche relativ zu dem Detektor als auch die Richtung dieser Bewegung angeben. Während das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen herkömmlichen Quadraturdetektor verwendet, kann jeglicher Detektor verwendet werden, der zwei Signale erzeugt, die diese Informationen liefern.

Claims

Codierer (10), der folgende Merkmale aufweist: ein Erfassungsbauelement (11), das ein erstes und ein zweites Codierersignal erzeugt; eine Erfassungsoberfläche (16), die eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten Codierungsmarkierungen (18) aufweist, wobei sich die Oberfläche bezüglich des Erfassungsbauelements (11) derart bewegt, daß das erste und das zweite Codierersignal erzeugt werden, wenn die Codierungsmarkierungen (18) das Erfassungsbauelement (11) passieren, wobei das zweite Codierersignal dem ersten Codierersignal in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Erfassungsoberfläche (16) bezüglich des Erfassungsbauelements (11) voraus- oder nacheilt; einen Referenzmarkierungsdetektor (33) zum Erfassen der ersten Referenzmarkierung und zum Erzeugen eines ersten Referenzmarkierungssignals, das die Erfassung angibt; ein Register (22) zum Speichern eines digitalen Werts; und eine Steuerung (15) zum Empfangen des ersten und des zweiten Codierersignals und zum Inkrementieren oder Dekrementieren des digitalen Registers (22) auf der Basis des empfangenen ersten und zweiten Codierersignals, wobei die Steuerung (15) den digitalen Wert auf einen ersten Referenzwert zurücksetzt, wenn der Codierer (10) das erste Referenzmarkierungssignal empfängt.
Codierer (10) gemäß Anspruch 1, der ferner folgende Merkmale aufweist: einen nicht-flüchtigen Speicher (13) zum Speichern eines Registerwerts; und eine Leistungserfassungsschaltung (14, 80) zum Bestimmen, ob das Potential auf einer Leistungsversorgungsleitung abnimmt oder zunimmt, wobei die Steuerung (15) bewirkt, daß der digitale Wert in dem nicht-flüchtigen Speicher (13) gespeichert wird, wenn die Leistungserfassungsschaltung (14, 80) bestimmt, daß das Potential gerade abnimmt.
Codierer (10) gemäß Anspruch 2, bei dem die Steuerung (15) bewirkt, daß der gespeicherte Registerwert in das Register (22) geladen wird, wenn die Leistungserfassungsschaltung (14, 80) bestimmt, daß das Potential gerade zunimmt.
Codierer (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Codierungsoberfläche (103) ferner eine zweite Codierungsmarkierung aufweist, bei dem der Referenzmarkierungsdetektor (33) ein zweites Referenzmarkierungssignal erzeugt, wenn die zweite Codierungsmarkierung erfaßt wird, und bei dem die Steuerung (15) den digitalen Wert auf einen zweiten Referenzwert zurücksetzt, wenn das zweite Referenzmarkierungssignal erzeugt wird.
Codierer (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Codierungsoberfläche (103) eine mit einer Welle verbundene Platte aufweist, die sich bezüglich des Erfassungsbauelements (11) dreht, wenn sich die Welle dreht.
Codierer (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Codierungsoberfläche (103) einen Streifen aufweist, der sich bezüglich des Erfassungsbauelements (11) bewegt, wenn sich die Oberfläche parallel zu einer vorbestimmten Richtung bewegt.