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Die
Erfindung betrifft einen Absolutwertcodierer und ein Verfahren zum
Betreiben desselben, insbesondere einen mit hoher Genauigkeit arbeitenden
Absolutwertcodierer, der bei Spannungsausfall Absolutpositionsinformation
liefert, und ein Verfahren zum Betreiben desselben.
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Ein
herkömmlicher
Wechselstrom-Servomotor verfügt
im Allgemeinen über
einen optischen Codierer zum Erfassen von Winkelinformation eines
Rotors, die dazu verwendet werden kann, einen Statortreiberstrom
zu bestimmen. Daher kann die Drehzahl dieses Motors genau kontrolliert
werden.
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Die 1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines bekannten Wechselstrom-Servomotors.
Die Winkelposition des Rotors im Motor 10 wird durch einen
optischen Codierer 12 erfasst und durch eine Signalverarbeitungseinheit 20 verarbeitet,
um Winkelinformation zu erhalten. Diese wird durch eine Drehzahl-Abschätzeinheit 14 verarbeitet,
um eine abgeschätzte
Motordrehzahl zu erhalten. Eine Drehzahlregelung 30 empfängt die
abgeschätzte
Motordrehzahl sowie eine Solldrehzahl zum Steuern eines Steuerungsmoduls 32 und
eines IGBT-Moduls 34, um ein Motordrehzahl-Regelungssignal
zu erzeugen. Dieses kann dazu verwendet werden, die Drehzahl des
Motors 10 genau zu regeln.
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Genauer
gesagt, ist bei diesem Servomotor der an der Motorachse angebrachte
Positionssensor ein optischer Codierer 12. Die Positionsgenauigkeit des
Servomotors hängt
von der Auflösung
des optischen Codierers 12 ab, wobei derartige Codierer
in Inkrementalcodierer und Absolutwertcodierer eingeteilt werden
können.
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Ein
Inkrementalcodierer kann Information relativ zur vorigen Position
liefern, weswegen die Absolutposition des Codierrads nach einem
Spannungsausfall unbekannt ist, bevor nicht die Position zurückgesetzt
wurde. Daher kennt ein Inkrementalcodierer die Absolutposition (d.
h. den Absolutwinkel) des Codierrads nicht, wenn nach einem Spannungsausfall wieder
Spannung anliegt. Demgegenüber
kennt ein Absolutwertcodierer immer die Absolutposition der Ausgangsachse,
ohne dass dabei durch einen Spannungsausfall eine Störung auftreten
würde.
Demgemäß ist nach
einem Spannungsausfall keine Rücksetzoperation
erforderlich, und der Betrieb ist vereinfacht.
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Die 2 zeigt
schematisch einen optischen Codierer. Das Licht von einer Lichtquelle 260 erreicht einen
Lichtsensor 240, nachdem es durch ein sich drehendes Rad 200 und
eine feste Maske 220 gelaufen ist. Das vom Lichtsensor 240 empfangene
Licht variiert entsprechend einer Positionsänderung des sich drehenden
Rads 200. Daher ist diese Positionsänderung bekannt, wenn die Signalintensität des Lichtsensors 240 ausgewertet
wird.
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Die 3 zeigt
ein schematisches Diagramm des Codierrads 300 eines Absolutwertcodierers,
wobei es sich um ein Codierrad für
6 Bits handelt. Dieses Codierrad 300 verfügt über einen
runden Radkörper 302 und
mehrere Gitter 304. Die Gitter 304 enthalten ein
erstes Gitter 304A in einer innersten Bahn, das 1/2 des
Umfangs einnimmt, zwei zweite Gitter 304B in einer zweiten
innersten Bahn, die jeweils 1/4 des Umfangs einnehmen, dritte Gitter 304C, vierte
Gitter 304D, fünfte
Gitter 304E und 32 sechste Gitter 304F in der äußersten
Bahn, die jeweils 1/64 des Umfangs einnehmen. Entlang der radialen
Richtung kann ein Intensitätsänderungssignal
erhalten werden, und in der Umfangsrichtung kann eine Positionsauflösung von
26 = 64 erzielt werden. Jedoch ist eine
weitere Bahn erforderlich, wenn beim in der 3 dargestellten
Codierrad 300 für
einen Absolutwertcodierer die Auflösung um ein Bit zu erhöhen ist, wodurch
das Rad mehr Raum einnimmt.
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Die 4A zeigt
ein schematisches Diagramm eines Codierrads 400 für einen
optischen Inkrementalcodierer, das über einen runden Radkörper 402 und
mehrere Gitter verfügt.
Zu den Gittern gehören
ein Hauptgitter 404A, ein erstes Untergitter 404B und
ein zweites Untergitter 404C, die an entgegengesetzten
Seiten des Hauptgitter 404A angeordnet sind. Die 4B zeigt
eine dem Codierrad 400 zugeordnete Maske 420 mit
vier Reihen von Gittern 420A.
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Die 4C zeigt
eine dem Codierrad 400 zugeordnete Lichtsensorvorrichtung 440 mit
Hauptsensoreinheiten 442A, 444A, 442B, 444B (als A+/B+/A–/B– bezeichnet),
die dem Hauptgitter 404A entsprechen. Wenn sich das Codierrad 400 dreht,
erzeugen die genannten Hauptsensoreinheiten vier sinusförmige Signale,
die über
Phasen von 0°,
90°, 180° bzw. 270° verfügen. Die
Signale A+/A– mit
einer Phasendifferenz von 180° werden
einem Subtraktionsprozess unterzogen, um ein Sinussignal A ohne Grundrauschen
zu erhalten. Die Signale B+/B– mit ebenfalls
einer Phasendifferenz von 180° werden ebenfalls
einer Subtraktionsoperation unterzogen, um ein Cosinussignal B ohne
Grundrauschen zu erhalten. Das Sinussignal A und das Cosinussignal
B mit einer Phasendifferenz von 90° können dazu verwendet werden,
zu beurteilen, ob sich das Codierrad vorwärts oder rückwärts dreht.
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Dieser
optische Inkrementalcodierer kann auf Grundlage des Sinussignals
A und das Cosinussignals B Inkrementalpositionsinformation erhalten. Um
Absolutpositionsinformation zu erhalten, sind zusätzlich Ursprungssensoreinheiten 446A, 446B (Z+/Z–) vorhanden.
Jedoch sollte nach dem Einschalten der Spannung nach einem Spannungsausfall
durch die Ursprungssensoreinheit eine Ursprungsmarke auf dem Inkrementalcodierer
erfasst werden, um Absolutpositionsinformation zu erhalten. Dieser
Prozess ist zeitaufwendig und für
eine Anwendung ungeeignet, bei der es erforderlich ist, nicht zur Ursprungsmaske
zurückzukehren.
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Um
das Problem betreffend die Erkennung der Absolutposition nach einem
Spannungsausfall zu lösen,
sind in der einschlägigen
Technik zwei Vorgehensweisen vorgeschlagen.
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1. Mechanisches Zählen
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Zum
Zählen
von Umdrehungen wird ein Zahnradsatz mit mehreren in Eingriff stehenden Zahnrädern verwendet.
Die 5 zeigt ein Beispiel eines mechanischen Codierers,
bei dem eine Spindel mit einem ersten Zahnrad verbunden ist, das
mit einem zweiten Zahnrad kämmt.
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Auf
jedem Zahnrad sind Absolutcodes markiert, und es wird davon ausgegangen,
dass das Zahnrad nach einer Umdrehung n Absolutpositionen geliefert
hat. Zum Erfassen der Absolutcodes werden eine Laserdiode und eine
Photodiode, die voneinander getrennt sind, verwendet. Darüber hinaus
kann der Zahnradsatz n·n·n Umdrehungen
der Spindel identifizieren.
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2. Mit einer Batterie versehener
Absolutwertcodierer zum Drehen von Batterien
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In
einem Zustand mit Spannungsausfall liefert eine Batterie elektrische
Energie an einen speziellen Chip. Dieser triggert innerhalb einer
vorbestimmten Zeit eine Laserdiode, und eine Photodiode kann die
Absolutpositionsinformation auffinden und dann die Anzahl der Umdrehungen
in der Vorwärts- und
der Rückwärtsrichtung
zählen.
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Nachdem
nach einem Spannungsausfall wieder Spannung an den Codierer angelegt
ist, kennt der spezielle Chip die aufsummierte Anzahl der Umdrehungen
sowie die aktuelle Absolutpositionsinformation. Die Absolutpositionsinformation
kann durch Interpolation verfeinert werden. Jedoch kann sie an der
Grenze einen Fehler aufweisen. Darüber hinaus kann Staub auf dem
Codierrad zu einem Messfehler führen.
Daher sollte die exakte Absolutpositionsinformation an bestimmten
Kalibrierpunkten geprüft
werden. Anders gesagt, kann die exakte Absolutpositionsinformation
nicht momentan erhalten werden, nachdem nach einem Spannungsausfall
wieder Spannung vorhanden ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Absolutwertcodierer
und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, die nach
einem Spannungsausfall Absolutpositionsinformation liefern.
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Diese
Aufgabe ist durch den Absolutwertcodierer gemäß dem beigefügten Anspruch
1 und das Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch
5 gelöst.
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Ein
Absolutwertcodierer gemäß der Erfindung
verfügt über eine
elektrisch mit einem Inkrementalcodierer verbundene Steuerungseinheit
zum Erzeugen eines Steuersignals für den Inkrementalcodierer,
einen elektrisch mit Ausgängen
des Inkrementalcodierers verbundenen Komparator zum Erzeugen erster
Impulssignale und eine elektrisch mit Ausgängen des Komparators verbundene
Latcheinheit zum Erzeugen zweiter Impulssignale durch Zwischenspeichern
der erzeugten ersten Impulssignale. Wenn ein Spannungsausfall auftritt,
erzeugt die Entscheidungseinrichtung das Steuersignal in Form aufeinanderfolgender
Impulse mit vorbestimmter Periode zum Ansteuern der Latcheinheit
und des Inkrementalcodierers. Daher kennt die Entscheidungseinrichtung die
Winkelinformation des Inkrementalcodierers durch Zählen der
zweiten Impulssignale. Die Anfangspositionsinformation kann durch
Kombinieren der Winkelinformation und der Anfangsposition nach einem
Spannungsausfall erhalten werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten
Ausführungsformen
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen bekannten Wechselstrom-Servomotor.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines optischen Codierers.
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3 zeigt
ein schematisches Diagramm eines Codierrads eines Absolutwertcodierers.
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4A zeigt
ein schematisches Diagramm eines Codierrads für einen optischen Inkrementalcodierer.
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4B zeigt
eine dem Codierrad in der 4A zugeordnete
Maske.
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4C zeigt
eine dem Codierrad in der 4A zugeordnete
Lichtsensorvorrichtung.
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5 zeigt
ein Beispiel eines mechanischen Codierers.
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6 zeigt
eine schematische Ansicht eines mit hoher Genauigkeit arbeitenden
Absolutwertcodierers gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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7 zeigt
einige Signalverläufe
in Zusammenhang mit dem Absolutwertcodierer 60 der 5.
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8 zeigt
ein Flussdiagramm zu Erläutern des
Betriebs des Absolutwertcodierers gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
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Beim
erfindungsgemäßen Absolutwertcodierer
ist die Auflösung
der Absolutpositionsinformation dadurch verbessert, dass Impulse
A, B, ähnlich
denen bei einem Inkrementalcodierer, erzeugt werden, anstatt dass
Umdrehungen gezählt
würden.
Daher wird die Absolutpositionsinformation dadurch erhalten, dass
die Impulse A, B so wohl während
der Periode eines Spannungsausfalls als auch während einer Periode mit normaler
Spannungszufuhr gezählt werden,
um die Auflösung
zu verbessern.
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Der
in der 6 dargestellte Absolutwertcodierer 60 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verfügt über eine
Entscheidungseinrichtung 100, einen Spannungsschalter 120,
einen Inkrementalcodierer 140, einen Komparator 160,
eine Latcheinheit 180 und eine Batterie (nicht dargestellt; die
Batterie liefert eine Spannung Vcc), die die anderen Komponenten
in der 6 mit Spannung versorgt. Der Inkrementalcodierer 140 ist
ein herkömmlicher
Inkrementalcodierer, wie er in der 2 dargestellt
ist, und er verfügt über eine
Laserdiode LD, eine Photodiode PD und ein Codierrad (ohne Kennzeichnung).
Die Entscheidungseinrichtung 100 ist elektrisch mit dem
Spannungsschalter 120 verbunden und liefert an diesen ein
Steuersignal SW, um die Laserdiode LD selektiv so zu steuern, dass
sie entweder kontinuierlich Licht liefert (normaler oder quasi-normaler
Modus, was später
erläutert
wird) oder Licht sukzessive und diskontinuierlich auf gepulste Weise
(Batteriemodus) liefert. Darüber
hinaus ist die Entscheidungseinrichtung 100 auch elektrisch
mit dem Komparator 160 und der Latcheinheit 180 verbunden.
Die Photodiode PD erzeugt Phasensignale (A+, A–) von 0° und 180° sowie Phasensignale (B+, B–) von 90° und 270°. Der Komparator 160 verarbeitet
die von der Photodiode PD ausgegebenen Signale, um erste Impulssignale
A1 und B1 zu erzeugen, die wiederum von der Latcheinheit 180 verarbeitet werden,
um zweite Impulssignale A2 und B2 zu erzeugen. Diese zweiten Impulssignale
werden durch einen Zähler 102 in
der Entscheidungseinrichtung 100 verarbeitet, um Inkrementalpositionsinformation zu
erhalten. Daher kennt die Entscheidungseinrichtung 100 die
Absolutpositionsinformation des Codierrads nach einem Spannungsausfall
unter Bezugnahme auf die Inkrementalpositionsinformation nach einem
Spannungsausfall und Anfangspositionsinformation unmittelbar vor
dem Spannungsausfall.
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Die 7 zeigt
einige Signalverläufe,
die dem Absolutwertcodierer 60 der 5 zugeordnet sind.
Die Entscheidungseinrichtung 100 verfügt über ein Firmware- oder Logikdesign
zum Erzeugen des in der 7 dargestellten Steuersignals
SW, das die Laserdiode LD einschaltet, wenn sein Zustand hoch ist.
Die Photodiode PD erzeugt auf das Licht, das durch das Codierrad
und die Maske im Absolutwertcodierer 60 läuft, hin
Impulssignale (A+B+/A–B–), die durch
den Komparator 160 eine Differenzverarbeitung erfahren,
um die ersten Impulssignale A1 und B1 zu erhalten. Die Latcheinheit 180 verarbeitet
dieselben unter Steuerung durch das Steuersignal SW, um die zweiten
Impulssignale A2 und B2 zu erzeugen, die dann den ersten Impulssignalen
A1 und B1 entsprechen, wenn die Laserdiode LD dauernd eingeschaltet
ist. Die zweiten Impulssignale A2 und B2 zeigen eine kürzere Dauer,
wenn das Codierrad eine höhere
Drehzahl aufweist, wie dies später
detailliert erläutert
wird.
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Das
Steuersignal SW wird dazu verwendet, die ersten Impulssignale A1
und B1 zu erzeugen, weswegen es eine kürzere Periode als der Absolutwertcodierer
aufweist, der die Umdrehungen mittels der Batterie misst. Wenn beispielsweise
die Auflösung
des Codierrads 512 ppU ist und die Drehzahl 60 U/Min. beträgt, ist
die Periode der ersten Impulssignale A1 und B1 60a/60/512 = (1/512)
s = 2 ms. Die Periode des Steuersignals SW beträgt nicht mehr als 2/5 ms =
0,4 ms, um die ersten Impulssignale A1 und B1 korrekt zu zählen. Die
EIN-Zeit (mit logisch hohem Wert) des Steuersignals SW hängt von
der Ansprechcharakteristik der Laserdiode LD und der Photodiode
PD ab. Wenn die normale Spannung zugeführt wird, ist das Steuersignal
SW dauernd eingeschaltet, um Positionsinformation zu erhalten (Normalmodus).
Wenn ein Spannungsausfall auftritt, schaltet die Entscheidungseinrichtung 100 auf
einen Batteriemodus, solange die Drehzahl ausreichend klein ist,
beispielsweise unter 30 U/Min.. Im Batteriemodus wird die Entscheidungseinrichtung 100 durch
die Batterie betrieben, um das Steuersignal SW so auszulösen, dass
es sukzessive und diskontinuierlich auf gepulste Weise mit einer
Periode von 0,4 ms eingeschaltet wird. Die Entscheidungseinrichtung 100 verwendet
ihren Zähler 102 zum
Berechnen der Drehzahl. Wenn die Drehzahl des Codierrads im Zustand
mit Spannungsausfall über
30 U/Min. beträgt,
wird die Entscheidungseinrichtung 100 durch die Batterie
betrieben, um das Steuersignal SW so zu betreiben, dass es dauernd
eingeschaltet ist. Daher ist die Positionsinformation genau bekannt.
Wenn die Drehzahl des Codierrads im Zustand mit Spannungsausfall
erneut unter 30 U/Min. fällt,
löst die
Entscheidungseinrichtung 100 das Steuersignal SW erneut
so aus, dass es auf gepulste Weise sukzessive und diskontinuierlich
mit einer Periode von 0,4 ms eingeschaltet wird. Wie es in der 7 dargestellt
ist, ist die Drehzahl des Codierrads im Zustand mit Spannungsausfall
im Allgemeinen nicht hoch, und das Steuersignal SW, das sukzessive
auf gepulste Weise mit einer Periode von 0,4 ms einschaltet, reicht
dazu aus, das Zählergebnis 88, 87, 86, 85 zu
erzeugen. Daher kennt die Entscheidungseinrichtung 100 die Absolutpositionsinformation
unter Bezugnahme auf die Inkrementalpositionsinformation nach einem Spannungsausfall
und die Anfangspositionsinformation vor dem Spannungsausfall.
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Die 8 zeigt
ein Flussdiagramm zum Erläutern
des Betriebs des mit hoher Genauigkeit arbeitenden Absolutwertcodierers
gemäß der Erfindung. In
einem Schritt S100 wird der Spannungszustand geprüft, und
die Entscheidungseinrichtung 100 steuert das Steuersignal
SW für
den kontinuierlichen EIN-Zustand an, wenn der Spannungszustand normal
ist (S102). Wenn ein Spannungsausfall auftritt (beispielsweise ist
das an einen Motor gelieferte dreiphasige Spannungssignal anormal)
und die Drehzahl des Codierrads nicht hoch ist, schaltet die Entscheidungseinrichtung 100 den
Betrieb auf den Batteriemodus (S104), in dem sie das Steuersignal
SW in Form sukzessiver Impulse ausgibt. Anschließend erfasst die Entscheidungseinrichtung 100,
ob die Drehzahl des Codierrads größer als 30 U/Min. ist (S110). Wenn
die Drehzahl des Codier rads größer als
30 U/Min. ist, schaltet die Entscheidungseinrichtung 100 den
Betrieb auf einen quasi Normalmodus (S112), in dem sie durch die
Batterie betrieben wird und das Steuersignal SW kontinuierlich im
EIN-Zustand ausgibt. Daher ist die Positionsinformation des Codierrads
genau bekannt. Wenn die Drehzahl des Codierrads unter 30 U/Min.
beträgt,
hält die
Entscheidungseinrichtung 100 den Betrieb im Batteriemodus (S104).
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Zusammengefasst
gesagt, zeigt der mit hoher Genauigkeit arbeitende Absolutwertcodierer
gemäß der Erfindung
die folgenden Merkmale:
- 1. Die Laserdiode wird
bei Spannungsausfall impulsweise betrieben, und die Drehung des
Codierrads wird nicht unter Bezugnahme auf Absolutpositionsinformation
berechnet. Daher kann dieser Codierer die Positionsinformation berechnen
und die Umdrehungszahl durch Impulssignale A, B weiterführen, die
auf ähnliche
Weise wie im Betrieb mit normaler Spannung erzeugt werden.
- 2. Die durch ein impulsförmiges
Steuersignal erzeugten Impulssignale A, B werden zwischengespeichert,
um durch ein kontinuierlich eingeschaltetes Steuersignal Impulssignale
zu simulieren. Daher zeigt der Zähler
bei Spannungsausfall den Normalbetrieb.
- 3. Die Periode des Steuersignals kann geändert werden, um Pulse zu zählen, die
bei anderen Drehzahlen erzeugt werden.