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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 verfugt 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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Die
US 4,796,005 A zeigt eine Schaltvorrichtung für einen Positionsencoder. Hieraus ist ein Absolutwertcodierer bekannt, der ein Inkrementalcodierer und eine Batterie zum Erhalten von Absolutpositionsinformationen bei Spannungsausfall aufweist. Der Inkrementalcodierer weist eine Laserdiode, einen Codierer und eine Fotodiode auf. Ferner ist eine Entscheidungseinrichtung im Absolutwertcodierer vorgesehen und mit dem Inkrementalcodierer elektrisch verbunden. Die Entscheidungseinrichtung liefert an den Inkrementalcodierer ein Steuersignal. Ein Komparator ist elektrisch mit dem Inkrementalcodierer verbunden und verarbeitet Ausgangssignale desselben, um erste Impulssignale zu erzeugen. Erfassungseinheiten für steigende bzw. fallende Kanten von Pulsen sind mit der Entscheidungseinrichtung und dem Komparator verbunden und werden durch ein Steuersignal gesteuert, um die ersten Impulssignale zu verarbeiten und zweite Impulssignale zu erzeugen. Hierbei ist die Entscheidungseinrichtung so ausgebildet, dass sie Steuersignale in Form aufeinanderfolgender Pulse liefert, und die zweiten Impulssignale verarbeitet, um die Absolutpositionsinformation zu ermitteln. Um den Strombedarf zu senken werden die Laserdiode und die Fotodiode nicht durchgehend betrieben. Dabei werden diese in Übereinstimmung mit den hohen Pegeln des Steuersignals eingeschaltet und die Dauer der hohen Pegel so weit reduziert, dass gerade noch eine Erfassung der Drehposition und Drehrichtung möglich ist.
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Die
JP 06018281 A zeigt einen Absolutwertencoder mit einem Inkrementalcodierer, einer Batterie, einem Codierrad mit einer erste Spur mit einem Absolutmuster, einer zweiten Spur mit einem Inkrementalmuster und einer dritten Spur zum Messen der Drehfrequenz. Erfassungselemente erfassen ein absolutes Signal und ein inkrementelles Signal der Codierplatte und ein MR-Sensor erfasst ein Drehfrequenzerfassungssignal der Codierplatte. Eine Entscheidungseinrichtung schaltet zwischen den verschiedenen Prozessen der Erfassungssignale um. Wenn eine Hauptstromversorgung unterbrochen wird, wird über die Batterie der MR-Sensor in Betrieb gehalten. Die Erfassungselemente werden nur dann von der Batterie betrieben, wenn der MR-Sensor eine Drehung feststellt.
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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 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 Diagram 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 gem 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 sowohl 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 Codierrads 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.
