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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
und/oder Übertragung eines momentan zu erfassenden Positionswertes, wie
einer Lage, einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung, sowie
ein Verfahren zur Positionsbestimmung.
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Es
ist im Stand der Technik bekannt, die Bewegungsparameter der Relativbewegung
zweier Körper zueinander durch Messeinrichtungen zu erfassen.
So werden beispielsweise die momentane Lage, Geschwindigkeit und/oder
Beschleunigung zweier geradlinig relativ zueinander bewegter Körper als
zu erfassende Positionswerte mit Hilfe linearer Messsysteme erfasst.
Zur Ermittlung von momentaner Lage, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bei
rotatorischen Relativbewegungen werden Drehgeber eingesetzt.
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Unabhängig
von ihrer Ausgestaltung erzeugen die Messeinrichtungen den zu erfassenden
Positionswert stets in Form eines Positionssignals, also einer Repräsentation
des Positionswertes. Daher ist im Folgenden der Begriff des Positionswertes
gleichgesetzt mit seiner Repräsentation in Signalform.
Das Positionssignal kodiert den Positionswert in Form eines Sinussignals
oder eines Rechtecksignals. Das Sinussignal umfasst ein oder mehrere,
dann phasenverschobene, sinusförmige Signale, das Rechtecksignal
entsprechend ein oder mehrere, dann phasenverschobene, rechteckförmige
Signale.
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Insbesondere
Regler, wie sie üblicherweise zur Steuerung von Elektromotoren
eingesetzt werden, erfordern, dass der Positionswert in Form eines Rechtecksignals
kodiert ist. Die Frequenz des Rechtecksignals ist direkt proportional
zur zeitlichen Änderung des momentan zu erfassenden Positionswertes. Wird
keine Bewegung erfasst, so ist die Frequenz des Rechtecksignals
Null. Dieser Zustand lässt sich vom Zustand eines Fehlers
im Signalweg des momentan zu erfassenden Positionswertes nicht unterscheiden.
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Ein
Beispiel einer digitalen Übertragung eines Positionswertes
ist beispielsweise in der
EP
1 067 497 B1 beschrieben, gemäß der wenigstens
ein Absolutwert einer laufend gemessenen physikalischen Größe
sowie Korrekturwerte, die Änderungen dieses Absolutwertes
beschreiben, in digitaler Form bereitgestellt und an einen Empfänger übertragen werden.
Empfängerseitig werden aus den übertragenen Werten
fortgeschriebene Messwerte gebildet. Diese Lösung bietet
den Vorteil, dass selbst langsame Änderungen des momentan
zu er fassenden Positionswertes mit hoher Auflösung übertragen
werden. Allerdings erfordert die Lösung speziell ausgestaltete
Empfänger.
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Nach
wie vor ist jedoch problematisch, dass bei den bekannten Systemen
nicht zwischen den beiden Fällen unterschieden werden kann,
dass der zu erfassende Positionswert Null beträgt und ein
Fehler im Signalweg des Positionswertes vorliegt.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Vorrichtungen
und Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die Funktion der Messeinrichtung
kontinuierlich überprüft werden kann, ohne dass
Abstriche bei der Auflösung von langsamen Änderungen
des Positionswertes in Kauf genommen werden müssen.
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Für
das eingangs genannte Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass aus einem den momentan zu erfassenden Positionswert repräsentierenden
Positionssignal ein Übertragungssignal erzeugt wird, in
dem der momentan zu erfassende Positionswert eindeutig rekonstruierbar
und ein vorbestimmter, eine zeitliche Ableitung des Positionswertes
repräsentierender und vom momentan zu erfassenden Positionswert
unabhängiger Offsetwert mit dem momentan zu erfassenden
Positionswert verknüpft übertragen werden.
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Für
die eingangs genannte Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Rechenmodul, das eine Eingangsschnittstelle und eine Ausgangsschnittstelle
aufweist, und ein mit der Ausgangsschnittstelle signalübertragend
verbundenes Ausgabeorgan, durch das im Betrieb wenigstens ein an
der Ausgangsschnittstelle anliegendes Übertragungssignal
nach außerhalb der Vorrichtung ausgebbar ist, gelöst,
wobei im Betrieb an der Eingangsschnittstelle ein momentan zu erfassender
Positionswert als Positionssignal anlegbar und an der Ausgangsschnittstelle
der momentan zu erfassende Positionswert eindeutig rekonstruierbar
mit einem vorbestimmten, eine zeitliche Änderung des Positionswertes
repräsentierenden und vom momentan zu erfassenden Positionswert
unabhängigen Offsetwert verknüpft ist.
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Wie
beim Positionswert so wird auch der Begriff Offsetwert im Folgenden
austauschbar mit dem Begriff Repräsentation des Offsetwertes
verwendet.
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Diese
Lösung ermöglicht es, einen Positionswert von
Null von einem Fehler in der elektronischen Auswertung des Messsignals
zu unterscheiden, da bei einem Positionswert von Null noch immer der
Offsetwert im Übertragungssignal übertragen wird,
dieser Bestandteil jedoch bei einem Fehler in der Signalauswertung
ebenfalls wegfällt.
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Von
dem Verfahren und der Vorrichtung der
EP 1 067 497 B1 unterscheidet sich die erfindungsgemäße
Lösung dadurch, dass kein Änderungswert des zu
erfassenden Positionswertes übertragen wird, sondern ein
vorbestimmter, vom jeweiligen momentan zu erfassenden Positionswert
unabhängiger Offsetwert.
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Die
erfindungsgemäße Lösung kann durch eine
Reihe von voneinander unabhängigen Weiterentwicklungen,
wie sie im Folgenden beschrieben sind, verbessert werden. Die Verbesserungen
betreffen in gleicher Weise das Verfahren und die Vorrichtung, auch
wenn im Folgenden beispielhaft lediglich auf das Verfahren oder
auf die Vorrichtung eingegangen sein sollte.
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Das
Positionssignal und das Übertragungssignal können
mehrere Spuren umfassen, auf denen zusätzliche Informationen übertragen
werden. Eine Spur kann als separate Leitung oder als auf einer Leitung
mit der anderen Spur überlagertes Signal ausgebildet sein.
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Ein
Problem bei der Kodierung des Positionswertes als Rechtecksignal
liegt darin, dass eine langsame Änderung des Positionswertes
im Rechtecksignal mit einer entsprechend langen Detektionszeit verbunden
ist, da eine Änderung des Positionswertes nur erfasst werden
kann, wenn im Rechtecksignal eine Flanke auftritt. Bei langsamen Änderungen
liegen die Flanken zeitlich oft weit auseinander. Dieses Problem
wird vermieden, wenn das Positionssignal als Sinussignal ausgestaltet
ist. Die sich im Gegensatz zu einem Rechtecksignal über
die Zeit stetig ändernde Signalform des Sinussignals ermöglicht
eine genauere Auflösung des Positionswertes.
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Ferner
kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die zeitliche Änderung
des momentan zu erfassenden Positionswertes im Positionssignal durch eine
erste Frequenz und im Übertragungssignal durch eine zweite
Frequenz, die höher als die erste Frequenz ist, und der
Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Frequenz durch den
vorbestimmten Offsetwert repräsentiert werden. Diese Ausgestaltung
hat den Vorteil, dass langsame Änderungen des Positionswertes
aufgrund der höheren Frequenz im Übertragungssignal
zeitlich hochaufgelöst übertragen werden. Dies
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Übertragungssignal,
wie dies in einer weiteren Ausführung vorgesehen sein kann,
als Rechtecksig nal ausgegeben wird, um empfängerseitigen
Anforderungen an das Übertragungssignal zu genügen.
Gerade bei Rechtecksignalen ist nämlich problematisch,
dass langsame Änderungen bei niedriger Signalfrequenz eine
lange Auswertezeit benötigen. Bei dieser Ausgestaltung
kann mit der erhöhten Signalfrequenz im Übertragungssignal
die mögliche hohe Auflösung des Positionswertes
im Positionssignal ausgeschöpft werden.
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Um
eine einfache Rekonstruktion des momentan zu erfassenden Positionswertes
auf Seiten eines Empfängers des Übertragungssignals
zu ermöglichen, kann eine Spur des Übertragungssignals den
vorbestimmten Offsetwert repräsentieren.
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Empfängerseitig
kann der momentan zu erfassende Positionswert auf einfache Weise
aus dem Übertragungssignal rekonstruiert werden, wenn das Übertragungssignal
wenigstens zwei Spuren enthält, in denen jeweils der momentan
zu erfassende Positionswert und der vorbestimmte Offsetwert miteinander
verknüpft übertragen werden, wobei in der einen Spur
der momentan zu erfassende Positionswert mit einer gegenüber
der anderen Spur umgekehrten Funktion mit dem vorbestimmten Offsetwert
verknüpft übertragen wird. Empfängerseitig
müssen bei dieser Ausgestaltung die beiden Spuren des Übertragungssignals
miteinander lediglich verknüpft werden, um den vorbestimmten
Offsetwert zu eliminieren. Empfängerseitig müssen
somit keine Informationen über den Offsetwert vorhanden
sein.
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Das
Verfahren kann insbesondere von einem Drehgeber ausgeführt
werden, der das Positionssignal mittels einer integrierten Messeinrichtung erzeugt.
Die Notwendigkeit separater Geräte entfällt somit
bei dieser Ausführungsform.
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Die
Erfindung betrifft auch ein empfängerseitig durchgeführtes
Verfahren zur Positionsbestimmung mit Hilfe des wie oben erzeugten Übertragungssignals.
Empfängerseitig wird der momentan zu erfassende Positionswert
aus dem Übertragungssignal rekonstruiert, indem der zu
erfassende Positionswert vom vorbestimmten Offsetwert getrennt wird.
Der Positionswert wird dann für weitere Aufgaben, wie der
Steuerung eines Elektromotors oder einer Datenauswertung, ausgegeben.
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Zur
Trennung vom momentan zu erfassenden Positionswert und vorbestimmten
Offsetwert kann beispielsweise die in einer separaten Spur des Übertragungssignals
enthaltene Information über den Offsetwert genutzt werden.
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Alternativ
oder zusätzlich kann der momentan zu erfassende Positionswert
auch durch die Verknüpfung zweier Spuren des Übertragungssignals ermittelt
werden, in denen der momentan zu erfassende Positionswert und der
vorbestimmte Offsetwert jeweils mit zueinander umgekehrten Funktionen miteinander
verknüpft sind.
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Das Übertragungssignal
kann insbesondere eine arithmetische Verknüpfung des vorbestimmten Offsetwertes
und einer zeitlichen Ableitung des momentan zu ermittelnden Positionswertes
repräsentieren. Eine arithmetische Verknüpfung
kann insbesondere eine multiplikative oder additive Verknüpfung sein.
Insbesondere die additive Verknüpfung, wie Addition oder
Subtraktion, hat den Vorteil, dass die absoluten Ergebnisse der
Verknüpfung nicht zu groß werden, was entsprechend
lange Digitalwörter zu ihrer Darstellung erfordert, und
zudem als Ganzzahlen vorliegen und ferner der Wertebereich nicht
zu groß wird. Dies ist bei einer multiplikativen Verknüpfung, wie
einer Division oder Multiplikation einschließlich einer
Exponentialfunktion, schwerer sicherzustellen. Die Verwendung einer
additiven Verknüpfung hat den besonderen Vorteil, dass
bestehende Regler additive Operationen durchführen können.
Folglich sind empfängerseitig keine speziellen Geräte
notwendig, um den momentan zu erfassenden Positionswert im Übertragungssignal
auszuwerten.
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Neben
einer arithmetischen Verknüpfung sind auch andere Verknüpfungen
möglich, wobei zur rechnerisch einfachen Rekonstruktion
des momentan zu erfassenden Positionswertes es von Vorteil ist, wenn
die Verknüpfungsfunktion eineindeutig umkehrbar und mit
ihrer Umkehrfunktion kommutativ ist. Da der vorbestimmte Offsetwert
eine zeitliche Ableitung des Positionswertes darstellt, erleichtert
sich die Rekonstruktion ferner, wenn die Verknüpfungsfunktion und
ihre Umkehrfunktion kommutativ bezüglich Integration und
Differenziation sind.
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Die
Verknüpfung kann auf digitalem Wege erfolgen, um einfache
elektronische Bauelemente verwenden zu können. Außerdem
kann der vorbestimmte Offsetwert änderbar sein, beispielsweise durch
eine Programmierung der verwendeten elektronischen Bauelemente.
Dies erlaubt eine Anpassung des vorbestimmten Offsetwertes und damit
des Übertragungssignals an unterschiedliche Anwendungen.
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Die
Verknüpfung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass beispielsweise
fortlaufend ein Wert des momentan zu erfassenden Positionswertes in
digitaler Form berechnet und die Verknüpfungsfunktion auf
diesen berechneten Wert angewandt wird. So kann der vorbestimmte
Offsetwert bei einer arithmetischen Verknüpfung im Übertragungssignal mit
dem berechneten Wert des momentan zu erfassenden Positionswertes
multipliziert, zu diesem addiert oder von diesem subtrahiert werden.
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Mit
dem Ergebnis der Verknüpfung kann in einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung ein Generator zur Erzeugung des Übertragungssignals
gesteuert werden, indem beispielsweise in Abhängigkeit
von dem sich aus der Verknüpfung ergebenden Wert die Frequenz
eines Rechtecksignals eingestellt wird.
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Die
Frequenz des Übertragungssignals kann abhängig
von der zeitlichen Änderung des momentan zu erfassenden
Positionswertes sein, was eine einfache Auswertung des Übertragungssignals
ermöglicht.
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Mit
Hilfe des Übertragungssignals kann ferner die Funktion
einer das Positionssignal erzeugenden Messeinrichtung überwacht
werden. Fehlt nämlich das Offsetsignal im Übertragungssignal,
so deutet dies auf einen Fehler in den Bauelementen hin. Bei einem
Positionswert von Null, wenn beispielsweise keine Bewegung der zu überwachenden
Körper vorliegt, dann ist immer noch der Offsetwert im Übertragungssignal
enthalten, so dass die Nullbewegung von einer Fehlfunktion unterschieden
werden kann.
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Eine
empfängerseitige Vorrichtung zur Auswertung eines wie oben
erzeugten Übertragungssignals kann erfindungsgemäß einen
Signaleingang, einen Signalausgang und ein im Signalwert zwischen Signaleingang
und Signalausgang angeordnetes Auswertemodul aufweisen, wobei im
Betrieb am Signaleingang ein Übertragungssignal anlegbar
ist, in dem ein momentan zu erfassender Positionswert eindeutig
rekonstruierbar mit einem vorbestimmten, eine zeitliche Änderung
des Positionswertes repräsentierenden und vom momentan
zu erfassenden Positionswert unabhängigen Offsetwert verknüpft
ist, und am Signalausgang der momentan zu erfassende Positionswert
vom vorbestimmten Offsetwert getrennt ausgebbar ist.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen
näher erläutert. Die bei den einzelnen Ausführungsformen
unterschiedlichen Merkmale können, wie aus den obigen Ausführungen
hervorgeht, beliebig miteinander kombiniert werden, ohne dass bei
einer derartigen Kombination zwingend die übrigen Merkmale
der jeweiligen Ausführungsform ebenfalls vorhanden sein
müssen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung des Ablaufes des erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Zunächst
wird die Erfindung anhand der 1 beschrieben. 1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung und/oder Übertragung
eines momentan zu erfassenden Positionswertes, wie einer Lage, einer
Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung. Der Positionswert
wird von einer Messeinrichtung 2 gemessen und über
eine Signalstrecke 3 an die Vorrichtung 1 übertragen.
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Die
Messeinrichtung 2 erfasst die Relativbewegung zweier zueinander
bewegter Körper in Form eines Bewegungsparameters, wie
dem Positionswert. Zur Erfassung einer rotatorischen Relativbewegung
wird als Messeinrichtung beispielsweise ein Drehgeber 2 verwendet,
wie er in 1 exemplarisch dargestellt ist.
Der Drehgeber 2 erfasst die Relativbewegung einer Welle 4 gegenüber
einem ortsfesten Bezugspunkt 5, mit dem ein Teil der Messeinrichtung 2,
beispielsweise das Gehäuse 6, über eine Momentenstütze 7 verbunden
ist. Soll anstelle einer rotatorischen Relativbewegung eine translatorische Relativbewegung
erfasst werden, so kann als Messeinrichtung 2 ein Linearsystem
verwendet werden.
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Die
Signalstrecke 3 zwischen der Messeinrichtung 2 und
der Vorrichtung 1 kann in Form einer elektrischen Leitung
oder als drahtlose Signalstrecke aufgebaut sein.
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Die
Messeinrichtung 2 erzeugt in Abhängigkeit vom
momentan gemessenen bzw. zu erfassenden Positionswert ein Positionssignal 8.
Das Positionssignal 8 kann als Sinussignal oder Rechtecksignal
ausgestaltet sein, das zur Richtungsauflösung auch zwei
Spuren in Form zweier phasenversetzter Signale, beispielsweise in
Form einer Spur 8a und einer Spur 8b, umfassen
kann. In 1 ist das Positionssignal 8 ein
Sinussignal mit einer Sinusspur und einer Cosinusspur.
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Das
Positionssignal 8 repräsentiert den momentan zu
erfassenden Positionswert und dient beispielsweise dazu, einen die
Welle 4 antreibenden Elektromotor 9 über
einen Regler 10 zu steuern. Die Vorrichtung 1 befindet
sich hierzu im Signalweg zwischen der Messeinrichtung 2 und
dem Regler 10. Sie verarbeitet das Positionssignal 8 und
erzeugt daraus ein Übertragungssignal 11, das,
wie in 1 gezeigt, vorzugsweise ein Rechtecksignal ist.
Die Frequenz des Übertragungssignals 11 kann insbesondere
größer sein als die Frequenz des Positionssignals 8.
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Die
Verarbeitung des Positionssignals 8 zum Übertragungssignal 11 findet
in einem Rechenmodul 12 statt. Das Rechenmodul 12 ist
Teil der Vorrichtung 1 und kann insbesondere ein digitaler
Baustein oder eine digitale Schaltungsanordnung mit einer Eingangsschnittstelle 13 und
einer Ausgangsschnittstelle 14 sein. Die Ausgangsschnittstelle
ist signalübertragend mit einem Ausgabeorgan 15 verbunden,
an dem das Übertragungssignal 11 abgegriffen werden kann.
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Wie
durch die doppelt strichpunktierte Linie in der 1 angedeutet
ist, können die Messeinrichtung 2, die Signalstrecke 3 und
die Vorrichtung 1 auch in einem Positionsmesssystem 16 vorzugsweise
einstückig handhabbar innerhalb einer einteiligen Gerätestruktur
integriert sein.
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Im
Signalweg zwischen der Messeinrichtung 2 und dem Regler 10 kann
eine ebenfalls zur Erfindung gehörende Vorrichtung 17 angeordnet
sein, die der Auswertung bzw. Konvertierung des Übertragungssignals 11 dient.
Die Vorrichtung 17 weist ein Auswertemodul 18 mit
einem Signaleingang 19 und einem Signalausgang 20 auf.
Am Signaleingang 19 kann im Betrieb das Übertragungssignal 11 angelegt werden.
Am Signalausgang 20 wird aus dem Übertragungssignal 11 automatisch
ein für den handelsüblichen Regler 10 geeignetes
Steuersignal 21 berechnet, das vorzugsweise ebenfalls ein
Rechtecksignal ist.
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Wie
in 1 durch doppelt strichpunktierte Linien ebenfalls
schematisch angedeutet ist, kann das Übertragungssignal 11 mehr
als eine Spur enthalten. Die einzelnen Spuren des Übertragungssignals 11 sind
mit den Bezugszeichen 11a, 11b etc. versehen.
Auf ein separates Bezugszeichen wird verzichtet, wenn das Übertragungssignal 11 lediglich eine
einzige Spur enthält.
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Im
Folgenden wird das in den Vorrichtungen 1 und 17 durchgeführte
Verfahren mit Bezug auf den in den 2 und 3 gezeigten Aufbau dieser Vorrichtungen
genauer beschrieben.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau eines Rechenmoduls 12, wie es
in der 1 dargestellt ist. Für Elemente, die
hinsichtlich Funktion und/oder Aufbau den in 1 beschriebenen
Elementen entsprechen, werden im Folgenden die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Optionale Ausgestaltungen sind in 2 in doppelt
strichpunktierten Linien dargestellt.
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Über
die Signalstrecke 3 wird das einen Positionswert repräsentierende
Positionssignal 8 an die Eingangsschnittstelle 13 geleitet.
Die Eingangsschnittstelle 13 kann beispielsweise wenigstens
einen A/D-Wandler 22 aufweisen, insbesondere wenn als Positionssignal 8 ein
Sinussignal verwendet wird. Vorzugsweise ist für jede Spur 8a, 8b im
Positionssignal 8 ein eigener A/D-Wandler 22 vorgesehen,
der in einem vorbestimmten Wandlungstakt das analoge Positionssignal 8 in
ein digitales Positionssignal 8' wandelt.
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Weist
das Positionssignal 8 mehrere Signalspuren auf, so wird
jede Signalspur 8a, 8b synchron gewandelt. Beispielsweise
wird eine Sinusspur 8a eines Sinussignals in eine digitalisierte
Sinusspur 8a' und eine Cosinusspur 8b eines Sinussignals
in eine digitale Cosinusspur 8b' umgewandelt. Sollte im
Positionssignal 8 bereits den momentan zu erfassenden Positionswert
digital kodiert sein, kann auf A/D-Wandler selbstverständlich
auch verzichtet werden.
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Auf
die A/D-Wandler 22 kann verzichtet werden, wenn als Positionssignal 8 ein
Rechtecksignal verwendet wird.
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Ist
das Positionssignal 8 ein Inkrementalsignal, so kann ein
Positionsmodul 23 im Rechenmodul 12 vorgesehen
sein, welches aus dem digitalisierten Positionssignal 8' bzw.
dessen digitalisierten Spuren 8a' und 8b' ein
Auswertesignal 8'' berechnet. Im Positionsmodul 23 kann
beispielsweise zur Berechnung des Auswertesignals 8'' aus
einem Sinussignal der Cordic-Algorithmus implementiert sein. Das
Auswertesignal 8'' kann als digitale Bitfolge z. B. in
einem Register vorliegen. Bei der Verwendung eines Rechtecksignals
als Positionssignal 8 kann der Positionswert über
eine Flankendetektion ermittelt werden.
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Repräsentiert
dagegen das digitale Positionssignal 8' bereits einen absoluten
Positionswert, so ist ein Positionsmodul 23 nicht erforderlich,
wie an den doppelt strichpunktierten Linien in 2 zu
erkennen ist. In diesem gezielten Fall stellt das Positionssignal 8' bereits
das Auswertesignal 8'' dar.
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Das
digitale Positionssignal 8' oder das Auswertesignal 8'' wird
anschließend einem Differenzierglied 24 zugeführt,
das vorzugsweise digital ein die zeitliche Ableitung des momentan
zu erfassenden Positionswertes repräsentierendes Differenzialsignal 25 berechnet.
Das Differenzialsignal 25 kann in Form eines Digitalwertes
vorliegen.
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Das
Differenzialsignal 25 wird einem Verknüpfungsorgan 26,
das eine weitere funktionelle und/oder strukturelle Einheit des
Rechenmoduls 12 ist, zugeführt, in dem das Differenzialsignal 25 mit
einem Offsetsignal 27 verknüpft wird. Das Offsetsignal 27 kann
in Form eines digital kodierten Offsetwertes vorliegen. Die Verknüpfung
erfolgt dabei über eine eineindeutig umkehrbare und bezüglich
einer zeitlichen Ableitung oder Integration vorzugsweise unveränderlichen
und kommutierbaren Verknüpfungsfunktion, beispielsweise
einer arithmetischen Verknüpfung wie Multiplikation oder
Addition. So können bei einer additiven Verknüpfung
die zeitliche Ableitung des momentan zu erfassenden Positionswertes
und der vorbestimmte Offsetwert einfach miteinander addiert werden.
Aufgrund der Kommutativität kann anstelle der zeitlichen
Ableitung des momentan zu ermittelnden Positionswertes auch der
Offsetwert vor der Verknüpfung integriert werden.
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Der
Offsetwert selbst stellt eine zeitliche Ableitung des im Positionssignal 8 kodierten
Positionswertes von vorbestimmter Größe dar. Der
Offsetwert ist dabei unabhängig vom momentan zu erfassenden Positionswert,
wie er vom Positionssignal 8 repräsentiert wird.
Der Offsetwert wird über einen Offsetgenerator 31,
z. B. durch Abruf aus einem Speicher, erzeugt und kann beispielsweise über
einen Anschluss 32 der Eingangsschnittstelle 13 durch
Eingriff von außen verändert werden.
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Das
Verknüpfungsorgan 26 erzeugt aus dem Differenzialsignal 25 und
dem Offsetsignal 27 ein Zwischensignal 28, das
einem Integrator 29 oder, falls kein Integrator vorhanden
ist, einem Signalgenerator 30 zugeführt sein kann.
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Aus
dem vom Verknüpfungsorgan 26 durch Verknüpfung
des Differenzialsignals 25 mit dem Offsetsignal 27 berechneten
Wert kann der Signalgenerator 30 in einer Ausführungsform
direkt ein an der Ausgangsschnittstelle 14 bereitgestelltes Übertragungssignal 11 erzeugen.
Dies kann beispielsweise über einen PLL-Synthesizer erfolgen,
dessen Frequenz in Abhängigkeit vom Ergebnis der Verknüpfung
automatisch eingestellt wird.
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Alternativ
kann das Differenzialsignal 25 in einem zwischen Signalgenerator 30 und
Verknüpfungsorgan 26 zwischengeschalteten Integrator 29 über
die Zeit aufintegriert und vom Signalgenerator dann in Abhängigkeit
von einem solchermaßen erzeugten Integrationssignal das Übertragungssignal 11 erzeugt
werden.
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Die
Frequenz des Übertragungssignals 11, das, wie
oben bei 1 erläutert, vorzugsweise
ein Rechtecksignal ist, hängt von dem momentan zu erfassenden
Positionswert, wie er im Positionssignal 8 kodiert ist,
und dem Offsetwert ab.
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Das
Offsetsignal 27 kann ebenfalls an der Ausgangsschnittstelle 14 zur
Verfügung gestellt werden, wie 2 zeigt.
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In
einer weiteren, in 2 ebenfalls dargestellten Ausgestaltung
kann das Übertragungssignal 11 mehr als eine Spur
aufweisen. Bei einer solchen Ausgestaltung finden im Verknüpfungsorgan 26 eine erste
Verknüpfung des Positionswertes, wie er im Positionssignal 8 und
damit auch im Differenzialsignal 25 repräsentiert
ist, mit dem Offsetwert und eine zweite, zur ersten Verknüpfung
umgekehrte Verknüpfung von dem Positionswert und dem Offsetwert
statt. Das Ergebnis der zweiten Verknüpfung wird wie das Zwischensignal 28 im
Rechenmodul 12 weiter verarbeitet und stellt eine weitere
Spur 28' des Zwischensignals 28 dar, die analog
dem Zwischensignal 28 verarbeitet und als weitere Spur 11b des Übertragungssignals 11 an
der Eingangsschnittstelle ausgegeben wird.
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Im
Folgenden sind die in 2 schematisch dargestellten
Verknüpfungen beispielhaft näher erläutert.
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Das
Positionssignal 8 kodiert einen momentan zu erfassenden
Positionswert POS, der gegebenenfalls vom Positionsmodul 23 als
Digitalwert berechnet und vom Differenzierglied 24 zeitlich
abgeleitet wird, so dass das Differenzialsignal 25 die
zeitliche Ableitung des momentan zu erfassenden Positionswertes,
dPOS/dt, repräsentiert.
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Der
Offsetwert OFF ist ein vorbestimmter Wert, beispielsweise eine veränderlich
festlegbare Konstante, die eine zeitliche Änderung desselben Typs
des Positionswertes repräsentiert, wie er im Positionssignal 8 codiert
ist. Stellt der Positionswert POS beispielsweise eine Lage dar,
so repräsentiert OFF folglich eine Geschwindigkeit; ist
POS eine Geschwindigkeit, so ist OFF eine vorbestimmte Beschleunigung;
ist POS eine Beschleunigung, so ist OFF ein vorbestimmter Ruck.
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Im
Verknüpfungsorgan werden die Repräsentationen
des momentan zu erfassenden Positionswertes und des Offsetwertes
verknüpft. Gemäß 2 erfolgt
diese Verknüpfung in der Form dPOS/dt ⊕ OFF, wobei
das Symbol ⊕ eine eineindeutig umkehrbare und mit Differenziation
und Integration vertauschbare Verknüpfung darstellt. Das Übertragungssignal 11 überträgt
die Repräsentation dieses Verknüpfungsergebnisses.
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Mit
Hilfe einer weiteren Spur 11b des Übertragungssignals 11 kann
die Verknüpfung des momentan zu erfassenden Positionswertes
POS mit dem Offsetwert OFF entsprechend einer Umkehrfunktion zu
der Verknüpfung, die zur Erzeugung der ersten Spur 11a verwendet
wird, erfolgen. In der zweiten Spur 11b wird somit eine
Repräsentation von dPOS/dt ⊖ OFF übertragen,
wobei die Funktion ⊖ die Umkehrfunktion zur Funktion ⊕ darstellt.
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Wird
als Verknüpfung ⊕, ⊖ eine additive Verknüpfung,
also eine Addition als die eine Funktion und eine Subtraktion als
die andere Umkehrfunktion der Verknüpfung, verwendet und
wird als momentan zu erfassender Positionswert POS eine Lage übermittelt,
so entspricht das obige Verfahren der Addition bzw. Subtraktion
einer Offsetgeschwindigkeit zur zeitlichen Ableitung des momentanen
Lagewertes, also der Momentangeschwindigkeit. Entsprechendes gilt,
wenn als momentan zu erfassender Positionswert POS eine Geschwindigkeit
oder eine Beschleunigung übertragen werden.
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Aufgrund
der Berechnung des digitalen Positionssignals 8' bzw. des
Auswertesignals 8'' aus einem hoch aufgelösten
Positionssignal 8 in Form insbesondere eines Sinussignals
erfolgt die digitale Verknüpfung und Erzeugung des Übertragungssignals 11 ebenfalls
mit hoher Auflösung des momentan zu erfassenden Positionswertes.
Da der Offsetwert OFF eine vorbestimmte zeitliche Änderung
des Positionswertes darstellt, bewirkt die im Verknüpfungsorgan 26 durchgeführte
Verknüpfung, dass eine zeitlich langsame Veränderung
des Positionswertes POS im Positionssignal 8 zeitlich hochaufgelöst
im Übertragungssignal 11 enthalten ist, wenn beispielsweise
als Verknüpfung eine Addition oder Multiplikation verwendet
wird: Der langsamen Änderung von POS wird die vorbestimmte Änderung
OFF zu jedem Zeitpunkt hinzuaddiert.
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Der
Empfänger des Übertragungssignals 11 kann
damit den Positionswert POS innerhalb kürzerer Zeit bestimmen,
als dies bei der herkömmlichen unmittelbaren Umwandlung
des Positionssignals 8 in ein Rechtecksignal der Fall ist.
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Die
Vorrichtung 17 wertet das Übertragungssignal 11 aus,
indem die Verknüpfung der Repräsentation des Positionswertes
POS mit der Repräsentation des Offsetwertes OFF gelöst
und ein Steuersignal 21 erzeugt wird, in dem nur die Repräsentation des
Positionswertes POS, nicht aber die Repräsentation des
Offsetwertes OFF enthalten ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform erfolgt dies, indem eine Repräsentation
des Offsetwertes OFF in einer Spur des Übertragungssignals 11 an
die Vorrichtung 17 übertragen wird. In dem Auswertemodul 18 der
Vorrichtung 17 werden dann diese Repräsentation
des Offsetsignals und die Verknüpfung von Positionswert
POS und Offsetwert OFF im Übertragungssignal mit einer
Funktion verknüpft, die der Umkehrfunktion der im Übertragungssignal 11 implementierten
Verknüpfung entspricht. In der oben angegebenen Notation
führt die Vorrichtung 17 also beispielsweise die
Funktion (dPOS/dt ⊕ OFF) ⊖ OFF = dPOS/dt aus.
Wird ein Integrator 30 im Rechenmodul 12 verwendet,
so kann der zeitlich integrierte Offsetwert mit dem Übertragungssignal 11 verknüpft
oder aber zunächst das Übertragungssignal zeitlich
differenziert werden. In diesem Fall erhält man: (POS ⊕∫ OFF) ⊖∫ OFF
= POS.
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Alternativ
zu einer Übertragung einer Repräsentation des
Offsetwertes OFF zwischen der Vorrichtung 1 und der Vorrichtung 17 kann
der Offsetwert OFF auch in der Vorrichtung 17 abgespeichert
werden.
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Eine
besonders einfache und genaue Berechnung des Steuersignals 21,
die auf Seiten der Vorrichtung 17 keine Kenntnis über
den Offsetwert OFF benötigt, ergibt sich, wenn das Übertragungssignal
zwei Spuren aufweist, in denen eine Verknüpfung mit jeweils
der Umkehrfunktion der anderen Spur vom Positionswert POS und Offsetwert
OFF übertragen wird. Im obigen Beispiel, in dem die eine Spur 11a des Übertragungssignals
eine Repräsentation von dPOS/dt ⊕ OFF und die
andere Spur 11b eine Repräsentation von dPOS/dt ⊖ OFF
enthält, kann durch die Verknüpfung (dPOS/dt ⊕ OFF) ⊕ (dPOS/dt ⊖ OFF)
die Repräsentation des Offsetwertes OFF eliminiert werden,
wenn die Verknüpfung ⊕ ⊖ miteinander
kommutativ sind, was beispielsweise bei einer arithmetischen Verknüpfung
der Fall ist. Auch hier können alternativ auch die zeitlich
integrierten Werte verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1067497
B1 [0005, 0012]