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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur genauen Bestimmung der Absolutposition für Weg- und Winkelmesssysteme.
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Es sind Verfahren zur absoluten Längen und Winkelmessung mittels mehr als einer Spur bekannt und werden als herkömmliche Messeinrichtungen unter dem Begriff „Nonius” eingesetzt. Übliche Messeinrichtung bestehen aus mindestens zwei mechanisch starr verkoppelten Spuren, welche fest definierte, äquidistante Teilungen, unterschiedlicher Anzahl besitzen und über jeweils einen pro Spur angeordneten Signalgeber abgetastet werden.
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So wird in
DE 10 2004 038 621 B3 ein Verfahren beschrieben, wie durch eine selbstlernende Fehlerkompensation die Fehlereinflüsse bei der Abtastung einer Spur korrigiert werden. Eine Kompensationseinrichtung bestimmt durch Fourieranalyse des Oberwellengehalts des Winkelwertes einer abgetasteten Spur die Fehlereinflüsse und bildet, unter Zuhilfenahme dieser Informationen, ein korrigiertes Signalpaar, wodurch schlussendlich eine Linearisierung des Lagesignals erreicht wird. Dieses Verfahren benötigt jedoch pro Spur einen ständig mitlaufenden Rechenblock, wodurch der rechnerische als auch technische Aufwand, vor allem bei Implementierung als Hardware, bei Mehrspursystemen erheblich steigt Auch ist aus
DE 103 32 413 B3 bekannt, dass durch die Verwendung von mindestens drei Spuren die Bestimmung der Absolutposition in mehreren Schritten erfolgt. Durch die Verwendung einer dritten Spur, kann zunächst eine Grobposition aus der ersten und zweiten Spur berechnet werden, der dann eine Feinposition, ermittelt aus der ersten und dritten Spur, überlagert wird. Dadurch muss keine rechnerische Segmentierung erfolgen, wodurch Rundungsfehler durch den Oberwellengehalt ausgeschlossen sind, jedoch ist der mechanische Aufwand einer dritten Spur sehr hoch. In der Praxis treten dadurch Abgleichprobleme hinsichtlich der Phasenlage der Spuren und Justage der Sensorpositionen auf, welche nur manuell zu lösen sind.
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Letztlich wird in
DE 198 49 554 C1 eine Lösung beschrieben, wie eine rechnerische Segmentierung der Absolutposition durch Rundung der fehlerbehafteten Grobposition erfolgt. Jedem dieser Teilsegmente wird dann der Winkelwert der ersten Spur überlagert, welcher von seiner Linearität wesentlich besser ist, als die Grobposition an sich. In der Praxis sind jedoch die Rundungsverfahren bei einer hohen Anzahl an Teilungsperioden nicht mehr möglich, da durch den vorhandenen Oberwellenanteil in das falsche benachbarte Segment gerundet wird, wodurch die Absolutposition weite hin fehlerbehaftet ist. Die beschriebene Lösung durch Abstandsvergleich zur skalierten Grobposition funktioniert nur dann zuverlässig, wenn der Oberwellenanteil hinreichend klein ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Auflösungserhöhung eines inkrementalen Weg- oder Winkelmesssystems und zur Bestimmung des Absolutwertes für Weg- und Winkel mit Hilfe eines zweiten mechanisch gekoppelten Inkrementalen Weg- oder Winkelmesssystems zu schaffen, bei der bzw. dem mit geringem technischen Aufwand die genaue Positionsbestimmung über einen großen Eingangsfrequenzbereich und unter Berücksichtigung großer Beträge der in den Eingangssignalen enthaltenen Fehler gewährleistet wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die genaue Positionsbestimmung über einen großen Eingangsfrequenzbereich und unter Berücksichtigung großer Beträge der in den Eingangssignalen enthaltenen Fehler gewährleistet wird und mit geringem Aufwand als Hardwareschaltung umgesetzt werden kann.
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Die vorliegende Lösung bezieht sich auf Messsysteme mit sinusförmiger Ausgangssignalen. Je Signalgeber werden ein Sinus- und ein Cosinus-Signal erzeugt. Im Wesentlichen geht es immer um die Auswertung der Phasenlage einer Schwebungsfrequenz, welche aus den unterschiedlichen Teilungsperioden der beteiligten Spuren resultiert. Bei einer Teilungsdifferenz von üblicherweise einer Einheit kann somit die Absolutposition über eine gegebene Gesamtlänge L eines Maßstabes aus der Differenz der Winkelwerte der Eingangssignale berechnet werden. Je nach Güte der Eingangssignale sind, insbesondere bei Fehlereinflüssen durch Amplituden-, Phasen- und Offsetfehler, im Wesentlichen die zugrundeliegenden Winkelwerte nicht linear. Damit wird die berechnete Absolutposition als Überlagerung zweier Fehlerquellen verstärkt nicht linear und enthält einen systematischen Fehler.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur genauen Bestimmung der Absolutposition für Weg- und Winkelmesssysteme wird in bekannter Weise aus Eingangswerten S1, S2, C1, C2, aus dem ersten Lagewertpaar [S1 C1] ein erster periodischer Lagewert PHI1 und aus dem zweiten Lagewertpaar [S2 C2] ein zweier periodischer Lagewert PHI2 ermittelt. Aus den beiden periodischen Lagewerten PHI1 und PHI2 wird ein zu korrigierender fehlerbehafteter erster Grobpositionswert P1 gewonnen. Aus den zwei Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2] und einer mindestens einmalig berechneten Korrekturmatrix KMC wird ein Korrekturwert K bestimmt. Einer von den zwei periodischen Lagewerten PHI1 und PHI2 wird dem ersten Grobpositionswert P1 und dem Korrekturwert K derart überlagert, dass der verbleibende Fehler des so gebildeten zweiten Grobpositionswertes P2 mit Hilfe eines erzeugten korrigierten Grobpositionswertes P1K durch Addition eines fasten Wertes zum korrigierten Positionswert P korrigiert wird. Mindestens ein Element der Korrekturmatrix KMC kann auch in Abhängigkeit eines Fehlervektors EV nachgeführt werden. Die Korrekturmatrix KMC wird aus den zwei Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2] und einem aus einem externen Normwert NO1 und dem ersten Grobpositionswert P1 bestimmten Fehlerwert E einmalig berechnet Die Korrekturmatrix KMC kann auch aus den zwei Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2] und einem Fehlerwert E, der aus einem durch Intergration des ersten periodischen Lagewertes PHI1 gewonnenen alternativen Normwert NO2 und dem ersten Grobpositionswert P1 bestimmt wird, einmalig berechnet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in vereinfachter Weise dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in
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1: ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur genauen Bestimmung der Absolutposition für Weg- und Winkelmesssysteme und in
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2 ein weiteres Blockschaltbild einer Einrichtung zur genauem Bestimmung der Absolutposition für Weg- und Winkelmesssysteme.
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Zwei an sich bekannte Koordinatentransformationsglieder 1 bestimmen aus Eingangswerten S1, S2, C1 und C2 zwei periodische Lagewerte PHI1 und PHI2 aus zwei Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2] so, dass diese jeweils die Lage eines Gebersystems innerhalb eines beliebigen äquidistanten Teilabschnitts der Periodenlänge L1 bzw. L2 auf einem Maßstab mit der Gesamtlänge L repräsentieren. Bekannterweise wird dabei die Gesamtlänge L des Maßstabes sowohl von einer ganzzahligen Anzahl N1 der ersten Periodenlängen L1 als auch von einer von der ganzzahligen Anzahl N1 verschiedenen ganzzahligen Anzahl N2 der zweiten Periodenlängen L2 repräsentiert. Es gilt somit L = N1·L1 = N2·L2. Innerhalb der ersten Periodenlänge L1 wird die Lage durch das erste Lagewertpaar [S1 C1] gebildet, wobei die Folge der beiden Werte S1 und C1 annähernd sinusförmigen Verlauf aufweist, eine annähernd bekannte Amplitude besitzt und annähernd offsetfrei ist. Die Periode der Folge der Werte S1 und C1 stimmt dabei mit der ersten Periodenlänge L1 überein. Die Folge der Werte C1 ist gegenüber der Folge der Werte S1 um annähernd 90° phasenverschoben. Innerhalb der zweiten Periodenlänge L2 wird die Lage durch das zweite Lagewertpaar [S2 C2] gebildet, wobei die Folge der beiden Werte S2 und C2 annähernd sinusförmigen Verlauf aufweist, eine annähernd bekannte Amplitude besitzt und annähernd offsetfrei ist. Die Periode der Folge der Werte S2 und C2 stimmt dabei mit der zweiten Periodenlänge L2 überein. Die Folge der Werte C2 ist gegenüber der Folge der Werte S2 um annähernd 90° phasenverschoben.
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Die Ausgänge der Koordinatentransformationsglieder 1 sind mit einem an sich bekannten Noniusglied 2 verbunden, welches die Differenz der periodischen Lagewerte PHI1 und PHI2 bildet. Der derartig berechnete erste Grobpositionswert P1 gibt letztendlich den gesuchten Absolutwert für Weg oder Winkel mit der Auflösung L/IR an, wobei IR der Anzahl der Diskretisierungsstufen der Koordinatentransformationsglieder 1 entspricht. Der erste Grobpositionswert P1 weist allerdings einen großen Fehler zur mechanischen Lage des Gebersystems gegenüber dem Maßstab auf, da die Folgen der Eingangswerte des Noniusinterpolators 10 [S1 C1] sowie [S2 C2] in der Praxis stark fehlerbehaftet sind.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Berechnung eines korrigierten Positionswertes P, welcher den gesuchten Absolutwert für Weg oder Winkel widerspiegelt, in zwei nacheinandergeschalteten Possitionskorrekturgliedern 4 und 5. Im ersten Positionsitionskorrekturglied 4 erfolgt die Superposition des periodischen Lagewertes PHI1, des (unkorrigierten) ersten Grobpositionswertes P1 sowie eines Korrekturwertes K. Diese Überlagerung geschieht derart, dass der erste Grobpositionswert P1 durch den Korrekturwert K additiv korrigiert wird. Der so berechnete korrigierte Grobpositionswert P1K wird dem zweiten Positionskorrekturglied 5 zugeführt. Weiterhin werden die immer noch fehlerbehafteten niederwertigen Bits des so gebildeten korrigierten Grobpositionswertes P1K verworfen, es erfolgt dadurch eine Segmentierung in die der ersten Periodenlänge L1 entsprechenden Anzahl N1 Teilsegmente. Die fehlerhaften Bits werden mit dem der ersten Periodenlänge L1 periodischen Lagewert PHI1 ersetzt und als zweiter Grobpositionswert P2 ebenfalls dem zweiten Positionskorrekturglied 5 zugeführt. Die Auflösung des nun vorliegenden zweiten Grobpositionswertes P2 steigt auf L/(IR·N1). Der korrigierte Grobpositionswert P1K wird durch Multiplikation mit N1 auf den gleichen Bereich skaliert. Der zweite Grobpositionswert P2 ist aufgrund der asynchronen Lage der Segmente zum periodischen Lagewert PHI1 bei der vorangegangenen Ersetzung im Verlauf möglicherweise unstetig, während der korrigierte Grobpositionswert P1K im Verlauf immer stetig ist. Erfindungsgemäß sind der zweite Grobpositionswert P2 und der korrigierte Grobpositionswert P1K dadurch gekennzeichnet, dass durch die Korrektur mit dem Korrekturwert K deren Differenz niemals größer als die Hälfte der Anzahl der Diskretisierungsstufen IR der Kordinatentransformationsglieder wird. In dem dem ersten Positionskorrekturglied 4 nachgeschalteten zweiten Positionskorrekturglied 5 erfolgt dadurch lediglich ein einfacher Ausgleich der Unstetigkeitsfehler des korrigierten Grobpositionswertes P1K. Zur Erkennung der Unstetigkeitsfehler wird der Absolutbetrag der Differenz des korrigierten Grobpositionswertes P1K und des zweiten Grobpositionswertes P2 herangezogen. Ist dieser größer als die Hälfte der Anzahl der Diskretisierungsstufen IR der Kordinatentransformationsglieder, so wird der zweite Grobpositionswert P2 durch Addition oder Subtraktion der Anzahl der Diskretisierungsstufen IR der Kordinatentransformationsglieder korrigiert.
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Die Berechnung des Korrekturwertes K geschieht im Korrekturglied 3 aus den Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2]. Werden diese als Vektor u = [S1 C1; S2 C2] aufgefasst, so kann der Korrekturwert K mit einer linearen Gleichung 2. Ordnung K = A·u2 + B·u + C beschrieben bzw. berechnet werden. Die erfindungsgemäß konstanten Koeffizienten A, B und C sind zusammengefasst in einer Korrekturmatrix KM, welche als weiterer Eingangswert dem Korrekturgliedes 3 aus dem Korrekturmatrixspeicher 9 zur Verfügung gestellt wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung nach
2 erfolgt ein Nachführen, d. h. eine Änderung der Werte einzelner ausgewählter Elemente der Korrekturmatrix KM anhand weiterer, außerhalb des Noniusinterpolators
10 gewonnener Informationen über die Folge der Lagewertpaare [S1 C1] und [S2 C2]. Diese Informationen sind in einem Fehlervektor EV zusammengefasst. Der Fehlervektor EV enthält hierbei mindestens eine der im folgenden aufgezählten Informationen: Amplitudenfehlerwert oder Amplitudenfehlerwerte der Folge des Lagewertpaares [S1 C1], Amplitudenfehlerwert oder Amplitudenfehlerwerte der Folge des Lagewertpaares [S2 C2], Nullagefehlerwert oder Nullagefehlerwerte der Folge des Lagewertpaares [S1 C1], Nullagefehlerwert oder Nullagefehlerwerte der Folge des Lagewertpaares [S2 C2], Phasenfehlerwerte der Folge des Lagewertpaares [S1 C1] oder Phasenfehlerwerte der Folge des Lagewertpaares [S2 C2]. Die einzelnen Elemente des Fehlervektor EV werden hierbei von einem an sich bekannten Signalregler, wie er beispielsweise in
DE 199 34 478 A1 beschrieben ist, bereitgestellt.
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In einem Matrixstellglied 11, 2, werden einzelne Elemente der Korrekturmatrix KM in Abhängigkeit der Elemente des Fehlervektors EV so verändert, dass eine veränderte Korrekturmatrix KMV entsteht, in der die Werte ausgewählter Elemente betragsmäßig kleine Änderungen gegenüber der Korrekturmatrix KM aufweisen. Die Änderungsrate ist hierbei klein gegenüber den Periodenlängen L1 und L2. Für jedes Element der Korrekturmatrix KM existiert eine Zuordnungsfunktion, die dieses Element anhand des Fehlervektors EV in das zugehörige Element der veränderten Korrekturmatrix KMV überführt. Das Matrixstellglied 11 ist dadurch gekennzeichnet, dass nur wenige aller möglichen derartigen Zuordnungsfunktionen von 0 verschieden sind, um eine einfache Umsetzung in Hardware zu ermöglichen.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, bilden die beiden Koordinatentransformationsglieder 1, das Noniusglied 2, das Korrekturglied 3, die Positionskorrekturglieder 4 und 5 sowie der Korrekturmatrixspeicher 9 mit oder ohne das Matrixglied 11 den Noniusinterpolator 10. Dieser berechnet aus den Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2] den korrigierten Positionswert P, welcher den Absolutwert für Weg oder Winkel mit hoher Genauigkeit repräsentiert. Die Implementierung erfolgt in Hard- oder Software, wobei die Implementierung als Hardware wegen der heute üblichen Forderungen bezüglich der Frequenz der Folgen der Eingangswerte S1, C1, S2 und C2 vorzuziehen ist.
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Die Bestimmung der Elemente der Korrekturmatrix KM erfolgt im Korrekturmatrixrechner 8 nach bekannten, in der Literatur beschriebenen Regressionsverfahren aus den Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2] sowie dem Fehlerwert E, welcher von einem Sollwertglied 7 aus dem ersten Grobpositionswert P1 und einem der Normwerte NO1 oder NO2 durch Differenzberechnung gebildet wird. Falls der Einrichtung kein externer Normwert NO1 zur Verfügung steht, so kann durch zusätzliche Implementierung des Integrators 6 ein alternativer Normwert NO2 durch kumulative Addition des ersten Lagewertes PHI1 berechnet werden.
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Das Sollwertglied 7 und der Korrekturmatrixrechner 8 werden einmalig zur Bestimmung der Elemente der Korrekturmatrix KM benötigt und müssen für den eigentlichen Messvorgang nicht implementiert werden. Eine Implementation als Software ist damit auch bei erhöhten Anforderungen an die Frequenz der Folgen der Eingangswerte S1, C1, S2 und C2 gegeben.
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Zusammenfassend gesagt, handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Einrichtung zur genauen Bestimmung der Absolutposition für Weg- und Winkelmesssysteme bei der zwei Koordinatentransformationsgliedern 1 über ein Noniusglied 2 ein erstes Positionskorrekturglied 4 nachgeschaltet ist. Dabei ist ein Korrekturmatrixspeicher 9 über ein Korrekturglied 3 mit dem ersten Positionskorrekturglied 4 verbunden, und dem ersten Positionskorrekturglied 4 ist ein zweites Positionskorrekturglied 5 nachgeschaltet. Zwischen dem Korrekturglied 3 und dem Korrekturmatrixspeicher 9 kann ein Matrixstellglied 11 angeordnet sein, der Korrekturmatrixspeicher 9 wird mindestens einmalig zur Initialisierung über einen Korrekturmatrixrechner 8 mit einem Sollwertglied 7 verbunden, welches seinerseits mit dem Noniusglied 2 verbunden ist. Das Sollwertglied 7 kann auch über einen Integrator 6 mit einem der zwei Koordinatentransformationsglieder 1 verbunden sein. Verfahrenstechnisch wird in bekannter Weise aus Eingangswerten S1, S2, C1, C2 aus dem ersten Lagewertpaar [S1 C1] in einem der Koordinatentransformationsglieder 1 ein erster periodischer Lagewert PHI1 und aus dem zweiten Lagewertpaar [S2 C2] in einem zweiten der Koordinatentransformationsglieder 1 ein zweiter periodischer Lagewert PHI2 ermittelt. Dabei wird aus den beiden periodischen Lagewerten PHI1 und PHI2 in einem Noniusglied 2 ein zu korrigierender fehlerbehafteter erster Grobpositionswert P1, gewonnen. Aus den zwei Lagewertpaaren [S1 C1] und [S2 C2]) wird in einem Korrekturglied 3 ein Korrekturwert K bestimmt. Einer von den zwei periodischen Lagewerten PHI1 und PHI2 wird in einem ersten Positionskorrekturglied 4 dem ersten Grobpositionswert P1 und dem Korrekturwert K derart überlagert, dass der verbleibende Fehler des so gebildeten zweiten Grobpositionswertes P2 mit Hilfe eines im ersten Positionskorrekturglied 4 erzeugten korrigierten Grobpositionswertes P1K im, dem ersten Positionskorrekturglied 4 nachgeschalteten zweiten Positionskorrekturglied 5 durch Addition eines festen Wertes zum korrigierten Positionswert P korrigiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Koordinatentransformationsglieder
- 2
- Noniusglied
- 3
- Korrekturglied
- 4
- erstes Positionskorrekturglied
- 5
- zweites Positionskorrekturglied
- 6
- Integrator
- 7
- Sollwertglied
- 8
- Korrekturmatrixrechner
- 9
- Korrekturmatrixspeicher
- 10
- Noniusinterpolator
- 11
- Matrixstellglied
- P
- korrigierter Positionswert
- P1
- erster Grobpositionswert
- P2
- zweiter Grobpositionswert
- P1K
- korrigierter Grobpositionswert
- K
- Korrekturwert
- KM
- Korrekturmatrix
- KMC
- einmalig berechnete Korrekturmatrix
- PHI1
- erstes periodischer Lagewert
- PHI2
- zweiter periodischer Lagewert
- S1, S2, C1, C2
- Eingangswerte
- S1 C1
- erstes Lagewertpaar
- S2 C2
- zweites Lagewertpaar
- u
- Vektor
- E
- Fehlerwert
- NO1
- externer Normwert
- NO2
- alternativer Normwert
- L
- Gesamtlänge des Maßstabs
- L1
- erste Periodenlänge
- L2
- zweite Periodenlänge
- N1
- Anzahl der Perioden L1
- N2
- Anzahl der Perioden L2
- IR
- Anzahl der Diskretisierungsstufen der Kordinatentransformationsglieder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004038621 B3 [0003]
- DE 10332413 B3 [0003]
- DE 19849554 C1 [0004]
- DE 19934478 A1 [0017]
