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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Wegstreckenmessung mittels eines Inkrementalgebers, einen entsprechenden Inkrementalgeber sowie ein Auswertungssystem zum Auswerten des Messsignals eines solchen Inkrementalgebers.
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Bekannte Inkrementalgeber umfassen typischerweise eine Maßverkörperung, welche sich proportional zu der zurückgelegten, zu messenden Wegstrecke bewegt. Bei einem Drehimpulsgeber als Inkrementalgeber ist hierzu meist eine proportional zur Wegstrecke drehende Schlitzscheibe vorgesehen. Sowohl bei Drehimpulsgebern als auch bei linearen Impulsgebern umfasst die Maßverkörperung jedenfalls eine Messteilungsspur zur Vorgabe der Flankenlage von Geberimpulsen in Abhängigkeit der zu erfassenden Wegstrecke. Der Inkrementalgeber erzeugt folglich ein Wegstrecken-Messsignal ähnlich einem Rechtecksignal, das Geberimpulse aufweist deren Flankenlage durch die Messteilungsspur bestimmt ist. Auf Grundlage dieser Geberimpulse wird anschließend ein Wegstreckenmesswert gebildet.
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Das vorgenannte Prinzip wird in vielerlei Anwendungen, unter anderem in Tachometer-Systemen für Schienenfahrzeuge genutzt. Ein Verfahren zum zuverlässigen Messen der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen ausgehend von einer gattungsgemäßen Wegstreckenmessung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 29 49 131 beschrieben.
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In sicherheitskritischen Anwendungen, insbesondere bei der Wegstrecken- und Geschwindigkeitsmessung in Schienenfahrzeugen, ist es erforderlich, die Wegstreckenmessung möglichst sicher und zuverlässig zu gestalten.
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Zur sicheren Wegstreckenmessung ist es bereits bekannt, das Messverfahren und den Inkrementalgeber so zu gestalten, dass zusätzlich zum reinen Wegstreckenmesswert eine oder weitere sicherheitsrelevante Informationen erfasst werden.
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Stand der Technik ist insbesondere das synchrone Erzeugen von zwei um 90°-phasenverschobenen Wegstrecken-Messsignalen durch getrennte, entsprechend winkelverschoben vorgesehene Abnehmer im Inkrementalgeber. Ein solches sogenanntes AB-Signalpaar erlaubt insbesondere die Richtungserkennung zusätzlich zur reinen Wegstrecken- oder Geschwindigkeitserfassung. Zur Korrektur von Fehlern beim Zählen der Impulse ist es ferner bekannt, durch eine weitere Messteilungsspur ein redundantes Messsignal zu erzeugen.
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Ferner sind bereits Inkrementalgeber bekannt, welche zur erhöhten Sicherheit hinsichtlich Zählfehlern ein separates Signal zur Bestimmung der absoluten Position bzw. Lage der Maßverkörperung ausgeben. Dieses Signal wird z. B. durch Endschalter oder Indexlöcher erzeugt.
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Die Verwendung mehrerer Spuren zur Bildung zusätzlicher Signale ermöglicht es, gewisse Fehler zu erfassen, und bei hinreichender Redundanz gegebenenfalls auch zu korrigieren. So kann beispielsweise beim Ausfall eines Kanals eines AB-Signals in den meisten Fällen weiterhin eine Wegstreckenmessung gewährleistet werden. Dennoch geht beim Ausfall eines der weiteren Signale oft eine sicherheitsrelevante Information verloren, z. B. die Richtungsinformation beim Ausfall des A- oder B-Signals in einem AB-System.
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Nachteilig bei den vorgenannten Lösungen ist somit, dass trotz des Zusatzaufwands zur Gewinnung sicherheitsgerichteter Information und der damit einhergehenden höheren Herstellungskosten meist keine sicherheitstechnisch optimale Wegstreckenmessung erzielt wird.
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Eine weitere Lösung ist mit dem Inkrementalgeber aus der internationalen Patentanmeldung
WO 86/00478 A1 vorbekannt. Dieser als Kettencode-Encoder ausgebildete Inkrementalgeber vermittelt eine Absolutposition anhand einer einzigen Messteilungsspur. So weist er nicht die Nachteile herkömmlicher Absolutwertgeber auf, die zur Erfassung eine mehrspurige Kodierscheibe benötigen. Hinsichtlich der sicherheitstechnisch zuverlässigen und effektiven Auswertbarkeit ist der Encoder nach
WO 86/00478 A1 jedoch verbesserungswürdig.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, ein Verfahren und einen Inkrementalgeber zur Wegstreckenmessung vorzuschlagen, welche bei gleichen oder geringeren Kosten – insbesondere der rechentechnischen Auswertung – eine erhöhte Sicherheit der Wegstreckenmessung ermöglichen. Insbesondere sollen die Herstellungs-, Verdrahtungs-, Begutachtungs- und Wartungskosten gleichbleibend oder geringer ausfallen. Ferner soll zu diesem Verfahren und diesem Inkrementalgeber ein entsprechendes System zur Messsignalauswertung vorgeschlagen werden.
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Verfahrensseitig wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmalskombination aus Anspruch 1. Vorrichtungsseitig wird die Aufgabe gelöst durch einen Inkrementalgeber mit den Merkmalen nach Anspruch 7 und ein System zur Auswertung gemäß den Merkmalen aus Anspruch 14.
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Das erfindungsgemäße Verfahren einer Wegstreckenmessung mittels eines Inkrementalgebers moduliert ein vorbestimmtes Kodiermuster in der Messteilungsspur eine insgesamt asymmetrische Zusatzkodierung auf das Wegstrecken-Messsignal. Diese Zusatzkodierung prägt so dem Wegstrecken-Messsignal selbst die zur Sicherheitserhöhung bezüglich des Wegstreckenmesswerts gewünschte Zusatzinformation ein. Die Zusatzinformation kann hierbei Richtungsinformation, Information zur Absolutlage der Maßverkörperung und/oder Information zur Identifikation des Inkrementalgebers umfassen.
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Ein erfindungsgemäßer Inkrementalgeber hat ein vorbestimmtes, insgesamt asymmetrisches Kodiermuster in der Messteilungsspur zum Modulieren einer Zusatzkodierung auf das Wegstrecken-Messsignal bei dessen Erzeugung. Die Zusatzkodierung vermittelt so bereits im eigentlichen Wegstrecken-Messsignal die gewünschte Zusatzinformation. Mit anderen Worten wird ein und dieselbe Messteilungsspur bzw. ein und dasselbe Messsignal als Träger der sicherheitsgerichteten Zusatzinformation genutzt. Unter Kodiermuster wird vorliegend eine Gesamtheit von Musterelementen innerhalb einer erfindungsgemäßen Messteilungsspur verstanden, welche die gewünschte Zusatzinformation physisch abbildet. Das Kodiermuster kann sich über die gesamte nutzbare Abmessung der Messteilungsspur erstrecken.
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Verfahren und Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass die Zusatzkodierung insgesamt ein Datenwort aus M Datenbits kodiert, wobei jedes Datenbit durch eines von zwei Symbolen abgebildet ist, welches aus einer Anzahl N ≥ 2 binären Symbolelementen besteht. Hierbei sind die Symbolelemente entsprechend anhand von zwei unterschiedlichen Musterelementen physisch im Kodiermuster der Messteilungsspur abgebildet.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann folglich in einem einzigen Signal die gesamte Information vereinen und erlaubt dennoch eine rechentechnisch effiziente Auswertung. Zudem bietet diese Lösung hinsichtlich der typischen Störungen, insbesondere im Eisenbahnbereich, ein hohes Sicherheitsniveau. Typische Störungen, gegenüber denen die Lösung robust ist, sind z. B. Wackelkontakte, EMV-Bursts, Stillstandszählen durch Vibration sowie Beeinträchtigungen der Messteilungsspur, bei optischen Gebern etwa durch Verschmutzung, bei offenen magnetischen Systemen etwa durch magnetischen Kurzschluss aufgrund von Ablagerung von Flugrost. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass nach einer solchen Störung die Vielzahl von Messungen der modulierenden Attribute der Geberimpulse, vorzugsweise eine Messung pro Geberimpuls, es ermöglicht, ein Einrasten auf das bekannte, vorbestimmte Kodiermuster bzw. auf die bekannte, vorbestimmte Zusatzkodierung zu bestätigen. So können Zählfehler nicht nur erkannt, sondern innerhalb gewisser Grenzen auch korrigiert werden. Ein unmoduliertes Wegstrecken-Messsignal gemäß dem Stand der Technik hingegen kann jeweils nur zum aktuellen Zeitpunkt interpretiert werden und erlaubt nach einer Störung keine Rückschlüsse auf das Ausmaß eines Zählfehlers bzw. auf nicht oder überschüssig erfasste Geberimpulse.
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Das vorbestimmte Kodiermuster ist insgesamt asymmetrisch und zeigt dementsprechend keine Symmetrie bezüglich der Translation bzw. Drehung und bezüglich der Spiegelung der Maßverkörperung. Folglich hat das Kodiermuster im Fall eines Drehimpulsgebers keine Drehsymmetrie. In jedem Fall wird das Kodiermuster bevorzugt derart asymmetrisch gewählt, dass es durch zwei verschiedene Lagen der Messteilungsspur nicht wieder in sich selbst überführt werden kann. Dies ermöglicht anhand eines einzigen Wegstrecken-Messsignals eine unzweideutige Ermittlung der Absolutlage der Maßverkörperung auf Grundlage der Zusatzkodierung bzw. des Kodiermusters.
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Als Modulationsarten kommen grundsätzlich alle zur Modulation von Impulssignalen an sich bekannte Ansätze in Betracht, etwa Pulsphasenmodulation, Pulsfrequenzmodulation, oder Pulsbreitenmodulation (PWM). Bei geeigneter Wahl der modulierenden Attribute, z. B. mit einer interferentiell oder magnetisch abtastbaren Messteilungsspur und tertiärer Kodierung, kommt theoretisch auch eine Pulsamplitudenmodulation in Betracht, insbesondere bei weniger kritischen Anwendungen. Zum Beispiel könnte bei magnetischer Abtastung eines Zahnrades, durch eine unterschiedliche Höhe bzw. Tiefe der Zähne und Lücken eine Pulsamplitudenmodulation dargestellt werden. Im Eisenbahnbereich wird jedoch eine solche Lösung zu störanfällig sein, da die Signalpegel gewährleistete werden müssten.
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Zur Rückgewinnung der mit der Zusatzkodierung vermittelten Information wird vorzugsweise eine zweistufiges und/oder parallelisiertes Demodulation eingesetzt. Diese kann in einer ersten Stufe Demodulieren durch Korrelieren von N nacheinander empfangenen Symbolelementen mit den hinsichtlich unterschiedlicher Absolutlagen und den vorbestimmten Ausprägungen möglicher Symbole, und in einer zweiten Stufe Demodulieren durch Korrelieren von M nacheinander und ausgehend vom Ergebnis der ersten Stufe dekodierten Datenbits mit den hinsichtlich unterschiedlicher Absolutlagen und den vorbestimmten Ausprägungen möglicher Datenwörter. Beim Demodulieren in der ersten Stufe kann eine Gewichtung von N nacheinander empfangenen Symbolelementen mit einem hinsichtlich der vorgesehenen Symbolen gemittelten Wichtungsmuster erfolgen.
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Die Dynamik des gemessenen Objekts, also der Phase des übertragenen Signals, bedingt eine minimale Geschwindigkeit des Objekts, unterhalb derer die Separation der Zusatzinformation von der Geschwindigkeitsinformation spekulativ wird. Sie hängt auch von der Zahl der Impulse pro Einheit der zurückgelegten Wegstrecke sowie von der Modulationsart und -tiefe ab. Die Fehlerrate der Zusatzinformation sinkt durch Verteilen auf viele Impulse. Eine entsprechend begrenzte Daten- bzw. Symbolrate ist in den meisten sicherheitstechnischen Anwendungsfällen jedoch unkritisch, da die gewünschte Zusatzinformation typisch nur ein geringes Datenvolumen einnimmt.
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In einer bevorzugten, robusten Ausführung wird die Zusatzkodierung durch ein binäres Kodiermuster moduliert, d. h. mit lediglich zwei unterschiedlichen Typen von Musterelementen, welche jeweils eine von zwei binären Symbolkomponenten bzw. Symbolelementen darstellen.
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Unabhängig vom gewählten Kodiermuster wird zweckmäßig die Lage (Phase) genau einer der beiden komplementären Flankenarten der Geberimpulse moduliert, d. h. entweder die steigende oder die fallende Flanke (bei einer bestimmten Bewegungsrichten). Es ergibt sich hieraus jedoch keine Pulsphasenmodulation im eigentlich Sinne, sondern vielmehr – ähnlich wie bei einer Pulsweitenmodulation – eine modulierte Weite bzw. Breite der Geberimpulse (unter der Annahme gleichbleibender zu messender Geschwindigkeit). Zweckmäßig erfolgt die Modulation der Flankenlage, indem das Kodiermuster der Messteilungsspur impulsgebende Musterelemente mit entsprechend vorbestimmten Maßabweichungen aufweist, d. h. indem die unterschiedlichen Musterelemente in ihrer impulsgebenden Größe voneinander abweichen, bspw. in der Steg- und Schlitzlänge in Bewegungsrichtung gemessen. Es kann auch vorgesehen werden, dass das vorbestimmte Kodiermuster, bei konstanter Lage der Impulsmitten, die Impulsweiten moduliert oder, bei konstanter Lage der Pausenmitten, die Breite der Impulspausen moduliert.
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Unabhängig von der gewählten Modulationsart wird zur schnellen Rückgewinnung der Bewegungsinformation ein Kodiermuster bevorzugt, dessen Musterelemente auch mindestens ein regelmäßig verteiltes Attribut, d. h. ein nicht moduliertes Attribut aufweisen. In einer einfachen und zuverlässigen Gestaltung zu diesem Zweck unterscheiden sich die zwei Typen von Musterelementen lediglich hinsichtlich eines von zwei komplementären Attributen, von denen ein Lageattribut gegenüber einer herkömmlichen, d. h. gleichmäßig geteilten Maßverkörperung unverändert ist, das andere Attribut hingegen moduliert wird. Die beiden Attribute können die Lagen der beiden Flankenarten sein, Lage und Breite der Impulse bzw. der Impulspausen. Im ersten Fall wird nur die Lage einer Flankenart moduliert, die Flanken der anderen Art bleiben äquidistant zueinander. Im zweiten Fall bleiben die Impulsmitten äquidistant zueinander und die Impulsbreite wird moduliert. Im dritten Fall bleiben die Pausenmitten äquidistant zueinander und die Pausenbreite wird moduliert. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ansätze denkbar. Vorliegend bezieht sich der Begriff ”Flankenart” auf die Maßverkörperung, nicht auf das zeitabhängige Gebersignal, denn die Zuordnung zwischen beiden wechselt in den allermeisten Anwendungen mit der Richtung der zu messenden Bewegung. Bei dieser Modulationsart ist auch leicht einzusehen, dass sich aus dem Gebersignal die Fahrtrichtung ermitteln lässt, d. h. die Modulation in diesem Sinne „richtungsabhängig” erfolgt. Dies kann aber auch für andere Modulationsarten gelten und ist auch unabhängig von der gewählten physischen Ausführung des Kodiermusters.
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Besonders zweckmäßig wird die Zusatzkodierung ferner genutzt, um ein Datenwort im Wegstrecken-Messsignal zu kodieren, dass anhand entsprechender Zuordnung von Datenwörtern bei der Herstellung der Maßverkörperungen zur Identifizierung der Maßverkörperung und somit des angeschlossenen Drehgebers verwendet wird.
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Die beiden Symbole welche die Datenbits abbilden sind sich vorzugsweise so ähnlich gewählt, dass die Autokorrelationsfunktion des Gesamtmusters außer dem Hauptpeak auch noch M – 1 Nebenpeaks im Abstand von jeweils N Impulsen aufweist. Zudem sind die beiden Phasenmuster bevorzugt so zu wählen, dass die sonstigen Funktionswerte der Autokorrelation (und der Kreuzkorrelation mit dem Spiegelbild) höchstens schwach positiv sind. Es soll sich ein deutlicher Kontrast ergeben, sowohl zwischen Haupt- und Nebenpeaks als auch zwischen Nebenpeaks und Untergrund. Geeignete Muster hierzu können mit einer Brute-Force-Methode auf Grundlage der gewünschten Kontraste der Korrelationsfunktionen rechentechnisch ermittelt werden. Sinnvoll könnte es sein, einen relativ geringen Abstand (im Sinne eines Hamming-Abstands) zwischen beiden Symbolen zu wählen, beispielsweise ein Abstand ≤ N/2, bevorzugt ≤ N/3 um eine zweckmäßige Ähnlichkeit zu erzielen und/oder den Rechenaufwand der Ermittlung zu begrenzen.
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Eine Rückwärtskompatibiltät zu bestehenden Sicherheitssystemen, insbesondere für eine herkömmlich und parallel zur Demodulation erfolgende Bildung eines Wegstrecken- und/oder Geschwindigkeitsmesswerts, kann durch eine Begrenzung der für die Modulation vorgesehenen, vorbestimmten Maßabweichungen in der Messteilungsspur erreicht werden. Zweckmäßig betragen die Abweichungen höchstens 20% von der äquivalenten regelmäßigen Teilungsperiode bzw. vom periodischen Intervallmaß einer regelmäßigen Messteilungsspur (gemäß Stand der Technik), welche im Grenzwert die gleiche Impulszahl pro Wegstrecke erzeugen würde. Als Beispiel ausgedrückt, sollte, ausgehend von einer regelmäßigen Teilungsperiode von z. B. 2 mm, die modulierende Abweichung kleiner gleich +/–0,4 mm sein.
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Aufgrund der durch die Modulation im Wegstrecken-Messsignal inhärent enthaltenen Zusatzinformation, ist es ausreichend, den Inkrementalgeber mit lediglich einem Aufnehmer auszustatten, welcher der Messteilungsspur zur Erzeugung des Wegstrecken-Messsignals zugeordnet ist. An diesem einen Aufnehmer kann das Wegstrecken-Messsignal bereits vollständig zusammen mit der Zusatzinformation abgelesen werden. Besonders sicher gestaltet sich jedoch ein System mit einem weiteren, redundanten Aufnehmer, an welchem ein zweites Wegstrecken-Messsignal gegebenenfalls zeitversetzt, aber ebenfalls vollständig redundant abgegriffen werden kann. Zu beachten ist auch, dass bei geeigneter Wahl des Kodiermusters am Abnehmer keine Änderungen erforderlich sind.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Anwendung bei Drehimpulsgebern zur photoelektrischen Abtastung. Ein solcher Drehimpulsgeber umfasst folglich eine proportional zur Wegstrecke drehende Schlitzscheibe mit einer kreisförmigen Messteilungsspur aus aufeinander folgenden Schlitzen und Stegen. Hierbei können vorbestimmte Maßabweichungen im Bogenmaß der Schlitze und Stege bzw. in Umfangsrichtung das vorbestimmte Kodiermuster bilden bzw. die Information tragen. Als Aufnehmer kann der Messteilungsspur entsprechend eine Gabellichtschranke bekannter Bauweise zugeordnet werden, an welcher das Wegstrecken-Messsignal vollständig abgreifbar ist.
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Die Erfindung ist jedoch analog auf andere Arten Impuls- bzw. Inkrementalgeber übertragbar, etwa solche nach dem interferentiellen photoelektrischen Messprinzip, auf Inkrementalgeber nach dem magnetischen Abtastprinzip, oder z. B. auf magnetische Induktionsgeber.
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Als weiterer Aspekt wird auch ein Auswertungssystem für das erfindungsgemäß modulierte Wegstrecken-Messsignal eines Inkrementalgebers vorgeschlagen. Dieses System umfasst zunächst eine Auswertungsvorrichtung zur Bildung eines Wegstreckenmesswerts auf Grundlage der Geberimpulse im Wegstrecken-Messsignal und gegebenenfalls auch zur Bildung eines Geschwindigkeitsmesswerts auf Grundlage einer Zeitinformation und des Wegstreckenmesswerts. Die Auswertungsvorrichtung kann im Wesentlichen auf bekannte Weise betrieben werden.
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Das vorgeschlagene Auswertungssystem zeichnet sich hingegen ganz allgemein aus durch einen Demodulator zur Rückgewinnung der erfindungsgemäßen Zusatzkodierung.
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In rechentechnisch effizienter Ausführung einer Zusatzkodierung mit einem M-Bit Datenwort, dessen Bits physisch durch Symbole aus N binären Symbolelementen abgebildet sind, umfasst der Demodulator eine erste Korrelator-Stufe für die Symbole aus N Symbolelementen und eine zweite Korrelator-Stufe für die M Bits des Datenworts. Die erste Stufe dient zum Korrelieren von N nacheinander empfangenen Symbolelementen, mit den gemäß den vorbestimmten Ausprägungen möglichen bzw. vorgesehenen Symbolen aus N Symbolelementen in allen unterschiedlichen Absolutlagen. Die zweite Korrelator-Stufe korreliert nacheinander und ausgehend vom Ergebnis der ersten Korrelator-Stufe die M dekodierten Datenbits mit den Datenwörtern aus M Datenbits, welche hinsichtlich unterschiedlicher Absolutlagen und den vorbestimmten Ausprägungen möglich sind. Die Ergebnisse der ersten und zweiten Korrelator-Stufe können sowohl zur Ermittlung der Absolutlage der Maßverkörperung als auch zur Bestimmung des Datenworts, d. h. zur Identifizierung der Maßverkörperung genutzt werden.
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Vorzugsweise umfasst das System eine Mehrzahl Inkrementalgeber, deren Zusatzkodierung paarweise verschiedene Datenwörter kodieren. Die Inkrementalgeber sind an die Auswertungsvorrichtung und den Demodulator angeschlossen. In dieser Ausführung kann der Demodulator unter anderem durch Bestimmung der Datenwörter für eine sicherheitsgerichtete Identifizierung der angeschlossenen Inkrementalgeber genutzt werden. So kann beispielsweise bei einem Schienenfahrzeug an dem typisch zwei Inkrementalgeber pro Achse vorgesehen sind, eine bestimmungsgemäße Montage der Inkrementalgeber verifiziert werden, oder gegebenenfalls ein Fehler im Aufbau des Messsystems bspw. ein Verdrahtungsfehler zuverlässig erkannt werden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen entnehmen. Dabei zeigen:
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1 ein Beispiel einer Zusatzkodierung und eines durch die Zusatzkodierung kodierten Datenworts;
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2 ein Prinzipschema eines ersten Beispiels eines Kodiermusters in einer linearen Messteilungsspur, wobei das Kodiermuster die Zusatzkodierung aus 1 auf ein Wegstrecken-Messsignal eines Inkrementalgebers moduliert;
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3 eine schematische Seitenansicht einer Schlitzscheibe mit einem zweiten Beispiel eines Kodiermusters in einer kreisförmigen Messteilungsspur, wobei das Kodiermuster die Zusatzkodierung aus 1 auf ein Wegstrecken-Messsignal eines Inkrementalgebers moduliert;
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4 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Auswertungssystems für ein erfindungsgemäß moduliertes Wegstrecken-Messsignal.
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1 zeigt rein beispielhaft eine Zusatzkodierung 10, welche im gezeigten Beispiel ein Datenwort 12 aus M = 6 Datenbits kodiert. Jedes Bit des Datenworts 12 wird durch eines von genau zwei vorgesehenen Symbolen 13, 14 aus jeweils N = 8 Symbolelementen physisch abgebildet. Die Werte für M, N sind beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit zu verstehen. In 1 sind die beiden vorgesehenen binären Symbolelemente rein zur Veranschaulichung und ohne Beschränkung der Allgemeinheit mit „A” und ”B” bezeichnet. Die in 1 gezeigte bevorzugte Kodierungsart entspricht im Prinzip einem Block-Kode vom Typ 1B8B. Zielsetzung ist jedoch, im Gegensatz zu den meisten Kanalkodes, nicht die Fehlerkorrektur der Daten, sondern insbesondere eine möglichst effiziente und zuverlässige Dekodierung und Taktrückgewinnung, wie nachstehend aus der Beschreibung zu 4 ersichtlich wird.
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Das bevorzugte Datenwort 12 hat, wie in 1 beispielhaft gezeigt, insbesondere die Eigenschaft, dass es lediglich durch eine vollständige zyklische Vertauschung um seine gesamte Bitbreite, d. h. um M = 6 Bits, in sich selbst überführbar ist. Hierdurch wird jede unerwünschte Symmetrie vermieden und eine Ermittlung der Absolutlage durch den Inkrementalgeber ermöglicht, wie weiter unten ersichtlich.
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Die beiden unterschiedlichen Symbole 13, 14 aus N = 8 Symbolelementen sind so gewählt, dass die Autokorrelationsfunktion der gesamten Zusatzkodierung 10 neben dem Hauptpeak, M – 1 = 5 Nebenpeaks im Abstand von jeweils N = 8 Symbolelementen aufweist. In diesem Sinne sind die Symbole 13, 14 also zueinander ähnlich gewählt. Zudem sind die beiden Symbole 13, 14 so gewählt, dass die sonstigen Funktionswerte der Autokorrelationsfunktion höchstens schwach positiv ausfallen. Im gezeigten Beispiel gemäß 1 unterscheidet sich das eine Symbol 13 von dem anderen Symbol 14 lediglich in zwei von den N = 8 Symbolelementen. Der entsprechende Abstand beträgt hier somit 2 bzw. 0,25·N. Dementsprechend dienen die Symbole 13, 14 auch weniger der Fehlerkorrektur, als der effizienten und zuverlässigen Dekodierung (s. unten zu 4) des Datenworts 12. Geeignete Muster zur Abbildung der Gesamtfolge aus Symbolelementen „A”, „B”, d. h. zur geeigneten zur Kodierung eines Datenworts 12 können mittels eines Brute-Force-Ansatzes bzw. einer Exhaustionsmethode ermittelt werden. Es können alle oder zumindest eine hohe Anzahl potenzieller Lösungen durchprobiert werden, indem systematisch mögliche Muster generiert und auf Grundlage des gewünschten Kontrasts der vorgenannten Korrelationsfunktionen bewertet werden. Bei sehr hoher Anzahl möglicher Muster, kann die Suche auch auf ein ausreichend kontrastreiches, d. h. nicht zwingend das optimale Muster beschränkt werden. Ein geeignetes Muster wird sich auch zufallsgeneriert finden lassen.
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2 zeigt schematisch und beispielhaft eine Messteilungsspur 20 für eine Maßverkörperung, insbesondere eines linearen Inkrementalgebers. Die Messteilungsspur 20 gemäß 1 ist z. B. für einen Inkrementalgeber mit photoelektrischer Abtastung nach dem abbildenden Messprinzip ausgeführt. Die nachfolgende Beschreibung gilt jedoch entsprechend analog auch für andere Sensorprinzipien zur Abtastung einer Maßverkörperung, etwa interferentiell photoelektrisch, magnetisch oder induktiv.
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Wie aus 2 ersichtlich, besteht die Messteilungsspur 20 aus einer Anordnung mit schmalen Stegen 21, breiten Stegen 22 und dazwischen jeweils entsprechend breiten Schlitzen 23 und schmalen Schlitzen 24. Zur Veranschaulichung ist in 2 die Maßabweichung zwischen den Stegen 21, 22 bzw. den Schlitzen 23, 24 in Bewegungsrichtung 25 stark übertrieben und nicht maßstabgetreu dargestellt. Die Anordnung der unterschiedlichen Stege 21, 22 und Schlitze 23, 24 in der Messteilungsspur 20 ist so gewählt, dass diese ein vorbestimmtes Kodiermuster darstellt. Im gezeigten Beispiel verkörpert die Messteilungsspur 20 die Zusatzkodierung 10 aus 1, was anhand der Symbolelemente „A”, „B” veranschaulicht ist.
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Die Messteilungsspur 20 gemäß 2 hat somit insgesamt N·M = 48 Stege 21, 22 und Schlitze 23, 24, wobei die genaue Anzahl jedoch entsprechend der Verwendung des Inkrementalgebers anzupassen ist. Die physische Abbildung der Symbolelemente „A” und „B” im Kodiermuster erfolgt jeweils durch eines von zwei verschiedenen Elementen im Muster der Messteilungsspur 20. Als erstes Musterelement ist im Beispiel nach 2 ein Paar aus schmalem Steg 21 und breitem Schlitz 23 vorgesehen. Als zweites Musterelement, ist ein komplementäres Paar aus breitem Steg 22 und schmalem Schlitz 24 vorgesehen. Die Abmessungen der Stege 21, 22 und Schlitze 23, 24 sind so gewählt, dass die Gesamtabmessung T in Bewegungsrichtung 25 bei jedem Paar bzw. Symbolelement „A” bzw. „B” technisch identisch ist und so der Teilungsperiode einer regelmäßigen Spur gleichkommt. Es ist somit jeweils, als erstes Musterelement, neben jedem schmalen Steg 21 ein breiter Schlitz 23 und, als zweites Musterelement, neben jedem breiten Steg 22 ein schmaler Schlitz 24 angeordnet so, dass die Gesamtabmessung in Bewegungsrichtung 25 eines Paars aus schmalem Steg 21 und breitem Schlitz 23 stets identisch ist zu der Gesamtabmessung in Bewegungsrichtung 25 eines Paars aus breitem Steg 22 und schmalem Schlitz 24.
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Typischerweise umfasst der Impulsgeber u. a. einen Schmitt-Trigger (nicht gezeigt) im Signalpfad des Abnehmers an der Messteilungsspur 20, um aus einem zunächst unscharfen bzw. verrundeten (wertkontinuierlichen) Signal ein flankensteiles (wertdiskretes) echtes Impulssignal zu formen. Dementsprechend werden bei Abtastung der Messteilungsspur 20 mit einem Abnehmer und bei konstanter Geschwindigkeit die Signalflanken der einen Art, wie bei einem herkömmlichen Inkrementalgeber, möglichst gleichmäßig verteilt sein. Die komplementären Flanken dagegen sind binär moduliert, d. h. dass entsprechend die Breite des erzeugten Impulses in vorbestimmter Weise moduliert ist und als Informationsträger dient. Je nach Bewegungsrichtung (links oder rechts gemäß Pfeil 25 in 2) verhalten sich somit entweder die steigenden oder fallenden Flanken wie bei herkömmlichen Inkrementalgebern, während die komplementären Flanken zeitlich variieren und so das entsprechende Symbolelement „A” bzw. „B” vermitteln. Die Messteilungsspur 20 gemäß 2 ist somit hinsichtlich jeder Spiegelung asymmetrisch und erlaubt demnach zugleich die Ermittlung der Bewegungsrichtung (links/rechts) aus dem Wegstrecken-Messsignal.
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Die geeignete Modulationstiefe hängt jeweils vom Anwendungsfall ab und ist in 2, wie erwähnt, stark übertrieben abgebildet. Zur Vermeidung von Missverständnissen ist auch auf eine beispielhafte Abbildung eines durch die Messteilungsspur 20 erzeugten Wegstrecken-Messsignals verzichtet, da die Geberimpulse im Wegstrecken-Messsignal stets hauptsächlich in Abhängigkeit der zu messenden Bewegung erzeugt sind, und lediglich zu geringerem Maße von der hier übertrieben dargestellten Modulationstiefe abhängen.
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Alternativ zur abgebildeten Ausführung des Kodiermusters der Messteilungsspur 20 mit gleichmäßigem Abstand T zwischen den Übergängen Steg-zu-Schlitz bzw. Schlitz-zu-Steg lässt sich die Wegstreckeninformation auch dann einfach aus dem modulierten Wegstrecken-Messsignal entnehmen, wenn die Stegmitten der Stege 21, 22 oder Schlitzmitten der Schlitze 23, 24 jeweils zueinander konstante Abstände aufweisen. In dieser Hinsicht sind also äquidistante steigende Flanken, äquidistante fallende Flanken, äquidistante Stegmitten oder äquidistante Schlitzmitten als äquivalente Alternativen denkbar. Insofern eine der vorstehenden Gestaltungen verwendet wird, lässt sich eine Auswertung der Wegstrecke auch dann vornehmen, wenn die Zusatzkodierung noch nicht oder noch nicht vollständig rückgewonnen werden konnte.
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3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine kreisförmige, geschlossene Messteilungsspur 30 mit abwechselnd aufeinander folgenden Stegen 31, 32 und Schlitzen 33, 34. Die Messteilungsspur 30 ist für die Schlitzscheibe eines photoelektrischen Drehimpulsgebers ausgelegt. Die Anordnung der unterschiedlich breiten Stege 31, 32 und Schlitze 33, 34 bildet hierbei ebenfalls ein vorbestimmtes Kodiermuster in der Messteilungsspur 30 zum Modulieren einer Zusatzkodierung auf das Wegstrecken-Messsignal. Das Wegstrecken-Messsignal wird z. B. photoelektrisch mit einem Aufnehmer 38, beispielsweise einer Gabellichtschranke bekannter Bauweise, erzeugt. Im Beispiel gemäß 3 kodiert das vorbestimmte Kodiermuster aus Stegen 31, 32 und Schlitzen 33, 34 ebenfalls das Datenwort 23 bzw. die entsprechende Reihe von Symbolen 13, 14 aus 1. Der wesentliche Unterschied zur 2 liegt darin, dass die Messteilungsspur 30 für einen Drehimpulsgeber, beispielsweise zur photoelektrischen Abtastung ausgeführt ist. Entsprechend sind auch die Maßabweichungen zwischen den schmalen Stegen 31 und breiten Stegen 32 bzw. schmalen Schlitzen 34 und breiten Schlitzen 33 in Bewegungsrichtung 35 zur Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt.
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4 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines bevorzugten Auswertungssystems 40 zum Auswerten eines Wegstrecken-Messsignals eines Inkrementalgebers mit Messteilungsspur 20, 30 nach 2–3.
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Das Auswertungssystem 40 nach 4 umfasst eine Auswertungsvorrichtung 42 sowie einen hieran angeschlossenen Demodulator 41. Die Auswertungsvorrichtung 42 ist zur Bestimmung eines Wegstrecken-Messwerts W, eines Geschwindigkeits-Messwerts V und eines Beschleunigungs-Messwerts A ausgelegt.
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Als Hauptkomponenten umfasst die Auswertungsvorrichtung
42 ein Hauptfilter
43 und eine Bewertungseinheit
44. Als Hauptfilter
43 wird ein Kalman-Filter bevorzugt, bspw. gemäß der Patentschrift
EP2293440 , deren Inhalt vorliegend durch Verweis einbezogen wird. Ausgangsseitig liefert das Hauptfilter
43 mindestens den Geschwindigkeitswert V an die Bewertungseinheit
44. Über ein optionales Ausreisser-Filter
45 werden vom Hauptfilter
43 zwei Residuen an die Bewertungseinheit
44 ausgegeben. Eingangsseitig wird dem Hauptfilter
43 das Wegstrecken-Messsignal eines erfindungsgemäßen Inkrementalgebers zugeführt. Im System nach
4 erfolgt dies z. B. aufbereitet über jeweils einen Eingang für die steigende Flanke und für die fallende Flanke der bewegungsabhängig erzeugten Geberimpulse. Zur Diskriminierung der Flanken wird der Impulsgeber somit über eine nicht näher gezeigte Schaltung zur Flankenerkennung am Hauptfilter
43 angeschlossen.
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Bei Verwendung einer Messteilungsspur 20, 30 gemäß 2–3 hängt es von der Bewegungsrichtung ab, ob die steigenden oder fallenden Flanken im Wegstrecken-Messsignal moduliert sind. Das Hauptfilter 43 ist zunächst in Unkenntnis der Bewegungsrichtung, d. h. darüber, welche der beiden komplementären Flankenarten am Eingang tatsächlich moduliert ist. Entsprechend wird in einer Anfangszeit das bevorzugt als Kalman-Filter ausgeführte Hauptfilter 43 mit den Werten sowohl zu den steigenden als auch zu den fallenden Flanken aktualisiert. Die geschätzte Voraussage für den aktuellen Zeitpunkt nach dem Kalman-Ansatz wird so zunächst mit beiden Attributen bzw. Werten des Wegstrecken-Messsignals korrigiert. Die vom Hauptfilter 43 berechneten Residuen werden jeweils nach Flankenart getrennt und betragsmäßig tiefpassgefiltert, um die Schwankungsbreite der beiden Residuen zu schätzen. Während einer Anlaufphase, etwa beim Beschleunigen aus dem Stillstand, oder auch nach Einschalten, während eine Bewegung bereits stattfindet, wird nach einer relativ geringen Anzahl von Impulsen, typischerweise ca. 10 bis 15 Impulsen, eines von beiden Residuen modulationsbedingt deutlich größere Schwankungen aufweisen. Hierauf gründend, d. h. anhand der vom Hauptfilter 43 zugeführten Residuen, bestimmt die Bewertungseinheit 44 die Bewegungsrichtung DOT (direction-of-travel).
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Das Hauptfilter 43 liefert auf Grundlage des Residuums mit geringster Schwankungsbreite, d. h. des nicht modulierten Attributs, auch den Wegstreckenwert W, den Geschwindigkeitswert V und ggf. den Beschleunigungswert A an die Bewertungseinheit 44. Wenn die Bewertungseinheit 44 die Bewegungsrichtung DOT mit ausreichender Sicherheit bestimmt hat, wird das Aktualisieren des Hauptfilters 43 auf die nicht modulierte Flankenart beschränkt, nachdem die Bewertungseinheit eine entsprechende Bestätigung „DOT OK” an das Hauptfilter 43 liefert. Eine ausreichend sicher bestimmte Bewegungsrichtung ist dann gewährleistet, wenn eine Frequenz der Geberimpulse am Hauptfilter 43 vorliegt, die genügend hoch ist, damit ein Wechsel bei der Bestimmung der Bewegungsrichtung DOT hinreichend unwahrscheinlich erscheint. Die Aktualisierung des Hauptfilters 43 mit lediglich den Eingangswerten zu den nicht modulierten Flanken vermindert einerseits abträgliche Auswirkungen der Modulation auf die Erfassung der Bewegungswerte W, V und A, und erhöht andererseits auch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Signals, das die Zusatzkodierung trägt.
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4 zeigt ferner einen optionalen Ausreißer-Filter 45 als Bestandteil der Auswertungsvorrichtung 42. Diese erlaubt ein Aussortieren von anwendungsspezifischen, übergroßen Ausreißern, etwa Schlupfereignissen zwischen Rad und Schiene bei einem Schienenfahrzeug. Die beiden vom Hauptfilter 43 ermittelten Residuen werden demnach zunächst dem optionalen Ausreißer-Filter 45 zugeführt und vom Ausreißer-Filter 45 einerseits der Bewertungseinheit 44 und andererseits dem Demodulator 41 zugeführt.
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Der Demodulator 41 umfasst eingangsseitig zunächst ein Eingangsfilter 46, welches lediglich den Strom der modulierten Residuen an eine erste Korrelator-Stufe 50 und an eine zweite Korrelator-Stufe 60 weiterleitet. Hierzu filtert das Eingangsfilter 46 auf Grundlage der erfassten Bewegungsrichtung DOT aus der Bewertungseinheit 44.
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Die erste Korrelator-Stufe 50 ermöglicht ein Einrasten auf die Bit-Grenzen des M-Bit breiten Datenworts also die Grenzen der vorgesehenen Symbole, etwa der Symbole 13, 14 nach 1. Hierzu wird das modulierte Residuum vom Eingangsfilter 46 einem Korrelatorblock 52 mit N parallelen Korrelatoren zugeführt. Auf dem zweiten Eingang erhält jeder der N parallelen Korrelatoren ein hinsichtlich der vorgesehenen physischen Symbole gemitteltes Wichtungsmuster, z. B. mit Gewichtsfaktoren +1 bzw. –1 an den Stellen wo beide Symbole 13, 14 übereinstimmen und mit Gewichtsfaktor 0 an denjenigen Stellen, an denen sich die Symbole 13, 14 unterscheiden. Dieses gemittelte Wichtungsmuster wird in einem Ring-Schieberegister 54 abgelegt. Das Muster wird im Ring-Schieberegister 54 bei jedem Geberimpuls einen Schritt zyklisch geschoben und über N parallele Leitungen auf die zweiten Eingänge der Korrelatoren im Korrelatorblock 52 verteilt. Pro Geberimpuls multipliziert jeder Korrelator im Korrelatorblock 52 seine beiden Eingangssignale und tiefpassfiltert das Produkt. Anhand dieser Ausführung wird nach kurzer Bewegung, bei einem Drehgeber meist viel weniger als einer Umdrehung, z. B. nach 10 bis 20 Impulsen, eines der N gemittelten Korrelatorergebnisse aus dem Korrelatorblock 52 signifikant dominieren. Dieses Ergebnis wird vom Bewertungsblock 56 ermittelt und als feine, aber mehrdeutige Phaseninformation P(N) an einen Auswahlblock 62 der zweiten Demodulatorstufe 60 geliefert.
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Dem Auswahlblock 62 werden das Korrelationsergebnis P(N) des Bewertungsblocks 56, die Positions- bzw. Phasenlage des Ring-Schieberegisters 54, die Bewegungsrichtung DOT aus der Bewertungseinheit 44 und insbesondere die Sequenz der modulierten Residuen aus dem Eingangsfilter 46 zugeführt. Ausgehend von diesen Eingaben erfolgt im Auswahlblock 62 die Auswahl bzw. Bestimmung der variablen Residuen, in welchen sich die Symbole 13, 14 unterscheiden. Hierdurch wird ermittelt, welche der beiden Symbole 13, 14 der vom Eingangsfilter 46 empfangenen Sequenz entspricht, d. h. welche Bitwerte nacheinander demoduliert wurden. Die so gewonnene Bitinformation gibt der Auswahlblock 62 an einen weiteren Korrelatorblock 64 der zweiten Korrelator-Stufe 60 aus. Der Korrelatorblock 64 hat M parallele Korrelatoren, deren erster Eingang jeweils die ermittelten Bitwerte erhält. Auf dem zweiten Eingang erhält jeder Korrelator im Korrelatorblock 64 nacheinander die Bits des gesuchten Datenworts 12, jeweils für jeden Korrelator um eine Stelle zyklisch vertauscht. Hierzu ist das Datenwort 12 in einem Ring-Schieberegister 66 abgelegt. Das Datenwort 12 wird im Ring-Schieberegister 66 nach jeweils N Geberimpulsen einen Schritt zyklisch geschoben und über M parallele Leitungen auf die zweiten Eingänge der M Korrelatoren im Block 64 verteilt. Pro Bit multipliziert jeder Korrelator im Korrelatorblock 64 seine beiden Eingangssignale und tiefpassfiltert das Produkt. Anhand dieser Ausführung wird nach relativ geringer Bewegung, etwa spätestens nach Einlesen von ca. 10 bis 20 Bits in Abhängigkeit der gewählten Werte für M und N, auch eine der M Korrelationen aus dem Korrelatorblock 64 signifikant dominieren. Dieses Ergebnis wird vom Bewertungsblock 68 ermittelt und als grobe Lageninformation P(M) ausgegeben. Auf Grundlage der mehrdeutigen Lageninformation P(N) aus dem ersten Bewertungsblock 56 und der eindeutigen Lageninformation P(M) aus dem zweiten Bewertungsblock 68 wird somit neben den bereits ermittelten Bewegungsgrößen W, V, A und DOT auch die absolute Lage bzw. Position der Messteilungsspur 20, 30 bzw. der Maßverkörperung gemessen. Dies erfolgt ebenfalls ausgehend von allein der Zusatzkodierung im Wegstrecken-Messsignal am Eingang der Auswertungsvorrichtung 42. Sämtliche erfassten Bewegungsgrößen werden vom Auswertungssystem 40 an ein übergeordnetes, sicherheitsorientiertes Zielsystem ausgegeben. Wie ferner aus 4 ersichtlich, kann jeder Bewertungsblock 56, 68 anhand der Korrelationsergebnisse ferner eine Qualitätsangabe zu den erfassten Bewegungsgrößen liefern, so dass diese validiert oder ggf. verworfen werden können.
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Die Auswertungsvorrichtung 42 und die erste Demodulator-Stufe erfordern bei Frequenzen der Geberimpulse im kHz-Bereich digitale Signalprozessoren oder FPGAs. Zur Minimierung des Hardware-Aufwands sollte eine Bit-Tiefe von 3 Bit für die Auflösung der Residuen in den meisten Anwendungen ausreichen, da die Modulationstiefe und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) gering sind. Gegebenenfalls kann die zweite Korrelator-Stufe 60 auch durch Software im sicherheitsorientierten Zielsystem implementiert werden. Mit dieser Architektur schließt die Sicherung des Signalweges durch das erfindungsgemäße Verfahren die Übertragung nicht nur vom Geber zum Interface z. B. zur Auswertungsvorrichtung 42, sondern auch bis in das Zielsystem ein.
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Aus obiger Wirkweise der Signalauswertung ergibt sich der Effekt des dreifachen unsymmetrischen Kodiermusters, z. B. aus Stegen und Schlitzen. Die Asymmetrie bezüglich jeder beliebigen Spiegelung ermöglicht die Richtungserkennung. Die Asymmetrie bezüglich jeder beliebigen Drehung im Falle eines Drehgebers, bzw. jeder beliebigen Translation im Falle eines Lineargebers ermöglicht die Messung der Absolutlage der Maßverkörperung. Schließlich wird durch eindeutige Zuordnung von Datenwörtern zu jeder Messteilungsspur 20, 30 aus einer zahlenmäßig begrenzten Menge eine Identifikation des Inkrementalgebers ermöglicht. Letzteres ermöglicht z. B. das Aufdecken von Verdrahtungsfehlern, die Verwendung eines nicht vorgesehenen Inkrementalgebers usw.
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Wie die ermittelten Bewegungsgrößen W, V, A, DOT und auch die absolute Lage bzw. Position der Messteilungsspur 20, 30 im übergeordneten Sicherheitssystem zur Sicherheitserhöhung genutzt werden können, ist an sich bekannt. Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass das vorgeschlagene Verfahren sowie der vorgeschlagene Inkrementalgeber die sicherheitsgerichteten Maßnahmen zuverlässig und dennoch auf vereinfachte und günstigere Weise ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1
- 10
- Zusatzkodierung
- 12
- Datenwort
- 13, 14
- Symbol
- A, B
- Symbolelement
Fig. 2 - 20
- Messteilungsspur
- 21, 22
- Stege
- 23, 24
- Schlitze
- A, B
- Symbolelemente
Fig. 3 - 30
- Messteilungsspur
- 31, 32
- Stege
- 33, 34
- Schlitze
- 38
- Aufnehmer
Fig. 4 - 40
- Auswertungssystem
- 41
- Demodulator
- 42
- Auswertungsvorrichtung
- 43
- Hauptfilter
- 45
- Ausreißer-Filter
- 46
- Eingangsfilter
- 50
- erste Korrelator-Stufe
- 52
- Korrelatorblock
- 54
- Ring-Schieberegister
- 56
- Bewertungsblock
- 60
- zweite Korrelator-Stufe
- 62
- Auswahlblock
- 64
- Korrelatorblock
- 66
- Ring-Schieberegister
- 68
- Bewertungsblock
- W, V, A
- Bewegungsgrößen (Wegstrecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung)
- DOT
- Bewegungsrichtung
- Q
- Qualitätsangabe
- P(N)
- Lageninformation (grob)
- P(M)
- Lageninformation (genau)
