DE102013217216B4

DE102013217216B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerermittlung und Fehlerkompensation eines inkrementellen Sensors

Info

Publication number: DE102013217216B4
Application number: DE102013217216.8A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Rass
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: DE102013217216A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von Messwertungenauigkeiten, im Sinne von periodischen Fehlern eines Interferometers, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Feststellung von Messwertungenauigkeiten umfasst, dass eine virtuelle Verschiebung des Interferometers, die von diesem Interferometer gemessen wird, jeweils nicht mit der Signalperiode des Interferometers korreliert ist, sodass gemessene periodische Schwankungen nicht der Verschiebung, sondern den periodischen Ungenauigkeiten des Interferometers zuzuordnen und somit ermittelt sind und dann kompensiert werden können, mit den Schritten:
Erzeugen einer virtuellen Verschiebung, wobei die virtuelle Verschiebung erzeugt wird, indem das Interferenzmuster des Interferometers durch eine durch Ansteuern einer Steuereinheit veranlasste Variation der Wellenlänge der Interferometerwelle relativ gegenüber mindestens einem Detektor des Interferometers wandert, was von der Messeinheit als Bewegung interpretiert werden kann, wobei eine diskrete Verschiebung einer Bewegung gemäß einem Schritt mit einer gewissen Schrittweite entspricht,
Aufnehmen von durch die Verschiebung beeinflussten Sensordaten über das zu kalibrierende Interferometer, wobei auf Basis des wandernden Interferenzmusters die virtuelle Bewegung gemessen wird,
Bestimmen von mit der Periode des Interferometers korrelierten, periodischen Schwankungen in aus den mit dem zu kalibrierenden Interferometer aufgenommenen Sensordaten bestimmten Ergebnissen,
Zuordnen der ermittelten korrelierten, periodischen Schwankungen als Fehler des Interferometers und
Kompensieren der periodischen Fehler des Interferometers auf Basis der bestimmten Korrelation in der Weise, dass der von der Position innerhalb des Inkrements abhängige Fehler korrigiert wird oder zu mindestens reduziert wird, indem der ermittelte Fehler, bzw. Fehlerverlauf mit den Messdaten verrechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von periodischen Fehlern eines inkrementellen Positions- oder Lagebestimmungssensors sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Computerprogramm.
In vielen technischen Bereichen werden Messsysteme eingesetzt, um lineare oder rotatorische Bewegungen und Kombinationen davon aufzunehmen.
Eine grundsätzliche Unterscheidung ergibt sich hierbei zwischen absoluten und inkrementelle Messsystemen bzw. Sensoren: Absoluten Sensoren steht über den gesamten Messbereich ein in der Regel zur zu messenden Position proportionaler Messwert zur Verfügung, während bei inkrementellen Sensoren die Messstrecke in mehrere Bereiche unterteilt ist, womit sich zumeist eine höhere Messauflösung erreichen lässt.
Beispiele für inkrementelle Sensoren sind unter anderem:

- optoelektronische Sensoren, die einen Maßkörper abtasten (der Maßkörper wird häufig auch Sensorskala, Raster oder Sensorstreifen, bzw. Sensorscheibe genannt),
- inkrementelle magnetische Abtastungen,
- Interferometer, vor allem Laserinterferometer (hier liegt im Gegensatz zu den meisten anderen inkrementellen Sensoren zwar kein eigentlicher Maßkörper vor, obwohl ein von der Messung abhängig veränderliches Interferenzmuster wie ein Maßkörper abgetastet werden kann und im Folgenden als solches betrachtet und bezeichnet wird),
- inkrementelle resistive Sensoren,
- inkrementelle Hallsensoren,
- inkrementelle kapazitive Sensoren, und
- inkrementelle induktive Sensoren.

Im Folgenden wird die Arbeitsweise eines inkrementellen Sensors zunächst an einem vereinfachten Beispiel eines optoelektronischen Sensors mit linearem Maßkörper als Sensorstreifen mit Bezug auf 1a und 1b als Prinzipskizzen erläutert
Eine Lichtquelle 1 ist auf einen relativ zur Lichtquelle 1 beweglichen Sensorstreifen 3 gerichtet, der gut reflektierende Bereiche (hell dargestellt) und schlechter reflektierende Bereiche (dunkel dargestellt) aufweist. Der Sensorstreifen kann entlang der Bewegungsrichtung 6 bewegt werden, wobei die Bewegung des Sensorstreifens äquivalent zu einer Bewegung des Sensors ist. Auf den Sensorstreifen 3 eintreffendes Licht 2 wird vom Sensorstreifen 3 reflektiert, wobei das reflektierte Licht 4 von einem Photodetektor 5 erfasst wird. Die von Photodetektor 5 erfasste Lichtintensität steht in Relation zu der Position des Sensors relativ zum Sensorstreifen, wobei mit kleiner werdendem belichteten reflektierendem Bereich auch die vom Photodetektor 5 registrierte Lichtintensität kleiner wird.
Wird nun der Sensorstreifen 3 eine Strecke relativ zum Sensor bewegt, die mehrere Hell-Dunkelbereiche überstreicht, so ergibt das vom Photodetektor ausgegebene Signal im Idealfall eine Sinuskurve.
Um für inkrementelle Sensoren über mehrere Inkremente hinweg eine hohe Bewegungsauflösung detektieren und auch die Bewegungsrichtung detektieren zu können, werden häufig mehr als ein Detektor verwendet, so dass die Bewegung von den Detektoren phasenversetzt registriert wird.
Im theoretischen Idealfall ergeben sich so bei zwei entsprechend angeordneten Photodetektoren zwei sinusförmige Kurvenformen mit einem Phasenversatz von 90°, die als eine Sinus- und eine Kosinuskurve angesehen werden können.
Eine Auftragung dieser Kurven besteht in einer Art, dass der Wert der Sinuskurve auf der Abszisse und der Wert der Kosinuskurve auf der Ordinatenachse abgebildet wird, wobei sich im angenommenen Idealfall ein perfekter Kreis ergibt. Allgemein spricht man bei dem Ergebnis einer solchen Auftragung auch von „Lissajous-Figur“, unabhängig davon, ob der „Kreis“ ideale Form hat oder nicht.
Wird ein heller und ein dunkler Bereich vollständig überfahren, so ergibt die Abbildung genau einen Kreisdurchlauf. Wird der Sensorstreifen weiter verfahren, so bewegt sich das Messsignal weiterhin auf dem Kreis. Über die Richtung, in der sich das Messsignal auf dem Kreis bewegt, kann die relative Bewegungsrichtung des Sensorstreifens bestimmt werden. Über den sich ergebenden Winkel des Vektors, der vom Kreisursprung zum aktuellen Messwert zeigt, kann ermittelt werden, in welchem Bereich innerhalb eines Inkrements sich die relative Lage zwischen Sensorstreifen und Sensormesseinheit befindet.
Auf diese Weise kann eine Aussage über die relative Position des Sensorstreifens auch über mehrere Perioden von Hell-Dunkel-Wechsel hinweg erfolgen, indem die Kreisdurchgänge durchgezählt werden (wobei die pro Kreisdurchgang zurückgelegte Strecke als ein Inkrement des Sensorstreifens bekannt ist) und der sich dadurch ergebene Wert dem jeweils aktuellem Messwert hinzugerechnet wird.
Auch ein Interferometer, vor allem ein Laserinterferometer, kann ebenfalls als inkrementeller Sensor betrachtet werden und es kann mit ähnlichen Ansätzen ausgewertet werden, was am Beispiel des Laserinterferometers knapp erläutert wird. Im Wesentlichen beruht ein Laserinterferometer darauf, dass das emittierte Licht eines Lasers (als Beispiel einer Interferometerwelle) in mindestens zwei Teile aufgeteilt wird, die unterschiedlich lange Strecken durchlaufen, bevor diese wieder zusammen geführt werden. Aufgrund der unterschiedlich langen Strecken ergibt sich eine Phasenverschiebung, die an der Stelle einer Zusammenführung zu Interferenzen führt. In den Bereichen, in denen die Wellen in Phase sind, addieren sich die Amplituden der Wellen, was „konstruktive Interferenz“ genannt wird. Hier ist die Intensität besonders hoch. Sind die Wellen gegenphasig, so spricht man von einer „destruktiven Interferenz“. Hier heben sich die Wellen auf. Die Intensität, die sich zwischen den Extremfällen, bei denen die Wellen entweder in Phase sind oder gegenphasig sind liegen kann, lässt sich z.B. durch Photodetektoren messen. Wird nun einer der Wegstrecken in der Länge verändert, z.B. indem ein Spiegel verschoben wird, so kommt es zum Durchwandern der Intensitäten, mit einer Periode, die abhängig von der Wellenlänge ist. Im Idealfall ergibt sich dabei ein Sinus. Um über den gesamten Bereich eine hohe Auflösung zu erzielen und um die Richtung, in die eine Verschiebung stattfindet zu bestimmen, wird häufig an zwei Stellen des Interferenzmusters die Intensität gemessen, so dass sich, wie zuvor anhand des optischen inkrementellen Sensors beschrieben, eine Sinus- und eine Kosinuskurve ergibt, die beispielsweise als „Lissajous-Figur“ aufgetragen werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass es viele Varianten von Laserinterferometern gibt, bei denen die Auflösung durchgehend hoch ist und auch die Bewegungsrichtung bestimmt werden kann, ohne dass zwei Detektoren verwendet werden müssen. Zu dieser Klasse gehören z.B. die SPM-Interferometer (Sinusodial Phase Modulating Interferometer), die durch eine geeignete Überlagerung von Wellenlängen und/oder geeigneter Signalverarbeitungen ebenfalls Sinus- und Kosinuskurven, ergeben, die dann wie zuvor beschrieben zur Positionsbestimmung verwendet werden können. Deren Sinus- und Kosinuskurven lassen sich ebenfalls als „Lissajous-Figur“ aufgetragen, die im Idealfall einen Kreis ergeben.
Die zuvor geschilderten idealen Bedingungen liegen in der Realität praktisch nie vor, so dass unkompensierte Abweichungen von den idealen Annahmen zu Messfehlern führen.
Es ist allen inkrementellen Sensoren gemein, dass die Messdaten aufbereitet werden müssen, um eine absolute Position (z.B. Winkel oder Position auf einer Strecke) angeben zu können. Dabei ergeben sich insbesondere zwei Arten von Fehlern, einerseits periodische Fehler und andererseits nicht-periodische Fehler:
Bei periodischen Fehlern handelt es sich typischerweise um Fehler (also Abweichungen von den im Idealfall erwarteten Messwerten), die mit der Periode des Sensorstreifens auftreten. Beispielhafte Fehlerquellen hierfür sind fehlerhaft ausgerichtete Sensorstreifen, fehlerhaft zueinander ausgerichtete Detektoren, Ungenauigkeiten in einer Signalauswertung (z.B. mathematisch oder elektrisch).
Bei nicht-periodischen Fehlern handelt es sich um Fehler, die zwar wiederholbar sein können, aber im Falle von inkrementellen Sensoren nicht bei jedem Kreisdurchgang auftauchen. Ein Beispiel für eine Ursache eines solchen nicht-periodischen Fehlers ist ein verschmutzter Sensorstreifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt auf eine Ermittlung und Kompensation oder Korrektur periodischer Fehler ab. Anhand von 2 werden beispielhafte Fälle diskutiert, wobei hierfür ein inkrementeller, linearer Sensor herangezogen, der eine Teilung von 20µm aufweist. Die Beispiele selbst sind - wie schon der theoretische Fall idealer Bedingungen - idealisiert, da in der Praxis üblicherweise eine komplizierte Überlagerung verschiedener Fehlerquellen und -ausmaße vorliegt.
Im jeweils linken Teil der (Teil-)Figur ist die entsprechende Lissajous-Figur und im rechten Teil der (Teil-)Figur ist eine entsprechende Abweichung ohne Fehlerkorrektur dargestellt.
In 2a ist der ideale Fall ohne Fehler dargestellt. Der Sensor ist fehlerfrei ausgerichtet und es gibt auch sonst keine Störungen oder Fehler, wie z.B. falsche Offsetwerte oder falsche Amplitudenwerte. Somit sind keine Messfehler vorhanden, die sich im rechten Graphen als Abweichung zeigen können. Doch so wie in 2a dargestellt verhält es sich in der Praxis nicht, sondern es sind Fehler vorhanden.
Typische Fehler sind ein In-Sättigung-Gehen eines Wertebereichs, das Vorliegen eines Offsets, Phasenfehler durch beispielsweise fehlerhafte Ausrichtung oder auch ein nichtlinarer Fehler, der allerdings bei Inkrementsdurchgängen immer wieder auftritt.
Der Fall, dass ein oder mehrere Wertebereiche in die Sättigung gehen, ist in 2b illustriert. Es ist im rechten Graphen deutlich zu sehen, dass sich so eine Abweichung der Messwerte von den idealen Messwerten ergibt. Bei der links dargestellten Lissajous-Figur ist der Sinus-Teil im unteren Bereich in die Sättigung gegangen, während im rechten Teil der resultierende Messfehler angezeigt ist.
In 2c ist ein Fall dargestellt, bei dem ein Offset vorliegt, so dass die Lissajous-Figur nicht im Ursprung liegt. In der Folge ergeben sich die im rechten Graphen dargestellten Fehler.
Ein weiterer üblicher Fehler ist ein sich z.B. aufgrund von einer fehlerhaften Ausrichtung ergebender Phasenfehler, der dann zu erheblichen Messfehlern führen kann, so wie dies in 2d dargestellt ist. Links ist eine Lissajous-Figur bei einer unerwünschten Phasenverschiebung und rechts die sich dadurch ergebene Abweichung von einer idealen Messung dargestellt.
In 2e ist beispielhaft ein nicht-linearer Fehler dargestellt, der jedoch pro Durchgang des Inkrements immer wieder auftritt. Auch solche Fehler führen zu Fehlern in der Messung.
In der Regel liegen jedoch nicht klar getrennte einzelne Fehler vor, die zu den gezeigten fehlerhaften Messwerten führen, sondern statt dessen wirken gleich mehrere Einflüsse zugleich, wie beispielsweise in 2f dargestellt. Im Fall von 2f wirken alle zuvor gezeigten Fehler in gleicher Größenordnung, allerdings zugleich. Treten die Fehler in unterschiedlicher Größenordnung oder zudem noch mit anderer Ausrichtung auf, ergibt sich ein noch kompliziertes Fehlerbild.
Es gibt verschiedene bekannte Techniken, mit denen Messfehler reduziert werden können. Offset-Fehler können beispielsweise durch Addition von Konstanten ausgeglichen werden. Hat die Lissajous-Figur etwa keine Kreisform, sondern eine ovale Kurvenform, so kann das durch einen rechnerischen Phasenversatz (Phasenkorrektur) in der Auswertung ausgeglichen werden.
Es bleiben jedoch beim derzeitigen Stand der Technik noch immer Abweichungen übrig, was zu Ungenauigkeiten des jeweiligen Sensors innerhalb einer Periode führt. Diese periodischen Ungenauigkeiten gilt es zu ermitteln und zu reduzieren, insbesondere im Kontext einer Positioniereinheit, die die Sensorwerte nutzt um an Zielpositionieren zu fahren oder angestrebte Bewegungen durchzuführen. Diese Positioniereinheit führt Fehlbewegungen aus, solange diese Art von fehlerhaften, also ungenauen Sensorwerte genutzt werden.
Eine bekannte Möglichkeit zur Verbesserung der ungenauen Sensorwerte besteht in einer Kalibrierung unter Nutzung zusätzlicher Ausrüstung. Wird beispielsweise mit einer bestimmten Positioniereinheit ein bestimmtes Weg- bzw. Positionsprogramm absolviert, kann mit einem zusätzlichen (z.B. geeichten) Sensor der tatsächliche Fehler aufgenommen werden, wobei sich durch den Abgleich zwischen dem Ergebnis des zusätzlichen Sensors und des Sensors der Positioniereinheit eine Kalibrier-Möglichkeit für den Sensor der Positioniereinheit ergibt. Diese Kalibrierung verursacht zusätzlichen apparativen Aufwand und lässt sich nicht auf andere Positioniereinheiten übertragen, selbst wenn diese im Grunde gleich aufgebaut sind, da z.B. selbst kleinste Montageabweichungen deutliche Auswirkungen auf die auftretenden Fehler haben können.
Nachteilig an der Kalibrierung des Sensors unter Nutzung eines zusätzlichen Kalibrier- oder Referenz-Sensors ist also die Notwendigkeit des zusätzlichen Sensors selbst und die fehlenden Übertragbarkeit, so dass jeder Sensor unter entsprechenden Aufbau in kontrollierter Umgebung separat kalibriert werden müsste.
In DE 198 23 089 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer automatischen Kupplung beschreiben, bei der zwei von Sensoren erzeugte Impulsfolgen eines inkrementellen Mess-Systems einer Korrelationsprüfung unterzogen werden, bei der die Pulsfolgen dahingehend überprüft werden, ob sie ähnlich sind.
Ein selbstkalibrierendes Positionsmesswandlersystem und ein Verfahren gemäß US 6 029 363 A benutzen den Positionsmesswandler selbst als Positionsreferenz während der Kalibrierung, wodurch die Verwendung einer äußeren Referenz während der Kalibrierung eliminiert wird. Die Messwandlersignale werden an einer Vielzahl von gleich beabstandeten Positionen abgetastet, innerhalb jeder abgetasteten Messstabwellenlänge unter Verwendung des Meßwandlers selbst als Positionsreferenz. Die Kalibrierungswerte für die Gleichstrom-Signalverschiebungen, die Amplituden und die Nicht-Orthogonalität der Grundsignale, die Amplituden der harmonischen Signalkomponenten und die Positionsverschiebungen werden unter Verwendung von Fourier-Analysetechniken bestimmt. Die Messwandlersignale werden korrigiert unter Verwendung der bestimmten Kalibrierungswerte, welche ihrerseits benutzt werden, um die gespeicherten Kalibrierungswerte in Vorwegnahme des nächsten Kalibrierungsvorgangs zu korrigieren. Der selbstkalibrierende Positionsmesswandler benutzt die gespeicherten Kalibrierungswerte, um seine Genauigkeit zu erhöhen.
US 8 271 223 B2 bezieht sich multi-dimensionale Fehler-Definition, Fehler-Messung, Fehler-Analyse, Fehler-Funktionserzeugung, Fehler-Informationoptimierung und FehlerKorrektur für Kommunikationssysteme. Es werden Techniken vorgesehen, die für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind, bei denen eine Eingabe- oder Ausgabetransfercharakteristik korrigiert oder linearisiert werden soll.
WO 91/ 10 288 A2 offenbar einen Positionssensor mit einem Detektor, der an einem ersten Körper fixiert ist, wobei der Detektor aufgereihte Messelemente aufweist. Der Detektor wird einer Skala, beispielsweise ein optisches Bild eines Teils eines zweiten Körpers, ausgesetzt. Die Skala weist eine Reihe von Zeichen (d.h. ein Streifenmuster) auf und die Messelemente des Detektor erfassen ihr Überlappen mit einem oder mehreren entsprechenden Zeichen und erzeugen eine Ausgabe in Abhängigkeit dieses Überlappens. Die Zeichen definieren zwei Muster, die in mehreren aufeinanderfolgenden Abschnitten angeordnet sind. Ein Muster ist für alle Abschnitte fixiert und das zweite Muster variiert entsprechend einer vorbestimmten Regel (z.B. zyklisch) von Abschnitt zu Abschnitt.
Der Detektor erfasst eine Länge der Reihe von Zeichen etwa entsprechend der Länge eines Abschnitt und als ein Ergebnis davon können relative Positionierungen des ersten und des zweiten Körpers aus der Erfassung der relativen Position zwischen Detektor und festem Muster zusammen mit der Beziehung zwischen den zwei Mustern bestimmt werden.
Mit einem Verfahren und der zur Durchführung des Verfahrens angegebenen Anordnung zur Absolutinterferometrie mit durch Diodenlaser erzeugter Strahlung gemäß DE 43 33 423 A1 können relative oder absolute Abstandsmessung ohne Referenzinterferometer mit nur einem einzigen Detektor und hoher Genauigkeit der Messstreckenbestimmung durchgeführt werden. Der Grundgedanke gemäß DE 43 33 423 A1 besteht darin, die mittels des Diodenlasers erzeugte Strahlung derart zu modulieren, dass dem Diodenlaser mindestens eine diskrete Frequenz aufgeprägt wird, die dann mit einem an sich bekannten phasenempfindlichen Detektionsverfahren nachgewiesen wird. Durch die Modulation der ursprünglichen Strahlung des Diodenlasers wird quasi ein zweiter Laserstrahl erzeugt, so dass in einem einzigen Strahlengang ein Mess- und Referenzstrahl resultieren. Beide Strahlen, d. h. der Mess- und der Referenzstrahl besitzen jeweils eine andere Frequenz, weisen jedoch parallele Wellenfronten auf, legen im einheitlichen Strahlengang einen exakt gleichen optischen Weg zurück und interferieren auf dem einzigen Detektor. Die Bestimmung der Meßstrecke erfolgt dann durch Ermittlung der Phasenverschiebung bzw. Ermittlung der Phasenänderung des Modulationssignals.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit der Ermittlung und Kompensation von periodischen Fehlern eines inkrementellen Positions- oder Lagebestimmungssensors bereitzustellen, die die Nachteile bzw. Einschränkungen der bekannten Möglichkeiten beseitigt bzw. umgeht.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von Messwertungenauigkeiten, im Sinne von periodischen Fehlern eines Interferometers vorgeschlagen, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Selbstverständlich ist es als analog zu betrachten, ob nun die eigentlichen Messwerte nach der Ermittlung der periodischen Fehler durch aufzuaddierende Werte oder Kurven korrigiert werden um eine tatsächliche Position genauer darzustellen, oder ob das durch eine virtuelle Streckung bzw. Stauchung der Messskala, wie später noch ausgeführt wird. Die Methode wie der erfindungsgemäß ermittelte periodische Fehler tatsächlich kompensiert wird ist unwesentlich, da dieser Schritt für jeden Fachmann eine einfache Übung ist, wenn der periodische Fehler einmal bekannt ist.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Vorrichtung zur Kompensation von periodischen Fehlern eines inkrementellen Positions- oder Lagebestimmungssensors in Form eines Interferometers (z.B. Laserinterferometers) unter Nutzung einer virtuellen Verschiebung des Interferometers, durch Verschiebung der Wellenlänge der Interferometerwelle (z.B. des Laserlichts) über eine Steuereinheit vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 13 definiert ist. Infolge der Verschiebung wandert das Interferenzmuster relativ zu mindestens einem Detektor, wobei die virtuelle Verschiebung, die durch das Wandern des Interferenzmusters dargestellt wird, nicht mit einer Periode des Sensors korreliert ist. Die Vorrichtung umfasst: eine Steuereinheit, die ausgestaltet ist, die Wellenlänge zu variieren, eine Messeinheit, die ausgestaltet ist, das Wandern des Interferenzmusters aufgrund der Wellenlängenvariation zu messen, und eine Korrelations- und Kompensationseinheit, die ausgestaltet ist, eine Korrelation periodischer Schwankungen in Ergebnissen der Messungen mit der Periode des Sensors zu bestimmen und die periodischen Fehler des Sensors auf Basis der bestimmten Korrelation zu kompensieren.
Die Erfindung schlägt zudem ein Positioniersystem mit einem Interferometer zur Positions- oder Lagebestimmungs, einem Antrieb, der eine Bewegungsantwort auf eine Ansteuerung aufweist, wobei die Bewegungsantwort nicht mit einer Periode des Sensors korreliert ist und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kompensation von periodischen Fehlern des Interferometers vor, wie es in Anspruch 14 definiert ist.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm weist Computerprogrammmittel auf, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensation von periodischen Fehlern dazu veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm auf der Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Periode des Sensors ist nicht als zeitliche Periode zu verstehen, sondern bezieht sich auf die räumliche Periode des Sensorstreifens oder Messmittels, wie z.B. des Interferenzmusters eines Laserinterferometers. Der Begriff „periodischer Fehler“ bezieht sich darauf, dass der Fehler mit einem „Messpunkt“ innerhalb einer Periode des Sensorstreifens zusammenhängt und insofern periodisch wiederkehrt.
Der Erfindung liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde:
Für den Sensor lassen sich detektierbare Schritte durchführen. Dabei kann es sich entweder um virtuelle Schritte handeln, bei denen keine tatsächliche Bewegung durchgeführt wird oder um tatsächliche Schritte, bei denen es zu einer Relativbewegung zwischen Sensor und Sensorstreifen, bzw. Messmittel kommt.
Bei virtuellen Schritten handelt es sich um Variationen am Sensor und/oder der Elektronik, die auf das Messsignal die Wirkung haben wie eine Verschiebung des Sensors gegenüber der Sensorstreifens, bzw. gegenüber dem Messmittel. Eine Veränderung um Inkremente wird im Folgenden als „virtueller Schritt“ bezeichnet. Eine allgemeine Variation wird im Folgenden als „virtuelle Bewegung“ bezeichnet. Z.B. im Fall eines Laserinterferometers kann z.B. die steuer- bzw. regelbare Variation der Wellenlänge des Lasers anhand der Messdaten nicht von einer tatsächlichen Verschiebung unterschieden werden. Aufgrund der virtuellen Verschiebung wandert das Interferenzmuster relativ zum Detektor, genauso, wie es bei einer tatsächlichen Verschiebung des Sensors auch der Fall wäre. Liegt die Ursache eines periodischen Fehlers des Interferometers in der Optik und/oder der Elektronik und/oder den die sensordatenverarbeitenden Algorithmen, so wirken diese Fehlerursachen auf die „virtuelle Verschiebung“ genauso wie eine tatsächliche Verschiebung. Aufgrund der gleichen Wirkung wird eine Variation um ein Inkrement im Folgenden als „virtueller Schritt“ bezeichnet.
Wenn nun die Wellenlänge in einer Art gesteuert oder geregelt wird, die nicht mit der Periodenlänge korreliert ist, so kann über den erfindungsgemäßen Ansatz der mit dem Inkrement des Sensors korrelierte, periodische Fehler ermittelt und somit kompensiert werden. Wenn eine virtuelle Bewegung durchgeführt wird, die vorzugsweise einer Bewegung über mehrere Inkremente hinweg entspricht, bzw. ein Inkrement mehrmals überstreicht und dabei mit der Periode des Sensors korrelierte Schwankungen gemessen werden, können diese Schwankungen nun der Ungenauigkeit des Sensors und der zum Sensor gehörigen Elektronik bzw. den Sensordatenverarbeitenden Algorithmen zugeordnet werden. Damit sind die periodischen Fehler ermittelt worden und das bedeutet, dass der nun bekannte Fehler auch minimiert bzw. sogar ganz kompensiert werden kann, in dem dieser mir den eigentlichen Messdaten verrechnet wird.
Neben den virtuellen Schritten lassen sich auch tatsächliche Schritte durchführen. Dafür wird ein Antrieb benötigt, der eine Relativbewegung zwischen Sensor und Sensorstreifen, bzw. Messmittel ermöglicht.
Eine Schrittweite des Antriebs ist ein Unterfall einer Antwort des Antriebs auf eine Ansteuerung. Die Antwort des Antriebs kann beispielsweise auch die (momentane oder über einen Zeitraum gemittelte) Geschwindigkeit (oder auch Beschleunigung) sein, mit der (innerhalb eines einzelnen Schritts oder mit mehreren (Teil-)Schritten) eine Bewegung ausgeführt wird.
Ein theoretischer idealer Antrieb wäre 100%ig genau und die Antwort auf eine Ansteuerung (ebenso ideal) würde 100%ig der Ansteuerung entsprechen. In diesem Fall wäre ein Positionssensor überflüssig, da die Position jederzeit bekannt ist. Ein tatsächlicher Antrieb weist allerdings eine (mehr oder weniger) zufällige Streuung in seiner Antwort auf eine Ansteuerung auf.
Diese Streuungen korrelieren bei den für den erfindungsgemäßen Ansatz geeigneten Antrieben nicht mit der Periode des zu kalibrierenden Sensors. Der Sensor beeinflusst nicht die Bewegungsantwort des Antriebs und bei einer geeigneten Wahl des Antriebs liegt auch keine Korrelation der Bewegungsantwort mit der Periode des Sensors vor. Eine solche Korrelation ist nicht zu erwarten bzw. eine solche Korrelation lässt sich vom Fachmann ohne weiteres durch die Auswahl der Komponenten „Antrieb“ und „Sensor“ vermeiden. (Z.B. für den erfindungsgemäßen Ansatz wäre es ungünstig, wenn der Antrieb in der gleichen Periodenlänge wie der Sensor, Schwankungen in der Bewegungsantwort ausweist. So ist der Ansatz z.B. nicht gut geeignet, wenn es gilt einen Schrittmotor, der eine Teilung von 20 µm aufweist, zu nutzen, um einen Sensor mit einer Periodenlänge von 20 µm zu kalibrieren. Der Fachmann würde, um den Sensor erfindungsgemäß zu kalibrieren, entweder einen anderen Antrieb oder eine andere Periodenlänge des Sensors wählen.)
Wenn nun, wie gefordert, keine Korrelation zwischen den Schritten (virtuell oder tatsächlich), bzw. den Schwankungen der Schrittweiten und der Periode des zu kalibrierenden Sensors besteht, dann kann über den erfindungsgemäßen Ansatz der mit dem Inkrement des Sensors korrelierte, periodische Fehler ermittelt und somit kompensiert werden. Wenn eine Bewegung (virtuell oder tatsächlich) durchgeführt wird und dabei mit der Periode des Sensors korrelierte Schwankungen gemessen werden, können diese Schwankungen nun der Ungenauigkeit des Sensors zugeordnet werden, was bedeutet, dass der somit bekannte Fehler auch minimiert bzw. sogar ganz kompensiert werden kann.
Im Folgenden Beispiel wird eine tatsächliche Bewegung durchgeführt. Analog kann auch eine „virtuelle Bewegung“ genutzt werden. Z.B. kann in einem ganz einfachen, erfindungsgemäßen Beispiel ein Antrieb Bewegungen mit konstanten Schrittweiten durchführen, die vorzugsweise kleiner sind als die Periode des Sensors. Dabei dürfen die Schrittweiten selbstverständlich im Rahmen der Leistungsfähigkeit des Antriebs leicht streuen. Die Positionen werden dabei jeweils vom zu kalibrierenden Sensor gemessen. Der noch nicht kalibrierte Sensor wird nun Schwankungen der Schrittweiten messen. Zum einen basieren diese Schwankungen auf tatsächlichen Fehlern des Antriebs, zum Teil aber auch auf Ungenauigkeiten des Sensors. Da die Schwankungen der Bewegungsantwort nicht mit der Periode des zu kalibrierenden Sensors korrelierte sind, können sämtliche sich in den Messwerten periodisch auftretenden Schwankungen der Ungenauigkeit des Sensors zugeordnet werden. Somit sind die periodisch auftretenden Fehler des Sensors bekannt und können leicht rechnerisch kompensiert werden.
Somit ergibt sich eine unbekannte, sehr einfache und erstaunlich leistungsfähige Methode um die Genauigkeit von inkrementellen Sensoren zu verbessern. Diese Methode kann alleine aber auch in Kombination mit bekannten mathematischen Verfahren zu Verbessrung von Sensorgenauigkeiten verwendet werden.
Das Prinzip kann in verschiedenen Varianten realisiert werden, von denen im Folgenden einige vorzugsweise Varianten vorgestellt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Ansteuerung zur Bewirkung einer jeweilig vorbestimmten Schrittweite bei einer Vielzahl von Schritten bestimmt, wobei das Bestimmen der Korrelation ein Zuordnen einer jeweils gemessenen Schrittweite zu einem Segment der Periode des Sensors umfasst.
Bei diesem Ansatz wird das Inkrement des Sensors zunächst in Abschnitte unterteilt, die nicht notwendigerweise eine gleiche Länge aufweisen müssen (aber können). Bevorzugt über viele Inkremente hinweg werden nun viele Schritte (virtuelle Schritte oder tatsächliche Schritte) durchgeführt, die jeweils größer oder kleiner als die Abschnittslänge sein können, wobei die jeweilige Schrittweite mit dem Sensor aufgenommen wird. Die jeweils so gemessene Schrittweite wird einem jeweils vorbestimmten Abschnitt des Inkrements zugeordnet (etwa auf Basis des Startpunkts des Schritts, der in diesen Abschnitt fällt, des Endpunkts, eines Mittelpunkts oder auch anderweitig). Nach Absolvieren einer ausreichend hohen Anzahl von Schritten, wird jeweils ein Mittelwert der insgesamt einem jeweiligen Abschnitt zugeordneten Schrittweiten bestimmt, wobei die nötige Kompensation auf Basis dieser Mittelwerte bestimmt wird. Weist etwa ein Mittelwert für einen Abschnitt auf eine größere Schrittweite hin, misst der Sensor hier zu große Messwerte, so dass die Sensorwerte in diesem Segment entsprechend verkleinert werden müssen, was einer virtuellen Stauchung des Inkrements entspricht. Mit virtueller Stauchung ist gemeint, dass das entsprechende Segment nach der Stauchung einen kleineren Wertebereich (z.B. Strecke oder Winkel) abdeckt als vor der Stauchung. (Es muss eine virtuelle Streckung durchgeführt werden, wenn der vermeintliche, also der mit dem noch fehlerhaft kalibrierten Sensor gemessene Abschnitt kleiner ist als der tatsächliche Weg, bzw. kleiner ist als der tatsächliche Winkelabschnitt. Hingegen muss eine virtuelle Stauchung durchgeführt werden, wenn der vermeintliche gemessene Abschnitt größer ist als der tatsächliche Weg, bzw. größer ist als der tatsächliche Winkelabschnitt.)
Die ausreichend hohe Anzahl von Schritten kann einerseits als Zahl vorgegeben sein, aber auch dynamisch bestimmt sein: Bei einer kontinuierlichen Bestimmung der Mittelwerte kann das Vorliegen der ausreichenden Anzahl von Schritten beispielsweise dann angenommen werden, wenn sich der jeweilige Mittelwert bei steigender Schrittzahl nur noch unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ändert. Entsprechende Ansätze können auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung angewandt werden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Ansteuerung zum Durchlaufen wenigstens eines Positions- oder Lagebestimmungsbereichs entsprechend einem Segment der Periode mit einer Vielzahl von virtuellen oder tatsächlichen Schritten bestimmt, wobei das Durchlaufen auf Basis einer Ausgabe des Sensors erfolgt, eine Messung ein Zählen der zum Durchlaufen nötigen Schritte umfasst und das Bestimmen der Korrelation ein Vergleichen der Schrittzahl für verschiedene Segmente umfasst. Bevorzugt weisen die Schritte eine für alle Segmente jeweils im Mittel konstante Schrittweite auf.
Bei diesem Ansatz wird das Inkrement des Sensors wiederum in Abschnitte unterteilt, wobei ein (ggf. mehrfaches) Durchfahren mindestens eines Teils des Inkrements (vorteilhafterweise aber über mehrere Inkremente hinweg) mit Schritten vorgesehen ist, die kleiner als die Abschnitte sind. Die zum Durchfahren eines jeweiligen Abschnitts nötigen Schritte werden gezählt und auf Basis dieser Schrittzahlen wird eine nötige Kompensation bestimmt: Z.B. ist für einen Abschnitt eine kleinere Schrittzahl notwendig, gibt der Sensor im diesem Abschnitt zu große Messwerte aus, so dass die Genauigkeit des Sensors in diesem Segment gesteigert werden kann, wenn die Messwerte entsprechend verkleinert werden. Z.B. durch eine entsprechende Reduktion der Messwerte in diesem Segment, bzw. durch eine virtuelle Stauchung dieses Segments. In einer einfachen Ausgestaltung sind die Abschnitte des Inkrements jeweils gleich und auch die Schrittweite zum Durchfahren (real oder virtuell) ist konstant. Es ist allerdings auch möglich, unter Nutzung einer Normierung des Verhältnisses von Abschnittsbreite und Schrittzahl mit ungleich langen Abschnitten und/oder Schritten zu arbeiten. Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist vorgesehen, dass die Schrittweiten im jeweiligen Mittel für alle Abschnitte konstant sind. In diesem Rahmen sind statistische Schwankungen der Schrittweite ohne weiteres möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Ansteuerung zum Durchlaufen wenigstens eines Positions- oder Lagebestimmungsbereichs, entweder durch eine virtuelle oder eine reale Bewegung, entsprechend einem Segment der Periode mit einer Vielzahl von Schritten bestimmt, wobei das Durchlaufen auf Basis einer Ausgabe des Sensors erfolgt, eine Messung ein Bestimmen einer zumindest relativen Häufigkeit von Positions- oder Lagebestimmungen innerhalb ein jeweiliges Segment umfasst und das Bestimmen der Korrelation ein Vergleichen der Häufigkeiten für verschiedene Segmente umfasst.
Auch bei diesem Ansatz wird das Sensorinkrement in (nicht notwendigerweise gleichlange) Abschnitte unterteilt. Erfolgt nun eine Bewegung mit bekannter Schrittfrequenz (z.B. konstanter Schrittfrequenz), werden die Positionsmesswerte für die jeweiligen Abschnitte des Inkrements gezählt. Auf Basis dieser Zahlen erfolgt die Kompensation: Weist beispielsweise ein Abschnitt eine im Vergleich höhere Trefferzahl auf, müsste diese Abschnitt zur Kompensation gestreckt werden. Die Schrittgröße kann im Wesentlichen jedes Verhältnis zum Sensorinkrement aufweisen. Wenn die Schrittlänge wesentlich kleiner als die Inkrementlänge ist, geht dieser Ansatz in den des vorherigen Ausführungsbeispiels über. Bei Schrittlängen in der Größenordnung der Inkrementlänge oder darüber hinaus lassen sich bei einer ausreichend großen Schrittzahl noch immer alle Abschnitte treffen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Ansteuerung zum Betreiben entweder des Antriebs mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bestimmt oder zur Umsetzung einer virtuellen Bewegung, die einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit entspricht, wobei eine Regelung der Geschwindigkeit auf Basis einer Ausgabe des Sensors erfolgt, eine Messung ein Bestimmen einer Schrittfrequenz umfasst und das Bestimmen der Korrelation ein Vergleich der Schrittfrequenz für verschiedene Segmente umfasst. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Geschwindigkeit konstant oder folgt einem vorbestimmten Geschwindigkeitsverlauf. Bevorzugt umfasst die Regelung der Geschwindigkeit für den Fall der realen Bewegung eine Regelung einer Schrittfrequenz und/oder einer Amplitude der Ansteuerung.
Bei diesem Ansatz wird mit einem geschlossenen Regelkreis anhand der Sensorausgabe eine vorbestimmte (nicht notwendigerweise konstante) Geschwindigkeit gefahren, wobei für jeweilige Abschnitte des Inkrements das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Schrittfrequenz bestimmt und zur Fehlerkompensation genutzt wird. Die vorbestimmte Geschwindigkeit kann auch durch einen vorbestimmten Geschwindigkeitsverlauf (z.B. mit konstanter oder vorbestimmter Beschleunigung) gegeben sein.
Wenn nun beispielsweise in einem Segment eine überdurchschnittlich hohe Schrittfrequenz benötigt wird, heißt das, dass dieses Segment einen virtuell gestreckt werden muss, da es in der Realität eine größere Strecke repräsentiert als vom Sensor ohne Korrektur bestimmt. Das heißt, dass die Werte in diesem Bereich tendenziell einen größeren Messwert repräsentieren als die nicht korrigierten Messwerte darstellen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Ansteuerung für eine Vielzahl von Positionierungen oder Lageeinstellungen, insbesondere zufälligen Positionierungen oder Lageeinstellungen, bestimmt, wobei eine Messung ein Bestimmen einer zumindest relativen Häufigkeit von Positions- oder Lagebestimmungen innerhalb jeweiliger Segmente umfasst und das Bestimmen der Korrelation ein Vergleichen der Häufigkeiten für verschiedene Segmente umfasst. Bei der Ansteuerung kann es sich wieder um die Ansteuerung eines Antriebes handeln, so dass eine tatsächliche Bewegung realisiert wird oder um eine Ansteuerung des Sensors (Optik und/oder Elektronik und/oder sensordatenverarbeitende Algorithmen) handeln, so dass lediglich eine virtuelle Bewegung vorliegt.
Auch bei diesem Ansatz wird das Inkrement des Sensors in Abschnitt mit nicht notwendigerweise gleicher Länge unterteilt, wobei bei einer ausreichend hohen Zahl von realen oder virtuellen Positionierungen die Positionierungen in den jeweiligen Abschnitten gezählt werden und ggf. nach einer Normierung bei unterschiedlichen Abschnittslängen die Kompensation auf Basis dieser Zählergebnisse erfolgt: Weist ein Abschnitt eine höhere (normierte) Trefferzahl auf, gibt der Sensor hier zu kleine Messwerte, so dass der Abschnitt virtuell gestreckt werden müsste.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Kompensieren des periodischen Fehlers vor und/oder während einer Ausführung einer Positionieraufgabe entweder durch den Antrieb oder durch eine virtuelle Bewegung durchgeführt und das Ergebnis des Kompensierens in der Positionieraufgabe durch den Antrieb genutzt.
Die erfindungsgemäße Kompensation kann vor einer Nutzung des Antriebs für eine eigentliche Positionieraufgabe (also unabhängig von dieser) ausgeführt werden, beispielsweise bei einer Inbetriebnahme eines Antriebs mit dem Sensor nach deren Aufbau. Es ist allerdings alternativ oder ergänzend ebenfalls möglich, die Kompensation während der eigentlichen Positionieraufgabe durchzuführen, so dass hierbei eine Kompensation im Einsatzfall erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Kompensieren für eine dynamische Korrektur von Offset, Amplitude und/oder Phase des Sensors genutzt. Es ist möglich, dass die erfindungsgemäßen Ausführungsformen parallel zu klassischen, mathematischen Verfahren zur Verbessrung der Sensorgenauigkeit genutzt werden.
Für den Fall der Fehlerermittlung und Kompensation über reale Bewegungen eines Antriebs, kann der Antrieb insbesondere ein Piezoantrieb oder ein elektrostriktiver Antrieb sein, vorzugsweise ein Piezoträgheitsantrieb oder Ultraschallantrieb, wobei der Sensor bevorzugt einen optischen Encoder und/oder ein Interferometer umfasst.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. Hierbei zeigen

1a und 1b Prinzipskizzen zur Illustration der Arbeitsweise eines inkrementellen Sensors,
2a bis 2f Darstellungen von Lissajous-Figuren und resultierenden Abweichungen bei einem idealen Sensor und verschiedenen Sensorfehlern,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

1a und 1b zeigen Prinzipskizzen zur Illustration der Arbeitsweise eines inkrementellen Sensors und sind bereits oben diskutiert.
2a bis 2f zeigen ebenfalls bereits oben diskutierte Darstellungen von Lissajous-Figuren und resultierenden Abweichungen bei einem idealen Sensor und verschiedenen Sensorfehlern,
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, anhand derer die die Erfindung erläutert wird. Die Vorrichtung 10 dient zur Kompensation von periodischen Fehlern eines inkrementellen Positions- oder Lagebestimmungssensors unter Nutzung eines Antriebs 17. Der Antrieb 17 weist eine Bewegungsantwort auf eine Ansteuerung auf, die nicht mit einer Periode eines Sensors 21 korreliert ist. Der Antrieb 17 wirkt auf eine relativ bewegliche Anordnung 19, deren relative Bewegung vom Sensor 21 aufgenommen wird. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Steuereinheit 11, eine Messeinheit 13 und eine Korrelations- und Kompensationseinheit 15. Die Steuereinheit 11 ist ausgestaltet, eine Ansteuerung an den Antrieb zu geben. Die Messeinheit 13 ist ausgestaltet, unter Nutzung des Sensors 21 Messungen zu Bewegungsantworten des Antriebs 17 auf die Ansteuerung durchzuführen, also die Bewegungen der Anordnung 19 in Antwort auf den Antrieb 17 aufzunehmen. Die Korrelations- und Kompensatonseinheit 15 ist ausgestaltet, eine Korrelation periodischer Schwankungen in Ergebnissen der Messungen mit der Periode des Sensors 21 zu bestimmen und die periodischen Fehler des Sensors 21 auf Basis der bestimmten Korrelation zu kompensieren.
Analog zur 3 kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert werden, bei der es sich bei dem Sensor 21 um ein Laserinterferometer handelt und der Antrieb 17 nicht vorliegt. Stattdessen wird die Funktion des Antriebs 17 virtuell erfüllt, indem die eine Steuereinheit die Wellenlänge eines Laserinterferometers so variiert, dass es für die Messeinheit 13 so wirkt, als läge eine tatsächliche Bewegung vor. In diesem Fall muss der Antrieb 17 in der 3 lediglich durch die Steuereinheit ausgetauscht werden, die aufgrund der für die Messeinheit 13 äquivalenten Wirkung ebenfalls mit der Nummer 17 beschriftet werden kann. Statt einer beweglichen Anordnung 19 liegt dann lediglich eine Verschiebung des Interferenzmusters relativ zu einem Detektor vor, die dann von der Messeinheit 13 als Bewegung interpretiert wird, bzw. sich von der tatsächlichen Bewegung nicht unterscheiden lässt. Diese Verschiebung des Interferenzmusters relativ zum Detektor übernimmt also die Funktion beweglichen Anordnung 19.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Verfahrens, anhand dessen die Erfindung erläutert wird.
In Schritt 101 wird eine Relativbewegung mit einer Vielzahl von Schritten zwischen Sensorkopf und Referenzobjekt im offenen Regelkreis über die Strecke von vorzugsweise ebenfalls mehreren Inkrementen bewirkt. Alternativ wird in Schritt 101 statt einer tatsächlichen Bewegung lediglich eine virtuelle Bewegung durchgeführt, indem am Sensor (z.B. dessen Elektronik, Optik, etc.) Änderungen realisiert werden, die in den Messwerten wirken, als wäre eine tatsächliche Bewegung durchgeführt worden. In Schritt 103 werden die realen oder virtuellen Schrittweiten gemessen und den jeweiligen Abschnitten eines vollen Inkrements zugewiesen (es sein denn, es wurde nur ein Teilsegment abgefahren). Aufgrund der lokal konstanten realen oder virtuellen Schrittweite kann nun damit gerechnet werden, dass die Schritte immer nahezu gleichlang ausfallen. Nach einer ausreichenden großen Zahl von Wiederholungen der Schritte 101 und 103 werden in Schritt 105 die realen oder virtuellen Schrittweiten der jeweiligen Abschnitte verglichen. Suggerieren die gemessenen Messwerte mit dem Sensorinkrement periodisch wiederkehrende unterschiedlich lange Schrittweiten, so kann davon ausgegangen werden, dass die Schrittweiten nicht tatsächlich unterschiedlich lang sind, sondern dass der Sensor in den entsprechenden Abschnitten fehlerhaft kalibriert ist und somit falsche Messwerte liefert. In Schritt 107 wird die lokale Genauigkeit des Sensors verbessert, indem in den Bereichen, in dem der Sensor zu große Schrittweiten registriert hat, das Messsystem rechnerisch (bzw. virtuell) gestaucht wird, und in Bereichen, in denen der Sensor zu kleine Schrittweiten registriert hat, das Messsystem rechnerisch (bzw. virtuell) gestreckt wird. Das geschieht im einfachsten Fall durch ein Hinzufügen oder Abziehen eines positionsabhängigen Offset-Wertes auf die zunächst noch fehlerhaften Messwerte. Es handelt sich also um eine Korrektur der Messwerte durch eine segmentweise Berechnung von korrigierten Messdaten.
Es ist möglich, bei einer hohen Dichte an Segmenten mit konstanten Werten je Segment zu arbeiten. Bevorzugt wird jedoch, die korrigierten Werte über segmentweise veränderlichen Funktionen (positionsabhängig auch innerhalb eines Segments) zu berechnen, um Sprünge beim Übergang von Segment zu Segment zu verhindern und auch den Fehler innerhalb der Segmente positionsabhängig klein zu halten. Möglich sind selbstverständlich beispielsweise Geraden, die die Berechnung besonders einfach halten aber, auch gekrümmte Funktionen, die einen verbleibenden Fehler besonders klein werden lassen können.
Im Resultat erhält der Nutzer korrigierte Sensormesswerte, die weitgehend frei von periodischen Fehlern sind.
Es ist nicht notwendig, dass der Regelkreis des Antriebs offen ist, da auch mit geschlossenem Regelkreis die Erfindung realisiert werden kann. Es ist zudem nicht notwendig, dass die reale oder virtuelle Bewegung über mehrere Inkremente hin erfolgt, da auch ein einzelnes Inkrement genutzt werden kann. Wird die Relativbewegung auf einen Teil eines Inkrements beschränkt, kann in jedem Fall für diesen Teil noch immer eine Kompensation durchgeführt werden, wobei die Kompensation unter Umständen auf das ganze Inkrement extrapoliert werden kann.
Es ist auch möglich, den Schritt 105 oder die Schritte 105 und 107 in der Schleife der Schritte 101 und 103 mit aufzunehmen (entweder von Anfang an oder nach einer bestimmten Zahl von Durchläufen), wobei mit jeder Wiederholung die Ergebnisse der Schritte 105 und ggf. 107 besser werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Verfahrens, anhand dessen die Erfindung erläutert wird.
Wie schon beim ersten Ausführungsbeispiel wird kalibriert, indem entweder eine virtuelle Bewegung durchgeführt wird oder durch eine Positioniereinheit eine reale Bewegung durchgeführt wird. Dabei muss die virtuelle Bewegung erzeugende Steuereinheit, bzw. der die reale Bewegung erzeugende Antrieb in der Lage sein, lokal kleine Schritte durchzuführen, die kleiner sind als eine einem Segment des Sensors entsprechende Strecke (vorzugsweise deutlich kleiner als ein Viertel eines Segments), wobei die kleinen virtuellen oder realen Schritte lokal gleichlange Schrittweiten aufweisen.
Dabei kommt es nicht darauf an, dass die Schrittweite im vollen Kreisdurchgang konstant sind, solange die Schritte jeweils für alle Teilbereiche des Kreisdurchgangs als konstant vorgegeben sind.
Die Schritte können auf eine einfache Weise genutzt werden, um die Genauigkeit des Sensors deutlich zu verbessern. Hierfür wird ein Inkrement des Sensors (beispielsweise darstellbar durch einen Vollkreis der Lissajous-Figur, siehe oben) in mehrere kleine Abschnitte von beispielsweise gleicher Winkellänge unterteilt.
Es kann bei gleichgroßen Schritten davon ausgegangen werden, dass im Mittel gleich viele Schritte bzw. Schrittsegmente durchgeführt werden müssen um, gleich große Winkelsegment zu durchfahren:
In jeweiligen Schritten 201 werden die Segmente mit den kleinen Schritten bzw. Schrittsegmenten durchfahren. Es ist hierbei unwesentlich, welche Strategie verwendet wird, um die Segmente zu durchfahren: unidirektional oder bidirektional, mehrfach dieselben Stellen oder nur einmal, nur ein Vollkreis (also eine volle Periode) oder über mehre Kreise, was mehreren Perioden entspricht (mehrere Perioden sind allerdings bevorzugt). Es ist auch für das Ausführungsbeispiel irrelevant, ob die Bewegung real von einem Antrieb durchgeführt wird oder lediglich virtuell.
In den entsprechenden Schritten 203 wird beim Durchfahren der Segmente festgestellt, wie viele Schritte, bzw. Schrittsegmente pro Segment benötigt wurden.
Werden unterschiedlich viele Schritte bzw. Schrittsegmente für die Segmente benötigt, kann davon ausgegangen werden, dass diese Segmente nicht tatsächlich gleich lange Messstrecken (linear oder Winkel) repräsentieren. Diese Abweichung kann nun in Schritt 205 berücksichtigt werden, indem Segmenten, die mehr Schritte (bzw. Schrittsegmente) benötigten, eine längere Strecke und Segmenten, die weniger Schritten benötigten, eine kürzere Strecke zugeordnet wird.
Hierfür können wieder, wie auch bei dem obigen Ausführungsbeispiel von 4, mehrere Wege gewählt werden. Sehr einfach ist es, mit einem Faktor zu arbeiten, der die durch das Segment repräsentierte Strecke streckt oder staucht. Möglich ist es auch, durch eine Kurvenanpassung (curve fitting) Funktionen zu erarbeiten, die die korrigierte Relation zwischen Segment und tatsächlicher Messstrecke repräsentieren. Ebenfalls ist es beispielsweise möglich, die Korrekturdaten in einer Look-up-Tabelle zu speichern und den jeweiligen Messwerten die Korrekturdaten aufzuaddieren oder abzuziehen.
Bei einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels wird die Relativbewegung mit einer konstanten Schrittfrequenz durchgeführt und dabei eine Messung der relativen Häufigkeit von Positionsmesswerten in den verschiedenen Sektoren des Rasterstreifens vorgenommen. In Sektoren, die eine überdurchschnittlich große Häufigkeit aufweisen, muss eine virtuelle Streckung realisiert werden. In Sektoren hingegen, die eine unterdurchschnittlich große Häufigkeit aufweisen, muss eine virtuelle Stauchung realisiert werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Verfahrens, anhand dessen die Erfindung erläutert wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird entweder eine Relativbewegung zwischen Referenzobjekt und Sensor über eine gemäß dem Sensor konstante Geschwindigkeit (also bei geschlossenem Regelkreis zwischen Sensor und Antrieb) durchgeführt (Schritt 301) und hierbei die Schrittfrequenz gemessen (303) oder statt der realen Bewegung werden im Schritt 301 virtuelle Bewegungen realisiert, die auf eine Messeinheit wie reale Bewegungen die vom Sensor gemessen werden, wirken. Im zweiten Fall wird im Schritt 303 die virtuelle Schrittfrequenz gemessen. Sektoren, die eine überdurchschnittlich hohe Schrittfrequenz aufweisen müssen virtuell gestreckt werden. Sektoren hingegen, die eine unterdurchschnittlich hohe Schrittfrequenz aufweisen müssen virtuell gestaucht werden. Die Kompensation ist hier in Schritt 305 vorgesehen.
Grundsätzlich gilt, dass wenn z.B. gefordert wird, dass eine konstante Schrittfrequenz oder gleich große Segmente abgefahren, oder eine konstante Geschwindigkeit etc. gefahren werden soll, das nicht heißt, dass nun zwangsweise genau dieses vorliegen muss.
Es ist als analog anzusehen, wenn diese Parameter variiert werden und abschnittweise entweder wieder gleich gehalten werden oder in einer bekannten Art und Weise variiert werden. Schließlich können bewusst eingeführte oder bekannte Schwankungen bei der Auswertung der Messwerte und Erzeugung der Korrekturdaten einfach berücksichtigt werden. In der Wirkung ist das genau identisch mit der erfindungsgemäßen Grundgedanken.
An einer beispielhaften Ausführung sei dies erklärt:
Wenn beispielsweise die tatsächliche oder virtuelle Geschwindigkeit in einer bekannten Art und Weise variiert wird, und nicht konstant gehalten wird, sollte die tatsächliche oder virtuelle Schrittfrequenz in zur Geschwindigkeitsvariation passenden Weise ebenfalls variieren.
In der Folge müssten die Sensorwerte dann wie folgt korrigiert werden:
Sektoren, die eine im Verhältnis zur im Segment positionsabhängigen Geschwindigkeit eine überdurchschnittlich hohe Schrittfrequenz aufweisen, müssen virtuell gestreckt werden, und Sektoren, die eine im Verhältnis zur im Segment positionsabhängigen Geschwindigkeit eine unterdurchschnittlich hohe Schrittfrequenz aufweisen, müssen virtuell gestaucht werden.
Auch Verfahren mit zufälligen Bewegungen entsprechen dem Erfindungsgedanken, zentral bleibt dass die realen oder virtuellen Bewegungen nicht mit dem Raster korreliert sind. So kann z.B. im Falle einer realen Bewegung der Antrieb zufällig hin- und herbewegt werden. Die Positionsmesswerte sollten dann über die Signalperiode gleichmäßig verteilt sein. Ist dies nicht der Fall, so lässt dies auf gestauchte und gestreckte Sensorbereiche schließen, die entsprechend zu korrigieren sind.
Mit dem einfachen und quasi kostenfreien Verfahren können Sensoren sehr genau kalibriert werden. Bei inkrementellen Sensoren ist der Nutzer weiterhin darauf angewiesen, dass die Skalenteilung exakt ist, aber die lokale Genauigkeit innerhalb der Inkremente wird sehr viel besser als mit bisher üblichen Techniken.
Es ist also nicht mehr nötig den Sensor mit einem externen oder zweiten Sensor zu kalibrieren.
Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Kalibrierung einmalig durchgeführt und dann solange mit den ermittelten Kalibrierdaten gearbeitet, bis ein neuer Kalibriervorgang angestoßen wird.
Alternativ ist es auch möglich, eine solche Kalibrierung fortwährend bei der Bewegung mit den Positioniereinheiten durchzuführen. Das birgt jedoch für die Kalibrierung mit realen Bewegungen die Gefahr, dass die Genauigkeit darunter leidet, wenn z.B. lokale Schwankungen, z.B. aufgrund von lokalen Kräften auftreten.
Es ist selbstverständlich nicht zwingend notwendig, bei dem Verfahren auf eine Lissajous-Figur zurückzugreifen. Es kann statt dessen jede beliebige Repräsentation der Messwerte herangezogen werden, wie z.B. die Sinus- und Kosinuskurven selber, die ja auch in Segmente eingeteilt werden können.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Ermittlung und Reduzierung von periodischen Fehlern inkrementeller Sensoren mittels mathematischer Verfahren vor, wobei bei einer Kalibrierung bzw. zur Feststellung von Messwertungenauigkeiten genutzt wird, dass die Schritte eines Antriebs nicht mit der Signalperiode des inkrementellen Sensors korreliert sind, sodass gemessene periodische Schwankungen nicht dem Antrieb sondern den Ungenauigkeiten des Sensors zuzuordnen sind und somit kompensiert werden können. Alternativ zur tatsächlichen Bewegung über einen Antrieb kann eine virtuelle Bewegung realisiert werden, bei der Veränderungen auf den Sensor, z.B. dessen Optik, Elektronik, etc. die Messsignale so variiert, dass diese wie eine tatsächliche Bewegung auf eine Messeinheit wirken. Für diesen Ansatz eignet sich besonders gut ein Laserinterferormeter, bei dem durch die Variation der Wellenlänge des Lasers ein Interferenzmuster über einen oder mehrere Detektoren wandert, so wie es im Falle einer realen Bewegung auch der Fall wäre. Auch hier gilt es, dass für eine gute Eignung die virtuelle Bewegung nicht mit dem Inkrement des Sensors korreliert sein soll.
Es ist insbesondere möglich, eine gesonderte Kalibrierung vor der eigentlichen Positionieraufgabe, vorzugweise unter Verwendung von z.B. klassischen Korrektur- bzw. Kalibrieralgorithmen, durchzuführen. Alternativ oder ergänzend ist eine Kalibrierung auch während der Positionieraufgabe möglich. In einer Ausführung wird die reale oder virtuelle Schrittweite in verschiedenen Sektoren des Rasterstreifens gemessen. In einer anderen Ausführung werden die benötigten realen oder virtuellen Schritte pro Sektor des Rasterstreifens gezählt. In einer weiteren Ausführung wird eine relative Häufigkeit von Positionsmesswerten in den verschiedenen Sektoren des Rasterstreifens bei realer oder virtueller Bewegung mit konstanter Schrittfrequenz gemessen. In einer anderen Ausführung wird eine Schrittfrequenz beim realen oder virtuellen Verfahren mit konstanter Geschwindigkeit gemessen. Erfindungsgemäß kann eine zusätzliche dynamische Offset- und Amplitudenkorrektur und vorzugsweise auch eine dynamische Phasenkorrektur vorgenommen werden. Die Erfindung ist für den Fall realer Bewegungen insbesondere im Zusammenhang mit einem Piezoantrieb, vorzugsweise Piezoträgheitsantrieb oder Ultraschallantrieb, und/oder einem inkrementellen optischen Encoder oder Interferometer nützlich.

Claims

Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von Messwertungenauigkeiten, im Sinne von periodischen Fehlern eines Interferometers, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Feststellung von Messwertungenauigkeiten umfasst, dass eine virtuelle Verschiebung des Interferometers, die von diesem Interferometer gemessen wird, jeweils nicht mit der Signalperiode des Interferometers korreliert ist, sodass gemessene periodische Schwankungen nicht der Verschiebung, sondern den periodischen Ungenauigkeiten des Interferometers zuzuordnen und somit ermittelt sind und dann kompensiert werden können, mit den Schritten: Erzeugen einer virtuellen Verschiebung, wobei die virtuelle Verschiebung erzeugt wird, indem das Interferenzmuster des Interferometers durch eine durch Ansteuern einer Steuereinheit veranlasste Variation der Wellenlänge der Interferometerwelle relativ gegenüber mindestens einem Detektor des Interferometers wandert, was von der Messeinheit als Bewegung interpretiert werden kann, wobei eine diskrete Verschiebung einer Bewegung gemäß einem Schritt mit einer gewissen Schrittweite entspricht, Aufnehmen von durch die Verschiebung beeinflussten Sensordaten über das zu kalibrierende Interferometer, wobei auf Basis des wandernden Interferenzmusters die virtuelle Bewegung gemessen wird, Bestimmen von mit der Periode des Interferometers korrelierten, periodischen Schwankungen in aus den mit dem zu kalibrierenden Interferometer aufgenommenen Sensordaten bestimmten Ergebnissen, Zuordnen der ermittelten korrelierten, periodischen Schwankungen als Fehler des Interferometers und Kompensieren der periodischen Fehler des Interferometers auf Basis der bestimmten Korrelation in der Weise, dass der von der Position innerhalb des Inkrements abhängige Fehler korrigiert wird oder zu mindestens reduziert wird, indem der ermittelte Fehler, bzw. Fehlerverlauf mit den Messdaten verrechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ansteuern der Steuereinheit zur Bewirkung einer jeweilig vorbestimmten virtuellen Schrittweite bei einer Vielzahl von Schritten bestimmt ist, wobei das Bestimmen der Korrelation ein Zuordnen einer jeweils gemessenen Schrittweite zu einem Segment der Periode des Interferometers umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Messung ein Zählen der zum Durchlaufen nötigen Schritte umfasst und das Bestimmen der Korrelation ein Vergleichen der Schrittzahl für verschiedene Abschnitte umfasst und das Ansteuern der Steuereinheit zum Durchlaufen wenigstens eines Positions- oder Lagebestimmungsbereichs entsprechend einem Abschnitt der Periode mit einer Vielzahl von Schritten bestimmt ist, wobei das Durchlaufen auf Basis einer Ausgabe des Interferometers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte eine für alle Abschnitte jeweils im Mittel konstante Schrittweite oder eine bekannte Schrittweitenvariation aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Messung ein Bestimmen einer zumindest relativen Häufigkeit von Positions- oder Lagebestimmungen innerhalb eines jeweiligen Abschnitts umfasst und das Bestimmen der Korrelation ein Vergleichen der Häufigkeiten für verschiedene Abschnitte umfasst, wobei das Ansteuern der Steuereinheit zum Durchlaufen wenigstens eines Positions- oder Lagebestimmungsbereichs entsprechend einem Abschnitt der Periode mit einer Vielzahl von Schritten bestimmt ist, wobei das Durchlaufen auf Basis einer Ausgabe des Interferometers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Messung ein Bestimmen einer Schrittfrequenz umfasst und das Bestimmen der Korrelation einen Vergleich der Schrittfrequenz für verschiedene Abschnitte umfasst, wobei das Ansteuern der Steuereinheit zur Erzeugung der Verschiebung über die virtuelle Verschiebung mit vorbestimmter Geschwindigkeit bestimmt ist, wobei eine Regelung der Geschwindigkeit auf Basis einer Ausgabe des Interferometers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte Geschwindigkeit konstant ist oder einem vorbestimmten Geschwindigkeitsverlauf folgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Regelung der Geschwindigkeit eine Regelung einer Schrittfrequenz und/oder einer Amplitude des Ansteuerns der Steuereinheit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ansteuern der Steuereinheit für eine Vielzahl von virtuellen Verschiebungen, insbesondere zufälligen virtuellen Verschiebungen, bestimmt ist, eine Messung ein Bestimmen einer zumindest relativen Häufigkeit von virtuellen Positionsbestimmungen der virtuellen Verschiebung innerhalb jeweiliger Abschnitte umfasst und das Bestimmen der Korrelation mit der Periode des Interferometers zur Ermittlung der periodischen Messwertungenauigkeit ein Vergleichen der Häufigkeiten für verschiedene Abschnitte umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kompensieren des periodischen Fehlers vor und/oder während einer Ausführung einer Positionieraufgabe durch einen Antrieb durchgeführt und das Ergebnis des Kompensierens in der Positionieraufgabe durch den Antrieb genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kompensieren für eine dynamische Korrektur von Offset, Amplitude und/oder Phase des Interferometers genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Antrieb ein Piezoantrieb oder ein elektrostriktiver Antrieb ist, insbesondere ein Piezoträgheitsantrieb oder Ultraschallantrieb.
Vorrichtung zur Ermittlung und Kompensation von periodischen Fehlern eines inkrementellen Positions- oder Lagebestimmungssensors in Form eines Interferometers unter Nutzung einer virtuellen Verschiebung des Interferometers, durch Variation der Wellenlänge der Interferometerwelle, infolge dessen das Interferenzmuster gegenüber mindestens einem Detektor des Interferometers wandert, wobei die virtuelle Verschiebung, die durch das Wandern des Interferenzmusters gemessen wird, derart vorgesehen ist, dass sie nicht mit einer Periode des Interferometers korreliert ist, mit: einer Steuereinheit, die ausgestaltet ist, die Wellenlänge zu variieren, einer Messeinheit, die ausgestaltet ist, das Wandern des Interferenzmusters aufgrund der Wellenlängenvariation zu messen, und einer Korrelations- und Kompensationseinheit, die ausgestaltet ist, eine Korrelation periodischer Schwankungen in Ergebnissen der Messungen mit der Periode des Interferometers zu bestimmen und die periodischen Fehler des Interferometers auf Basis der bestimmten Korrelation zu kompensieren.
Positioniersystem mit einem Interferometer zur Positions- oder Lagebestimmung, einem Antrieb, der eine Bewegungsantwort auf eine Ansteuerung aufweist, wobei die Bewegungsantwort nicht mit einer Periode des Interferometer korreliert ist, und einer Vorrichtung zur Kompensation von periodischen Fehlern des Interferometers nach Anspruch 13.
Computerprogramm mit Computerprogrammmitteln, die eine Vorrichtung zur Kompensation von periodischen Fehlern nach Anspruch 13 dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf der Vorrichtung ausgeführt wird.