DE102020128726B3

DE102020128726B3 - Gebervorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Position

Info

Publication number: DE102020128726B3
Application number: DE102020128726.7A
Authority: DE
Inventors: David Hopp
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2040-11-03

Abstract

Es wird eine Gebervorrichtung (10) zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts bezüglich eines relativ zu dem ersten Objekt (12) bewegten zweiten Objekts angegeben, wobei die Gebervorrichtung (10) eine mit dem ersten Objekt (12) verbindbare Maßverkörperung (14) und eine mit dem zweiten Objekt verbindbare Abtasteinheit (18) zum Abtasten der Maßverkörperung (14) und Erzeugen mindestens eines ersten Abtastsignals und eines zweiten Abtastsignals sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (22) aufweist, die dafür ausgebildet ist, die Position aus den Abtastsignalen zu bestimmen. Dabei ist die Steuer- und Auswertungseinheit (22) weiterhin dafür ausgebildet, einen Offsetwert zu dem ersten und/oder dem zweiten Abtastsignal zu addieren, aus den mit dem Offsetwert modifizierten Abtastsignalen ein erstes Vektorlängensignal und aus dem Vektorlängensignal die Position zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gebervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts bezüglich eines relativ zu dem ersten Objekt bewegten zweiten Objekts nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 13.
Bei Gebervorrichtungen werden lineare und rotatorische Systeme unterschieden. Ein Lineargeber bestimmt eine Verschiebung auf einer Achse. Ein Drehgeber, Drehwinkelsensor oder Encoder dient dagegen der Erfassung eines Drehwinkels oder einer Winkelstellung beispielsweise einer Welle eines Antriebselements. Ein wichtiges Anwendungsfeld sind sogenannte Motor-Feedback-Systeme, wo der Drehgeber in einem Servomotor die Ist-Drehzahl an die Regelung rückmeldet.
Dabei wird jeweils eine Maßverkörperung abgetastet, die längs der linearen Achse beziehungsweise an der Welle mitdrehend angebracht ist. Die Maßverkörperung fungiert als Modulator und erzeugt über die Relativbewegung eine Intensitätsmodulation in einem Abtastsensor. Das entsprechende modulierte Empfangssignal der Empfängervorrichtung wird ausgewertet, um die gesuchte Winkelinformation zu gewinnen. Besonders verbreitet sind Sin-/Cos-Geber, die mit zwei Empfangselementen im gegenseitigen Phasenversatz von 90° je ein Sinus- und ein Cosinussignal erzeugen. Die Position wird mittels der Arkustangens-Funktion unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Quadranten berechnet. Manche Systeme nutzen eine größere Anzahl Empfangselemente, um beispielsweise differentielle Signale mit zusätzlichen negativen Sinus- und Cosinussignalen zu gewinnen, oder andere Phasenunterschiede wie 120°. Auch nicht sinusförmige Modulationen sind bekannt, oder es sind absolute und inkrementelle Maßspuren vorgesehen. Zusätzliche Kalibrier- oder Justageschritte verbessern die Genauigkeit.
Für die zugrundeliegenden Sensorprinzipien werden verschiedene Technologien eingesetzt. Die Maßverkörperung optischer Gebervorrichtungen ist eine relativ zu einem Lichtsender und dem Abtastsensor rotierende Codescheibe, die für Durchlicht bei Transmissionsanordnung von Lichtsender und Abtastsensor optisch transparente und nichttransparente Bereiche beziehungsweise für Auflicht bei Reflexionsanordnung von Lichtsender und Abtastsensor reflektierende und absorbierende Bereiche aufweist. Diese Bereiche oder Codeelemente können Öffnungen, reflexive und diffraktive Strukturen, Prismen, in Durchlässigkeit, Reflexivität, Grauton oder Farbe variierende Strukturen und sonstige optisch unterscheidbare Elemente sein. Zusammen ergeben die Codeelemente eine Maßspur, und damit wird ein Beleuchtungsmuster und mit der Rotation eine lokale Modulation des auf den Lichtempfänger auftreffenden Lichts erzeugt. Das Prinzip ist auf eine Maßverkörperung für die Längenmessung übertragbar, die dann natürlich nicht rotiert, sondern eine Relativbewegung in Längsrichtung vollzieht. Magnetische Gebervorrichtungen detektieren beispielsweise mit einem Hall-Sensor die Drehbewegung entsprechender magnetischer Strukturen. Es sind weitere physikalische Wirkprinzipien geeignet, beispielhaft genannt seien noch kapazitive und induktive Gebervorrichtungen.
Es besteht eine steigende Nachfrage nach Gebervorrichtungen, die besondere Sicherheitsanforderungen erfüllen. In der Sicherheitstechnik werden strenge Bedingungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit von Sensoren gestellt, um beispielsweise in bestimmten Klassen (SIL, Safety Integrity Level) von Sicherheitsnormen wie der EN 61508 zugelassen zu werden. Typische Sicherheitsfunktionen sind Notausschaltungen, Abschalten überhitzter Geräte oder die Überwachung gefährlicher Bewegungen.
Eine bekannte Möglichkeit, solchen Anforderungen gerecht zu werden, ist die Verwendung zweier unterschiedlicher physikalischer Wirkprinzipien in einer Gebervorrichtung. Dazu zwei unabhängige Systeme in einem Gehäuse parallel betrieben, beispielsweise eine optische und eine magnetische Gebervorrichtung. Diese diversitäre Redundanz sorgt für hohe Verlässlichkeit, aber durch die doppelten Maßverkörperungen und Abtastsensoren wird das Gesamtsystem aufwändig, baugroß und kostenintensiv. Etwas weniger Aufwand, dafür aber auch weniger Verlässlichkeit durch Redundanz nun ohne Diversität bedeutet es, die Position mindestens doppelt durch mindestens zwei Abtastsensoren und eine gemeinsame Maßverkörperung zu bestimmen. Aufgrund des identischen physikalischen Wirkprinzips ist die Anfälligkeit gegenüber gleichartigen Störeinflüssen erhöht, so dass immer noch eine erhöhte Ausfallgefahr besteht. Ein Schritt zurück zu Diversität und damit mehr Sicherheit ist durch Ausnutzen verschiedener physikalischer Effekte derselben Maßverkörperung denkbar. So kombiniert etwa die EP 2 664 897 A1 einen Magnetsensor und einen magnetooptischen Sensor.
Um funktionale Sicherheit zu bieten, muss eine sichere Drehgebervorrichtung eine mögliche Fehlfunktion und vor allem eine falsch ermittelte Position erkennen können. Ohne die angeführten Redundanzen mit mehreren parallelen Detektionskanälen und den Nachteilen der erhöhten Komplexität ist das jedoch schwer überprüfbar. Wie oben beschrieben, bilden typischerweise zwei phasenversetzte sinusförmige Signale den Ausgangspunkt der Positionsberechnung. Ob in der dann folgenden Kaskade serieller Rechenschritte und Übermittlungen bis zur Ausgabe Fehler oder ungewollte Änderungen auftreten, lässt sich aber dem Positionswert nicht ansehen. Eine Fehlfunktion kann demnach allein aus dieser Signal- und Verarbeitungskette nicht aufgedeckt werden.
Im Stand der Technik ist bekannt, aus den sinusförmigen Signalen eine Vektorlänge zu berechnen und diese zu überwachen, um Fehler zu erkennen. Das ist betrifft jedoch die vorgelagerte Frage, ob das Messsystem korrekte Abtastsignale liefert, und nicht die dann folgende Auswertung zur Bestimmung einer Position. Die berechnete Vektorlänge trägt zur Positionsbestimmung selbst nicht bei. Beispielsweise werden in der EP 2 746 732 A1 Extremwerte der Abtastsignale in Spitzenwerthalteeinrichtungen erfasst und verschiedenen Prüfungen unterzogen. Bei diesen Extremwerten ist aber der Zeit- und damit Längen-, Winkel- oder allgemein Positionsbezug verlorengegangen, das eignet sich daher von vorneherein nicht, die Positionsauswertung zu testen.
Die DE 10 2018 117 891 A1 offenbart eine Beseitigung von grundlegenden harmonischen Positionsmessfehlern in einem Positionserfassungssystem. Dabei werden zu den rohen Sinus- und Kosinussignalen Sensorsignal-Offsets adaptiv addiert oder davon subtrahiert, um eine korrigierte Position des Rotors zu berechnen.
Aus der EP 1 979 704 B1 ist ein Analysesystem für ein Encodersignal für eine hochaufgelöste Positionsmessung bekannt. Mehrere Sensoren erzeugen eine entsprechende Anzahl Sensorsignale, die paarweise um 180° versetzt angeordnet sein können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Verlässlichkeit der Positionserfassung einer Gebervorrichtung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Gebervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts bezüglich eines relativ zu dem ersten Objekt bewegten zweiten Objekts nach Anspruch 1 beziehungsweise 13 gelöst. Die Gebervorrichtung misst als Drehgeber oder Encoder eine Winkelstellung insbesondere in einem Motor-Feedback-System, wobei dann vorzugsweise das erste Objekt eine Welle und das zweite Objekt ein stationärer Teil oder Gehäuse des Drehgeber es ist. In einer alternativen Ausführungsform als lineare oder translatorische Gebervorrichtung wird die Position in einer Längsrichtung gemessen. Die als Winkel oder die Längsposition bestimmte Position kann weiterverarbeitet, beispielsweise zur Gewinnung einer Geschwindigkeitsinformation differenziert werden. Die Gebervorrichtung weist eine mit dem ersten Objekt verbindbare Maßverkörperung auf, etwa eine drehbare Codescheibe oder ein langgestrecktes Element mit entsprechenden Kodierungen für eine Längspositionsmessung. Eine mit dem zweiten Objekt verbindbare Abtasteinheit erzeugt durch Abtasten der Maßverkörperung im Laufe der Relativbewegung zwischen erstem Objekt und zweitem Objekt mindestens ein erstes Abtastsignal und ein zweites Abtastsignal, und durch Auswertung der Ablasssignale wird die Position bestimmt.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Position nicht mehr wie herkömmlich unmittelbar aus den Abtastsignalen zu berechnen, jedenfalls nicht ausschließlich, sondern zunächst aus den Abtastsignalen eine Vektorlänge beziehungsweise ein Vektorlängensignal und dann die Position mit Hilfe der Vektorlänge zu bestimmen. Dazu wird zunächst ein Offsetwert zu dem ersten Abtastsignal und/oder zu dem zweiten Abtastsignal addiert. Falls beide Abtastsignal mit einem Offsetwert modifiziert werden, kann dies derselbe oder ein unterschiedlicher Offsetwert sein. Etwas konkreter ist ein Abtastsignal eine Funktion der Zeit oder im bevorzugten Fall nach Digitalisierung eine Zeitreihe von Abtastwerten. Zu den Funktions- oder Abtastwerten wird nun jeweils derselbe konstante Offsetwert künstlich hinzuaddiert beziehungsweise, da der Offsetwert auch negativ sein kann, davon subtrahiert. Der Offsetwert verursacht, wie später noch genauer erläutert wird, eine künstliche Mittelpunktverschiebung.
Aus den derart modifizierten Abtastsignalen wird nun für die jeweiligen Abtastwerte eine Vektorlänge berechnet. Die aneinandergereihten Werte der Vektorlänge ergeben ein erstes Vektorlängensignal über derselben Zeitachse wie diejenige der Abtastsignale selbst. Da wenigstens eines der zugrundeliegenden Abtastsignale durch den Offsetwert künstlich verschoben ist, bleibt die Vektorlänge nicht konstant wie im zentrierten Fall ohne Offset, sondern wird periodisch mit dem Winkel beziehungsweise der Längsposition moduliert. Damit kann das erste Vektorlängensignal ebenso wie ein Abtastsignal verarbeitet und daraus eine Position bestimmt werden, wobei vorzugsweise ein konstanter Gleichanteil abzuziehen ist. Hierfür ist ein zweites periodisch moduliertes Signal erforderlich, wobei es sich je nach Ausführungsform um eines der Abtastsignale oder ein weiteres Vektorlängensignal handeln kann. Entsprechende Ausführungsformen werden weiter unten erläutert.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass über den Weg der Vektorlängenberechnung eine alternative Auswertung zur Bestimmung einer Position ermöglicht wird. Das ist prinzipiell als solches einsatzfähig, wird aber vorzugsweise parallel als zweiter und unabhängiger Kanal oder Pfad neben einer klassischen Positionsberechnung oder, wie ebenfalls noch auszuführen sein wird, in verschiedenen Kombinationen von Abtastsignalen und Vektorlängensignalen für eine zwei- oder mehrkanalige beziehungsweise doppelte oder mehrfache Bestimmung der Position verwendet. Damit wird dann eine Fehleraufdeckung der Positionsauswertung ermöglicht, auf deren Basis funktionale Sicherheit oder eine höhere Sicherheitsstufe erreicht werden kann. Ein aufwändiges weiteres Messsystem, wie die Kombination zweier unterschiedlicher oder gleichartiger Abtasteinheiten und entsprechender Maßverkörperungen, ist dafür nicht erforderlich, es genügen die typischen Abtastsignale einer klassischen Positionsbestimmung als Eingangssignale. Die Auswertung erfolgt vorzugsweise digital, so dass Änderungen oder Zusätze in der Analogtechnik ebenfalls nicht nötig sind.
Das zweite Abtastsignal entspricht bevorzugt dem um eine Phase versetzten ersten Abtastsignal. Vorzugsweise beträgt die Phase 90°, und jedenfalls nicht 0°, denn das wäre kein Phasenversatz, und auch nicht 180° für eine reine Negation.
Das erste Abtastsignal ist bevorzugt ein Sinussignal und das zweite Abtastsignal ein gegen das erste Abtastsignal phasenversetztes Sinussignal. Damit sind die zugrundeliegenden Eingangssignale diejenigen, wie sie sehr häufig in der einleitend beschriebenen Weise verwendet werden. Bei einer bevorzugten Phase von 90° werden ein Sinussignal und ein Cosinussignal erfasst. Bevorzugt ist zur Erzeugung von sinusartigen Signalen in der Abtasteinheit mindestens ein Abtastelement mit sinusförmiger Geometrie vorgesehen.
Die Abtasteinheit erzeugt vorzugsweise ein drittes Abtastsignal mit einem Phasenversatz von 180° zu dem ersten Abtastsignal und ein viertes Abtastsignal mit einem Phasenversatz von 180° zu dem zweiten Abtastsignal. Daraus werden durch paarweise Differenzbildung zwischen erstem Abtastsignal und drittem Abtastsignal beziehungsweise zweitem Abtastsignal und viertem Abtastsignal ein differentielles erstes Abtastsignal und ein differentielles zweites Abtastsignal erzeugt. Zu mindestens einem der beiden differentiellen Abtastsignale wird dann wie beschrieben der Offsetwert addiert. In bevorzugter Ausführungsform mit sinusförmigen Abtastsignalen bei Phasenversatz 90° werden die Signale sin, cos, -sin und -cos erfasst, wobei alternativ andere Modulationen und ein anderer Phasenversatz möglich bleiben. Die Bestimmung differentieller Abtastsignale hat den Vorteil, dass manche Störeffekte wie ein Versatz beziehungsweise Offset kompensiert werden. Jener Versatz ist womöglich variabel und jedenfalls unbekannt und würde sich daher der gewünschten Modulation der Vektorlänge auf unerwünschte Weise überlagern.
In anderen Ausführungsformen werden ein drittes Abtastsignal und möglicherweise weitere Abtastsignale nicht zum Erzeugen eines differentiellen Abtastsignals, sondern als eigenständige Informationsquelle verwendet. Beispielsweise werden drei Abtastsignale mit einem Phasenversatz bei 0°, 120° und 240° erzeugt. Es entstehen dadurch auch mehr Möglichkeiten, zu welchem Abtastsignal oder welchen Abtastsignalen ein Offsetwert addiert werden kann, und folglich zusätzliche Möglichkeiten, aus welchen Quellen das erste Vektorlängensignal bestimmt werden kann.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das erste Vektorlängensignal aus den Summen der Quadrate von erstem Abtastsignal und zweitem Abtastsignal zu bestimmen, insbesondere mit Ziehen der Wurzel. Die Berechnung lehnt sich also an die an sich bekannte Formel für eine Vektorlänge sqrt(sin²+cos²) an, wobei mache eineindeutigen Modifikationen wie ein konstanter Reskalierungsfaktor an der berechneten Kerngröße Vektorlänge nichts Entscheidendes ändern, und auch auf das relativ rechenintensive Ziehen der Wurzel kann wahlweise verzichtet werden.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, mindestens ein zweites Vektorlängensignal aus modifizierten Abtastsignalen zu bestimmen, in denen der Offsetwert zu einer anderen Kombination von erstem Abtastsignal und zweitem Abtastsignal addiert ist als für das erste Vektorsignal. Dem zweiten Vektorlängensignal liegen somit Abtastsignale zugrunde, die in anderer Weise durch einen konstanten Offsetwert modifiziert sind. Konkret kann bei zwei Abtastsignalen der Offsetwert dem ersten Abtastsignal, dem zweiten Abtastsignal oder beiden Abtastsignalen zugeschlagen werden. Eine der drei Möglichkeiten wird für das erste Vektorlängensignal und eine andere der drei Möglichkeiten für das zweite Vektorlängensignal verwendet. Aus der verbleibenden Kombination könnte ein drittes Vektorlängensignal bestimmt werden, und wenn ein drittes Abtastsignal oder weitere Abtastsignale erfasst werden, entstehen zusätzliche Kombinationen für andere oder weitere Vektorlängensignale.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, mindestens ein zweites Vektorlängensignal aus modifizierten Abtastsignalen zu bestimmen, zu denen ein anderer Offsetwert addiert wird. Anstelle einer Variation der Abtastsignale, zu denen ein Offsetwert addiert wird oder nicht addiert wird, wird in dieser Ausführungsform der Offsetwert selbst verändert, um zusätzliche Kombinationen von modifizierten Abtastsignalen zu erhalten, aus denen andere oder weitere Vektorlängensignale bestimmt werden können. Durch Mischformen, in denen der Offsetwert jeweils zu anderen Abtastsignalen addiert und/oder ein anderer Offsetwert zu einem jeweiligen Abtastsignal addiert wird, kann eine noch größere Vielzahl unterschiedlicher Vektorlängensignale erzeugt werden.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Position aus dem ersten Vektorlängensignal und dem zweiten Vektorlängensignal zu bestimmen. Wegen des künstlich addierten Offsetwerts sind die Vektorlängensignale periodisch mit der Position modulierende Signale ganz entsprechend den klassisch verwendeten Abtastsignalen selbst. Somit lässt sich aus den Vektorlängensignalen eine Position auch ganz analog so berechnen wie herkömmlich aus den Abtastsignalen, insbesondere durch Verwendung einer Arkustangens-Funktion. Die beiden Vektorlängensignale unterscheiden sich darin, aus welchen Abtastsignalen sie bestimmt sind, zu welchem dieser Abtastsignale ein Offsetwert addiert ist oder nicht und/oder welche Offsetwerte jeweils addiert sind.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Position aus einem Vektorlängensignal und einem Abtastsignal zu bestimmen. Statt wie herkömmlich eine Position aus zwei Abtastsignalen oder wie im vorigen Absatz aus zwei Vektorlängensignalen zu bestimmen, wird hier sozusagen gemischt ein Vektorlängensignal und ein Abtastsignal verwendet. Dafür gibt es wiederum zahlreiche möglichen Kombinationen aus einerseits dem ersten Vektorlängensignal oder einem der weiteren bereits vorgestellten Vektorlängensignale und andererseits einem der Abtastsignale, denen hier vorzugsweise kein Offsetwert zugeschlagen ist. Vektorlängensignal wie Abtastsignal sind jeweils mit der Position modulierende Signale und können daher wie herkömmlich einer Berechnung der Position beispielsweise mit Hilfe der Arkustangens-Funktion zugrunde gelegt werden. Allerdings ist die Amplitude des Vektorlängensignals in aller Regel eine andere als diejenige des Abtastsignals, sie hängt von dem künstlichen Offsetwert ab, und daher wird bevorzugt noch eine Amplitudenanpassung vorgenommen, bei der die Werte zumindest eines der Signale mit dem beispielsweise aus Extrema bestimmten Verhältnis der Amplituden reskaliert werden.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Position mindestens zweimal aus unterschiedlichen Kombinationen von Abtastsignalen und/oder Vektorlängensignalen zu bestimmen, insbesondere je einmal aus zwei Abtastsignalen und einmal aus zwei Vektorlängensignalen oder aus einem Abtastsignal und einem Vektorlängensignal. Das Vektorlängensignal bietet eine Möglichkeit, die Position auf andere Weise zu gewinnen als mit klassischer Auswertung der Abtastsignale. Dies wiederum lässt sich nutzen, um die Position doppelt oder mehrfach auf unterschiedliche Weise zu bestimmen und durch Vergleich der Ergebnisse mögliche Fehler in der Auswertung aufzudecken. Dabei gibt es grundsätzlich drei Wege, nämlich klassisch aus zwei Abtastsignalen, erfindungsgemäß aus zwei Vektorlängensignalen oder erfindungsgemäß aus einem Abtastsignal und einem Vektorlängensignal. Insbesondere wird nun die klassische Auswertung mit einer erfindungsgemäßen Auswertung kombiniert, um die Position zweimal auf unterschiedlichen Wegen zu erfassen. Ebenso wäre aber auch eine Kombination unterschiedlicher erfindungsgemäßer Wege denkbar, und dies alternativ auch auf mehreren statt nur zwei Wegen für noch größere Verlässlichkeit.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Position mindestens zweimal aus unterschiedlich gewonnenen Vektorlängensignalen zu bestimmen. Im Vorabsatz wurden drei grundsätzliche Wege zur Positionserfassung beschrieben, von denen zwei erfindungsgemäß entweder ein Abtastsignal mit einem Vektorlängensignal oder zwei Vektorlängensignale untereinander kombinieren. Wie zuvor schon erläutert, gibt es verschiedenste Möglichkeiten, unterschiedliche Vektorlängensignale zu erzeugen, je nachdem, aus welche Abtastsignalen das Vektorlängensignal entsteht, zu welchem dieser Abtastsignale ein Offsetwert addiert ist und welcher Offsetwert addiert ist. Dadurch lassen sich die beiden erfindungsgemäßen Wege auch in sich zu weiteren unterschiedlichen Positionsbestimmungen variieren, indem dabei jeweils mindestens ein unterschiedliches Vektorlängensignal verwendet wird. Es entsteht durch Kombination eine große Vielzahl an Varianten, wie die Positionsbestimmung zwei- oder mehrfach unterschiedlich durchgeführt werden kann.
Wird in einer der zahlreichen Varianten die Position mindestens zweimal unterschiedlich bestimmt, so lässt sich damit eine Fehleraufdeckung der Auswertung als wichtiger Beitrag für funktionale Sicherheit erreichen. Es wird demnach möglich, die Gebervorrichtung sicher im einleitenden Sinne des erfüllen einschlägiger Sicherheitsnormen auszubilden. Ein Beispiel einer derartigen Sicherheitsnorm für funktionale Sicherheit ist die EN 61508. Eine sichere Gebervorrichtung erfüllt diese oder eine andere Sicherheitsnorm für funktionale Sicherheit, beispielsweise ein Äquivalent für eine andere Region oder eine Nachfolgenorm. Der Zusatzaufwand für die Fehleraufdeckung liegt ausschließlich in der Auswertung, die vorzugsweise eine rein digitale Implementierung ist. Zusätzliche Abtasteinheiten oder sonstige zusätzliche Hardwarebausteine etwa für analoge Verarbeitungen sind nicht erforderlich.
Die Gebervorrichtung ist bevorzugt als Drehgeber oder als Längenmesssystem ausgebildet. Diese beiden Ausgestaltungsmöglichkeiten zur Winkel- oder Längenmessung wurden oben schon kurz vorgestellt. In einem Drehgeber rotiert die Maßverkörperung, die dann auch als Codescheibe bezeichnet wird und eine kreisförmige Codespur aufweist, relativ zu der Abtasteinheit. Bei einem Längenmesssystem ist entsprechend die Maßverkörperung langgestreckt, wobei die Codeelemente auf einer Geraden angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Darstellung eines Drehgebers als Beispiel einer Gebervorrichtung;
2 eine Darstellung der auf klassische Weise aus den Abtastsignalen einer Gebervorrichtung bestimmten Position als Funktion des Winkels;
3 eine Darstellung der Abtastsignale eines Drehgebers, nämlich hier eines Sinus- und Cosinussignals, sowie diesen gegenüber durch einen künstlichen Offsetwert versetzte modifizierte Abtastsignale;
4 zwei Beispiele von Kombinationen von Abtastsignalen und mit einem Offset modifizierten Abtastsignalen als Kreisdarstellung;
5 eine Darstellung periodisch modulierter Vektorlängen, die aus dem Beispiel der 4 berechnet sind;
6 eine Darstellung der aus den modulierten Vektorlängen gemäß 4 bestimmten Position als Funktion des Winkels; und
7 eine Darstellung der modulierten Vektorlängen gemäß 5 nach Abziehen eines Gleichanteils.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gebervorrichtung 10, die als Drehgeber oder Encoder ausgebildet ist. Die Gebervorrichtung 10 weist eine mit der Welle 12 rotierende Codescheibe als Maßverkörperung 14 auf, und auf der Maßverkörperung 14 befindet sich mindestens eine Codespur oder Maßspur 16 mit Codeelementen.
Eine Abtasteinheit 18 mit mehreren hier nicht einzeln gezeigten Lichtempfangselementen oder Photodioden tastet die Maßspur 16 im Verlauf der Drehbewegung ab. Die Lichtempfangselemente sind vorzugsweise auf einem Opto-ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) integriert und empfangen das Licht eines Lichtsenders 20, das durch die Maßspur 16 dringt. Die Maßspur 16 fungiert als Modulator, und die Abtasteinheit 18 erzeugt entsprechend modulierte Abtastsignale. Zur bevorzugten Erzeugung von sinusförmigen Abtastsignalen sind zwei Empfangselemente der Abtasteinheit 18 vorgesehen, die eine sinusförmige Geometrie im gegenseitigen Phasenversatz aufweisen, somit entstehen bei einem 90°-Phasenversatz ein Sinussignal und ein Cosinussignal. Andere Ausführungsformen nutzen eine andere als sinusförmige Modulation, einen anderen Phasenversatz als 90° und/oder eine andere Anzahl von Empfangselementen, um beispielsweise drei Abtastsignale im Phasenversatz 0°, 120° und 240° oder durch Phasenversatz 0°, 90°, 180° und 270° Abtastsignale gemäß sin, cos, -sin und -cos und nach paarweiser Differenzbildung differentielle Sinus- und Cosinussignale zu erfassen.
Eine Steuer- und Auswertungseinheit 22 bewertet die entsprechend modulierten Abtastsignal, beispielsweise ein Sinus- und ein Cosinussignal, um die jeweilige Winkelstellung der Codescheibe zu bestimmen. Innerhalb einer Periode kann den Abtastwerten der beiden Abtastsignale eindeutig eine Position beziehungsweise ein Winkel zugeordnet werden. Bei einem Sinus- und Cosinussignal kann diese Position mit Hilfe des Arkustangens berechnet werden. Diese Ausgabegrößen oder daraus ermittelte Größen können an einem Ausgang bereitgestellt werden. Vorzugsweise erfolgt die Bewertung im Digitalen nach entsprechender Analog-Digital-Wandlung. Prinzipiell kann die Steuer- und Auswertungseinheit 22 auch zumindest teilweise extern vorgesehen sein, die Gebervorrichtung 10 gibt dafür beispielsweise die Abtastsignale zur weiteren Verarbeitung aus.
2 zeigt die auf diesem Weg aus einem Sinus- und einem Cosinussignal bestimmte Position in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Winkel. Bei fehlerfreier Funktion muss sich abgesehen von Toleranzen und Messfehler die Identitätsfunktion ergeben, und das ist abgesehen von Periodizitätseffekten, die hier beim Winkel π zu einer scheinbaren Unstetigkeit durch Identifizierung von +π mit -π führen, auch der Fall. Es sei noch angemerkt, das ab jetzt Winkel in Radiant angegeben werden, während oben ein Phasenversatz zwischen Abtastsignalen noch mit Grad bezeichnet war, wobei es für das Verständnis der Erfindung auf eine jeweilige und etwaig noch erforderliche triviale Umrechnung natürlich nicht ankommt.
Erfindungsgemäß ist statt dieser klassischen Berechnung oder zusätzlich dazu eine Positionsbestimmung nicht direkt aus den Abtastsignalen, sondern auf Basis eines Vektorlängensignals in der Steuer- und Auswertungseinheit 22 implementiert, das aus den Abtastsignalen durch Aufaddieren eines Offsetwerts gewonnen wird. Dies wird später unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 näher erläutert.
Die Darstellung der Gebervorrichtung 10 in 1 ist sehr schematisch. Daher ist die Ausgestaltung der Abtasteinheit 18 mit zugehörigem Lichtsender 20 sehr einfach gehalten. Insbesondere in Bezug auf die Dimensionierungen und konkreten Positionen der Bauelemente kann die Gebervorrichtung 10 in der Praxis stark von 1 abweichen. Alternativ zu einem transmissiven Aufbau ist auch ein reflexiver Aufbau denkbar, bei dem sich Abtasteinheit 18 und Lichtsender 20 auf derselben Seite der Maßverkörperung 14 befinden und die Maßspur 16 reflektierende Eigenschaften hat. Auch die Ausführung als optoelektronischer Gebervorrichtung 10 ist beispielhaft, alternativ kann erfindungsgemäß eine magnetische, induktive oder kapazitive Gebervorrichtung 10 vorgesehen sein oder ein sonstiges geeignetes physikalisches Wirkprinzip zur Erfassung von Abtastsignalen eingesetzt werden.
Auch die Ausgestaltung der Gebervorrichtung 10 als Drehgeber ist beispielhaft zu verstehen, es kann sich alternativ um ein Längenmesssystem mit entsprechender langgestreckter Maßverkörperung 14 und einer längs einer Geraden angeordneten Maßspur 16 handeln.
3 zeigt zum einen als Beispiel zweier Abtastsignale mit strichpunktierter Linie und durchgezogene Linie ein Sinussignal beziehungsweise ein Cosinussignal, das die Abtasteinheit 18 erzeugt. Erfindungsgemäß wird zumindest eines der beiden Abtastsignale durch Aufaddieren eines künstlichen, konstanten Offsetwerts modifiziert. Im Beispiel der 3 wird derselbe positive Offsetwert zu beiden Abtastsignalen addiert, und so entsteht mit gepunktete Linie über dem Sinussignal ein Sinussignal mit Versatz und mit gestrichelte Linie über dem Cosinussignal ein Cosinussignal mit Versatz. Der Offsetwert ist im Prinzip beliebig und kann positiv wie negativ sowie für beide Abtastsignale gleich oder unterschiedlich sein.
Aus der klassischen Winkelberechnung ist bekannt, dass ein Versatz zwischen zwei Signalen bei der Positionsberechnung zu einem Positionsfehler führt. Dieser Positionsfehler wiederum ist sinusförmig über eine Signalperiode, seine Amplitude hängt von der Größe des Versatzes ab, und seine Phasenlage ist abhängig sowohl von dem Versatz als auch von der Phasenlage der Signale. Der zusätzlich addierte Offsetwert führt somit gleichsam in wohldefinierter Weise einen solchen Positionsfehler künstlich ein.
4 zeigt jeweils als Kreisdiagramm die Kombination zweier Abtastsignale, nämlich hier beispielhaft mit gestrichelter Linie die Kombination eines nicht durch einen Offsetwert modifizierten Sinussignals mit einem modifizierten Cosinussignal, auf das der Offsetwert aufaddiert ist, sowie mit gepunkteter Linie die Kombination eines modifizierten Sinussignals, auf das der Offsetwert aufaddiert ist, mit einem nicht durch einen Offsetwert modifizierten Cosinussignal.
Die Kombination eines reinen Sinussignals mit einem reinen Cosinussignal würde den Einheitskreis um den Mittelpunkt bei (0,0) ergeben. Stattdessen sind in 4 beide Kreise um den Offsetwert verschoben, und zwar in X-Richtung und/oder Y-Richtung je nachdem, ob bei der zugrundeliegenden Kombination zweier Abtastsignale der Offsetwert auf das Sinussignal und/oder auf das Cosinussignal aufaddiert wurde. Das Aufaddieren mindestens eines Offsetswerts bewirkt demnach eine wohldefinierte künstliche Mittelpunktverschiebung.
Die Abtastsignale können auch aufgrund von Toleranzen einen Versatz aufweisen, der ebenfalls eine Mittelpunktverschiebung bewirkt. Deshalb werden vorzugsweise zusätzliche Abtastsignale im Phasenversatz π und durch paarweises analoges oder digitales Subtrahieren von Abtastsignalen differentielle Abtastsignale gewonnen, in denen ein solcher unerwünschter Versatz jedenfalls nahezu eliminiert ist.
5 zeigt das Ergebnis einer Berechnung der Vektorlänge aus den beispielhaft in 4 gezeigten Kombinationen zweier Abtastsignale. Weiterhin entspricht die gestrichelte Linie der Kombination eines nicht durch einen Offsetwert modifizierten Sinussignals mit einem modifizierten Cosinussignal, auf das der Offsetwert aufaddiert ist, und die gepunktete Linie der Kombination eines modifizierten Sinussignals, auf das der Offsetwert aufaddiert ist, mit einem nicht durch einen Offsetwert modifizierten Cosinussignal. Die Vektorlänge berechnet sich nach der Formel sqrt(a₁ ²+ca₂ ²), wobei a₁ und a₂ für die jeweiligen Werte der beiden Abtastsignale stehen. Die Formel entspricht der üblichen Vektorlänge sqrt(sin²+cos²)=1 für den Einheitskreis.
Da der Offsetwert jeweils auf mindestens eines der zugrundeliegenden Abtastsignale aufaddiert und der entsprechende Kreis in 4 dadurch gegenüber dem Mittelpunkt des Einheitskreises bei (0,0) verschiebt, moduliert eine bezüglich des Punktes (0,0) berechnete Vektorlänge sinusförmig über eine jeweilige Periode um den Wert 1. Je nachdem, auf welches Abtastsignalen der Offsetwert aufaddiert wird, ergibt sich eine unterschiedliche Phase. Dadurch entstehen in 5 zwei zueinander phasenversetzte sinusförmige Signale, die für eine ganz analoge Positionsbestimmung verwendet werden können wie die ursprünglichen Abtastsignale, nämlich insbesondere durch Berechnung mit einer Arkustangensfunktion unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Quadranten.
6 ist eine Darstellung der aus den Vektorlängen gemäß 5 bestimmten Position als Funktion des Winkels. Das ist praktisch die gleiche Darstellung wie die 2, in der das Ergebnis einer klassischen Positionsbestimmung unmittelbar aus den Abtastsignalen gezeigt war. Das sollte bei einem funktionsfähigen System auch genau so sein, da dieselbe Position mit zwei unterschiedlichen Auswertungsverfahren bestimmt ist. Die Übereinstimmung ist nicht zwangsläufig perfekt, die Positionsbestimmung über die Vektorlängen hat eine eigene Phasenlage und einen eigenen Positionsfehler. Das zeigt sich im Beispiel der 2 und 6 allerdings nicht. Die genannten Abweichungen sind letztlich sogar erwünscht, da in einer bevorzugten Ausführungsform die Positionsbestimmung über die Vektorlängen eine zweite, unabhängige Positionsbestimmung ist und sein soll, die mit der klassischen Positionsbestimmung verglichen wird.
Um aus den Vektorlängen eine Position bestimmen zu können, sind zwei phasenversetzte Vektorlängensignale erforderlich. Bevorzugt werden wie auch im gewählten Beispiel Kombinationen gewählt, bei denen dieser Phasenversatz wiederum π/2 beträgt wie bei einem klassischen Sinus- und Cosinussignal. Vorzugsweise wird auch noch ein Gleichanteil abgezogen, der einer mittleren Vektorlänge entspricht, also in den normierten Beispielen der Wert 1, um den die Vektorlängensignale in 5 periodisch modulieren.
7 zeigt die Vektorlängen in Abhängigkeit vom Winkel aus 5 nochmals nach dem Abziehen des Gleichanteils. Dabei verändern sich letztlich nur die Werte auf der Beschriftung der Y-Achse. Diese Vektorlängensignale haben ideal keinen und tatsächlich zumindest noch einen sehr geringen Versatz, so dass sich die Position ohne systematische Offsetfehler berechnen lässt.
Die Amplituden in den um einen Gleichanteil bereinigten Vektorlängensignalen sind unmittelbar abhängig von den aufaddierten Offsetwerten, in dem gezeigten Beispiel sogar gleich mit einem Offsetwert 0,1 und einer Maximalamplitude von 0,1. Je nach aufaddiertem Offsetwert fällt somit die Amplitude der Vektorlänge geringer und auch deutlich geringer aus als die Amplitude der Abtastsignale. Somit kann das Signal-Rausch-Verhältnis etwas geringer und damit die erzielte Positionsgenauigkeit etwas geringer sein. Das spielt aber jedenfalls für eine Plausibilisierung von auf klassischem Wege berechneten Positionen zur Fehleraufdeckung in der Praxis keine relevante Rolle. Außerdem können Positionsfehler der über die Vektorlänge berechneten Position mit üblichen Mitteln kalibriert oder korrigiert werden, etwa durch Heranziehen einer Nachschlagtabelle (LUT, Lookup-Tabelle).
Die Positionsbestimmung über den Weg der Vektorlängenberechnung bietet einen zusätzlichen, unabhängigen Auswertungskanal zur klassischen Positionsbestimmung und kann dadurch einen großen Beitrag für die funktionale Sicherheit der Gebervorrichtung 10 leisten.
Konkret anhand der 3 bis 7 beschrieben ist nur die Positionsbestimmung aus zwei Vektorlängensignalen, die aus ganz bestimmten, ausgewählten jeweiligen Kombinationen von Abtastsignalen hervorgehen, von denen jeweils alternierend das eine oder das andere durch den Offsetwert modifiziert ist. Das ist nur eine von zahlreichen Möglichkeiten, über das Vektorlängensignal einen zusätzlichen Weg zur Positionsbestimmung zu schaffen. Zum einen ist denkbar, mehr als zwei Abtastsignale zu verwenden, so dass unterschiedliche Paare von Abtastsignalen für die Bestimmung eines Vektorlängensignals gewählt werden können. Weiterhin kann der Offsetwert in den jeweiligen Kombinationen auf unterschiedliche Abtastsignale aufaddiert werden. Auch der Offsetwert selbst kann variiert werden.
Eine weitere Variante besteht darin, nicht zwei Vektorlängensignale zu kombinieren, um die Position zu bestimmen, sondern eine Art Mischform mit einem Vektorlängensignal und einem Abtastsignal. Beides sind periodisch über den Winkel modulierte Signale mit jedenfalls bei geeigneter Wahl gegenseitigem Phasenversatz, und sie können daher ganz analog paarweise einer Berechnung der Position zugrunde gelegt werden. Dabei kann es sinnvoll sein, die Amplituden durch eine Reskalierung aneinander anzupassen.
Diese zahlreichen denkbaren Kombinationen zur Positionsbestimmung auf verschiedenen Wegen unter Ausnutzung eines Vektorlängensignals können mit oder ohne eine weitere klassische Auswertung unmittelbar aus den Abtastsignalen genutzt werden, um die Verlässlichkeit der Positionsbestimmung und Fehleraufdeckung weiter zu erhöhen.

Claims

Gebervorrichtung (10) zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts bezüglich eines relativ zu dem ersten Objekt (12) bewegten zweiten Objekts, wobei die Gebervorrichtung (10) eine mit dem ersten Objekt (12) verbindbare Maßverkörperung (14) und eine mit dem zweiten Objekt verbindbare Abtasteinheit (18) zum Abtasten der Maßverkörperung (14) und Erzeugen mindestens eines ersten Abtastsignals und eines zweiten Abtastsignals sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (22) aufweist, die dafür ausgebildet ist, die Position aus den Abtastsignalen zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswertungseinheit (22) weiterhin dafür ausgebildet ist, einen Offsetwert zu dem ersten und/oder dem zweiten Abtastsignal zu addieren, aus den mit dem Offsetwert modifizierten Abtastsignalen ein erstes Vektorlängensignal und aus dem Vektorlängensignal die Position zu bestimmen.
Gebervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das zweite Abtastsignal dem um eine Phase versetzten ersten Abtastsignal entspricht.
Gebervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Abtastsignal ein Sinussignal und das zweite Abtastsignal ein gegen das erste Abtastsignal phasenversetztes Sinussignal ist.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtasteinheit (18) ein drittes Abtastsignal mit einem Phasenversatz von 180° zu dem ersten Abtastsignal und ein viertes Abtastsignal mit einem Phasenversatz von 180° zu dem zweiten Abtastsignal erzeugt.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, das erste Vektorlängensignal aus den Summen der Quadrate von erstem Abtastsignal und zweitem Abtastsignal zu bestimmen, insbesondere mit Ziehen der Wurzel, wobei das erste und/oder zweite Abtastsignal mit dem Offsetwert modifiziert ist.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, mindestens ein zweites Vektorlängensignal aus modifizierten Abtastsignalen zu bestimmen, in denen der Offsetwert zu einer anderen Kombination von erstem Abtastsignal und zweitem Abtastsignal addiert ist als für das erste Vektorsignal.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, mindestens ein zweites Vektorlängensignal aus modifizierten Abtastsignalen zu bestimmen, zu denen ein anderer Offsetwert addiert wird.
Gebervorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, die Position aus dem ersten Vektorlängensignal und dem zweiten Vektorlängensignal zu bestimmen.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, die Position aus einem Vektorlängensignal und einem Abtastsignal zu bestimmen.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, die Position mindestens zweimal aus unterschiedlichen Kombinationen von Abtastsignalen und/oder Vektorlängensignalen zu bestimmen, insbesondere je einmal aus zwei Abtastsignalen und einmal aus zwei Vektorlängensignalen oder aus einem Abtastsignal und einem Vektorlängensignal.
Gebervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (22) dafür ausgebildet ist, die Position mindestens zweimal aus unterschiedlich gewonnenen Vektorlängensignalen zu bestimmen.
Gebervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gebervorrichtung (10) als Drehgeber oder als Längenmesssystem ausgebildet ist.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts (12) bezüglich eines relativ zu dem ersten Objekt (12) bewegten zweiten Objekts, wobei eine mit dem ersten Objekt (12) verbundene Maßverkörperung (14) von einer mit dem zweiten Objekt verbundenen Abtasteinheit (18) abgetastet wird, um mindestens ein erstes Abtastsignal und ein zweites Abtastsignal zu erzeugen, und wobei die Position aus den Abtastsignalen bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Offsetwert zu dem ersten und/oder dem zweiten Abtastsignal addiert, aus den mit dem Offsetwert modifizierten Abtastsignalen ein erstes Vektorlängensignal und aus dem Vektorlängensignal die Position bestimmt wird.