DE1953737A1 - Circuit arrangement for increasing the resolution of an electronic angle measuring device - Google Patents
Circuit arrangement for increasing the resolution of an electronic angle measuring deviceInfo
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Description
Anmelder: Philips Patentverwaltung GmbH.
Akte No. PHD- 1326Applicant: Philips Patentverwaltung GmbH.
File No. PHD- 1326
Anmeldung vom: 22 ο Oktober 1969Registration dated: October 22, 1969
Philips Patentverwaltung GmbH, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7.Philips Patentverwaltung GmbH, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7th
Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Auflösung eines elektronischen WinkelmeßgerätesCircuit arrangement for increasing the resolution of an electronic Angle measuring device
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Auflösung eines elektronischen Winkelmeßgerätes, bestehend aus vier Teilscheiben, die paarweise so zusammengefaßt sind, daß die Scheiben eines ersten Paares jeweils die gleiche und vorzugsweise um 1 von der Teilungszahl der Scheiben eines zweiten Paares abweichende Teilungszahl haben, wobei eine Scheibe des einen Paares mit einer Scheibe des anderen Paares ständig gemeinsam rotiert, während eine der beiden weiteren Scheiben feststeht und die vierte Scheibe um den zu messenden Winkel verdrehbar ist, und wobei das Winkelmeßgerät Mittel zur Ableitung je einer Wechselspannung der Frequenz ( Drehgeschwindigkeit der rotierenden Scheiben mal Teilungszahl je Teilscheibenpaar ) und zur Erzeugung von Signalen, die einmal je Umdrehung der rotierenden Scheiben je einen Nulldurchgang dieser Wechselspannungen markieren, enthält.The invention relates to a circuit arrangement for increasing the resolution of an electronic angle measuring device, consisting of four partial disks, which are combined in pairs are that the disks of a first pair are each the same and preferably by 1 of the number of divisions of the disks of a second pair have a different number of pitches, one disk of the one pair with a disk of the The other pair is constantly rotating together, while one of the other two disks and the fourth disk are stationary is rotatable about the angle to be measured, and wherein the angle measuring device means for deriving an alternating voltage the frequency (speed of rotation of the rotating disks times the number of divisions per pair of graduated disks) and for generation of signals that mark a zero crossing of these alternating voltages once per revolution of the rotating disks, contains.
Eine derartige Anordnung zur Bestimmung und digitalen Anzeige der Winkelstellung von Wellen ist bereits bekannt, soSuch an arrangement for determining and digitally displaying the angular position of shafts is already known, see above
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z.B. aus der französischen Patentschrift 1 316 760. Sie besteht aus vier !Deilscheiben, von denen zwei an einem ständig umlaufenden Hilfsrotor befestigt sind, während von den beiden übrigen die eine Scheibe mit der Meßwelle verbunden ist und die andere Scheibe als Referenzscheibe dient. Jede der zuletzt erwähnten Seilscheiben bildet mit einer der an dem Hilfsrotor befestigten Scheiben ein System zur induktiven Spannungserzeugung. Die Frequenz der erzeugten Spannungen ist gleich der Teilungszahl der auf diese Weise paarweise zusammengefaßten Teilscheiben mal der Drehgeschwindigkeit des Hilfsrotors.e.g. from French patent specification 1,316,760. It consists of four! constantly rotating auxiliary rotor are attached, while of the other two the one disc with the measuring shaft is connected and the other disc serves as a reference disc. Each of the last-mentioned pulleys forms with one of the disks attached to the auxiliary rotor, a system for inductive voltage generation. The frequency of the stresses generated is equal to the number of divisions of the graduated disks combined in pairs in this way times the speed of rotation of the auxiliary rotor.
Die Teilungszahlen sind für die beiden Scheibenpaare verschieden gewählt, vorzugsweise unterscheiden sie sich um 1, so daß je Umdrehung des Hilfsrotors eine der erzeugten Wechselspannungen eine Periode mehr umfaßt als die andere.The division numbers are different for the two pairs of pulleys selected, preferably they differ by 1, so that one of the generated per revolution of the auxiliary rotor AC voltages one period more than the other.
Anhand der Figuren 1 a und 1 b soll zunächst erläutert werden, wie mit derart in der bekannten Anordnung erzeugten Wechselspannungen die Winkelstellung von Wellen bestimmt werden kann. Dazu zeigt Figur 1 a je Periodendauer der an dem Referenzscheibenpaar erzeugten Wechselspannung abgeleitete Impulse i^ und in gleicher Weise von dem anderen Scheibenpaar abgeleitete Impulse i«. Figur 1 b zeigt die beiden Impulsreihen in einer anderen Phasenlage.Using FIGS. 1 a and 1 b, it will first be explained how this is produced in the known arrangement AC voltages the angular position of shafts can be determined. To this end, FIG. 1 shows a per period of the at the reference disk pair generated alternating voltage derived pulses i ^ and in the same way from the other Pair of disks derived impulses i «. Figure 1b shows the two pulse series in a different phase position.
Sind, wie in der genannten französischen Patentschrift an gegeben, Mittel vorgesehen, die einen Impuls je UmdrehungAre, as given in the aforementioned French patent , means are provided that one pulse per revolution
^ W 23^ W 23
des Hilfsrotors besonders kennzeichnen, dann kann z.B. · die Impulsreihe i.., wie angedeutet, als eine Skala angesehen werden. In Figur 1a ist der mit 0 bezeichnete Impuls der Reihe i^ mit einem Impuls der Reihe ig koinzident. of the auxiliary rotor, then e.g. the pulse series i .., as indicated, viewed as a scale will. In FIG. 1a, the pulse of the series i ^ marked with 0 coincides with a pulse of the series ig.
Figur 1b zeigt die Reihe ig gegen die Reihe I1 verschoben, wie dies durch Verdrehen einer Meßwelle mit einer daran befestigten Teilscheibe bewirkt wird. Dabei ist z.B. der Impuls 6 mit einem Impuls der Reihe ig koinzident. Der einfacheren Beschreibung wegen soll unter Koinzidenz^auch die Verallgemeinerung, daß zwei Impulse der Reihe ig unmittelbar nach einem Impuls der Reihe i^ folgen, verstanden werden.FIG. 1b shows the row ig shifted against the row I 1 , as is effected by rotating a measuring shaft with a graduated disk attached to it. In this case, for example, the pulse 6 is coincident with a pulse of the series ig. For the sake of simpler description, coincidence ^ should also be understood as the generalization that two impulses in the series ig follow immediately after an impulse in the series i ^.
Aus Pigur 1a, b ist zu erkennen, daß die Koinzidenz vom Impuls 0 über 9 bis wieder 0 läuft, wenn die Impulsreihe Ι« um eine Periodendauer verschoben wird.From Pigur 1a, b it can be seen that the coincidence from Pulse 0 runs through 9 until 0 again when the pulse series Ι «is shifted by one period.
Da das Prequenzverhältnis der Impulsreihen 1* und ig durch die Teilungszahlen η und n+1 der Teilscheiben fest vorgegeben ist und zwei der Scheiben gemeinsam auf einem Rotor befestigt sind, hat die Drehzahl des Rotors grundsätzlich keinen Einfluß auf das Meßergebnis, und einer Periodendauer der Impulsreihe i2 entspricht eine Teilung des zugehörigen Teilscheibenpaares. Das bedeutet, daß der Winkel dieser Teilung durch Abzählen der Impulse i«. von einem markierten Impuls bis zur Koinzidenz zweier Impulse der Reihe I1 und ig in η Teile aufgelöst werden kann. Der VoIl-Since the frequency ratio of the pulse series 1 * and ig is fixed by the division numbers η and n + 1 of the graduated disks and two of the disks are fixed together on a rotor, the speed of the rotor has basically no influence on the measurement result and a period of the pulse series i 2 corresponds to a division of the associated pair of graduated disks. This means that the angle of this division by counting the impulses i «. from a marked pulse to the coincidence of two pulses of the series I 1 and ig can be resolved into η parts. The full
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kreis wird also in η (n+i) Teile aufgelöst, wobei das Ergebnis periodisch etwa 1 mal je Umdrehung des Hilfsrotors abgetastet wird. Entsprechende Anordnungen können auch für Linearverschiebungen ausgeführt werden.circle is therefore resolved into η (n + i) parts, with the result periodically about once per revolution of the auxiliary rotor is scanned. Corresponding arrangements can also be made for linear displacements.
Mit dieser bekannten Anordnung kann bei-relativ groben mechanischen Teilungen eine befriedigende Auflösung erreicht werden. Dabei ist vorteilhaft, daß das Meßergebnis periodisch abgetastet wird. Auf diese Weise hat man die Möglichkeit, ohne Verwendung von Code-Scheiben Winkel n absolut " zu bestimmen.With this known arrangement, a satisfactory resolution can be achieved with relatively coarse mechanical divisions. It is advantageous that the measurement result is scanned periodically. In this way it is possible to determine angles n absolutely "without using code disks.
In der oben genannten französischen Patentschrift ist weiterhin ein Blockschaltbild dargestellt, das schematisch zeigt, wie die von der bekannten Anordnung gelieferten Signale aufbereitet und einem aus einem Grob- und aus einem Peinteil bestehendem Zähler zugeführt werden. Dabei sind als Grobeinheiten die ganzen Teilungen, als Peineinheiten die η Untereinheiten je Teilung zu verstehen.In the above-mentioned French patent specification, a block diagram is also shown that is schematic shows how the signals supplied by the known arrangement are processed and one from a coarse and one from one Peinteil be fed to the existing meter. The whole divisions, as pain units, are used as coarse units to understand the η subunits per division.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Auflösung einer derartigen, bekannten Anordnung noch wesentlich zu erhöhen.The present invention is based on the task of resolving such a known arrangement to increase significantly.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Zähler vorgesehen ist, dem von Beginn des Meßzyklus an periodisch, durch - an sich bekannte elektronische Mittel gesteuert, in den Zeiten zwischen in gleichem Vorzeichensinn durchlaufenenThis object is achieved in that a counter is provided which, from the beginning of the measuring cycle, is cycled through - Controlled electronic means known per se, in the times between traversed with the same sign
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Nulldurchgängen der einen Wechselspannung und denen der zweiten Wechselspannung Zählimpulse aus einem mit der Drehzahl der rotierenden Scheiben synchronisierten Erequenzgenerator solange zugeführt werden, bis dem Zähler während eines dieser Zeitabschnitte nicht mehr Impulse zugeführt worden sind, als seiner Zählkapazität entspricht, und daß damit der Heßzyklus beendet wird.Zero crossings of an alternating voltage and those of the second alternating voltage, counting pulses from a frequency generator synchronized with the speed of the rotating disks are supplied until the counter no longer receives pulses during one of these time periods have been supplied than corresponds to its counting capacity, and that the heating cycle is thus ended.
Auf diese Weise erfolgt eine Verbesserung der Auflösung um einen Faktor k___, wenn kdie Impulsanzahl ist, die der Zähler ohne Überlaufen aufzunehmen vermag. Sie Synchronisierung zwischen Frequenzgenerator und Drehzahl der rotierenden Seilscheiben ist dabei kein Nachteil, weil die Teilscheiben nur geringe Drehgeschwindigkeitsschwankungen erleiden und zum anderen eine Schwankung um 5# prinzipiell noch eine Erhöhung der Auflösung auf das 20-fache erlaubt. Bei Teilungszahlen der Scheiben von z.B. 200 und 201 werden dann bereits weniger als 2 Winkelsekunden aufgelöst. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ersetzt; die sonst notwendige Koinzidenzerkennung, so daß nur ein Seil des Aufwandes zusätzlich notwendig ist. Vorteilhaft ist dabei auch, daß die Maßeinheit dieser Interpolation unmittelbar durch die Wahl des Verhältnisses Zählfrequenz/Drehgeschwindigkeit der Seilscheiben stufenlos wählbar ist.In this way, the resolution is improved by a factor k___ if k is the number of pulses that the Counters can record without overflowing. You synchronization between frequency generator and speed of rotating Sheaves are not a disadvantage because the pulleys have only slight fluctuations in rotational speed suffer and on the other hand a fluctuation of 5 # in principle an increase of the resolution to the 20-fold allowed. If the number of divisions of the discs is 200 and 201, for example then already resolved for less than 2 arc seconds. The circuit arrangement according to the invention replaces; the other necessary coincidence detection, so that only one rope of the effort is additionally necessary. It is advantageous here also that the unit of measurement of this interpolation is directly determined by the choice of the counting frequency / rotational speed ratio the pulley is infinitely variable.
Die Grenze, bie zu der die Auflösung durch die vorgeschlagene Anordnung noch sinnvoll gesteigert werden kann, ist im wesentlichen bestimmt durch die Schärfe, mit der die The limit to which the resolution can still be usefully increased by the proposed arrangement is essentially determined by the sharpness with which the
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Nulldurchgänge der Wechselspannungen erkannt werden können. Sie ist nur noch geringfügig von sekundären Parametern, wie z.B. Amplitude oder Oberwellengehalt der Spannungen, abhängig, wie dies bei anderen Verfahren, die eine möglichst große Auflösung mit groben Seilungen anstreben, der Fall ist,Zero crossings of the alternating voltages can be recognized. It is only slightly dependent on secondary parameters, such as amplitude or harmonic content of the voltages, as is the case with other methods that aim for the greatest possible resolution with coarse ropes,
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren 2a, b, c und 3 näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to FIGS. 2a, b, c and 3.
Die Figuren 2a bis 2c zeigen dabei Ausschnitte aus den Impulszügen i, und i« in verschiedenen Phasenlagen, während Figur 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zeigt.Figures 2a to 2c show excerpts from the pulse trains i, and i «in different phases while FIG. 3 shows a block diagram of an exemplary embodiment shows.
Wie Figur 2a erkennen läßt, hat ein beliebiger Impuls aus der Reihe i^ zu dem nächsten Impuls der Reihe i« eine Voreilung t = t... Bei dem nächsten Impulspaar ist diese Voreilung auf tg verringert und beträgt beim übernächsten Impulspaar t~. Die Voreilung t~ ist bereits kleiner als die maximale Voreilung t___ nach Figur 2b. Dabei stellt aber dieAs can be seen in FIG. 2a, any pulse has passed of the series i ^ to the next impulse of the series i «a lead t = t ... This is the lead for the next pair of pulses reduced to tg and amounts to for the next but one pulse pair t ~. The lead t ~ is already smaller than the maximum lead t___ according to FIG. 2b. But the
TnB*.TnB *.
Voreilung t. = ^mer ei»®11 Grenzfall dar, für den die nächstfolgenden Impulse exakt koinzident sind. Beträgt die Voreilung t β 0 bis t = *meT» so bedeutet das, daß der Meßsyklus der Feinmessung beendet ist. Die Größe der Voreilung innerhalb dieser Grenzen ist ein Haß, durch das die Stufung der Feinmessung interpoliert wird. Bei einer Besinnung der Voreilung Bit 53* Unsicherheit ist die Phasenlage der Impulszüge und damit die Winkellage der Meßwelle 20 mal genauer bestimmt, als dies durch eine einfache Koinzidenzbe-Advance t. = ^ mer ei »® 11 is a borderline case for which the next impulses are exactly coincident. If the lead amounts to t β 0 to t = * meT », this means that the measuring cycle of the fine measurement has ended. The amount of advance within these limits is a hatred by which the gradation of the fine measurement is interpolated. When thinking about the lead bit 53 * uncertainty, the phase position of the pulse trains and thus the angular position of the measuring shaft is determined 20 times more precisely than is the case with a simple coincidence calculation.
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Stimmung möglich, ist,Mood is possible,
Die Arbeitsweise des in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiels ist die folgende. Eine bistabile Kippstufe 1 wird durch einen Impuls der Reihe I1 in diejenige Lage gebracht, in der ein Tor 2 eines Zählers 3 für die Zählimpulse eines Frequenzgenerators 4 geöffnet ist. Die Frequenz dieses Generators hat ein für die gewünschte Meßgenauigkeit genügend gleichbleibendes Verhältnis zur Drehgeschwindigkeit der oben erwähnten rotierenden Teilscheiben und damit zu der Frequenz der an dem Referenzscheibenpaar erzeugten Wechselspannung und der daraus abgeleiteten Impulsfolge X1. Der Zähler 3 soll vor Eintreffen des ersten Impulses aus dem Frequenzgenerator 4 in die Stellung 0 gebracht worden sein. Die Mittel dazu sind jedem Fachmann geläufig und daher nicht dargestellt. Gleichzeitig mit der Kippstufe 1 wird auch eine weitere bistabile Kippstufe 5 von dem Impuls der Reihe i. geschaltet, so daß an einem Eingang eines Undgatters 6 ein Signal anliegt. Trifft nun der nächste Impuls der Reihe i« ein, bevor dem Zähler 3 k Impulse ( k= Kapazität des Zählers 3; sie muß zu t mal der Frequenz des Generators 4 gewählt werden ) zugeführt worden sind, so erscheint nach dem durch den Impuls der Reihe I2 bewirkten Umschalten der Kippstufe 1 am Ausgang des Undgatters 6 ein Signal, das zur Unterbrechung des Meßzyklus führt. Der bis dahin erreichte Stand k des Zählers 3 ist ein Maß für die Winkelstellung der Meßwelle innerhalb der Stufung der Feinmessung. Deshalb wird das TorThe operation of the embodiment shown in Figure 3 is as follows. A bistable multivibrator 1 is brought into the position in which a gate 2 of a counter 3 for the counting pulses of a frequency generator 4 is opened by a pulse of the series I 1. The frequency of this generator has a sufficiently constant ratio for the desired measurement accuracy to the rotational speed of the above-mentioned rotating graduated disks and thus to the frequency of the alternating voltage generated at the reference disk pair and the pulse sequence X 1 derived therefrom. The counter 3 is said to have been set to the 0 position before the first pulse from the frequency generator 4 arrived. The means for this are familiar to every person skilled in the art and are therefore not shown. Simultaneously with the flip-flop 1, a further bistable flip-flop 5 is also activated by the pulse of the series i. switched, so that a signal is present at an input of an AND gate 6. If the next pulse of the series i «arrives before the counter 3 k pulses (k = capacity of the counter 3; it must be chosen to be t times the frequency of the generator 4), then appears after the pulse caused by the Row I 2 caused switching of the flip-flop 1 at the output of the AND gate 6, a signal which leads to the interruption of the measuring cycle. The level k of the counter 3 reached up to that point is a measure of the angular position of the measuring shaft within the graduation of the fine measurement. That is why the gate becomes
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2 des Zählers 3 beim Umschalten der Kippstufe 1 geschlossen. Der Zählerstand kann in einen Speicher 7 übernommen und anschließend auf O gebracht werden.2 of counter 3 closed when switching over to flip-flop 1. The counter reading can be transferred to a memory 7 and then brought to O.
Sind dagegen vor dem Eintreffen des Impulses der Reihe ±2 dem Zähler 3 mehr als k___. Impulse zugeführt worden, warIf, however, before the arrival of the impulse of the series ± 2 the counter 3 is more than k___. Pulses had been supplied
IuS XIuS X
also die Voreilung t ( Fig. 2 ) noch größer als t___, soso the lead t (Fig. 2) is even greater than t___, so
XIl ö JvXIl ö Jv
ist durch das tlbertragssignal des Zählers die Kippstufe 5 in die komplementäre Lage gebracht worden. Erscheint nun der Impuls der Reihe ip» so wird am Ausgang des Gatters 6 kein Signal erscheinen, der Meßzyklus der Feinmessung läuft also weiter.is the flip-flop 5 through the transfer signal of the counter been brought into the complementary position. If the pulse of the series ip »appears, at the output of the gate 6 no signal appears, the measuring cycle of the fine measurement continues.
Der Frequenzgenerotor 4 kann gleichseitig als Taktimpulsgeber für die Schaltung arbeiten. Die an sich bekannten Mittel zur Sicherstellung einer einwandfreien Funktion der Schaltung, z.B. eine Antikoinzidenzschaltung für die Impulse der Reihe 1Λ und i9, sind nicht dargestellt.The frequency generator 4 can work at the same time as a clock pulse generator for the circuit. The means known per se for ensuring proper functioning of the circuit, for example an anti-coincidence circuit for the pulses of the series 1 Λ and i 9 , are not shown.
Es leuchtet ein, daß für eine Erhöhung der Auflösung mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nur ein geringer Schaltungsauiwand erforderlich ist. Weben dem Speicher 7 kann auch der Zähler 3 als Teil der Meßwertanzeige ausgeführt werden. Die im Vorstehenden beschriebene Schaltungsanordnung läßt sich auch für die Erhöhung der Auflösung bei der !learning von LinearverSchiebungen anwenden.Dabei treten an die Stelle der Teil Scheiben entsprechende Maßstäbe, an die Stelle der Rotation zweier Scheiben entsprechende Längssohwingungeh.It is clear that for an increase in resolution by means of the circuit arrangement according to the invention only a small one Schaltungsauiwand is required. Weave the memory 7, the counter 3 can also be used as part of the measured value display are executed. The circuit arrangement described above can also be used to increase the resolution apply to the! learning of linear displacements Instead of the partial disks, corresponding scales take the place of the rotation of two disks Longitudinal oscillations h.
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SAD ORfGiNAL 109819/0773 —- ,SAD ORfGiNAL 109819/0773 ---,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |