DE1953737C3 - Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Auflösung eines elektronischen Winkelmeßgerätes - Google Patents

Description

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 Teiiungszahl haben, wobei eine Scheibe des einen Paarei 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 Nulidurchgang dieser Wechselspannungen markieren, enthält.

Eine derartige Anordnung zur Bestimmung und digitalen Anzeige der Winkelstellung von Wellen ist bereits bekannt, so z. B. aus der französischen Patentschrift 13 16 760. Sie besteht aus vier Teilscheiben, 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 Teilscheiben 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.

Die Teilungszahlen sind für die beiden Scheibenpaare verschieden gewählt; vorzugsweise unterscheiden sie sich um !,so daß je Umdrehung des Hilfsrotors eine der erzeugten Wechselspannungen eine Periode mehr umfaßt als die andere.

Anhand der Fig. la und Ib soll zunächst erläutert werden, wie mit derart in der bekannten Anordnung erzeugten Wechselspannungen die Winkelstellung von Wellen bestimmt werden kann. Dazu zeigt Fig. la je Periodendauer der an dem Referenzscheibenpaar erzeugten Wechselspannung abgeleitete Impuls i\ und in gleicher Weise von dem anderen Scheibenpaar abgeleitete Impulse i₂. Fig. Ib zeigt die beiden Impulsreihen in einer anderen Phasenlage.

Sind, wie in der genannten französischen Patentschrift angegeben, Mittel vorgesehen, die einen Impuls je Umdrehung des Hilfsrotors besonders kennzeichnen, dann kann z. B. die Impuisreihe /,, wie angedeutet, als eine Skala angesehen werden. In Fig. la ist der mit 0 bezeichnete Impuls der Reihe /, mit einem Impuls der Reihe/2koinzident.

Fig. Ib zeigt die Reihe /2 gegen die Reihe /, 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 i₂ koinzident. Der einfacheren Beschreibung wegen soll unter Koinzidenz auch die Verallgemeinerung, daß zwei Impulse der Reihe /₂ unmittelbar nach einem Impuls der Reihe /1 folgen, verstanden werden.

Aus Fig. la, Ib ist zu erkennen, daß die Koinzidenz vom Impuls 0 über 9 bis wieder 0 läuft, wenn die impulsreihe /₂ um eine Periodendauer verschoben wird.

Da das Frequenzverhältnis der Impulsreihen /, und /2 durch die Teilungszahlen η und η + 1 der Teilscheiben fest vorgegeben ist und zwei der Scheiben gemeinsam auf einem Rotor befestigt sind, hat die Drehzahl des Rotors grundsätzlich kernen Einfluß auf das Meßergebnis, und einer Periodendauer der Impulsreihe ;₂ entspricht eine Teilung des zugehörigen Teilscheibenpaares. Das bedeutet, daß der Winkel dieser Teilung durch Abzählen der Impulse /| von einem markierten

Impuls bis zur Koinzidenz zweier Impulse der Reihe ;', und h in η Teile aufgelöst werden kann. Der Vollkreis wird also in η (η + 1) Teile aufgelöst, wobei das Ergebnis periodisch etwa !mal je Umdrehung des Hilfsrotor abgetastet wird. Entsprechende Anurdnungen können auch für Linearverschiebungen ausgeführt werden.

Mit dieser bekannten Anordnung kann bei relativ groben mechanischen Teilungen eine befriedigende Auflösung erreicht werden. Dabei ist vorteilhaft, daß das Melierge^nis periodisch abgetastet wird. Auf diese Weise hat man die Möglichkeit, ohne Verwendung von Code-Scheiben Winkel »absolut« zu bestimmen.

In der obengenannten französischen Patentschrift ist weiterhin ein Blockschaltbild dargestellt, das schema- ,5 tisch zeigt, wie die von der bekannten Ano-dnung gelieferten Signale aufbereitet und einem aus einem Grob- und aus einem Feinteil bestehenden Zähler zugeführt werden. Dabei sind als Grobeinheiten die ganzen Teilungen, als Feinemheiten die η Untereinheiten je Teilung zu verstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aulgabe zugrunde, die Auflösung einer derartigen, bekannten Anordnung noch wesentlich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dall 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 durchlaufenen Nulldurchgängen der einen Wechselspannung und denen der zweiten Wechselspannung Zählimpulse aus einem mit der Drehzahl der rotierenden Scheiben synchronisierten Frequenzgenerator so lange zugeführt werden, bis dem Zähler während eines dieser Zeitabschnitte nicht mehr Impulse zugeführt worden sind, als seiner Zählkapazität entspricht, und daß damit der Meßzyklus beendet wird.

Auf diese Weise erfolgt eine Verbesserung der Auflösung um einen Faktor A',,,,,,, wenn A,,,.,* die Impulsanzahl ist, die der Zähler ohne Überlaufen aufzunehmen vermag. Die Synchronisierung zwischen Frequenzgenerator und Drehzahl der rotierenden Teilscheiben 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 20fache erlaubt. Bei Teilungszahlen eier Scheiben von z.B. 200 und 201 werden dann bereits weniger als 2 Wtnkelsekunden aufgelöst. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ersetzt die sonst notwendige Koinzidenzerkennung, so daß nur ein Teil des Aufwandes zusätzlich notwendig ist. Vorteilhaft ist dabei auch, daß die Maßeinheit dieser !interpolation unmittelbar durch die Wahl des Verhältnisses Zählfrequenz/Drehgeschwindigkeit der Teilscheiben stufenlos wählbar ist.

Die Grenze, bis zu der die Auflösung durch die vorgeschlagene Anordnung noch sinnvoll gesteigert werden kann, ist im wesentlichen bestimmt durch die Schärfe, mit der die Nulldurchgänge der Wechselspannungen erkannt werden können. Sie ist nur noch βο 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 Teilungen anstreben, der Fall ist.

Die Erfindung wird nun anhand der F i g. 2a, 2b, 2c und 3 näher erläutert.
Die Fig.2a bis 2c zeigen dabei Ausschnitte aus den Impulszügen /| und h_ in verschiedenen Phasenlagen, während F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zeigt.

Wie Fig. 2a erkennen läßt, hat ein beliebiger Impuls aus der Reihe /Ί zudem nächsten Impuls der Reihe /2 eine Voreilung t = (|. Bei dem nächsten Impulspaar ist diese Voreilung auf fi verringert und beträgt beim übernächsten Impulspaar f,. Die Voreilung ij ist bereits kleiner als die maximale Voreilung i,_MJ, nach F i g. 2b. Dabei stellt aber die Voreilung f = r„_U( einen Grenzfall dar, für den die nächstfolgenden Impulse exakt koinzident sind. Beträgt die Voreilung / = 0 bis / = /„,,,,, so bedeutet das, daß der Meßzyklus der Feinmessung beendet ist. Die Größe der Voreilung innerhalb dieser Grenzen ist ein Maß, durch das die Stufung der Feinmessung interpoliert wird. Bei einer Bestimmung der Voreilung mit 5% Unsicherheit ist die Phasenlage der Impulszüge und damit die Winkellage der Meliwelle 20mal genauer bestimmt, als dies durch eine einfache Komzidenzbestimmung möglich ist.

Die Arbeitsweise des in F i g. .3 dargestellten Ausführungsbeispiels ist die folgende. Eine bistabile Kippstufe 1 wird durch einen Impuls der Reihe /, 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 obenerwähnten rotierenden Teilscheiben und damit zu der Frequenz der an dem Referenzscheibenpaar erzeugten Wechelspannung und der daraus abgeleiteten Impulsfolge /Ί. 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 Und-Gatters 6 ein Signal anliegt. Trifft nun der nächste Impuls der Reihe /;, ein, bevor dem Zähler 3 A',„_d, Impulse (k,„_JK = Kapazität des Zählers 3; sie muß zu γ™,mal der Frequenz des Generators 4 gewählt werden) zugeführt worden sind, so erscheint nach dem durch den Impuls der Reihe /> bewirkten Umschalten der Kippstufe 1 am Ausgang des Und-Gatters 6 ein Signal, das zur Unterbrechung des Meßzyklus führt. Der bis dahin erreichte Stand A- des Zählers 3 ist ein Maß für die Winkelstellung der Meßwelle innerhalb der Stufung der Feinmessung. Deshalb wird das Tor 2 des Zählers 3 beim Umschalten der Kippstufe 1 geschlossen. Der Zählerstand kann in einen Speicher 7 übernommen und anschließend auf 0 gebracht werden.

Sind dagegen vor dem Eintreffen des Impulses der Reihe /> dem Zähler 3 mehr als k_max Impulse zugeführt worden, war also die Voreilung t (Fig. 2) noch größer als (,„.,„ so ist durch das Übertiagssignal des Zählers die Kippstufe 5 in die komplementäre Lage gebracht worden. Erscheint nun der Impuls der Reihe /₂, so wird am Ausgang des Gatters 6 kein Signal erscheinen, der Meßzyklus der Feinmessung läuft also weiter.

Der Frequenzgenerator 4 kann gleichzeitig als Taktimpulsgeber für die Schaltung arbeiten. Die an sich bekannten Mittel zur Sicherstellung einer einwandl'reien Funktion der Schaltung, z. B. eine Antikoinzidenzschaltung für die Impulse der Reihe Z₁ und /2, sind nicht J^-^nr-tollt

Ulli gC3LV Ii t.

Es leuchtet ein, daß für eine Erhöhung der Auflösung mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung

ein geringer Schaltungsaufwand erforderlich ist.

ien dem Speicher 7 kann auch der Zähler 3 als Teil Meßwertanzeige ausgeführt werden. Die im

itehenden beschriebene Schaltungsanordnung läßt auch für die Erhöhung der Auflösung bei der Messung von Lincarverschiebungen anwenden. Dabei treten an die Stelle der Teilscheiben entsprechende Maßstäbe, an die Stelle der Rotation zweier Scheiben entsprechende Längsschwingungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche·

1. Schaltungsanordnung zur Erhöhum' der Auflösung eines elektronischen Winkelmeßg· ^s, bestehend aus vier Teilscheiben, die p.urweise 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 vier'ic Scheibe um den zu messenden Winkel verdrehbar ist, und wobei das Winkelmeßgeräl Mittel zur Ableitung je einer Wechselspannung der Frequenz (Drehgeschwindigkeit der rotierenden Scheiben mal Teilungsznhl je Teilscheibenpaar) und zur Erzeugung von Signalen, die einmal je Umdrehung der rotierenden Scheiben je einen Nulldurchgang dieser Wechselspannungen markieren, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (3) vorgesehen ist, dem vom Beginn des Meßzyklus an periodisch, durch an sich bekannte elektronische Mittel gesteuert, in den Zeiten zwischen in gleichem Vorzeichensinn durchlaufenen Nulldurchgängen der einen Wechselspannung und denen der zweiten Wechselspannung Zählimpulse aus einem mit der Drehzahl der rotierenden Scheiben synchronisierten Frequenzgenerator (4) so lange zugeführt werden, bis dem Zähler (3) während eines dieser Zeitabschnitte nicht mehr Impulse zugeführt worden sind, als seiner Zählkapazität entspricht, und daß damit der Meßzyklus beendet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Impulsreihe (A) zugleich je einem Eingang zweier bistabilcr Kippstufen (1, 5) und eine zweite Impulsreihe (/2) einem zweiten Eingang der ersten bistabilen Kippstufe (1) zugeführt wird, daß ein erster Ausgang der ersten bistabilen Kippstufe (1) mit einem ersten Eingang einer Torschaltung (2) und der Frequenzgencrator (4) mit einem zweiten Eingang dieser Torschaltung

(2) verbunden sind, deren Ausgang dem mit einem Speicher (7) verbundenen Zähler (3) verbunden ist, dessen Ausgang dem zweiten Eingang der zweiten bistabilen Kippstufe (5) zugeführt wird, und daß der zweite Ausgang der ersten bistabilen Kippstufe (1) mit einem Eingang eines Und-Gatters (6) verbunden ist, dessen anderer Eingang am Ausgang der zweiten bistabilen Kippstufe (5) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator (4) zugleich als 1 aktimpulsgeber wirksam ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler

(3) und/oder der Speicher (7) als Meßwertanzeiger ausgebildet sind.

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