DE19544948A1 - Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale, insbesondere zum Messen von Wegen und/oder Winkeln.

Es sind Positionsmeßeinrichtungen bekannt (EP 317776, DE-PS 37 37 720 C1), die insbesondere ein optisches Abtastsystem und einen Lichtsender enthalten. Zur Regelung der Amplituden der Eingangssignale wird die Energieversorgung der Lichtsender dieser optischen Abtastsysteme beeinflußt. Nachteilig an dieser Einstellmöglichkeit ist die Beschränkung der Regelung auf optische Abtastsysteme sowie die Unmöglichkeit Nullageverschiebungen zu kompensieren. Außerdem wird zur Gewinnung der Amplitudeninformation oft ein weiterer optischer Empfänger benötigt.

Es ist auch bekannt (DE-AS 28 06 655 B2, DE-OS 27 29 697 A1, DE-OS 30 24 716 A1), digitale Korrekturwerte mit dem Ausgangssignal einer Strecken- bzw. Winkelmeßeinrichtung zu verknüpfen. Der Nachteil solcher Schaltungen besteht in der großen Anzahl dieser Korrekturwerte. Außerdem müssen die Werte in einem Eichvorgang gewonnen werden und sind abhängig von der jeweils eingesetzten Meßeinrichtung.

Eine weitere Möglichkeit der Korrektur von Amplituden- und Nullagefehlern ist durch den Einsatz von Mikrorechnern zur Berechnung der Ausgangssignale gegeben (DE-OS 34 13 855 A1). Nachteilig an dieser Variante ist eine durch die Rechenleistung begrenzte maximale Eingangsfrequenz der Meßsignale.

Aufgabe der Erfindung ist eine digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale, die die Auflösung eines inkrementalen Weg- oder Winkelmeßsystems erhöht, die sowohl eine Reglung der Amplituden mit dem Ziel unabhängig von den absoluten Werten die Amplitudengleichheit herzustellen zuläßt, als auch eine Korrektur der Nullage der Eingangssignale dieser Einrichtung ermöglicht, wobei zusätzlich eine optimale Aussteuerung der gesamten Schaltung gewährleistet sein soll und der Einsatz der Einrichtung dabei universell ohne zusätzlichen Einstellaufwand erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Die Vorteile der Erfindung bestehen in der Korrektur der Amplituden der Eingangssignale einer digitalen Interpolationseinrichtung bei einem großen zugelassenen Wertebereich dieser Amplituden sowie einer Möglichkeit, Nullageverschiebungen der Eingangssignale zu korrigieren. Unabhängig von den Amplituden der Eingangssignale wird eine optimale Aussteuerung der Schaltung erreicht. Ein weiterer Vorteil gegenüber rein analogen Amplitudenregelungen besteht in der Möglichkeit, auch bei statischen analogen Eingangssignalen (Frequenz 0) gültige Regelinformationen zu erhalten. Im Gegensatz zu Regelungen nach dem Prinzip der Beeinflussung der Energieversorgung von Lichtsendern entfällt die Beschränkung der Anwendung auf optische Systeme. Durch die Wahl der Einstellpunkte am digitalen Schaltungsteil können zusätzlich Fehler, die innerhalb des analogen Eingangsteils auftreten, korrigiert werden. Die Korrektur der genannten Fehler erfolgt kontinuierlich und nur in Abhängigkeit von den digitalisierten Eingangssignalen. Eine aufwendige Ermittlung, Speicherung und Verarbeitung meßsystemabhängiger Korrekturwerte kann somit entfallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung in vereinfachter Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer ersten Interpolationseinrichtung,

Fig. 2 das Blockschaltbild einer zweiten Interpolationseinrichtung,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer dritten Interpolationseinrichtung und

Fig. 4 das Blockschaltbild eines Reglers.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer ersten Interpolationseinrichtung dargestellt. Zwischen zwei Objekten, deren Relativlage als Weg oder Winkel zu bestimmen ist, ist ein an sich bekannter Teilungsträger 1 angeordnet, dem zur Erzeugung zweier zueinander um 90° phasenverschobener sinusähnlicher Analogsignale i1 und i2 ein ebenfalls an sich bekanntes Gebersystem 2 zugeordnet ist. Diese die Lage des Gebersystems 2 auf dem Teilungsträger 1 repräsentierenden sinusähnlichen Analogsignale i1 und i2 werden der erfindungsgemäßen Interpolationsschaltung 3 zugeführt. Dazu ist das Gebersystem 2 über zwei A/D- Umsetzerschaltungen 4 und 5 mit einer Zuordnungseinheit 6 verbunden, der sowohl eine Auswerteschaltung 7 als auch ein Regler 8 nachgeschaltet ist. Dem Regler 8 sind letztlich vier D/A-Umsetzer 9 nachgeschaltet, die ihrerseits Steuersignale s1, s2, s3 und s4 für die zwei A/D-Umsetzerschaltungen 4 und 5 liefern. Die Ausgangssignale u1, u2 und/oder v der Auswerteschaltung 7 sind gleichzeitig auch die Ausgangssignale der Interpolationsschaltung 3.

Die vom Gebersystem 2 gelieferten sinusähnlichen Analogsignale i1 und i2 werden in je einer der A/D-Umsetzerschaltungen 4 bzw. 5, bestehend aus jeweils einem an sich bekannten A/D-Umsetzer 10 bzw. 11, in digitale Werte x und y gewandelt. Die A/D- Umsetzerschaltung 4 wandelt dabei das Analogsignal i1 in den digitalen Eingangswert x, die A/D-Umsetzerschaltung 5 das Analogsignal i2 in den digitalen Eingangswert y. Diese digitalen Werte x und y werden der Zuordnungseinheit 6 zugeführt, die daraus einen Winkelwert w und einen Amplitudenwert a generiert. Es ist auch möglich, daß anstelle des Amplitudenwertes a ein Amplitudenfehlerwert delta abgebildet wird. Beispiele für den Wert delta sind der absolute und der relative Fehler des Amplitudenwertes a. Zur Generierung dieser Werte werden die digitalen Werte x und y als Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem aufgefaßt und in Polarkoordinaten umgewandelt. Dabei gilt bekanntermaßen w=arctan(y/x) und α = Die entstandene Folge von Winkelwerten w wird in der Auswerteschaltung 7 in die Ausgangssignale v und/oder u1 und u2 gewandelt. Die Auswerteschaltung 7 arbeitet so, daß die Differenz zweier Winkelwerte w fortlaufend addiert wird, um das Ausgangssignal v zu generieren bzw. es wird diese Differenz zur Ansteuerung eines Zählers, welcher die Ausgangssignale u1 und u2 generiert, genutzt.

Der Amplitudenwert a sowie der Winkelwert w werden als Wertepaar [a, w] wiederum dem Regler 8 zugeführt, der daraus neue digitale Referenzwerte r1, r2, r3 und r4 berechnet, die in jeweils einem nachfolgenden D/A-Umsetzer 9 in die Steuersignale s1, s2, s3 und s4 für die beiden A/D-Umsetzerschaltungen 4 und 5 bzw. die A/D-Umsetzer 10 und 11 gewandelt werden. Die beiden A/D-Umsetzerschaltungen 4 und 5 arbeiten dabei so, daß eine Beeinflussung des Umsetzergebnisses durch jeweils mindestens zwei Steuersignale möglich ist. Die Steuersignale s1 und s2 beeinflussen dabei die Umsetzung des sinusähnlichen Analogsignals i1 in den Ausgangswert x, die Steuersignale s3 und s4 beeinflussen die Umsetzung des sinusähnlichen Analogsignals i2 in den Ausgangswert y. Dies erfolgt dadurch, daß der maximal mögliche digitale Ausgangswert x bzw. y der A/D-Umsetzer 10 bzw. 11 derjenigen Eingangsspannung zugeordnet wird, die einer von außen veränderbaren Referenzspannung entspricht, und daß der minimal mögliche digitale Ausgangswert derjenigen Eingangsspannung zugeordnet wird, die einer zweiten von außen veränderbaren Referenzspannung entspricht.

Aus den beiden Analogsignalen i1 und i2 wird also in der erfindungsgemäßen Interpolationseinrichtung 3 das Ausgangssignal v mit der sich aus dem geforderten Interpolationsgrad ergebenden Auflösung gewonnen, der den vom Gebersystem 2 auf dem Teilungsträger 1 zurückgelegten Drehwinkel oder Weg repräsentiert. Es ist auch möglich, am Ausgang zwei um 90° zueinander verschobene rechteckförmige Ausgangssignale u1 und u2 zu erzeugen, in deren Pegelwechsel jeweils eine Änderung des Wertes des Ausgangssignales v und die Richtung dieser Änderung kodiert sind.

In Fig. 2 ist eine andere Möglichkeit der Beeinflussung des Umsetzergebnisses der A/D- Umsetzerschaltungen 4 und 5 durch eine getrennte Beeinflussung von Verstärkung und Nullage durch ein analoges Koeffizientenglied dargestellt. Hier besteht jede der A/D- Umsetzerschaltungen 4 bzw. 5 aus einer Reihenschaltung eines analogen Koeffizientengliedes 12 bzw. 13 mit einem A/D-Umsetzer 10 bzw. 11, d. h., daß jedem A/D- Umsetzer 10 bzw. 11 ein analoges Koeffizientenglied 12 bzw. 13 vorgeschaltet ist. Dabei ergeben sich aus den sinusähnlichen Analogsignalen i1 und i2 und den Steuersignalen s1, s2, s3 und s4 korrigierte Analogsignale i3 und i4. Das analoge Koeffizientenglied 12 berechnet i3=i1.s1+s2, das analoge Koeffizientenglied 13 berechnet i4 = i2.s3+s4. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden hier die korrigierten Analogsignale i3 und i4 dem A/D-Umsetzer zugeführt.

In Fig. 3 ist eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Umsetzergebnisses der A/D-Umsetzerschaltungen 4 und 5 durch eine getrennte Beeinflussung von Verstärkung und Nullage durch ein digitales Koeffizientenglied dargestellt. Hier besteht jede der A/D- Umsetzerschaltungen 4 bzw. 5 aus einer Reihenschaltung von A/D-Umsetzer 10 bzw. 11 mit einem digitalen Koeffizientengliedes 14 bzw. 15, d. h., daß jedem A/D-Umsetzer 10 bzw. 11 ein digitales Koeffizientenglied 14 bzw. 15 nachgeschaltet ist, wobei die D/A- Umsetzer 9 entfallen können. Hier ergeben sich die digitalen Werte x und y der Zuordnungseinheit 6 aus unkorrigierten Ausgangssignalen g und h der A/D-Umsetzer 10 und 11 und den digitalen Referenzwerten r1, r2, r3 und r4 des Reglers 8. Das digitale Koeffizientenglied 14 berechnet x=g.r1 + r2, das digitale Koeffizientenglied 15 berechnet y=h.r3 + r4. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liefern die A/D- Umsetzer 10 und 11 die unkorrigierten Ausgangssignale g und h.

Der Regler 8 implementiert die zur Berechnung der Referenzwerte notwendigen mathematischen Funktionen mittels einer dazu entworfenen digitalen Schaltung und/oder eines Prozessors mit einer dazu notwendigen Genauigkeit.

Die digitalen Referenzwerte r1, r2, r3 und r4 ändern sich nicht mehr, wenn alle Wertepaare [a, w] Polarkoordinaten auf dem Einheitskreis repräsentieren. In diesem Fall zeigen die digitalen Werte x und y einen zeitlichen Verlauf, der zwei sinusförmigen genau um 90° zueinander verschobenen Signalen entspricht, deren Amplituden beide den Wert 1 besitzen und die keine Verschiebung der Nullage aufweisen.

Der Aufbau eines Reglers 8 soll anhand eines Blockschaltbildes, dargestellt in Fig. 4, näher erläutert werden. Bei einer Softwarerealisierung mittels Mikroprozessor oder -controller stellen die einzelnen Blöcke entsprechende Programmschritte dar.

Die Winkelwerte w werden einem Klassifikator 16 zugeführt, der daraus Zugehörigkeitswerte z1, z2, z3 und z4 berechnet. Die benötigten mathematischen Funktionen legen den Einfluß von vier Referenzwerten r1, r2, r3, r4 auf das Gesamtverhalten der Interpolationseinrichtung 3 in Abhängigkeit vom Winkelwert w fest und sind abhängig vom jeweils gewählten Ausführungsbeispiel.

In Multiplikatoren 17 werden diese Zugehörigkeitswerte z1 bis z4 mit dem Amplitudenfehlerwert delta, der in einem Fehlerblock 18 aus Amplitudenwert a und dem Sollwert berechnet wird, multipliziert. Beispiele für den Amplitudenfehlerwert delta sind der absolute und der relative Fehler des Amplitudenwertes a. Aus dieser Multiplikation resultierende Korrekturwerte k1, k2, k3 und k4 werden in den Integratoren 19 zu den Referenzwerten r1, r2, r3 und r4 aufintegriert. Diese Integratoren dürfen keine fehlerhafte Eigendrift aufweisen. Aus diesem Grund ist an dieser Stelle nur ein digitales Integrationsverfahren (Hard- oder Software) geeignet.

Anhand des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 wurde nachgewiesen, daß es ausreichend ist, die Korrekturwerte k1, k2, k3 und k4 und den Amplitudenfehler delta mit geringer Wortbreite darzustellen. In diesem Fall kann der Schaltungsaufwand für den Regler 8 drastisch reduziert werden. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn die Berechnung des Amplitudenfehlerwertes delta in der Zuordnungseinheit 6 erfolgt. In diesem Fall entfällt der Fehlerblock 18. Die Integratoren 19 können auch durch Mittelwertbildner, z. B. durch Up-Down-Zähler, realisiert werden. Sowohl die Zuordnungseinheit 6 als auch der Regler 8 können dabei eine Digitalschaltung sein, sie können aber auch in einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller als Softwarelösung realisiert sein. Die Zuordnungseinheit 6 kann aber auch ein Speicher sein.

Bezugszeichenliste

1 Teilungsträger
2 Gebersystem
3 Interpolationsschaltung
4, 5 A/D-Umsetzerschaltungen
6 Zuordnungseinheit
7 Auswerteschaltung
8 Regler
9 D/A-Umsetzer
10, 11 A/D-Umsetzer
12, 13 analoge Koeffizientenglieder
14, 15 digitale Koeffizientenglieder
16 Klassifikator
17 Multiplikatoren
18 Fehlerblock
19 Integratoren
a Amplitudenwert
delta Amplitudenfehlerwert
k1 . . . k4 Korrekturwerte
i1, i2 sinusähnliche Analogsignale
i1, i2 analoge Eingangssignale
i3, i4 korrigierte Analogsignale
r1 . . . r4 digitale Referenzwerte
s1 . . . s4 Steuersignale
u1, u2, v Ausgangssignale
w Winkelwert
x, y digitale Werte
z1 . . . z4 Zugehörigkeitswerte

Claims (10)

1. Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß zwei A/D-Umsetzerschaltungen (4, 5) für die analogen Eingangssignale (i1, i2) angeordnet sind, denen eine Zuordnungseinheit (6), die digitalen Werten (x, y) entweder einen Winkelwert (w) und einen Amplitudenwert (a) oder einen Winkelwert (w) und einen Amplitudenfehlerwert (delta) zuordnet, nachgeschaltet ist, und daß diese Zuordnungseinheit (6) sowohl mit einer aus dem Winkelwert (w) die Ausgangssignale (v und/oder u1, u2) erzeugenden Auswerteschaltung (7) als auch mit einem Regler (8), welcher vier Referenzwerte (r1, r2, r3, r4) berechnet, die von jeweils einem D/A-Umsetzer (9) in Steuersignale (s1, s2, s3, s4), die ihrerseits auf die A/D- Umsetzerschaltungen (4, 5) zurückgeführt sind, gewandelt werden, verbunden ist.

2. Digitale Interpolationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Steuersignale (s1, s2 bzw. s3, s4) einem der beiden A/D-Umsetzer (10 bzw. 11) zugeführt werden, daß der digitale Maximalwert der A/D-Umsetzer (10, 11) derjenigen Spannung zugeordnet wird, die einem dieser Steuersignale (s1, s2 bzw. s3, s4) entspricht und daß der digitale Minimalwert der A/D-Umsetzer (10, 11) derjenigen Spannung zugeordnet wird, die einem zweiten dieser Steuersignale entspricht.

3. Digitale Interpolationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der A/D-Umsetzerschaltungen (4, 5) aus einem analogen Koeffizientenglied (12, 13) mit einem nachgeschalteten A/D-Umsetzer (10, 11) besteht, wobei die Ausgangssignale der analogen Koeffizientenglieder (12, 13), die aus den analogen Eingangssignalen (i1, i2) und den Steuersignalen (s1, s2, s3, s4) gewonnenen korrigierten Analogsignale (i3, i4), den A/D-Umsetzern (10, 11) als Eingangssignale zugeIührt werden.

4. Digitale Interpolationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die analogen Koeffizientenglieder (12, 13) gilt: i3=i1.s1+s2 und i4 = i2.s3+s4.

5. Digitale Interpolationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die D/A-Umsetzer (9) entfallen und am Ausgang der A/D-Umsetzer (10, 11) unkorrigierte Werte (g, h) entstehen, die über digitale Koeffizientenglieder (14, 15) mit Hilfe der Referenzwerte (r1, r2, r3, r4) in die digitalen Werte (x, y) umgesetzt werden.

6. Digitale Interpolationseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die digitalen Koeffizientenglieder (14, 15) gilt: x=g.r1 + r2 und y=h.r3 + r4.

7. Digitale Interpolationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus Winkelwerten (w) und Amplitudenwerten (a) oder Amplitudenfehlerwerten (delta) die digitalen Referenzwerte (r1, r2, r3, r4) berechnet werden, und diese sich nicht mehr ändern, wenn alle Amplituden- und Winkelwerte [a, w] Koordinaten auf dem Einheitskreis eines kartesischen Koordinatensystems repräsentieren.

8. Digitale Interpolationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der digitalen Referenzwerte (r1, r2, r3, r4 ) in einem Regler (8) geschieht, der aus einem Klassifikator (16), der aus den Winkelwerten (w) die Zugehörigkeitswerte (z1, z2, z3, z4) berechnet, vier Multiplizierern (17), die diese Zugehörigkeitswerte mit dem Amplitudenfehlerwert (delta) multiplizieren und aus vier Integratoren (19), die die an den Ausgängen der Multiplikatoren (17) anliegenden Korrekturwerte (k1, k2, k3, k4) aufintegrieren, aufgebaut ist.

9. Digitale Interpolationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungseinheit (6) eine Digitalschaltung oder ein Speicher ist oder daß sie in einem Mikroprozessor oder -controller als Softwarelösung realisiert ist.

10. Digitale Interpolationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (8) eine Digitalschaltung ist oder daß er in einem Mikroprozessor oder -controller als Softwarelösung realisiert ist.