DE19544948A1 - Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale - Google Patents
Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der EingangssignaleInfo
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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
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995144948 DE19544948C2 (de) | 1995-12-01 | 1995-12-01 | Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995144948 DE19544948C2 (de) | 1995-12-01 | 1995-12-01 | Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19544948A1 true DE19544948A1 (de) | 1997-06-05 |
DE19544948C2 DE19544948C2 (de) | 2002-09-26 |
Family
ID=7778988
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995144948 Expired - Fee Related DE19544948C2 (de) | 1995-12-01 | 1995-12-01 | Digitale Interpolationseinrichtung mit Amplituden- und Nullageregelung der Eingangssignale |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19544948C2 (de) |
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