DE19712622A1 - Anordnung und Verfahren zur automatischen Korrektur fehlerbehafteter Abtastsignale inkrementaler Positionsmeßeinrichtungen - Google Patents
Anordnung und Verfahren zur automatischen Korrektur fehlerbehafteter Abtastsignale inkrementaler PositionsmeßeinrichtungenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur
automatischen Korrektur fehlerbehafteter Abtastsignale gemäß dem Ober
begriff der Ansprüche 1 und 10. Insbesondere eignen sich die erfindungs
gemäße Anordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz
innerhalb einer inkrementalen Positionsmeßeinrichtung.
In bekannten inkrementalen Positionsmeßeinrichtungen resultieren bei der
Abtastung einer periodischen Maßstabstruktur mittels einer geeignet ausge
bildeten Abtasteinheit ausgangsseitig üblicherweise mindestens zwei pha
senversetzte periodische, analoge Abtastsignale. Diese werden in bekannter
Art und Weise zur Bestimmung der Relativposition von Maßstabteilung und
Abtasteinheit in einer nachgeordneten Auswerteeinheit weiterverarbeitet.
Abtasteinheit und Maßstabteilung sind hierbei etwa mit zwei zueinander be
weglichen Teilen einer Werkzeugmaschine verbunden; als Auswerteeinheit
dient eine numerische Steuerung.
Die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit Hilfe einer derartigen Positi
onsmeßeinrichtung hängt nunmehr von der Qualität der auf diese Art und
Weise erzeugten periodischen Abtastsignale ab. Je nach eingesetztem phy
sikalischen Abtastprinzip existieren hierbei eine Reihe von Fehlerquellen
unterschiedlichster Art. So wirken sich beispielsweise bei optischen Meßsy
stemen Ungenauigkeiten in den reflektiven oder transmittiven Tei
lungsstrukturen negativ auf die Signalqualität aus. Auch bei anderen Ab
tastprinzipien, beispielsweise in magnetischen Positionsmeßeinrichtungen,
werden nicht immer die gewünschten Anforderungen an die resultierenden
Ausgangssignale erfüllt. Beispielsweise kann der Abtastabstand variieren
oder aber Temperaturschwankungen die magnetfeldempfindlichen Detek
torelemente beeinflussen etc.
Insbesondere bei einer nachfolgenden Interpolation, das heißt einer elektro
nischen weiteren Unterteilung der analogen Abtastsignale, wirken sich be
stimmte Fehlerarten störend aus. Vorausgesetzt wird bei der Interpolation
jedoch eine ideale Form der analogen Abtastsignale bzw. eine entspre
chende ideale Beziehung zwischen diesen. Es handelt sich bei den ver
schiedenen Fehlerarten um gegebenenfalls vorliegende unterschiedliche
Amplitudenwerte der beiden phasenversetzten Abtastsignale, um einen
Phasenversatz, der von dem vorausgesetzten Phasenversatz abweicht so
wie eventuell vorhandene Gleichspannungs-Offsets der beiden periodischen
Abtastsignale. Im Fall üblicher inkrementaler Meßsysteme handelt es sich
beim erwähnten Phasenversatz um 90°; bei interferentiellen Dreigitter-Meß
systemen kann jedoch auch ein idealer Phasenversatz von 120° zwischen
drei verschiedenen Abtastsignalen vorliegen.
Neben der Möglichkeit, die eigentliche Signalgewinnung zu optimieren, exi
stieren Ansätze, wie derartige Fehler in Positionsmeßeinrichtungen, die pe
riodische, analoge Abtastsignale liefern, automatisch auf elektronischem
Weg korrigiert werden können. Aus der Veröffentlichung "Auto correction of
interpolation errors in optical encoders" von C. Wang et al. in Proc. of SPIE
Vol. 2718, 1996, S. 439-447 ist beispielsweise ein derartiges elektronisches
Korrekturverfahren für optische Positionsmeßeinrichtungen bekannt. Es wird
hierbei vorgeschlagen, die analogen Abtastsignale zum einen über geeig
nete A/D-Wandler einem Microcontroller zuzuführen, innerhalb dessen auf
Grundlage eines bekannten Algorithmus Korrekturparameter bestimmt
werden. Als Korrekturalgorithmus wird dabei ein Verfahren herangezogen,
das z. B. in dem Veröffentlichungen von P. L. M. Heydemann "Determination
and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers",
Applied Optics, Vol. 20, No. 3 S. 3382-3384, 1981 und K. P. Birch, "Optical
fringe interpolation with nanometric accuracy", Precision Engineering, Vol.
12, No. 4, S. 195-198,1990 beschrieben wird. Über dem Microcontroller
nachgeordnete D/A-Wandler gelangen die Korrekturparameter auf einen
analogen Schaltkreis, über den die Einwirkung auf die analogen, periodi
schen Abtastsignale möglich ist. Ausgangsseitig liegen seitens des analo
gen Schaltkreises demzufolge die korrigierten Abtastsignale vor, die der
vorausgesetzten idealen Signalform entsprechen und in bekannten Aus
werteelektroniken weiterverarbeitet werden können.
Als nachteilig an dieser vorgeschlagenen Lösung erweist sich zum einen,
daß in der Regel auch der analoge Schaltkreis, über den auf die analogen
Abtastsignale eingewirkt wird, mit bestimmten Fehlern behaftet ist. Hierzu
zählen etwa unerwünschte Offset-Fehler oder eine undefinierte Signalver
stärkung. Diese Fehler werden bei der Bestimmung der Korrekturparameter
bzw. der entsprechenden Stellsignale jedoch nicht berücksichtigt und verfäl
schen die analogen Abtastsignale demzufolge nach wie vor in unerwünsch
ter Art und Weise. Zum anderen muß die Empfindlichkeit der vom Micro
controller erzeugten Korrekturparameter bzw. der entsprechenden Stellsi
gnale auf den analogen Schaltkreis abgestimmt werden, was bei eventuell
vorhandenen Fehlern im analogen Schaltkreis jedoch problematisch ist.
Desweiteren erweist sich als nachteilhaft, daß die Selektion der zur Bestim
mung von Korrekturparametern herangezogenen Daten softwaremäßig
überprüft werden muß. Eine derartige Überprüfung der Daten erfordert eine
bestimmte Rechenzeit, was wiederum die Geschwindigkeit des vorgeschla
genen Korrekturverfahrens begrenzt und insbesondere bei hohen Verfahr
geschwindigkeiten von Bedeutung ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte, gattungsgemäße
Anordnung bzw. das entsprechende Verfahren aus der oben genannten
Veröffentlichung möglichst vorteilhaft weiterzuentwickeln, um eine nochmals
verbesserte Korrektur der fehlerbehafteten, analogen Abtastsignale einer
inkrementalen Positionsmeßeinrichtung sicherzustellen, d. h. die bei der Ab
tastung resultierenden Fehler zu eliminieren oder zumindest zu minimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen im
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 bzw. mit Hilfe eines Verfahrens,
das über die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 10 charakterisiert
wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung bzw.
des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den in den abhängi
gen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen.
Erfindungsgemäß wird nunmehr eine Signalkorrektur-Anordnung auf Basis
einer Regelung vorgeschlagen, um die verschiedenartigen Abtastfehler zu
eliminieren. Dies bedeutet, daß die ausgangsseitig an der Korrektureinheit
anliegenden, ggf. bereits einmal korrigierten analogen Abtastsignale einer
Prozessoreinheit zugeführt werden, die auf Grundlage der zugeführten Ab
tastsignale erneut den Korrekturalgorithmus auf die Abtastsignale anwendet,
entsprechende Korrekturgrößen bzw. analoge Stellsignale bestimmt und
diese wiederum an die Korrektureinheit übergibt, wo eine Einwirkung auf die
analogen Abtastsignale möglich ist usw.
Da demzufolge Abtastsignale, die die Korrektureinheit bereits einmal
durchlaufen haben bzw. bereits einmal korrigiert wurden, als Grundlage für
den Korrekturalgorithmus dienen, resultiert eine nochmals verbesserte Si
gnalkorrektur. Insbesondere lassen sich die oben erwähnten Probleme be
züglich eventueller Fehler in der analogen Korrektureinheit damit umgehen.
Beim Bestimmen der erforderlichen Korrekturparameter werden derartige
Fehler berücksichtigt und über die Ausgabe entsprechender Stellsignale
kompensiert.
Desweiteren ergibt sich in einer vorteilhaften Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Anordnung ein relativ einfacher Aufbau mit lediglich einem
eingangsseitig erforderlichen A/D-Wandler in der Prozessoreinheit.
Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße
Anordnung äußerst flexibel hinsichtlich der Wahl derjenigen Signalwerte, die
letztlich zur Bestimmung der Korrekturparameter herangezogen werden.
Insbesondere sind dabei jeweils keine aufwendigen und rechenzeitintensi
ven Maßnahmen hinsichtlich der Selektion der gewählten Signalwerte erfor
derlich. So können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mit
der erfindungsgemäßen Anordnung auch bei hohen Relativgeschwindigkei
ten von Maßstabteilung und Abtasteinheit in zuverlässiger Form die ge
wünschten Korrekturen vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können beispielsweise allesamt inner
halb der jeweiligen Positionsmeßeinrichtung getroffen werden. Daneben ist
es jedoch ebenso möglich, die entsprechenden Maßnahmen an anderer
Stelle, d. h. außerhalb der eigentlichen Positionsmeßeinrichtung zu realisie
ren. In beiden Fällen werden entsprechend korrigierte Abtastsignale an eine
nachgeordnete Auswerteeinheit übertragen und zur Positionsbestimmung
weiterverarbeitet.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anordnung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgen
den Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden
Fig. 1. Es handelt sich hierbei lediglich um eine schematische Darstellung
einer möglichen Ausführungsform, das heißt im Rahmen der erfindungsge
mäßen Maßnahmen sind sehr wohl geeignete Abwandlungen hiervon mög
lich.
Schematisiert angedeutet ist in Fig. 1 auf der linken Seite eine Abtastein
heit 2, mit der eine Maßstabteilung 1 abgetastet wird. Maßstabteilung 1 und
Abtasteinheit 2 sind, wie über den entsprechenden Pfeil angedeutet werden
soll, relativ zueinander verschiebbar bzw. beweglich zueinander angeordnet.
Hinsichtlich der Signalerzeugung und der konkreten Ausführung von Maß
stabteilung 1 und Abtasteinheit 2 existieren dabei vielfältigste Möglichkeiten.
Beispielsweise kann es sich hierbei ebenso um eine optisch abgetastete
Maßstabteilung handeln wie um eine magnetische Teilungsstruktur, die
mittels einer entsprechend ausgebildeten Abtasteinheit zur Erzeugung ver
schiebungsabhängiger Abtastsignale abgetastet wird. Daneben sind selbst
verständlich auch weitere physikalische Abtastprinzipien zur Signalerzeu
gung einsetzbar wie etwa induktive Abtastprinzipien, die in Verbindung mit
einem Trägerfrequenz-Auswerteverfahren betrieben werden etc.
Im Fall optischer Positionsmeßeinrichtungen ermöglichen die erfindungs
gemäßen Maßnahmen beispielsweise auch den Einsatz sog. vorgespannter
Photoelemente oder Photodioden, die schnelle Ansprechzeiten aufweisen,
jedoch aufgrund ihrer Temperaturabhängigkeit fehlerbehaftete Abtastsignale
liefern können. Bei magnetischen Positionsmeßeinrichtungen können auch
diejenigen Fehler korrigiert werden, die durch die Verwendung von Feld
platten, magnetoresistiven Elementen oder Hallelementen als magnetfeld
empfindliche Detektorelemente verursacht werden.
Desweiteren ist auch die dargestellte Variante eines Längenmeßsystems
lediglich beispielhaft zu verstehen, d. h. es können natürlich auch rotatorisch
ausgebildete Meßsysteme mit der erfindungsgemäßen Anordnung kombi
niert werden, über die die Rotationsbewegung zweier zueinander bewegli
cher Objekte erfaßt werden soll usw.
Ausgangsseitig liegen an der Abtasteinheit 2 des dargestellten Ausfüh
rungsbeispieles periodische analoge Abtastsignale S1, S2 an, die von einer
nachgeordneten Auswerteeinheit 3 zur Positionsbestimmung in bekannter
Art und Weise herangezogen werden können und hierzu etwa interpoliert
werden etc. . Bei der schematisiert angedeuteten Auswerteeinheit 3 kann es
sich beispielsweise um die numerische Steuerung einer Werkzeugmaschine
handeln. Von der Auswerteeinheit 3 wird dabei eine bestimmte, ideale Si
gnalform der beiden Abtastsignale S1, S2 sowie entsprechende Beziehun
gen zwischen den Signalen vorausgesetzt. Hierzu gehört ein idealer Pha
senversatz zwischen den beiden periodischen Abtastsignalen S1 und S2
von 90°, möglichst gleiche Signalamplituden sowie verschwindende Gleich
spannungsanteile bzw. Offsets der Signale S1 und S2. Um diesen Anforde
rungen der Auswerteeinheit 3 zu genügen, sind erfindungsgemäß nunmehr
bestimmte Maßnahmen vorgesehen, so daß eine automatische Korrektur
der üblicherweise fehlerbehafteten Abtastsignale S1, S2 während des Meß
betriebes erfolgt und derart optimierte Abtastsignale S1', S2' an die Aus
werteeinheit 3 übergeben werden.
Die hierzu erforderliche, erfindungsgemäße Anordnung 4 umfaßt im wesent
lichen eine Prozessoreinheit 5 sowie eine vorzugsweise analog aufgebaute
Korrektureinheit 6. Die von der Abtasteinheit 2 gelieferten periodischen Ab
tastsignale S1, S2 gelangen zur automatischen Korrektur der verschiedenen
Abtastfehler zunächst auf die Korrektureinheit 6 innerhalb der erfindungs
gemäßen Anordnung 4. Über die Korrektureinheit 6 sind eine Reihe von Ab
gleichmöglichkeiten für die fehlerbehafteten Abtastsignale S1, S2 gegeben,
die nachfolgend erläutert werden.
Seitens der Korrektureinheit 6 sind neben eingangs- und ausgangsseitig
angeordneten Operationsverstärkern 7.1, 7.2, 8.1, 8.2 eine Reihe von ana
log ausgebildeten Abgleichelementen 9.1, 9.2, 9.3 vorgesehen, über die in
definierter Art und Weise auf die analogen Abtastsignale S1, S2 eingewirkt
werden kann. Die analogen Abgleichelemente 9.1, 9.2, 9.3 sind dabei z. B.
als elektronisch einstellbare Potentiometer ausgebildet, deren Widerstände
über Stellsignale innerhalb geeigneter Grenzen variiert werden können.
Zur Korrektur der verschiedenen Abtastfehler sind im einzelnen zwei Abglei
chelemente 9.1, 9.2 innerhalb der Korrektureinheit 6 vorgesehen, welche
jeweils zwischen den "-"-Eingang der eingangsseitigen Operationsverstärker
7.1, 7.2 und deren Ausgang geschaltet sind. Über diese Abgleichelemente
9.1, 9.2 ist eine definierte Variation der Signalamplituden der beiden Abtast
signale S1, S2 möglich. Wie bereits oben angedeutet, werden seitens der
Auswerteeinheit 3 möglichst gleiche Amplituden der beiden analogen Ab
tastsignale S1, S2 bei der Weiterverarbeitung vorausgesetzt.
Ein weiteres Abgleichelement 9.3 ist zwischen die beiden Verarbeitungska
näle der Abtastsignale S1, S2 geschaltet und gestattet die definierte Varia
tion der Phasenlage der beiden Abtastsignale S1, S2, die im Idealfall um 90°
zueinander phasenversetzt sind.
Die verschiedenen Abgleichelemente 9.1, 9.2, 9.3 werden zur Einstellung
der erforderlichen Werte von Stellsignalen SA1, SA2, Sϕ beaufschlagt. Wei
tere Abgleichmöglichkeiten für die analogen Abtastsignale S1, S2 existieren
aufgrund der an den "+U"-Eingängen der eingangsseitigen Operationsver
stärker 7.1, 7.2 anliegenden Stellsignale SO1, SO2. Über diese ist jeweils der
Gleichspannungs-Anteil bzw. Offset der beiden Abtastsignale S1, S2 defi
niert einstellbar. Hinsichtlich der Erzeugung der verschiedenen Stellsignale
SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ sei auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen. Die
in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der analogen Korrektureinheit 6 ist
selbstverständlich lediglich beispielhaft zu verstehen und kann im Rahmen
der vorliegenden Erfindung durchaus abgewandelt werden.
Während des Meßbetriebes werden über die vorab erläuterten Abgleich
möglichkeiten innerhalb der Korrektureinheit 6 der erfindungsgemäßen An
ordnung die eingehenden analogen Abtastsignale S1, S2 laufend mit be
stimmten Stellsignalen SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ beaufschlagt. Derart kann stets
die ideale Signalform der ursprünglich fehlerbehafteten Abtastsignale si
chergestellt und möglichst ideale, korrigierte Abtastsignale S1', S2' an die
nachgeordnete Auswerteeinheit 3 übergeben werden. Die Erzeugung der
verschiedenen Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ für die verschiedenen Ab
gleichmöglichkeiten erfolgt dabei erfindungsgemäß über die Prozessorein
heit 5, der diejenigen Abtastsignale S1', S2' zugeführt werden, welche aus
gangsseitig an der Korrektureinheit 6 an liegen und an die Auswerteeinheit 3
übergeben werden sollen. Auf Basis der eingangsseitig anliegenden Signale
S1', S2' erfolgt in der Prozessoreinheit 5 die Bestimmung von Korrektur
größen bzw. Korrekturparametern und die Erzeugung entsprechender Stell
signale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ für die analogen Abtastsignale S1, S2. Aus
gangsseitig liegen an der Prozessoreinheit 5 demzufolge die Stellsignale
SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ an, über die die ggf. erforderlichen, verschiedenen
Signalabgleiche innerhalb der Korrektureinheit 6 mit den vorab erläuterten
Abgleichmöglichkeiten vorgenommen werden, um auf diese Art und Weise
die gewünschte ideale Signalform der analogen Abtastsignale S1, S2 lau
fend sicherzustellen.
Die Prozessoreinheit 5 umfaßt im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei
eingangsseitig angeordnete Sample/Hold-Stufen 10.1, 10.2 für das Paar
periodischer Abtastsignale S1', S2', d. h. je eine entsprechende Stufe 10.1,
10.2 pro Abtastsignal. Den beiden Sample/Hold-Stufen 10.1, 10.2 ist eine
Multiplexeinheit 11 nachgeordnet, über die die anliegenden analogen Ab
tastsignale S1, S2 zeitsequentiell auf eine A/D-Wandlereinheit 12 durchge
schaltet werden. In der A/D-Wandlereinheit 12 erfolgt die Digitalisierung der
analogen Abtastsignale S1', S2', d. h. die Weiterverarbeitung der Abtastsi
gnale S1', S2' erfolgt in der Prozessoreinheit 5 in digitaler Form. Die digita
lisierten Abtastsignale werden einer CPU 13 zugeführt, die in Form eines
Mikroprozessors ausgebildet ist und der desweiteren ein Arbeitsspeicher 14
zugeordnet ist.
Grundsätzlich wäre es auch alternativ möglich, anstelle der dargestellten
Variante mit einer Multiplexeinheit 11 und einer A/D-Wandlereinheit 12 meh
rere parallel angeordnete A/D-Wandlereinheiten vorzusehen.
Über die CPU 13 erfolgt die Bestimmung von ggf. erforderlichen Korrektur
größen für die Abtastsignale S1, S2 mittels eines geeigneten Korrekturalgo
rithmus. Hierzu werden vorzugsweise mehrere zusammengehörige Signal-
Wertepaare aus den beiden vorliegenden Abtastsignalen abgespeichert und
auf Grundlage mehrerer derartiger Wertepaare die entsprechenden Kor
rekturgrößen respektive die analogen Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ ge
bildet. Bezüglich einer vorteilhaften Möglichkeit zur Bestimmung von Kor
rekturgrößen für mit Abtastfehlern behaftete, phasenversetzte Abtastsignale
einer Positionsmeßeinrichtung sei an dieser Stelle insbesondere auf die be
reits oben erwähnten Veröffentlichungen von C. Wang et al., P.L.M.
Heydemann sowie K.P. Birch verwiesen.
Auf Grundlage des Korrekturalgorithmus werden von der CPU 13 Korrek
turgrößen sowie entsprechende - an dieser Stelle noch in digitaler Form vor
liegende - Stellsignale für die verschiedenen Abgleichmöglichkeiten in der
Korrektureinheit 6 bestimmt. Neben der Ermittlung von Korrekturgrößen
übernimmt die zentrale CPU 13 desweiteren die komplette Ablaufsteuerung
und Synchronisation innerhalb der Prozessoreinheit 6, was über die ent
sprechenden Verbindungen zwischen CPU 13 und zugeordneter Spei
chereinheit 14 einerseits und den verschiedenen Komponenten 10.1, 10.2,
11, 12, 15a-15e der Prozessoreinheit 5 andererseits angedeutet werden
soll.
Über mehrere in der Prozessoreinheit 5 ausgangsseitig angeordnete D/A-
Wandlereinheiten 15a, 15b, 15c, 15d, 15e werden die bestimmten, noch
digitalisiert vorliegenden Stellsignale in analoge Ausgangssignale SA1, SA2,
SO1, SO2, Sϕ, gewandelt und an die Korrektureinheit 6 übergeben. Selbstver
ständlich könnte alternativ hierzu auch lediglich eine einzige D/A-Wand
lereinheit an dieser Stelle eingesetzt werden. Durch die Einwirkung der
Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ auf die verschiedenen Abgleichmöglich
keiten der Korrektureinheit 6 kann auf diese Art und Weise eine automati
sierte Korrektur der periodischen Abtastsignale S1, S2 während des Meß
betriebes erfolgen. An die nachgeordnete Auswerteeinheit 3 werden die kor
rigierten Abtastsignale S1', S2' übergeben.
Bei der Einwirkung der Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ auf die analogen
Abtastsignale S1, S2 ist zudem sichergestellt, daß sich von Korrekturzyklus
zu Korrekturzyklus die Korrekturparameter bzw. Stellsignale SA1, SA2, SO1,
SO2, Sϕ nicht zu sprunghaft ändern. Es ist vielmehr eine gewisse Stetigkeit
der Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ auch über mehrere Korrekturzyklen
hinweg gewährleistet, um sprunghafte Änderungen in den ausgegebenen,
korrigierten Abtastsignalen S1', S2' zu vermeiden. Um eine derartige Ste
tigkeit der von der Prozessoreinheit 5 an die Korrektureinheit 6 übergebenen
Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ sicherzustellen existieren mehrere Mög
lichkeiten. Beispielsweise kann eine maximale, erlaubte Änderung der Stell
signale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ von Korrekturzyklus zu Korrekturzyklus vorge
geben werden. Desweiteren kann die beschriebene Regelung als PI-Rege
lung ausgebildet werden, so daß über den Integral-Anteil der Regelung eine
Stetigkeit der Änderung der Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ gewährleistet
ist.
Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik werden in der erfindungs
gemäßen Anordnung die fehlerbehafteten, analogen Abtastsignale S1, S2
erst nach dem Durchlaufen der Korrektureinheit 6 abgegriffen und an die
Prozessoreinheit 5 übergeben, die die entsprechend erforderlichen Stellsi
gnale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ für die verschiedenen Abgleichmöglichkeiten in
der Korrektureinheit 6 bestimmt. Im anschließenden Korrekturzyklus können
die folgenden periodischen Abtastsignale bereits mit den bestimmten Kor
rektur- bzw. Stellgrößen beaufschlagt und damit zumindest grob korrigiert
werden. Die auf diese Art und Weise erstmalig grob korrigierten Abtastsi
gnale S1, S2 dienen anschließend wiederum als Eingangsgrößen für die
Prozessoreinheit 5, die auf dieser Grundlage eine erneute Bestimmung von
ggf. erforderlichen Stellsignalen SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ vornehmen kann, wo
mit die nachfolgenden analogen Abtastsignale S1, S2 beaufschlagt werden
usw. . Es ergibt sich somit eine nochmals verbesserte Signalkorrektur der
Abtastsignale S1, S2, die von der nachgeordneten Auswerteeinheit 3 wei
terverarbeitet werden können. Zudem werden bei der Bestimmung der ver
schiedenen Korrekturgrößen bzw. Stellsignale SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ auch
diejenigen Fehler berücksichtigt, die über die analoge Korrektureinheit 6
verursacht werden.
Zur Durchführung des Korrekturalgorithmus und Bestimmung der erforderli
chen Korrekturgrößen bzw. Stellsignale werden aus den analogen Abtastsi
gnalen S1, S2 erfindungsgemäß lediglich bestimmte Signal-Wertepaare
herangezogen. Auf der Basis der ausgewählten Signal-Wertepaare wird
dann der Korrekturalgorithmus ausgeführt. Hierbei existieren hinsichtlich der
Selektion der herangezogenen Signalwerte eine Reihe von Möglichkeiten
innerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. innerhalb des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Beispielsweise ist in einer ersten Ausführungsform möglich, die analogen
Abtastsignale S1, S2 in unkorrigierter oder aber schon korrigierter Form
auch einer Interpolatoreinheit zuzuführen, die die Signalperiode in eine vor
gegebene Anzahl von Zählschritten unterteilt. In der Fig. 1 ist diejenige
Variante bezüglich der Selektion der Signal-Wertepaare dargestellt, bei der
die der Interpolatoreinheit zugeführten Signale an einer Stelle abgegriffen
werden, an der nach dem ersten Korrekturzyklus bereits korrigierte Abtast
signale S1', S2' vorliegen; mit dem Bezugszeichen 16 wird dabei die Inter
polatoreinheit bezeichnet, die in herkömmlicher Art und Weise ausgebildet
ist. Der CPU 13 werden in der Prozessoreinheit 5 über die Sample/Hold-
Stufen 10.1, 10.2, Multiplexeinheit 11 und die D/A-Wandlereinheit 12 dann
lediglich die von der Interpolatoreinheit 16 vorgegebenen Signalwerte der
korrigierten Abtastsignale S1', S2' an denjenigen Positionen zugeführt, die
den entsprechenden Interpolations-Zählschritten entsprechen. Zu diesem
Zweck liegen an der Interpolatoreinheit 16 eingangsseitig die Abtastsignale
S1', S2' an; ausgangsseitig liefert die Interpolatoreinheit 16 ein entspre
chendes Synchronisationssignal für die CPU 13, die anschließend ein Einle
sen der Signalwerte an diesen Positionen veranlaßt. Zum Einlesen bzw.
Erfassen der Signale werden von der CPU wiederum zumindest entspre
chende Signale an die A/D-Wandlereinheit 12 übergeben.
Alternativ zu dieser Ausführungsform könnte auch vorgesehen werden, daß
von der Interpolatoreinheit 16 an den gewünschten Positionen, an denen
Signalwerte übernommen werden sollen, entsprechende Synchronisations
signale an die Sample/Hold-Stufen 10.1, 10.2, die Multiplexeinheit 11 sowie
die A/D-Wandlereinheit 12 übergeben werden, um den Einlesevorgang in
die CPU 13 zu initiieren.
Hinsichtlich der Ausbildung der Interpolatoreinheit 16 existieren eine Reihe
von Möglichkeiten. Grundsätzlich erfolgt dabei über die Interpolatoreinheit
16 jeweils eine weitere Unterteilung der Signalperiode und damit die Be
stimmung definierter Positionen, an denen Signalwerte an die CPU für den
Korrekturalgorithmus übergeben werden sollen. Beispielsweise kann etwa
eine 10-fache, gleichmäßige Unterteilung der Signalperiode erfolgen, so daß
an insgesamt 10 Interpolationspositionen eine Übermittlung von Synchroni
sationssignalen für das Einlesen der entsprechenden Signal-Wertepaare an
die CPU 13 erfolgt. Als Signalwerte für den Korrekturalgorithmus werden
dann die an den entsprechenden 10 Positionen erfaßten bzw. digitalisierten
Signalwerte der CPU 13 zugeführt.
Hierzu können in einer ersten Ausführungsform der Interpolatoreinheit 16
die Übernahme-Positionen in absolut-codierter Form an die CPU 13 über
geben werden. Die Synchronisationssignale bestehen demzufolge hierbei
aus der absoluten Positionsinformation an den Übernahmepositionen. Als
vorteilhaft erweist sich dabei, daß der CPU 13 aufgrund der bekannten ab
soluten Übernahmeposition die Gleichmäßigkeit der Verteilung der über
nommenen Signalwerte über die Signalperiode sofort bekannt ist. Es ist
demzufolge keine aufwendige, rechenzeitintensive Überprüfung der Signal
werte dahingehend erforderlich, ob diese auch hinreichend gleichmäßig
verteilt vorliegen und sich für den Korrekturalgorithmus eignen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Interpolatoreinheit 16 eine in
krementale Unterteilung der Signalperiode vornehmen und über einen mit
laufenden Zähler die jeweilige absolute Übernahmeposition bestimmt wer
den, die an die CPU 13 übergeben wird.
Desweiteren ist es in einer dritten Ausführungsform schließlich möglich, daß
die Interpolatoreinheit 16 lediglich ein inkrementale Unterteilung der Signal
periode vornimmt und entsprechende Signale zur Übernahme der Signal
werte an mehreren äquidistant verteilten Positionen an die CPU übergibt.
Insbesondere im Fall detektierter höherer Verfahrgeschwindigkeiten erweist
sich die Übergabe der absoluten Übernahmeposition von der Interpola
toreinheit 16 an die CPU 13 gemäß den beiden ersten Ausführungsvarian
ten als vorteilhaft. So kann derart sichergestellt werden, daß die Signal-
Wertepaare auf jeden Fall an unterschiedlichen Positionen der zugehörigen
Lissajous-Figur übernommen werden und nicht etwa in mehreren aufeinan
derfolgenden Signalperioden stets an der gleichen Position in der Lissajous-
Figur die Signalwerte übernommen werden.
Daneben ist es in weiteren Ausführungsformen möglich, die Selektion von
Signal-Wertepaaren vorzunehmen, indem über die CPU 13 softwaremäßig
Synchronisationssignale bzw. Triggerimpulse für die Sample/Hold-Stufen
10.1, 10.2, die Multiplexeinheit 11 und die D/A-Wandlereinheit 12 erzeugt
bzw. vorgegeben werden. Es werden dabei wiederum nicht alle analogen
Abtastsignale digitalisiert, sondern lediglich eine bestimmte Auswahl von
Signal-Wertepaaren an bestimmten Positionen.
Hierbei kann einerseits eine zeitlich äquidistante Verteilung von Triggerim
pulsen vorgegeben werden. Um sicherzustellen, daß die für den Korrek
turalgorithmus herangezogenen Signal-Wertepaare gleichmäßig über die
zugehörige Lissajous-Figur verteilt sind, werden hierzu geeignet liegende
Signal-Wertepaare bzw. Zeitpunkte zum Erfassen der Signal-Wertepaare
softwaremäßig vorgegeben.
Bei eventuell möglichen hohen Verfahrgeschwindigkeiten kann jedoch wie
derum der Fall auftreten, daß über mehrere Signalperioden hinweg immer
Signal-Wertepaare erfaßt werden, die an ähnlichen Positionen auf der
Lissajous-Figur liegen und demzufolge die verschiedenen Signal-Werte
paare nicht besonders gut als Eingangsdaten des Korrekturalgorithmus ge
eignet sind. Als vorteilhaft erweist sich daher, wenn die momentane Ver
fahrgeschwindigkeit beispielsweise anhand der bislang erfaßten Meßwerte
bestimmt wird. Im Fall hoher Verfahrgeschwindigkeiten wird die zeitliche
Verteilung der Triggerimpulse dann geeignet verändert, um diesen Fall aus
zuschließen und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Signal-Werte
paare für den Korrekturalgorithmus über die Lissajous-Figur zu gewährlei
sten.
Die letztgenannte Maßnahme muß jedoch nicht getroffen werden, wenn
man bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten keine extrem exakte Signalkor
rektur wünscht, sondern in diesem Fall auch mit ungenauer korrigierten Ab
tastsignalen auf Seiten der Auswerteeinheit zurecht kommt.
Andererseits ist es auch möglich, die Triggerimpulse für die Selektion der
Signal-Wertepaare grundsätzlich nicht zeitlich-äquidistant vorzugeben, son
dern diese als nicht-periodische Folge vorzugeben. Hierbei ist die zeitliche
Verteilung der Folge der Triggerimpulse derart zu wählen, daß bei jeder mög
lichen Verfahrgeschwindigkeit eine gleichmäßige Verteilung der Signal-
Wertepaare über die Lissajous-Figur gewährleistet ist. Beispielsweise kann
eine geeignete statistische zeitliche Verteilung der Triggerimpulse zu die
sem Zweck über die CPU vorgegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung bzw.
des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen werden, stets in Ab
hängigkeit der Relativgeschwindigkeit zwischen Maßstabteilung und Abtast
einheit die zur Korrektur heranzuziehenden Signal-Wertepaare zu selektie
ren. Zu diesem Zweck ist es grundsätzlich erforderlich die jeweilige Relativ
geschwindigkeit zu erfassen, was beispielsweise über geeignete Detektoren
oder die Erfassung der Frequenz der Abtastsignale erfolgen kann. So kön
nen dann bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten und erhöhten Genau
igkeitsanforderungen beispielsweise mehr Signalwerte aus dem Paar von
Abtastsignalen herangezogen werden, während bei höheren Relativge
schwindigkeiten und entsprechend geringeren Präzisisonsanforderungen
die Signalkorrektur auf Grundlage weniger Signalwerte ausreicht. Insbeson
dere im Fall langsamer Verfahrgeschwindigkeiten können viele Signal-
Wertepaare aus den Abtastsignalen herangezogen werden, über die wie
derum eine Mittelung möglich ist. Insgesamt ergibt sich aufgrund einer der
artigen Mittelung über viele Signal-Wertepaare eine Genauigkeit für die be
stimmten Korrekturwerte, die über der Auflösung der A/D-Wandlereinheit
liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt diese desweiteren eine -
nichtflüchtige - Speichereinheit, in der Korrekturgrößen abgelegt werden
können. Zu Beginn einer neuen Messung werden diese Korrekturgrößen in
entsprechende Stellsignale umgewandelt und beaufschlagen über die Kor
rektureinheit die zu korrigierenden analogen Abtastsignale. Auf diese Art
und Weise wird bereits beim ersten Durchgang von analogen Abtastsigna
len durch die Korrektureinheit eine erste, zumindest grobe Signalkorrektur
vorgenommen; anschließend erfolgt die laufende Signal-Korrektur der ana
logen Abtastsignale auf Basis der beschriebenen Regelung wie vorab be
schrieben.
Es existieren somit neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine
Reihe von weiteren Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Anordnung bzw.
das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit der jeweiligen Anforde
rungen geeignet auszugestalten.
Claims (17)
1. Anordnung zur automatischen Korrektur fehlerbehafteter Abtastsignale
inkrementaler Positionsmeßeinrichtungen, wobei eingangsseitig minde
stens ein Paar phasenversetzter, analoger Abtastsignale anliegen, die
mit bestimmten Abweichungen von der idealen Signalform behaftet sind,
wobei von einer nachgeordneten Auswerteeinheit eine ideale Signalform
vorausgesetzt wird mit
- - einer Prozessoreinheit, der die Abtastsignale zugeführt werden und in der mittels eines Korrekturalgorithmus Korrekturgrößen bestimmt werden, die wiederum in entsprechende Stellsignale umgesetzt werden,
- - einer Korrektureinheit, der die analogen Abtastsignale sowie die Stellsignale zugeführt werden und die mehrere Abgleichmöglich keiten umfaßt, um durch die Beaufschlagung mit den Stellsignalen die fehlerbehafteten Abtastsignale zu korrigieren,
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pro
zessoreinheit (5) eingangsseitig mindestens eine A/D-Wandlereinheit
(12) angeordnet ist, über die die analogen Abtastsignale (S1', S2') di
gitalisierbar sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer A/D-
Wandlereinheit (12) mindestens zwei Sample/Hold-Stufen (10.1, 10.2)
vorgeordnet sind und jeder dieser Sample/Hold-Stufen (10.1, 10.2) ei
nes der Abtastsignale (S1', S2') zugeführt wird.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
der A/D-Wandlereinheit (12) und den mindestens zwei Sample/Hold-
Stufen (10.1, 10.2) eine Multiplexeinheit (11) angeordnet ist, die ein
zeitsequentielles Durchschalten der Abtastsignale (S1', S2') von den
Sample/Hold-Stufen (10.1, 10.2) an die A/D-Wandlereinheit (12) bewirkt.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozes
soreinheit (5) mindestens eine CPU (13) in Form eines Mikroprozessors
mit einem Arbeitsspeicher (14) umfaßt, der die von der A/D-Wand
lereinheit (12) digitalisierten Abtastsignale (S1', S2') zugeführt werden.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pro
zessoreinheit (5) ausgangsseitig mindestens eine D/A-Wandlereinheit
(15a, 15b, 15c, 15d, 15e) angeordnet ist, über die die von der CPU (13)
bestimmten Stellsignale (SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ) in analoger Form an die
Korrektureinheit (6) übergeben werden.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kor
rektureinheit (6) Abgleichmöglichkeiten für die Amplituden der analogen
Abtastsignale (S1', S2'), für die Gleichspannungsanteile der analogen
Abtastsignale (S1', S2') sowie für den gegenseitigen Phasenversatz der
analogen Abtastsignale (S1', S2') umfaßt, die über die Stellsignale (SA1,
SA2, SO1, SO2, Sϕ)von der Prozessoreinheit (5) beaufschlagbar sind.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab
gleichmöglichkeiten zumindest teilweise als elektronisch einstellbare
Potentiometer (9.1, 9.2, 9.3) ausgebildet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 2 und 5, gekennzeichnet durch eine Inter
polatoreinheit (16), die die Signalperiode der korrigierten oder unkorri
gierten analogen Abtastsignale (S1, S2, S1', S2') in eine vorgegebene
Anzahl von Interpolationspositionen unterteilt und an den Interpolati
onspositionen Synchronisationssignale für das Einlesen der zugehöri
gen Signal-Wertepaare in die CPU (13) übermittelbar sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Inter
polatoreinheit (16) derart ausgebildet ist, daß eine absolute Bestimmung
der Übernahmeposition der Signal-Wertepaare möglich ist und die
absolute Positionsinformation an die CPU (13) als Synchronisati
onssignal übermittelbar ist.
11. Verfahren zur automatischen Korrektur fehlerbehafteter Abtastsignale
inkrementaler Positionsmeßeinrichtungen, die mit bestimmten Abwei
chungen von der idealen Signalform behaftet sind, die von einer nach
geordneten Auswerteeinheit vorausgesetzt werden , wobei
- - die Abtastsignale einer Prozessoreinheit zugeführt werden und mittels eines Korrekturalgorithmus Korrekturgrößen bestimmt wer den, die wiederum in entsprechende Stellsignale umgesetzt wer den,
- - die analogen Abtastsignale sowie die Stellsignale ferner einer Kor rektureinheit zugeführt werden, welche mehrere Abgleichmöglich keiten umfaßt, um durch die Beaufschlagung mit den Stellsignalen die fehlerbehafteten Abtastsignale zu korrigieren, dadurch gekennzeichnet, daß
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar
phasenversetzter Abtastsignale (S1', S2') hinsichtlich der Signalampli
tuden, der Gleichspannungsanteile und ihrer relativen Phasenlage kor
rigiert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß pro Signal
periode der Abtastsignale (S1', S2') eine vorbestimmte Anzahl von
Signalwerten zur Ermittlung der Korrekturgrößen herangezogen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast
signale (S1', S2') in der Prozessoreinheit (5) jeweils einer Sample/Hold-
Stufe (10.1, 10.2) zugeführt werden, anschließend über eine Multiplex-
Einheit (11) zeitsequentiell auf eine A/D-Wandlereinheit (12) durchge
schaltet und von dieser einer CPU (13) mit zugeordnetem Arbeitsspei
cher (14) zugeführt werden, über die der Korrekturalgorithmus zur Be
stimmung der Stellsignale (SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kor
rekturalgorithmus zur Ermittlung der Korrekturgrößen und Stellsignale
(SA1, SA2, SO1, SO2, Sϕ) herangezogenen Signal-Wertepaare geschwin
digkeitsabhängig aus den analogen Abtastsignalen (S1', S2') ausge
wählt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die
analogen Abtastsignale (S1', S2') einwirkenden Stellsignale (SA1, SA2,
SO1, SO2, Sϕ) so gewählt sind, daß die Stellsignale aufeinanderfolgender
Korrekturzyklen sich um nicht mehr als um einen vorbestimmten Betrag
unterscheiden.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über eine
Interpolatoreinheit (16) die Signalperiode der korrigierten oder unkorri
gierten analogen Abtastsignale in eine vorgegebene Anzahl von Inter
polationspositionen unterteilt wird und an den jeweiligen Interpolati
onspositionen die zugehörigen Signal-Wertepaare als Eingangswerte für
den Korrektur-Algorithmus erfaßt werden.
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