DE19747563A1 - Lageerfassungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei einer Lageerfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Verschiebungsgröße zwischen zwei sich relativ bewegenden Teilen, wie einer Skala und einem Meßfühler, die an einer Werkzeugmaschine oder einer Prä­ zisionsmeßvorrichtung angewendet werden, und insbesondere eine Lageerfassungs­ vorrichtung, die einen vereinfachten Aufbau hat und die Steuergenauigkeit eines Servo­ motors dafür verbessert.

Im allgemeinen verwendet eine Lageerfassungsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine oder eine Präzisionsmeßvorrichtung einen Servomechanismus, damit eine relative Lage von zwei sich in bezug zueinander bewegenden Teilen einer Sollage entspricht. Ein Wechselstromservomotor wird hauptsächlich bei einem solchen Servomechanismus an­ gewendet. Um einen Wechselstromservomotor zu steuern, ist es notwendig, digitale, Zweiphasensignale zum Steuern der Stellung und Drehzahl und ein digitales Dreipha­ sensignal zur Steuerung dessen Magnetfeld zuzuführen. Die Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und Drehzahl sollten ein Signal mit einer relativ kurzen Periode sein, das die Länge einer Mikrometereinheit aufweist, um eine genaue Steuerung zu er­ möglichen. Die Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnetfeldes sollten ein Signal mit einer relativ langen Periode sein, die der Schrittweite von Schlitzen des Servomotors entspricht. Die Schrittweite der Schlitze ist im Allgemeinen mehrere Millimeter, und des­ halb ist die Periode der Zweiphasensignale stark unterschiedlich von der der Dreipha­ sensignale. Deshalb sind herkömmliche Lageerfassungsvorrichtungen im allgemeinen ausgebildet, daß sie eine erste Skala mit Skalenteilungen, die der Periode der Zweipha­ sensignale entsprechen, zur Stellungs- und Geschwindigkeitssteuerung und eine zweite Skala mit Skalenteilungen aufweisen, die der Periode der Dreiphasensignale zur Ma­ gnetfeldsteuerung entsprechen. Des weiteren ist es in dem Fall, wenn ein linearer Wechselstromservomotor in einer Lageerfassungsvorrichtung verwendet wird, not­ wendig, zwei Stellwertgeber für die Zweiphasensignale und die Dreiphasensignale vor­ zusehen.

Jedoch erzeugt die Bereitstellung von zwei Skalen und zwei Stellwertgebern solche Schwierigkeiten, daß der Aufbau des Servomechanismus kompliziert wird, und daß Ju­ stiervorgänge zu dessen Einbau und Montagevorgänge davon zunehmen. Des weiteren ist es bei der Lageerfassungsvorrichtung, die eine solche Konstruktion aufweist, schwie­ rig, daß die Phasendifferenz der Zweiphasensignale und der Dreiphasensignale genau entsprechen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lageerfassungsvorrichtung zu schaf­ fen, die die oben erwähnten Schwierigkeiten löst.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Kurz gesagt ist eine Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, und umfaßt eine Skala mit einer Skalenteilung vorbestimmter Schrittweite, einen Meßfühler, der in bezug auf die Skala bewegbar ist und ein Periodensignal erfaßt, das der Schrittweite entspricht, und eine Mehrzahl Inter­ polationseinrichtungen I1 und I2, die in Fig. 1 gezeigt sind und die das periodische Si­ gnal von dem Meßfühler durch unterschiedliche Auflösungen interpolieren. Eine Interpo­ lationseinrichtung I1 gibt ein erstes Interpolationssignal mit m (positive, ganze Zahl) Phasen aus, die um eine Phasendifferenz ΘI verschoben sind, und die andere Interpo­ lationseinrichtung I2 gibt ein zweites Interpolationssignal mit n (positive, ganze Zahl) Phasen aus, die um eine Phasendifferenz Θ2 verschoben sind.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Lageerfassungsvorrich­ tung, die eine Skala, einen Meßfühler und eine Mehrzahl Interpolationseinrichtungen umfaßt. Die Skala hat Skalenteilungen, die mit einer vorbestimmten Schrittweite markiert sind. Der Meßfühler ist in bezug auf die Skala bewegbar und erfaßt periodische Signale, die die Perioden angeben, die den Schrittweiten der Skalenteilungslinien entsprechen. Die Mehrzahl der Interpolationseinrichtungen interpoliert die periodischen Signale. We­ nigstens eine der Interpolationseinrichtungen gibt eine erste, ganze Zahl erster In­ terpolationssignale aus, die sich in der Phase um einen ersten, vorbestimmten Winkel unterscheiden. Wenigstens eine der Interpolationseinrichtungen mit Ausnahme der die ersten Interpolationssignale ausgebenden Interpolationseinrichtung gibt eine zweite, ganze Zahl zweiter Interpolationssignale aus, die sich in der Phase um einen zweiten, vorbestimmten Winkel unterscheiden.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Grundkonstruktion einer In­ terpolationseinrichtung für eine Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vor­ liegenden Erfindung zeigt

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer magnetischen Lageerfassungsvorrich­ tung, die Magnetwiderstandselemente gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;

Fig. 3 ist ein Schaltschema einer ersten Ausführungsform einer Interpolationsein­ richtung, die bei der Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Er­ findung verwendet wird.

Fig. 4 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Prinzips des Vektor-Addierverfahrens;

Fig. 5A bis 5E sind Kurven, die Wellenformen des Signals mit der Phase A, des Signals mit der Phase B, des Signals mit der Phase U, des Signals mit der Phase V und des Signals mit der Phase W zeigen, die von der Interpolationseinrichtung der Fig. 3 erhalten werden.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der Interpolations­ einrichtung der Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung zeigt;

Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Prinzips des Interpolationsverfahrens, wobei ein Paar Analog/Digitalwandler und eine Umwandlungstabelle verwen­ det werden;

Fig. 8 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Prinzips eines Interpolationsverfah­ rens, wobei ein Paar Analog/Digitalwandler und eine Umwandlungstabelle verwendet werden;

Fig. 9A bis 9C sind Ansichten zur Erläuterung eines Datenspeicherverfahrens in der Um­ wandlungstabelle;

Fig. 10A bis 10E sind Kurven, die Wellenformen des Signals mit der Phase A, des Signals mit der Phase B, des Signals mit der Phase U, des Signals mit der Phase V und des Signals mit der Phase W zeigen, die von der Vorrichtung der Fig. 6 er­ halten werden;

Fig. 11 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Datenspeicherverfahrens in der Um­ wandlungstabelle;

Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Abänderung der Fig. 5 zeigt; und

Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführungsform der Interpolations­ einrichtung der Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung zeigt.

Es wird auf die Fig. 2 bis 5 Bezug genommen, in denen eine erste Ausführungsform einer Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.

Die Lageerfassungsvorrichtung PA gemäß der vorliegenden Erfindung ist vom magneti­ schen Typ und verwendet ein Magnetwiderstandselement (MR Element), wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Lageerfassungsvorrichtung PA umfaßt eine Skala 1, auf der magneti­ sche Skalenteilungslinien mit einer vorbestimmten Schrittweite λ aufgezeichnet sind. Ein erster und ein zweiter Magnetwiderstandskopf 2 und 3 sind entlang der Skala 1 ange­ ordnet. Ein Paar Magnetwiderstandselemente MR1 und MR2, die in einem Brückenauf­ bau angeordnet sind, bilden den ersten Magnetwiderstandskopf 2. Ähnlich sind ein Paar Magnetwiderstandselemente MR3 und MR4 in einem Brückenaufbau angeordnet und bilden den zweiten Magnetwiderstandskopf 3. Das Paar Magnetwiderstandselemente MR1 und MR2 des ersten Magnetwiderstandskopfes 2 sind angeordnet, daß sie einen Abstand von λ/2 zwischen sich aufweisen. Ähnlich ist das Paar Magnetwiderstandsele­ mente MR3 und MR4 des zweiten Magnetwiderstandskopfes 3 angeordnet, daß sie ei­ nen Abstand (λ/2) zwischen sich aufweisen. Indem eine Spannung zwischen den Ma­ gnetwiderstandselementen MR1 und MR2 des ersten Magnetwiderstandskopfes 2 an­ gelegt wird, wird ein periodisches Signal gemäß einer relativen Bewegungsgröße x1 von dem Verbindungszwischenpunkt zwischen den Magnetwiderstandselementen MR1 und MR2 auf der Grundlage der Widerstandsänderung aufgrund der relativen Verschiebung in bezug auf die Skala 1 abgeleitet. In bezug auf den zweiten Magnetwiderstandskopf 3 wird, indem ähnlich eine Spannung zwischen den Magnetwiderstandselementen MR3 und MR4 des Magnetwiderstandskopfes 3 angelegt wird, ein periodisches Signal gemäß einer relativen Verschiebungsgröße x1 von dem Verbindungszwischenpunkt zwischen den Magnetwiderstandselementen MR3 und MR4 auf der Grundlage der Widerstand­ sänderung wegen der relativen Bewegung in bezug auf die Skala 1 abgeleitet.

Der Abstand zwischen dem Magnetwiderstandskopf 2 und 3 wird auf einen Abstand von einem Viertel einer Periode des periodischen Signals eingestellt. Wie es gut bekannt ist, wird die Periode des periodischen Signals so geändert, daß sie eine Schrittweite λ oder die Hälfte der Schrittweite λ entsprechend der Größe des Vormagnetfeldes aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, daß eine geeignete Spannung an die Ma­ gnetwiderstandsköpfe 2 und 3 angelegt wird, so daß die Periode des periodischen Si­ gnals bei der Schrittweite λ gehalten wird. Deshalb wird der Abstand zwischen den Ma­ gnetwiderstandsköpfen 2 und 3 auf ein Viertel der Schrittweite λ gesetzt. Die Magnetwi­ derstandsköpfe 2 und 3 erfassen periodische Signale, die eine Phasendifferenz λ/4 ei­ nes Viertels der Periode dazwischen haben. Insbesondere ist eines der periodischen Signale sin(2πx/λ) und das andere Signal ist cos(2πx/λ). Wenn das Vormagnetfeld an­ gewendet wird, so daß die Periode des periodischen Signals bei der Hälfte der Schritt­ weite (λ/2) eingestellt wird, kann der Abstand zwischen den Magnetwiderstandsköpfen 2 und 3 auf λ/8 eingestellt werden und die Abstände zwischen den Magnetwiderstandse­ lementen MR1 und MR2 und zwischen den Magnetwiderstandselementen MR3 und MR4 können auf λ/4 eingestellt werden. Diese Anordnung ermöglicht, daß die Magnet­ widerstandsköpfe 2 und 3 die periodischen Signale erfassen, die eine Phasendifferenz von einem Viertel des Zyklus haben.

Fig. 3 zeigt eine Interpolationseinrichtung, die bei der Ausführungsform der Lageerfas­ sungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Interpolation­ seinrichtung 100 enthält eine erste und zweite Interpolationsschaltung 4 und 5 und führt die Interpolation der periodischen Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) mittels des Vektor- Addierverfahrens durch. Beide periodischen Signale, die von den Magnetwiderstands­ köpfen 2 und 3 ausgegeben werden, werden beiden Interpolationsschaltungen 4 und 5 eingegeben.

Das Prinzip des Vektor-Addierverfahrens wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 erörtert. Ei­ ne Eingangsklemme für das periodische Signal sin(2πx/λ) ist mit einer Eingangsklemme für das periodische Signal cos(2πx/λ) über die Widerstände RA und RB verbunden, und ein Verbindungszwischenpunkt zwischen den Widerständen RA und RB ist mit einer Ausgangsklemme verbunden. Mit anderen Worten ist die Eingangsklemme für das peri­ odische Signal sin(2πx/λ) mit der Ausgangsklemme über den Widerstand RA verbun­ den, und die Eingangsklemme für das periodische Signal cos(2πx/λ) ist mit der Aus­ gangsklemme über den Widerstand RB verbunden. Demgemäß wird, wie es durch eine Vektoraddition gemäß der Fig. 4 angegeben ist, ein Signal i, das in bezug auf sin(2πx/λ) um θ = arctan(RNRB) phasenverschoben ist, von der Ausgangsklemme ausgegeben. Da es möglich ist, die phasenverschobenen Signale von sin(2πx/λ) frei zu erhalten, in­ dem das Widerstandsverhältnis RA/RB eingestellt wird, wird die Interpolationseinrich­ tung konstruiert, indem eine Mehrzahl Schaltungen, die in Fig. 4 gezeigt sind, zusam­ mengebaut wird, die sich jeweils durch ihr Widerstandsverhältnis unterscheiden.

Die Interpolationsschaltung 4, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist so gebildet, daß NB Phasensi­ gnale mit einer Unterteilung von 16 auf der Grundlage des Prinzips des Vektor-Addier­ verfahrens erhalten werden. Eine Eingangsklemme IT1, an der das Signal cos(2πx/λ) eingegeben wird, ist mit einem Vergleicher 11 über den Widerstand R1 verbunden, und eine Eingangsklemme IT2, an der das Signal sin(2πx/λ) eingegeben wird, ist mit einem Vergleicher 15 über einen Widerstand R8 verbunden. Des weiteren ist die Eingangs­ klemme IT1 für das Signal cos(2πx/λ) mit einem Vergleicher 12 über einen Widerstand R2 verbunden, und die Eingangsklemme IT2 für das Signal sin(2πx/λ) ist mit dem Ver­ gleicher 12 über einen Widerstand R5 verbunden. Die Eingangsklemme IT1 ist mit ei­ nem Vergleicher 13 über einen Widerstand R3 verbunden, und die Eingangsklemme IT2 ist mit dem Vergleicher 13 über einen Widerstand R6 verbunden. Die Eingangs­ klemme IT1 ist mit einem Vergleicher 14 über einen Widerstand R4 verbunden, und die Eingangsklemme IT2 ist mit dem Vergleicher 14 über einen Widerstand R7 verbunden. Die Eingangsklemme IT1 ist mit einem Vergleicher 16 über eine Multiplikationseinrich­ tung 10 und einem Widerstand R12 verbunden, und die Eingangsklemme IT2 ist mit dem Vergleicher 16 über einen Widerstand R6 verbunden. Die Eingangsklemme IT1 ist mit einem Vergleicher 17 durch die Multiplikationseinrichtung 10 und einem Widerstand R13 verbunden, und die Eingangsklemme IT2 ist mit dem Vergleicher 17 über den Wi­ derstand R10 verbunden. Die Eingangsklemme IT1 ist mit einem Vergleicher 17 über die Multiplikationseinrichtung 10 und einem Widerstand R14 verbunden, und die Ein­ gangsklemme IT2 ist mit dem Vergleicher 17 über einen Widerstand R11 verbunden.

Jeder Widerstandswert von jedem Widerstand R1 bis R14 ist auf jedes Verhältnis in be­ zug auf den Widerstandswert des Widerstands R1 eingestellt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, so daß jedes phasenverschobene Signal jedem Vergleicher 11 bis 18 eingegeben wird. Die phasenverschobenen Signale sind in bezug auf das Signal sin(2πx/λ) um +90 Grad, +67,5 Grad, +45 Grad, +22,5 Grad, 0 Grad, -22,5 Grad, -45 Grad und -67,5 Grad phasenverschoben.

Jedes phasenverschobene Signal wird quantisiert, indem es mit einem vorbestimmten Schwellenwert in jedem Vergleicher 11 bis 18 verglichen wird. Der Ausgang des Ver­ gleichers 11 und der Ausgang des Vergleichers 15 werden einem EXKLUSIV-ODER- Glied 19 eingegeben. Der Ausgang des Vergleichers 12 und der Ausgang des Verglei­ chers 16 werden einem EXKLUSIV-ODER-Glied 20 eingegeben. Der Ausgang des Ver­ gleichers 13 und der Ausgang des Vergleichers 17 werden einem EXKLUSIV-ODER- Glied 21 eingegeben. Der Ausgang des Vergleichers 14 und der Ausgang des Verglei­ chers 18 werden einem EXKLUSIV-ODER-Glied 22 eingegeben. Des weiteren werden der Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Glieds 19 und der Ausgang des EXKLUSIV-ODER- Glieds 21 einem EXKLUSIV-ODER-Glied 23 eingegeben. Des weiteren werden der Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Glieds 20 und der Ausgang des EXKLUSIV-ODER- GLIEDS 22 einem EXKLUSIV-ODER-Glied 24 eingegeben. Die EXKLUSIV-ODER- Glieder 23 und 24 geben ein Signal mit der Phase A und ein Signal mit der Phase B aus, das in Fig. 5A bzw. 5B gezeigt ist. Das Signal mit der Phase A und das Signal mit der Phase B sind die 16. Unterteilung des Zyklus des periodischen Signals und haben eine Phasendifferenz von 90 Grad dazwischen. Das Signal mit der Phase A und das Signal mit der Phase B werden zu einem Wechselstromservomotor (nicht gezeigt) eines Servomechanismus als die Zweiphasensignale zur Steuerung dessen Stellung und Drehzahl geschickt.

Die Interpolationsschaltung 5 ist so ausgebildet, daß das Signal mit der Phase U, das Signal mit der Phase V und das Signal mit der Phase B erhalten wird. Die Eingangs­ klemme IT2 des Signals sin(2πx/λ) ist mit einem Vergleicher 32 über einen Widerstand R20 verbunden. Die Eingangsklemme IT2 des Signals sin(2πx/λ) ist mit einem Verglei­ cher 31 über einen Widerstand R22 verbunden. Die Eingangsklemme IT1 des Signals cos(2πx/λ) ist mit einem Vergleicher 32 über einen Widerstand R21 verbunden. Die Ein­ gangsklemme IT2 ist mit einem Vergleicher 33 über einen Widerstand R23 verbunden und die Eingangsklemme IT1 ist mit dem Vergleicher 33 über eine Multiplikationsein­ richtung 20 (Multiplikationskoeffizient = -1) und einen Widerstand R24 verbunden.

Der Widerstandswert von jedem Widerstand R20 bis R24 wird auf ein Verhältnis in be­ zug auf den Widerstandswert des Widerstands R20 gesetzt wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Deshalb erhält jeder Vergleicher 31, 32, 33 ein verschobenes Signal, das in bezug auf das Signal sin(2πx/λ) um 60 Grad, 0 Grad, -60 Grad verschoben ist. Jedes verschobene Signal wird bei jedem Vergleicher 31 bis 33 quantisiert. Das Ausgangssignal des Ver­ gleichers 32 wird durch eine Umkehrschaltung 34 umgekehrt, um das Signal um 180 Grad phasenzuverschieben. Deshalb werden das Signal mit der Phase U, das Signal mit der Phase V und das Signal mit der Phase W, die eine Phasendifferenz dazwischen aufweisen, erhalten, wie es in Fig. 5C, 5D und 5E gezeigt ist. Das Signal mit der Phase U, das Signal mit der Phase V und das Signal mit der Phase W werden dem Wechsel­ stromservomotor als die Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnetfeldes eingege­ ben.

Mit der obigen Ausgestaltung wird es möglich, gleichzeitig die Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl des Wechselstromservomotors und die Drei­ phasensignale zur Steuerung des Magnetfelds des Wechselstromservomotors auf der Grundlage der periodischen Signale sin(2πx/λ) und cos(2π/λ) zu erhalten.

Bezugnehmend auf Fig. 6 wird eine zweite Ausführungsform der Lageerfassungsvor­ richtung gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert. Die Konstruktion der Skala 1 und der Magnetwiderstandsköpfe 2 und 3 der zweiten Ausführungsform ist vollständig die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. Deshalb wird deren Erläuterung hier unter­ lassen. Die Interpolationseinrichtung 200 der zweiten Ausführungsform ist so ausgebil­ det, daß eine Interpolation ausgeführt wird, indem ein Paar AID Wandler (Analog/Digi­ talwandler) 41 und 42 und eine Umwandlungstabelle 43 verwendet werden. Die Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) werden dem Analog/Digitalwandler 41 und 42 eingegeben, die eine Auflösung von n Bit durchführen, um jene jeweils in digitale Signale umzuwandeln. Die umgewandelten, digitalen Signale werden einem Adresseneingang ad1 bzw. ad2 von n Bits der Umwandlungstabelle 43 eingegeben. Die Umwandlungstabelle 43 ist von einem ROM (Festwertspeicher) gebildet, der einen Speicherbereich hat, der eine Anzahl von 2²ⁿ Signalen mit 2n Bits speichert. Eines der Eingangssignale, das den Adressen­ eingängen ad1 und ad2 eingegeben wird, wird an den oberen n Bits des Speicherberei­ ches von 2n Bits gespeichert, und das andere der Eingangssignale wird an den unteren n Bits des Speicherbereiches von 2n Bits, wie 16 Bits, gespeichert.

Das Prinzip dieses Verfahrens, das den Analog/Digitalwandler und eine Umwandlungs­ tabelle verwendet, wird nachfolgend erörtert.

Es wird angenommen, daß die Umwandlungstabelle 43 eine zweidimensionale Adres­ senebene einschließt, die eine Achse der Sinuskomponente und eine Achse der Cosi­ nuskomponente in der Umwandlungstabelle aufweist, die in Fig. 6 gezeigt ist, und daß ein Koordinatenpunkt (Adressenbit), der in der Adressenebene gemäß den digitalisierten Signalen sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) bestimmt wird, die dem Adresseneingang ad1 und ad2 eingegeben werden, in der Adressenebene gesetzt wird. Der Ort des Adressenbit a gemäß den Änderungen der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) bildet einen Kreis b in der zweidimensionalen Adressenebene und die eine Periode der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) entspricht einem Umlauf des Kreises b in der zweidimensionalen Adresse­ nebene. In Fig. 7 entsprechen die Werte der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) bei den Phasen p1, p2, . . . und p9 den Adressenbits a1, a2, . . . und a9. Die Phase p1 ist gleich der Phase p9 und deshalb ist das Adressenbit a1 dasselbe wie das Adressenbit a9.

Es wird angenommen, daß ein Umlauf von 360 Grad des Kreises b regelmäßig durch ei­ ne Teilungszahl V geteilt ist, und daß in der Umwandlungstabelle ein Adressenbereich vorhanden ist, der von dem Adressensignal, das durch die Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) gebildet wird, entsprechend dem Adressenbit in derselben Unterteilungseinheit adressiert wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Teilungszahl V gleich 8 (V = 8), wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die Anzahl 2²ⁿ der Adressenbereiche in der Umwandlungsta­ belle ist in eine Anzahl von V entsprechenden Blöcken aufgeteilt (ein Block hat einen Adressenbereich von 2²ⁿ/Anzahl V). Beispielsweise wird eine "1" in jeden vorderen, halben Abschnitt des Adressenbereiches von jedem Block geschrieben (der Adressen­ bereich, der einem schraffierten Abschnitt der Fig. 8 entspricht) und eine "0" ist in alle hinteren, halben Bereiche des Adressenbereichs eines jeden Blocks geschrieben (der Adressenbereich, der einem weißen Bereich der Fig. 8 entspricht).

Bei dieser Ausbildung werden "1" und "0" alternativ aus den Adressenbereichen einer Zahl 2π^(2n-1)/V in der Umwandlungstabelle gemäß der Änderung der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) ausgelesen. Deshalb wird ein Interpolationssignal mit einer Untertei­ lungszahl V während der einen Periode der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) erhalten.

Gemäß dem obengenannten Prinzip ist die Umwandlungstabelle 43, die in Fig. 6 gezeigt ist, angeordnet, die Daten für das Signal mit der Phase U, das Signal mit der Phase V und das Signal mit der Phase W und die Daten für das Signal mit der Phase A/B in den entsprechenden Bits der 16 Bit von jedem Adressenbereich zu speichern.

Das heißt, es wird in bezug auf ein Bit von jedem der 16 Bit angenommen, wie es in Fig. 9A gezeigt ist, daß der Umfang in zwei Abschnitte durch eine Linie L1 unterteilt ist, die erhalten wird, indem die Achse von Cosinus um 60 Grad in der Uhrzeigersinnrichtung geneigt wird, und daß eine "1" in den Adressenbereich geschrieben wird, der einem Adressenbit entspricht, das sich in dem oberen Abschnitt (schraffierter Abschnitt) befin­ det, der durch die Linie L1 unterteilt ist, und eine "0" in den Adressenbereich geschrie­ ben wird, der einem Adressenbit entspricht, das sich in dem unteren Abschnitt (weißer Abschnitt) befindet, der durch die Linie L1 abgeteilt ist.

Des weiteren wird im Hinblick auf ein anderes Bit der 16 Bit angenommen, wie es in Fig. 9B gezeigt ist, daß der Umfang in zwei Abschnitte durch eine Linie L2 unterteilt ist, die erhalten wird, indem die Linie L1 um 120 Grad in der Uhrzeigersinnrichtung geneigt wird, und daß "1" in den Adressenbereich geschrieben wird, der einem Adressenbit ent­ spricht, das sich in dem unteren Abschnitt (schraffierter Abschnitt) befindet, der durch die Linie L2 abgeteilt ist, und "0" in den Adressenbereich geschrieben wird, der einem Adressenbit entspricht, das sich in dem oberen Abschnitt (weißer Abschnitt) befindet, der durch die Linie L2 abgeteilt ist.

Des weiteren wird im Hinblick auf ein anderes Bit der 16 Bit angenommen, wie es in Fig. 9C gezeigt ist, daß der Umfang in zwei Abschnitte durch eine Linie L3 unterteilt ist, die erhalten wird, indem die Linie L2 um 120 Grad in der Uhrzeigersinnrichtung geneigt wird, und daß "1" in den Adressenbereich geschrieben wird, der einem Adressenbit ent­ spricht, das sich in dem oberen Abschnitt (schraffierter Abschnitt) befindet, der durch die Linie L3 abgeteilt ist, und "0" in den Adressenbereich geschrieben wird, der einem Adressenbit entspricht, das sich in dem unteren Abschnitt (weißer Abschnitt) befindet, der durch die Linie L3 abgeteilt ist.

Mit dieser Ausgestaltung wird es möglich, das Signal mit der Phase U, das Signal mit der Phase V und das Signal mit der Phase W zu lesen, die zueinander eine Phasendif­ ferenz von 120 Grad haben und Wellenformen, die in Fig. 10C, 10D und 10E gezeigt sind, gemäß der Änderung der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) bilden. Das Signal mit der Phase U, das Signal mit der Phase V und das Signal mit der Phase W werden zu einem Wechselstrommotor eines Servomechanismus als die Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnetfeldes geschickt.

Andererseits wird im Hinblick auf ein anderes Bit der verbleibenden 13 Bits in jedem Adressenbereich die Daten zur Interpolation von Signalen einer Unterteilungszahl V auf der Grundlage eines Teilungsmusters geschrieben, das in Fig. 8 gezeigt ist. Im Hinblick auf ein weiteres anderes Bit der anderen Bits in jedem Adressenbereich wird "1" auf der Grundlage eines Unterteilungsmusters, das in Fig. 11 gezeigt ist, wobei das Muster durch Drehung der Unterteilungsstellung des Teilungsmusters der Fig. 8 um 360 Grad/4 V erhalten wird, in den Adressenbereich entsprechend einem Adressenbit geschrie­ ben, das sich in dem schraffierten Linienabschnitt befindet, und "0" wird in den Adres­ senbereich geschrieben, der den weißen Abschnitten entspricht.

Mit dieser Ausgestaltung wird es möglich, das Signal mit der Phase A und das Signal mit der Phase B zu lesen, die eine Phasendifferenz von 90 Grad zueinander haben und Wellenformen, die in den Fig. 10A und 10B gezeigt sind, gemäß der Änderung der Si­ gnale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) bilden. Das Signal mit der Phase A und das Signal mit der Phase B werden zu einem Wechselstromservomotor eines Servomechanismus als die Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl geschickt.

Mit der derartigen Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, gleichzeitig die Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl des Wechselstromservomotors und die Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnetfelds des Wechselstromservomotors auf der Grundlage der periodischen Signale der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) zu erhalten, die von den Magnetwiderstandselementen an einer Skala erfaßt werden. Von den Signalen mit der Phase A und der Phase B, die von einer Lageerfassungsvorrichtung ausgegeben werden, wird im allgemeinen verlangt, daß sie mehrere Arten Unterteilungszahlen aufweisen, obgleich es nicht immer verlangt wird, daß sie eine Art Unterteilungszahl haben. Deshalb werden im Hinblick auf die 10 Bits der verbleibenden 11 Bits eines jeden Adressenbereichs die Daten für die Signale mit der Phase A/B, die eine unterschiedliche Unterteilungszahl V haben, auf der Grund­ lage der Unterteilungsmuster der Fig. 8 und 11 durch 2 Bits beschrieben. Dies stellt sechs Arten Daten mit unterschiedlicher Teilungszahl sicher, die vorzugsweise in der Umwandlungstabelle gespeichert werden.

Es versteht sich, daß bei 12 Bits der 13 Bits mit Ausnahme von 3 Bits, die die Signale mit der Phase U, der Phase V und der Phase B speichern, die Daten für vier Arten von Signalen mit der Phase A/B und die Daten für das ursprüngliche Signal gespeichert wer­ den können.

Mit diesem Interpolationsverfahren, das den Analog/Digitalwandler und die Umwand­ lungstabelle verwendet, wird es möglich, die Vorteile sicherzustellen, daß die Lageerfas­ sungsvorrichtung eine geringe Größe aufweist, selbst wenn die Unterteilungszahl erhöht wird, und daß ein Interpolationssignal hoher Genauigkeit erhalten wird, indem der Inter­ polationsfehler aufgrund der Streukomponente in der einen Periode der Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ), wobei der Fehler durch Erhöhen der Unterteilungszahl erzeugt wird, durch ein Verfahren aufgelöst wird, das Unterteilungsmuster des Umfangs in der zwei­ dimensionalen Adressenebene zu korrigieren. Zusätzlich wird es, da ein In­ terpolationssignal mit einer erwünschten Unterteilungszahl erhalten wird, indem das Unterteilungsmuster richtig geändert wird, möglich, die Vorteile sicherzustellen, daß die Interpolation hoher Genauigkeit ohne weiteres ausgeführt wird, und daß mehrere Arten von Signalen mit Phase A und Phase B, die unterschiedliche Unterteilungszeilen haben, vorhergehend in der Umwandlungstabelle gespeichert und erwünschterweise verwendet werden.

Obgleich die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden ist, als daß die Daten für die Signale mit der Phase U, mit der Phase V und der Phase W und die Daten für die Signale mit der Phase A und der Phase B in der einen Umwand­ lungstabelle 43 gespeichert werden, versteht es sich, daß eine Umwandlungstabelle 44 die Daten der Signale mit der Phase A und der Phase B und eine Umwandlungstabelle 45 die Daten der Signale mit der Phase U, mit der Phase V und der Phase W speichert und getrennt vorgesehen sein können, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. In diesem Fall wer­ den im Hinblick auf die 16 Bits jeden Adressenbereichs der Umwandlungstabelle 8 Ar­ ten von Daten der Signale mit der Phase A und der Phase B oder 6 Arten von Daten der Signale mit der Phase A und der Phase B und 1 Date des ursprünglichen Signals ge­ speichert.

Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform der Interpolationseinrichtung der Lageerfas­ sungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Interpolationseinrichtung der dritten Ausführungsform hat einen hybriden Aufbau, mit dem Daten der Signale für die Phase A und die Phase B erhalten werden, indem Analog/Digitalwandler 41 und 42 und die Umwandlungstabelle 44 verwendet werden, und die Daten für die Signale mit der Phase U, und der Phase V und der Phase W durch das Vektor-Addierverfahren erhal­ ten werden. Die Umwandlungstabelle 44 erhält die digitalen Signale von den Analog/Di­ gitalwandlern (ADC) 41 und 42 und gibt die Signale mit der Phase A und der Phase B aus. Die gleichen Teile wie jene in den Fig. 3, 5 und 12 sind mit den gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet, und deren Erklärung wird hier unterlassen.

Da von den Signalen mit der Phase A und der Phase B verlangt wird, daß sie unter­ schiedliche Unterteilungszahlen haben, wie es oben erwähnt worden ist, wird bevorzugt, daß mehrere Arten von Signalen mit der Phase A und der Phase B erhalten werden, indem der Analog/Digitalwandler und die Umwandlungstabelle verwendet werden. Im Gegensatz dazu wird nur eine Art Muster für Signale mit der Phase U, der Phase V und der Phase W vorgesehen. Deshalb kann in dem Fall, wenn nicht verlangt wird, daß die Phase der Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl des Wech­ selstromservomotors derjenigen der Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnetfelds genau entspricht, eine hybride Konstruktion, wie sie in Fig. 12 gezeigt ist, in der Interpo­ lationseinrichtung der Lageerfassungsvorrichtung verwendet werden.

Die bevorzugten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind gezeigt und beschrieben worden, daß sie bei einer Lageerfassungsvorrichtung vom Magnettyp angewendet werden, die Magnetwiderstandselemente verwendet, da die Skala für Ma­ gnetwiderstandselemente bevorzugt wird, das digitale Dreiphasensignal zur Steuerung des Magnetfelds des linearen Wechselstromservomotors auf der Grundlage der erfaß­ ten, periodischen Signale zu erhalten. Das heißt, die Schrittweite der Skala bei der La­ geerfassungsvorrichtung vom magnetischen Typ ist relativ grob, so daß die Schrittweite im allgemeinen in der Millimetereinheit ist, und die Schrittweite des Schlitzes bei dem linearen Wechselstromservomotor ist im allgemeinen die gleiche wie die der Skala bei der Lageerfassungsvorrichtung vom magnetischen Typ. Andererseits wird es, da eine Interpolationstechnik, die eine große Auflösung leistet, kürzlich entwickelt worden ist, möglich, die digitale Zweiphasensignale in Mikrometereinheiten aus dem periodischen, von der Skala mit grober Schrittweite erfaßten Signal zu erhalten, wobei jenes Signal zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl des Wechselstromservomotors bevorzugt wird. Deshalb wird bevorzugt, die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Lageerfassungsvorrichtung vom Magnettyp anzuwenden, die Magnetwiderstand­ selemente einsetzt, um den linearen Wechselstromservomotor zu steuern.

Andererseits kann eine linearer Wechselstromservomotor geringer Größe, dessen Grö­ ße verringert ist, so daß er eine Schlitzschrittweite im Bereich von mehreren 100 bis mehreren 10 Mikrometer hat, gemäß dem Fortschritt der Mikrobearbeitungstechnik her­ gestellt werden. Deshalb kann die Interpolationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine. Lageerfassungsvorrichtung vom Magnettyp angewendet werden, die die periodischen Signale von einer Skala erfaßt, die eine magnetische Skalenteilung mit einer Mikrometerschrittweite aufweist, indem ein Magnetkopf mit einem auf den Magnet­ fluß reagierenden Typ, eine optische Lageerfassungsvorrichtung, die photoelektrisch abtastet und Schlitze mit einer Schrittweite in Mikrometereinheit auf einem Teilungsgitter und eine Abtastplatte aufweist, oder eine Lageerfassungsvorrichtung mit Interferrometer verwendet werden, bei der eine weitere Mikroschrittweite auf der Skala markiert ist und ein Laserbündel verwendet wird.

Obgleich die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, als daß sie bei einer Lageerfassungsvorrichtung zum Bestimmen periodischer Signale sin(2πx/λ) und cos(2πx/λ) mit einer Phasendifferenz λ/4 angewendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt und kann bei einer Lageerfas­ sungsvorrichtung zum Bestimmen zweier Phasensignale mit einer von λ/4 verschiede­ nen Phasendifferenz angewendet werden. Des weiteren kann die vorliegende Erfindung bei einer Lageerfassungsvorrichtung zum Bestimmen eines einphasigen, periodischen Signals und bei einer Lageerfassungsvorrichtung zum Bestimmen von dreiphasigen, periodischen Signalen mit einer erwünschten Phasendifferenz zwischen ihnen ange­ wendet werden.

Es versteht sich, daß die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und Ausgestaltung von Teilen beschränkt ist, die in den Zeichnungen dar­ gestellt sind, da die Erfindung verschiedener Ausführungsformen fähig ist und auf unter­ schiedliche Weise ausgeführt oder umgesetzt werden kann. Es versteht sich auch, daß die hier verwendete Wortwahl oder Terminologie dem Zweck der Beschreibung und nicht dem der Beschränkung dient.

Mit der derart ausgestalteten Lageerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ist es möglich, Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl eines Wechselstromservomotors und Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnet­ felds des Wechselstromservomotors von einer Skaleneinheit aus einer Skala und einem Stellwertgeber zu erhalten. Dies vereinfacht stark die Konstruktion eines Servomecha­ nismus, der in der Lageerfassungsvorrichtung verwendet wird, und verringert die Her­ stellungskosten dieser Vorrichtung. Des weiteren wird es möglich, die Justierschritte während des Zusammenbaus dieser Vorrichtung und die Schritte bei der Montage die­ ser Vorrichtung zu verringern. Zusätzlich wird, da Zweiphasensignale zur Steuerung der Stellung und der Drehzahl eines Wechselstromservomotors und Dreiphasensignale zur Steuerung des Magnetfelds des Wechselstromservomotors auf der Grundlage der glei­ chen, periodischen Signale erhalten werden, die Verschiebung der Phasendifferenz zwischen den Zweiphasensignalen und den Dreiphasensignalen aufgehoben. Dies er­ möglicht, daß der Wechselstromservomotor genau gesteuert werden kann. Des weite­ ren ist, da ein Meßfühler arbeitet, die Zweiphasensignale und die Dreiphasensignale zu erhalten, die Lageerfassungsvorrichtung in ihrer Konstruktion vereinfacht und in ihrer Größe verkleinert.

Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 8-285340, die am 28. Oktober 1996 eingereicht worden ist, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, wird hier unter Bezugnahme auf deren Gesamtheit eingeschlossen.

Claims (9)

1. Lageerfassungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Skala (1) mit einer in vorbestimmten Schritten markierten Skalenteilung,
einen Meßfühler (2, 3), der in bezug auf die Skala (1) bewegbar ist und periodi­ sche Signale erfaßt, die die Perioden entsprechend der Schrittweite der Skalen­ teilungslinien angeben, und
eine Mehrzahl Interpolationseinrichtungen (I1, I2) zur Interpolation der periodi­ schen Signale, wobei wenigstens eine der Interpolationseinrichtungen eine erste, ganze Zahl erster Interpolationssignale ausgibt, die sich in der Phase um einen ersten, vorbestimmten Winkel θ1 unterscheiden, wenigstens eine von der Inter­ polationseinrichtung, die die ersten Interpolationssignale ausgibt, verschiedene Interpolationseinrichtung, die eine zweite, ganze Zahl zweiter Interpolationssigna­ le ausgibt, die sich in der Phase um einen zweiten, vorbestimmten Winkel θ2 unterscheiden.

2. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß jede der mehreren Interpolationseinrichtungen eine Phasenschiebeeinrichtung zur Phasenverschiebung der periodischen Signale mittels des Vektor-Addierverfahrens einschließt.

3. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß jede der mehreren Interpolationseinrichtungen ei­ nen Analog/Digitalwandler (41, 42) zur Umwandlung der periodischen Signale in digitale Signale und eine Umwandlungstabelle (41, 42) zur Umwandlung eines Ausgangssignals des Analog/Digitalwandlers (41, 42) in die Interpolationssignale enthält.

4. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine der mehreren Interpolationseinrichtungen eine Phasenschiebereinrichtung zur Phasenverschiebung der periodischen Signale mittels des Vektor-Addierverfahrens enthält, und die andere der mehreren Inter­ polationseinrichtungen einen Analog/Digitalwandler (41, 42) zur Umwandlung der periodischen Signale in digitale Signale und eine Umwandlungstabelle (44) zur Umwandlung eines Ausgangssignals des Analog/Digitalwandlers in die Interpola­ tionssignale enthält.

5. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß jede der mehreren Interpolationseinrichtungen eine unterschiedliche Auflösung in bezug auf die anderen hat.

6. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine der mehreren Interpolationseinrichtungen Dreiphasensignale (U, V, W) ausgibt und die andere der mehreren Interpolations­ einrichtungen Zweiphasensignale ausgibt, die in der Unterteilungszahl von den Zweiphasensignalen unterschiedlich sind, die von der anderen Interpolationsein­ richtung ausgegeben werden.

7. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Skala und der Meßfühler vom Magnettyp sind, um periodische Signale gemäß einer Verschiebung des Meßfühlers in bezug auf die Skala (1) zu erzeugen.

8. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Interpolationssignal von der Interpolationsein­ richtung einem Servomechanismus zugeführt wird, der einen Servomotor enthält.

9. Lageerfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Meßfühler von einem Paar Magnetwiderstands­ köpfen (MR) gebildet ist, von denen jeder ein Paar Magnetwiderstandselemente (MR1, MR2 und MR3, MR4) enthält, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind.