DE19849554C1

DE19849554C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutposition bei Weg- und Winkelgebern

Info

Publication number: DE19849554C1
Application number: DE19849554A
Authority: DE
Inventors: Dieter Schoedlbauer
Original assignee: Ruf Electronics GmbH
Current assignee: Bourns Inc
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: US6466889B1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutposition erweitern den Meßbereich von Weg- und Winkelgebern, indem zwei Einzelsensoren mechanisch derart miteinander gekoppelt sind, daß sie im vorgegebenen Meßbereich sägezahnförmige Ausgangssignale mit einer um eine 1 verschiedenen Anzahl von Perioden erzeugen. In einem ersten Schritt wird ein Differenzsignal (deltaPHI) der Ausgangssignale der beiden Sensoren gebildet und, falls dieses negativ ist, um einen konstanten Wert (2pi) korrigiert. Aus dem korrigierten Differenzsignal wird durch Abspalten einer Ganzzahl ein Periodennummernsignal (18) erzeugt. Dieses Periodennummernsignal und das Ausgangssignal (PHI¶l¶) eines Sensors (5) werden addiert zur Bildung eines feingenauen aber noch fehlerbehafteten absoluten Ausgangssignals (PHIf¶n¶). Hieraus und aus dem modifizierten korrigierten Differenzsignal (PHI¶c¶) wird ein Hilfssignal (deltaPHIf¶n¶) gebildet, und ein Fensterdiskriminator (21, 23) überprüft, ob das Hilfssignal innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt. Ist dies nicht der Fall, wird das feingenaue absolute Ausgangssignal um einen vorgegebenen Betrag (+-2pi) korrigiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Absolutposition bei Weg- und Winkelgebern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Schaltungs anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 195 06 938 sind Verfahren und Vorrichtung zur Winkelmeßung bei einem drehbaren Körper bekannt, bei dem zwei miteinander mechanisch gekoppelte Einzelsensoren verwen det werden. Die mechanische Kopplung erfolgt über Zahnräder, wobei sich die Zähnezahl der den beiden Sensoren zugeordneten Zahnräder um eine 1 unterscheidet. Beide Sensoren geben dabei ein periodisches Einzelsignal ab. Als Sensoren können optische, magnetische, kapazitive, induktive oder resistive Sensoren, also Kontakt- und kontaktlose Sensoren, verwendet werden.

Bei dem bekannten Verfahren wird die Differenz der Meßwerte beider Sensoren, multipliziert mit der jeweiligen Zähnezahl, berechnet und dieser Wert auf die Periodizität der Sensoren normiert. So dann wird in einer weiteren Differenzbildung der gemessene Winkel bestimmt und überprüft, ob dieser Winkel negativ ist, worauf in diesem Falle eine volle Winkel periode hinzuaddiert wird.

Die DE 196 32 656 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen der Lage oder Drehstellung eines Gegenstandes, der zwei parallele Spuren mit magnetisierten Inkrementen aufweist, wobei die Anzahl der Inkremente pro Spur unterschiedlich ist, vorzugsweise um die Zahl 1. Jeder Spur ist ein Sensor zugeordnet, der je ein sinusförmiges und ein cosinusförmiges Ausgangssignal in Abhängigkeit von der relativen Lage zwischen dem Sensor und dem jeweiligen Inkrement der Spur erzeugt. Weiter ist dieser Schrift zu entnehmen, daß die Phasendifferenz der Winkelwerte der Sinussignale beider Spuren ein lineares Signal ergibt, das abschnittweise jedoch positiv oder negativ ist. Ist dieses Signal negativ, so wird ein konstanter Wert (von 2π) zu dem Differenzsignal hinzu addiert.

Die DE 42 17 498 C2 beschreibt einen Winkelgeber mit zwei Spuren mit unterschiedlichen Teilungen. Auf einer Spur sind beispielsweise 1024 Perioden von Marken pro Vollkreis und auf der anderen Spur 1037 Perioden der Marken pro Vollkreis angebracht. Beide Spuren liefern je ein Sinus- und ein Cosinus-Signal. Aus dem Arcustangens der Sinus- und Cosinus-Signale beider Spuren werden Winkelwerte beider Spuren berechnet und anschließend die Differenz der beiden Winkelwerte gebildet. Von dieser Differenz wird dann der ganzzahlige Anteil gebildet, der nach Multiplikation mit einem Faktor einen Grobwinkelwert ergibt. Aus der Multiplikation des Winkelwertes einer Spur mit einem Faktor ergibt sich Feinwinkelwert. Durch Addition des Grob- und des Feinwinkelwertes wird ein hoch aufgelöster, absoluter Winkelwert erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren dahingehend zu verbessern, daß auch bei nicht exakt linearen Ausgangssignalen der Sensoren ein möglichst genaues, lineares Ausgangssignal erhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Grundprinzip der Erfindung ist es, die jeweilige Periodennum mer eines der Sensoren zu bestimmen, zu dieser ganzzahligen Periodennummer das aktuelle Ausgangssignal eines der Sensoren hinzuzuaddieren und mit einer Hilfsgröße eventuelle Fehler des Signals für die aktuelle Periodennummer zu erfassen und zu korrigieren.

Die beiden Einzelsensoren sind mechanisch so gekoppelt, daß einer im vollen Meßbereich ein Ausgangssignal mit einer ersten Anzahl k₁ von Perioden und der zweite im selben Meßbe reich ein Ausgangssignal mit einer zweiten Anzahl k₂ von Perioden erzeugt, wobei k₂ um 1 kleiner als k₁ ist. Vorausge setzt wird, daß die Ausgangssignale der beiden Sensoren im wesentlichen linear sind. In einem ersten Schritt wird die Differenz der Ausgangssignale der Sensoren gebildet. Ist diese Differenz negativ, wird ein korrigiertes Differenz signal durch Addition eines konstanten Wertes zu dem Diffe renzsignal gebildet. Durch Rundung bzw. Abschneiden auf eine Ganzzahl dieses korrigierten Differenzsignals und Multiplikation mit einem Normierungsfaktor wird ein der aktuellen Periode entsprechendes Periodennummersignal er zeugt. Zu diesem Periodennummersignal wird das aktuelle Ausgangssignal eines der Sensoren hinzuaddiert, womit ein feingenaues aber noch fehlerbehaftetes Signal entsteht. Durch Subtraktion des Produktes aus der Periodenzahl (k₁) mal dem korrigierten Differenzsignal von dem fehlerbehaften den, feingenauen Signal wird eine Hilfsgröße erzeugt. Liegt diese Hilfsgröße innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, wird das korrigierte Differenzsignal als endgültiges Aus gangssignal verwendet. Liegt die Hilfsgröße dagegen außerhalb dieses Bereiches, so wird das noch fehlerbehaftete feingenaue Signal durch Addition oder Subtraktion eines Korrekturwertes korrigiert.

Im Prinzip können sich damit Lineartätsfehler beider Sensoren nicht addieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm der Sensorausgangssignale über dem Meßbereich;

Fig. 3 ein Diagramm eines Differenzsignales der beiden Sensorsignale über dem Meßbereich;

Fig. 4 ein korrigiertes Differenzsignal der Sensoraus gangssignale über dem Meßbereich;

Fig. 5 ein Diagramm eines die Phasennummer darstellenden Signales sowie eines feingenauen Ausgangssignales mit Periodensprüngen;

Fig. 6 ein grobgenaues Differenzsignal und ein korrigier tes feingenaues Ausgangssignal; und

Fig. 7 ein Flußdiagramm des Verfahrens nach der Erfin dung.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Mit dem Bezugszei chen 1 ist eine Welle dargestellt, deren Drehposition gemes sen werden soll. Über ein Getriebe 2 mit Abtriebswellen 3 und 4 sind zwei Sensoren 5 und 6 angetrieben, die im Meßbe reich ein lineares Ausgangssignal erzeugen, das sich im Meßbereich periodisch wiederholt. Der verwendete Typ der Sensoren 5 und 6 ist beliebig. Beispielsweise kann ein Sensor gemäß der DE 195 39 134 A1 oder der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 197 47 753 verwendet werden. Selbstverständlich können die Sensoren auch Wegsensoren bzw. Linearsensoren sein, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Selbstverständlich lassen sich als Sensoren auch herkömmliche Potentiometer verwenden.

Beide Sensoren liefern an ihren Ausgängen 9 und 10 jeweils ein sich periodisch wiederholendes Ausgangssignal Φ₁ bzw. Φ₂ als Funktion des Ortes (Winkel oder Weg).

Mit Hilfe einer geeigneten Mechanik, wie z. B. des Getrie bes 2, werden die beiden Einzelsensoren mit unterschiedlicher Übersetzung angetrieben. Dabei bilden die jeweiligen Aus gangssignale sägezahnförmige Funktionen des Winkels oder des Ortes. Das Getriebe ist so ausgelegt, daß der gewünschte Weg- oder Winkelmeßbereich k₁ Perioden des einen Sensors 5 und k₂ = k₁ - 1 Perioden des anderen Sensors 6 umfaßt. Diese sägezahnförmigen Signale sind in Fig. 1 mit 7 bzw. 8 bezeich net und werden einer Auswerteschaltung 11 zugeführt, die im Zusammenhang mit Fig. 7 ausführlicher beschrieben wird. Am Ausgang der Auswerteschaltung 11 erscheint dann ein hochgenaues fehlerkorrigiertes Ausgangssignal Φ_fine, das über den gesamten Meßbereich von k₁ Perioden des Sensors 5 linear ist.

Fig. 2 zeigt die beiden sägezahnförmigen Ausgangssignale der Sensoren 5 und 6, wobei der Sensor 5 über den Meßbereich, der hier mit 2π bezeichnet wird, acht Perioden hat, während der Sensor 6 nur sieben Perioden hat.

In einem ersten Schritt (vgl. Subtrahierer 13 in Fig. 7) wird ein Differenzsignal δΦ = Φ₁ - Φ₂ gebildet, das in Fig. 3 dargestellt ist.

Der Einfachheit halber wird im folgenden angenommen, daß die Ausgangssignale der Sensoren 5 und 6 als digitalisierte Zahlenwerte vorliegen und somit in bequemerer Form für eine nummerische Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen. Um die Beschreibung möglichst universell zu halten, werden ferner sowohl der zu erfassende Gesamtweg bzw. -winkel als auch der Wertebereich der Sensoren 5 und 6 auf den Zahlenwert 2π normiert.

Das Differenzsignal δΦ weist Sprünge der Größe -2π auf, welche von Unstetigkeiten der beiden Signale Φ₁ und Φ₂ her rühren. Der gewünschte Wertebereich liegt zwischen 0 und +2π, so daß die Sprünge zu negativen Zahlen führen. Damit läßt sich eine erste Korrektur durchführen, indem die negati ven Werte des Signals δΦ um den Betrag +2π nach oben verscho ben werden. Mathematisch gilt die Bedingung: Ist δΦ negativ, so wird 2π hinzuaddiert. Ist δΦ gleich 0 oder größer 0, bleibt es unverändert. Das Ergebnis dieser ersten Korrektur ist in Fig. 4 als Signal Φ_c dargestellt. Im Vergleicher 14 der Fig. 7 findet die Prüfung statt, ob δΦ < 0 ist. Ist dies der Fall, so wird im Addierer 15 der Wert 2π hinzuad diert. Ist dies nicht der Fall, so wird δΦ unverändert weitergegeben (vgl. Block 16). In Block 17 erhält man damit das korrigierte Differenzsignal der Fig. 4.

Dieses korrigierte Differenzsignal Φ_c läßt sich als grobge naues, absolutes Ausgangssignal über den gesamten auszuwer tenden Weg- oder Winkelbereich (Nutzbereich bzw. Meßbereich) ansehen.

Aufgrund verschiedener Fehler der Sensoren sind die beiden Ausgangssignale Φ₁ und Φ₂ nicht beliebig genau bzw. linear. Damit ist auch das korrigierte Differenzsignal Φ_c nicht beliebig genau bzw. linear, sondern kann eine gewisse Wellig keit aufweisen, was in den Fig. 2 bis 4 nicht berücksich tigt ist. Um diese Fehler zu eliminieren, wird wie folgt vorgegangen. In einem Rechenbaustein 18 wird aus dem korri gierten Differenzsignal Φ_c die Wertigkeit der aktuellen Periode des einen Sensors (Sensor 5) bestimmt, d. h. die gültige Periodennummer multipliziert mit 2π, was durch Abrundung bzw. Abschneiden auf die entsprechende Ganzzahl im Bereich 0 bis k₁ - 1 und Multiplikation mit 2π erfolgt. Man erhält damit ein Periodennummersignal Pnr mit der Bezie hung

Pnr = 2πfloor(k₁/2π . Φ_c),

wobei die Funktion floor die Operation des Abschneidens auf die entsprechende Ganzzahl bzw. das Abrunden auf die nächstniedrigere Ganzzahl bezeichnet. Das entsprechende Signal Pnr ist in Fig. 5 mit gestrichelten Linien darge stellt.

Aus der aktuellen Periodennummer Pnr und dem Ausgangssig nal Φ₁ eines der Sensoren, hier des Sensors 5, ergibt sich zusammen im Prinzip ein genaueres Ausgangssignal als es das oben definierte Differenzsignal δΦ darstellt. Man erhält damit im Addierer 19 ein feingenaues absolutes Ausgangssignal Φf_n = Pnr + Φ₁, das als durchgezogene Linie in Fig. 5 darge stellt ist. Auch dieses Signal Φf_n ist allerdings noch feh lerbehaftet. Durch den Vorgang des Abrundens bzw. des Ab schneidens auf die Ganzzahl werden nämlich Periodensprünge aufgrund der nichtidealen Einzelsignale auftreten, was in Fig. 5 deutlich zu erkennen ist.

Im Subtrahierer 20 wird daher eine Hilfsgröße δΦf_n als Diffe renz des fehlerhaften feingenauen Ausgangssignals Φf_n minus dem grobgenauen Differenzsignal Φ_c multipliziert mit k₁ gebildet, also

δΦf_n = Φf_n - k₁ . Φ_c

Anhand dieses Hilfssignales aus dem Subtrahierer 20 lassen sich Periodensprünge feststellen und korrigieren. Dieses Hilfssignal darf sich nämlich nur im Größenbereich von -π bis +π bewegen. Im Vergleicher 21 wird daher überprüft, ob das Hilfssignal < -π ist. Ist dies der Fall, so wird das feingenaue absolute Ausgangssignal Φf_n (aus dem Addie rer 19) um +2π korrigiert (Addierer 22). Ist die Bedingung dagegen nicht erfüllt, so wird in einem Vergleicher 23 geprüft, ob das Hilfssignal < π ist. Ist dies der Fall, so wird in einem Subtrahierer 24 das feingenaue absolute Ausgangssignal Φf_n um -2π korrigiert. Ist auch diese Bedin gung nicht erfüllt, so liegt kein Periodensprung vor und das feingenaue absolute Ausgangssignal Φf_n bleibt unverän dert, was im Baustein 25 dargestellt ist. Das Ausgangssignal der Bausteine 22, 24 bzw. 25 stellt dann ein fehlerbereinig tes absolutes Ausgangssignal Φ_fine über den gesamten Meßbereich dar. Dieses Signal ist in Fig. 6 mit durchgezogener Linie dargestellt. Zum Vergleich ist auch das korrigierte Diffe renzsignal Φ_c aus Block 17 in gestrichelten Linien darge stellt, multipliziert mit dem Wert k₁. Fig. 6 dient lediglich zur Illustration und trifft keine Aussage über die tatsächli chen Größenverhältnisse der Signale. Fig. 6 verdeutlicht aber, daß die Welligkeit bzw. der Meßfehler beim Verfahren nach der Erfindung geringer ist als bei alleiniger Ausgabe des korrigierten Differenzsignals.

In der Praxis wird die Erfindung mit einem programmierbaren Mikroprozessor ausgeführt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Absolutposition von zwei mechanisch gekoppelten Einzelsensoren (5, 6), von denen der erste (5) im Meßbereich ein Ausgangssignal Φ₁ mit einer ersten Anzahl k₁ von Perioden und der zweite (6) im selben Meßbereich ein Ausgangssignal (Φ₂) mit einer zweiten Anzahl (k₂) von Perioden erzeugt, wobei sich die beiden Anzahlen von Perioden um eine 1 unter scheiden, mit folgenden Schritten:

a) Bilden eines Differenzsignales (δΦ) aus den beiden Ausgangssignalen (Φ₁, Φ₂) der beiden Sensoren (5, 6);
b) Überprüfen, ob das Differenzsignal (δΦ) negativ ist und, ist dies der Fall, Hinzuaddieren eines konstanten Wertes (2π) zu dem Differenzsignal (δΦ) zur Bildung eines korrigierten Differenzsigna les (Φ_c);
c) Abrunden des mit der Periodenzahl (k₁) multipli zierten und durch den Meßbereich (2π) dividierten korrigierten Differenzsignales (Φ_c) auf die nächstniedrigere Ganzzahl und anschließendes Multiplizieren dieses Wertes mit dem Meßbereich (2π) zur Bildung eines Periodennummersignals (Pnr);
d) Addieren des Ausgangssignals (Φ₁) des einen Sen sors (5) zu diesem Periodennummernsignal (Pnr) zur Bildung eines feingenauen absoluten Ausgangs signals (Φf_n);
e) Bilden eines Hilfssignales (δΦf_n) als Differenz zwischen dem feingenauen absoluten Ausgangssig nal (Φf_n) und dem korrigierten Differenzsignal (Φ_c) multipliziert mit der Periodenzahl (k₁) des einen Sensors (5);
f) Überprüfen, ob dieses Hilfssignal (δΦf_n) innerhalb vorbestimmter Grenzwerte (+-π) liegt; und
g) weitere Korrektur des korrigierten feingenauen absoluten Ausgangssignals (Φf_n) durch Addition oder Subtraktion eines vorgegebenen Wertes (2π) für den Fall, daß das Hilfssignal außerhalb der Grenzwerte liegt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 mit zwei mechanisch gekoppelten Sensoren (5, 6), die im Meßbereich ein im wesentlichen lineares, sägezahnförmiges Ausgangssignal mit je einer Anzahl von Perioden (k₁, k₂) erzeugen, wobei sich die Perioden zahlen der beiden Sensoren um eine 1 unterscheiden und mit einer Auswerteschaltung (11), die folgendes enthält:

a) einen Subtrahierer (13) zur Bildung eines Diffe renzsignals (δΦ = Φ₁ - Φ₂) aus den beiden Ausgangs signalen (Φ₁, Φ₂) der Sensoren (5, 6);
b) einen Vergleicher (14), der überprüft, ob das Differenzsignal (δΦ) negativ ist;
c) einen Addierer (15), der in Abhängigkeit von dem Vergleich einen konstanten Wert (2π) zum Differenzsignal (δΦ) hinzuaddiert zur Bildung eines korrigierten Differenzsignals (Φ_c);
d) einen Rechenbaustein (18), der aus dem kor rigierten Differenzsignal (Φ_c) multipliziert mit der Periodenzahl (k₁) und dividiert durch den Maeßbereich (2π) einen ganzzahligen Wert abspaltet und diesen mit dem Merßbereich (2π) multipliziert zur Erzeugung eines Periodennummersignals (Pnr);
e) einen Addierer (19) zur Addition des Periodennum mersignals (Pnr) und des Ausgangssignals (Φ₁) eines der Sensoren (5) zur Bildung eines feinge nauen absoluten Ausgangssignals (Φf_n);
f) einen Rechenbaustein (20) zur Bildung eines Hilfs signals (δΦf_n) als Differenz zwischen dem feinge nauen absoluten Ausgangssignal (Φf_n) abzüglich des Produktes aus der Periodenzahl (k₁) des einen Sensors (5) und des korrigierten Differenzsignals (Φ_c);
g) einen Fensterdiskriminator (21, 23), der über prüft, ob das Hilfssignal (δΦf_n) innerhalb vorge gebener Grenzwerte (+-π) liegt; und
h) einen Rechenbaustein (22, 24, 25), der je nach Ergebnis des Fensterdiskriminators das feingenaue absolute Ausgangssignal (Φf_n) um einen Korrektur wert (+-2π) verändert zur Ausgabe eines feh lerbereinigten absoluten Ausgangssignals (Φ_fine).