DE19911822C1

DE19911822C1 - Verfahren zur Korrektur von Interpolationsfehlern beim Ablesen von Inkrementalmaßstäben durch einen Positionsgeber

Info

Publication number: DE19911822C1
Application number: DE1999111822
Authority: DE
Inventors: Falk Dettmar
Original assignee: Brown und Sharpe GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2019-03-18

Abstract

Verfahren zur Korrektur von Interpolationsfehlern beim Ablesen von Inkrementalmaßstäben durch einen Positionsgeber, wobei die Absolutposition des Positionsgebers innerhalb eines Teilungsintervalls des Inkrementalmaßstabes bestimmt wird, wobei die Teilungsintervalle periodisch von Teilungsmarken auf einem Träger gebildet sind, mit zwei gegenüber dem Träger ortsfest angeordneten und auf die Teilungsmarken ansprechenden Abtastelementen, die in einem derartigen auf die Länge des Teilungsintervalls bezogenen Abstand voneinander angeordnet sind, daß sie jeweils ein sinusartiges und ein cosinusartiges Meßsignal (SS und CC) ausgeben, die zur Ermittlung der Absolutposition auf der Basis der Arcustangens-Funktion ausgewertet werden, wobei zur Korrektur der Auswertung gegenüber Störungen und Ungenauigkeiten im Positionsgeber ein Korrekturmodell verwendet wird, und dass als mathematisches Korrekturmodell eine Ellipsengleichung verwendet wird. Zur Korrektur der Auswertung gegenüber Störungen und Ungenauigkeiten im Positionsgeber wird ein Korrekturmodell mit fünf Parametern (a, b, c, d, delta) verwendet, wobei die Berechnung der fünf Parameter aus den Ergebnissen des unmittelbar vorhergehenden Teilungsintervalls erfolgt, und dass zur Ermittlung der Parameter (a, b, c, d) ausschließlich die Maxima und Minima der Signalamplitude des unmittelbar vorhergehenden Teilungsintervalls verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Interpolationsfehlern beim Ablesen von Inkrementalmaßstäben durch Positionsgeber innerhalb eines Teilungsintervalles des Inkrementalmaßstabes, wobei die Teilungsintervalle periodisch von Teilungsmarken auf dem Inkrementalmaßstab gebildet sind.

Zum Stand der Technik (DE 43 31 151 C2) gehört ein Verfahren zur Messung der Absolutposition des beweglichen zyklischen Teilungsmarkenträgers eines inkrementalen Posi tionsgebers innerhalb eines seiner Teilungssegmente, die periodisch von den Teilungsmarken auf dem Träger gebildet sind, wobei die Messung mit zwei gegenüber dem Träger orts fest angeordneten und auf die Teilungsmarken ansprechenden Abtastelementen erfolgt, die in einem derartigen auf die Länge des Segmentes bezogenen Abstand voneinander angeord net sind, daß sie zwei sinus- und cosinusartige Meßsignale ausgeben, die zur Ermittlung der Absolutposition auf der Basis der Arcustangens-Funktion ausgewertet werden. Gemäß dieser Druckschrift ist ein Algorithmus zur Korrektur von Interpolationsfehlern bei diesen Inkrementalmaßstäben oder inkrementalen Winkelschrittgebern angegeben. Als Ausgangs signal liefern diese zwei um 90° phasenverschobene, wenig stens annähernd sinusförmige periodische elektrische Signale. Dabei werden diese Signale als X- und Y-Koordina ten einer geschlossenen Kurve aufgefaßt, die im ungestörten fehlerfreien Falle einen Kreis mit dem Mittelpunkt von Null Volt ergäben. Durch Unzulänglichkeiten in der Mechanik und der elektronischen Aufbereitung der Signale entstehen Abweichungen von der Kreisform und eine Verschiebung des Mittelpunktes.

Gemäß dem Stand der Technik werden diese Abweichungen durch Vergleich mit einer allgemeinen Ellipse korrigiert, wobei die Güte des elliptischen Modells laufend an die tat sächlichen Gegebenheiten angepaßt wird.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Adaption des Modells so rechenaufwendig ist, daß sie in einem lang samen Hintergrundprozeß ausgeführt werden muß (DE 43 31 151 C2, Seite 4, Zeilen 56 ff.). Das zum Stand der Technik gehörende Verfahren geht dabei von der allge meinen Ellipsengleichung aus, die in der komplexen Schreib weise

Z(ϕ) = Z₀ + Z₁ . eⁱ ^ϕ + Z₂ . e^-i ^ϕ

sechs unabhängige Parameter besitzt (jeweils Real- und Ima ginärteil der komplexen Zahlen Z₀, Z₁ und Z₂). Diese sechs Parameter werden in einem langsamen Integrationsprozeß den tatsächlichen Gegebenheiten angepaßt.

Zum Stand der Technik (DE 35 09 682 C2) gehört weiter hin eine Meßeinrichtung mit einer Fehlererkennungseinrich tung zum Ablesen von Inkrementalmaßstäben durch einen Posi tionsgeber. Diese Druckschrift betrifft eine Meßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte mittels elektri scher Abtastsignale. Mit dieser zum Stand der Technik gehö renden Meßeinrichtung ist eine einfache Überprüfung sämtli cher Signalparameter (Amplitudenhöhen, Symmetrie, Amplitu denhöhengleichheit und/oder gegenseitige Phasenlage) von Abtastsignalen auf fehlerhafte Zustände möglich. Eine der artige Überprüfung der Signalparameter von Abtastsignalen ist beispielsweise bei hochauflösenden Meßeinrichtungen von Bedeutung, bei denen eine Signalvervielfachung durch eine bekannte Interpolation bewirkt werden soll. Voraussetzung für eine einwandfreie Signalvervielfachung sind nicht nur bestimmte gleichbleibende Amplitudenhöhen und Symmetrie, sondern auch Amplitudenhöhengleichheit und gleichbleibende gegenseitige Phasenlagen der Abtastsignale.

Diese Druckschrift zeigt lediglich die Überprüfung der Signalparameter. Ein Verfahren zur Korrektur von Interpola tionsfehlern mit einem geringen Rechenaufwand ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Korrektur kurzperiodischer Interpolationsfehler bei Inkrementalgebern anzugeben, bei dem der Rechenaufwand so weit reduziert ist, daß eine Online-Adaption von Gitterabstand zu Gitterabstand möglich ist.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß nur fünf Parameter im Interpolator ver rechnet werden und dadurch, daß die fünf Parameter ausschließlich aus den leicht zu ermittelnden Maxima und Minima der Signalamplituden des unmittelbar vorhergehenden Teilungsintervalles berechnet werden, wird der Rechenauf wand erheblich reduziert.

Im Gegensatz zu dem Stand der Technik reagiert das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar auf Änderungen der Interpolationsabweichungen, weil es zur Korrektur der aktu ellen Meßwerte die Ergebnisse aus dem vorhergehenden Interpolationsintervall zugrunde legt.

Das erste Intervall, bei dem noch keine Meßwerte eines vorhergehenden Intervalles vorhanden sind, wird mit einer vereinfachten Interpolation durchgeführt.

Die Inkrementalgeber liefern zwei Signale SS und CC, die umgangssprachlich "Sinus" und "Cosinus" der Position genannt werden. Bei guten Gebersystemen stimmt dies auch in erster Näherung. Bisher verwendete Verfahren berechnen die aktuelle Position einfach als

Einfachere Geber sind üblicherweise mit größeren Feh lern behaftet. Sie lassen sich als mathematisches Modell besser darstellen durch:

SS = a . sin (ϕ) + b

CC = c . cos (ϕ + δ) + d

mit der elektrischen Bedeutung der Variablen

a = Amplitude von SS,
b = Offset von SS,
C = Amplitude von CC,
d = Offset von CC,
ϕ = Phasenwinkel,
δ = Phasenfehler.

Eine vereinfachte Interpolation der Position ist ohne Interpolationsfehler nur für den Sonderfall

b = 0
d = 0
δ = 0 und
a = c

möglich.

Mit diesem Sonderfall werden auch die Meßwerte des ersten Intervalles bestimmt.

Bei den darauffolgenden Intervallen gehen gemäß der Erfindung die Parameter aus den Ergebnissen des unmittelbar vorhergehenden Teilungsintervalles mit ein.

Es werden zur Berechnung der Parameter ausschließlich die Maxima und Minima der Signalamplituden verwendet.

Der bei der vereinfachten Interpolation beschriebene Sonderfall stellt einen Kreis dar, bei dem die Absolutposi tion A als

abgelesen werden kann.

Da aber üblicherweise Fehler auftreten, wird im über wiegenden Fall eine Ellipse dargestellt, die koordinaten mäßig verschoben ist.

Es treten hierbei folgende Fehler auf:

1. Ein Offset, der dadurch verursacht wird, daß die Nullage der beiden Spannungen (Sinus und Cosinus) nicht exakt ist.
2. Durch unterschiedliche Amplituden der beiden Signale (Sinus und Cosinus) erhält man die Exzen trizität der Ellipse.
3. Die Achsenlage der Ellipse wird bestimmt durch die Phasenverschiebung, wenn die beiden Spannungen (Sinus und Cosinus) nicht genau um 90° phasenver schoben sind.

Wird nun der Arcustangens bestimmt, tritt ein Gesamtfehler auf, der sich aus den drei obengenannten Feh lern zusammensetzt. Dieser Fehler wird gemäß der Erfindung beseitigt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

die Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur zeigt einen Inkrementalmaßstab (1) mit Teil strichen (2), zwischen denen Teilungsintervalle (3) vorhan den sind.

Zwei Abtastköpfe (4, 5) tasten die Teilstriche (2) ab. Die Abtastköpfe (4, 5) sind derart angeordnet, daß sich an deren Ausgängen Meßsignale (Sinus (SS) und Cosinus (CC)) ergeben, die zueinander, je nach Genauigkeit der Teilung auf dem Inkrementalmaßstab (1) und/oder des Abstandes der Abtastköpfe (4, 5) voneinander, in sinus-/cosinusartiger Phasenbeziehung stehen.

In einer Auswerteeinheit (6) werden die Signale (SS und CC) weiterverarbeitet.

Durch die üblicherweise auftretenden Fehler lassen sich die Signale (SS und CC) folgendermaßen darstellen:

SS = a . sin (ϕ) + b

CC = c . cos (ϕ + δ) + d

mit

Die Absolutposition des Inkrementalgebers bestimmt sich aus Arcustangens SS/CC, das heißt, die Absolutposition (A) bestimmt sich folgendermaßen:

Eine fehlerfreie Berechnung der Position wird erreicht, wenn a, b, c, d und δ im Interpolator mit ver rechnet werden. Die Werte werden immer aus der letzten Signalperiode gewonnen mit:

Damit läßt sich die richtige Position (A) folgender maßen bestimmen:

Bezugszahlen

1

Inkrementalmaßstab

2

Teilstriche

3

Teilungsintervalle

4

,

5

Abtastköpfe (Inkrementalgeber)

6

Auswerteeinheit

Claims

1. Verfahren zur Korrektur von Interpolationsfehlern beim Ablesen von Inkrementalmaßstäben durch einen Positi onsgeber, wobei die Absolutposition des Positionsgebers innerhalb eines Teilungsintervalles des Inkrementalmaßsta bes bestimmt wird, wobei die Teilungsintervalle periodisch von Teilungsmarken auf einem Träger gebildet sind, mit zwei gegenüber dem Träger ortsfest angeordneten und auf die Tei lungsmarken ansprechenden Abtastelementen, die in einem derartigen auf die Länge des Teilungsintervalles bezogenen Abstand voneinander angeordnet sind, daß sie jeweils ein sinusartiges und ein cosinusartiges Meßsignal (SS und CC) ausgeben, die zur Ermittlung der Absolutposition auf der Basis der Arcustangens-Funktion ausgewertet werden, wobei zur Korrektur der Auswertung gegenüber Störungen und Unge nauigkeiten im Positionsgeber ein Korrekturmodell verwendet wird, und daß als mathematisches Korrekturmodell eine Ellipsengleichung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Auswertung gegenüber Störungen und Ungenauig keiten im Positionsgeber (4, 5) ein Korrekturmodell mit fünf Parametern (a, b, c, d, δ) verwendet wird, wobei die Berechnung der fünf Parameter aus den Ergebnissen des unmittelbar vorhergehenden Teilungsintervalles (3) erfolgt, und daß zur Ermittlung der Parameter (a, b, c, d) ausschließlich die Maxima und Minima der Signalamplituden des unmittelbar vorhergehenden Teilungsintervalles verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünf Parameter folgendermaßen bestimmt werden:
mit
a = Amplitude von SS
b = Offset von SS
c = Amplitude von CC
d = Offset von CC
δ = Phasenfehler
und mit
wobei
A = Position des Positionsgebers,
SS = a . sin (ϕ) + b
und
CC = c . cos (ϕ + δ) + d
ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Intervall eine vereinfachte Interpolation mit
b = 0
d = 0
δ = o
a = c
durchgeführt wird.