DE2942080A1

DE2942080A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digitalen messung von inkrementell unterteiltem weg oder drehwinkel

Info

Publication number: DE2942080A1
Application number: DE19792942080
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Manfred 6101 Weiterstadt Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1979-10-18
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1981-04-30
Also published as: GB2061523B; DE2942080C2; NL8005745A; GB2061523A; CH650334A5

Description

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Verfahren und Schaltungsanordnung zur digitalen Messung von inkrementell unterteiltem Weg oder Drehwinkel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Messung von inkrementell unterteiltem Weg oder Drehwinkel, der mit zwei um eine Viertelperiode gegeneinander versetzten Aufnehmern abgetastet wird, deren Ausgangssignale etwa sinus- bzw. cosinusförmig sind und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-AS 25 10 113 bekannt. Dabei sollen die nach diesem Verfahren gewonnenen Signale durch spezielle schaltungstechnische Maßnahmen beeinflußt werden, wobei eine Realisierung als integrierter Schaltkreis im MOS-Technik möglich ist.

Weiterhin ist dieses Verfahren beispielsweise auch aus der DE-OS 27 29 697 bekannt. Dort wird eine inkrementell unterteilte Strecke so abgetastet, daß die Ausgangssignale in Abhängigkeit vom Weg sinus- bzw. cosinusförmig sind. Diese Ausgangssignale werden in Rechtecksignale umgeformt und einem Zähler zugeführt, der die Rechtecksignale zählrichtungsabhängig in einen Zähler einzählt, dessen Stand der abgetasteten Strecke entspricht.

Dieses Verfahren nach dem Stand der Technik ist recht einfach, auch im Aufbau einer zur Durchführung aes Verfahrens geeigneten Schaltung. Der Schaltungsaufwand steigt jedoch sehr stark bei Erhöhung der Auflösung, so daß Auflösungen, die größer als 1:20 sind, mit diesem Verfahren in der Praxis nicht mehr durchgeführt werden.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine sehr hohe

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Auflösung der inkrementell unterteilten Wegstrecke bei geringem schaltungstechnischem Aufwand zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daB zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen aus dem Systemtakt über ein vorgegebenes Untersetzungsverhältnis hergestellt werden, die die Ausgangssignale modulieren und die Ergebnisse anschließend addiert werden, daß ein so entstandener mit den untersetzten Wechselspannungen gleichfrequenter Spannungsvektor phasenempfindlich demoduliert wird, wozu das Bezugssignal durch Umsetzen der demodulierten Spannung in eine Impulsserie gewonnen wird, die zählrichtungsabhängig mit dem Systemtakt addiert bzw. subtrahiert und im vorgegebenen Untersetzungsverhältnis untersetzt wird, und daß'die Zahl der Impulse der Impulsserie zählrichtungsabhängig gezählt wird. Wird das vorgegebene Untersetzungsverhältnis in Stufen eingestellt, so ist die Auflösung durch Wahl eines passenden Teilungsfaktors in einfacher Weise festlegbar.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Schaltungsanordnung mit zwei um eine Viertelperiode gegeneinander versetzten Aufnehmern, deren Ausgangssignale etwa sinus- bzw. cosinusförmig sind, erfindungsgemäß dann besonders geeignet, wenn mit einem Systemtaktgeber über einen ersten Teiler mit vorgebbarem Teilungsverhältnis ein Pulsformer verbunden ist, dessen zwei Ausgänge, die um 90° gegeneinander phasenverschobene Signale abgeben, mit Modulationseinrichtungen verbunden sind, deren andere Eingänge von den Aufnehmern beaufschlagt werden, daß die Ausgänge der Modulationseinrichtungen einer Addiereinrichtung zugeführt werden, die über ein Bandfilter einen phasenempfindlichen Demodulator ansteuert, dessen Ausgang mit einer Impulserzeugerstufe verbunden ist, die zählrichtungsabhängige Impulse einerseits an einen Zähler und andererseits an eine Impulsaddier/Subtrahierstufe abgibt, deren zweiter Eingang mit dem Systemtaktgeber verbunden ist und daß der Ausgang der Impulsaddier/Subtrahiarstuf e über einen weiteren Teiler mit gleichem Teilungsverhältnis, wie dar erste Teiler dem Referenzeingang des phasenempfindlichen Demodulators zuführbar

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der Schalist. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahrens und tungsanordnung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen, kontinuierlichen Verfahrens und der dazugehörenden Schaltung sind darin zu sehen, daß mit einfachen Mitteln sehr hohe Auflösungen bei guter Anzeigeruhe erreicht werden können, daß auf einfache Weise mehrere umschaltbare Teilungsfaktoren ermöglicht werden können und daß ohne Schwierigkeit bei beliebigen Aufnehmerpositionen der Wert auf Null gesetzt werden kann.

Die schematische Figur zeigt beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein mit hoher Taktfrequenz arbeitender Systemtaktgeber 1 gibt seine Pulse auf einen ersten Teiler 2, der sie in einem vorgegebenen Untersetzungsverhältnis (beispielsweise 1000:1) untersetzt. Die untersetzten Pulse werden einem Pulsformer 3, z.B. einem Sinusformer, zugeführt, dessen Ausgänge je einem Eingang der Modulationseinrichtungen 4 und 5 zugeführt ist die z.B. Multipliziereinrichtungen sind. Die jeweils anderen Eingänge der Modulationseinrichtungen sind mit den sinus- bzw. cosinusförmigen Ausgangssignalen der beiden um eine Viertelperiode gegeneinander versetzten Aufnehmer verbunden. Die Ausgangssignale der Modulationseinrichtungen 4 und 5 werden der Addiereinrichtung 6 zugeführt, deren Ausgangssignal eine modulierte Spannung, z.B. eine Sinusspannung mit der Frequenz der Ausgangsspannungen des Pulsformers ist, jedoch mit anderem Phasenwinkel. Dieser Phasenwinkel ist ein Maß für den Weg innerhalb eines Rasterteils der inkrementell unterteilten Wegstrecke.

Gibt der Pulsformer keine sinusförmigen Pulse ab, sondern z.B. rechteckige Pulse, so wird zwischen Addiereinrichtung 6 und Demodulator 7 ein in der Figur nicht dargestelltes Bandfilter geschaltet, das im wesentlichen nur die Modulationsprodukte der ersten Harmonischen der untersetzten Pulsfrequenz hindurchläßt. Die höherfrequenten Modulationsprodukte, die von den rechteckigen Pulsen stammen werden

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dadurch ausgefiltert, sodaß wiederum eine modulierte Sinusmit etwa/

spannung/der Frequenz der untersetzten Pulse ansteht.

Die modulierte Sinusspannung wird einem phasenempfindlichen Demodulator 7 zugeführt, dessen Referenzspannung aus dem Systemtaktgeber über eine Impulsaddier/Subtrahierstufe 11 und einen zweiten Teiler 12 gewonnen wird, dessen vorgegebenes Untersetzungsverhältnis identisch mit dem Untersetzungsverhältnis des ersten Teilers 2 ist (z.B. 1000:1). Die Ausgangsspannung des Demodulators 7 wird einem Tiefpaßfilter B zugeführt. Statt des Tiefpaßfilters 8 kann auch ein Integrator verwendet werden. Die derart geglättete Spannung gelangt anschließend an eine Impulserzeugerstufe 9, die als Spannungs-Frequenz-Umsetzer (in Zukunft: SFU) ausgeführt sein kann. Andere Ausführungsmöglichkeiten der Impulserzeugerstufe 9 sind durch einen Generator fester Frequenz gegeben, dessen Ausgang in Abhängigkeit vom Eingangssignal schaltbar ist.

Je nach Polarität des Eir^ngssignals erzeugt der SFU ein

Zählrichtungssignal für den ihm nachgeschalteten Zähler 10, der somit die Ausgangssignale der Impulserzeugerstufe 9

zählrichtungsabhängig einzählt. Außerdem werden die Ausgangsimpulse der Impulserzeugerstufe 9 der Impulsaddier/Subtrahierstufe 11 zugeführt, deren anderer Eingang - wie bereits ausgeführt - mit dem Systemtaktgeber 1 verbunden ist.

Die beschriebene Schaltung arbeitet nach folgendem Verfahren: Im Ruhezustand steht der Weggeber still, d.h. seine Ausgangssignale ändern sich nicht. Statt des Weggebers kann·naturgemäß jeder andere Geber mit einer inkrementell unterteilten Wegstrecke verwendet werden, beispielsweise ein Drehwinkelgeber. Ist die Phasenlage der modulierten Spannung genau um 90° gegenüber der Phasenlage der Referenzspannung gedreht, so ist die Ausgangsspannung des Demodulators 7 gleich Null, der SFU 9 gibt keine Impulse ab, die Schaltung befindet sich im Gleichgewicht. Weicht die Phasendifferenz zwischen modulierter Spannung und Referenzspannung jedoch von 90 ab, so erzeugt der Demodulator 7 je nach dem Vorzeichen der Phasenabweichung eine positive oder negative Ausgangsspannung, die

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im Tiefpaßfilter 9 geglättet wird. Der anschließende SFU gibt bei Eingangsspannungen, die von Null abweichen, Impulsserien ab und je nach Polarität der Eingangsspannung gegebenenfalls noch ein Zählrichtungssignal. In der Impulsaddier/Subtrahierstufe 11 werden diese Zählimpulse zu den Pulsen der hohen Taktfrequenz des Systemtaktgebers 1 je nach Zählrichtungsinformation addiert oder von diesen subtrahiert. Die Ausgangspulsfrequenz dieser Stufe wird nach der vorgegebenen Untersetzung als Referenzspannung des Demodulators 7 verwendet. Die Impulse des SFU 9 werden also so abgegeben, daß sich die Phasenlage der Referenzspannung im gleichen Sinn wie die Phasenlage der modulierten Spannung ändert, und zwar so lange, bis die Phasenverschiebung zwischen der modulierten Spannung und der Referenzspannung wieder genau 90 beträgt.

Die Ausgangssignale des SFU 9 werden dem Zähler 10 zugeführt, der je nach dem Zählrichtungssignal pro Impuls des SFU 9 einmal vorwärts oder rückwärts zählt, mit anderen Worten die Impulse des SFU werden im Zähler 10 zählrichtungsabhängig registriert. Eine Rasterteilung der inkrementell unterteilten Wegstrecke entspricht einer Verschiebung des Phasenwinkels um 2 Λ . Für diese Phasenverschiebung sind genau so viele Impulse des SFU 9 erforderlich, wie der Teilungsfaktor der Teiler 2 und 12 ist, im Beispielsfalle also 1000 Impulse. Zählt der Zähler 10 einen Impuls, so ist die inkrementell unterteilte Wegstrecke also um eine Tausendstel Rasterteilung verschoben worden, das Vorzeichen des Zählers 10 gibt dabei die Richtung der Verschiebung an.

Da die Auflösung eines Teilungsrasters der inkrementell unterteilten Wegstrecke einfach durch die Wahl eines passenden Teilungsfaktors der Teiler 2 und 12 festlegbar ist, ist eine Umstellung auf andere Auflösungen sehr einfach möglich.

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Claims

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HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK GMBH
17. Oktober 1979

Patentansprüche

1.I Verfahren zur digitalen Messung von inkrementell unter- >-^ t8Ütem Weg oder Drehwinkel, der mit zwei um eine Viertelperiode gegeneinander versetzten Aufnehmern abgetastet wird, deren Ausgangssignale etwa sinus- bzw. cosinusförmig sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen aus dem Systemtakt über ein vorgegebenes Untersetzungsverhältnis hergestellt werden, die die Ausgangssignale modulieren . und die Ergebnisse anschließend addiert werden, daß ein so entstandener mit den untersetzten Wechselspannungen gleichfrequenter Spannungsvektor phasenempfindlich demoduliert wird, wozu das Bezugssignal durch Umsetzen der demodulierten Spannung in eine Impulsserie gewonnen wird, die zählrichtungsabhängig mit dem Systemtakt addiert bzw. subtrahiert und im vorgegebenen Untersetzungsverhältnis untersetzt wird, und daß die Zahl der Impulse der Impulsserie zählrichtungsabhängig gezählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° phasenverschobenen Wechselspannungen sinusförmig verlaufen und die Modulation eine Multiplikation ist,

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die um..9O . phasenverschobenen Wechselspannungen recht-

-formig
eck verlaufen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Untersetzungsverhältnis in Stufen eingestellt wird.

5. Schaltungsanordnung zur digitalen Messung von inkrementell unterteiltem Weg oder Drehwinkel nach Anspruch 1, der mit zwei um eine Viertelperiode gegeneinander versetzten Aufnehmern abtastbar ist, deren Ausgangssignale etwa sinus- bzw. cosinusförmig sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Systemtaktgeber (1) über einen ersten Teiler (2) mit vorgebbarem Teilungsverhältnis ein Pulsformer (3) verbunden ist, dessen zwei Ausgänge, die um 90 gegeneinander phasenverschobene Signale abgeben, mit Modulationseinrichtungen (4, 5) verbunden sind, deren andere Eingänge von den Aufnehmern beaufschlagt werden, daß die Ausgänge der Modulationseinrichtungen (4, 5) einer Addiereinrichtung (6) zugeführt werden, die über ein Bandfilter einen phasenempfindlichen Demodulator (7) ansteuert, dessen Ausgang mit einer Impulserzeugerstufe (9) verbunden ist, die zählrichtungsabhängige Impulse einerseits an einen Zähler (10) und andererseits an eine Impulsaddier/Subtrahierstufe (11) abgibt, deren zweiter Eingang mit dem Systemtaktgeber (1) verbunden ist ,und daß der Ausgang der Impulsaddier/Subtrahierstufe (11) über einen weiteren Teiler (2) mit gleichem Teilungsverhältnis, wie der erste Teiler (2) dem Referenzeingang des phasenempfindlichen Demodulators (7) zuführbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsformer (3) ein Sinusformer ist und die Modulationseinrichtungen (4, 5) Multipliziereinrichtungen sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsformer (3) ein Rechteckformer ist.

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θ. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugerstufe (9) ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugerstufe (9) ein Generator fester Frequenz ist, dessen Ausgang in Abhängigkeit vom Eingangssignal schaltbar ist.

10. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen phasenabhängigem Demodulator (7) und Impulserzeugerstufe (9) ein Tiefpaßfilter (8) geschaltet ist.

11. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen phasenabhängigem Demodulator (7) und Impulserzeugerstufe (9) ein Integrator geschaltet ist.

12. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilungsverhältnis der Teiler (2, 12) stufenweise einstellbar ist.

13. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (10} auf einen vorgebbaren Vorwahlwert setzbar ist.

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