DE3117554C2

DE3117554C2 -

Info

Publication number: DE3117554C2
Application number: DE3117554A
Authority: DE
Inventors: Douglas James Bonnyrigg Midlothian Scotland Gb Rogers
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1980-05-15
Filing date: 1981-05-04
Publication date: 1990-08-30
Also published as: US4524347A; GB2076147A; JPS578408A; JPH0128888B2; GB2076147B; FR2482722A1; DE3117554A1; FR2482722B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Positions-Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Positions-Meßvorrichtung ist bekannt aus der DE-AS 21 06 136. Bei dieser Meßvorrichtung werden jedoch die periodischen Wellenformen nicht effektiv korrigiert, sondern durch ein Netzwerk aus Widerständen und Komparatoren nur in Rechteckwellen umgeformt. Positionsinformationen zur Bestimmung der relativen Positionen des Skalenelementes und des Indexelementes an Punkten innerhalb einer Periode einer der periodischen Wellenformen lassen sich jedoch aus diesen umgeformten Signalen nicht ableiten.

Die US-PS 35 00 449 beschreibt eine Schaltung zur Erzeugung von Fehlersignalen, bei der Richtung und Ausmaß angezeigt werden, um welches ein drehbares Teil geteilt werden muß, um eine Bezugsposition zu erreichen. Diese Bezugsposition ist immer dann erforderlich, wenn eine Bewegung ausgehend von einer Bezugsstelle genau gemessen werden soll.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Positions-Meßvorrichtung derart weiterzubilden, daß eine höhere Genauigkeit und ein höheres Auflösungsvermögen hinsichtlich der Codiereinrichtung erreichbar ist.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines Positions-Kodierers zeigt.

Fig. 2 zeigt das Skalen-Element der Ausführungsform nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Index-Element zur Verwendung mit dem Skalen-Element nach Fig. 2.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen zusammen eine Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten logischen Schaltung.

Fig. 7 zeigt ein Fließdiagramm, das die Rechnungen darstellt, die durch die Logik nach den Fig. 4, 5 und 6 ausgeführt wurden.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung eines Inkrement-Kodierers.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung in Form eines rotierenden Kodierers, bei dem der Positions- Kodierer vom absoluten Typ ist.

Das Skalen-Element umfaßt eine Scheibe 10, die auf einer Welle 11 befestigt ist, die in nicht-gezeigten Lagern abgestützt ist. Die Scheibe 10 trägt sowohl digital kodierte Spuren für den absoluten Kodierer und eine Linienspur für die Erzeugung von zwei periodischen Wellenformen. Nahe bei der Scheibe 10 ist ein Index- Element 12 angeordnet, das an dem Gehäuse der Vorrichtung befestigt ist. Die Scheibe 10 und das Index-Element 12 sind im Detail in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Auf der Seite der Scheibe 10, entfernt vom Index 12 ist eine Anzahl von Lichtquellen 13 angeordnet, um die verschiedenen Spuren auf der Scheibe 10 an sämtlichen erforderlichen Punkten zu beleuchten. Eine Gruppe von photoempfindlichen Geräten 14 ist auf der Seite des Index-Elementes, entgegengesetzt zur Scheibe 10 angeordnet. Die Figur zeigt zwei Gruppen von photoempfindlichen Geräten, wobei jede Gruppe jeweils ein separates Gerät für jede der Spuren aufweist. In der Praxis kann eine größere Anzahl von Gruppen verwendet werden, insbesondere für die digital kodierten Spuren des absoluten Kodierers. Jedes photoempfindliche Gerät 14 fängt Licht von einer Quelle 13 auf, das durch die entsprechende eine der Spuren auf der Scheibe 10 hindurchgeht. Die Signalausgänge der Geräte 14 laufen zur Schaltung 15, die später noch beschrieben wird. Der Ausgang der Schaltung 15 stellt die Winkelposition der Welle 11 relativ zu einer Bezugsposition dar, und er ist allgemein ein paralleler digitaler Mehrfach-Bit-Ausgang.

Fig. 2 zeigt in Ansicht die Scheibe 10, wobei ein Teil jeder der Spuren auf der Scheibe dargestellt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur Teile jeder Spur gezeigt. Die drei inneren Spuren 21, 22 und 23 sind digital kodierte Spuren des absoluten Positions-Kodierers. Diese Spuren können in verschiedener Weise kodiert werden. Eine Methode, wie in der britischen Patentanmeldung 79 44 011 beschrieben, besteht darin, die Spuren so zu kodieren, daß sie einen monostrophen Kode haben. Die vierte Spur 24 ist ein einfaches Linienmuster, das sich um die gesamte Scheibe 10 erstreckt. Diese Spur ist als die äußerste Spur dargestellt, sie kann jedoch in der Praxis auch an anderer Stelle der Scheibe angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise ist die Scheibe 10 aus Glas, auf der die klaren und undurchsichtigen Bereiche der Spuren beispielsweise mittels einer photographischen Technik gebildet werden.

Fig. 3 zeigt die Index-Einrichtung 12, die in Verbindung mit der Skala 10 nach Fig. 2 benutzt wird. In der zu beschreibenden Ausführungsform hat jede Spur 21, 22 und 23 vier zugeordnete Leseköpfe. Das Index-Element 12 ist daher mit vier genau angeordneten Schlitzen 31 versehen die die effektiven Positionen der entsprechenden photoempfindlichen Geräte definieren. Das Index-Element 12 trägt ferner zwei kurze Linienmuster 32 und 33, die dem Linienmuster 24 auf der Scheibe 10 entsprechen. Die Teilung der Linien der Muster 32 und 33 ist dieselbe wie die Teilung der Linien auf der Scheibe 10. Jedes Muster auf dem Index-Element 12 umfaßt zwei Abschnitte, deren Linien um die halbe Teilung zueinander versetzt sind.

Im Betrieb arbeiten die drei inneren Spuren 21, 22 und 23 zusammen mit ihren zugeordneten Leseköpfen und Schaltungseinrichtungen, um einen digitalen Ausgang zu erzeugen, der die Position der Kodiererscheibe relativ zu einer Bezugsposition anzeigt. Der Ausgang kann beispielsweise eine Zehn-Bit-Zahl sein. Das Linienmuster wird verwendet, um Sinus- und Cosinus-Ausgänge zu liefern, wie sie in Inkrement-Kodierern benutzt werden, und diese werden verwendet, um den Ausgang des absoluten Kodierers zu unterteilen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, beispielsweise einen Gesamtausgang in Form einer Sechzehn-Bit-Zahl.

Der absolute Kodierer ist in der obenerwähnten Patentanmeldung beschrieben. Allgemein gesprochen, bilden die Spuren zusammen einen monostrophen Kode. Eine der Spuren bildet zwei Übergänge, und es ist ihr eine Anzahl von Leseköpfen zugeordnet. Die anderen Spuren haben unterschiedliche Zahlen von Übergängen, und sie können dieselbe oder eine unterschiedliche Anzahl von Leseköpfen aufweisen. Die Ausgänge der Leseköpfe können durch einen Read-only-Speicher dekodiert werden, der jeden einzelnen Ausgang der Mehrzahl der Leseköpfe in eine absolute Position relativ zur Bezugsposition übersetzt.

Die Linienmuster auf der Scheibe 10 und dem Index-Element 12 bilden zusammen zwei konzentrische Spuren, die in dem beschriebenen Beispiel in der Art eines Blenden-Effekts zusammenwirken, um die Lichtmenge zu variieren, die von dem photoempfindlichen Gerät empfangen wird. Die Lichtstärke variiert periodisch, und die beiden Ausgänge der photoempfindlichen Geräte, die den beiden konzentrischen Spuren zugeordnet sind, liegen in 90°-Phasenverschiebung zueinander. Diese beiden Ausgänge werden in einer noch zu beschreibenden Weise weiterverarbeitet.

Die Technik einer Verwendung von zwei periodischen Signalen neigt zu Fehlern, hauptsächlich infolge von Mängeln der verwendeten Apparatur.

Es gibt vier Hauptfehlerquellen, von denen eine die Gleichstrom-Versetzung ist. Sie ist eine Folge der periodischen Wellenform, die um ihre Bezugsspannung nicht symmetrisch ist, und sie tritt gewöhnlich infolge von Veränderungen der Verstärkung der photoempfindlichen Geräte auf. Die Verstärkungsfaktoren der beiden Kanäle, die die beiden periodischen Wellenformen verarbeiten, können ebenfalls differieren, und dies führt zu Fehlern bei der Verstärkungsänderung. Es besteht ferner die Möglichkeit eines Fehlers bei der Phasenverschiebung bei einem Dekoder mit Welle, wenn die Linienmuster-Spur nicht konzentrisch mit der Drehachse der Scheibe ist. Die vierte Fehlerquelle ist ein Wellenform-Fehler, der entsteht, wenn die periodischen Wellenformen effektiv nicht sinusförmig sind.

Für einen Winkel-Kodierer können die periodischen Wellenformen allgemein durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

Xs = Ks sin (β+m) + ds (1)

und

Xc = Kc cos (β-m) + dc (2)

Hierin sind X der Signalwert, K der Spitzensignalwert, b die Winkelverschiebung in Radianten innerhalb einer Periode der sinusförmigen Wellenformen, m der Phasen-Fehlerwinkel und d der Gleichspannungs- Versetzungsfehler.

Wenn man die wirklich gemessenen positiven und negativen Spitzenwerte der Sinuswelle mit As und Bs bezeichnet und die positiven und negativen Werte der Cosinus-Welle als Ac und Bc, ergibt sich folgender Zusammenhang:

As = Ks + ds (3)

Bs = -Ks + ds (4)

Ac = Kc + dc (5)

Bc = -Kc + dc (6)

Durch Addieren und Subtrahieren der beiden Paare von Spitzenwerten kann man die Werte von Ks, Kc, ds und dc berechnen zu:

2ds = As + Bs (7)

2dc = Ac + Bc (8)

2Ks = As - Bs (9)

2Kc = Ac - Bc (10)

Damit können durch Messen der positiven und negativen Spitzenwerte der Sinus- und Cosinus-Wellenformen die Verstärkungsfehler und die Gleichspannungsversetzungsfehler berechnet und korrigiert werden.

Die Phasenfehler-Korrektur ist komplexer, und sie wird nachfolgend erläutert.

Die Gleichungen (1) und (2) können in folgende Form umgeschrieben werden

und

Wenn man die Gleichungen (7) und (8) in Gleichung (11) einsetzt und die Gleichungen (9) und (10) in Gleichung (12) so ergeben sich folgende Ausdrücke

und

Durch weitere Umformung ergibt sich dann

Wenn daher der Wert von tan m bestimmt ist, ist der Wert des Winkels β bekannt, wobei daran erinnert wird, daß β die Winkelposition innerhalb einer Periode der sinusförmigen Wellenform ist.

Es gibt vier Positionen in einer Periode der sinusförmigen Wellenform, in denen die Verstärkungsveränderung infolge des Phasenfehlers ein Maximum ist. Diese treten auf, wenn

sin (β+m) = cos (β-m)

und

sin (b+m) = -cos (β-m) sind.

Verwendet man diese Bedingungen so kann man zeigen, daß

ist.

Die wirkliche Bestimmung und Korrektur der Fehler und die Berechnung des Winkels β erfordert eine komplexe Hardware oder ein geeignetes Software-Programm für einen Prozessor.

Die Fig. 4, 5 und 6 gehören in der Reihenfolge Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 4 . . . zusammen, d. h., die Ausgänge von Fig. 6 bilden die Eingänge von Fig. 4. Man erkennt, daß die meisten der Schaltungselemente, die in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt sind, sehr einfach sind und hauptsächlich aus Addierschaltungen, Subtrahierschaltungen, Verknüpfungsschaltungen und Modifizierschaltungen bestehen.

In den Fig. 4, 5 und 6 bedeuten die Paare von parallelen Leitungen Mehrfach-Bit-Daten-Hauptleitungen, während die einzelnen Linien Einzel-Bit-Menge bezeichnen. Die Mehrheit der Vielfach-Bit-Leitungen führen sechzehn Daten-Bits in der zu beschreibenden Ausführungsform.

In Fig. 4 sind die beiden photoempfindlichen Geräte SD und CD diejenigen, die Signale von den Sinus- und Cosinus-Abschnitten der Linienspur auf der Kodiererscheibe aufnehmen. Die Ausgänge dieser Geräte laufen durch Strom-Spannungs-Verstärker SA und CA und Analog/Digital-Umformer SAD und CAD. Die Ausgänge dieser beiden Umformer sind entsprechend die Sinusgleichung Xs und die Cosinus-Gleichung Xc, wie oben ausgeführt. Die Sinus- und Cosinus-Kanäle sind identisch, weshalb nur der Sinus-Kanal im Detail beschrieben wird. Der Ausgang des Analog/Digital-Umformers wird an eine Subtrahierschaltung SS 1 gelegt, an deren anderem Eingang der Ausgang eines Addiergerätes SA 1 liegt. Der Ausgang des Subtrahiergerätes SS 1 geht zu einer Dividierschaltung SD 1 als Dividend, und der Divisor wird durch den Ausgang einer Subtrahierschaltung SS 2 gebildet. Die Eingänge zur Addierschaltung SA 1 und Subtrahierschaltung SS 2 werden später beschrieben. Der Quotient-Ausgang der Dividierschaltung SD 1 bildet einen Eingang zu einer Multiplizierschaltung SM 1, deren anderer Eingang das tan m-Signal ist, dessen Herkunft später beschrieben wird. Der Ausgang der Multiplizierschaltung SM 1 wird an den Cosinus-Kanal gelegt. Der Ausgang der Dividierschaltung SD 1 bildet ferner einen Eingang einer Subtrahierschaltung SS 3, die als anderen Eingang den Ausgang des entsprechenden Cosinus-Kanals der Multiplizierschaltung CM 1 hat. Es sind somit vier Mehrfach-Bit-Leitungen von Fig. 4 zu Fig. 5 vorhanden, wobei zwei die Ausgänge der Subtrahierschaltungen SS 3 und CS 3 entsprechend führen. Die Leitungen führen ferner die digitierten Formen der Sinus- und Cosinus-Basissignale Xs und Xc.

In Fig. 5 geht der Ausgang der Subtrahierschaltung SS 3 an drei Schaltkreise SC 1, NG 1 und SC 2. Der Schaltkreis SC 1 ist ein Komparator, der nur dann einen Ausgang liefert, wenn sein Eingang numerisch kleiner als Null ist. Der Schaltkreis NG 1 ist ein Negier-Kreis, d. h. ein Schaltkreis, der, wenn der Eingang A ist, einen Ausgang -A abgibt. Die Multiplex-Schaltung SC 2 hat daher zwei Eingänge, von denen einer der negative des anderen Eingangs ist. Der Schaltkreis SC 2 arbeitet derart, daß, wenn das Steuersignal vom Schaltkreis SC 1 fehlt, dann ist sein Ausgang derselbe wie der Eingang von der Subtrahierschaltung SS 3. Wenn das Steuersignal jedoch vorhanden ist, so ist der Ausgang derselbe wie der Eingang vom Schaltkreis NG 1. Die äquivalenten Kreise im Cosinus- Kanal, der Komparator CC 1 und die Kreise NG 2 und CC 2 arbeiten in derselben Weise. Die Ausgänge der Schaltkreise SC 2 und CC 2 bilden die Eingänge zu einem Komparator CD 3 und einer Multiplex-Schaltung MX. Der Schaltkreis CD 3 liefert einen Ausgang, wenn der Eingang vom Sinus-Kanal größer ist als der Eingang vom Cosinus-Kanal. Der Ausgang vom Schaltkreis CD 3 bildet einen Signaleingang zur Multiplexschaltung. Die Multiplex-Schaltung MX hat zwei Vielfach-Bit-Ausgangsleitungen, und sie verbindet die Eingänge mit den Ausgängen in einer Weise, die durch das Vorhandensein oder Fehlen des Signaleinganges bestimmt ist. Wenn dieser Eingang vorhanden ist, dann laufen die Eingänge zu den benachbarten Ausgängen, d. h., der Eingang A bildet den oberen Ausgang. Wenn jedoch der Signaleingang fehlt, so wird der Eingang A der untere Ausgang. Die beiden Ausgänge der Multiplexschaltung MX bilden den Eingang zu einer Dividierschaltung DV 3, die einen Eingang durch den anderen dividiert. Der Ausgang dieser Dividierschaltung wird an eine Art Nachschlagtabelle gegeben, wie z. B. an einen Read-only-Speicher ROM. Der Ausgang des Speichers ROM wird an einen weiteren Kreis NG 3 und an eine Multiplexschaltung CD 4 gelegt. Die Negierschaltung NG 3 und die Multiplexschaltung CD 4 arbeiten in praktisch derselben Weise wie die Schaltungen NG 1 und SC 2, und zwar unter der Steuerung des Ausgangssignals vom Schaltkreis CD 3. Wenn daher das Steuersignal fehlt, so ist der Ausgang der Multiplexschaltung CD 4 derselben wie der Ausgang vom Speicher ROM. Wenn das Steuersignal vorhanden ist, so ist der Ausgang von CD 4 das Negative des Ausganges des Speichers ROM.

Steuersignale stehen zur Verfügung von den drei Komparatoreinheiten SC 1, CC 1 und CD 3. Diese Signale werden an ein Tornetzwerk gelegt, das drei Tore umfaßt. An ein Ausschließlich-ODER-Tor G 1 sind die Signalausgänge der beiden Komparatoren SC 1 und CC 1 gelegt. Die Eigenschaft ausschließlich-ODER bedeutet, daß der Torausgang "1" ist, wenn einer, aber nicht beide Eingänge eine "1" ist. Der Ausgang vom Tor G 1 bildet einen Eingang eines zweiten Ausschließlich-ODER-Tores G 2, dessen anderer Eingang der Ausgang des Komparators CD 3 ist. Schließlich ist der Ausgang des Komparators SC 1 über einen Inverter G 3 an einen Eingang eines UND- Tores G 4 gelegt. Der andere Eingang des Tores G 4 wird durch das niedrigstwertige Bit des 10-Bit-Ausganges des Kodierers CPE geliefert, der in diesem Fall ein absoluter Positions-Kodierer ist, und der Ausgang des Tores G 4 wird durch einen Addierkreis AD 3 dem restlichen 9-Bit-Signal des absoluten Kodierers hinzuaddiert. Der Ausgang des Schaltkreises CD 4 ist ein 7-Bit-Signal, und zu diesem werden drei weitere Bits addiert, die von den Ausgängen der Tore G 1 und G 2 und dem Ausgang des Komparators SC 1 erhalten werden. Das resultierende 10-Bit-Signal wird mit dem 10-Bit-Ausgang der Addierschaltung AD 3 zusammengefaßt, um ein 19-Bit-Ausgangssignal zu bilden, das die Position darstellt. Das 10-Bit-Signal vom Schaltkreis CD 4 und dem Tor-Netzwerk wird außerdem an die Schaltung nach Fig. 6 weitergegeben. Fig. 6 zeigt die drei Dateneingänge, nämlich das ebengenannte 10-Bit-Signal sowie die Xs- und Xc-Signale von dem Sinus- und dem Cosinus-Kanal der Fig. 4. Das 10-Bit-Signal wird an einen Spitzenpunkt- Detektor PPD gelegt. Dies ist ein Kodierer, der bei einem Eingang, der den Winkel β darstellt. Ausgangssignale während jedes Sinuswellen-Zyklus auf separate Leitungen in Intervallen von π/4 abgibt. Diese Ausgänge werden als Schalt- oder Timing-Signale benutzt.

Das Sinus-Signal Xs läuft durch einen durch-2-dividierenden Kreis DV 4, dessen Ausgang an ein Paar Verknüpfungsschaltungen PL 1 und PL 2 gelegt wird. Die Schaltung PL 1 hat einen Steuereingang, der zu einem spezifischen Zeitpunkt in jeder an den Detektor PPD gelegten Sinuswelle angelegt wird, wobei die Periode π/2 ist. Ebenso hat die Schaltung PL 2 einen Steuereingang, der in jeder Periode bei 3 π/2 auftritt. Die Ausgänge der beiden Verknüpfungsschaltungen bilden die beiden Eingänge zum Addiergerät SA 1 und Subtrahiergerät SS 2. In gleicher Weise wird das Xc-Signal über eine Dividierschaltung DV 5 an Verknüpfungsschaltungen PL 3 und PL 4 gegeben, die entsprechend zu den Zeitpunkten 0 und π geschaltet werden und die beiden Eingänge für das Addiergerät CA 1 und das Subtrahiergerät CS 2 liefern. Die Ausgänge der beiden durch-2-dividierenden Schaltkreise DV 4 und DV 5 werden ebenfalls an eine Addierschaltung AD 4 und an eine Subtrahierschaltung ST 4 gelegt. Der Ausgang der Addierschaltung AD 4 wird an zwei Verknüpfungsschaltungen (sample-and-hold latches) L 1 und L 2 gelegt, die entsprechend zu den Zeitpunkten π/4 und 7π/4 angesteuert bzw. geschaltet werden, während der Ausgang der Subtrahierschaltung ST 4 an Verknüpfungsschaltungen L 3 und L 4 gelegt wird, die zu den Zeitpunkten 5 π/4 und 3π/4 entsprechend geschaltet werden.

Die Ausgänge der Schaltungen L 1 und L 2 werden an eine Subtrahierschaltung ST 5 gelegt, deren Ausgang einen Eingang jeweils eines Addiergerätes AD 5 und eines Subtrahiergerätes ST 7 bildet. In gleicher Weise werden die Ausgänge der Glieder L 3 und L 4 an eine Subtrahierschaltung ST 6 gelegt, deren Ausgang einen zweiten Eingang jeweils der Addierschaltung AD 5 und der Subtrahierschaltung ST 7 bildet. Die Ausgänge der Addierschaltung AD 5 und der Subtrahierschaltung ST 7 werden an eine Dividierschaltung DV 6 gelegt, deren Ausgang einen der Eingänge, die in Fig. 4 gezeigt sind, bildet. Nunmehr wird die Arbeitsweise der Logik nach den Fig. 4, 5 und 6 unter Bezugnahme auf das Fließdiagramm der Fig. 7 und unter Bezugnahme auf die Gleichungen beschrieben. Die photoempfindlichen Geräte SD und CD nach den Fig. 4-7 erzeugen sinusförmige Wellen, die durch die Analog/Digital-Umformer SAD und CAD digitiert werden. Die Ausgänge dieser Umformer sind digitierte Formen der Gleichungen (1) und (2).

Das Addiergerät SA 1 hat als Eingänge die Werte -As/2 und Bs/2, deren Herkunft noch erläutert wird. Diese werden addiert, um den Wert ds zu bilden, wie in Gleichung (7) gezeigt. Dies ist der Gleichspannungsversetzungsfehler (offset error) der Sinuswelle, und er wird von der digitierten Form von Gleichung (1) durch die Subtrahierschaltung SS 1 abgezogen. In gleicher Weise addiert die Schaltung CA 1 die Werte Ac/2 und Bc/2 um den Wert dc zu bilden, d. h. die Gleichspannungsversetzung der Cosinuswelle. Diese wird von der Cosinusfunktion mittels der Subrahierschaltung CS 1 abgezogen. Die Subtrahierschaltung SS 2 hat als Eingänge die Größen As/2 und Bs/2 und subtrahiert diese, um den Verstärkungsfaktor Ks der Sinuswelle entsprechend Gleichung (9) zu erzeugen. Dieser wird als Divisor in der Dividierschaltung SD 1 benutzt, deren Ausgang damit die Sinusfunktion sin ( b+m) darstellt. In gleicher Weise wird der Verstärkungsfaktor der Cosinuswelle bestimmt durch Subtrahieren der Werte Ac/2 und Bc/2 in der Subtrahierschaltung CS 2. Die Dividierschaltung CD 1 benutzt diesen Wert zur Erzeugung der Cosinusfunktion cos ( β-m).

Gleichung (15) zeigt wie der Wert tan β aus den Größen sin (β+m), cos (b-m) und tan m bestimmt werden kann. Die Ableitung von tan m wird später erläutert. Jeder der Werte sin (β+m) und cos (β-m), die wie eben erläutert abgeleitet werden, werden durch die Größe tan m in den Multiplizierschaltungen SM 1 und CM 1 multipliziert. Der Ausgang des Sinuskanals der Multiplizierschaltung SM 1 wird benutzt als ein Eingang einer Subtrahierschaltung CS 3 im Cosinuskanal, deren anderer Eingang der Wert cos ( β-m) ist, womit der Ausgang dieser Subtrahierschaltung der Wert cos (β-m)-sin(β+m) tan m ist.

In gleicher Weise bildet der Ausgang des Cosinuskanals der Multiplizierschaltung CM 1 einen Eingang der Subtrahierschaltung SS 3 im Sinuskanal, deren anderer Eingang sin ( β+m) ist, um einen Ausgang abzugeben mit folgendem Wert

sin (β+m) - cos (β-m) tan m.

Aus Gleichung (15) ergibt sich, daß tan β erhalten werden kann durch Dividieren des Ausganges der Subtrahierschaltung SS 3 durch den Ausgang der Subtrahierschaltung CS 3. In der Praxis kann jedoch der Wert von β im Bereich von 0° bis 360° liegen, und nur Werte von tan β zwischen 0 und 1 können geeignet in einem Speicher gespeichert werden. Es sind daher Anordnungen vorgesehen, um den Oktanten zu bestimmen, in welchem der Winkel β liegt.

Der Ausgang des Subtrahiergerätes SS 3 wird an den Komparator SC 1 gelegt, der nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn sein Eingang negativ ist. Der Ausgang des Subtrahiergerätes SS 3 bildet ferner den Dateneingang des Schaltkreises SC 2, wobei der Ausgang von SC 1 den Steuereingang liefert. Wenn von SC 1 kein Ausgang vorliegt, d. h. wenn der Eingang von SC 1 positiv ist, dann geht der Eingang zur Schaltung SC 2 direkt zu deren Ausgang. Wenn das Steuersignal jedoch vorhanden ist, so gibt der Schaltkreis das Negative des Eingangs als Ausgang ab. Die Schaltkreise CC 1 und CC 2 arbeiten in exakt derselben Weise. Die Ausgänge der Schaltkreise SC 2 und CC 2 werden beide an den Komparator CD 3 und die Multiplex-Schaltung MX gelegt. Der Schaltkreis CD 3 liefert einen Steuerausgang nur dann, wenn der Eingang vom Schaltkreis SC 2 größer ist als der Eingang vom Schaltkreis CC 2. In Abwesenheit des Steuersignals gibt die Multiplex-Schaltung ihre Eingänge an die Dividierschaltung DV 3 in der Weise, daß der Ausgang der letzteren die Funktion darstellt. Wenn der Steuereingang zur Multiplex-Schaltung vorhanden ist, so kehrt dieser seinen Ausgang um, so daß der Ausgang der Dividierschaltung folgende Funktion darstellt: Der Sechzehn-Bit-Datenausgang von der Dividierschaltung DV 3 wird an den Read-Only-Speicher ROM gelegt, der alle Werte von β zwischen 0 und 45° in dem erforderlichen Grad an Genauigkeit enthält, und er gibt in diesem Fall einen parallelen Sieben-Bit-Ausgang. Dieser geht zum Schaltkreis CD 4, der einen Steuereingang vom Ausgang des Schaltkreises CD 3 hat. Der Schaltkreis CD 4 ist so angeordnet, daß wenn der Steuereingang vorhanden ist, daß dann der Eingang direkt zum Ausgang läuft. Wenn der Steuereingang fehlt, so ist der Ausgang das Negative des Eingangs. Die Steuersignalausgänge der Schaltkreise SC 1, CC 1 und CD 3 laufen durch ein Tornetzwerk, das Tore G 1 bis G 4 aufweist. Dieses Tornetzwerk bestimmt den Oktanten, in welchem der Winkel β liegt, und der Ausgang der beiden Ausschließlich-ODER-Tore G 1 und G 2 und der Ausgang des Schaltkreises SC 1 bilden einen binären Drei-Bit-Kode, der den Oktanten anzeigt. Diese drei Bits werden als die drei höchstwertigen Bits mit dem Sieben-Bit-Ausgang des Schaltkreises CD 4 kombiniert, wodurch eine 10-Bit-Darstellung des Winkels β erhalten wird.

Der Zweck der vorbeschriebenen Schaltung ist, wie bereits erwähnt, der, die Genauigkeit und das Auflösungsvermögen eines bekannten Kodierers für absolute Positionsbestimmung zu verbessern. Von dem parallelen 10-Bit-Ausgang eines solchen Kodierers wird das niedrigstwertige Bit als ein Eingang zu einem UND-Tor G 4 benutzt. Der Ausgang dieses Tores wird an eine Addierschaltung AD 3 gelegt, an die die übrigen neun Bits des Kodierers angelegt werden. An das Tor G 4 wird ferner das Ausgangssignal des Komparators SC 1 über ein Inverter-Tor G 3 gelegt. Wenn daher kein Steuerausgang vom Schaltkreis SC 1 vorliegt und wenn das niedrigstwertige Bit des Kodiererausganges eine "1" ist, oder beides, dann wird das niedrigstwertige Bit des 9-Bit-Ausganges vom Addiergerät AD 3 um "1" erhöht. Zu diesem Ausgang werden die 10 Bits addiert, die den Winkel β darstellen. Dies ergibt einen digitalen 19-Bit-Ausgang, der den endgültigen Kodiererausgang darstellt.

Der 10-Bit-Wert von β wird zu der Schaltung nach Fig. 6 geführt, wo er die Tätigkeit des Spitzenpunkt-Detektors PPD steuert. Dieser Detektor benutzt die Werte von β, um die verschiedenen Punkte n π/4 zu erkennen und Steuersignale abzugeben, die an die verschiedenen Verknüpfungsschaltungen angelegt werden.

Die Sinus- und Cosinus-Ausdrücke Xs und Xc werden an die in Fig. 6 gezeigten durch-2-dividierenden Schaltkreise gelegt. Die Ausgänge der Schaltung DV 4 werden an zwei Spitzenwert-Schaltungen (latches) PL 1 und PL 2 gelegt. Die Schaltung PL 1 wird zum Zeitpunkt π/2 angesteuert bzw. geschaltet, d. h. wenn die Sinuswelle ihren maximalen Wert hat. Der Wert sin (β+m) ist daher 1, und der Spitzenwert ist As/2 (siehe Gleichung (3)). In gleicher Weise wird zum Zeitpunkt 3π/2 der Schaltkreis PL 2 geschaltet, der einen Ausgang von Bs/2 abgibt. Die Werte As/2 und Bs/2 werden an die Schaltung nach Fig. 4 gegeben. In gleicher Weise werden die beiden Schaltungen für den Cosinus-Kanal zu den Zeitpunkten 0 und π angesteuert und liefern die Werte Ac/2 und Bc/2 für Fig. 4.

Der Rest von Fig. 6 befaßt sich mit der Ableitung eines Wertes für tan m. Durch Ansteuern der Verknüpfungsschaltungen zu den angegebenen Zeiten, können die Ausgänge der Subtrahierschaltungen ST 5 und ST 6 abgeleitet werden, ausgedrückt in sin ( π/4+m) und sin (-f/4+m). Der Grund ist folgender:

Der Eingang zu jeder der Schaltungen L 1 und L 2 ist gegeben durch den Ausdruck [sin ( b+m) + cos (β-m)]/2.

Dieser wird zum Zeitpunkt π/4 in der Schaltung L 1 geschaltet, und der Ausgang wird damit [sin ( π/4+m) + cos (π/4)]/2.

Die Schaltung L 2 wird zum Zeitpunkt 7 π/4 geschaltet, wodurch folgender Ausgang entsteht

[sin (7π/4+m) + cos (7π/4-m)]/2.

Diese beiden Größen werden subtrahiert, und da sin (7f/4+m) gleich ist dem Wert -sin (π/4+m) und cos (7π/4-m) gleich ist dem Wert cos (π/4-m), kann der Ausdruck der Subtrahierschaltung ST 5 dargestellt werden als sin ( π/4+m).

In gleicher Weise kann gezeigt werden, daß die Schaltungen L 3 und L 4 zu den Zeiten 5 π/4 und 3π/4 entsprechend geschaltet werden, wobei dann der Ausgang der Subtrahierschaltung ST 6 gegeben ist durch den Ausdruck sin (- π/4+m).

Die Subtrahierschaltung ST 7 subtrahiert die beiden Ausgänge der Subtrahierschaltungen ST 5 und ST 6, wodurch ein Ausgang entsteht, der gegeben ist durch folgende Gleichung sin ( π/4+m) - sin (-π/4+m).

In derselben Weise addiert das Addiergerät AD 5 die beiden Ausgänge der Subtrahierschaltungen ST 5 und ST 6, wobei ein Ausgang entsteht, der durch folgende Gleichung gegeben ist sin ( π/4+m) + sin (-π/4+m).

Diese beiden Ausgänge werden durch die Dividierschaltung DV 6 dividiert, wodurch ein Ausgang entsteht, der tan m, wie oben abgeleitet, darstellt, nämlich

Dies ist der Wert von tan m, der an die Schaltung von Fig. 4 gelegt wird.

Der endgültige Ausgang des Kodierers, der eine Kombination des absoluten und des Inkrement-Kodierers ist, benutzt den Ausgang des absoluten Kodierers zur Bestimmung der bestimmten Sinuswelle, zu der der inkrementelle Teil des Kodierers verschoben worden ist. Mit einem Linienmuster, das 512 Sinuswellen rund um eine 360°-Scheibe gibt und mit einem 9-Bit-Ausgang vom absoluten Kodierer ist damit jede Sinuswelle eindeutig identifiziert. Die restlichen 10 Bits der Ausgänge geben den Winkel innerhalb dieser einen Periode der Sinuswelle an, womit ein Ausgang sehr hoher Auslösung erzielt wird.

Die erforderlichen Berechnungen und Korrekturen können auch durch eine andere Logikanordnung als derjenigen nach den Fig. 4, 5 und 6 durchgeführt werden. Ferner kann Fig. 7 als Basis für ein Programm benutzt werden, wenn ein Mikroprozessor zur Durchführung der erforderlichen Operationen verwendet wird.

Wie oben erwähnt, kann der Positions-Kodierer ein Inkrement-Kodierer sein. Die rotierende Ausbildungsform dieses Kodierers umfaßt Skalen und Index-Gitter, von denen jedes ein Muster aus radialen Linien trägt, ähnlich demjenigen, die in der beschriebenen Ausführungsform benutzt werden. Es ist zweckmäßig, ein einzelnes Paar von Gittern zu verwenden, um das Muster für den Inkrement-Kodierer und die beiden periodischen Wellenformen der Erfindung zu liefern. Dies führt zu einer sehr einfachen Form des Kodierers. Die erforderliche Schaltung für den Kodierer ist bekannt, und sie kann so sein, wie in Fig. 8 dargestellt.

Die Schaltung nach Fig. 8 verwendet als Eingänge die Ausgänge der Verstärker SA und CA in Fig. 4, d. h. die verstärkten Ausgänge von den photoempfindlichen Geräten SD und CD. Diese beiden Signale laufen durch Komperaturen CP 1 und CP 2. Der Ausgang des Komparators CP 2 ist an ein Inverter-Tor IG 1 geschaltet, und er gibt ferner das niedrigstwertige Bit seines Ausganges an das Tor G 4 von Fig. 5. Der Ausgang des Tores IG 1 ist an den Eingang eines zweiten Inverter-Tores IG 2 gelegt. Der Ausgang des Inverter-Tores IG 1 ist ferner an einen Eingang eines UND-Tores AG 1 gelegt, während der Ausgang des Tores IG 2 an einen Eingang eines zweiten UND-Tores AG 2 gelegt ist. Der andere Eingang jedes UND-Tores ist mit dem Ausgang des Komparators CP 1 verbunden. Es ist ein reversibler Zähler CTR vorgesehen, dessen aufwärtszählender Eingang mit dem Ausgang des Tores AG 1 und dessen abwärtszählender Eingang mit dem Ausgang des Tores AG 2 verbunden ist. Der Ausgang des Zählers ist der parallele Mehrfach-Bit-Ausgang, der in Fig. 5 gezeigt ist und an das Addiergerät AD 3 gelegt ist. Im Betrieb sind die Ausgänge der beiden Komparatoren Rechteck-Wellenformen, die um 90° außer Phase sind. Infolge der beiden UND-Tore AG 1 und AG 2 werden Eingänge an den Zähler CTR nur gelegt, wenn der Sinuswellen- Eingang zum Komparator CP 1 positiv ist. Die Übergänge der Rechteck- Wellenformen vom Komparator CP 2 und ob sie positiv-gehend oder negativ-gehend sind, hängen von der Richtung der Relativbewegung der Skala und der Index-Gitter ab. Damit hängt auch die Richtung der Zählung des Zählers CTR von der Richtung der Relativbewegung ab.

Nur ein Übergang wird in jeder Periode der sinusförmigen Wellenformen erfaßt, infolge der Tätigkeit der Komperatoren, und daher ist die vom Zähler gehaltene Zahl die Summe der Aufwärts- oder Abwärts- Impulse, die an den Zähler von irgendeiner Bezugszeit an angelegt werden.

Die gleichen Prinzipien können für einen linearen Positionskodierer benutzt werden. Im allgemeinen ist es nur erforderlich, die Skala und den Index aus einer rotierenden Form in eine lineare Form zu bringen. Beispielsweise können die Spuren des üblichen absoluten Kodierers geradlinig sein, solange sie sich über den vollen Bereich der Bewegung erstrecken. Die Positionen der Ableseköpfe können längs der Bewegungsachse fixiert sein. Das Linienmuster, von dem die Sinus- und Cosinus-Wellenformen abgeleitet werden, kann auch längs der geraden Skala ausgebildet werden, und es kann in Verbindung mit einem kurzen geradlinigen Index-Element benutzt werden, das ebenfalls ein Linienmuster trägt.

Im Falle eines üblichen Inkrement-Kodierers ist nur das Linienmuster auf dem Skalenelement erforderlich.

Es wurde unterstellt, daß die tatsächlich erzeugten periodischen Wellenformen sinusförmig sind. In der Praxis ist es häufig schwierig, reine sinusförmige Wellen zu erzeugen, und die Ausgänge neigen dazu, eine dreieckige Form anzunehmen. Dies kann jedoch durch geeignete Formgebung des Index-Musters eher korrigiert werden, als durch komplexe elektronische Mittel. Methoden zur Durchführung solcher Korrekturen sind jedoch bekannt.

Claims

1. Positions-Meßvorrichtung zum Messen der Position eines Gegenstandes relativ zu einer Bezugsposition, mit einem Positions-Kodierer zur Lieferung einer ersten Positions-Information, die der momentanen Position des Gegenstands relativ zu der Bezugsposition entspricht, einem Skalenelement und einem Indexelement, die relativ zueinander beweglich sind und von denen jedes eine Mehrzahl von digital kodierten Spuren trägt, ferner mit einer ersten Schaltung (SAD, CAD), die auf die Kodierung der Spuren anspricht und zwei periodische sinusförmige Wellenformen abgibt, die um 90° phasenverschoben zueinander sind, wobei die periodischen Wellenformen eine Wellenlänge haben, die gleich einer kleinen, inkrementellen Winkelverschiebung des Skalenelementes relativ zu dem Indexelement ist, und welche mit Verstärkungs- und Gleichspannungsversetzungsfehlern behaftet sind, welche durch elektrische und optische Änderungen verursacht werden, welche die erste Schaltung beeinflussen, und welche mit Phasenverschiebungsfehlern behaftet sind, die durch eine Fehlausrichtung der Spuren bezüglich der Bewegungsachse der relativ zueinander beweglichen Elemente verursacht werden, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (LP 1-PL 4), welche auf die Amplituden der periodischen Wellenformen an vorbestimmten Stellen der jeweiligen Periode derselben anspricht, eine zweite Einrichtung (SA 1, SS 1, CA 1, CS 1), welche auf die Amplituden anspricht, um die periodischen Wellenformen für die Gleichspannungsversetzungsfehler zu korrigieren, eine vierte Einrichtung (L 1-L 4, AD 4, AD 5, ST 4-ST 7, DV 6) zum Abtasten und Verknüpfen der korrigierten Wellenformen an vorbestimmten Stellen in der jeweiligen Periode derselben, um ein den Phasenverschiebungsfehler wiedergegebenes Signal bereitzustellen, eine fünfte Einrichtung (SM 1, SS 3, CM 1, CS 3) zum Verknüpfen des Phasenverschiebungsfehlersignals mit den korrigierten Wellenformen zur Bereitstellung von fehlerfreien, periodischen Wellenformen, eine dritte Dekodiereinrichtung mit einer Einrichtung (DV 3) zum Dividieren einer fehlerfreien, periodischen Wellenform durch die andere periodische Wellenform, um ein die relative Position des Indexelementes und des Skalenelementes innerhalb der kleinen inkrementellen Verschiebung wiedergebendes Positionssignal bereitzustellen und eine Speichereinrichtung (ROM) zum Speichern der Werte der Relativposition für alle Werte des Positionssignals zur Bildung einer weiteren Positionsinformation, und eine Ausgabeeinrichtung zum Verknüpfen der ersten Positionsinformation mit der weiteren Positionsinformation.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positions-Kodierer einen Inkrement-Kodierer aufweist, mit einem weiteren Skalenelement und einem weiteren Indexelement, die zusammen eine periodische Wellenform erzeugen, daß ferner Schalteinrichtungen vorgesehen sind, um die Anzahl der Perioden der Wellenform von einer Bezugsposition aus zu zählen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positions-Kodierer einen absoluten Kodierer aufweist, mit einem weiteren Skalenelement, das eine Vielzahl von digital kodierten Spuren trägt, ferner einer Anzahl von Leseköpfen, die jeder Spur zugeordnet sind, sowie Schalteinrichtungen, die auf die Ausgänge der Leseköpfe ansprechen, um das Vorhandensein von Übergängen in den digital kodierten Spuren festzustellen und die Position des Skalenelementes relativ zu einer Bezugsposition zu bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Skalenelement und das weitere Skalenelement zusammengefaßt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung von zwei periodischen Wellenformen eine weitere Spur auf dem Skalenelement und eine hiermit zusammenwirkende Spur auf einem Indexelement umfaßt, das relativ zum Skalenelement beweglich ist, und daß die weitere Spur und die hiermit zusammenwirkende Spur jeweils ein Linienmuster aufweisen, und daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die auf die Linienmuster ansprechen, um die periodischen Wellenformen zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Spur auf dem Skalenelement eine Lichtquelle und ein photoempfindliches Gerät vorgesehen sind, die zusammenwirken, um Änderungen des Lichtes, das durch die Spur hindurchgeht, festzustellen.

7. Positions-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der positiven und negativen Spitzenamplituden der beiden periodischen Wellenformen in jeder Periode aufweist.

8. Positions-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Positionsinformation und die weitere Positionsinformation jeweils in Form von digitalen Signalen vorliegen, und daß die Ausgabeeinrichtung derart ausgelegt ist, daß die ersten und zweiten digitalen Signale zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals verknüpft werden, das eine Bitzahl hat, die gleich der Gesamtbitzahl in den ersten und zweiten digitalen Signalen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, wobei eine Winkelverschiebung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Skalenelement eine Scheibe aufweist, die eine Vielzahl von konzentrischen Spuren trägt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, wobei eine lineare Verschiebung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Skalenelement einen Streifen aufweist, der eine Vielzahl von linearen Spuren trägt.