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Verfahren für eine drehzahl- und drehrichtungs-
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abhangige Auswerteschaltung eines inkrementalen Drehrichtungsimpulsgebers
Die Erfindung geht von einem Verfahren für eine drehzahl- und drehrichtungsabhangige
Auswerteschaltung eines inkrementalen Drehrichtungsimpulsgebers nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 aus.
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Inkrementale Drehrichtungsimpulsgeber werden in den verschiedensten
Bereichen der Technik9 so z.B. auch in der Prüf- und Meßtechnik, eingesetzt. Es
werden hierbei Impulse erzeugte deren Anzahl ein Maß für den Drehwinkel darstellt.
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Wo immer Drehbewegungen auftreten oder wo Wege oder Kräfte sich in
analoge Drehbewegungen umsetzen lassen, kann ein Winkelcodierer oder ein inkrementaler
Drehrichtungsimpulsgeber die Schrittanzahl in digitaler Form ausgeben, womit eine
praktisch beliebig genaue Zählung, Messung, Winkelübertragung oder Positionierung
ohne die Verwendung weiterer Analog-Digital-Umsetzer erfolgen kann. Neben der Drehzahl
ist aber auch die Drehrichtung oftmals von Bedeutung. Dies gilt außer in der Prüf-
und Meßtechnik insbesondere auch dann, wenn z.B. Uhren eingestellt werden sollen.
Bei den herkömmlichen bekannten Gebern erfolgt die Signal umwandlung durch einen
bistabilen Multivibrator (Schmitt-Trigger) mit einem nachgeschalteten Differenzierglied
(DE-Zeitschrift Elektronik 1969 Heft 6 Seite 171 bis 174). Die Signale bestehen
dabei üblicherweise aus zwei Impulsfolgen, die um 900 phasenverschoben sind.
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Aus der DE-Zeitschrift Internationale Elektronische Rundschau 1965
Heft 7 Seite 381 bis 389 ist bereits ein photoelektrischer Inkrementalgeber bekannt,
der eine Strichscheibe besitzt, die am Rand gleich breite lichtdurchlässige und
lichtundurchlässige Sektoren hat. Zur Abtastung dieser Sektoren dient ein Abtastring.
Die Strichscheibe wird von einer Speziallampe beleuchtet. Die Abtastung erfolgt
über Photodioden, die annähernd sinusförmige Ausgangssignale mit einer Phasenverschiebung
von 90" liefern.
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In einer Impulsformerstufe werden diese in rechteckförmige Spannungen
umgeformt. Die Phasenlage der beiden Signale zueinander ist ein k,ennzelcnen
tur
oie urenrcntung aer bcnelue. ule Impulse aus der Impulsformerstufe werden zu einem
bidirektionalen Zähler geführt, wobei der Zählerstand auf einem Sichtgerät angezeigt
wird.
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Aus der DE-PS 26 56 982 ist ein Inkrementalgeber bekannt, der zwei
phasenverschobene Impulsfolgen erzeugt. Diese Impulsfolgen sind zum einen direkt
und zum anderen über je eine Verzögerungsstufe an die Eingänge eines Codewandlers
geführt. Vier Ausgänge des Codewandlers sind zusammengeschaltet, wobei an ihnen
zählungsrichtungsabhängige Impulse erscheinen. Diese Impulse sind zu einem Vorwärts/Rückwärts-Zähler
geführt, dessen Zählerstand ein Maß für die Verschiebung ist.
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Ein weiterer Inkrementalgeber ist in der DE-AS 26 58 105 beschrieben.
Es handelt sich hier um einen elektromechanischen Impulsgeber, dessen beide phasenverschobene
Impulszüge in einer Steuerlogik miteinander verknüpft werden. Der Steuerlogik nachgeschaltet
ist ein Vorwärts-Rückwärtszähler.
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Als Impulsgeber ist ein Nockenschalter mit einer Rasteinrichtung vorgesehen,
wobei von Bedeutung ist, daß die Kontaktstrecken zur Impulserzeugung bei nicht betätigtem
Impulsgenerator in offener Lage sind. Die Steuerlogik besteht im einfachsten Fall
aus zwei Flip-Flops, die logisch miteinander verknüpft sind.
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Aus der DE-PS 28 43 353 ist eine andere Schaltung zur Auswertung der
von einem Inkrementalgeber abgegebenen Impulszüge bekannt. In einer Auswertelogik
wird die Drehrichtung erkannt, womit ein erster Vorwärts-Rückwärts-Zähler aktiviert
wird. Mit einem gleichzeitig betätigten ersten Taster wird durch die Impulszüge
ein zweiter Vorwärts-Rückwärts-Zähler eingestellt. Durch die Betätigung eines zweiten
Tasters und des Inkrementalgebers kann der Zählerstand des ersten Zählers verändert
werden. Dem 1. Zähler werden so lange Impulse zugeführt, bis ein Vergleicher die
Gleichheit der beiden Zähler feststellt. Eine Steuerschaltung unterbricht dann den
Impulsfluß zum 1. Zähler. Durch Loslassen des zweiten Tasters wird der 1. Zähler
wieder entriegelt.
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Eine andere Auswerteschaltung eines Inkrementalgebers ist in der.DE-PS
31 14 221 beschrieben. Die beiden phasenverschobene, drehzahl proportionale Impulszüge
werden in einem Signal speicher gespeichert, wobei jeder Signalkombination der Ausgangssignale
der Signal speicher in der Reihenfolge ihres Auftretens eine Nummer zugeordnet ist.
Entsprechend dieser Nummer
wird der Zählerstand eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers
verstellt, der die Impulse eines Taktgebers so lange zählt, bis sein Zählerstand
mit der Nummer übereinstimmt.
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Ein mit einem Mikroprozessor arbeitender Inkrementalgeber ist in der
DE-PS 28 28 285 beschrieben. Der Inkrementalgeber liefert ebenfalls zwei phasenverschobene
Impulszüge, deren Frequenz der Drehgeschwindigkeit und deren gegenseitige Phasenlage
von der Drehrichtung abhängt. Diese Impulszüge werden in einen Mikroprozessor eingespeist.
Zunächst werden die Impulse in einem ersten Speicher gespeichert. In einem zweiten
Speicher sind die Impulse abgelegt, die vor dem Impulswechsel am Geberausgang vorhanden
waren. Beide Impulsinformationen werden sodann zu einem Vier-Bitort zusammengesetzt.
In einem Festwertspeicher sind die Bitwörter abgespeichert, die eindeutig einer
bestimmten Drehrichtung zugeordnet sind.
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Ein Vergleicher vergleicht nun diese fest eingespeicherten Bitwörter
mit dem Vier-Bit-Wort. Aus dem Vergleich ergibt sich ein Impuls entweder für das
Rechtsdrehen oder für das Linksdrehen. Dieser Impuls bewirkt eine Subtraktion oder
Addition in einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, dessen Zählerstand in einer elektronischen
Digitalanzeige decodiert angezeigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für eine
drehzahl- und drehrichtungsabhängige Auswerteschaltung eines inkrementalen Drehrichtungsimpulsgebers
nach der eingangs genannten Art zu finden, das es gestattet, trotz Kontaktprellungen
des Gebers eine sichere und in Abhangigkeit der Drehgeschwindigkeit des Gebers im
Hinblick auf die Zeitraffung progressive Vorwärts- bzw. Rückwärtserkennung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil
des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.
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Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, auch unsaubere
Impulszüge des Drehrichtungsimpulsgebers zu verwenden. In der Praxis entstehen diese
unsauberen Impulszüge durch Anschwing- und Abschwingimpulse, die durch das unvermeidliche
Kontaktprellen der elektromechanischen Geber verursacht werden. Die Anzahl der Verstellschritte
ist bei langsamer Drehge-
schwindigkeit des Drehrichtungsimpulsgebers
proportional zur Anzahl der Zustandswechsel der beiden Impulszüge. Bei hoher Drehgeschwindigkeit
und damit schnellem Zustandswechsel der beiden Impulszüge werden die Verstellschritte
progressiv erhöht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Von den Figuren zeigt Figur 1 ein Impulsdiagramm zweier Impulszüge
am Ausgang des Drehrichtungsimpulsgebers, Figur 2 ein schematisiertes Blockschaltbild
der Auswerteschaltung, Figur 3 die Auswerteschaltung mit dem Einzelheiten aufzeigenden
Blockschaltbild.
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In Figur 1 ist der zeitliche Verlauf der beiden Impulszüge Jo und
J1 dargestellt, die von einem Drehrichtungsimpulsgeber 1 abgegeben werden. Wie aus
der Figur 1 ersichtlich, sind die beiden Impulszüge zueinander etwa um 90d phasenverschoben.
Die Phasenverschiebung sollte generell zwischen 0 und 180 Grad betragen. Wie nahe
der Phasenverschiebungswinkel den Grenzwerten sein darf, hängt von der Geschwindigkeit
der Impulszüge und von der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Auswerteschaltung ab.
Mit tl bis t4 sind vier Abschnitte auf der Zeitachse gekennzeichnet. Zum Zeitpunkt
tl sendet der Geber das Bitmuster 11, zum Zeitpunkt t2 10 usw. Dies gilt für eine
bestimmte Drehrichtung, z.B. für die Rechtsdrehung des Gebers. Wird der Geber jedoch
gegenläufig z.B. links herum gedreht, so erscheint am Ausgang des Gebers zunächst
das Bitmuster 11, zum nächsten Zeitpunkt dann das Bitmuster 01 usw. Aus der Reihenfolge
der Bitmuster kann auf die Drehrichtung Rückschluß gezogen werden.
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Als Drehrichtungsimpulsgeber 1 kann ein beliebiger, handelsüblicher
Geber verwendet werden, der über zwei Ausgänge verfügt, an denen er zwei gegeneinander
phasenverschobene Impulszüge JO und J1 liefert. Ein derartiger Geber könnte z.B.
ein nockengesteuerter Schalter sein.
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Das z.B. zu einem Zeitpunkt tl vom Geber 1 gelieferte Bitmuster wird
in einem Referenzspeicher 2 gespeichert. Dieser Referenzspeicher besteht aus
zwei
Flip-Flops. An derem Ausgang steht das Referenzwort, wobei das rechts außen stehende
Bit mit 2Ref und das links daneben stehende Bit mit 21ef bezeichnet wird. Zu den
verschiedenen Zeitpunkten t1 bis t4 sieht das Referenz wort somit folgendermaßen
aus:
| Zeitpunkt t1 t1 t2 t3 t4 |
| Referenzwort 1 1 1 1 0 0 0 0 O 1 |
| 2Ref |
| 1 2Ref Ref 2Ref 2Ref 2Ref 2Ref 2Ref |
Mit 3 ist in den Figuren ein Vergleichsbitmustergenerator bezeichnet, an dessen
Eingängen das Referenzwort mit dem Bitmuster 2R1ef 2Ref anliegt. Aus dem Referenzwort
bildet der Vergleichsbitmustergenerator je ein Einzel bit für je ein Vergleichsbitwort.
Das eine Einzel bit gehört zu dem Vergleichsbitwort für das Rechtsdrehen und das
andere Bit zu dem Vergleichsbitwort für das Linksdrehen. Die Verarbeitung des Referenzwortes
im Vergleichsbitmustergenerator erfolgt derart, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt
das eine Einzel bit das nächst erwartete Bit für das Rechtsdrehen und das andere
Einzel bit das nächst erwartete Bit für das Linksdrehen darstellt.
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Anhand der nachfolgenden Tabelle soll dies näher erläutert werden:
| Zeitpunkt tl t2 t3 t4 |
| Referenz- 1 1 1 CO O0 1 |
| wort |
| 21 20 21 20 21 20 21 20 |
| Re Re Re Re Re Re Re Re |
| Einzelbit O 0 1 0 1O 1 0 1 |
| Vergleichs 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 |
| bi 1 0 twort |
| links rechts links rechts links rechts links rechts |
| 211 201 21r 20 211 201 21 20 211201 21 20r 211 201 21r 20r |
Aus den zwei Bits des Referenzwortes bildet der Vergleichsbitmustergenerator die
beiden Einzel bits, die an verschiedenen Stellen in den Vergleichsbitwörtern stehen
Auf das Referenzwort 11 zum Zeitpunkt tl können nur die Vergleichsbitwörter 01 für
das Linksdrehen oder 10 für das Rechtsdrehen folgen.
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Entsprechendes gilt auch für die anderen Zeitpunkte t2 bis ta. In
einem Rechts-Links-Detektor werden die Vergleichsbitwörter zum nachfolgenden Zeitpunkt
mit
dem aus dem Geber kommenden Informationen verglichen, wobei am Ausgang des Rechts-Links-Detektors
entweder ein Impuls für das Rechtsdrehen oder ein Impuls für das Linksdrehen erscheint.
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Die Vergleichsbitwörter werden im Vergleichsbitmustergenerator nach
folgenden Gesetzmäßigkeiten erzeugt: 2° ~ 21 links ~ Ref 21 = f 1 f Ref - Ref links
R 21 s 2Ref) = 2Ref) 21 - 2° rechts -20rechts = <(2Ref s 2Ref) = 2Ref) Wie aus
Figur 3 zu entnehmen ist, besteht der Vergleichsbitmustergenerator 3 aus einem Antivalenz-Gatter
in Form eines Exclusive-OR-Gatters 14, an dessen Eingängen das Referenzwort anliegt.
Der Ausgang des Gatters 14 ist parallel zu den Eingängen zweier Aquivalenz-Gatter
in Form von Exclusive-NOR-Gatter 15 und 16 geführt. An den anderen Eingängen dieser
Gatter 15 und 16 liegen die Bits des Referenzwortes. Die Ausgänge der beiden Gatter
15 und 16 liefern die beiden Einzel bits für die Vergleichsbitwörter.
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Der Rechts-Links-Detektor 5 besteht aus einem ersten Teil für die
Rechts-Erkennung und einem zweiten Teil für die Links-Erkennung. Beide Teile sind
gleich ausgeführt. Jeder Teil besteht aus zwei Exclusive-NOR-Gatter 17 und 18 bzw.
20 und 21. An den Eingängen liegen entsprechend Figur 3 die Vergleichsbitwörter
und die vom Geber kommenden Impulse. Die Ausgänge der beiden Exclusive-NOR-Gatter
sind zu einem UND-Gatter 19 bzw. 22 geführt, wobei bei Gleichheit ein Impuls für
das Rechtsdrehen bzw. für das Linksdrehen abgegeben wird.
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Mit dem Rechts-Links-Detektor 5 ist ein arithmetisches Rechenwerk
6 verbunden. Ein vom Rechts-Links-Detektor kommender Impuls für das Rechtsdrehen
oder für das Linksdrehen bildet für das arithmetische Rechenwerk 6 das Steuersignal
zum Addieren oder Subtrahieren. Der Additions- bzw. Subtraktions-Rechenwert wird
dem arithmetischen Rechenwerk 6 von einem Abwärtszähler 9 zur Verfügung gestellt.
Der maximale Rechenwert des Abwärtszählers ist in einem Festwertspeicher 13 gespeichert,
der mit dem Abwärtszähler verbunden ist. Nach dem Ende eines Operationsvorganges
wird
dieser maximale Rechenwert durch einen Reset-Impuls dem Abwärtszähler
9 einprogrammiert.
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Der Abwärtszähler 9 wird durch einen freilaufenden Taktgenerator 12
getaktet, dessen Taktfrequenz den menschlichen Reaktionszeiten angepaßt ist.
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Der Ausgang des Taktgenerators 12 ist über ein UND-Glied 25 mit dem
Abwärtszähler 9 verbunden. Durch den Reset-Impuls wird, wie bereits beschrieben,
dem Abwärtszähler 9 der maximale Rechenwert eingegeben. Der Abwärtszähler zählt
nun von diesem maximalen Rechenwert rückwärts bis der niedrigste Rechenwert 1 erreicht
wird. Die Zählfrequenz entspricht hierbei der Taktfrequenz. Wird der niedrigste
Rechenwert 1 erreicht, so erkennt ein am Ausgang des Abwärtszählers 9 angeschlossener
sogenannter ?-Decoder 26 diesen niedrigsten Rechenwert und stoppt über das UND-Glied
25 die Zufuhr der Taktfrequenz an den Abwärtszähler, d.h. der Åbwärtszähler wird
angehalten. Je schneller der Drehrichtungsimpulsgeber 1 gedreht wird, einen umso
höheren Rechenwert erhält man, so daß die Addition bzw. Subtraktion in dem arithmetischen
Rechenwerk 6 mit einer progressiven Frequenz erfolgt.
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Wird der Geber 1 jedoch zu langsam gedreht, so hat der Abwärtszähler
Gelegenheit jeweils auf 1 abzuzählen und daher wird nur ein minimaler Verstellwert
erreicht. Abwärtszähler 9, Taktgenerator 12, UND-Glied 25, Festwertspeicher 13 und
"l"-Decoder 26 bilden somit die Progressionsschaltung.
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Mit dem arithmetischen Rechenwerk 6 ist ein Ergebnisspeicher 7 verbunden,
der mit einem Schreibtakt das neue Verstellergebnis übernimmt. Der Schreibtakt wird
von einer Ablaufsteuerung 10 erzeugt. Diese Ablaufsteuerung 10 besteht aus einem
ODER-Gatter 23, an dessen Eingängen die Impulse für das Rechts- bzw. Linksdrehen
anliegen. Der am Ausgang ces ODER-Gatters 23 erscheinende Schreibtakt dient dazu,
im Referenzspeicher das neue Bitmuster zu übernehmen. Dieser Schreibtakt wird durch
ein Verzögerungsglied 24 verzögert. Der durch ein weiteres Verzögerungsglied 27
verzögerte Schreibtakt bildet gleichzeitig den Reset für den Rechts-Links-Zwischenspeicher
5 und er ist Datenübernahmetakt für den Abwärtszähler 9. Der aktuelle, im Ergebnisspeicher
vorhandene Speicherwert gelangt über einen Decoder 8 mit Anzeigetreiber zu einer
Anzeige 11, durch die der Speicherwert sichtbar angezeigt wird.
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Wenngleich im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auswertung der
vom inkrementalen Drehrichtungsimpulsgeber gelieferten Impulse mit diskreten Bauelementen
beschrieben wurde, so ist daneben vorzugsweise auch eine Auswertung durch einen
Mikrocomputer in der gleichen Art und Weise möglich.
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Bezugszeichen zu 6/83 1 Drehrichtungsimpulsgeber 2 Referenzspeicher
3 Vergleichsbitmustergenerator 4 Rechts-Links-Detektor 5 Rechts-Links-Zwischenspeicher
6 Arithmetisches Rechenwerk 7 Ergebnisspeicher 8 Anzeigetreiber-Decoder 9 Abwärtszähler
10 Ablaufsteuerung 11 Anzeige 12 Taktgenerator 13 Festwertspeicher 14 Exclusives-OR-Gatter
15 Exclusives-NOR-Gatter 16 Exclusives-NOR-Gatter 17 Exclusives-NOR-Gatter 18 Exclusives-NOR-Gatter
19 UND-Gatter 20 Exclusives-NOR-Gatter 21 Exclusives-NOR-Gatter 22 UND-Gatter 23
ODER-Gatter 24 Verzögerungsglied 25 UND-Gatter 26 "l"-Decoder 27 Verzögerungsglied