DE3409891C2

DE3409891C2 - Verfahren zum Interpolieren von ortsperiodischen elektrischen Signalen

Info

Publication number: DE3409891C2
Application number: DE19843409891
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 3301 Lehre Kahl
Original assignee: Individual
Current assignee: KUHNKE, FALKO, DR., 3300 BRAUNSCHWEIG, DE
Priority date: 1984-03-17
Filing date: 1984-03-17
Publication date: 1986-04-17
Also published as: DE3409891A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Interpolieren von ortsperiodischen elektrischen Signalen, die wegabhängig während einer translatorischen oder Winkelbewegung eines Gegenstands auf einer endlichen Wegstrecke erzeugt werden, bei dem inkrementale Signalwerte digitalisiert und abgespeichert und die Werte für zwischen den gemessenen Signalwerten liegende Inkremente durch Interpolation ermittelt und ebenfalls abgespeichert werden und bei dem während des Meßvorgangs durch Vergleich der gemessenen Signalwerte mit den abgespeicherten Tabellenwerten eine Zuordnung zur realen Position des Gegenstands vorgenommen wird, wobei wenigstens zwei gegeneinander phasenverschobene Aufnahmesysteme verwendet werden, deren Signalwerte jeweils in der Umgebung ihres Nulldurchgangs zwischen den Extremwerten benutzt werden, läßt sich in einfacher Weise eine Korrektur von durch die Aufnehmersysteme verursachten Fehlern erreichen, wenn in einem Lernschritt durch die das periodische Signal erzeugende Aufnehmeranordnung verursachte Abweichungen der Nulldurchgänge von den theoretischen Nulldurchgängen ermittelt und als Korrekturwert abgespeichert werden.

Description

— daß jeweils nur ein Signa! der zueinander phasenverschobenen Aufnahmesysteme zur Interpolation benutzt wird,

— daß die Signale der gegeneinander verschobenen Aufnahmesysteme jeweils in der Umgebung ihres Nulldurchgangs zwischen den Extremwerten, in dem sie einen quasilinearen Verlauf haben, benutzt werden

— und daß mit den abgespeicherten Korrekturwerten die vollständige Korrektur der durch die Aufnehmera'-Ordnung verursachten Fehler des betreffenden Signalwerts vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Meßvorgä.ngs durch Vergleich der gemessenen Signalwerte mit abgespeicherten Tabellenwerten eine Zuordnung zur realen Position des Gegenstandes vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung der Tabellenwerte in einem Lernschritt inkrementale Signale mit einer ausgewählten Dichte über die endliche Wegstrecke digitalisiert und als Wertetabelle abgespeichert werden und die Werte für dazwischen liegende Inkremente durch ein nur auf die gemessenen Signalwerte bezogenes Interpolationsverfahren ermittelt und abgespeichert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert als Anzahl der Inkremente, um die der tatsächliche Wert vom Sollwert verschoben ist, abgespeichert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Sollwertes eine beliebige Ortsperiode als Referenzperiode ausgewählt und die Differenz der Länge der übrigen Ortsperioden zu dieser Referenzperiode abgespeichert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der einzelnen Kor-.rekiurwerte wenigstens ein Vergleichspegel gewählt .und bei Koinzidenz mit dem Signal eine Torzeit definiert wird, die bei bekannter mechanischer Referenzbewegung die Abweichungen aus einer Zeitmessung bestimmt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Interpolieren von ortsperiodischen elektrischen Signalen, die wegabhängig während einer translatorischen oder Winkelbewegung eines Gegenstandes auf einer endlichen Wegstrecke erzeugt werden, bei dem inkrementale Signalwerte digitalisiert und abgespeichert und die Werte für zwischen den gemessenen Signalwerten liegende Inkremente durch Interpolation ermittelt und ebenfalls abgespeichert werden, wobei wenigstens zwei gegc.neinander phasenverschobene Aufnahmesysteme verwendet werden und in einem Lernschritt durch die das periodische Signal erzeugende Aufnehmeranordnung verursachte Abweichungen der Nulldurchgänge von den theoretischen Nulldurchgängen ermittelt und als Korr^kturwert abgespeichert werden.

Ein derartiges Verfahren wird für die Messung und Regelung von Positionen, Weg- oder Winkelgeschwindigkeiten und Weg- oder Winkelbeschleunigungen, z- B. bei Industrierobotern und Werkzeugmaschinen, verwendet Bei dem aus der DE-OS 27 29 697 bekannten Verfahren wird vorausgesetzt, daß durch feinwerktechnisch aufwendige Lösungen Signale mit einer Sinusform

realisiert werden können. Durch um γ verschobene Aufnehmer wird eine Sinus- und eine Kosinusfunktion gemessen. Die beiden Meßwerte werden durcheinander dividiert und der Quotient mit der Arkus-Tangens-Funktion als Umkehrfunktion zur Interpolation ausgewertet (»Drehfeld-Verfahren«).

Es zeigt sich, daß eine brauchbare Interpolation bei diesem Verfahren nur bei Verwendung von hochauflösenden Beugungsgittern und aufwendigen Prismenoptiken möglich ist, wenn darüber hinaus eine Fehlerkorrektur vorgenommen wird. Die Fehlerkorrektur erfordert gemäß der DE-OS 30 24 716 eine Optimierung hinsichtlich der Parametersymmetne, Amplitudengleichheit und geforderter Phasendifferenz zwischen den Analogsignalen. Vor der Quotientenbildung werden daher die gemessenen Signalwerte korrigiert. Die Korrekturwerte werden bei einem Durchlauf über die gesamte Meßlänge automatisch ermittelt und in Form einer Korrekturtabelle im Rechner gespeichert, so daß die Korrektur vor Anwendung des Interpolationsalgorithmus vorgenommen wird.

In der Praxis zeigt es sich, daß die so durchgeführte Korrektur sehr aufwendig ist und erhebliche Rechnerzeit in Anspruch nimmt, so daß die Meßeinrichtung nur eine begrenzte Dynamik aufweist. Ferner hat es sich gezeigt, daß die Korrektur wesentlicher Fehler auf diese Weise nicht vorgenommen werden kann, nämlich solcher Fehler, die sich aus der Verzerrung der Sinusfunktionen durch unvermeidbare Harmonische ergeben.

Zur Durchführung einer völlig anderen Interpolationsmethode ist vorgeschlagen worden, die von den phasenverschobenen Aufnehmern erzeugten Signalwerte digitalisiert abzuspeichern, wobei von den beiden Signaion jeweils nur die im wesentlichen linearen Teile in der Umgebung

(etwa±f)

des Nulldurchganges verwendet werden. Die beiden Aufnehmer werden daher im -^pTakt wirksam geschaltet. Die so ermittelten Werte werden in einem Lernschritt, bei dem beispielsweise ein Umlauf mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit durchgeführt wird, in ei-

ner Wertetabelle abgespeichert Als Aufnehmer können die gleichen optischen Systeme Verwendung finden wie bei dem oben genannten Verfahren, also beispielsweise opto-elektrische Aufnehmer, die hinter einem ortsfesten Referenzgitter angeordnet sind, wobei zwischen beiden ein mit der Bewegung gekoppeltes Strichraster bewegbar ist. Bei diesem Verfahren wird jeweils nur ein Signal der beiden Aufnehmer zur Messung benutzt, und zwar jeweils nur in der Umgebung des Nulldurchganges des Signals, in der das Signal einen quasilinearen Verlauf hat. Die Interpolation erfolgt somit für praktisch lineare Kurvenjnücke und ist daher sehr einfach möglich. Zur Berücksichtigung von geringen existierenden Krümmungen können die Intet polationswerte durch einen Rechner ermittelt und in einer Wertetabelle für gleich beabstandete Inkremente abgespeichert werden. Für jedes Inkrement, dessen Abstand zum nächsten Inkrement durch eine gewünschte Auflösung und den vertretbaren apparativen Aufwand bestimmt ist, liegt somit ein zugehöriger Signalwert in der Tabelle vor. Im späteren Meßverfahren wird der Sägnahvert dem entsprechenden Inkrement zugeordnet, so daß eine Positionsbestimmung mit der Genauigkeit ± 1 Inkrement und besser möglich ist.

Dieses Verfahren läßt sich mit den auf dem Markt befindlichen elektronischen Bausteinen und Mikroprozessoren leicht durchführen. Die verwendete Interpolationsmethode beeinträchtigt die Meßgenauigkeit im Gegensatz zu dem »Drehfeld-Verfahren« nicht mehr. Eine Fehlerquelle besteht aber in den Aufnehmerteilen, die für die Erzeugung des periodischen Signals verantwortlich sind. Bei der Verwendung von Strichgittern in einem opto-elektrischen Aufnehmersystem lassen sich Abweichungen bei der Erstellung des Strichgitters und Toleranzen der Justage (z. B. Exzentrizität) nicht vermeiden. So kann es zu Phasenverschiebungen zwischen den beiden Signalspuren der beiden Aufnehmer, zu Amplitudenfehlern und zu Schwankungen der Periodenlängen kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem die auftretenden Fehler in einfacher Weise kompensiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils nur ein Signal der zueinander phasenverschobenen Äufnahmesysteme zur Interpolation benutzt wird, daß die Signale der gegeneinander verschobenen Aufnahmesysteme jeweils in der Umgebung ihres Nulldurchgangs zwischen den Extremwerten, in dem sie einen quasilinearen Verlaut haben, benutzt werden, und daß mit den abgespeicherten Korrekturwerten die vollständige KorTektur der von durch die Aufnehmeranordnung verursachten Fehler des betreffenden Signalwerts vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in dem Verfahren, bei dem nur die quasilinearen Kurvenstücke des Signalverlaufs der Aufnahmesysteme verwendet werden, nahzu alle durch das Aufnehmersystem verursachten Fehler lediglich zu einer Parallelverschiebung der periodischen Signale im Bereich der NuIlclurchgänge führen, wo diese linear oder quasilinear sind. Zwar treten ScheiteJwertschwankungen der verschiedenen Ortsperioden auf, diese werden aber in dem quasilinearen Bereich nur als Parallelverschiebungen wirksam. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, die auftretenden Fehler durch nur einen Korrekturwert für jeden Nulldurchgang zu lAjimpensieren. Dieser Korreklurwert wird vorzugsweise als Anzahl der Inkremente, um die der tatsächliche Wert vom Sollwert verschoben ist, abgespeichert. Diese Korrektur ist besonders zweckmäßig, wenn die Interpolation mit Hilfe einer abgespeicherten Wertetabelle erfolgt. Von dieser Wertetabelle kann somit ohne weiteres Gebrauch gemacht werden, v/enn lediglich die Korrekturinkremente anschließend berücksichtigt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht mehr erforderlich, auf eine besonders gute Qualität der

ίο Aufnehmersysteme zu achten, weil alle durch das Aufnehmersystem verursachten Fehler individuell ermittelt und korrigiert werden können. Bei einem Winkeigeber können die Fehler durch die mechanischen Grenzen für die Strichteilung, eine exzentrische Anordnung der rotierenden Strichscheibe usw. verursacht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, derartige Fehler begrenzt in Kauf zu nehmen, so daß relativ preiswerte Aufnehmersysteme verwendet v/erden können.

Zur Ermittlung des Sollwerts der Nulldurchgänge kann in einfacher Weise eine beliebigt Ortsperiode als Referenzperiode gewählt und können ahe Korrekturwerte relativ zu dieser Referenzperiode bestimmt und abgespeichert werden. Hierzu wird vorzugsweise eine Zeitmessung durchgeführt, die bei einer definierten Geschwindigkeit, vorzugsweise bei einer konstanten Geschwindigkeit, durchgeführt wird.

In einem bevorzugten Verfahren wird für die Ermittlung der individuellen Periodenabweichungen von der jeweiligen Sollage wenigstens ein Vergleichspegel gewählt und bei Koinzidenz mit dem Signal eine Torzeit definiert, die bei einer bekannten mechanischen Referenzbewegung, vorzugsweise mit einer konstanten Bahngeschwindigkeit, die Abweichungen aus der Zeitmessung bestimmt.

Dabei werden durch einen Durchlauf mit konstanter Bahngeschwindigkeit die Sollwerte entsprechend der Gitterteilung ermittelt und die gemessenen Werte hiermit verglichen.

Im Sinne der vorstehenden Ausführungen ist der Null'.urchgang durch den gemittelten Mittenwert zwischen den Extrema des periodischen Signals definiert. In seiner Umgebung sind sinusförmige Signale quasi linear. Die so gewählte Nullinie muß nicht mit einer gemessenen Nullspannung zusammenfallen.

Die Zeichnung verdeutlicht den Einfluß von Fehlern der Aufnehmersysteme, die zu einer starken Abweichung der Scheitelwerte der realen Meßkurve von der idealen Meßkurve führen. Die ideale Meßkurve für zwei

um -γ· verschobene A ufnehmersysteme ist in der Zeichnung gestrichelt und ein Beispiel für eine reale Kurve in einer durchgezogenen Linie dargestellt.

Kür die ideale Kurve ergeben sich Nulldurchgänge, der Abstände äquidivant sein können und für eine vulle Periode a 1, b 1, c 1, d 1 usw. bezeichnet s^;nd. Die ideale Meßkurve ergibt sich für Aufnehmersysteme ohne mechanische Justierfehler usw. In der Zeichnung ist in der oberen Meßkurve Les einen Aufnehmers eine Scheitelwertüberhöhung zu erkennen, die jedoch in dem quasi linearen Bereich um den Nullpunkt herum lediglich zu einer Parallelve'rschiebung gegenüber 4errid.eajen Kurve führt. Der nachfolgende geringere Scheitelwert der negativen Kurvenhälfte führt zu einer praktischen Dekkung der quasi linearen Teile um den Nullpunkt am Ende der ersten vollen Periode.

Da zur Ortsbestimmung erfindungsgemäß nur die Abschnitte im Bereich der Nulldurchgänge, also die Ii-

nearen bzw. quasi linearen Abschnitte verwendet werden, ergeben die aufgrund der mechanischen Ausrichtung und Anordnung der Aufnehmersysteme entstehenden Fehler lediglich eine Parallelverschiebung der Kurve im Bereich des Nulldurchgangs, die erfindungsgemäß durch Erkennung und Abspeicherung des Korrekturwertes für den Nulldurchgang kompensierbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

ίο

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Sf-

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Interpolieren von ortsperiodischen elektrischen Signalen, die wegabhängig während einer translatorischen oder Winkelbewegung eines Gegenstandes auf einer endlosen Wegstrecke erzeugt werden, bei dem inkrementale Signalwerte digitalisiert und abgespeichert und die Werte für zwischen den gemessenen Signalwerten liegende Inkremente durch Interpolation ermittelt und ebenfalls abgespeichert werden, wobei wenigstens zwei gegeneinander phasenverschobene Aufnahmesysteme verwendet werden und in einem Lernschritt durch die das periodische Signal erzeugende Aufnehmeranordnung verursachte Abweichungen der Nulldurchgänge von den theoretischen Nulldurchgängen ermittelt und als Korrekturwert abgespeichert werden, dadurch gekennzeichnet,