DE3513343A1

DE3513343A1 - Device for evaluating incremental displacement measuring systems

Info

Publication number: DE3513343A1
Application number: DE19853513343
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Hübler (FH), 7243 Vöhringen
Original assignee: Mauser Werke Oberndorf GmbH
Current assignee: Mauser Werke Oberndorf GmbH
Priority date: 1985-04-13
Filing date: 1985-04-13
Publication date: 1986-10-16
Also published as: DE3513343C2

Abstract

The invention presents a device for high-resolution evaluation of the signals of incremental displacement measuring systems, in which identification of the displacement direction or of the direction of rotation forwards or backwards is provided. The new device (1) is restricted to the need for only two comparators (9, 10) connected to multipliers and summing points (24, 25). Depending on the position of the reading head (19), the comparators (9, 10) have unequal output signals. The control logic system (2) detects the direction in which the reading head (19) is being moved from the comparator (9, 10) which is switched. This device always identifies the position at which the transition between the output signals (0 and 1) in the output signals of the comparators (9, 10) is located. The outlay on components is also not increased beyond the two summing points (24, 25) and the two comparators (9, 10) even given an increased interpolation factor. <IMAGE>

Description

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Weg- und Winkelmeßsystemen, insbesondere von inkrementalen Maßstäben und Drehgebern an Bearbeitungs- und Meßmaschinen, bei der eine Kennung der Drehrichtung bzw. der Wegrichtung nach vorwärts oder nach rückwärts vorgesehen ist. The invention relates to a device for high-resolution evaluation of the signals from incremental position and angle measuring systems, especially from incremental ones Scales and rotary encoders on processing and measuring machines with an identifier the direction of rotation or the direction of travel forwards or backwards is.

Aus der Fachzeitschrift "Elektronik 1/11.01.1985", Seiten 45 bis 50, ist eine Auswerteelektronik für inkrementale Wegmeßsysteme bekannt. Danach werden inkrementale Drehgeber wie auch translatorische Wegmeßsysteme überall dort eingesetzt. wo es auf hohe Genauigkeit ankommt. Die Auswertelogik besteht aus einem Richtungsdiskreminator, welchem die vom Drehgeber gelieferten Zählimpulse zugeführt werden und welcher die Drehrichtung des Drehgebers erfaßt. Die nachfolgende Impulsvervielfacher-Schaltung multipliziert die Anzahl der Zählimpulse je nach der Einstellung der Flankenauswertung mit dem Faktor 1, 2 oder 4. Die so aufbereiteten Zählimpulse gelangen dann entsprechend der Drehrichtung als Vorwärts- oder Rückwärtsimpuise an den Eingang eines Vorwärts-/Rückwärtszählers. From the trade journal "Elektronik 1/11/01/1985", pages 45 to 50, evaluation electronics for incremental measuring systems are known. After that will be Incremental rotary encoders as well as translatory measuring systems are used everywhere. where high accuracy is essential. The evaluation logic consists of a directional discriminator, to which the counting pulses supplied by the encoder are fed and which the Rotation direction of the encoder detected. The following pulse multiplier circuit multiplies the number of counting pulses depending on the setting of the edge evaluation with a factor of 1, 2 or 4. The counting pulses processed in this way are then received accordingly the direction of rotation as an up or down impulse to the input of an up / down counter.

Aus diesem Bericht geht nicht hervor. ob es sich bei der Auswertelogik für inkrementale Wegmeßsysteme um eine hochauflösende Auswertung der Signale solcher inkrementaler Wegmeßsysteme handelt und demzufolge auch nicht, wie ggf. eine solche hochauflösende Auswertelogik im einzelnen aufgebaut ist. It does not appear from this report. whether it is the evaluation logic for incremental measuring systems with a high-resolution evaluation of the signals of such Incremental measuring systems are and therefore not, as may be such high-resolution evaluation logic is built up in detail.

Bekanntermaßen besteht die Auswertelogik für die eingangs genannten Meßsysteme grundsätzlich aus einer Interpolations-/Vervielfacher-Schaltung für die Erhöhung der Auflösung des Systems gegenüber der eines Maßstabes bzw. Drehgebers und einer Richtungserkennung, welche die Richtung der Bewegung detektiert. As is known, there is the evaluation logic for the aforementioned Measuring systems basically consist of an interpolation / multiplier circuit for the Increase in the resolution of the system compared to that of a scale or rotary encoder and a direction detection which detects the direction of movement.

Es ist allgemein bekannt, daß inkrementale Wegmeßsysteme und auch Winkeldrehgeber beim Verfahren ihres mit Sensoren bestückten Lesekopfes entlang einem Maßstab mindestens zwei sinusförmige Signale liefern, wobei jeweils das eine Signal gegenüber dem anderen Signal um 90" phasenverschoben ist. It is well known that incremental measuring systems and also Angle encoder when moving your reading head equipped with sensors along deliver at least two sinusoidal signals to a scale, one in each case Signal is 90 "out of phase with the other signal.

Diese beiden Signale sin 7 und cos ç werden im Regelfall jeweils gewichtet und einer Summationsstelle zugeführt, an deren Ausgänge wiederum sinusförmige Sinale entstehen, die ihrerseits gegenüber dem Eingangssignal phasenverschoben sind. Jeder Summationsstelle ist sodann ein Komparator nachgeschaltet, an deren Ausgänge eine logische 1 erscheint, wenn das jeweilige Summensignal am Eingang positiv ist, und eine logische 0 erscheint, wenn das jeweilige Summensignal negativ ist. Der Übergang zwischen der logischen 1 und der logischen 0 findet jeweils ziemlich genau am Übergang des Eingangs-Signals von negativ nach positiv statt. These two signals sin 7 and cos ç are, as a rule, respectively weighted and fed to a summation point, whose outputs in turn are sinusoidal Sinals arise, which in turn are phase-shifted with respect to the input signal. Each summation point is then followed by a comparator at its outputs a logical 1 appears if the respective sum signal at the input is positive, and a logical 0 appears when the respective sum signal is negative. Of the The transition between the logical 1 and the logical 0 takes place fairly precisely in each case at the transition of the input signal from negative to positive.

Die Stelle des Übergangs zwischen den Nullen und Einsen, das ist immer die Stelle, bei der zwei benachbarte Komparatoren unterschiedliche Ausgangssignale aufweisen, wandert nun bei der Vorwärtsrichtung von den Komparatoren Kl nach Kn und bei der Rückwärtsbewegung von den Komparatoren Kn nach Kl. Dies bedeutet, daß immer nur die zwei benachbarten Komparatoren interessante Informationen anbieten, deren Ausgangssignale ungleich sind. The place of transition between zeros and ones, that is always the point at which two neighboring comparators have different output signals have now migrates in the forward direction from the comparators Kl to Kn and when moving backwards from the comparators Kn to Kl. This means that only the two neighboring comparators always offer interesting information, whose output signals are unequal.

Von Nachteil bei dieser bekannten Einrichtung ist es, daß der Bauteileaufwand für die diesen Komparatoren nachfolgende Schaltung zur Erkennung der Bewegungsrichtung mit der gewünschten Auflösung überproportional ansteigt. The disadvantage of this known device is that the number of components for the circuit following these comparators to detect the direction of movement increases disproportionately with the desired resolution.

Für jeden Komparator wird dabei eine eigene Summenkurve a x sinp7 + b x cosf mit eigener individueller Phasenverschiebung gebildet. Anders ausgedrückt heißt dies, daß man Sinuskurven mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen gegenüber der vom Meßsystem kommenden Sinuskurve bildet, indem das Verhältnis b zu a variiert wird. Ein Komparator schaltet beim Nulldurchgang dieser Kurve. Each comparator has its own cumulative curve a x sinp7 + b x cosf formed with its own individual phase shift. Expressed differently this means that one can compare sinusoids with different phase shifts which forms the sinusoid coming from the measuring system by varying the ratio b to a will. A comparator switches when this curve crosses zero.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Wegmeßsystemen der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen nur geringen Bauteileaufwand erfordert und trotzdem einen beliebi- gen lnterpolationsfaktor ermöglicht. It is now the object of the present invention to provide a device for high-resolution evaluation of the signals from incremental measuring systems of the input to create mentioned type, which requires only a small amount of components and any- gen interpolation factor enabled.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Steuerlogik eingerichtet ist, die aus drigonometrischen Tabellen eines Speichers (ROM)-Bausteines Winkelfunktionswerte empfängt und über Versorgungsleitungen an insgesamt vier Multiplizierer abgibt, wo durch Multiplikation mit lnterpolationsfaktoren sinusförmige Signale gebildet werden, die jeweils paarweise aus zwei nebeneinander angeordneten Multiplizierern Summationsstellen zugeführt werden, welche aus den vier empfangenen sinusförmigen Signalen durch Summenbildung wiederum insgesamt zwei sinusförmige Summensignale bilden, welche zu je einem nachgeschalteten Komparator geleitet werden, welche die sinusförmigen Summensignale auswerten und als Ausgangssignale der Steuerlogik zur Verfügung stellen, die die Winkelfunktionswerte so auswählt, daß die Ausgangssignale der zwei Komparatoren ungleich sind, um sodann die Negativ- oder Positiv-Zählimpulse zwecks Erfassung des Gesamtmeßergebnisses einem Zähler zuzuführen. In Ausbildung dieses Erfindungsgedankens kann dem Eingang der Steuerlogik eine Einrichtung zur Vorgabe des Interpolationsfaktors zugeschaltet sein. According to the invention, this object is achieved in that a control logic is set up from the trigonometric tables of a memory (ROM) module Receives angular function values and via supply lines to a total of four multipliers outputs where sinusoidal signals are generated by multiplication with interpolation factors are formed, each in pairs from two multipliers arranged next to one another Summation points are fed, which are from the four received sinusoidal Signals by summation in turn a total of two sinusoidal sum signals form, which are each passed to a downstream comparator, which the Evaluate sinusoidal sum signals and send them as output signals to the control logic Provide which selects the angle function values so that the output signals of the two comparators are not equal to then the negative or positive counting pulses for the purpose of recording the total measurement result to be fed to a counter. In education this inventive concept can the input of the control logic a device for Specification of the interpolation factor must be switched on.

In weiterer Ausbildung der Erfindung können die Multiplizierer wahlweise analoge oder digitale Multiplizierer oder multiplizierende Analog-/Digitalwandler sein. Im Falle der digitalen Multiplizierer müssen natürlich die Signale sinç7 und cosf zunächst durch sogenannte Analog-/Digitalwandler digitalisiert werden. In a further embodiment of the invention, the multipliers can optionally analog or digital multipliers or multiplying analog / digital converters be. In the case of digital multipliers, of course, the signals sinç7 and cosf must first be digitized by so-called analog / digital converters.

In vorteilhafter Weise beschränkt sich die erfindungsgemäße Einrichtung darauf, nur die zwei Wertepaare zu betrachten, bei denen die zwei resultierenden Summensignale unterschiedliche Polarität haben, worauf dann auch der schaltungstechnische Aufwand beschränkt bleibt. In Abhängigkeit von der Position des Lesekopfes sind dies natürlich nicht immer die gleichen zwei Wertepaare. Die Steuerlogik erkennt jedoch daran, welcher der beiden Komparatoren sein Ausgangssignal schaltet, in welche Richtung der Lesekopf bewegt wird. Dementsprechend wählt die Steuerlogik zwei andere Wertepaare a und b aus, durch die die Ausgangssignale wieder ungleich werden. Damit fängt die Schaltung stets die Stelle, an der der Übergang zwischen den Nullen und den Einsen in den Ausgangssignalen der Komparatoren liegt. Der Bauteileaufwand wird bei dieser erfindungsgemäßen Einrichtung unabhängig von dem Interpolationsfaktor jeweils so klein gehalten, daß insgesamt nur zwei Summationsstellen, zwei Komparatoren und vier Multiplizierer erforderlich sind. The device according to the invention is advantageously restricted on only looking at the two pairs of values for which the two resultant Sum signals have different polarity, whereupon also the circuitry Effort remains limited. Depending on the position of the read head are Of course, these are not always the same two pairs of values. The control logic recognizes however, it depends on which of the two comparators switches its output signal into which Direction of the read head is moved. Accordingly, the control logic chooses two others Pairs of values a and b, which make the output signals unequal again. In order to the circuit always starts the point at which the transition between the zeros and the ones in the output signals of the comparators. The component cost is in this device according to the invention independent of the interpolation factor each kept so small that a total of only two summation points, two comparators and four multipliers are required.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt. An example of the invention is shown in the drawing.

Die Einrichtung 1 zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Wegmeßsystemen weist eine Steuerlogik 2 auf, welche eingangsseitig über die Zuleitungen 3 und 4 mit einer Einrichtung 5 zur Vorgabe des lnterpolationsfaktors und einem Speicher (ROM)-Baustein 6 mit trigonometrischen Tabellen verbunden ist. Zwei weitere Auswerteleitungen 7 und 8 verbinden die Komparatoren 9 und 10 mit der Eingangsseite der Steuerlogik 2. The device 1 for high-resolution evaluation of the signals from incremental measuring systems has a control logic 2, which on the input side Via the supply lines 3 and 4 with a device 5 for specifying the interpolation factor and a memory (ROM) module 6 is connected to trigonometric tables. Two further evaluation lines 7 and 8 connect the comparators 9 and 10 to the Input side of the control logic 2.

Ausgangsseitig der Steuerlogik 2 führen vier Versorgungsleitungen 11, 12, 13 und 14 zu Multiplizierern 15, 16, 17 und 18. Ferner gehen vom Lesekopf 19 zwei sin -Versorgungsleitungen 20 und 21 zu den beiden Multiplizierern 16 und 18, während phasenverschoben zwei cos q-Versorgungsleitungen 22 und 23 zu den Multiplizierern 15 und 17 führen. Jeweils zwei benachbarte Multiplizierer 15, 16 und 17, 18 sind mit einer gemeinsamen Summationsstelle 24 und 25 über die Signalleitungen 27, 28 und 29,30 angeschlossen. Jeder Summationsstelle 24, 25 ist über die Leitungen 31, 32 ein Komparator 9, 10 nachgeschaltet. Zwei weitere Ergebnisleitungen 33 und 34 führen von der Steuerlogik 2 zu einem Auf-/Ab-Zähler 35. On the output side of the control logic 2 there are four supply lines 11, 12, 13 and 14 to multipliers 15, 16, 17 and 18. Also go from the read head 19 two sin supply lines 20 and 21 to the two multipliers 16 and 18, while out of phase two cos q supply lines 22 and 23 to the multipliers 15 and 17 lead. There are two adjacent multipliers 15, 16 and 17, 18, respectively with a common summation point 24 and 25 via the signal lines 27, 28 and 29.30 connected. Each summation point 24, 25 is via the lines 31, 32 a comparator 9, 10 connected downstream. Two more result lines 33 and 34 lead from control logic 2 to an up / down counter 35.

Die Steuerlogik 2 bekommt aus den trigonometrischen Tabellen des Speichers (ROM)-Bausteins 6 die Winkelfunktionswerte sowie aus der Einrichtung 5 die Vorgabe des lnterpolationsfaktors. The control logic 2 gets from the trigonometric tables of the Memory (ROM) module 6, the angle function values as well as from device 5 the specification of the interpolation factor.

Diese Werte werden von der Steuerlogik 2 an die Multiplizierer 15, 16, 17 und 18 weitergegeben, wo durch Multiplikation der Winkelfunktionswerte mit den Signalwerten sinusförmige Signale gebildet werden. Jeweils zwei benachbarte Multiplizierer 15 und 16 bzw. 17 und 18 werden zu einer zugeordneten Summationsstelle 24 bzw. 25 zusammengeführt, wo das sinusförmige Summensignal as x sin, + bi x cosg,bzw. ai+l X sinf + bi + X x cos gebildet wird. Die Komparatoren 9 und 10 werten die sinusförmigen Summensignale aus, ob sie positiv oder negativ sind. These values are sent by the control logic 2 to the multipliers 15, 16, 17 and 18 passed on, where by multiplying the angle function values with Sinusoidal signals are formed from the signal values. Two adjacent each Multipliers 15 and 16 or 17 and 18 become an assigned summation point 24 and 25 merged, where the sinusoidal sum signal as x sin, + bi x cosg, or. ai + l X sinf + bi + X x cos is formed. The comparators 9 and 10 evaluate the sinusoidal Sum signals from whether they are positive or negative.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Lesekopf 19 des inkrementalen Meßsystems in einer Position stehe, bei welcher nach dem herkömmlichen Verfahren die Komparatoren folgende Zustände aufweisen: K4 = O K3 = 0 K2=l K1 =1 Die Indizes 1 bis 4 zu den Komparatoren in der obigen Aufstellung bedeuten nur die Komparatoren 1 bis 4 bei den eingangs genannten Verfahren und haben darüberhinaus keine Bedeutung. For explanation, it is assumed that the read head 19 of the incremental Measuring system stand in a position in which according to the conventional method the comparators have the following states: K4 = O K3 = 0 K2 = 1 K1 = 1 The indices 1 to 4 of the comparators in the list above only mean the comparators 1 to 4 in the procedures mentioned at the outset and beyond that have no meaning.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erhalten die Multiplizierer von der Steuerlogik die Faktoren a 2/b 2 und a 3/b 3. Die Indizes bei den Faktoren a und b deuten auch hier wiederum nur auf die Reihenfolge der in der obigen Aufstellung genannten Komparatoren K2 und K3 hin. Bei diesem Beispiel ist nun der Ausgang des Komparators 10 (K2) auf den Wert 1 und der Ausgang des Komparators 9 (K3) auf den Wert 0 gestellt. Damit sind die beiden Ausgänge unterschiedlich. Wird nun der Lesekopf 19 des inkrementalen Meßsystems um den Betrag der Auflösung weiter bewegt, dann ändert sich entweder der Komparator 9 oder der Komparator 10, in jedem Fall werden deren beide Ausgangssignale jedoch gleich. In the device according to the invention, the multipliers receive from the control logic the factors a 2 / b 2 and a 3 / b 3. The indices for the factors Here, too, a and b only indicate the order in which they are listed in the above list mentioned comparators K2 and K3. In this example, the output of the Comparator 10 (K2) to the value 1 and the output of the comparator 9 (K3) to the Value 0 set. This means that the two outputs are different. Will now be the read head 19 of the incremental measuring system moved further by the amount of the resolution, then either the comparator 9 or the comparator 10 changes, in each case however, their two output signals are the same.

Je nach dem, ob sich der Komparator 9 oder der Komparator 10 ändert, wurde der Lesekopf 19 vorwärts oder rückwärts bewegt. Hat sich bspw. der Komparator 10 geändert (rückwärts), dann gibt die Steuerlogik 2 zunächst einen Rückwärts-Zählimpuls aus an den Zähler 35 und schaltet an die Multiplizierer 16 und 18 nun die neuen Faktoren, so daß die Ausgangssignale von den Komparatoren 9 und 10 anschließend wieder unterschiedlich sind. Depending on whether the comparator 9 or the comparator 10 changes, the reading head 19 was moved forwards or backwards. For example, the comparator has 10 changed (backwards), then the control logic 2 first gives a backward counting pulse off to the counter 35 and now switches the new ones to the multipliers 16 and 18 Factors so that the output signals from the comparators 9 and 10 subsequently are different again.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Bauteileaufwand unabhängig vom Interpolationsfaktor immer so groß wie in der Zeichnung dargestellt. Demgegenüber würde der Bauteileaufwand bei einer herkömmlichen Einrichtung überproportional mit dem Interpolationsfaktor ansteigen. In the device according to the invention, the number of components is independent of the interpolation factor always as large as shown in the drawing. In contrast the number of components would be disproportionately high in a conventional device increase with the interpolation factor.

Sollen die Signale eines inkrementalen Meßsystems, nämlich sinf und phasenverschoben cos, feininterpoliert werden, so müssen diese Signale sehr genau sein in Bezug auf die Amplitude und die Phasenverschiebung. Should the signals of an incremental measuring system, namely sinf and phase-shifted cos, are finely interpolated, these signals must be very precise be in terms of amplitude and phase shift.

Vor allen Dingen beim Anfahren oder beim Abbremsen einer Achse kann es zu Verkippungen des Lesekop- fes 19 gegenüber dem inkrementalen Maßstab kommen, wodurch sowohl die Amplituden der Signale als auch die Phasenverschiebung zwischen ihnen gestört wird. Above all when starting or braking an axis can tilting of the reading head fes 19 compared to the incremental Scale come, whereby both the amplitudes of the signals and the phase shift is disturbed between them.

Es empfiehlt sich aus diesem Grunde eine Einrichtung, bei welcher bei hohen Frequenzen vom Maßstab, d.h., bei hoher Geschwindigkeit zunächst nur grob, und erst bei niedrigen Frequenzen sodann fein interpoliert wird. For this reason, it is advisable to have a facility where at high frequencies on the scale, i.e., at high speed initially only roughly, and only finely interpolated at low frequencies.

Des weiteren besteht die Möglichkeit, einen der beiden Zweige, bestehend aus zwei Multiplizierern, einer Summationsstelle und einem Komparator, einzusparen. There is also the option of one of the two branches from two multipliers, a summation point and a comparator.

Die Steuerlogik gibt dann die beiden Wertepaare a/hi und ai+llbi+l, die bisher gleichzeitig an die beiden Zweige ausgegeben wurden, nacheinander aus und stellt so fest, ob der Komparator bei den beiden Wertepaaren noch ungleiche Signale liefert.The control logic then gives the two pairs of values a / hi and ai + llbi + l, that were previously issued to the two branches at the same time, one after the other and thus determines whether the comparator is still unequal for the two pairs of values Signals.

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Claims

Claims 1. Device for high-resolution evaluation of the Signals from incremental position and angle measuring systems, especially from incremental ones Scales and rotary encoders on processing and measuring machines with an identifier the direction of rotation or the direction of travel forwards or backwardsW is, characterized in that a control logic (2) is set up which consists of Trigonometric tables of a memory (ROM) module (6) Trigonometric function values receives and via supply lines (11, 12, 13, 14) to four multipliers (15, 16, 17, 18) where sinusoidal by multiplication with interposition factors Signals are formed, each pair of two arranged side by side Multipliers (15,16,17, 18) summation points (24, 25) are fed, which from the four received sinusoidal signals by adding up two again Form sinusoidal sum signals, which each to a downstream comparator (9, 10), which evaluate the sinusoidal sum signals and as Make the output signals of the control logic (2) available that contain the angle function values selects so that the output signals of the two comparators are not equal to then the negative or positive counting pulses for the purpose of recording the overall measurement result to be fed to a counter (35).

2. Device according to claim 1, characterized in that the input a device (5) for specifying the interpolation factor is connected to the control logic (2) is.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that that the multipliers (15, 16, 17, 18) are either analog or digital multipliers or multiplying digital / analog converters.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that that a total of four multipliers (15, 16, 17, 18) are provided, each of which two adjacent to a common summation point (24, 25) are led to which in turn a comparator (9, 10) is assigned in each case.

5. Device according to claims 1 and 2, characterized in that that only one function branch is provided, which consists of two multipliers, a summation point and a comparator is formed, wherein the control logic (2) the value pairs as and bi and ai + l and bi + l alternately output one after the other, and so the two function values simulated one after the other.