DE3513343C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Weg- und Winkelmeßsystemen.The invention relates to a device for high-resolution evaluation the signals from incremental position and angle measuring systems.
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 Richtungsdiskriminator, welchem die vom Drehgeber gelieferten Zählimpulse zugeführt werden und welcher die Drehrichtung des Drehgebers erfaßt. Die nachfolgende Impulsverviel facher-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 Rückwärtsimpulse an den Eingang eines Vorwärts-/ Rückwärtszählers.From the trade magazine "ELEKTRONIK 1 / 11.01.1985", pages 45 to 50, evaluation electronics for incremental position measuring systems is known. After that become incremental encoders as well as translational position measuring systems used wherever high accuracy is important. The evaluation logic consists of a directional discriminator, which the counts supplied by the encoder are fed and which the direction of rotation of the encoder is detected. The following pulse amplification Facher circuit multiplies the number of counts depending on the setting of the edge evaluation with the factor 1, 2 or 4. The thus prepared counting impulses then arrive according to the direction of rotation as forward or backward pulses to the input of a forward / 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. This report does not show whether the evaluation logic is correct for incremental position measuring systems for a high resolution evaluation of the Signals of such incremental position measuring systems acts and therefore also not, like such a high-resolution evaluation logic in detail is constructed.
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 from an interpolation / multiplier Circuit for increasing the resolution of the system opposite that of a scale or encoder and 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 generally known that incremental position measuring systems and also angle encoders while moving her read head equipped with sensors deliver at least two sinusoidal signals along a scale, where each signal is 90 ° out of phase with the other signal is.
Diese beiden Signale sin ϕ und cos ϕ 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 dessen 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 ϕ and cos ϕ are usually weighted in each case and fed to a summation point, at the outputs of which in turn sinusoidal sinals arise, which in turn are opposite to the Input signal are out of phase. Each summation point is then a comparator downstream, at the outputs of which a logical 1 appears when the respective sum signal at the input is positive, and a logical 0 appears if the respective sum signal is negative is. The transition between logical 1 and logical 0 takes place pretty much at the transition of the input signal from negative after positive instead.
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 K1 nach Kn und bei der Rückwärtsbewegung von den Komparatoren Kn nach K1. Dies bedeutet, daß immer nur die zwei benachbarten Komparatoren interessante Informationen anbieten, deren Ausgangssignale ungleich sind.The point of transition between the zeros and ones, that is always the point at which two neighboring comparators have different output signals, now moves from the comparators K 1 to K n in the forward direction and from the comparators K n to K 1 in the backward movement . 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 for detection following these comparators disproportionate to the direction of movement with the desired resolution increases.
Für jeden Komparator wird dabei eine eigene SummenkurveEach comparator has its own sum curve
a · sinϕ + b · cosϕa · sinϕ + b · cosϕ
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.formed with its own individual phase shift. In other words this means that you have sinusoids with different phase shifts compared to the sine curve coming from the measuring system, by varying the ratio b to a. A comparator switches at the zero crossing of this curve.
Aus den Druckschriften DE 33 33 393 A1, DE 30 48 366 A1 und US 44 68 745 sind bereits Einrichtungen zur Auswertung der Signale von Weg- und Winkelmeßsystemen allgemein bekannt.From the publications DE 33 33 393 A1, DE 30 48 366 A1 and US 44 68 745 are already devices for evaluating the signals from Position and angle measuring systems are generally known.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Wegmeßsystemen zu schaffen, die einen nur geringen Bauteileaufwand erfordert und trotzdem einen beliebigen Interpolationsfaktor ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a device for High-resolution evaluation of the signals from incremental position measuring systems to create the only minor Component effort required and yet any interpolation factor enables.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved.
In Ausbildung dieser Erfindung können die Multiplizierer analoge oder digitale Multiplizierer oder multiplizierende Digital-/Analog-Wandler sein. In the embodiment of this invention, the multipliers can be analog or digital multipliers or multiplying digital / analog converters be.
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 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 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 limited to consider only the two pairs of values where the two resulting sum signals have different polarity, whereupon then the circuitry complexity remains limited. Dependent on from the position of the read head these are of course not always the same pairs of values. However, the control logic recognizes which of the two comparators switches its output signal in which direction the read head is moved. Accordingly, the chooses Control logic two other value pairs a and b, through which the Output signals become unequal again. This starts the circuit always the point at which the transition between the zeros and ones is in the output signals of the comparators. The component effort becomes independent of the interpolation factor in this device according to the invention each so small that only two in total Summation points, two comparators and four multipliers required are.
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 Interpolationsfaktors 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 displacement measuring systems has a control logic 2 which is connected on the input side via the leads 3 and 4 to a device 5 for specifying the interpolation factor and a memory (ROM) module 6 with 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 ϕ-Versorgungsleitungen 20 und 21 zu den beiden Multiplizierern 16 und 18, während phasenverschoben zwei cos ϕ-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 Summa tionsstelle 24, 25 ist über die Leitungen 31, 32 ein Komparator 9, 10 nachgeschaltet. Zwei weitere Ergebnisleitungen 33 und 34 füh ren von der Steuerlogik 2 zu einem Auf-/Ab-Zähler 35.On the output side of the control logic 2 , four supply lines 11 , 12 , 13 and 14 lead to multipliers 15 , 16 , 17 and 18 . Furthermore, two sin ϕ supply lines 20 and 21 go from the read head 19 to the two multipliers 16 and 18 , while phase-shifted two cos ϕ supply lines 22 and 23 lead to the multipliers 15 and 17 . Two adjacent multipliers 15 , 16 and 17 , 18 are connected to a common summation point 24 and 25 via signal lines 27 , 28 and 29 , 30 . Each Summa tion point 24 , 25 is connected via the lines 31 , 32, a comparator 9 , 10 . Two further result lines 33 and 34 lead from the 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 Interpolationsfaktors.The control logic 2 receives the angular function values from the trigonometric tables of the memory (ROM) module 6 and the specification of the interpolation factor from the device 5 .
Diese Werte werden von der Steuerlogik 2 an die Multiplizierer 15, 16, 17 und 18 weitergegeben, wo durch Multiplikation der Winkel funktionswerte 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 ai × sinϕ + bi × cosϕ bzw. ai +1 × sinϕ + bi + 1 × cosϕ gebildet wird. Die Komparatoren 9 und 10 werten die sinusförmigen Summen signale aus, ob sie positiv oder negativ sind.These values are passed on by the control logic 2 to the multipliers 15 , 16 , 17 and 18 , where sinusoidal signals are formed by multiplying the angle function values by the signal values. Two adjacent multipliers 15 and 16 or 17 and 18 are combined to an assigned summation point 24 or 25 , where the sinusoidal sum signal a i × sinϕ + b i × cosϕ or a i +1 × sinϕ + b i + 1 × cosϕ is formed. The comparators 9 and 10 evaluate the sinusoidal sum signals, whether they are positive or negative.
Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Lesekopf 19 des inkremen
talen Meßsystems in einer Position stehe, bei welcher nach dem
herkömmlichen Verfahren die Komparatoren folgende Zustände aufweisen:
K4 = 0
K3 = 0
K2 = 1
K1 = 1
For explanation, it is assumed that the read head 19 of the incremental measuring system is in a position in which, according to the conventional method, the comparators have the following states:
K 4 = 0
K 3 = 0
K 2 = 1
K 1 = 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.Indices 1 to 4 to the comparators in the list above mean only the comparators 1 to 4 in the aforementioned Procedures and have no further 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 Reihen folge 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 Kompara tor 9 oder der Komparator 10, in jedem Fall werden deren beide Aus gangssignale jedoch gleich.In the device according to the invention, the multipliers receive the factors a 2 / b 2 and a 3 / b 3 from the control logic. Again, the indices for the factors a and b only point to the order of the comparators K 2 mentioned in the above list and K 3 down. In this example, the output of comparator 10 (K 2 ) is now set to 1 and the output of comparator 9 (K 3 ) is set to 0. So the two outputs are different. If the read head 19 of the incremental measuring system is moved further by the amount of resolution, then either the comparator 9 or the comparator 10 changes , in either case the two output signals are the same, however.
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 Steuer logik 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 read head 19 was moved forwards or backwards. If, for example, the comparator 10 has changed (downward), then the control logic 2 first outputs a downward count pulse to the counter 35 and switches to the multipliers 16 and 18 now the new factors, so that the output signals from the comparators 9 and 10 are then different again.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Bauteileaufwand un abhängig vom Interpolationsfaktor immer so groß wie in der Zeichnung dargestellt. Demgegenüber würde der Bauteileaufwand bei einer her kömmlichen Einrichtung überproportional mit dem Interpolationsfaktor ansteigen.In the device according to the invention, the cost of components is un depending on the interpolation factor always as large as in the drawing shown. In contrast, the cost of components would be one conventional equipment disproportionately with the interpolation factor increase.
Sollen die Signale eines inkrementalen Meßsystems, nämlich sinϕ und phasenverschoben cosϕ feininterpoliert werden, so müssen diese Signale sehr genau sein in Bezug auf die Amplitude und die Phasen verschiebung. Should the signals of an incremental measuring system, namely sinϕ and phase-shifted cosϕ finely interpolated, they must be Signals be very accurate in terms of amplitude and phases shift.
Vor allen Dingen beim Anfahren oder beim Abbremsen einer Achse kann es zu Verkippungen des Lesekopfes 19 gegenüber dem inkrementalen Maßstab kommen, wodurch sowohl die Amplituden der Signale als auch die Phasenverschiebung zwischen ihnen gestört wird.Above all when starting up or braking an axle, the read head 19 can tilt relative to the incremental scale, as a result of which both the amplitudes of the signals and the phase shift between them are disturbed.
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 at which at high frequencies off the scale, i.e. at high speed initially only coarse, and only then fine at low frequencies is interpolated.
Claims (2)
daß eine Erkennung der Drehrichtung bzw. der Wegrichtung nach vorwärts oder rückwärts vorgesehen ist,
daß eine Steuerlogik (2) eingerichtet ist, die aus trigonometrischen Tabellen eines ROM-Speicherbausteines (6) Winkelfunktionswerte empfängt und über vier Versorgungsleitungen (11, 12, 13, 14) an vier Multiplizierer (15, 16, 17, 18) abgibt,
daß am Eingang der Steuerlogik (2) eine Einrichtung (5) zur Vorgabe des Interpolationsfaktors zugeschaltet ist,
daß vom Lesekopf (19) jeweils eine Leitung für die sin-Signalwerte zu dem ersten (15) und dritten (17) Multiplizierer und jeweils eine Leitung für die cos-Signalwerte zu dem zweiten (16) und vierten (18) Multiplizierer führt,
daß die Multiplizierer durch Multiplikation der Signalwerte mit den Winkelfunktionswerten sinusförmige Signale bilden, die jeweils paarweise für den ersten (15) und zweiten (16) sowie für den dritten (17) und vierten (18) Multiplizierer Summationsstellen (24, 25) zugeführt werden, welche aus den vier empfangenen sinusförmigen Signalen durch Summenbildung wiederum zwei sinusförmige Summensignale bilden, welche zu je einem nachgeschalteten Komparator (9, 10) geleitet werden, welche die sinusförmigen Summensignale auswerten und als Ausgangssignale der Steuerlogik (2) zur Verfügung stellen, die die Winkelfunktionswerte so auswählt, daß die Ausgangssignale der zwei Komparatoren ungleich sind, um sodann Negativ- oder Positiv-Zählimpulse zwecks Erfassung des Gesamtmeßergebnisses einem Zähler (35) zuzuführen. 1. Device for high-resolution evaluation of the signals from incremental displacement and angle measuring systems with a reading head ( 19 ), in particular of incremental scales and encoders on processing and measuring machines, with the features,
that a detection of the direction of rotation or the direction of travel forward or backward is provided,
that a control logic ( 2 ) is set up which receives angular function values from trigonometric tables of a ROM memory chip ( 6 ) and outputs them to four multipliers ( 15 , 16 , 17 , 18 ) via four supply lines ( 11 , 12 , 13 , 14 ),
that a device ( 5 ) for specifying the interpolation factor is connected at the input of the control logic ( 2 ),
that from the read head ( 19 ) one line for the sin signal values leads to the first ( 15 ) and third ( 17 ) multiplier and one line for the cos signal value leads to the second ( 16 ) and fourth ( 18 ) multiplier,
that the multipliers form, by multiplying the signal values by the angular function values, sinusoidal signals which are supplied in pairs for the first ( 15 ) and second ( 16 ) and for the third ( 17 ) and fourth ( 18 ) multipliers summation points ( 24 , 25 ), which in turn form two sine-shaped sum signals from the four received sinusoidal signals, which are sent to a downstream comparator ( 9 , 10 ), which evaluate the sine-shaped sum signals and provide them as output signals to the control logic ( 2 ), which thus provide the angular function values selects that the output signals of the two comparators are unequal, in order then to supply negative or positive counting pulses to a counter ( 35 ) in order to record the overall measurement result.
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