DE3605909A1

DE3605909A1 - Verfahren und einrichtung zum bestimmen der winkelposition eines drehbaren elements, insbesondere einer drehbaren welle, relativ zu einer festen bezugslage

Info

Publication number: DE3605909A1
Application number: DE19863605909
Authority: DE
Inventors: Witold Rishon-le-Zion Finkler
Original assignee: Robomatix Ltd
Current assignee: Robomatix Ltd
Priority date: 1985-05-28
Filing date: 1986-02-24
Publication date: 1986-12-04
Also published as: IL75319A0; JPS6217609A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Wellenkodierer und im besonderen einen Absolutkodierer zum Abgeben einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals des Relativwinkels zwischen einem drehbaren Element, insbesondere einer drehbaren Welle, und einer ortsfesten Bezugslage.

j ι Wellenkodierer zum Anzeigen oder Angeben des Relativwinkels zwischen einer sich bewegenden Oberfläche oder einem Arm und einer Bezugslage sind an sich bekannt. Konventionelle Wellenkodierer sind entweder inkrementell, d.h., sie geben den Drehwinkel mittels eines diskreten Ausgangssignals für jeden vorbestimmten Drehwinkel an, oder sie sind absolut, d.h., sie geben den Winkel relativ zu einem ortsfesten Festpunkt an. Die gebräuchlichsten Kodierer sind optische Kodierer.

Es sind optische inkrementelle Wellenkodierer bekannt, die alternierende transparente und opake Markierungen auf einer Scheibe aufweisen. Lichtquellen und photoelektrische Detektoren sind auf entgegengesetzten Seiten der Scheibe angebracht, und bei Rotation der Scheibe wird das emittierte Licht abwechselnd detektiert und nicht detektiert. Das spezielle Muster des detektierten Lichts an den Detektoren gibt an, in welcher Richtung sich die der Messung unterliegende Welle bewegt hat, und der Gesamtwinkel der Drehung wird durch Zählen der Anzahl von detektierten Markierungen ermittelt.

Es sind außerdem absolute optische Wellenkodierer bekannt. Diese weisen eine gleichartige bzw. ähnliche Scheibe auf, die eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Reihen von transparenten oder opaken "Fenstern" definiert bzw. besitzt, wobei jede Reihe unterschiedlich von den benachbarten Rei-

hen ist und auf diese Weise eine unterschiedliche Binärzahl angibt. Außerdem ist eine entsprechende radiale Reihe von Lichtquellen und Detektoren vorgesehen. Wenn die Scheibe rotiert, wird die spezielle detektierte Verteilung von Fenstern zu einer digitalen Signalverarbeitungs- bzw. Verärbeitungseinrichtung übertragen, die ein Ausgangssignal liefert, das genau angibt, unter welchem Winkel die Scheibe relativ zu einer vorbestimmten Basis zum Zeitpunkt der Abtastung steht. Diese Detektoren sind in der damit erzielbaren Auflösung beschränkt, da die Auflösung von der Anzahl von Reihen auf der Scheibe und der Anzahl von "Fenstern" in jeder Reihe abhängt. Daher ist es, um eine gute Auflösung und eine entsprechende Genauigkeit der Winkelbestimmung zu erhalten, notwendig, eine sehr große Scheibe zu verwenden, was lästig, schwerfällig, raumaufwendig und teuer ist.

Es sind außerdem Resolver und Synchro- bzw. Ringfeldmechanismen bekannt, mit denen eine Absolutwinkelmessung durch Beobachten und Messen der Verschiebung in einem Magnetfeld erzielt wird.

In der US-Patentschrift 4 129 862 von Kaplan et al. ist eine Einrichtung zum digitalen Kodieren der Winkelposition einer Welle mit Bezug auf eine Bezugslage bekannt. Ein Signalgenerator arbeitet über einen Dreistufenzähler, um ein Erregungssignal zu einem Motor zuzuführen, der eine zweite Welle dreht. Die zweite Welle arbeitet mit einem Bezugspositionsdetektor und einem Wellenpositionsdetektor zusammen, um jeweils die Speicherung der Zählwerte des Dreistufenzählers in einem Speicherregister einzuleiten und zu beenden. Der Motor, der die zweite Welle dreht, muß ein Synchronmotor sein, welcher sich mit einer festen, vorbestimmten Frequenz dreht. Die Position der Welle wird gemessen, und das dieser entsprechende Ausgangssignal des

BAD

Zählers ist über das Speicherregister und einen Prozessor in Grad, Minuten und Sekunden auslesbar.

A Kurz zusammengefaßt soll mit der vorliegenden Erfindung ein Absolutwellenkodierer zur Verfügung gestellt werden, der einfach herstellbar und wartbar, der relativ klein und leichtgewichtig ist, welcher einen Motor aufweist, der irgendein konventioneller Wechselstrom- oder Gleichstrommotor sein kann, und der schließlich eine hohe Auflösung liefert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird infolgedessen eine Einrichtung zum Bestimmen der Winkelposition eines drehbaren Elements, insbesondere einer drehbaren Welle, relativ zu einem festen Bezugswinkel zur Verfügung gestellt, und diese Einrichtung weist eine Vorrichtung zum wiederholten Messen der augenblicklichen Position des drehbaren Elements, insbesondere der Welle, auf, sowie eine Vorrichtung zum Messen einer 360°-Drehung des bzw. eines Motors, und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals des Absolutwinkels der Drehung des drehbaren Elements, insbesondere der Welle, durch Berechnen des Teils von 360°, durch den sich das drehbare Element, insbesondere die Welle, bewegt hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Positionsfühl- bzw. -detektionseinrichtung, die mit der Erfindung zur Verfügun gestellt wird, ein Gehäuse auf, das fest an das erste Element bzw. ein erstes Element angekoppelt bzw. fest mit diesem ersten Element verbunden ist, sowie einen Motor, der zum drehbaren Antreiben eines detektierbaren Teils an das Gehäuse angekoppelt bzw. mit dem Gehäuse verbunden ist, weiter einen Bezugsfühler bzw. -sensor, der zum Fühlen bzw. Detektieren der Gegenwart bzw. des Durchgangs des detektierbaren Teils an das Gehäuse angekoppelt bzw. damit ver-

bunden ist und ein Bezugssignal in Ansprechung darauf an die Einrichtung zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals abgibt, einen Positionsfühler bzw. -sensor, der an das drehbare Teil, insbesondere die Welle, angekoppelt bzw. damit verbunden ist, um die Gegenwart bzw. den Durchgang des detektierbaren Teils zu fühlen bzw. zu detektieren und der in Ansprechung hierauf ein Wellenpositionssignal an die Einrichtung zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals abgibt.

Weiter umfassen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Bezugs- und Positionsfühler bzw. -sensoren Lichtquellen und photoelektrische Detektoren sowie zugehörige Elektronikschaltung oder bestehen hieraus. Vorzugsweise umfaßt das detektierbare Teil zwei entgegengesetzt vorgesehene Drahtarme oder besteht daraus, oder es umfaßt eine rotierende opake oder transparente Scheibe, die transparente Schlitze und/oder opake Markierungslinien hat.

Darüber hinaus weist die Einrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Oszillator zum Zuführen eines zu zählenden Taktimpuls- bzw. Taktsignals sowie wenigstens einen mehrziffrigen bzw. mehrstelligen Zähler und wenigstens ein Bezugssignalspeicherelement sowie wenigstens ein Positionssignalspeicherelement zum Registrieren der Zählwerte auf.

Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition eines sich drehenden Elements, insbesondere einer sich drehenden Welle, relativ zu einem Bezugselement, das an ein Kodiererhauptteil angekoppelt, insbesondere mit einem Kodiererhauptteil verbunden "ist, und dieses Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Es wird die Position des Bezugselements abgefühlt bzw. detektiert und ein dem entsprechendes Bezugsausgangssignal abgegeben, es wird in Ansprechung auf das Ausgangssignal veranlaßt, daß eine Zählereinrichtung mit

Zählen beginnt, es wird wieder die Position des Bezugselements abgefühlt bzw. detektiert und ein dem entsprechendes zweites Bezugsausgangssignal abgegeben, es wird der Wert, der in der Zählereinrichtung erhalten worden ist, in ein Bezugsignalspeicherelement eingegeben bzw. eingelesen und die Zählereinrichtung zurückgestellt, und zwar in Änsprechung auf das zweite Ausgangssignal, es wird die Position des drehbaren Teils, insbesondere der drehbaren Welle, abgefühlt bzw. detektiert und ein dem entsprechendes Drehteilpositionsausgangssignal, insbesondere ein dem entsprechendes Wellenpositionsausgangssignal, abgegeben, es wird der in der Zählereinrichtung erhaltene Wert in ein Positionssignalspeicherelement in Ansprechung auf das Drehteilpositionsausgangssignal, insbesondere in Ansprechung auf das Wellenpositionsausgangssignal, eingegeben bzw. eingelesen, und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Verhältnis des Werts, der sich in dem Drehteilpositionssignalspeicherelement, insbesondere in dem Wellenpositionssignalspeicherelement, befindet, zu dem Wert, der sich in dem Bezugssignalspeicherelement befindet, entspricht.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Blockschaltbilddarstellung einer Einrichtung zur Winkelpositionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine Darstellung, welche die Zeitgebungs- bzw. Zeitintervalle veranschaulicht, die mittels der Einrichtung zur Winkelpositionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen werden;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Positionsfühl- bzw. -detektionseinrichtung, die gemäß ei-

ner bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und arbeitet; und

Figur 4, welche aus den Figuren 4/a bis 4/lc und 4/2a sowie 4/2b besteht, ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Es seien nachstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in näheren Einzelheiten beschrieben:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der absoluten Winkelposition einer drehbaren Welle relativ zu einem festgelegten Bezugswinkel. Die Wellenposition wird wiederholt durch Messungen ihrer augenblicklichen Position bestimmt, wobei die Messungen in Intervallen relativ zu einer 360°-Drehung des Rotors eines in der Einrichtung vorgesehenen Motors ausgeführt werden.

Es sei zunächst auf Figur 1 Bezug genommen, die ein Blockschaltbild zeigt, welches einen digitalen Winkelkodierer veranschaulicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und arbeitet. Der Kodierer umfaßt eine mechanische Fühl- bzw. Sensoranordnung (10), die an die rotierende Welle und den Hauptteil des Kodierers angekoppelt ist. Die Messungen der Position der drehbaren Welle und der 360°-Motordrehung werden mittels Fühl- bzw. Sensorelementen 12 und 14 ausgeführt, welche Winkellagemarkierungen detektieren, welche auf einem Teil, wie beispielsweise einer Scheibe, lokalisiert sind, das bzw. die an der Motorrotorwelle angebracht ist. Eine Bezugsmarkierung in bzw. an dem Teil wird mittels eines ortsfesten Bezugsfühlbzw, -sensorelements detektiert, das an dem Kodiererhauptteil befestigt ist, wobei das Ausgangssignal von diesem Element den Augenblick der Vollendung jeder Umdrehung des Rotors bzw. Motors angibt.

Eine Positionsmarkierung auf dem Teil, welche die gleiche wie die Bezugsmarkierung oder unterschiedlich von der Bezugsmarkierung sein kann, wird durch ein Positionsfühlbzw, -sensorelement detektiert, das sich auf einem zweiten Teil befindet, welches an die rotierende Welle angekoppelt ist, wie beispielsweise eine Scheibe, die in einer Ebene positioniert ist, welche parallel zu derjenigen der Motorscheibe ist, und die auf der gleichen Achse drehbar ist. Das Ausgangssignal von dem Positionsfühl- bzw. -sensorelement gibt den Augenblick an, in dem die Positionsmarkierung auf dem rotierenden Motorteil von dem Positionssensor gesehen bzw. detektiert wird, der sich auf dem Teil der drehbaren Welle befindet.

Ein Oszillator (16) in der Einrichtung arbeitet als ein Takt- bzw. Zeitgeber, insbesondere als Taktimpulsgeber, mit einer festen vorbestimmten Frequenz und ist mit einem Zähler (18) verbunden, der die Zeit durch Zählen der Zyklen des erzeugten Takt- bzw. Zeitgebungssignals mißt.

Des AusgangssignaIe des Bezugssensors (14), des Wellenpositionsensors (12) und des Taktgebers (16) werden in eine Tor- und Zeitgebungslogikeinheit (20) eingespeist. Das Ausgangssignal von dem Bezugssensor (14) hat zwei Funktionen. Erstens betreibt es ein Signalspeicherregister oder Flipflop (22) , und zwar den Bezugssignalspeicher, welcher den Zählwert des Zählers in dem Augenblick, in dem Sensor die Bezugsmarkierung sieht bzw. detektiert, speichert. Unmittelbar nach der Speicherung des Zählwerts stellt er den Zähler auf Null zurück. Jedesmal wenn der Bezugssensor (14) die Bezugsmarkierung sieht bzw. detektiert, speichert der 'Signalspeicher (22) die Anzahl von Zyklen der vorbestimmten Signalgeneratorfrequenz, die er seit der vorhergehenden Rückstellung gezählt hat, wobei die gezählte Anzahl das Zeitintervall (t.) für eine 360°-Motorumdrehung angibt.

Das Ausgangssignal von dem Positionssensor (12) ist durch Schleifringe oder eine andere geeignete Kopplung angeschaltet und wird dazu verwendet, ein zweites Signalspeicherregister oder Flipflop (24) zu triggern, nämlich den Positionssignalspeicher, welcher den Zählwert des Zählers in dem Augenblick, in dem der Sensor (12) die Positionsmarkierung sieht bzw. detektiert, speichert. Der im Positionssignalspeicher (24) gespeicherte Zählwert gibt infolgedessen das Zeitintervall (t₂) an, nämlich die Zeit zwischen dem Signal des Bezugssensors (14) und dem folgenden Signal des Positionssensors (12). Das Signal von dem Positionssensor (12) wird außerdem dazu benutzt, eine zentrale Verarbeitungseinheit bzw. Zentraleinheit (CPU) (26) zu triggern, damit diese den Inhalt beider Signalspeicher (22) und (24) ausliest und die erforderliche Berechnung der Winkelposition ausführt sowie ein dementsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

Die Figur 2 veranschaulicht die Zeitgebungs- bzw. Zeitintervalle, die mittels der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung gemessen worden sind. Da die Zeit (t*) einem Winkel von 360° entspricht, gibt das Verhältnis t₂/t₁ die Winkelposition der drehbaren Welle mit Bezug auf die festgelegte bzw. ortsfeste Winkelposition des Bezugssensors an. Eine Multiplikation des Verhältnisses t^/t., mit 360 ergibt die Position in Grad. Eine entsprechende Multiplikation mit anderen Konstanten ermöglicht es, das Ergebnis in jeder gewünschten Einheit auszulesen bzw. anzuzeigen oder in sonstiger Weise anzugeben. Durch die Addition oder Substraktion einer Konstanten zu bzw. von dem Ergebnis kann die Winkelposition mit Bezug auf jede gewünschte Bezugslage erhalten werden.

Es ist ein spezielles Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß das Verhältnis t_ zu t, unabhängig von den numeri-

•^:" · ·36^:ϋ59'ΰ9

sehen Werten von t, und t₂ ist. Der Kodierer kann daher jeden konventionellen Motor aufweisen, ohne daß die Notwendigkeit einer genauen Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung besteht. Das Verhältnis ist auch unabhängig von der festgelegten Taktimpuls- bzw. Taktfrequenz. Je langsamer der Motor und je höher die Taktimpuls- bzw. Taktfrequenz ist, um so höher ist die Auflösung, da dann während der beiden Zeitintervalle große Zahlen, insbesondere große Anzahlen von Taktimpulsen, gezählt werden. Hohe Motorgeschwindigkeiten sind deswegen wünschenswert, weil die Erfindung Einzelwertauslesungen bzw. -anzeigen der Position nur für Geschwindigkeiten der drehbaren Welle gibt, die niedriger als die Motorgeschwindigkeit sind. Die mögliche Notwendigkeit für eine hohe Anzahl von Auslesungen bzw. Anzeigen pro Sekunde bestimmt außerdem die wünschenswerte Motorgeschwindigkeit.

In der nach dem gegenwärtigen Wissen der Erfinder besten bzw. am meisten zu bevorzugenden Ausführungsart wird ein Motor mit einer Geschwindigkeit von 5000 U/min und eine Taktimpuls- bzw. Taktfrequenz von 20 MHz benutzt. Das Verhältnis von 20.000.000/(5.000/60) ergibt einen Zählwert von 240.000 für t,. Das ist eine Auflösung von 18 binären Bits, die fünfzehn Zehntausendsteln eines Grads oder 5,4 Bogensekunden äquivalent ist.

Es sei nun auf Figur 3 Bezug genommen, worin eine mechanische Anordnung veranschaulicht ist, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist und arbeitet. Die Anordnung weist ein Kodiererhauptteil (30), beispielsweise ein Kodierergehäuse, einen Kodiererkörper o.dgl., auf, der an einem Element, beispielsweise einem Arm, einer Oberfläche oder einem sonstigen Element (nicht gezeigt), befestigt ist, bezüglich dem der Winkel einer sich bewegenden Welle (40) gemessen werden soll. An den

"- ^; ·36*υ59Τ>9Γ

Kodiererhauptteil (30) ist ein Motor (32) angekoppelt bzw. ist dieser Motor (32) mit dem Kodiererhauptteil (30) verbunden, und dieser Motor weist einen Rotor (34) auf, der so angeordnet bzw. verbunden ist, daß er ein Markierungsteil (36) innerhalb des Hauptteils (30) rotiert. An dem Hauptteil (30) ist ein Bezugssensor (38) befestigt.

Eine rotierende Welle (40) ist an ein zweites Element, insbesondere einen Arm, eine Oberfläche oder ein anderes Element, angekoppelt, das relativ zu dem Hauptteil (30) des Kodierers gedreht wird. Die Welle (40) ist so angeordnet, daß sie koaxial zum Rotor (34) des Motors (32) rotiert. Wenigstens ein Wellen-Positionsfühler bzw. -sensor (44) ist innerhalb des Hauptteils (30) des Kodierers an die Welle (40) angekoppelt bzw. mit der Welle (40) verbunden angebracht. Eine Mehrzahl von Schleifringen (46), Bürsten oder anderen Verbindungseinrichtungen ist zum Ankoppeln bzw. Verbinden des Positionssensors (44) mit der Tor- und Logikeinheit (in Figur 3 nicht gezeigt) vorgesehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen der Bezugs- und Positionssensor (38) und (44) Lichtquellen und photoelektrische Detektoren sowie eine zugehörige elektrische Schaltung oder mehrere zugehörige elektrische Schaltungen. Alternativ kann jede andere Fühlbzw. Sensoreinrichtung angewandt werden. Weiterhin umfaßt das Markierungsteil (2) entgegengesetzt vorgesehene Drahtarme (48) oder es besteht aus diesen beiden entgegengesetzt, insbesondere radial entgegengesetzt, vorgesehenen Drahtarmen (48), wobei einer dieser Drahtarme (48) so angeordnet und/oder ausgebildet ist, daß er von dem Bezugssensor (38) detektiert wird, während der andere so angeordnet und/oder ausgebildet ist, daß er von dem Positionssensor (44) detektiert wird. Alternativ kann das Markierungsteil eine rotierende opake Scheibe mit zwei transpc-

BAD

•^:- " '3SÜ59Ü9

renten Schlitzen umfassen oder sein, oder eine transprente Scheibe mit zwei opaken Markierungslinien, oder irgendeine andere Markierungseinrichtung, die von der angewandten speziellen Fühl- bzw. Sensoreinrichtung detektierbar'ist.

Die Betriebsweise einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wie nachfolgend unter zusätzlicher Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wird, folgende: Die Ausgangssignale von dem Bezugs- und Positionssensor (12) und (14) werden der Logikeinheit (20) zugeführt. Der Taktimpulsgenerator (18) ist auch an die Logikeinheit (20) angekoppelt, um die verschiedenen Ausgangssignale zeitlich angemessen zu synchronisieren, so daß auf diese Weise eine genaue Zählung ermöglicht wird. Beim Empfang eines Signals vom Bezugssensor (14) bzw. (38), der anzeigt, daß eine Umdrehung des Motors (32) vollendet worden ist, gibt die Tor- und Zeitgebungs- bzw. Taktlogikeinheit (20) ein LADE-Signal an das Bezugssignal- bzw. Bezugsspeicherregister (22), durch welches dieses instruiert wird, die Zahl zu speichern, die in dem Zähler (18) registriert ist. Nach einer sehr kurzen Verzögerung gibt die Einheit bzw. die Tor- und Zeitgebungslogikeinheit (20) ein RÜCKSTELL-Signal an den Zähler (18), das diesen auf Null zurückstellt. Da der Taktimpulsgeber (16) permanent mit dem Zähler (18) verbunden ist, beginnt der Zähler sofort wieder mit einem neuen Zählvorgang.

Wenn ein Signal vom Positionssensor (12) bzw. (44) anzeigt, daß die Positionsmarkierung (48) auf dem Markierungsteil (36) detektiert worden ist, gibt die Logikeinheit (20) ein LADE-Signal an den Positionssignal- bzw. Positionsspeicher (24), der dann die Zahl speichert, die in diesem Augenblick im Zähler (18) registriert ist. Gleichzeitig gibt die Logikeinheit (20) ein ÜNTERBRECHUNGS-Signal an die

BAD ORIOiMAL

Zentraleinheit (CPU) (20), wodurch diese instruiert wird, die Zahlen auszulesen, die in den beiden Signalspeichern (22) und (24) gespeichert sind, und die Rechnung (t₂/t..)XN+K auszuführen, worin N eine Zahl ist, die durch die' verwendeten Meßeinheiten bestimmt ist, wie beispielsweise 360 für Messungen in Grad, während K eine Konstante ist, die addiert oder substrahiert wird und die Verwendung einer anderen Nullbezugslage als diejenige, die durch die. ortsfeste Position des Bezugssensors (22) bzw. (38) festgelegt ist, angibt. Alternativ kann die Logikeinheit (20) ein UNTERBRECHUNGS-Signal an die Zentraleinheit (CPU) (20) zum Zeitpunkt des Empfangs des Bezugssignals anstelle zum Zeitpunkt des Empfangs des Positionssignals geben.

Es sei darauf hingewiesen, daß das vorstehend beschriebene Verfahren die Berechnung der Wellenposition unter Verwendung der Messung von t~, die in der Umdrehung stattfindet, welche auf diejenige von t, folgt (d.h. in der auf die Bezugsmessung folgenden Umdrehung) beinhaltet. Das ist deswegen zu bevorzugen, weil es in Realzeit genauer ist bzw. in Realzeit genauere Ergebnisse erbringt. Jedoch kann die Berechnung alternativ auch dadurch ausgeführt werden, daß t~ während der gleichen Umdrehung wie t.. gemessen wird.

Wenn es gewünscht wird, die Abtast- bzw. Meßfolge zu erhöhen, kann auch mehr als ein an die Welle angekoppelter Positionssensor vorgesehen sein.

Ein Beispiel einer geeigneten Elektronikschaltung ist in den Figuren 4/1 und 4/2 veranschaulicht. Wie man daraus ersieht, ist der Ausgang der Oszillatorschaltung, die als Taktimpuls- bzw. Taktgeber arbeitet, an die Taktimpulsbzw. Takteingänge der Zählereinheiten und an die beiden Flipflops (74ALS109), die als Flipflops vom D-Typ geschal-

36Ό59Γ09'

tet sind, angekoppelt. Diese beiden Flipflops nehmen die Sensorsignale auf und lassen sie beim Empfang eines Taktimpulses passieren bzw. hindurchgehen.

Wie dargestellt, besteht der Zähler aus fünf vierziffrigen Binärzählern (74AS163), so daß er eine maximale Zählung von 20 binären Ziffern bzw. 20 Binärstellen ermöglicht. Jeder der beiden Signalspeicher, welche die Zählwerte speichern, ist aus drei 74LS374 zusammengesetzt, von denen jeder aus acht Flipflops vom D-Typ besteht. Zwanzig der 24 Flipflops werden dazu verwendet, die 20ziffrige bzw. -stellige Zahl von dem Zähler zu speichern.

Eine der 74ALS1O9-Einheiten nimmt das Ausgangssignal von dem photoelektrischen Hochgeschwindigkeitssensor auf, und beim Empfang des Taktgebungsimpulses gibt dessen Ö-Ausgang ein LADE-Signal an die Taktimpuls- bzw. Takteingänge der drei Bezugssignalspeicher, die als integrierte Schaltungen, sogenannte ICs ausgeführt sind. Nach einer Verzögerung, die mittels Durchgang durch eine zusätzliche NAND-Stufe erzeugt wird, wird ein RÜCKSTELL-Impuls auf den Löscheingang der fünf Zähler gegeben.

Die andere 74ALS1O9-Einheit nimmt das Signal des Positionssensors auf und gibt dieses von ihrem Q"-Anschluß ab, um den Zählwert in die drei Positionssignalspeicher zu laden, die als ICs ausgeführt sind. Von ihrem Q-Anschluß gibt sie das UNTERBRECHUNGS-Signal ab, welches die Zählerschaltung dahingehend instruiert, daß diese die Signalspeicher auslesen und die Rechnungen ausführen soll.

Alternativ kann irgendeine andere elektrische Schaltung oder irgendeine andere mechanische oder andere Einrichtung zum Ausführen der angegebenen Funktionen angewandt werden.

• *. ft # «

3605EfOSi

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschränkt, was vorstehend als Beispiel beschrieben ist, sondern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, der in den Ansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er den gesamten Unterlagen zu entnehmen ist, in vielfältiger Weise abwandeln und mit Erfolg ausführen.

- Leerseite -

Claims

5367 JS/sz Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der Winkelposition eines drehbaren Elements, insbesondere einer drehbaren Welle, relativ zu einer festen Bezugslage PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition eines drehbaren Elements, insbesondere einer drehbaren Welle, relativ zu einer festen bzw. demgegenüber festen Bezugslagen, dadurch gekennzeichnet , daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Messen der Zeit (t..) einer 360°-Drehung eines Motors (32'; ;

Messen der Zeit (t_) vom Beginn einer Drehung des Motors (32) bis zu der Augenblicksposition des Elements, ini-,be-sondere der Welle (40) , bzw. bis zum Erreichen der Augenblicksposition des Elements, insbesondere der Welle (4C); und

Erzeugen einer Ausgangsanzeige bzw. eines AusgangssignaJs des Absolutwinkels der Drehung des Elements, insbesondet<· ■der Welle (40) , durch Berechnen des Verhältnisses (t /tJ der Zeit (t₂), die bis zum Erreichen der Element- bzw. Wellenposition vergeht, zur Zeit (t.) einer 360°-Dr-hung des Motors (32).

BAD ORIGINAL

2. Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition eines drehbaren Elements, insbesondere einer drehbaren Welle (40), relativ zu einem Bezugselement, das an ein Kodiererhauptteil (30) angekoppelt bzw. mit einem Kodiererhauptteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Fühlen bzw. Detektieren der Gegenwart des Bezugselements und Abgeben eines Bezugsausgangssignals, das dem entspricht?

Beginnen des Zählens in einem Zähler (18) in Ansprechung auf das Ausgangssignal;

danach erneut Fühlen bzw. Detektieren der Gegenwart des Bezugselements und Abgeben eines zweiten Bezugsausgangssignals, das dem entspricht;

Laden bzw. Einlesen des Werts in der Zählereinrichtung (18) in ein Bezugssignalspeicherelement (22) und Rückstellen der Zählereinrichtung (18) in Ansprechung auf das zweite Bezugsausgangssignal;

Fühlen bzw. Detektieren der Gegenwart des Elements, insbesondere der Welle (40), und Abgeben eines Element- bzw. Wellenpositionsausgangssignals, das dem entspricht;

Laden bzw. Einlesen des Werts in den Zähler (18) in ein Positionssignalspeicherelemerit (24) in Ansprechung auf das Element- bzw. Wellenpostionsausgangssignal; und

Erzeugen eines Ausgangssignals, das dem Verhältnis des Werts 'des Element- bzw. Wellenpositionssignalspeicherelement« {24} zu dem Wert des Bezugssignalspeicherelements (22) entspricht.

3. Einrichtung zum Bestimmen der Winkelposition eines drehbaren Elements, insbesondere einer drehbaren Welle 140},

relativ zu einer festen bzw. demgegenüber festen Bezugslage, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung folgendes umfaßt:

Eine Einrichtung (14,16,18) zum Messen der Zeit (t^) einer 360"-Drehung eines Motors (32);

eine Einrichtung (12,16,18) zum Messen der Zeit (t₂) vom Beginn einer Drehung des Motors (32) bis zur augenblicklichen Position des Elements, insbesondere der Welle (40); und

eine Einrichtung (26) zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals des Absolutwinkels der Drehung des Elements, insbesondere der Welle (40), durch Berechnen des Verhältnisses (t./t₂) der Zeit (t₂) zum Erreichen der Element- bzw. Wellenposition zur Zeit (t,) der 360°-Drehung des Motors (32)

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen folgendes • umfaßt:

Einen Kodiererhauptteil (30) , der an ein Bezugselement angekoppelt bzw. mit einem Bezugselement verbunden ist;

einen Motor (32) , der an den Hauptteil (30) zum drehbare.. Antreiben eines detektierbaren Teils (48) angekoppelt izz bzw. der mit dem Hauptteil (30) zum drehbaren Antreiben eines detektierbaren Teils (48) verbunden ist;

einen Bezugsfühler bzw. -sensor (14,38), der an den Haupcteil (30) zum Fühlen bzw. Detektieren der Gegenwart des detektierbaren Teils (48) angekoppelt bzw. mit diesem Hauptteil (30) verbunden ist und ein Bezugssignal in Ansprechung hierauf an die Einrichtung (26) zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals abgi^L; -..·. .<

t ·■ * «

einen Positionsfühler bzw. -sensor (12,44) , der an das Element, insbesondere die drehbare Welle (40), zum Fühlen bzw. Detektieren der Gegenwart des detektierbaren Teils (48) angekoppelt bzw. mit dem Element, insbesondere der drehbaren Welle (40), verbunden ist und ein Element- bzw. Wellenpositionssignal in Ansprechung hierauf an die Einrichtung (26) zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals abgibt»

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugs- und Positionsfühler bzw. -sensoren (14,38 bzw. 12,44) Lichtquellen und photoelektrische Detektoren sowie zugehörige Elektronikschaltung umfassen oder aus einer oder mehreren Lichtquellen, einem oder mehreren photoelektronischen Detektoren und zugehöriger Elektronikschaltung bestehen.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß das detektierbare Teil (48) zwei entgegengesetzt vorgesehene Drahtarme umfaßt oder aus zwei entgegengesetzt vorgesehenen Drahtarmen besteht, von denen jeder so angeordnet und/ oder ausgebildet ist, daß er von einem der beiden Fühler bzw. Sensoren, nämlich vom Bezugs- oder Positionsfühler bzw. -sensor (14,38 bzw. 12,44) detektierbar ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige oder eines Ausgangssignals folgendes umfaßt:

einen Oszillator (16) zum Zuführen eines zu zählenden Taktimpuls- bzw. Taktsignals;

wenigstens einen mehrziffrigen bzw. mehrstelligen Zähler (18) zum Zählen des Taktimpuls- bzw. Taktsignals;

SAD

wenigstens ein Bezugssignalspeicherelement (22) zum Registrieren der Zählwerte zwischen Rückstellungen des Bezugsfühlers bzw. -sensors (14,38);

wenigstens ein Positionssignalspeicherelement (24) zum Registrieren der Zählwerte von der Bezugsrückstellung zu einer Fühl- bzw. Detektionsanzeige bzw. zu einem Fühl- bzw. Detektionssignal von dem Positionsfühler bzw. -sensor (12/44); und

eine Signalverarbeitungs- bzw. Verarbeitungseinrichtung (26) zum Aufnehmen der Zählwerte von dem wenigstens einen Bezugssignalspeicherelement (22) und dem wenigstens einen Positionssignalspeicherelement (24) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das dem Absolutwinkel der Drehung des Elements, insbesondere der Welle (40), entspricht.