DE3641131A1 - Optoelektronischer absolut-winkel-kodierer - Google Patents

Optoelektronischer absolut-winkel-kodierer

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DE3641131A1
DE3641131A1 DE19863641131 DE3641131A DE3641131A1 DE 3641131 A1 DE3641131 A1 DE 3641131A1 DE 19863641131 DE19863641131 DE 19863641131 DE 3641131 A DE3641131 A DE 3641131A DE 3641131 A1 DE3641131 A1 DE 3641131A1
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DE
Germany
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sensor
shadow
light
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disc
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Withdrawn
Application number
DE19863641131
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English (en)
Inventor
Rolf G Eger
Franz Peyer
Norbert Kummerer
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COMPUTERLAB GmbH
Original Assignee
COMPUTERLAB GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
    • H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
    • H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/73—Targets mounted eccentrically with respect to the axis of rotation

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein digitaler optoelektronischer Absolut-Winkel-Kodierer - also ein Geber mit der Fähigkeit einer absoluten Winkelmessung.
Stand der Technik bei optoelektronischen Winkelkodierern ist die Verwendung von Kodierscheiben mit entweder Absolut-Kodier- Information oder mit Inkremental-Information.
Bei Absolut-Winkelkodierern sind für hoch auflösende Geber Fertigungsaufwand und entsprechend die Kosten sehr hoch. Die Anforderungen an die erforderliche Montagegenauigkeit ist hoch. Da die Baugröße linear von der Auflösung abhängt, ergeben sich oft ungünstig groß dimensionierte Geber.
Bei Inkrementalgebern ist die Bauform günstiger, ebenso sind die Fertigungskosten geringer. Der Justier-Aufwand ist hoch, der nachteilige Effekt der nicht absoluten Messung muß oft durch hohen peripheren Aufwand kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist, einen prinzipiell einfachen und leicht anfertigbaren Meßgeber zu entwickeln, bei dem jegliche Meßproble­ matik mittels der Mikrocomputertechnik und nicht mittels einer aufwendigen Mechanik gelöst werden soll.
Die Lösung der Aufgabe zeigt erfindungsgemäß einen optoelektronischen Absolutwinkelkodierer mit den charakteristischen Merkmalen des Patentanspruches; die Komponenten sind aus dem Prinzipbild ersichtlich - siehe Bild 1:
  • - rotierendes Element (1),
  • - Lichtschatten-Erzeuger-Scheibe (2),
  • - Leuchte (3),
  • - Licht-Flächen-Sensor (4).
Die Funktion - siehe Fig. 1 - ist derart, daß die Drehbewegung eines rotierenden Elementes (1) über die angeflanschte Lichtschattenerzeuger-Scheibe (2) mittels einer Lichtquelle (3) und eines Lichtsensors (4) gemessen wird.
Die Lichtquelle (3) projiziert, mit oder ohne Optik, Licht auf den optoelektronischen Sensor (4). Infolge der Drehbewegung der Licht­ schattenerzeugerscheibe (2) liegt der Sensor (4) mehr oder weniger im Lichtschatten der Lichtquelle. Der Lichtschatten wird opto­ elektronisch gemessen. Die Lichtschatten-Größe und -Konfiguration ist ein Maß für die Winkelstellung des rotierenden Elementes (1).
Die Exzenterscheibe kann eine Kreisscheibe mit exzentrischer Lagerung sein, oder sie kann ein anderweitig exzentrisch aufgebrachter Kreisfleck auf einer zentrisch gelagerten Kreisscheibe sein, oder es wird eine Spiral-Scheibe verwendet - wichtig ist nur die für jeden Drehwinkel signifikant verschiedene Lichtschattenerzeugung der drehenden Scheibe auf dem Lichtsensor.
Bei Verwendung eines Zeilen- bzw. Spalten-Sensors bzw. eines kleinen Flächensensors, der nicht einen vollen Quadranten der exzentrischen Lichtschattens erfaßt, ist nur die direkte absolute Winkelmessung über einen halben Kreisbogen möglich.
Bei 2 um 90 Grad versetzten Sensoren (auch Zeilensensoren) ist auch bei beliebig kleinen bzw. schmalen Sensor eine Winkelkodierung über volle 360 Grad möglich - mit dem Vorteil konstanter Meßwert­ auflösung (da: sin2 α + sin2 (90° + α) = 1).
Die Auflösung des Gebers wird bestimt von der lichtoptischen Auflösfähigkeit des Sensors, d. h. ist proportional zur Anzahl der Sensor-Zellen auf der Sensor-Fläche.
Für die Meßwertverarbeitung ist eine Auswerte-Elektronik erforder­ lich. Die Verwendung eines Mikro-Computers ist dabei eine sinnvolle Empfehlung, da hierbei vor allem die Meßwertverarbeitung (d. h. die Lichtschatten-Interpretation) dem Stand der Technik entsprechend günstig realisierbar ist, der Meßwert leicht als digitales (evtl. serielles) Signal ausgebbar ist; der Geber kann entweder periodisch den jeweils neuesten Wert liefern, oder er liefert die gewünschte Winkelinformation nur auf Anforderung.
Die realisierbare Baugröße ist vorwiegend abhängig von der Größe des lichtempfindlichen Sensors, der auch die Größe der Licht­ schattenerzeugerscheibe bestimmt. Sekundär ist bei einer Realisierung auch noch die Größe der Auswerte-Elektronik von Einfluß. Die Auswerte-Elektronik kann örtlich getrennt vom eigent­ lichen Sensor (Lichtsensor + Leuchte + Lichtschattenscheibe) untergebracht sein.
Mit einer Auswerte-Elektronik können im übrigen mehrere Sensoren parallel und gleichzeitig betrieben werden.
Durch Verwendung einer Optik ändert sich die notwendige Größe der Lichtschattenerzeugerscheibe und damit auch die restliche Baugröße.
Die Montage der Kreisscheibe des Winkeldekoders erfolgt üblicherweise an einer Welle - in Längsachsen-Richtung; eine dabei auftretende Montage-Exzentrizität kann durch Kalibrierung kompen­ siert werden, d. h. die Montage kann in praxi unpräzise erfolgen; die prinzipielle Auflösemöglichkeit des Gebers wird dabei zwar eingeschränkt, doch kann dazu jeweils eine hinreichende Reserve vorgesehen werden (interne Messung mit hoher Auflösung, externe Meldung mit geringerer Auflösung).
Der noch verbleibende Montage-Toleranz-Fehler in Achsenlängs­ richtung verändert den Abstand der Exzenter-Scheibe vom Lichtsensor (größer, d. h. näher zur Lichtquelle) - er ist in praxi ebenfalls unkritisch.
Die erzielten Vorteile der Erfindung gegenüber anderen digital arbeitenden Absolut-Winkel-Kodierern sind
  • - höhere Auflösungsmöglichkeit (Meßgenauigkeit),
  • - kleinere Baugröße,
  • - geringerer Bauaufwand
  • - geringerer mechanischer Montage- und Justier-Aufwand,
  • - beliebige Nachkalibrier-Möglichkeit, auch bei montiertem Geber,
  • - bessere Anpassung an digital arbeitende Computersysteme (durch direkte digitale Meßwertausgabe).
Ausführungs-Beispiel 1
Winkeldekoder mit kostengünstigem lichtempfindlichen Sensor mit direkter 180-Grad-Absolut-Messung - siehe Fig. 2.
Die Komponenten des Ausführungs-Beispiels sind
  • - Leuchtdiode als Lichtquelle,
  • - lichtempfindliches Speicher-Bauelement (optisches dynamisches RAM), anstelle eines derzeit teureren speziellen Lichtsensors (CCD), als optoelektronischer Flächensensor von 2 × 128 × 256 Sensor-Zellen,
  • - dünne lichtundurchlässige Kreisscheibe mit exzentri­ scher Lagerung, wodurch sich bei einer Umdrehung eine Minimal- und eine Maximal-Überdeckung des Licht­ schattens ergibt, mit allen Zwischenstufen.
Die Winkelinformation ergibt sich bei dieser Realisierung funktional als Arcus-Cosinus der jeweiligen Lichtschatten- Überdeckung einer Sensor-Spalte.
Für die Meßwert-Auflösung (Meßgenauigkeit) gilt hier Auflösung = 2 × 128 (Spalten) × 256 (Zeilen) = 65 536 = 64 kbit, was einer Auflösung von 16 bit entspricht.
Die Baugröße wird im Beispiel wesentlich von dem Lichtsensor und davon abhängig von der Lichtschattenerzeuger-Scheibe bestimmt, da keine Optik verwendet wird.
Für die Auswerteelektronik sind hier als mögliche Realisierung zusätzlich zum Lichtsensor nur 3 weitere Bausteine hinreichend:
Mikrocomputer, Speicher, Treiber für die serielle Schnittstelle.
Ausführungsbeispiel 2
Winkeldekoder mit direkter 360-Grad-Absolut-Messung und zentralem Flächen-Sensor (alle 4 Quadranten werden überdeckt) - siehe Fig. 3. Ein relativ großer Flächensensor (u. a. erreichbar via Optik) erfaßt die Drehbewegung über einen vollen Kreis - wobei über dem gesamten Drehwinkelbereich jede Winkelstellung ein signifikant spezifisches Schattenbild auf der Sensorfläche erzeugt.
Ausführungsbeispiel 3
Eine Realisierung mit 2 Sensoren, die im Kreis um 90 Grad versetzt angebracht sind, liefert eine gleichartige direkte Absolutgeber­ fähigkeit wie bei Ausführungsbeispiel 3 - siehe Fig. 4.

Claims (1)

  1. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
    • - die Drehbewegung eines rotierenden Elementes (Drehwinkel-Messung) mittels einer angeflanschten Lichtschattenerzeuger-Scheibe, einer Lichtquelle und eines Lichtsensors gemessen wird,
    • - für die Lichtschattenerzeuger-Scheibe keine Kodierung verwendet wird,
    • - der Lichtschatten mittels eines Opto-Elektronischen- Flächen- (Zeilen-) Sensors von 1 bis m Spalten und 1 bis n Zeilen gemessen wird,
    • - die Winkelmessung einen absoluten Winkelwert liefert,
    • - die Winkelmessung berührungslos gegenüber dem rotieren­ den Element erfolgt,
    • - die Montage-Toleranz (des Winkelkodierers gegenüber dem zu messenden rotierenden Element - z. B. Welle) bedeutend größer als die Meß-Toleranz (Meßwertänderung infolge Drehwinkeländerung oder Montagepositions­ änderung) sein darf,
    • - eine Kalibrierung jederzeit erfolgen kann - auch nach Montage des Gebers an das rotierende Element -, und zwar mittels Definition einer Null-Position und Berücksichtigung der aktuellen Meßwert-Auflösung (Meßgenauigkeit),
    • - eine Auflösungserhöhung durch Verwendung mehrerer optoelektronischer Sensoren möglich ist,
    • - die Verwendung einer Optik (zum Verkleinern oder Vergrößern des Lichtschattens - zur Anpassung von Mechanik und Lichtsensor) möglich ist,
    • - das Meßsystem digital arbeitet und ein digitales Meßwertsignal liefert.
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