DE3718733A1 - Impulsgerberschaltung fuer inkrementale positionsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Impulsgeberschaltung für inkre­ mentale Positionsgeber, insbesondere handbetätigte Geber mit mechanischer oder magnetischer Rastung, welche die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweisen.

Bei den bekannten Impulsgeberschaltungen dieser Art besteht die Richtungserkennungslogik aus zwei Flip-Flop-Paaren, die bereits bei einer geringen Bewegung des von den Bewegungssensoren abgetasteten Geberteils je nach Bewegungsrichtung einen Vorwärts­ impuls oder einen Rückwärtsimpuls zur Verfügung stellen. Erreicht der Geberteil bei dieser Bewegung nicht die nächste Weg- oder Winkelposition, dann kehrt er infolge der Rückstellkraft der mechanischen oder magnetischen Rastung wieder in die Ausgangs­ position zurück und erzeugt hierbei einen die entgegengesetzte Bewegungsrichtung kennzeichnenden Impuls. Da bei einer Geber­ verstellung ein Überschwingen des Geberteils über die angesteu­ erte Weg- oder Winkelposition vielfach nicht verhindert werden kann, lassen sich z. B. Fehler bei der Positionsbestimmung auf­ grund der gezählten Impulse bei den bekannten Impulsgeberschal­ tungen nicht vermeiden. Darüberhinaus ist es insbesondere bei handbestätigten Gebern wünschenswert, wenn der Geber nur einen einzigen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn der bewegliche Geberteil von der einen in die benachbarte Raststellung bewegt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Impulsgeber­ schaltung zu schaffen, welche derartige Fehler vermeidet, d. h. sicherstellt, daß die Zahl der gezählten Impulse mit der tat­ sächlichen Weg- oder Winkelposition übereinstimmt. Diese Aufgabe löst eine Impulsgeberschaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Information, welche die Richtungserkennungslogik liefert, nur dazu verwendet, die Bewegungsrichtung zu erkennen. Der Vorwärtsimpuls oder Rückwärts­ impuls, aufgrund dessen die Zählung erfolgt, wird erst dann zur Verfügung gestellt, wenn der sich bewegende Geberteil die nächste durch die Rastung definierte Weg- oder Winkelposition erreicht oder sich ihr so weit genähert hat, daß er aufgrund der Rückstellkraft der Rastung in diese Position gezogen wird. Der zusätzliche Aufwand, den die erfindungsgemäße Lösung erfor­ dert, ist gering. Außerdem erlaubt sie in einfacher Weise eine Umwandlung der Zählimpulse in Setzimpulse, falls dies erforder­ lich ist, um eine bereits vorhandene Steuerung einer Maschine direkt ansteuern zu können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste und zweite Flip-Flop je ein D-Flip-Flop mit dynamischer Trigger­ eingang. Dieser Triggereingang ist ebenso wie die Zählimpuls­ logik an einen Taktgenerator angeschlossen, dessen Taktfre­ quenz größer ist als das Vierfache der Wiederholungsfrequenz der Signale der beiden Bewegungssensoren. Hierbei führt diejenige Flanke der beiden durch die Bewegungssensoren erzeugten Digitalsignale, welche von der gerade verlassenen Ausgangsposition den größten Abstand hat, nur zu einer Vorbereitung des Vorgangs des zugeordneten Flip-Flops, das dann beim nächsten Taktimpuls gesetzt wird.

Hat der Geber einen Meßstab oder Geberteil, der aus in der Bewegungsrichtung im Wechsel aufeinander folgendenden lichtdurch­ lässigen und lichtundurchlässigen Bereichen gleicher Länge besteht, wobei die Schrittlänge gleich zwei dieser aufeinander folgenden Bereiche ist und als Bewegungssensoren zwei Licht­ schranken vorgesehen sind, dann sind diese vorzugsweise so bezüglich des Maßstabes angeordnet, daß Signalzustandswechsel bei der einen Lichtschranke spätestens bei 12,5% sowie zwischen 50% und 75% eines vollen Schrittes und bei der anderen Licht­ schranke zwischen 25% und 50% sowie zwischen 75% und 100% eines vollen Schrittes auftreten.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert: Es zeigt

Fig. 1 einen unvollständig und schematisch darge­ stellten Schnitt des Gebers;

Fig. 2 das Rückstellmoment der Rastung und die Signal­ pegel der beiden Lichtschranken in ihrer Abhängigkeit von der Stellung des Inkremen­ tal-Maßstabes des Gebers;

Fig. 3 ein Weg-Zeitdiagramm für die Lichtschran­ kenzustände sowie mit entsprechendem Zeit­ maßstab Diagramme für den Zustand der beiden Flip-Flops und die Zählimpulse;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels.

Ein manuell betätigbarer Winkelgeber weist eine kreisförmige Geberscheibe auf, die auf einer sie in ihrem Zentrum lotrecht durchdringenden Achse drehbar gelagert ist. Die äußere Rand­ zone dieser Geberscheibe besteht aus im Wechsel aufeinander folgenden Zähnen 11 und Zahnlücken 12, die in Umfangsrichtung eine gleiche Breite haben. Statt der Geberscheibe könnte auch eine translatorisch verschiebbare Geberleiste vorgesehen sein, die längs ihres einen Längsrandes den aus den Zähnen 11 und Zahnlücken 12 gebildeten Inkrementalmaßstab trägt. Der Geber­ scheibe ist eine magnetische Rastung mit zwei Polkörpern 13 und 14 zugeordnet. Wie Fig. 1 zeigt, ist die die Zähne 11 und die Zahnlücken 12 bildende Randzone der Geberscheibe zwischen diesen beiden spiegelbildlich gleich ausgebildeten Polkörpern 13 und 14 angeordnet, die auf ihrer der Geberscheibe zugewandten Seite Polzähne 15 und Pollücken 16 aufweisen, welche wie die Zähne 11 und die Zahnlücken 12 im Wechsel aufeinander folgen und die gleiche Breite wie die Zähne 11 haben. Ein Permanentmagnet, der den magnetischen Fluß vom einen Polkörper 13 zum anderen Polkörper 14 bewirkt, ist schematisch durch seinen Nordpol 17 und seinen Südpol 18 darge­ stellt, zwischen denen die Polkörper liegen. Der magnetische Fluß überquert den Luftspalt zwischen den Polzähnen 15 der beiden Polkörper 13 und 14 und sucht deshalb die aus ferromagnetischem Material bestehenden Zähne 11 in der in Fig. 1 dargestellten Lage zu halten, in der sie auf die Polzähne 15 ausgerichtet sind.

Die Größe des auf die Geberscheibe einwirkenden Rückstell­ momentes der magnetischen Rastung in Abhängigkeit von der Stellung der Zähne 11 bezüglich der Polzähne 15 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei positive Werte des Rückstell­ momentes M _r ein Drehmoment in der einen Richtung und negative Werte ein Drehmoment in der entgegengesetzten Richtung bedeuten. Durch die unterhalb der Drehmomentkurve einge­ zeichneten Richtungspfeile wird verdeutlicht, daß bei einer Drehung der Geberscheibe aus der in Fig. 1 dargestellten Lage heraus das Rückstellmoment bis zu einem Maximalwert zunimmt und dann wieder den Wert Null erreicht. In dieser Stellung stehen die Zähne 11 genau zwischen zwei Polzähnen 15. Daher herrscht ein labiles Gleichgewicht. Wird die Geberscheibe in der gleichen Richtung weiterbewegt, dann wirkt auf sie das Rückstellmoment in dieser Richtung, wobei es zunächst wieder auf einen Maximalwert ansteigt und dann beim Erreichen der nächsten stabilen Gleichgewichts­ lage wieder den Wert Null erreicht. Diese Abhängigkeit des Rückstellmomentes von der Stellung der Zähne kann dazu führen, daß die Geberscheibe nach dem Verlassen einer stabilen Gleichgewichtslage nicht die nächste stabile Gleichgewichtslage erreicht, also um einen Schritt weiter­ bewegt wird, sondern in einer Position zwischen der stabilen und der nächstfolgenden labilen Gleichgewichtslage zum Stillstand kommt und dann durch das Rückstellmoment wieder in die stabile Ausgangslage zurückkehrt.

Um die Bewegung der Geberscheibe zu erfassen, ist, wie Fig. 1 zeigt, eine erste Lischtschranke 19 so angeordnet, daß ihr Lichtstrahl eine der Zahnlücken 12 durchdringt, jedoch bei einer Bewegung der Zähne 11 nach rechts bei einer Blickrichtung gemäß Fig. 1 vom benachbarten Zahn 11 unterbrochen wird, wenn die Geberscheibe um einen Winkel in dieser Richtung gedreht worden ist, der 12,5% des in Fig. 1 mit Δ x gekennzeichneten vollen Inkrementalschrittes beträgt. Eine zweite Lichtschranke 20 ist so angeordnet, daß in jeder stabilen Position der Geberscheibe ihr Licht­ strahl in eine der Zahnlücken 12 fällt und daß eine Dreh­ bewegung der Geberscheibe um den gleichen Winkel, jedoch in der entgegengesetzten Richtung wie bei der ersten Licht­ schranke 9 zur Unterbrechung des Lichtstrahles durch einen der Zähne 11 führt. Um die Drehwinkel oder die Wegstrecken x, bei denen die Signale A und B der beiden Lichtschranken einen Zustandswechsel erfahren, möglichst genau zu defi­ nieren, sind den beiden Lichtschranken Blenden 21 zugeord­ net.

Bezeichnet man den Zustand des Lichtschrankensignals mit "1", wenn die Lichtschranke nicht unterbrochen ist, und mit "0", wenn die Lischtschranke unterbrochen ist, dann ergeben sich die im ersten Diagramm der Fig. 3 in Abhängig­ keit vom Weg x angegebenen Zustände der Signale A und B. Aus dieser Aufstellung ist ersichtlich, daß es vier ver­ schiedene, mit 0-3 gekennzeichnete Signalzustandskom­ binationen SZK gibt, welche sich über je einen Weg von erstrecken. Die im ersten Diagramm der Fig. 3 mit "3" gekennzeichnete Kombination erstreckt sich von einer der stabilen Positionen aus in beiden Bewegungsrichtungen über je . Wie Fig. 4 zeigt, liegen die Signale A und B der beiden Lichtschranken 19 bzw. 20 an je einem D-Flip- Flop 22 mit dynamischem Vorbereitungseingang. Der Q-Ausgang dieser beiden Flip-Flops 22 ist einerseits mit je einem zweiten, gleich ausgebildeten D-Flip-Flop 23, und anderer­ seits mit einer Logikschaltung 24 verbunden, an die auch die Q-Ausgänge der D-Flip-Flops 23 angeschlossen sind und die zusammen mit den Flip-Flops 22 und 23 eine Richtungs­ erkennungslogik bilden. Die Logikschaltung 24 hat außerdem wie die Flip-Flops 22 und 23 einen Takteingang, der an einen nicht dargestellten Taktgenerator angeschlossen ist, dessen Taktfrequenz mehr als viermal so groß ist wie die Wiederholfrequenz der Signale A und B der beiden Lichtschranken bei maximaler Bewegungsgeschwindigkeit der Geberscheibe.

Wie sich der Fig. 3 entnehmen läßt, liefert die Logikschal­ tung 24 beim Übergang von der Signalzustandskombination 3 zur Signalzustandskombination 2, also bei der Bewegung der Geberscheibe aus einer der definierten Positionen heraus umd mindestens in der Vorwärtsrichtung ein Vor­ wärts-Signal, mittels dessen ein erstes Flip-Flop oder Vorwärts-Flip-Flop 25 gesetzt wird. Der Zustand dieses Vorwärts-Flip-Flops 25 ist im zweiten Diagramm der Fig. 3 dargestellt, wobei "1" den gesetzten Zustand bedeutet. Bei einer weiteren Vorwärtsbewegung der Geberscheibe bleibt das Vorwärts-Flip-Flop 25 bis zum Übergang von der Signal­ kombination 1 zur Signalkombination 3, also bis zu Δ x gesetzt. Erst dann erhält es ein Reset-Signal von einer Rest-Logik, welche in die Logikschaltung 24 einbezogen ist.

Eine Bewegung der Geberscheibe in der Rückwärtsrichtung hat zur Folge, daß die Logikschaltung 24 nach einem Weg von , also beim Übergang von der Signalzustandskombina­ tion 3 zur Signalzustandskombination 1, ein Rückwärts­ signal an ein zweites Flip-Flop oder Rückwärts-Flip-Flop 26 abgibt, das dadurch gesetzt wird. Das Vorwärts-Flip-Flop 25 und das Rückwärts-Flip-Flop 26 sind wie die Flip-Flops 22 und 23 D-Flip-Flop mit dynamischem Vorbereitungsein­ gang. Ihr Takteingang ist ebenfalls an den Taktgenerator angeschlossen. Ein Reset-Signal erhält das Rückwärts-Flip- Flop 26 von der Reset-Logik beim Übergang von der Signal­ zustandskombination 2 zur Signalzustandskombination 3 und von der Signalzustandskombination 1 zur Signalzustands­ kombination 3. Im dritten Diagramm der Fig. 3, das den Zustand des Rückwärts-Flip-Flops 26 zeigt, bedeutet "1" den gesetzten Zustand.

Dem Vorwärts-Flip-Flop und dem Rückwärts-Flip-Flop 26 ist eine Zählimpulslogik 27 nachgeschaltet, welche an die Q-Ausgänge dieser beiden Flip-Flops angeschlossen ist und außerdem je eine direkte Verbindung zu der Logik­ schaltung 24 und dem Taktgenerator hat.

Die Zählimpulslogik 27 gibt an einem ersten Ausgang einen "Vorwärts"-Zählimpuls V aus bei einem Übergang von der Signalzustandskombination 1 zur Signalzustandskombination 3. Dies ist bei der Vorwärtsbewegung der Fall, wenn die Geber­ scheibe Δ x zurückgelegt hat. Der Zählimpuls V wird also erst ausgegeben, wenn von den vier zählbaren Flanken der Signale A und B die vierte erkannt worden ist. In dieser Position kann die Geberscheibe durch die Rückstell­ kraft der Rastung nur noch in die unmittelbar benachbarte definierte Position bewegt werden und nicht mehr in die Ausgangsposition. Nach der Ausgabe des Vorwärtszählimpulses V oder nach dem Zeitpunkt, zu dem ein solcher Impuls aus­ gegeben werden würde, falls zuvor das Vorwärts-Flip-Flop 25 gesetzt worden wäre, erhalten sowohl das Vorwärts-Flip-Flop 25 als auch das Rückwärts-Flip-Flop 26 ein Reset-Signal.

An einem zweiten Ausgang der Zählimpulslogik 27 wird ein "Rückwärts"-Zählimpuls R ausgegeben, wenn beim Übergang von der Signalzustandskombination 2 zur Signalzustands­ kombination 3 das Rückwärts-Flip-Flop 26 gesetzt ist. Ein Übergang von der Signalzustandskombination 2 zur Signal­ zustandskombination 3 bewirkt außerdem zeitlich nach dem Zeitpunkt, zu dem gegebenenfalls der Rückwärtszählimpuls R ausgegeben wird, ein Reset-Signal sowohl an das Vorwärts- als auch an das Rückwärts-Flip-Flop 26. Die Flip-Flops 22 und 23 sowie die Logik-Schaltung 24 dienen also bei der erfindungsgemäßen Lösung nur zu der Erkennung der Richtung, in welcher die Geberscheibe eine der durch die Rastung definierten Positionen verlassen hat. Diese Information wird mittels des Vorwärts-Flip-Flops 25 und des Rückwärts-Flip-Flops 26 gespeichert. Die Zählim­ pulslogik 27 bewirkt, daß in Abhängigkeit von der gespeicherten Information erst kurz vor dem Erreichen der nächsten durch die Rastung definierten Positionen der Zählimpuls erzeugt wird. Dies zeigen auch die Diagramme für den den Vor­ wärtszählimpuls V und den Rückwärtszählimpuls R in Fig. 3.

Im Ausführungsbeispiel weist die Zählimpulslogik 27 zwei weitere Ausgänge für Zählimpulse A* und B* auf. Bei einer Vorwärtsbewegung wird der Zählimpuls A* gleichzeitig mit dem Vorwärtszählimpuls V und der Zählimpuls B* um die halbe Impulsdauer T des Zählimpulses A* versetzt erzeugt. Bei der Rückwärtsbewegung wird der Zählimpuls B* gleichzei­ tig mit dem Rückwärtszählimpuls R und der Zählimpuls A* um die halbe Impulsdauer später erzeugt. Derartige Zähl­ impulskombinationen ermöglichen es in vielen Fällen, bereits vorhandene Maschinensteuerungen direkt anzusteuern.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (5)

1. Impulsgeberschaltung für inkrementale Positionsgeber, insbesondere handbetätigte Geber mit mechanischer oder magnetischer Rastung, mit einer Richtungerkennungs­ logik, die an zwei digitale Bewegungssensoren ange­ schlossen ist und in Abhänigigkeit von der Bewegungs­ richtung, in welcher bei einer Schrittbewegung eine der definierten Weg- oder Winkelpositionen verlassen wird, einen Vorwärtsimpuls bzw. einen Rückwärtsimpuls liefert, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) an den Ausgang für die Vorwärtsimpulse der Richtungs­ erkennungslogik (24) ist ein erstes Flip-Flop (25) und an den Ausgang für die Rückwärtsimpulse ein zweites Flip-Flop (26) angeschlossen,
• b) die Richtungserkennungslogik (24) ist durch eine Reset-Logik ergänzt, die bei der letzten Signal­ änderung der Signale (A, B) des Bewegungssensoren (19, 20) vor dem Erreichen der definierten Weg- oder Winkelpositionen je einen Reset-Impuls für das erste und zweite Flip-Flop (25, 26) ausgibt,
• c) der Richtungserkennungslogik (24) sowie dem ersten und zweiten Flip-Flop (25, 26) ist eine Zählimpuls­ logik (27) nachgeschaltet, die erst bei der letzten Signaländerung der Signale (A, B) der Bewegungs­ sensoren (19, 20) vor dem Erreichen einer der defi­ nierten Weg- oder Winkelpositionen einen Vorwärts­ impuls (V) ausgibt, wenn das erste Flip-Flop(25) sich im gesetzten Zustand befindet, und einen Rück­ wärtsimpuls (R) ausgibt, wenn das zweite Flip-Flop (26) sich in gesetztem Zustand befindet.

2. Geberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählimpulslogik (27) zusätzlich zu je einem Ausgang für die Vorwärtszählimpulse V und Rück­ wärtszählimpulse R oder statt dieser Ausgänge zwei Ausgänge aufweist, an denen Impulspaare (A*, B*) mit für einen Vorwärtszählimpuls bzw. einen Rückwärts­ zählimpuls kennzeichnender unterschiedlicher Zeit­ versetzung ausgebbar sind.

3. Geberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Richtungserkennungslogik (24), das erste und zweite Flip-Flop (25, 26) sowie die Zählimpulslogik (27) an einen Taktgenerator angeschlossen sind, dessen Taktfrequenz größer ist als der vierfache Wert der Wiederholfrequenz der Signale (A, B) der beiden Bewegungssensoren (19, 20).

4. Geberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Flip-Flop (22, 23) je ein D-Flip-Flop mit dynamischem Vorbereitungseingang ist.

5. Geberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Inkrementalmaßstab, der aus in der Bewegungs­ richtung im Wechsel aufeinander folgender lichtdurch­ lässiger und lichtundurchlässiger Bereiche gleicher Länge besteht, einer Schrittlänge von zwei aufeinander folgenden Bereichen und mit zwei Lichtschranken als Bewegungssensoren, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtschranken (19, 20) bezüglich des Inkremental­ maßstabes so angeordnet sind, daß ein Zustandswechsel der Kombination aus den beiden Signalen der Licht­ schranken (19, 20) bei 1/8, 3/8, 5/8 und 7/8 eines der Strecke zwischen zwei definierten Weg- oder Win­ kelpositionen entsprechenden vollen Schrittes erfolgen und der Zustandswechsel bei 1/8 zur Erkennung der Bewegungsrichtung, der Zustandswechsel bei 7/8 zur Auslösung eines Zählimpulses dient.