DE3737720C2

DE3737720C2 - Positionsmeßeinrichtung mit Unterteilungsschaltung

Info

Publication number: DE3737720C2
Application number: DE19873737720
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl Ing Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1987-11-06
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2007-11-07
Also published as: DE3737720C1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Auflösung von inkrementalen Positionsmeßeinrichtungen ist ohne weitere elektronische Unterteilung zunächst nur ¼ der Teilungsperiode, die von zwei um 90° zueinander phasenverschobenen Signalen U1 und U2 erzeugt werden kann. Besitzen die beiden Signale eine genügend gute Sinusform, lassen sie sich zwischen den Nulldurchgängen auf verschiedene Weise elektrisch interpolieren.

Für das nachstehende Beispiel sei die CH-PS 4 07 569 genannt.

Eine Möglichkeit zur elektronischen Meßwertinterpolation ist die Erzeugung von zusätzlichen Hilfsphasen in einem Widerstandsnetzwerk. Die mathematische Grundlage dafür bietet das Additionstheorem. Wählt man die Amplituden der beiden Signale

U1 = A1 * sin X

und

U2 = A2 * cos X,

so, daß

A1 = cos ϕ

und

A2 = sin ϕ,

ergibt sich durch Addition der beiden Signale ein neues Signal

U = sin (ϕ + X),

das zu U1 um ϕ phasenverschoben ist. X ist der Weg, der über eine Teilungsperiode von 0 bis 2 π läuft und ϕ eine Hilfsgröße, die entsprechend dem geforderten Interpolationsgrad gewählt wird.

In modernen Auswerteelektroniken werden auf diese Weise bis zu 25fach-phasenverschobene Signale erzeugt und somit Auflösungen des Meßsystems bis zu ¹/₁₀₀ der Maßstabteilungsperiode erreicht.

Für noch höhere Unterteilungen eignen sich wegen des dann geringeren Schaltungsaufwandes besser Auswerteelektroniken mit Arcus-Tangens-Rechner, die Interpolationswerte zwischen zwei Perioden aus dem Arcus-Tangens des Quotienten der beiden Signale U1 und U2 ermitteln. Denn, wenn die Amplituden A1 und A2 der beiden Signale U1 und U2 gleich groß und konstant sind, gilt

U1/U2 = C sin X / C cos X = tan X

also

Die Quotientenbildung erfordert allerdings - bei den heute für Divisionsvorgänge zur Verfügung stehenden Bauelementen - verhältnismäßig viel Zeit, so daß sich die Laufzeiten erhöhen.

Die maximale Abtastfrequenz beträgt bei einer 25fach- Interpolation mit einem Widerstandsnetzwerk etwa 15 kHz, mit einer Arcus-Tangens-Interpolation etwa 50 kHz. Doch ergeben sich mit dem Arcus-Tangens- Rechner größere Laufzeiten von max. 1 ms gegenüber etwa 3 µs beim Widerstandsnetzwerk.

Aus der DE 24 31 630 A1 ist ein optoelektronischer Aufnehmer zur Entfernungsmessung bekannt geworden, der von einem Tastkörper mit einer Lichtquelle und einer Referenzfläche gebildet ist. In der Stirnfläche des Trägerkörpers ist zudem ein lichtempfindliches Empfängerelement angeordnet, das die Lichtquelle so regelt, daß am lichtempfindlichen Regelelement ein konstanter Fotostrom fließt. Mit dieser Regelung der Lichtquelle sollen Schwankungen des Lichterzeugungsgrades und Änderungen im Trans- und Remissionsvermögen kompensiert werden, die eine Verfälschung des Meßergebnisses nach sich ziehen würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Positionsmeßeinrichtung mit Unterteilungsschaltung die Laufzeit gering zu halten, um eine hohe Abtastfrequenz bei gleichzeitig hoher Unterteilung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird von einer Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Mit den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen kann die Positionsmeßeinrichtung in besonders vorteilhafter Weise ausgestaltet werden.

Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Quotientenbildung aus den beiden Abtastsignalen entfallen kann.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend mit Hilfe der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Positionsmeßeinrichtung mit Unterteilungsschaltung,

Fig. 2 ein Signaldiagramm.

In Fig. 1 ist eine Positionsmeßeinrichtung M dargestellt, bei der in bekannter Weise durch Abtastung einer Maßverkörperung 1 mittels eines Lichtsenders 2 und zwei Fotodetektorpaaren 3 und 4 zwei nullsymmetrische Abtastsignale U1 und U2 erzeugt werden. Diese Abtastsignale U1 und U2 werden zusammen mit daraus abgeleiteten Signalen umgekehrten Vorzeichens -U1 und -U2 einer Schalteinheit S zugeführt.

Ferner werden die Signale U1 und -U2 einem Wandler- Baustein T1 zugeführt, der daraus einen binären Code H1 bildet. Die Signale U1 und U2 werden zusätzlich einem weiteren Wandler-Baustein T2 zugeführt, der daraus einen weiteren binären Code H2 bildet. Die beiden Codes H1 und H2 werden durch Triggerung aus den entsprechenden Abtastsignalen gebildet und über weitere Eingänge der Schalteinheit S zugeführt, in der sie zusammen mit den Abtastsignalen U1, U2 und den Signalen -U1, -U2 weiter verarbeitet werden.

Die Weiterverarbeitung geschieht in der Weise, daß mit Hilfe der beiden Codes H1 und H2 vier Abschnitte - nämlich Abschnitt I (-45° bis 45°), Abschnitt II (45° bis 135°), Abschnitt III (135° bis 225°) und Abschnitt IV (225° bis 315°) - einer Signalperiode bestimmt werden.

In der Schalteinheit S werden dann aus Abtastsignalen U1, U2, -U1 und -U2 mit Hilfe der logischen Zustände der beiden Codes H1 und H2 unter Berücksichtigung der vier Signalperioden-Abschnitte I, II, III und IV zwei Signale G und K entsprechend der Tabelle

geschaltet. Bei konstanter Energieversorgung entstehen Signale G und K wie in der Fig. 2 dargestellt.

Das Signal G wird einem Regler R zugeführt, der die Energieversorgung des Lichtsenders 2 so regelt, daß G einem vorbestimmten Wert G0 entspricht. In diesem Fall gilt mit

U1 = A sin (X · 2 π/C) (1)

und

U2 = A cos (X · 2 π/C) (2)

wobei
C = Signalperiode
X = Weg oder Winkel
A = Signalamplitude

z. B. im Bereich I

G = G0 = A · cos (X · 2 π/C) (3)

woraus sich die variable Amplitude A errechnen läßt zu

und

Da G0, wie erwähnt, eine Konstante ist, entfällt die Division, die im Rechner sehr viel Zeit benötigt und es kann mit dem Signal K, welches in einem Analog-/ Digitalwandler in ein Binärsignal K′ umgewandelt wird, ein Speicher ROM beaufschlagt werden, der trigonometrische Werte in Form einer Arcus-Tangens-Tabelle enthält.

Die Signalkombination des binären Signals K′ am Eingang des Speichers ROM bestimmt, welche Adresse im Speicher ROM angesprochen wird, so daß am Ausgang des Speichers ROM eine binäre Kombination H3 bis Hn anliegt, die unmittelbar von der Eingangskombination des Binärsignals K′ abhängt und Zwischenwerte einer Signalperiode repräsentiert. Die Ausgangssignalkombination H3 bis Hn wird mit den Codesignalen H1 und H2 zusammengefaßt und stellt die momentane Größe X für den Weg oder den Winkel dar.

Als Speicher kann jeder geeignete Baustein verwendet werden, also keinesfalls nur ROMs. Derartige Speicher mit einer Arcus-Tangens-Tabelle als Speicherinhalt sind beispielsweise aus der US-PS 36 18 073 bekannt.

Claims

1. Positionsmeßeinrichtung (M) zur Ermittlung eines Winkels oder Weges (X) mit einer Unterteilungsschaltung (EXE) für analoge periodische Signale (U1, U2) mit Phasenversatz, die durch Abtastung einer inkrementalen Maßverkörperung (1) mittels einer Abtasteinrichtung (A) gewonnen werden, die wenigstens einen Lichtsender (2) und zwei Fotodetektoren (3, 4) aufweist, sowie mit einem Speicher (ROM), der in Abhängigkeit vom gewünschten Unterteilungsfaktor Winkelfunktionswerte der Abtastsignale (U1, U2) in Form einer trigonometrischen Tabelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Fotodetektoren (3, 4) gewonnenen Abtastsignale (U1, U2), invertierte Abtastsignale (-U1, -U2) sowie in Wandler-Bausteinen (T1, T2) daraus gewonnene binäre Codesignale (H1, H2), mit deren Hilfe eine Periode der Abtast signale (U1, U2) in vier gleiche, jeweils durch die logischen Zustände der Codesignale (H1, H2) definierte Abschnitte (I, II, III, IV) unterteilt wird, einer Schalteinheit (S) zugeführt werden, welche aus den Abtastsignalen (U1, U2) und inver tierten Abtastsignalen (-U1, -U2) unter Berücksich tigung der logischen Zustände der Codesignale (H1, H2) ein erstes Ausgangssignal (G) und ein zweites Ausgangssignal (K) bildet, wobei das erste Aus gangssignal (G) einer Regelschaltung (R) für den Lichtsender (2) zugeführt und dieser so geregelt wird, daß das erste Ausgangssignal (G) einem vor bestimmten konstanten Wert (G0) entspricht, und das zweite Ausgangssignal (K) über einen Analog-/Digital wandler (A/D) als Binärsignal (K′) an dem Speicher (ROM) anliegt, dessen Ausgangssignalkombination (H3 bis Hn) die Zwischenwerte einer Signalperiode repräsentiert und zusammen mit den Codesignalen (H1, H2) den Momentanwert für den Winkel oder Weg (X) innerhalb einer Periode der Abtastsignale (U1, U2) darstellt.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinnung der Codesignale (H1, H2) durch Trigger (T1, T2) erfolgt.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (I) den Bereich von -45° bis 45°, der zweite Abschnitt (II) den Bereich von 45° bis 135°, der dritte Abschnitt (III) den Bereich von 135° bis 225° und der vierte Abschnitt (IV) den Bereich von 225° bis 315° bestimmt.

4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Triggern (T1, T2) jeweils Abtastsignale (U1, U2) bzw. ein Abtastsignal (U1) und ein invertiertes Abtastsignal (-U2) zugeführt werden.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (ROM) eine Arcus- Tangens-Tabelle enthält.