DE3921312A1

DE3921312A1 - Hochaufloesender absolutencoder

Info

Publication number: DE3921312A1
Application number: DE3921312A
Authority: DE
Inventors: Eckart Dipl Ing Hettlage
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1990-03-01

Description

Die Erfindung betrifft einen hochauflösenden Absolutencoder nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In der Raumfahrt kommen zunehmend Drehmechanismen mit feinster Winkelauflösung zum Einsatz. Ob zur Verstellung von Scanspiegeln bei Wettersatelliten oder zum Positionieren von Teleskopen zur Himmelsbeobachtung etc., immer werden zur Überwachung der Drehbewegungen Winkelencoder mit unterschiedlichen Auflösungen benötigt. In speziellen Fällen muß diese Auflösung im Bogensekundenbereich oder noch darunter liegen. Binär ausgedrückt, bezogen auf 360°, sind dies 20 bis 22 Bit Auflösung.

Zur Zeit bekannte und im Einsatz befindliche Encoder arbeiten meist nach optischen Prinzipien. Man verwendet zum Beispiel Glasscheiben mit aufgebrach tem Kode (Encoderscheibe) und dazu eine Leseeinheit, bestehend aus einer Licht quelle und einem Lichtempfänger. Naturgemäß ist die Winkelauflösung einer solchen Anordnung vom Durchmesser bzw. Umfang der Encoderscheibe sowie von der kleinstmöglichen Breite des Strichkodes abhängig.

Ist z.B. die minimale Strichbreite 1µm und der Zwischenraum auch 1µm, dann können 500 Striche pro 1 mm Umfang untergebracht werden. Um eine Auflösung von 20 Bit ( ca. 10⁶ Striche/Umfang) zu erreichen, müßte der Umfang 2000 mm betragen, was einem Durchmesser der Scheibe von ca. 65 cm entspricht.

Da diese Größe in der Praxis unrealistisch ist, macht man die Scheiben kleiner, ordnet entsprechend weniger Striche auf dem Umfang an und wendet kombinierte optische und elektronische Interpölationsmethoden an, um die Auflösung zu steigern. Zum Beispiel durch Anordnung einer feststehenden Strichplatte mit leicht veränderten Strichabständen relativ zu den Abständen auf der Encoder scheibe (ähnlich dem Prinzip eines Nonius) unter der bewegten Encoderscheibe bekommt man über eine breitere Fläche eine sinusförmige Helligkeitsmodulation je nach Stellung der beiden Strichplatten zueinander. Die elektronische Aus wertung dieser Sinusförm erlaubt eine Erhöhung der Auflösung.

Nachteile dieser Technik sind starke Variationen der feinsten Schritte, Drift der absoluten Genauigkeit, hoher elektronischer Aufwand, dennoch große Bauform sowie Empfindlichkeit der Glasscheibe gegen Vibration (z.B. während des Starts).

Andere Techniken arbeiten magnetisch und bedienen sich ähnlicher Interpolations methoden. Auch diese sind relativ groß und schwer und zudem empfindlich gegen magnetische Störfelder.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Der neuartige Winkelencöder ist wie folgt aufgebaut:

Eine Encoderscheibe besteht aus einem Material ähnlich den bekannten Compact Discs. Am Rand der Scheibe ist in relativ groben Abständen (ca. 10-20 µm) ein schmaler, in Bewegungsrichtung oder senkrecht dazu verlaufender, binärer Strich kode aufgebracht. Dieser Kode ist nach dem Prinzip der optischen Speicher von einem Laserstrahl abtastbar und kann eine absolute Winkelinformation in der ge wünschten Genauigkeit enthalten. Die genaue Winkelposition der Strichkodes ist durch Kalibriermessung bekannt. Der Kode kann jedoch auch eine Adresse eines Speichers enthalten, in dem die genaue Winkelposition gespeichert ist.

Der Strichkode wird von einem speziell aufgebauten Laserscanner abgetastet und die Binärinformation von einem Mikrorechner ausgewertet. Der Aufbau des Lasers canners spielt bei der Erreichung der hohen Auflösung eine Schlüsselrolle, da über ihn eine Positionsinformation zwischen den einzelnen Strichkodes zu er halten ist.

Die detaillierte Beschreibung erfolgt anhand von mehreren Beispielen.

Es zeigen:

Fig. 1a einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absolutencodes mit einem streifenförmigen Kodierungsträger und senkrecht zur Bewegungs richtung aufgebrachten Kodierungen,

Fig. 1b einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absolutencodes mit einem scheibenförmigen Kodierungsträger und radial zur Bewegungs richtung aufgebrachten Kodierungen,

Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absolutencoders mit in Bewegungsrichtung auf den Kodierungsträger aufgebrachten Kodierung,

Fig. 3 einen Teil des Absolutencoders nach Fig. 2 mit in Bewegungsrichtung aufgebrachter Kodierung und prinzipiell dargestelltem Positionssensor.

In Fig. 1a wird der Strahl 2 einer Laserdiode 1 von einer Linse 3 so fokussiert, daß er an der 0berfläche einer Encoderscheibe 6 einen Brennfleck von 1-2 µm Durchmesser bildet. Über zwei Scanspiegel 4, 5 kann der Strahl 2 über die En coderscheibe 6 bewegt werden. Hierbei führt der erste Scanspiegel 4 eine Dauer schwingung mit konstanter Amplitude aus, so daß der Leuchtfleck in y-Richtung über die volle Länge 1 der Strichkodes 7 bewegt wird.

Der zweite Scanspiegel 5 kann den Leuchtfleck in x-Richtung bewegen und ist in seinem Winkelbereich beliebig steuerbar. Dabei sind zwei Betriebsarten möglich:

a) Suchvorgang
Der Leuchtfleck bewegt sich, während er sich mit hoher Frequenz in y-Richtung hin und her bewegt langsam in x-Richtung. Sobald der Strahl 2 auf einen Strichkode 7 trifft, fällt der reflektierte Strahl 11 auf den Vier- Quadrantendetektor 10. In diesem Moment wird die Betriebsart des zweiten Scanspiegels 5 von Suchen auf Nachführung umgeschaltet.
b) Nachführung
Der Leuchtfleck bewegt sich auf einem Strichkode 7 und die Daten können ge lesen werden. Sobald der Strahl 2 etwas von der Mitte des Strichkodes 7 ab weicht, generiert der Vier-Quadrantendetektor 10 ein Fehlersignal, welches den zweiten Scanspiegel 5 so nachsteuert, daß der Leuchtfleck auf der Mitte des Strichkodes 7 geführt wird. Damit ist die Position der Encoderscheibe 6 auf einen Bruchteil der Strichkodebreite detektierbar. Sobald die Position eines Strichkodes 7 berechnet ist, wird die Betriebsart Nachführung abgebro chen und ein neuer Suchvorgang in Richtung eines benachbarten Strichkodes 7 eingeleitet. Dort wird der Nachführvorgang wiederholt usw.
Aus mehreren Positionen wird dann ein Mittelwert berechnet. Der Absolutwinkel der Encoderscheibe 6 bzw. der Absolutweg wird bestimmt aus der Information des momentan abgetasteten Strichkodes 7 plus der momentanen dazu notwendigen Auslenkung des zweiten Scanspiegels 5 aus seiner Nullage. Die Auslenkung dieses Scanspiegels 5 wird mit Hilfe eines hochauflösenden Abstandssensors (nicht dargestellt) so genau gemessen, daß eine Interpolation zwischen zwei Strichkodes 7 um den Faktor 10² oder mehr möglich ist.

Die Auslenkung der Scanspiegel 4 und 5 kann auch ersetzt werden durch laterale Verschiebung der Fokussierlinse 3 (Fig. lb). Selbstverständlich muß auch die Fo kussierung ständig nachgeführt werden. Das Fokusfehlersignal wird ebenfalls aus dem Detektorsignal des Vier-Quadratendetektors 10 gewonnen. Die Linse 3 muß also dreidimensional bewegt werden. Die Bewegung in x-Richtung wird von einem Sensor überwacht.

Selbstverständlich kann auch eine Mischung aus den beiden Möglichkeiten, Spiegel auslenkung für eine Richtung und Linsenverschiebung für die dazu senkrechte Richtung, angewendet werden.

Der absolute Winkelfehler bzw. Wegfehler ergibt sich aus der Abweichung der Lage der Strichkodes 7 von ihrer Sollage, die als Datenwort in einem elektroni schen Speicher gespeichert ist plus dem Winkelmeßfehler am zweiten Scanspiegel 5 (Fig. 1a) (oder der Linse 3 Fig. 1b) plus dem Nachführfehler des Abtastsystems. Die ersten beiden Fehleranteile lassen sich durch entsprechende Kalibrierung sehr gering halten, so daß der Nachführfehler den Hauptanteil des Absolutfehlers enthält.

Beispiel

Unter der Annahme, daß der Nachführfehler 0,2 µm beträgt und die Summe der anderen Fehler < 0,1 µm bleibt, ist der Absolutfehler bezogen auf einen Encoderscheibenumfang von 450 mm (⌀ < 150 mm) 1/(1,5×10⁶) des Umfangs. Dies entspricht einer Auflösung von mehr als 20 Bit.

In Fig. 2 ist ein Absolutencoder nach Fig. 1b mit in Bewegungsrichtung auf den Kodierungsträger 6 aufgebrachten Kodierungen 7 dargestellt. Bei diesem Aufbau des Absolutencoders wechseln die Bewegungsrichtungen des Abtaststrahls in den beiden Betriebsarten gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel. Beim Suchvorgang bewegt sich der Fokus langsam in y-Richtung während er in x-Richtung mit hoher Frequenz hin und her bewegt wird. Die Umschaltung auf den Nachführvor gang und der Nachführvorgang selbst laufen ähnlich ab wie beim Beispiel nach Fig. 1. Der Unterschied ist, daß jetzt zur Nachführung des Abtaststrahls die Linse 3 (bzw. der Scanspiegel 4) und zum Lesen der Informetion ebenfalls die Linse 3 (bzw. der Scanspiegel 5) bewegt wird.

Die maximal erreichbare Auflösung dieses Absolutencoders ist damit begrenzt von der Steilheit der Flanke 12 (Fig. 3) und der damit verbundenen Auflösung der Po sition 21 durch den Positionssensor 20. Eine Voraussetzung für die Lesefähigkeit des Strichkodes 7 ist eine Abtastgeschwindigkeit in x-Richtung, die wesentlich höher ist, als die zu messende Bewegung des Kodierungsträgers 6 in x-Richtung.

Die hochgenaue Positionsinformation steckt in diesem Fall innerhalb der Kodie rungen 7 in Form einer exakt detektierbaren Flanke 12 eines Ubergangs von Null nach Eins. Durch einen besonders langen Einszustand 16 nach der Flanke 12 ist diese Positionsmarke deutlich vom Dateninhalt 13 des Kodierwortes zu unter scheiden. Beim Abtasten dieser Art von Kodierung wird die x-Bewegung 21 des Abtaststrahls durch einen Positionssensor 20 überwacht und der Positionswert zum Abtastzeitpunkt der Flanke 12 gespeichert. Dieser Wert wird dann zur Interpola tion benutzt und dem Absolutwert des Datenwortes 7 hinzu addiert.

Claims

1. Hochauflösender Absolutencoder, bei dem auf einem bewegbaren Kodierungsträger Kodierungen aufgebracht sind, die mittels eines Abtaststrahl einer Lese vorrichtung optisch ausgelesen werden und die die Stellung des Kodierungs trägers kennzeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl (2) in der Bewegungsrichtung des Kodierungsträgers (6) auslenkbar ist und in einem vorgegebenen kleinen Bereich den Bewegungen der gerade von dem Abtaststrahl (2) erfaßten Kodierung (7) folgt und daß jeweils aus der mittels der Kodie rung (7) gegebenen Stellungsinformation und der Auslenkung des Abtaststrahls (2) die augenblickliche Stellung des Kodierungsträgers (6) ermittelt wird und daß jeweils bei Erreichen einer Bereichsgrenze der Abtaststrahl (2) gegebenenfalls in einem Suchvorgang auf die benachbarte erfaßbare Kodierung (7) verstellt wird.

2. Hochauflösender Absolutencoder, bei dem auf einem bewegbaren Kodierungsträger Kodierungen aufgebracht sind, die mittels eines Abtaststrahls einer Lesevor richtung optisch ausgelesen werden und die die Stellung des Kodierungsträgers kennzeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kodierungsträger (6) in Bewe gungsrichtung mit einer Vielzahl von hintereinanderliegenden Kodierungen (7), von denen jede die Lage eines Punktes der einzelnen Kodierungen (7) kenn zeichnet, versehen ist und daß am Anfang jeder Kodierung (7) eine durch die Lesevorrichtung auswertbare Flanke vorgesehen ist, daß der Abtaststrahl (2) in der Bewegungsrichtung des Kodierungsträgers (6) in einem vorgegebenen kleinen Bereich alternierend ausgelenkt wird und dabei wenigstens eine der Kodierungen (7) ausliest, und weiterhin die Auslenkung (21) des Abtaststrahls (2) bei der Erfassung der Flanke (12) bestimmt und daß jeweils aus der mit tels der Kodierung (7) gegebenen Stellungsinformation und der Auslenkung des Abtaststrahls (2) bei Flankenerfassung die augenblickliche Stellung des Kodierungsträgers (6) ermittelt wird.

3. Absolutencoder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ko dierung (7) eine Adresse darstellt, zu der eine Stellungsangabe einem Spei cher entnehmbar ist.

4. Absolutencoder nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ko dierung (7) selbst die Stellungsangabe beinhaltet.

5. Absolutencoder nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierung (7) senkrecht zur Bewegungsrichtung auf den Kodierungsträ ger (6) aufgebracht ist und daß der Abtaststrahl (2) auch in dieser Richtung auslenkbar ist.