DE3935406C2 - Verfahren zur Positionserfassung einer motorisch in beide Richtungen antreibbaren Achse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionserfassung ei­ ner motorisch in beide Richtungen antreibbaren Achse, wobei die jeweilige Achsposition mit Hilfe eines Wegimpulsgebers erfaßt wird, wobei die in gleichen Winkelschritten abgegebenen Wegim­ pulse gleichen Winkelschritten der Achsbewegung entsprechen.

In den deutschen Offenlegungsschriften DE 34 07 102 A1 und DE 38 29 905 A1 ist jeweils ein Verfahren Positionserfassung einer ro­ tatorischen oder linearen Achse bei Achsantriebssystemen, bei denen ein beliebiger Wegimpulsgeber vorgesehen ist, vorgeschla­ gen. Die Achsbewegung kann dabei Vielfache von 360° umfassen.

Bei den herkömmlichen Positionssteuerungen, bei denen ein end­ loser Achsdrehbereich nicht realisiert ist, mußten Änderungen der Achswinkellage, welche die Positionsgrenze von +/- 180° überschritten hätten, immer über den "langen" Weg eingestellt werden. Sollte beispielsweise eine Änderung der Achsstellung von +150° auf -100° vorgenommen werden, so mußte die Achse zu­ nächst auf die Position 0° und dann auf die Position -100° gedreht werden, so daß insgesamt eine Winkeldifferenz von 250° zurückgelegt werden mußte.

Das in der DE 38 29 905 A1 beschriebene Verfahren ermöglicht es, die Achse auch über den "kurzen" Achsdrehbereich von +150° auf -100° zu positionieren, d. h. die Achse wird zu­ nächst von +150° auf +/-180° und dann von +/-180° auf -100° gedreht, so daß lediglich eine Winkeldifferenz von 110° zurück­ gelegt wird.

Allgemein gilt für endlos und in beide Richtungen drehbare Achsen, daß sich jede vorgegebene Position sowohl durch eine Achsdrehung mit als auch gegen den Uhrzeigersinn erreichen läßt. Wenn die Positionsänderung nicht genau 180° beträgt, ergibt sich damit immer ein "kurzer" und ein "langer" Weg auf dem die vorgegebene Position erreichbar ist.

Die Positionserfassungseinheit kann jedoch nicht entscheiden, auf welchen Weg die neue Position erreicht wurde. Wenn bei einer Achsbewegung der Bereich einer Achsumdrehung überschritten wird, kann es zu Fehlmeldungen über die Anzahl der Achsumdrehungen kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Positionssteuerungen für endlos drehende Achsen so auszubilden, daß eine exakte Erfassung der Achsumdrehungen ermöglicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch folgende Verfah­ rensschritte gelöst,

• a) die bei einer jeweiligen Positionsänderung während beliebiger Achsumdrehungen erfaßten Winkelschritte werden in Abhängig­ keit von der Drehrichtung in einem Modulozähler addiert oder subtrahiert und auf den Bereich einer Achsumdrehung begrenzt,
• b) die Summe der Modulosprünge sowie der aktuelle Zählerstand wird in jeweils einem Register hinterlegt,
• c) es wird eine Vergleichszeit bestimmt, die kleiner ist als die halbe Periodendauer einer ganzen Umdrehung des Wegimpuls­ gebers bei vorgegebener maximaler Positionsänderungsgeschwin­ digkeit,
• d) die zurückgelegte Winkeldifferenz zwischen Positionsende und Positionsanfang einer jeweiligen Positionsänderung während der Vergleichszeit wird ermittelt und
• e) die Summe der Modulosprünge im Moduloregister wird um einen Wert "Eins"
• - erhöht, wenn die während der Vergleichszeit erfaßte Win­ keldifferenz kleiner ist als -180°,
• - erniedrigt, wenn die während der Vergleichszeit erfaßte Winkeldifferenz größer ist als 180°.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Moduloregister und das Register für den aktuel­ len Zählerstand als Permanentregister ausgeführt sind. Durch diese Maßnahme bleiben die Werte für die Achsstellung auch nach einer Spannungsunterbrechung erhalten, so daß bei der Wiederin­ betriebnahme keine Neuvorgabe der Werte für die Achsstellung vorgenommen werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Achsdrehbereich,

Fig. 2 ein Achsantriebssystem,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Positionserfassung.

Fig. 1 zeigt einen Achsdrehbereich, beispielsweise einer Roboter­ achse, der in Winkelgraden von 0° bis 180° bzw. von 0° bis -180° eingeteilt ist, wobei die Marke für eine volle Umdrehung bei +/- 180° liegen soll. Die Achsumdrehungen sollen dabei im Uhr­ zeigersinn positiv gezählt werden. Die gegenwärtige Position von 135° der Roboterachse ist mit A1 bezeichnet. Der Positions­ steuerung für diese Roboterachse sei die neue Position A2 = -135° vorgegeben. Diese Position kann über den gestrichelt gezeichne­ ten "langen" Weg W2 oder über den "kurzen" Weg W1 erreicht wer­ den, da es die endlos drehende Roboterachse auch ermöglicht, von 135° über +/- 180° auf -135° zu fahren. Dabei ist ersichtlich, daß bei der Positionierung über den Weg W1 die Marke für die Achsumdrehung (+/- 180°) entgegen dem Uhrzeigersinn durchlaufen wird, so daß die bisher erfaßte Anzahl der Achsumdrehungen um eine Achsumdrehung reduziert werden müßte.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist ein Motor M gezeigt, der über ein Getriebe G eine Achse A, beispielsweise die Hand eines Roboters, antreibt. Es sei angenommen, daß es sich dabei um eine rotatorische Achse handle. Es könnte jedoch auch eine lineare Achse, beispielsweise der Schlitten einer Werkzeugmaschine, sein.

Zwischen Motor M und Getriebe G ist ein Absolutwertgeber AW vor­ gesehen (strichpunktierte Linie), dessen Impulsscheibe IS eine Anzahl von äquidistanten Wegmarken über ihren Umfang aufweist. Mit Hilfe eines Sensors S1 wird die jeweilige Wegmarke aufge­ nommen und als Impuls I an eine nicht gezeigte Positionserfas­ sungseinheit weitergegeben. Die Wegmarken des Absolutwertgebers AW sind gewöhnlich als Gray-Codes ausgebildet, so daß mit jeder Weg­ marke die absolute Winkelstellung des Absolutwertgebers AW und damit - unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes G - die Winkelstellung der Achse A angegeben werden kann. Bei der hier beschriebenen Positionserfassung kommt diese Eigenschaft des Absolutwertgebers AW jedoch nicht zum tragen. Vielmehr ist entscheidend, daß die Information des Wegimpulsge­ bers in äquidistanten Winkelschritten vorliegt. Deshalb konnte ebensogut ein beliebiger, beispielsweise ein inkrementeller Weg­ impulsgeber der diese Bedingung erfüllt, vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Positionserfassung. Es be­ steht aus einem Modulozähler MZ und den Registern R1, R2 und R3. Die Information des Absolutwertgebers AW (Fig. 2) gelangt als Impuls I an den Eingang des Modulozählers MZ. Über das Register R3 kann dem Modulozähler MZ der Wert in Winkelgraden der Achs­ stellung vorgegeben werden, der einem Impuls I entspricht. Bei­ spielsweise könnte ein Impuls I des Absolutwertgebers AW (Fig. 2) einem Winkelgrad des Achsdrehbereichs entsprechen.

Der Modulozähler MZ summiert die Impulse von -180° bis +180° und springt dann auf den Wert -180°, wobei die Zählung wieder von vorne beginnt. Der Bereich von +/- 180° (+/- Pi) erweist sich als besonders vorteilhaft, da gängige Positionssteuerungen für diesen Bereich ausgelegt sind, so daß das Verfahren ohne aufwendige Modifikationen bei diesen Positionssteuerungen an­ wendbar ist. Es ist jedoch offensichtlich, daß das Verfahren für einen beliebigen Winkelbereich anwendbar ist. Beispiels­ weise könnte der Modulozähler auch für den Bereich von 0° bis 360° ausgelegt sein, oder von 0° bis 100°, wenn in Neugrad gemessen werden sollte.

Bei jedem Modulosprung wird dabei im Register R1 zur bisherigen Anzahl der Achsumdrehungen eine weitere addiert. Im Register R2 ist jeweils der aktuelle Stand des Modulozählers MZ, der der aktuellen Achsstellung der Achse A im Bereich von +/- 180° ent­ spricht, abgelegt.

Für jeden Achsantrieb bzw. Motorantrieb M (Fig. 2) läßt sich eine Zeit Δt bestimmen, in der die Achse A bzw. der Motor M bei maximaler Geschwindigkeit nicht ganz eine halbe Umdrehung zurücklegt.

Wie aus dem Diagramm des den Modulozähler MZ symbolisierenden Blocks erkenntlich ist, läßt sich eine Änderung der Achsposi­ tion von der Position A1 (= A1′) zur Position A2 durch Vorwärts­ zählen innerhalb des Achsdrehbereichs oder durch Rückwärtszäh­ len mit Überschreiten des Achsdrehbereichs erreichen. Diese beiden Möglichkeiten der Positionsänderung entsprechen einer Drehung der Achse über den oben bereits erwähnten "langen" bzw. "kurzen" Weg. Unabhängig von der Richtung der Einstellbewegung würde im Register R2 der aktuelle Wert der Achsposition A2 ab­ lesbar sein. Auch der Inhalt im Register R1 bleibt richtig, wenn die Positionsänderung auf dem Weg von A1 nach A2 vorgenommen wird, da in diesem Fall der Achsdrehbereich nicht überschritten wird. Die Positionsänderung der Achse könnte aber auch von A1′ nach A2 erfolgen. In diesem Falle wird der Achsdrehbereich ent­ gegen der positiven Zählrichtung durchlaufen und im Register R1 muß die Anzahl der Achsumdrehungen um eine Achsumdrehung redu­ ziert werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann eine Änderung der Achswinkellage von A1 nach A2 jedoch nicht in dem Zeitintervall Δt erfolgt sein, da in diesem Zeitintervall lediglich ein Weg kleiner 180° zurückgelegt werden kann. Die Änderung der Achswinkellage muß also über den kurzen Weg von A1′ nach A2 erfolgt sein, so daß der Wert des Registers R1 um eine Achsumdrehung reduziert wird. Dies ist immer der Fall, wenn die Änderung der Achswinkellage im Zeitintervall Δt größer ist als +180°. Analog dazu wird der Wert im Register R1 um eine Achsumdrehung erhöht, wenn die Differenz der Achswinkellage im Zeitintervall Δt kleiner als -180° ist.

Claims (2)

1. Verfahren zur Positionserfassung einer motorisch in beide Richtungen antreibbaren Achse, wobei die jeweilige Achsposition mit Hilfe eines Wegimpulsgebers erfaßt wird, wobei die in glei­ chen Winkelschritten abgegebenen Wegimpulse gleichen Winkel­ schritten der Achsbewegung entsprechen, gekennzeich­ net durch folgende Verfahrensschritte:

• a) die bei einer jeweiligen Positionsänderung während beliebiger Achsumdrehungen erfaßten winkelschritte werden in Abhängig­ keit von der Drehrichtung in einem Modulozähler (MZ) addiert oder subtrahiert und auf den Bereich einer Achsumdrehung be­ grenzt,
• b) die Summe der Modulosprünge sowie der aktuelle Zählerstand wird in jeweils einem Register (R1, R2) hinterlegt,
• c) es wird eine Vergleichszeit (Δt) bestimmt, die kleiner ist als die halbe Periodendauer (T) einer ganzen Umdrehung des Wegimpulsgebers (AW) bei vorgegebener maximaler Positions­ änderungsgeschwindigkeit,
• d) die zurückgelegte Winkeldifferenz (ΔA) zwischen Positions­ ende (A2) und Positionsanfang (A1) bei einer jeweiligen Positionsänderung während der Vergleichszeit (Δt) wird ermittelt und
• e) die Summe der Modulosprünge im Moduloregister (R1) wird um einen Wert "Eins"
• - erhöht, wenn die während der Vergleichszeit (Δt) erfaßte Winkeldifferenz (ΔA) kleiner ist als - 180°,
• - erniedrigt, wenn die während der Vergleichszeit (Δt) er­ faßte Winkeldifferenz (ΔA) größer ist als 180°.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Moduloregister (R1) und das Register (R2) für den aktuellen Zählerstand als Permanentregister ausge­ führt sind.