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Die
Erfindung betrifft einen Absolutkodierer, der mit einer Kodeplatte
versehen ist, auf der einspurige absolute Muster ausgebildet sind,
und der aus den Mustern absolute Positionsinformation eines die
Kodeplatte umfassenden Detektorabschnitts liest. Speziell geht es
hier um ein Verfahren zum Verbessern der Auflösung eines Absolutkodierers
durch Unterteilen einer kleinsten Leseeinheit der absoluten Muster
(Interpolations-Verarbeitung).
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Ein
Absolutkodierer ist ein Messgerät,
in welchem Sensoren an einem Detektorabschnitt des Kodierers spezielle
Muster lesen, die auf einer Kodeplatte ausgebildet sind, um dadurch
ein Signal zu erzeugen, welches eine absolute Position oder Stellung
eines Detektorabschnittes bezüglich
einer Kodeplatte angibt. Die erfassten Muster bedeuten jeweils eine
verschiedene Adresseninformation verschiedener Lagebeziehungen zwischen
der Kodeplatte einerseits und dem Detektorabschnitt andererseits.
Bei einem herkömmlichen
Absolutkodierer, der als Mehrspur-Kodierer ausgebildet ist, sind
mehrere digitale, sich wiederholende Muster (Inkrementalmuster)
mit unterschiedlichen Perioden oder Schrittweiten auf der Kodeplatte
des Kodierers parallel zueinander angeordnet, und Adressen der absoluten
Position werden auf der Kodeplatte des Kodierers dadurch gebildet,
dass man jeweils ein Signal mit derselben Phasenlage aus mehreren
Mustern empfängt.
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In
der Offenlegungsschrift JP 1-152314A ist ein Einspur-Kodierer offenbart,
bei dem Adressen einer absoluten Position auf einer Kodeplatte dadurch
gebildet werden, dass man mehrere Phasenlagen auf einem erfassten
Muster erfasst (es handelt sich hier um ein einspuriges absolutes
Muster), wobei das Muster mit einer gewissen kleinsten Leseeinheit
gemäß der räumlichen
Aufeinanderfolge angeordnet ist. Verglichen mit dem Mehrspur-Kodierer
ist der Einspur-Absolutkodierer
im Aufbau und in der Einstellung eines Sensors einfach und eignet
sich zur Miniaturisierung der Kodeplatte.
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Es
wurde berichtet, dass ein Einspur-Absolutkodierer noch dadurch verbessert
werden konnte, dass Inkrementalmuster parallel zu den absoluten
Mustern auf der Kodeplatte angeordnet wurden. Aus der Offenlegungsschrift
JP 2-35314A beispielsweise ist es bekannt, dass die Lesezeit eines
Einspur-Absolutkodierers von erfassten Signalen gesteuert wird,
oder die Auflösung
des Kodierers verbessert wird durch Kombinieren einer aus einem
einspurigen absoluten Muster erhaltenen Adresse mit Signalen (0,
1), die von Inkrementalmustern erhalten werden.
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6 zeigt eine Draufsicht
auf einen Absolutkodierer mit verbesserter Auflösung.
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Wie
in 6 gezeigt ist, sind
parallel zu dem einspurigen absoluten Muster P, welches eine Länge λ einer kleinsten
Leseeinheit aufweist, eine erste Inkrementalspur H1 mit einer Periode
oder Teilung λ,
eine zweite Inkrementalspur H2 mit einer Periode oder Teilung λ/2 und eine
dritte Inkrementalspur H3 mit einer Periode oder Teilung λ/4 auf der
Kodeplatte A ausgebildet. An einem Detektorabschnitt B sind Photosensoren
S1-S4 und U1-U3 montiert, um sowohl vier kleinste Leseeinheiten
zu erfassen, die nebeneinander auf der Spur P angeordnet sind, als
auch die Spuren H1-H3 zu erfassen.
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Die
Spur P repräsentiert
sämtliche
vier Bits umfassenden Sequenzen eines Zyklus, die sich von einem Symbol
im
Uhrzeigersinn bewegen, wobei weiße Abschnitte eine "0" und schwarze Abschnitte eine "1" bedeuten. Demnach erhält man:
0000100110101111
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Jeder
der Kodes, der durch eine vierstellige Sequenz gebildet wird, unterscheidet
sich von den anderen Kodes. Wenn gemäß 6 der Detektorabschnitt B nacheinander
im Uhrzeigersinn weiterbewegt wird, so erhält man nacheinander sechzehn
Binär-Kodes,
die durch die Ausgangssignale der Photosensoren S1-S4 zusammengesetzt
werden: 0000, 0001, 0010, 0100, 1001, 0011, 0110, 1101, 1010, 0101,
1011, 0111, 1111, 1110, 1100 und 1000, wobei sich die einzelnen
Kodes jeweils bei einer Weiterbewegung um λ ergeben. Diese Kodes können also
sechzehn Absolut-Stellungen oder -Positionen voneinander unterscheiden.
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Wenn
die Ausgangssignale der Photosensoren U1-U3, welche die Spuren H1-H3
lesen, für
weiße
Abschnitte eine "0" und für schwarze
Abschnitte eine „1" darstellen, so erhält man im
Uhrzeigersinn für
sämtliche Abschnitte
der Länge λ auf der
Kodeplatte bei jeweils einem Teilabschnitt λ/8 folgende drei Bits umfassende Kodes:
111, 110, 101, 100, 011, 010, 001 und 000. Der Mehrspur-Absolutkodierer
setzt sich zusammen aus den Spuren H1-H3 und den Photosensoren U2-U3.
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Auf
diese Weise kann man insgesamt sämtliche,
jeweils sieben Ziffern umfassende und voneinander verschiedene absolute
Positionsinformations-Werte erhalten, bei denen der Detektorabschnitt
B sämtliche
Lagebeziehungen in Schrittweiten von λ/8 auf der Kodeplatte A einnimmt,
wobei die Signale der Photosensoren S1-S4 die vier Stellen höherer Ordnung
bilden und kombiniert werden mit den von den Photosensoren U1-U3 kommenden
Signalen, welche die drei niedrigwertigen Stellen bilden.
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Verwendet
man sämtliche
Zyklusfolgen, die 128 absolute Positionen pro Zyklus bei jeder Schrittweite von λ/8 unterscheiden
können,
und wendet man die einspurigen absoluten Muster, welche die Folgen
durch weiße
und schwarze Abschnitte ausdrücken,
auf die Spur P an, so erhält
man einen Kodierer, der die gleiche Auflösung besitzt wie der oben beschriebene
Kodierer, wobei man jedoch die Spuren H1-H3 fortlassen kann. Wenn
allerdings auf eine Minimierung einer kleinsten Leseeinheit eines
einspurigen absoluten Musters Wert gelegt wird, so muss auch der
Sensor minimiert werden. Da Herstellung und Montage des Sensors
ebenso wie die Signalverarbeitung Beschränkungen darstellen, kann man
kaum eine zuverlässige
Lesegenauigkeit erzielen. Bei einem Absolutkodierer mit drei zusätzlichen
Spuren H1-H3 gemäß 6 wird ein kleinster Abschnitt durch
Inkrementalmuster von einem anderen Abschnitt unterschieden. Wendet
man also ein Detektorverfahren an, bei dem eine Kenngröße eines
Zyklus (eine Regel) verwendet wird, so erzielt man eine wesentlich
höhere
Lesegenauigkeit als bei einem reinen Einspur-Kodierer des oben beschriebenen
Typs.
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Die 7A bis 7C zeigen Beispiele für Detektorverfahren, die von
einer Kenngröße dieses
Musters Gebrauch machen. 7A ist
eine Vertikal-Schnittansicht
eines typischen Detektorabschnitts. 7B zeigt die
von dem Detektorabschnitt empfangene Lichtmenge, und 7C zeigt die aus dem empfangenen
Licht erzeugten Inkrement-Signale. Diese Technik wurde in großem Umfang
bei Mehrspur-Absolutkodierern eingesetzt.
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Gemäß 7A sind auf der Kodeplatte
A Inkrementalspuren H mit einer Teilung oder Schrittweite λ ausgebildet.
Der Detektorabschnitt setzt sich zusammen aus einer Lichtquelle
F, die zum Lesen eines Musters dient, einer Kollimatorlinse L1 zum
Parallelisieren des von der Lichtquelle kommenden Lichts, einer
Index-Skala (Maske) M, die in Längsrichtung
ein Muster ähnlich
dem Spurmuster H mit fünf
Teilungen enthält,
einer Kollimatorlinse L2 zum Sammeln des Lichts, und einem Lichtempfangselement
U.
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In
dem oben erläuterten
Detektorabschnitt B strahlt die Lichtquelle F Licht ab, welches
von der Linse L1 in ein Bündel
von parallelen Lichtstrahlen umgesetzt wird. Das Licht durchdringt
einen fünf
Schrittweiten umfassenden Überlappungsabschnitt
zwischen der Skala M und der Spuranordnung H und wird von der Linse L2
auf den Lichtempfänger
U konzentriert.
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Bei
einer Bewegung des Detektorabschnitts B gegenüber der Kodeplatte A, die eine
Schrittweite oder eine Periode umfasst, wird gemäß 7 der
Pegel des von dem Kondensor U erfassten Lichts in einer Dreieckswellenform
geändert,
und zwar zwischen einem Wert 0 und einem Pegel, der fünfmal so
hoch ist wie der Pegel, der erhalten würde, wenn man nur das Licht
von einer Schrittweite oder einer Periode empfinge. Das Signal ist
durch einen hohen Rauschabstand gekennzeichnet. Mit Hilfe einer
Schaltung, die die erfassten Lichtmengen bei einer in 7B dargestellten gestrichelten
Linie vergleicht, erhält
man die in 7C dargestellten Inkrement-Signale,
die zwei Zustände
innerhalb einer Schrittweite oder Periode deutlich unterscheiden.
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In
der oben beschriebenen Weise lassen sich kleine Schrittweiten oder
Perioden auslesen, ohne dass man hierzu den Sensor miniaturisieren
muss. Bei dem Absolutkodierer nach 6 könnte man
dieses Verfahren auf die Spuren H1-H3 anwenden, um so die Auflösung des
Kodierers auf 2n zu erhöhen, wobei n drei Inkrementalspuren
bedeutet.
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Entwickelt
man den in 6 dargestellten
Absolutkodierer und das damit zusammenhängende Verfahren weiter, so
erhält
man einen Absolutkodierer mit einer wesentlich höheren Auflösung, indem man eine Spur H4
mit einer Periode λ/8
und eine Spur H5 mit einer Schrittweite λ/16 der Kodeplatte A hinzufügt. Erhöht man die
Anzahl der Spuren, so wird die Kodeplatte A entsprechend größer und
außerdem
erhöht
sich die Anzahl der Sensoren. Damit kann man die Spuren und die
Sensoren kaum noch an dem Kodierer montieren und einstellen, so
dass die wesentlichen Vorteile eines Einspur-Absolutkodierers verlorengehen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Absolutkodierer vorzugsweise
derart ausgelegt wird, indem man von Anfang an den Mehrspur-Typ
zugrundelegt.
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DE 39 42 625 A1 beschreibt
einen Absolutkodierer zum Erfassen einer Absolutposition, der eine
Kodierscheibe aufweist, die eine erste kreisförmige Spur mit einem absoluten
Zeichenmuster und eine konzentrisch angeordnete zweite Spur mit
einem inkrementalen Zeichenmuster aufweist. Dabei weist das absolute Zeichenmuster
ein absolutes Kodesignal in einer vollen periodischen Anordnung
auf. Aus der zweiten innenliegenden mit einem inkrementalen Zeichenmuster
versehenen Spur wird ein Taktsignal für die Synchronisation mehrerer
Signale der Absolutspur abgeleitet. Weiterhin kann bei Verwendung
mehrerer Sensoren für
die Inkrementalspur aufgrund der Phasenunterschiede der entsprechende
Sensor Signale einer Untereinteilung, das heißt verbesserte Auflösung, erzielt
werden.
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DE 39 28 027 A1 zeigt
ebenfalls einen Absolutkodierer zur Erfassung von absoluten Positionen
mit einer kodierten Scheibe, die mit einer ein absolutes Zeichenmuster
tragenden Spur sowie einer Spur mit einem Inkrementalmuster versehen
ist, wobei das Signal der Inkrementalmuster zur Ableitung eines
Taktsignals sowie eines Richtungssignals dient.
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Nachteilig
bei den bekannten Absolutkodierern ist ihre begrenzte Auflösung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Absolutkodierer
mit Mustern des Absolutkodierers vom Einspur-Typ zu schaffen, der
mit einer minimalen Anzahl von Inkrementalspuren auskommt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen Absolutkodierer nach Anspruch 1. Eine bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße Absolutkodierer auf:
Eine
Kodeplatte mit absoluten Mustern vom Einspur-Typ mit einer kleinsten
Leseeinheit der Länge λ, mit einem ersten
Inkrementalmuster der Periode λ und
einem zweiten Inkrementalmuster mit der Periode 2–n λ, wobei jedes
dieser Muster auf der Kodeplatte ausgebildet ist;
einen Detektorabschnitt
mit Mitteln zum Erfassen des einspurigen absoluten Musters derart,
dass ein Absolutmustersignal erhalten wird, mit Mitteln zum Erfassen
des ersten Inkrementalmusters derart, dass ein erstes Inkrementalsignal
erhalten wird, und mit Mitteln zum Erfassen des zweiten Inkrementalmusters
derart, dass ein zweites Inkrementalsignal erhalten wird, wobei
der Detektorabschnitt relativ zu der Kodeplatte bewegbar ist;
eine
erste Interpoliereinrichtung zum Erzeugen eines interpolierten ersten
Inkrementalsignals eines kürzeren Zyklus
mit Hilfe der Interpolation auf der Grundlage des ersten Inkrementalsignals;
und
eine Synchronisiereinrichtung zum Synchronisieren des interpolierten
ersten Inkrementalsignals mit dem zweiten Inkrementalsignals derart,
dass ein synchronisiertes erstes Inkrementalsignal erhalten wird;
wobei
das Absolutmustersignal, das zweite Inkrementalsignal und das synchronisierte
erste Inkrementalsignal eine relative Lagebeziehung zwischen der
Kodeplatte und dem Detektorabschnitt anzeigen.
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Mit
diesem Aufbau ergibt sich eine verbesserte Auflösung des erfindungsgemäßen Absolutkodierers.
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Vorzugsweise
sieht die Erfindung vor, dass der Absolutkodierer eine solche zweite
Interpoliereinrichtung enthält,
die das zweite interpolierte Inkrementalsignal mit einem kürzeren Zyklus
erzeugt. Hierdurch wird die Auflösung
weiter verbessert.
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Bei
dem Absolutkodierer gemäß der Erfindung
ist die Länge λ einer kleinsten
oder minimalen Leseeinheit der absoluten Muster unterteilt und segmentiert,
und jedem der Segmente ist ein individueller Adressenkode zugeordnet.
Der Adressenkode für
jedes Segment in der Periode λ wird
bei jeder Periode λ auf
die absolute Positionsinformation addiert, die von den absoluten
Mustern des Einspur-Typs erhalten werden, ähnlich wie bei dem Absolutkodierer
nach 6. Hierdurch erhält die absolute Positionsinformation
eine hohe Auflösung.
Ohne eine Zählerstand-Verarbeitung
der Inkrementalsignale zu erhalten, wird die absolute Positionsinformation
aus Signalen erzeugt, die von den absoluten Mustern und dem ersten
und dem zweiten Inkrementalmuster erhalten werden.
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Bei
dem Absolutkodierer nach 6 werden m-Bits umfassende Signale
erhalten, zum Beispiel 21, 22, 2m ... etc., wenn m Inkrementalmuster-Spuren
zur Verfügung
stehen. Bei dem Absolutkodierer gemäß der Erfindung jedoch werden
mit Hilfe einer Interpoliereinrichtung aus einem Inkrementalmuster
mit einer Periode oder Schrittweite λ die gleichen n-Bits umfassenden
Signale, wie oben erläutert,
erhalten: 21, 22,
2n .... Als nächstes werden die Phasen der
erzeugten n-Bits umfassenden Signale von der Synchronisiereinrichtung
eingestellt, um mit den zweiten Inkrementalsignalen synchronisiert
zu werden. Da das zweite Inkrementalmuster die Zustände "0" und "1" in
Schrittweiten oder Perioden von 2–2 aufweist,
erhält
man eine Auflösung,
die 2n+1-mal so groß ist wie diejenige des absoluten
Musters vom Einspur-Typ.
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Die
Interpoliereinrichtung dividiert die Länge der kleinsten Leseeinheit λ folgendermaßen: (1)
In der Periode λ werden
die Phasen-Perioden-Positionen alle 2–2λ geteilt,
indem eine Analog-Operation unter Verwendung der aus dem ersten
Inkrementalmuster erhaltenen Signale durchgeführt wird. (2) 2n oder
mehr Inkrementalsignale, bei denen der Zyklus λ beträgt und die Phase unterschiedlich
ist, werden derart erzeugt, dass mehrere Sensoren entlang den Mustern
des ersten Inkrementalmusters positioniert sind. Alle 2–n Phasenpositionen
jedes Inkrementalsignals, und es werden n-Bits umfassende Adresskodes
generiert, um die Phasenpositionen alle 2–nλ abwechselnd
zu unterscheiden.
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Bei
der erstgenannten Analog-Operation kann ein Widerstand oder eine
Phase einer Rechteckwelle, die von dem Detektor erhalten wird, gemäß 7 geteilt werden. In einem Beispiel der
ersten Ausführungsform,
die weiter unten erläutert
wird, gibt es eine weitere Möglichkeit,
eine Phasenposition alle λ/2,
1/4λ, ...
2–nλ derart zu
unterscheiden, dass zwei Detektorpaare gemäß 7 mit
einem Phasenabstand von λ/4
angeordnet werden, zwei erhaltene Rechteckwellen als Sinus- beziehungsweise
Kosinuswellen behandelt werden, und ein Tangens-Wert (tan θ) an einer
beliebigen Phasenposition θ ermittelt
wird, so dass dann der Tangens-Wert mit einem Wert des Kurvenverlaufs
von tan θ eines
Norm-Zyklus von λ verglichen
wird.
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Beim
letztgenannten Beispiel dafür,
wie mehrere Inkrementalsignale unterschiedlicher Phasen aus dem
ersten Inkrementalmuster erhalten werden, sind gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
2n Detektoren der in 7A dargestellten
Art auf der ersten Inkrementalspur mit einer Phasendifferenz von
2–nλ angeordnet, und
alle 2–nλ werden 2–n Inkrementalsignale
erzeugt. Mit Hilfe einer digitalen Operation oder einer Eins-zu-Eins-Umsetzung
der Kombination der Signale erhält
man alle 2–nλ unterschiedliche
Phasenpositionen.
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Im
Hinblick darauf, dass die Phasen der Inkrementalsignale, wie sie
aus den ersten Inkrementalsignalen erhalten werden, mehr oder weniger
in gegenseitiger Abhängigkeit
oder auch absolut daran ungleichmäßige Kennwerte der Sensoren
und durch Fehler bei der Montage der Sensoren verzerrt sind, werden
die Phasen von der Synchronisiereinrichtung gleichförmig mit
den zweiten Inkrementalsignalen gemacht.
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Wenn
man die zweite Interpoliereinrichtung an dem Detektorabschnitt des
erfindungsgemäßen Absolutkodierers
anordnet, unterteilt die zweite Detektoreinrichtung die zweiten
Inkrementalmuster, die eine kleinste Teilungseinheit in dem oben
erläuterten
Absolutkodierer bilden, und erzeugt Inkrementalsignale, um jeden
Abschnitt von einem anderen unterscheiden zu können.
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Bei
einem Absolutkodierer gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Auflösung
verbessert, es reichen jedoch zwei Inkrementalmuster für den Kodierer
aus. Im Falle des in 6 dargestellten Absolutkodierers
werden die Phasen einer großen
Anzahl von Inkrementalmustern bei der Montage der Sensoren eingestellt.
Der Absolutkodierer gemäß der Erfindung
erfordert keine Phaseneinstellung und eignet sich insbesondere zur
Miniaturisierung der Kodeplatte. Da die Unterscheidung von kleinsten
Abschnitten durch Inkrementalmuster erfolgt, lässt sich eine hochgenaue Ablesung
mit Hilfe einer zyklischen Charakteristik eines Musters erzielen.
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Bei
einem solchen Absolutkodierer gemäß der Erfindung sind die zweiten
Inkrementalmuster sehr feine Muster, die an der Grenze der Detektorempfindlichkeit
der Sensoren liegen, und dennoch lassen sich Absolutwerte von Positionen
mit wesentlich höherer
Genauigkeit ermitteln, indem die zweiten Inkrementalmuster interpoliert
werden.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Ansicht eines Aufbaus einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine
Schaltungsskizze, die die Arbeitsweise des Absolutkodierers gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht,
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3 ein
Impulsdiagramm, welches die Arbeitsweise einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Absolutkodierers
veranschaulicht,
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4 eine
Vertikal-Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absolutkodierers,
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5A und 5B Ansichten
zum Veranschaulichen der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei 5A ein
Impulsdiagramm für
jedes Inkrementalsignal und 5B eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils der 5A in Richtung λ ist,
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6 Eine
Darstellung der Konstruktion eines herkömmlichen Absolutkodierers,
und
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7A bis 7C Skizzen,
die veranschaulichen, wie Inkrementalmuster unter Verwendung der
zyklischen Eigenschaft der Muster erfasst werden, wobei 7A eine
Vertikal-Schnittansicht
des Detektorabschnitts, 7B ein
Wellenzug zum Veranschaulichen der von dem Detektorabschnitt erfassten
Lichtmenge und 7C ein Impulsdiagramm der aus
dem erfassten Licht erhaltenen Signale sind.
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1 zeigt
den Aufbau einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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Gemäß 1 sind
auf einer Kodeplatte A parallel zu einer Absolutmusterspur P vom
Einspur-Typ, deren kleinste Leseeinheit λ beträgt, eine erste Inkrementalmusterspur
I1 mit einer Periode oder Schrittweite λ und eine zweite Inkrementalmusterspur
I2 mit einer Periode λ/8
ausgebildet. Eine erste Sensorgruppe umfasst Photosensoren S1a bis
S4a, eine zweite Sensorgruppe umfasst Photosensoren S1b bis S4b,
Photosensoren R1 und R2 erfassen die Spur I1 mit einer Phasendifferenz
von λ/4,
und ein Photosensor R3 erfasst die Spur I2. Diese Sensoren sind
an einem Detektorabschnitt B angeordnet, der durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist.
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Mit
den Detektoren werden vier kleinste Leseeinheiten erfasst, die sich
direkt nebeneinander auf der Spur P befinden. Das Ausgangssignal
der ersten und der zweiten Sensorgruppe wird über eine Auswahlschaltung E
in eine Speicherschaltung M eingegeben. Die Ausgangssignale der
Sensoren R1 und R2 werden in eine Interpolierschaltung C eingegeben,
und das Ausgangssignal des Sensors R3 wird in eine Synchronisierschaltung
D eingegeben.
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Der
Grund dafür,
dass zwei Paare von Sensorgruppen auf der Spur P montiert sind,
besteht darin, dass das Lesen der Spur außerhalb einer Grenze zwischen
den kleinsten Leseeinheiten erfolgen soll. Wenn die Lagebeziehung
der Phasen zwischen der Kodeplatte A und dem Detektorabschnitt B
um λ/2 abweicht, schaltet
die Auswahlschaltung E von der ersten Sensorgruppe auf die zweite
Sensorgruppe, und umgekehrt, um auf diese Weise diejenige Sensorgruppe
auszuschalten, die sich an einer Grenze befindet. In 1 sind die
Sensoren R1 bis R2 durch einfache Kreise angedeutet. Tatsächlich jedoch
erfolgt die Erfassung unter Verwendung einer zyklischen Eigenschaft
der Muster, wie in 7A dargestellt ist, wobei jedes
Ausgangssignal der Sensoren R1 bis R3 eine Pseudo-Sinuswelle ist,
die innerhalb einer Periode einmal nach oben und nach unten geht.
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Die
Spur P repräsentiert
sämtliche
4 Bits umfassenden Zyklusfolgen, wenn sie sich von einem Symbol
im
Uhrzeigersinn dreht, wobei weiße
Abschnitte eine "0" und schwarze Abschnitte
eine "1" bedeuten, so dass man
folgende Sequenz erhält:
0000100110101111.
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Sämtliche
Kodes der vier Stellen umfassenden Zahlen der Sequenz unterscheiden
sich voneinander. Wenn sich gemäß 1 der
Detektorabschnitt B im Uhrzeigersinn immer weiter verschiebt, werden
vier Bits umfassende Kodes erhalten, indem man die Ausgangssignale
der Photosensoren S1 bis S4 kombiniert. Insgesamt erhält man sechzehn
verschiedene Kodes: 0000, 0001, 0010, 0100, 1001, 0011, 0110, 1101,
1010, 0101, 1011, 0111, 1111, 1110, 1100 und 1000, wobei jeder dieser
Kodes bei einer Bewegung jeweils um λ anfällt. Die Kodes bedeuten jeweils
eine von sechzehn absoluten Positionen. Diese Kodes werden in der
Speicherschaltung E nach Maßgabe
einer Bezugsliste in vier Bits umfassende Kodes aufsteigender oder
absteigender Reihenfolge umgesetzt.
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In
der Spur I1 werden von den Sensoren R1 und R2 zwei Pseudo-Sinuswellen
mit einer Phasendifferenz von λ/4
erfasst. Paare von Rechteckwellen 1a und 1b, 2a und 2b sowie 3a und 3b,
die drei Arten von Zyklen mit der Periode λ, der Periode λ/2 und der
Periode λ/4
umfassen, und deren Phasen in einem bestimmten Verhältnis bei
jedem Zyklus variieren, wie in 3 gezeigt
ist, werden aus diesen beiden Pseudo-Sinuswellen generiert. Diese
Rechteckwellen werden in die Synchronisierschaltung D eingegeben.
Die Synchronisierschaltung D erzeugt die Rechteckwellen d1, d2 und
d3 aus den Rechteckwellen 1a und 1b, 2a und 2b,
sowie 3a und 3b, als einen Standard oder eine
Norm einer Rechteckwelle, die aus einem Ausgangssignal des Sensors
R3 gebildet wird. Das Umschalten der ersten Sensorgruppe und der
zweiten Sensorgruppe in der oben beschriebenen Auswahlschaltung
E erfolgt abhängig
von dem Pegel (H, L) dieser Rechteckwelle d1.
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Ähnlich wie
bei dem Absolutkodierer nach 6, werden
hier acht Kodes in jeder Phasenposition bei jeweils λ/8 erhalten:
111, 110, 101, 100, 011, 010, 001 und 000. Damit lassen sich also
aus den vier Ziffern höherer
Ordnung, die aus den vier Bits umfassenden Signalen der Spur P erhalten
werden, den drei Ziffern mittlerer Ordnung aus den Bit-Signalen
der Rechteckwellen d1 bis d3 und der einen Ziffernstelle niedrigster Ordnung
aus dem ein Bit umfassenden Signal aus der Spur I2 absolute Positionsinformationen
erhalten, die insgesamt 8 Bits, das sind 256 Phasenpositionen innerhalb
eines Zyklus der Kodeplatte A, unterscheiden.
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2 ist
ein Schaltplan einer Schaltung für
eine Analog-Operation in der Interpolierschaltung C und eine Synchronisier-Verarbeitung
in der Synchronisierschaltung D.
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3 ist
ein Impulsdiagramm, welches eine Analog-Operation in der Interpolierschaltung
C sowie eine Synchranisier-Verarbeitung in der Synchronisierschaltung
D veranschaulicht.
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Gemäß 2 setzt
sich die Interpolierschaltung C zusammen aus zwei Analog-Digital-Umsetzern
Ca und Cb, einem Teiler Ce, einer Bezugsliste Cf für tan–1,
während
sich die Synchronisierschaltung D aus Auswahleinrichtungen Da, Db
und Dc zusammensetzt.
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Die
Sensoren R1 und R2 lesen zwei sinusförmige Eingangssignale ra und
rb mit einer Phasendifferenz von λ/4.
Die Eingangssignale ra und rb werden in die Analog-Digital-Umsetzer
Ca beziehungsweise Cb in der Interpolierschaltung C eingegeben und
dort in digitale Signale umgesetzt, welche abhängig von den Spannungspegeln
numerische Werte repräsentieren.
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In
der Teilerschaltung Ce werden digitale Werte a und b, die dem Mittelpotential
entsprechen, von den Digitalwerten rad und rbd subtrahiert, welche
von den Analog-Digital-Wandlern Ca und Cb in Digitalwerte umgesetzt
wurden. Anschließend
wird der Wert (rad-a) durch (rbd-b) dividiert und das Ergebnis wird
an die Bezugslisten-Schaltung Cf gegeben.
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Die
Bezugsliste Cf vergleicht die Werte der tan-θ-Kurve für jede mögliche Phasenposition θ innerhalb des
Zyklus λ mit
dem Verhältnis
(rad-a)/(rbd-b), stellt fest, welcher Phasenposition θ der Wert
entspricht, und gibt sechs Rechtecksignale 1a, 1b, 2a, 2b, 3a und 3b aus,
die in 3 gezeigt sind. Das heißt, die Rechteckwellen umfassen
die Wellen 1a und 1b für einen Zyklus oder eine Periode
von λ, die
hier bei etwa ±λ/8 der Phasenlage θ entsprechen,
Wellen 2a und 2b mit der Periodendauer λ/2, die etwa
einer Phasenposition θ von ±λ/16 entsprechen,
und Wellen 3a und 3b mit einer Periodendauer von λ/4, die bei
etwa ±λ/32 liegen.
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Danach
werden die Rechteckwellen 1a, 1b, 2a, 2b, 3a und 3b in
die Synchronisierschaltung D eingegeben. Die Auswahleinrichtung
Da erzeugt aus den Rechteckwellen 3a und 3b unter
Verwendung eines aus einer Sinuswelle, die von dem Sensor R3 aus
der Spur I2 gelesen wird, erzeugten Inkrementalsignale d4, das die
Periodendauer λ/8
hat, ein Inkrementalsignal d3, das mit dem Signal d4 synchronisiert
ist. Durch Auswahl des Rechtecksignals 3a zu dem Zeitpunkt,
zu dem das Signal d4 den Pegel "1" hat, und des Rechtecksignals 3b zu
dem Zeitpunkt, zu dem das Signal den Pegel "0" hat,
wird ein Signal d3 mit der Anstiegs- und der Abfallphase des Signals
d4 erhalten.
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In
der gleichen Weise, wie es oben ausgeführt ist, erzeugt die Auswahleinrichtung
Db aus den Rechteckwellen 2a und 2b unter Verwendung
des eine Periodendauer λ/4
aufweisenden Signale d3 ein Inkrementalsignal d2, das eine Periodendauer λ/2 besitzt
und mit den Signalen d3 und d4 synchronisiert ist. Das heißt: Die
Auswahleinrichtung wählt
die Rechteckwelle 2a zu der Zeit aus, zu der das Signal
d3 den Pegel "1" hat, und wählt die
Rechteckwelle 2b zu der Zeit aus, zu der das Signal d3
den Pegel "0" hat.
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Die
Auswahleinrichtung Dc erzeugt ein die Periodendauer λ aufweisendes
Inkrementalsignal d1, welches mit den Signalen d2 bis d4 synchronisiert
ist, aus den Rechteckwellen 1a und 1b unter Verwendung
dieses Signals d2, welches eine Periodendauer λ/2 besitzt. Hierzu wählt die
Auswahleinrichtung die Rechteckwelle 1a zu der Zeit aus,
zu der die Rechteckwelle d2 den Pegel "1" hat,
während
die Rechteckwelle 1b zu der Zeit ausgewählt wird, zu der die Rechteckwelle
d2 den Pegel "0" hat.
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3 zeigt
die Rechteckwellen d1 bis d3, die mit der Rechteckwelle d4 von der
Synchronisierschaltung D synchronisiert sind. Diese Inkrementalsignale
d1 bis d4 umfassen eine vierstellige absolute Positionsinformation,
wobei sich alle λ/16
eine gegenseitige Verschiebung der Phasenposition über die
Länge λ zwischen
der Kodeplatte A und dem Detektorabschnitt B ergibt.
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4 ist
eine typische Vertikal-Schnittansicht eines Absolutkodierers einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
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5A und 5B veranschaulichen
die Arbeitsweise des Absolutkodierers gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung, wobei 5A ein Impulsdiagramm jedes
Inkrementalsignals ist und 5B einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 5A zeigt, betrachtet im Bereich λ.
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In
einem Beispiel der zweiten Ausführungsform
ist eine Inkrementalspur I1 mit einer Periode λ parallel zu der zweiten Inkrementalspur
I2 mit einer Periode λ/8
in der absoluten Spur P auf der Kodeplatte A angeordnet, und gegeneinander
um λ/16
versetzte acht Sensoren K1 bis K8 sind entlang der Spur I1 angeordnet.
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Wie
aus 5A hervorgeht, steigen die Rechteckwellen k1 bis
k8 mit der Periodendauer λ mit
einer Phasendifferenz von λ/8
(22,5°)
an. Diese Signale werden an den Ausgängen der Sensoren K1 bis K8
erzeugt. Das zweite Inkrementalsignal d4 wird mit einer Periodendauer λ/8 von der
Spur I2 erzeugt. Ähnlich
wie beim ersten Ausführungsbeispiel
erfassen zwei Sensoren eine kleinste Leseeinheit, zum Beispiel p1
und p2 mit der Phasendifferenz von λ/2.
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Man
kann den Rechteckwellen k1 bis k8 leicht Zahlen 0 bis 7 zuordnen.
Damit wird ein Signal C1 ausgegeben. Es ist nicht möglich, dass
die Phasendifferenz des Signals C1 und des Signals d4 den Wert "0" hat, unabhängig davon, wo das Signal C1
ausgegeben wird und das Signal d4 positioniert ist. Die Phasendifferenz zwischen
dem Signal C1 und dem Signal d4 hat die in 5B veranschaulichte
Form.
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Da
eine mit dem Signal d4 synchronisierte absolute Positionsangabe
erhalten werden sollte, werden Signalmuster C2 erhalten, indem das
Ausgangssignal C1 folgendermaßen
verarbeitet wird:
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In 5A wird
das Signal p2 ausgewählt,
wenn die Zahlen 0 und 1 sind, und es wird das Signal p1 ausgewählt, wenn
die Zahlen 2 und 3 sind, wodurch das Signal p erhalten wird. Durch
Verarbeitung der Signale in der oben beschriebenen Weise erhält man eine
mit d4 synchronisierte absolute Positionsangabe.
