DE4137092C2 - Verfahren zum Messen von Winkeln von mehr als 360 DEG - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Winkeln von mehr als 360°.

Winkelcodierer dienen zum Messen von Winkeln, wobei die Information digital in codierter Form ausgegeben wird. In Verbindung mit entsprechenden mechanischen Zwischenglie­ dern, die Drehbewegungen in Längsbewegungen umwandeln, wie beispielsweise Meßspin­ deln an Werkzeugmaschinen, werden Winkelcodierer auch zur Längenmessung eingesetzt. Die Digitalisierung und Codierung der verschiedenen Winkelpositionen erfolgt üblicherweise bei der Herstellung der Maßverkörperung in Form einer Codescheibe, die auf konzentri­ schen Spuren Bereiche mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikali­ schen Eigenschaften trägt. Die Zahl der unterscheidbaren Einzelpositionen hängt dabei von der gewünschten Auflösung ab. Denkt man sich vom Mittelpunkt der Codescheibe ausge­ hend eine radial verlaufende Ableselinie, dann sind bei N unterschiedlichen Spuren und N Abtastelementen maximal 2^N Positionen pro Umdrehung unterscheidbar. Am gebräuchlich­ sten zur Maßverkörperung sind Glasscheiben mit transparenten und nichttransparenten Zo­ nen, die photoelektrisch abgetastet werden. Daneben gibt es auch Winkelcodierer auf kapa­ zitiver, induktiver oder auch resistiver Basis.

Da sich nach einer vollen Umdrehung der Codescheibe das Codemuster wiederholt, sind zur eindeutigen Unterscheidung mehrerer Umdrehungen weitere Codescheiben notwendig, die über Untersetzungsgetriebe miteinander gekoppelt sind. Möchte man beispielsweise 16 Umdrehungen messen, dann ist ein Getriebe mit einer Untersetzung von 1 : 16 erforderlich sowie eine zweite Codescheibe mit 16 unterscheidbaren Positionen, die bei jeder vollen Umdrehung um eine Position weiterbewegt wird. Da das Getriebespiel des Untersetzungs­ getriebes nur in einem beschränkten Bereich unwirksam gemacht werden kann, lassen sich nicht beliebig große Untersetzungen zwischen zwei benachbarten Codescheiben realisie­ ren. Möchte man beispielsweise 256 Umdrehungen messen, empfiehlt es sich, insgesamt drei Codescheiben zu verwenden, von denen die erste innerhalb einer Umdrehung mißt, die zweite 1 : 16 bezüglich zur ersten untersetzt ist und sich nach insgesamt 16 Umdrehungen der ersten Codescheibe einmal um 360° dreht und von denen schließlich die dritte Code­ scheibe wiederum gegenüber der zweiten Codescheibe um 1 : 16 untersetzt ist und erst nach 256 Umdrehungen der Eingangswelle eine volle Umdrehung macht und auch wiederum 16 Einzelpositionen unterscheidet. In entsprechender Weise können natürlich noch größere Meßbereiche realisiert werden.

Ein wesentliches Merkmal dieser Winkelcodierer ist, daß das immer vorhandene Spiel der verschiedenen Untersetzungsgetriebe völlig unwirksam gemacht werden kann, indem man geeignete Maßnahmen wie beispielsweise eine Doppelabtastung in Form der U- oder V-Ab­ tastung verwendet und somit ein gleichzeitiges Schalten aller relevanten Bits synchron zum Signalwechsel in der ersten Scheibe sicherstellt.

Nachteilig bei diesem bekannten Meßverfahren mit hintereinander angeordneten Winkelco­ dierern ist die konventionelle Abtastung der Codescheiben. Dies ist nur mit einem großen Kostenaufwand technisch realisierbar. Darüber hinaus nimmt das bekannte System viel Platz ein.

In der DE-OS 39 00 464 ist eine Vorrichtung zur Rotorlage- und Drehzahlermittlung eines Elektromotors offenbart. Zu diesem Zweck ist auf der Motorwelle eine Codescheibe mit drei konzentrischen Spuren fest angeordnet, die nicht in dem sonst üblichen Linearcode, son­ dern in einem Ternärcode arbeiten, bei dem jedes Signalfeld drei unterschiedliche Zustände (schwarz, grau und weiß) aufweisen kann. Der Codescheibe ist dabei eine optische Abta­ steinrichtung für die drei Spuren zugeordnet. Das bekannte Verfahren beschreibt dabei die Auswertung der drei Zustände und die Gewinnung der Ausgangssignale, die in einem Takt­ signal für die Drehzahlmessung des Elektromotors und weiteren Informationen über die Ro­ torstellung zum Zwecke der Steuerung der Kommutierung bestehen. Bei der Rotorstellung wird dabei ein Winkel zwischen 0° und 360° ermittelt. Nicht ermittelt werden kann die Ge­ samtzahl der bislang erfolgten Umdrehungen des Elektromotors.

In der WO 86/03580 ist die Vergrößerung eines Meßbereiches von ungefähr 90° eines in­ duktiven Winkelgebers mittels eines spielfreien Plantengetriebes auf 360° offenbart.

In der DE-OS 37 34 938 ist eine Sensoreinheit insbesondere zum Betrieb von elektrisch kommutierten Synchronelektromotoren in Servoregelkreisen offenbart. Um die absolute Winkelposition über mehrere Umdrehungen der Motorwelle in preisgünstiger Weise ermit­ teln zu können, sind einem an die Motorwelle ankuppelbaren, hochauflösenden Resolver über Untersetzungsgetriebe geringer Genauigkeit ein oder mehrere Resolver geringer Win­ kelauflösung nachgeschaltet. Das Untersetzungsverhältnis der Untersetzungsgetriebe und die Winkelauflösung der nachgeschalteten Resolver sind dabei so gewählt, daß sich jeweils ein redundantes Bit ergibt, das zur Winkelsynchronisation benutzt wird. Es werden somit mehrere Resolver mit nachgeschaltetem A/D-Umsetzern gekoppelt, wobei die Synchronisa­ tion der Verknüpfung der Signale mehrerer über Getriebe gekoppelter Scheiben bei soge­ nannten Multiturn-Winkelcodierern entspricht. Dies geschieht allerdings unter Ausnutzung gewisser Gesetzmäßigkeiten des sogenannten Gray-Codes. Dabei wird von einem konstan­ ten Toleranzbereich für das Getriebespiel und grundsätzlich von einer Linearität und einer weitgehenden Fehlerfreiheit der verwendeten Teilsysteme ausgegangen, so daß lediglich das Getriebespiel als eigentliche Fehlerquelle zu beachten ist.

In der DE-OS 39 07 442 schließlich ist ein Winkelsensor zur Bestimmung der Drehung einer Welle offenbart. Der Grundgedanke besteht in der möglichst fehlerfreien mechanischen Kopplung zwischen zwei analogen Systemen, welche beispielsweise Potentiometer sein können. Es wird dabei beispielsweise ein kontinuierlich linearverlaufender Kurvenverlauf für das Grobmeßsystem angestrebt. Dabei soll im gesamten Drehbereich der Längssäule eine hohe Genauigkeit ermöglicht werden, die eine Erfassung des elektrischen Signals mit mittle­ rer Auflösung erlaubt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren für Winkel von mehr als 360° derart zu entwickeln, daß auch stark fehlerbehaftete und sogar möglicherweise nichtli­ neare Meßsysteme verwendet werden können.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Messen von Winkeln von mehr als 360° vorgeschlagen, bei dem Bereiche einer konzentrische Spuren aufweisen­ de Codescheibe mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikalischen Ei­ genschaften mittels einer Abtasteinrichtung abgetastet werden und das Meßergebnis durch eine Auswerteschaltung digital in codierter Form ausgegeben wird, bei dem mehrere Code­ scheiben jeweils unter Zwischenanordnung eines Untersetzungsgetriebes zur Ermittelung der Anzahl der Umdrehungen der vorgeschalteten Codescheibe hintereinandergeschaltet sein können, bei dem der Codescheibe - bei der Verwendung von mehreren Codescheiben - der letzten Codescheibe gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Unterset­ zungsgetriebes ein Analogwertgeber zur Erzeugung eines Meßwertes in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Gesamtwinkelweg der Codescheibe nachgeordnet ist, wobei die Meß­ werte zunächst in einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und die so erzeugten Digital­ werte der Auswerteschaltung aufgegeben werden, bei dem einer bestimmten Spur der Co­ descheibe dem letzten Teilabschnitt einer bestimmten physikalischen Eigenschaft vor dem Abschluß einer vollen Umdrehung sowie dem ersten Teilabschnitt der sich daran anschlie­ ßenden gewechselten physikalischen Eigenschaft bei Beginn einer neuen Umdrehung je­ weils dem zugehörigen Soll-Meßwertbereich des Analogwertgebers ein Toleranz-Meßwert­ bereich zur Definierung der unteren und oberen Toleranzgrenzen zugeordnet wird, wobei sich die Toleranz-Meßwertbereiche dieser beiden aneinandergrenzenden Teilabschnitte überlappen, und bei dem das bei einem Wechsel der physikalischen Eigenschaft der be­ stimmten Spur von der Abtasteinrichtung erzeugte Signal in der Weise als Signal für die Umdrehungswahl der Codescheibe verwendet wird, daß der aus dem gleichzeitig anliegen­ den Meßwert des Analogwertgebers mit Werten im Überlappungsbereich der Toleranz- Meßwertbereiche in der Auswerteschaltung die dort abgespeicherte oder errechnete Umdre­ hungszahl für diesen Überlappungsbereich ermittelt wird.

Auf diese Weise ist ein überaus genaues Verfahren zur digitalen Winkelmessung von Win­ keln von mehr als 360° unter gleichzeitiger Codierung der Winkelinformation geschaffen, welches sich technisch sehr einfach realisieren läßt. Die Grundidee besteht dabei darin, ei­ nen Winkelcodierer in Form einer Codescheibe als Feinmeßsystem und einen Analogwert­ geber, welcher beispielsweise ein Potentiometer sein kann, als Grobmeßsystem zu verwen­ den, wobei das Grobmeßsystem unter Verwendung des Analogwertgebers die Anzahl der Umdrehungen mißt. Dabei liefert der Analogwertgeber einen Meßwert, der direkt von dem Gesamtwinkelweg abhängt, welchen das Drehelement zurückgelegt hat, wobei unter die­ sem Gesamtwinkelweg derjenige Winkelweg zu verstehen ist, den das Drehelement von Beginn des Meßvorganges an gemacht hat, so daß in diesem Gesamtwinkelweg die Sum­ me sämtlicher bisheriger Umdrehungen enthalten ist. Da bestimmten Meßwerten bzw. Meß­ wertbereichen jeweils eine bestimmte Umdrehungszahl zugeordnet ist, läßt sich aus dem aus dem Meßwertgeber erhaltenen Meßwert die Anzahl der gemachten Umdrehungen er­ mitteln. Das besondere ist die Auswerteschaltung, mit der das Feinmeßsystem und das Grobmeßsystem miteinander verknüpft werden, wie also der dem durch den Winkelcodierer gebildeten Feinmeßsystem überlagerte Analogmeßwert des Grobmeßsystems zur eindeuti­ gen Bestimmung der Anzahl von Umdrehungen ausgewertet wird. Wesentlich dabei ist, daß als Grobmeßsystem ein stark nichtlinearer, fehlerbehafteter Analogwertgeber verwendet werden kann, der ein einziges Signal abgibt. Die einzige Voraussetzung ist, daß die Fehler innerhalb gewisser Grenzen reproduzierbar sind. Man könnte bei starker Exemplarstreuung der Fehlerverläufe den Fehlerverlauf individuell durch eine Art Lernprozeß erfassen und ab­ speichern. Somit wird erfindungsgemäß eine Auswertemethode beschrieben, die von einem stark fehlerbehafteten und sogar möglicherweise nichtlinearen Grobmeßsystem in Form des Analogwertgebers ausgeht. Dies Grundidee der speziellen erfindungsgemäßen Auswerte­ schaltung, um die durch das Getriebespiel des Untersetzungsgetriebes als auch durch die Nichtlinearitäten und Fehler des Analogwertgebers bedingten Meßungenauigkeiten unwirk­ sam zu machen, besteht darin, daß synchron zum Signalwechsel nach erfolgter voller Um­ drehung des Drehelements, wenn sich also die physikalische Eigenschaft der ausgebildeten Spur ändert, dies als Information für die Auswerteschaltung genommen wird, daß eine der­ artige volle Umdrehung stattgefunden hat. Da aber die Auswerteschaltung nicht weiß, die wievielte Umdrehung es war, werden zuvor sich überlappende Toleranz-Meßwertbereiche zu den für die Signalerzeugung verantwortlichen, aneinandergrenzenden Teilabschnitte der ausgewählten Spur mit der Maßgabe definiert, daß der innerhalb eines bestimmten Überlap­ pungsbereiches liegende Meßwert einer bestimmten abgeschlossenen Umdrehung zuor­ denbar ist. Es versteht sich dabei von selbst, daß diese Toleranz-Meßwertbereiche sowie deren Überlappungen sich von Umdrehung zu Umdrehung verändern, insbesondere erhö­ hen, so daß diese eindeutige Zuordnung gewährleistet ist. Auf diese Weise ist ein Meßver­ fahren geschaffen, welches überaus exakt und zuverlässig arbeitet.

Vorzugsweise werden dabei als Analogwertgeber Potentiometer oder kapazitive oder induk­ tive Meßwertgeber wie beispielsweise Drehkondensatoren, Tauchspulsysteme, Differential­ transformatoren verwendet. Bei der Verwendung von Potentiometern kann es sich je nach verwendetem Meßbereich um einen Einfach- oder einen Mehrgangpotentiometer handeln. Das Potentiometer arbeitet dabei vorzugsweise in Spannungsteilerschaltung mit einem hoch­ ohmigen Anpaßverstärker, so daß eine Verfälschung des Meßwertes durch den Schleifer­ abgriff vernachlässigbar ist. Das Ausgangssignal des Potentiometers wird dann dem Ana­ log-Digital-Umsetzer zugeführt, der es in bekannter Weise in einen Digitalwert umwandelt.

Als Auswerteschaltung werden vorzugsweise Mikroprozessoren, Mikrocontroller oder pro­ grammierbare Logikschaltungen mit Speichern verwendet. Dies stellen einfache technische Möglichkeiten zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Bei der Verwendung eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers wird vorzugsweise außer der eigentlichen Signalauswertung auch die Analog-Digital-Umsetzung durchgeführt. Da­ durch läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich des apparativen Aufwandes weiter vereinfachen.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zur Definierung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Analogwertgebers die Meßwertgeberkurve an de­ finierten Stützstellen ausgemessen wird und die Stützstellen zu einem Polygonzug linear miteinander verbunden werden und daß anschließend der Polygonzug in einen weitgehend linearen Verlauf umgerechnet wird und schließlich die Toleranzgrenzen festgelegt werden. Dadurch kann man das vorhandene Toleranzband für die Fehlersumme besser ausnutzen, indem der Linearitätsfehler des Potentiometers oder eines entsprechenden Analogmeßwert­ gebers weitgehend eliminiert wird. Dies geschieht bei dieser Weiterbildung dadurch, daß man die Potentiometerkurve an bestimmten Stützstellen ausmißt und diese Stützstellen mit Geradenstücken verbindet. Man nähert damit die nichtlineare Potentiometerkurve durch ei­ nen Polygonzug an, der in bekannter Weise dann in den gewünschten linearen Kurvenver­ lauf umgerechnet werden kann. Anschließend werden die Toleranzgrenzen bzw. Toleranz­ felder festgelegt, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Der verbleibende Fehler ist dabei abhängig von der Dichte der gewählten Stützstellen. Die Stützwerte können in einfacher Weise dadurch gewonnen werden, daß man ein solches Potentiometer mechanisch mit ei­ nem hochauflösenden digitalen Winkelmeßsystem verbindet und an definierten Stellen, bei­ spielsweise jeweils im Abstand von 180°, d. h. zweimal pro Umdrehung, das Teilerverhältnis des Potentiometers mißt.

In einer alternativen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß zur Definierung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Analogwertgebers auf der realen Meßwertgeberkurve Stützstellen definiert werden, welche die Toleranz-Meßwertbereiche definieren. Man defi­ niert somit die Toleranzfelder nicht mehr anhand einer Linearisierung der Potentiometerkur­ ve als idealisierte Kurve, sondern in Abhängigkeit von der realen Potentiometerkurve, um von diesen Stützstellen aus dann die Toleranzfelder zu definieren, wobei die dadurch defi­ nierten Toleranzgrenzen als Kurven ausgebildet sind, die die Grenzen für den praktisch nutzbaren Toleranzbereich für die Fehlersumme (insbesondere für das Getriebespiel) kenn­ zeichnen. Diese Weiterbildung erlaubt eine wesentliche Erweiterung des Toleranzbereiches (insbesondere für das Getriebespiel) und macht somit entweder bei gleichbleibenden Feh­ lern eine Steigerung der Auflösung oder umgekehrt bei gleichbleibender Auflösung eine Er­ höhung der zulässigen Fehler möglich, ohne die Genauigkeit der Gesamtauswertung zu be­ einträchtigen.

In einer weiteren Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß als Spur für die Ermittlung der Um­ drehungszahl die gröbste Spur der Codescheibe verwendet wird. Dabei weist diese gröbste Spur vorzugsweise insgesamt zwei Teilabschnitte auf. Diese Spur löst somit eine Umdre­ hung der Codescheibe in zwei Schritte auf, von denen der erste von 0° bis 180° und der zweite von 180° bis 360° geht. Die beiden Teilabschnitte sind somit gleich groß und schlie­ ßen den gleichen Winkel von jeweils 180° ein. Dabei reihen sich die den aufeinanderfolgen­ den Umdrehungen zugeordneten Toleranz-Meßwertbereiche eines bestimmten Teilab­ schnittes nahtlos aneinander. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß sich die Überlappungsbereiche nahtlos aneinanderschließen und somit jedem beliebigen Meßwert eine eindeutige Umdrehungszahl zuordenbar ist. Voraussetzung hiervon ist jedoch, daß sich die Toleranz-Meßwertbereiche des bestimmten Teilabschnittes bezüglich der aufeinan­ derfolgenden Umdrehungen nicht überlappen, da ansonsten keine eindeutige Zuordnung zur einer bestimmten Umdrehungszahl gegeben ist.

Schließlich wird in einer Weiterbildung hiervon vorgeschlagen, daß der Schwerpunkt des To­ leranz-Meßwertbereiches in der Mitte des zugehörigen Soll-Meßwertbereiches liegt. Der To­ leranz-Meßwertbereich deckt somit symmetrisch den zugehörigen Soll-Meßwertbereich ab.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zum Messen von Winkeln wird nachfolgend an­ hand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema der Vorrichtung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung des erfin­ dungsgemäßen Meßprinzips,

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung des erfin­ dungsgemäßen Meßprinzips in einer alternativen Ausfüh­ rung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht zunächst aus einem mittels einer Welle 1 drehbaren Winkelcodierer in Form einer sogenannten Code­ scheibe 2, bei der es sich um eine Glasscheibe handeln kann. Diese Code­ scheibe 2 weist insgesamt vier zueinander konzentrische Spuren S1 bis S4 auf, die mit gleichmäßigem Winkelabstand abwechselnd transparente und nichttransparente Teilabschnitte T bzw. T′ aufweisen. Die innerste Spur S1 ist dabei die gröbste Spur der Codescheibe 2 mit einem ersten Teilab­ schnitt T von 0° bis 180° und einem zweiten Teilabschnitt T′ von 180° bis 360°, so daß diese Spur S1 eine volle Umdrehung der Codescheibe 2 ledig­ lich in zwei Schritte auflöst. Jeder dieser Spuren S1 bis S4 ist eine (nicht dargestellte) optische Abtasteinrichtung zugeordnet.

Der Codescheibe 2 mit ihrer Welle 1 ist unter Zwischenanordnung eines Un­ tersetzungsgetriebes 3 mit einem Untersetzungsverhältnis von 1 : 16 ein Po­ tentiometer 4 nachgeordnet, welches schematisch angedeutet ist. Dieses Po­ tentiometer 4 kann je nach verwendetem Meßbereich ein Einfach- oder Mehrgangpotentiometer sein. Es arbeitet in Spannungstellerschaltung mit einem hochohmigen Anpaßverstärker 5, so daß eine Verfälschung des Meß­ wertes durch den Schleiferabgriff vernachlässigbar ist.

Das Ausgangssignal des Potentiometers 4 wird einem Analog-Digital-Umset­ zer 6 zugeführt, der das analoge Ausgangssignal in bekannter Weise in einen Digitalwert umwandelt.

Da sowohl das Getriebespiel des Untersetzungsgetriebes 3 als auch die Nichtlinearitäten und Fehler des Potentiometers 4 die Meßgenauigkeit beein­ trächtigen, ist eine spezielle Auswerteschaltung 7 nachgeordnet, um diese Fehler unwirksam zu machen.

An die Auswerteschaltung 7 schließt sich dann ein Ausgangsverstärker 8 für den digitalen Winkelwert an.

Die in ihrem Grundaufbau beschriebene Meßvorrichtung funktioniert in Be­ zugnahme auf Fig. 2 wie folgt:

Die Codescheibe 2 dreht sich mittels der Welle 1, wobei die Spuren S1 bis S4 mit ihren Teilabschnitten T und T′ abgetastet werden. Über den Lei­ tungszweig L werden die entsprechenden Signale dem Ausgangsverstärker 8 zugeführt und man erhält zu der jeweiligen Winkelstellung der Code­ scheibe 2 den digitalisierten Wert für diesen Winkel.

Da nach einer vollen Umdrehung der Codescheibe 2 sich das Codemuster der Spuren S1 bis S4 wiederholt, muß noch eine zusätzliche Identifizierung dahingehend durchgeführt werden, wieviele Umdrehungen die Codescheibe 2 bisher gemacht hat. Zu diesem Zweck ist die Welle 1 der Codescheibe 2 über das Untersetzungsgetriebe 3 mit dem Untersetzungsverhältnis 1 : 16 mit dem Potentiometer 4 mit einem Schleifabgriff verbunden. An diesem Poten­ tiometer 4 soll eine Spannung von 10 V anliegen. Der jeweilige Spannungs­ abgriff ist mit U_a bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß für einen Drehwinkel von 360° der Codescheibe 2 bzw. ihrer Welle 1 ein Ausgangssignal am Potentiometer 4 von 100 mV auftritt, so daß bei der Versorgungsspannung des Potentiometers 4 mit 10 V insgesamt 100 Umdre­ hungen auflösbar wären. Im Diagramm in Fig. 2 ist die unter 45° einge­ zeichnete Linie die Ideallinie für ein fehlerfreies Potentiometer 4. Die dazu benachbart verlaufende, gekrümmte Linie soll ein fehlerbehaftetes Potentio­ meter 4 darstellen. Die beiden parallelen Linien beidseitig zur 45°-Ideallinie stellen die Grenzen des maximal zulässigen Toleranzbereiches für die Sum­ me aller Fehler (Potentiometer, Getriebespiel, Abtastfehler etc.) dar.

Da somit jeder Umdrehungszahl der Codescheibe 2 ein bestimmter Span­ nungswert bzw. Spannungswertbereich des Potentiometers 4 zugeordnet ist, stellt die Kombination aus Codescheibe 2, Untersetzungsgetriebe 3, Poten­ tiometer 4 sowie Analog-Digital-Umsetzer 6 eine Möglichkeit zur Winkelmes­ sung dar. Dies stellt jedoch ein Basissystem dar, bei der aufgrund des Ge­ triebespiels sowie der Nichtlinearitäten und Fehler des Potentiometers 4 an die Meßgenauigkeit Abstriche gemacht werden müssen.

Eine Weiterbildung dieses Basissystems sieht daher die zusätzliche Auswer­ teschaltung 7 vor, die die zuvor beschriebenen Fehler unwirksam macht. Hierbei ist ein wesentlicher Gedanke, daß die Auswerteschaltung 7 nicht nur von dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers 6 abhängig ist, sondern auch von der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2 gesteuert wird. Diese Spur S1 löst eine Umdrehung der Codescheibe 2 lediglich in zwei Schritte auf, von denen der erste von 0° bis 180° (Teilabschnitt T) und der zweite von 180° bis 360° (Teilabschnitt T′) geht. Dies ist in Fig. 2 durch die verschiedenen Schraffuren angedeutet. Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung wird für Erklärungszwecke das Aus­ gangssignal des Potentiometers 4 vor der Digitalisierung, d. h. im Analogbe­ reich betrachtet, während aber erfindungsgemäß das Ausgangssignal nach dessen Digitalisierung ausgewertet wird.

Möchte man im Analogbereich die Zahl der Umdrehungen der Codescheibe 2 bestimmen ohne Rücksicht auf die dazugehörende Position der Codescheibe 2, dann würde es genügen, wenn man jeweils in der Mitte des Teilabschnittes T einen Analogwert definieren würde, beispielsweise 25 mV, 125 mV, 225 mV etc., der den Umdrehungen 0, 1, 2, 3 etc. zugeordnet wäre.

Nach dieser Grundüberlegung kann man jetzt den nächsten Schritt tun und sagen, daß man lediglich zwei aufeinanderfolgende Umdrehungen von­ einander unterscheiden möchte. Dann würde sich an Stelle dieser diskreten Spannungswerte jeweils ein Spannungsbereich ergeben, der der nullten Umdrehung, der ersten Umdrehung, der zweiten Umdrehung, der dritten Umdrehung etc. zugeordnet wäre. Dieser Spannungsbereich könnte so groß sein, daß er über den jeweiligen Teilabschnitt T bzw. T′ beidseits hinaus­ geht und noch die Hälfte des angrenzenden Teilabschnittes T′ bzw. T um­ faßt. Man bekommt dann Toleranzbereiche, dessen Grenzen durch die ent­ sprechenden Kurvenzüge zu den Teilabschnitten T und T′ gekennzeichnet sind.

Betrachtet man nun das Toleranzfeld für den Teilabschnitt T nach der 1. Umdrehung, dann erhält man das (obere) schraffiert eingezeichnete Feld, das den Winkelbereich 270° bis 630° und den Spannungsbereich 75 mV bis 175 mV umfaßt. Entsprechendes läßt sich für die Teilabschnitte T′ der Co­ descheibe 2 überlegen. Die Schwerpunkte der zugeordneten Spannungen liegen bei 75 mV, 175 mV, 275 mV etc. Betrachtet man das Toleranzfeld für die nullte Umdrehung, weiches (unten) schraffiert angedeutet ist, umfaßt es einen Winkelbereich von 90° bis 450° und einen Spannungsbereich von 25 mV bis 125 mV. Man kann nun jeder dieser Flächen (bedingt durch die Wahl der Maßstäbe sind es im Beispiel Quadrate) eine bestimmte Wertigkeit zuordnen. Das erste, schraffierte Toleranzfeld des Teilabschnittes T′ hat die Wertigkeit 0 und gehört zur nullten Umdrehung, das anschließende schraffierte Toleranzfeld des Teilabschnitts T würde die Wertigkeit 1 haben und zur ersten Umdrehung gehören, das nach rechts folgende Toleranzfeld des Teilabschnitts T′ ebenfalls zur ersten Umdrehung gehören und wieder die Wertigkeit 1 haben, das dann folgende Toleranzfeld des Teilabschnitts T zur zweiten Umdrehung gehören und die Wertigkeit 2 haben etc. Die Schnittmengen aus benachbarten Toleranzfeldern der Teilabschnitte T und T′ können nun entweder zu zwei unterschiedlichen Umdrehungen gehören (wie dies im Schaubild in Fig. 2 bei den beiden schraffierten Toleranzfel­ dern der Fall ist) oder aber auch zur selben Umdrehung. Der entscheiden­ de Gedanke der Erfindung besteht nun darin, daß in Abhängigkeit von der Umschaltung vom Teilabschnitt T′ auf den Teilabschnitt T am Ende einer vollzogenen Umdrehung der Codescheibe 2 synchron eine Umschaltung der Wertigkeit der zugehörigen Spannungswerte erfolgt.

Bewegt sich in dem Ausführungsbeispiel die Codescheibe 2 von der Nullpo­ sition in Richtung auf das erste Toleranzfeld zum Tellabschnitt T′ zu, dann bedeuten alle Spannungswerte zwischen 25 mV und 125 mV, daß sich die Codescheibe 2 noch innerhalb der ersten Umdrehung befindet. Schaltet nun nach einer vollen Umdrehung die Codescheibe 2 auf das erste Toleranzfeld zum Teilabschnitt T um, dann gilt plötzlich, daß bereits eine Spannung zwischen 75 mV und 175 mV den Vollzug einer vollen Umdrehung bedeutet. Hat die gekrümmte Kurve zu diesem Zeitpunkt beispielsweise einen Wert von 120 mV, dann bedeutet dies, solange noch das erste Toleranzfeld zum Teilabschnitt T′ wirksam ist, Umdrehung 0 und sobald das zweite Toleranz­ feld zum Teilabschnitt T wirksam wird, die Umdrehung 1. Somit wechselt absolut synchron mit dem Wechsel der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2 auch die Wertigkeit des Ausgangssignals der Auswerteschaltung 7.

Das Grundprinzip und der Grundgedanke der Erfindung soll nochmals mit Hilfe folgender Tabelle erläutert werden, wobei die Toleranzfelder für die beiden Wertigkeiten der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2 angegeben sind und wobei angenommen ist, daß einer Umdrehung der Codescheibe 2 eine Spannungsänderung am Potentiometerabgriff von 100 mV entspricht:

Die Codescheibe 2 weist in ihrer gröbsten Spur S1 zwei Teilabschnitte T und T′ auf. Im Idealfall käme dem Teilabschnitt T bei 0 abgeschlossenen Umdrehungen ein Spannungsbereich von 0 bis 50 mV, dem Teilabschnitt T′ bei 0 abgeschlossenen Umdrehungen ein Spannungsbereich von 50 mV bis 100 mV, anschließend wieder dem Teilabschnitt T bei 1 Umdrehung ein Spannungsbereich von 100 mV bis 150 mV, dem sich daran anschließenden Teilabschnitt T′ bei 1 abgeschlossenen Umdrehung ein Spannungsbereich von 150 mV bis 200 mV, dem Teilabschnitt T bei 2 abgeschlossenen Umdre­ hungen ein Spannungsbereich von 200 mV bis 250 mV etc. zu. Man defi­ niert aber entsprechend der Anzahl der abgeschlossenen Umdrehungen so­ wie entsprechend der Teilabschnitte T oder T′ maximal zulässige Span­ nungsbereiche (Toleranzfelder), die jeweils 25 mV beidseitig weiter reichen als die Ideal-Spannungsbereiche bei fehlerfreiem Potentiometer 4 sowie bei nicht vorhandenem Getriebespiel. Die diesbezüglichen maximal zulässigen Spannungsbereiche sind in der Tabelle ganz rechts aufgeführt. Entspre­ chend sind sie in der Vertikalachse des Schaubildes in Fig. 2 dargestellt.

Die Auswerteschaltung 7 weiß, daß beim Übergang vom Teilabschnitt T′ in den Teilabschnitt T eine volle, abgeschlossene Umdrehung stattgefunden hat und es wird mittels der Abtasteinrichtung ein entsprechendes Signal erzeugt. Synchron hierzu liegt der entsprechende Spannungswert am Po­ tentiometer 4 an. Da sich die maximal zulässigen Spannungsbereiche einan­ der benachbarter Teilabschnitte T, T′ überlappen, gehört auf jeden Fall der gemessene und in digitaler Form vorliegende Spannungswert gleichzei­ tig zwei benachbarten Toleranzfeldern der Teilabschnitte T, T′ an. Im Dia­ gramm in Fig. 2 seien dies nach der ersten abgeschlossenen Umdrehung beispielsweise 120 mV. Dieser Spannungswert von 120 mV liegt dabei im Überlappungsbereich zwischen dem Toleranzbereich zum (letzten) Teilab­ schnitt T′ der nullten Umdrehung und dem Toleranzbereich zum (ersten) Teilabschnitt T der 1. abgeschlossenen Umdrehung, so daß die Auswerte­ schaltung 7 weiß, wann eine Umdrehung abgeschlossen worden ist, im Bei­ spiel die 1. Umdrehung. Bei einem Wechsel vom Teilabschnitt T′ zum Teilab­ schnitt T der nachfolgenden neuen Umdrehung sucht sich somit die Aus­ werteschaltung 7 aus den ab gespeicherten oder errechneten Spannungsbe­ reichen die entsprechende Umdrehungszahl heraus. Umgekehrt wird bei einem Wechsel vom Teilabschnitt T zum Teilabschnitt T′ mit dem entspre­ chenden Signal an die Auswerteschaltung 7 von dieser keine abgeschlosse­ ne Umdrehung identifiziert, da erst die Hälfte der Umdrehung vollzogen ist.

Anhand Fig. 3 soll nunmehr noch in einer alternativen Ausführungsform eine Möglichkeit beschrieben werden, mittels der das vorhandene Toleranz­ band für die Fehlersumme besser ausgenutzt werden kann, indem der Li­ nearitätsfehler des Potentiometers 4 weitgehend eliminiert wird. Die Toler­ anzfelder werden dabei in Abhängigkeit von der realen Potentiometerkurve definiert, wie sie in Fig. 3 als vom Nullpunkt ausgehende, gekrümmte Kur­ ve angedeutet ist. Das Schema, welches sich für die Lage der Toleranzfelder darauf aufbaut mit der nichtlinearen Potentiometerkurve und den ebenfalls nichtlinearen oberen und unteren Toleranzkurven für die Toler­ anzgrenzen, welche die Grenzen für den praktisch nutzbaren Toleranzbe­ reich für die Fehlersumme (insbesondere für das Getriebespiel) kennzeich­ nen, soll nachfolgend anhand dieser Fig. 3 beschrieben werden:

Zunächst werden Stützstellen ST1 bis ST7 auf der realen Kurve des Poten­ tiometers 4 bestimmt. In der Realität schließen sich dabei an die letzte Stützstelle ST7 noch weitere Stützstellen entsprechend der Anzahl der Um­ drehungen an. Im vorliegenden Beispiel wurden die Stützstellen ST1 bis ST7 beginnend bei 90° jeweils im Abstand von 180° gemessen. Damit liegen die Stützsteilen ST1 bis ST7 jeweils in der Mitte des Tellabschnittes T, T′ der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2. Die Bestimmung der zulässigen Toleranzfelder um jede Stützstelle ST1 bis ST7 herum erfolgt wiederum in der Weise, daß zunächst einmal die beiden unterschiedlich schraffierten Be­ reiche in der bereits beschriebenen Weise definiert werden, indem die Grenzen für den Winkel alpha jeweils in der Mitte des benachbarten Toler­ anzfeldes liegen und die Ordinatenwerte durch den jeweils dort gemesse­ nen Stützwert definiert sind. So sind die Grenzen für das Toleranzfeld des Teilabschnittes T′ der 0. Umdrehung einmal durch die Winkelwerte 90° und 450° und zum anderen durch die Ordinatenwerte ST1 und ST3 gegeben. Das nach der erfolgten 1. Umdrehung folgende Toleranzfeld zum Teilab­ schnitt T ist begrenzt durch die Winkelwerte 270° bis 630° sowie durch die Ordinatenwerte ST2 und ST4 als Unter- und Obergrenze. Die Bestimmung der Toleranzfelder wird zu höheren Winkelwerten hin entsprechend fortge­ setzt.

Die beidseits der Potentiometerkurve eingezeichneten Toleranzgrenzen stel­ len den Bereich dar, in dem der maximale Fehler in der Praxis liegen darf. Die Toleranzgrenzkurven bestehen dabei aus einzelnen Geradenstücken. Die Berechnung der Endpunkte für diese einzelnen Geradenstücke, die die To­ leranzfehler begrenzen, wird so vorgenommen, daß Parallelen zur Winkel­ achse in den Stützstellen ST1, ST2, etc. mit Parallelen zur Spannungsachse in den Winkelwerten 180°, 360°, 540°, etc. zum Schnitt gebracht werden. Diese Winkelwerte entsprechen jeweils einem Wechsel der Wertigkeit in der gröbsten Spur S1 der Codescheibe 2. Die entsprechenden Schnittpunkte sowohl oberhalb als auch unterhalb der Potentiometerkurve werden zu dem eingezeichneten Kurvenzug verbunden. Theoretisch wäre ein noch größerer Toleranzbereich möglich, der aber in der Praxis kaum nutzbar ist.

Dieses Prinzip gestattet eine wesentliche Erweiterung des Toleranzbereiches (insbesondere für das Getriebespiel) und macht somit entweder bei gleich­ bleibenden Fehlern eine Steigerung der Auflösung oder umgekehrt bei gleichbleibender Auflösung eine Erhöhung der zulässigen Fehler möglich, ohne die Genauigkeit der Gesamtauswertung zu beeinträchtigen.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren ist nicht auf Potentiometer 4 als Ana­ logwertgeber beschränkt, sondern es können auch beispielsweise kapazitive oder induktive Meßwertgeber verwendet werden, beispielsweise Drehkon­ densatoren, Tauchspulsysteme, Differentialtransformatoren etc.

Als Auswerteschaltung 7 kommen nicht nur Mikroprozessoren oder Mikro­ controller in Frage, sondern auch programmierbare Logikschalungen in Verbindung mit Speichern und andere Verknüpfungseinrichtungen. Bei der Verwendung eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors kann dort neben der eigentlichen Signalauswertung auch die Analog-Digital-Umsetzung erfol­ gen.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Meßverfahren nicht auf Winkelco­ dierer beschränkt, bei denen nur eine einzige Codescheibe 2 vorhanden ist, sondern es kann auch bei mehrstufigen optoelektronischen (oder kapa­ zitiven oder resistiven) Winkelcodierern als Ersatz für eine oder zwei der letzten Stufen eingesetzt werden.

Gegenüber den herkömmlichen Winkelcodierern mit beispielsweise photoelek­ trischer Abtastung erlaubt das erfindungsgemäße Meßverfahren eine erheb­ liche Kostenreduktion und auch Volumenreduktion, da auf aufwendige Ab­ tasteinrichtungen verzichtet werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Welle
2 Codescheibe
3 Untersetzungsgetriebe
4 Potentiometer
5 Anpaßverstärker
6 Analog-Digital-Umsetzer
7 Auswerteschaltung
8 Ausgangsverstärker
L Leitungszweig
S1 Spur
S2 Spur
S3 Spur
S4 Spur
ST1 Stützstelle
ST2 Stützstelle
ST3 Stützstelle
ST4 Stützstelle
ST5 Stützstelle
ST6 Stützstelle
ST7 Stützstelle
T Teilabschnitt
T′ Teilabschnitt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen von Winkeln von mehr als 360°,
bei dem Bereiche einer konzentrische Spuren (S1 bis S4) aufweisende Codescheibe (2) mit in Abhängigkeit von der Winkelstellung wechselnden physikalischen Eigenschaften mittels einer Abtasteinrichtung abgetastet werden und das Meßergebnis durch eine Auswerteschaltung (7) digital in codierter Form ausgegeben wird,
bei dem mehrere Codescheiben (2) jeweils unter Zwischenanordnung eines Unterset­ zungsgetriebes (3) zur Ermittelung der Anzahl der Umdrehungen der vorgeschalteten Codescheibe (2) hintereinandergeschaltet sein können,
bei dem der Codescheibe (2) oder - bei der Verwendung von mehreren Codescheiben (2) - der letzten Codescheibe (2) gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Un­ tersetzungsgetriebes (3) ein Analogwertgeber zur Erzeugung eines Meßwertes in Ab­ hängigkeit von dem zurückgelegten Gesamtwinkelweg der Codescheibe (2) nachgeord­ net ist, wobei die Meßwerte zunächst in einem Analog-Digital-Umsetzer (6) digitalisiert und die so erzeugten Digitalwerte der Auswerteschaltung (7) aufgegeben werden,
bei dem einer bestimmten Spur (S1) der Codescheibe (2) dem letzten Teilabschnitt (T′) einer bestimmten physikalischen Eigenschaft vor dem Abschluß einer vollen Umdre­ hung sowie dem ersten Teilabschnitt (T) der sich daran anschließenden gewechselten physikalischen Eigenschaft bei Beginn einer neuen Umdrehung jeweils dem zugehöri­ gen Soll-Meßwertbereich des Analogwertgebers ein Toleranz-Meßwertbereich zur Defi­ nierung der unteren und oberen Toleranzgrenzen zugeordnet wird, wobei sich die Tole­ ranz-Meßwertbereiche dieser beiden aneinandergrenzenden Teilabschnitte (T′, T) über­ lappen, und
bei dem das bei einem Wechsel der physikalischen Eigenschaft der bestimmten Spur (S1) von der Abtasteinrichtung erzeugte Signal in der Weise als Signal für die Umdre­ hungswahl der Codescheibe (2) verwendet wird, daß aus dem gleichzeitig anliegenden Meßwert des Analogwertgebers mit Werten im Überlappungsbereich der Toleranz- Meßwertbereiche in der Auswerteschaltung (7) die dort abgespeicherte oder errechnete Umdrehungszahl für diesen Überlappungsbereich ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Analogwertgeber Poten­ tiometer (4) oder kapazitive oder induktive Meßwertgeber wie beispielsweise Drehkon­ densatoren, Tauchspulsysteme, Differentialtransformatoren verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteschal­ tung (7) Mikroprozessoren, Mikrocontroller oder programmierbare Logikschaltungen mit Speichern verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers außer der eigentlichen Signalauswertung auch die Analog-Digital-Umsetzung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definie­ rung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Analogwertgebers die Meßwertge­ berkurve an definierten Stützstellen ausgemessen wird und die Stützstellen zu einem Polygonzug linear miteinander verbunden werden und daß anschließend der Polygon­ zug in einen weitgehend linearen Verlauf umgerechnet wird und schließlich die Tole­ ranzgrenzen festgelegt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definie­ rung der unteren und oberen Toleranzgrenzen des Analogwertgebers auf der realen Meßwertgeberkurve Stützstellen (ST1 bis ST7) definiert werden, welche die Toleranz- Meßwertbereiche definieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Spur (S1) für die Ermittlung der Umdrehungszahl die gröbste Spur (S1) der Codescheibe (2) verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gröbste Spur (S1) insge­ samt zwei Teilabschnitte (T, T′) aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die den aufeinanderfol­ genden Umdrehungen zugeordneten Toleranz-Meßwertbereiche eines bestimmten Teil­ abschnittes (T bzw. T′) nahtlos aneinanderreihen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Toleranz-Meßwertbereiches in der Mitte des zugehörigen Soll-Meßwertbereiches liegt.