DE4202901A1

DE4202901A1 - Optischer absolutwinkelgeber

Info

Publication number: DE4202901A1
Application number: DE19924202901
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Frenk
Original assignee: Johannes Huebner Fabrik Elektrischer Maschinen 6300 Giessen De GmbH
Current assignee: Johannes Huebner Fabrik Elektrischer Maschinen 6300 Giessen De GmbH
Priority date: 1992-02-01
Filing date: 1992-02-01
Publication date: 1993-08-05

Description

"Winkel"-geber sollen hier Winkel beliebiger Schenkellänge betreffen, auch unendlich lange. "Längengeber" sind also in den Begriff mit eingeschlossen. Absolute Winkelgeber werden in zunehmendem Maße den Incre mentalen mit Zähler vorgezogen, weil auch nach einer Unter brechung der elektrischen Versorgung bei ihnen der gemes sene Winkelwert nicht verlorengeht.

Im allgemeinen bestehen die aus n konzentrischen Incrementalspuren, wenn n bit Auflö sung erzielt werden sollen. Deshalb sind sie erheblich auf wendiger, da Optik und Codierung auch n Incrementalgebern entsprechen. Besonders kostentreibend ist die Notwendigkeit, alle n Lichtschranken mit voller Genauigkeit zu justieren. Bei der Codierung verdoppelt jede Verdopplung der Auflösung, d. h. jede zusätzliche Spur auch die Zahl der Teilstriche

Erfindungsgemäß sollen diese Nachteile durch die Anwendung von Fotozellen-Arrays mit einer Zahl von Zellen, "Pixels", die sehr viel größer als n ist, vorzugsweise CCD-Zeilen, vermieden, und mit Hilfe eines zusätzlichen Analogcodes sowohl eine wesentlich einfachere Codierung als auch ein Auflösungsintervall kleiner als 1 Pixel erreicht werden. Die Meßanordnung ist allgemein üblich und braucht daher nicht ausführlich dargestellt zu werden: Sie besteht aus dem Code träger und der Optik, die relativ zueinander um die Meßgröße, (Winkel oder Strecke), weiterbewegt werden. Die Lichtquelle muß bei schnelleren Bewegungen kurze Lichtblitze, bis 1 Mikro sekunde erzeugen. In kurzen Intervallen, ca. 1 msec, müssen Messungen vorliegen, wenn sie zur Regelung verwendet werden sollen.

In Fig. 1 ist ein stark vergrößerter Ausschnitt der beanspruch ten Codierung dargestellt, wobei von dem Binärcode, einem Graycode, nur die beiden feinsten Spuren 1 und 2 gezeichnet sind. An sie schließt sich der Analogcode 3 an. 4 zeigt einen Radius (Senkrechte zur Meßrichtung) und, parallel dazu 5, in die Codierung hineinprojiziert, die CCD-Zeile, von der hier 32 Pixels auf die Analogspur fallen. Fig. 1 stellt also ebenso das Bild der Codierung in der CCD-Ebene dar, wie es tatsächlich durch die zur Meßapparatur gehörende Optik auf die CCD-Zeile abgebildet wird. Das Teilungs-Intervall der Analogspur 3 ist halb so groß wie das von Spur 2, wie es auch die nächste Grayspur hätte. Seine Höhe aber ist das Mehrfache einer Grayspur. Am oberen Ende sind die Striche genau um eine Strichbreite gegen den Anfang unten verschoben; gegen Spur 2 sind sie - wiederum wie es die nächste Grayspur wäre, um 1/2 Strichbreite versetzt. Das Verhältnis Breite/Höhe stellt die Vergrößerung der Auflösung eines Pixels dar. Zum Verständnis der Signalverarbeitung ist in 20 der Fig. 2 die Fotozellen-Zeile des CCD-Arrays dargestellt.

Als Beispiel ist die kleinste CCD-Zeile TC 102 mit 128 Pixels gewählt. Die Ziffern unmittelbar darüber sind die laufenden Nummern der einzelnen Pixels, wie sie beim Abfragen im Ana logshift mit der Shiftfrequenz fs (ca.1 MHz) ein Zähler mit zählt. Damit stellt die Zeilenachse von 20 auch eine Zeit- Achse dar. Von 97 bis 128 zählt der Feinwertzähler die Takte von 0 bis zur Meß-Flanke. (Natürlich kann auch ein Zähler, der alle Shifttakte zählt, nach Subtraktion von 97 gleichzeitig als "Feinwertzähler" dienen).

In 21 ist das Videosignal der Zeile gezeichnet, jedoch die von nebeneinander liegenden beleuchteten Pixels miteinander verbunden. (S+H oder Zeitkonst.) Es sind insgesamt 12 Gray spuren angenommen. Sie sind hier auf 96 Pixel verteilt, so daß auf jede Spur 8 Pixel und auf die Analogspur 32 Pixel fallen. Diese Aufteilung der Zeile auf Binär- und Analog- Code ist eine wichtige Entscheidung des Konstrukteurs, um bei minimalen Kosten die Vorteile der Erfindung optimal an die jeweilige Aufgabe anzupassen. In unserem Beispiel wäre es auch möglich, mit 5 Pixels pro Spur, d. h. 60 für 12 Binär bits, noch 64 Pixels=6 bit für die Analogmessung zu lassen und so 18 bit Auflösung zu erzielen.

(Für eine reine Graycodierung von 18 bit wäre die 32fache Anzahl von Code-Strichen zu zeichnen, wobei aber die feinsten Spuren, weit kleiner als 1 Pixel, nicht mehr aufgelöst würden.) In dem analogen Teil von 21 erkennt man, wie durch das schrä ge Schneiden des hellen Codefeldes die Video-Impulse langsam bis "volle Helligkeit" wachsen.

In 22 sind die gleichen Signale nach Passieren eines Triggers gezeigt, Schwelle bei halber Helligkeit. Auch das Analogsignal springt nun an einer definierten Stelle um: die Meßflanke, an der die Pixel-Nummer den Feinwert ergibt. In 23 sind die ersten und letzten Takte der Frequenz fg-fs/2a gezeichnet. Der Fg-Generator wird mit dem ersten Scantakt eingeschaltet und nach a, im Beispiel also 12 Perioden schaltet er sich selbst aus. Der Ausschaltimpuls 24 schaltet gleichzeitig den Analogzähler und den Hell/Dunkel-Detektor ein, die beide von der Meßflanke (im Beisp. 126) gestoppt bzw. abgelesen werden.

Eine Code-Höhe von 2 Pixels mit ganzzahligem a hat den Vorteil, daß der binäre Ausgang des fs-Zählers ohne zusätzliche Multiplikation an den Zahlenwert der Gray-Able sung angefügt werden kann. Diese muß vorher noch ermittelt werden: Die Umwandlung der Gray-Ablesung mit Hilfe von Exclusive-Or-Gattern in eine Dualzahl ist bekannt. Sie kann natürlich auch programmiert von einem nachgeschalteten Pro zessor ausgeführt werden, der dann auch die folgenden Schritte übernimmt.

Um das Verfahren, den Feinwert an diese Dualzahl anzuhängen, etwas übersichtlicher zu machen, sei zunächst die Breite der Analogstriche in Code 3 als Zähleinheit 1 angenommen. Dann mögen die Kanten von Spur 2 willkürlich die Nummern 121, 123, 125, 127 . . . haben. Dazwischen liegen von Spur 1 122, 126 und 130, wie beim Graycode bekannt. Ebenso kommen die Zahlen 124 und 128 von gröberen, nicht mitgezeichneten Grayspuren.

Bezeichnen wir den Feinwert, am Code 3 abgelesen, zunächst als "Kommawert", wie in Skala 6 numeriert, so ist die Null in der Mitte, wo die verlängerten Grayflanken die Analog striche schneiden. Man sieht, daß bei geraden Zahlen dieser Schnittpunkt im dunklen, bei ungeraden im hellen Feld des Analogcodes 3 gezählt wird. Mit folgender Vorschrift kann nun der Gesamtwert w aus der Grayzahl g und der Kommazahl k bei hellem oder dunklem Feld ermittelt werden:
Ist g gerade und k-Feld dunkel, dann w = g + k
Ist g gerade und k-Feld hell, dann w = g + 1 + k
Ist g ungerade und k-Feld hell, dann w = g + k
Ist g ungerade und k-Feld dunkel, dann w = g + 1 + k
(Natürlich können die Bedingungen hell/dunkel sich je nach der Zahl von Signal-Invertierungen oder bei Negativ-Darstel lung umkehren.) Auf diese Weise kann ein Justierfehler in der Nähe von Null sich nur in seiner tatsächlichen Größe von z. B. 0,1 auswirken, nicht aber etwa statt 123,9 124,9, also der 10fache Fehler entstehen.

Die wirkliche Berechnung mit Binärzahlen, bei denen der k-Wert, wie in Fig. 1 von 0 bis 32 abgezählt wird, ist aus der obigen Vorschrift leicht umzuformen. Sollte es nicht möglich sein, für den Analogcode 3 genau 2 Pixels mit ganzzahligem a zu verwenden, so ist der Zählwert n von m Pixels leicht durch w = 2_*n/m umzurechnen.

Es ist unerheblich im Sinn der Erfindung, ob die obigen Be rechnungen mit Digitalbausteine oder einem programmierten Prozessor ausgeführt werden; für die Möglichkeit weiterer Berechnungen, z. B. der Geschwindigkeit erscheint jedoch ein Prozessor vorteilhafter.

Eine Variation der Erfindung nach A.4 ist in Fig. 3 über trieben gezeichnet. Sie verändert nichts an der Meßprozedur, ist aber geeignet, je nach den Möglichkeiten automatischer Code-Zeichenmaschinen, die Herstellung des Analogcodes zu verbilligen und ihn genauer zu machen.

Das Prinzip ist, die schrägen Striche zu vermeiden und dafür das Fotozellen-Array schräg anzuordnen. Zusätzlich müssen dann die Spuren des Binärcodes an die schräge Ableselinie angepaßt werden. Die Codespur 30 ist verkürzt gezeichnet, damit der Winkel der Diagonalen
β = arctg (Strichbreite/Strichhöhe)
deutlicher wird. Um diesen Winkel geneigt ist nun die Foto zellenzeile 31. Wie in Fig. 1 die Kanten Nr. 123 und 122 auf einer Meßlinie mit der Mitte des Analogstrichs darüber liegen, so muß nun die Meßlinie 32 die rechte, Linie 33 die linke Kante des Striches 36 in der Mitte treffen. Deshalb müssen alle Kanten der Spur 34 um das Stück c=tg β_* Spurhöhe und alle Kanten jeder weiteren Spur um ein weiteres c, d. h. Spur 35 insgesamt um 2c, die nächstgröbere Spur um 3c . . . nach rechts verschoben werden. Wollte man auch die Kanten der Binärspuren nun sinngemäß abschrägen, so wäre der Vorteil des Aufrichtens der Analogstriche wieder vertan. Doch der ohnehin notwendige Trigger im Signalweg sorgt auch beim schrägen Anschneiden gerader Binärkanten für wohldefinierte Signale.

Claims

1. Optischer Absolutwinkelgeber, gekennzeichnet durch eine zweiteilige Codierung: einen binären mehrspurigen Code, z. B. Graycode, und unmittelbar anschließend einen Analogcode aus schräg zum Radius verlaufenden Teilstrichen, und ein Foto zellen-Array, das radial angeordnet, beide Codes gemeinsam abtastet.

2. Optischer Absolut-Winkelgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rechteckgenerator einer Frequenz fg=fs/2a, wobei fs die Shiftfrequenz des CCD-Arrays und a die Zahl der Pixels pro Binärspur ist, und ein weiteres Shiftregister, in das das Videosignal des CCD seriell eingespeist und, beginnend mit dem Abtastvorgang, von fg weitergeschaltet wird, so daß nach n (= Zahl der Binärbits) Schritten an den Parallelausgängen das Binärsignal abgelesen werden kann.

3. Optischer Absolut-Winkelgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von der Frequenz fs gespeisten Zähler zur Digitalisierung des Analogwerts, der mit dem Abtastbeginn der Analogspur eingeschaltet und bei dem Umschlag hell/ dunkel oder umgekehrt angehalten wird, so daß sein Ergebnis, ggf. nach Umrechnung, dem Binärsignal als Feinwert zugefügt werden kann, und durch einen Hell/dunkel-Detektor für die Pixels bis zur Meßflanke, der die Zurechnung des Feinwerts beeinflußt.

4. Optischer Absolut-Winkelgeber nach Anspruch 1, jedoch mit einer Codierung, gekennzeichnet durch Analog-Code-Striche, die exakt radial, senkrecht zur Meßrichtung verlaufen, und eine Ausrichtung des Fotozellen-Arrays schräg, parallel zur Dia gonale der Striche, sowie eine Binärcodierung, deren Spuren entsprechend der Schräge des Arrays verschoben sind.