DE4217498A1

DE4217498A1 - Winkelgeber

Info

Publication number: DE4217498A1
Application number: DE4217498A
Authority: DE
Inventors: Hagen Dipl Ing Kempas
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: DE4217498C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeber enthaltend:

(a) eine Codierscheibe mit zwei Spuren, die durch je einen Abtastkopf abtastbar sind,
(b) wobei jede Spur inkrementelle Marken enthält, und
(c) Mittel zur Interpolation zwischen den inkrementellen Marken zur Bildung eines Feinwinkelwertes.

Für die hochgenaue Winkelbestimmung sind optische Winkelgeber bekannt. Dabei werden Spuren auf einer Codierscheibe mittels optischer Abtastköpfe abgetastet. Es gibt Absolutwinkelgeber und inkrementelle Winkelgeber.

Bei absoluten Winkelgebern wird der jeweilige absolute Winkel z. B. binär codiert. Dieser binäre Code wird jeweils in radialer Richtung durch z. B. dunkle und helle Flächenteile dargestellt. Jeder Stelle des digital dargestellten Winkel wertes entspricht eine von mehreren konzentrischen Spuren der Codierscheibe. Jede dieser Spuren wird durch einen Abtastkopf optisch abgetastet. Eine solche digitale Darstellung und Abtastung des absoluten Winkelwertes ist recht aufwendig.

Bei inkrementellen Winkelgebern ist eine Spur vorgesehen, die mit inkrementellen Marken versehen ist. Die Periode der Marken entspricht jeweils einem definierten Winkelinkrement. Die Marken und damit die Winkelinkremente werden in einem Zähler gezählt. Um eine Richtungsinformation zu bekommen, enthält die Spur zwei Teilspuren, in denen die Marken um eine Viertel periode gegeneinander winkelversetzt sind und die durch je eine Abtastlichtschranke o. dergl. abgetastet werden. Eine Referenzmarke liefert einen Nullpunkt für die Zählung. In der Lichtschranke sitzt üblicherweise ein Gitter, durch das ein Lichtbündel mit endlicher Breite hindurchtritt. Die Teilung des Gitters entspricht der Teilung auf der Spur der Impuls teilkreisscheibe. Die Teilungen sind bei der Drehung der Impulsteilkreisscheibe abwechselnd fluchtend oder auf Lücke, so daß an einem Detektor der Lichtschranke eine Folge von Signalen erzeugt wird. Solche inkrementellen Winkelgeber sind relativ einfach im Aufbau. Nachteilig ist, daß sie direkt nur Winkeländerungen liefern. Es ist erforderlich, jeweils zunächst die Referenzmarke anzufahren, um den Nullpunkt zu bestimmen. Bei Störungen oder Unterbrechungen geht die absolute Winkelinformation verloren. Es muß dann erst wieder durch Anfahren der Referenzmarke der Nullpunkt bestimmt werden.

Um Schlag der Impulsteilkreisscheibe zu kompensieren, sind nach dem Stand der Technik zwei Abtastköpfe diametral gegen überliegend angeordnet. Diese Abtastköpfe tasten Spuren mit gleichen Teilungen ab.

Es ist weiter bekannt, zwischen den Marken eines inkrementellen Winkelgebers zu interpolieren. Hierzu wird die Tatsache ausgenutzt, daß sich die Signale in den beiden Teil spuren wie Sinus und Kosinus verhalten. Aus diesen Werten können Feinwinkelwerte berechnet werden. Die Grobwinkelwerte für die Darstellung des absoluten Winkels werden dabei jedoch durch die Zählung der inkrementellen Marken gewonnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einfachen Aufbau eines inkrementellen Winkelgebers mit den Vorteilen einer absoluten Winkelbestimmung zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Winkelgeber der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

(d) die beiden Spuren unterschiedliche Teilungen aufweisen und
(e) Mittel zur Bildung eines absoluten Grobwinkelwertes aus der Phasendifferenz zwischen den von den Abtastköpfen aus den Teilungen der beiden Spuren erhaltenen Signalen und
(f) Mittel zur Überlagerung von Grobwinkelwert und Feinwinkel wert zur Bildung eines hochaufgelösten, absoluten Winkel signals vorgesehen sind.

Nach der Erfindung wird ein Winkelgeber mit zwei Spuren nach Art eines inkrementellen Winkelgebers vorgesehen. Es wird auch zwischen den Marken interpoliert, um Feinwinkelwerte zu erhalten. Die abgetasteten Spuren haben aber eine geringfügig unterschiedliche Teilung. Dadurch unterscheiden sich die Phasen der von den beiden Abtastköpfen erhaltenen Signale um eine Phasendifferenz, die z. B. im Nullpunkt null ist und umso größer wird, je größer der Winkelabstand von dem Nullpunkt ist. Bei jedem Winkelinkrement erhöht sich die Phasendifferenz um einen durch die unterschiedlichen Teilungen bestimmten Winkelschritt. Die Phasendifferenz stellt daher ein Maß für den Grobwinkelwert dar. Es kann also mit einem nach Art eines inkrementellen Winkelgebers aufgebauten Winkelgeber der Absolutwert des Winkels erfaßt werden, ohne vorher auf eine Referenzmarke zurückzugehen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Impulsteilkreisscheibe bei einem Winkelgeber.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm und zeigt die Impulsteilkreis scheibe, die Lichtschranken und die Signalverarbeitung.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Impulsteilkreisscheibe eines Winkel gebers bezeichnet. Die Impulsteilkreisscheibe 10 weist eine erste Spur 12 im oberen Teil von Fig. 1 und eine zweite Spur 14 im unteren Teil von Fig. 1 auf. Jede dieser Spuren 12 und 14 wird durch einen zugehörigen, in Fig. 1 nicht dargestellten Abtastkopf optisch abgetastet. Der Bewegungsbereich der Impulsteilkreisscheibe ist begrenzt und umfaßt den in Fig. 1 durch den Doppelpfeil 16 dargestellten Winkelbereich. Wie in Fig. 1 bei 18 vergrößert dargestellt ist, besteht die Spur 12 der Impulsteilkreisscheibe 10 aus zwei konzentrischen Teil spuren 20 und 22. Die beiden Teilspuren weisen eine Folge von inkrementellen Marken auf. Die Marken auf den beiden Teil spuren 20 und 22 sind um eine Viertelperiode der Teilung gegeneinander winkelversetzt. In entsprechender Weise besteht die Spur 14, wie bei 24 vergrößert dargestellt ist, aus zwei konzentrischen Teilspuren 26 und 28. Auch die Teilspuren 26 und 28 weisen eine Folge von inkrementellen Marken auf. Die Marken auf den beiden Teilspuren 26 und 28 sind ebenfalls um eine Viertelperiode der Teilung gegeneinander winkelversetzt.

Die Marken auf den beiden Spuren 12 und 14 weisen geringfügig unterschiedliche Teilungen auf. Auf der Spur 12 sind 1024 Perioden der Marken pro Vollkreis angebracht. Auf der Spur 14 sind dagegen 1037 Perioden der Marken pro Vollkreis angebracht.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sitzt die Impulsteilkreis scheibe 10 auf einer Welle 30. Die Welle 30 ist in Lagern 32 und 34 gelagert.

Die Spur 12 wird von einem Abtastkopf 36 abgetastet. Der Abtastkopf 36 enthält einen Senderteil 38 auf einer Seite der Impulsteilkreisscheibe 10 und einen gegenüberliegenden Empfängerteil 40. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, enthält der Senderteil 38 eine Leuchtdiode 42 und eine Linse 44. Die Leuchtdiode 42 sendet ein Lichtbündel aus, das durch die Linse 44 parallelgerichtet wird. Das Lichtbündel tritt durch die Impulsteilkreisscheibe 10, die mit Ausnahme der Marken lichtdurchlässig ist. Vor dem Empfängerteil 40 auf der Rückseite der Impulsteilkreisscheibe 10 sitzt ein Gitter 46. Die Teilung des Gitters 46 entspricht der Teilung der Spur 12. Ein erster Detektor 48 des Empfängerteils 40 in Form von einem Paar von antiparallelen Photodioden ist hinter der Teilspur 20 angeordnet. Ein zweiter Detektor 50 in Form von einem Paar von antiparallelen Photodioden ist hinter der Teilspur 22 angeordnet. Der erste Detektor 48 liegt an einem Verstärker 52. Der zweite Detektor 50 liegt an einem Verstärker 54.

In entsprechender Weise ist im Bereich der zweiten Spur 14 ein Senderteil 56 mit einer Leuchtdiode 58 und einer Linse 60, ein Gitter 62, dessen Teilung der von Spur 14 entspricht, und einen Empfängerteil 64 mit einem Detektor 66 hinter der Teil spur 26 und einem Detektor 68 hinter der Teilspur 28. Der Detektor 66 liegt an einem Verstärker 70. Der Detektor 68 liegt an einem Verstärker 72.

Die analogen Ausgangssignale der Verstärker 52, 54, 70 und 72 sind auf einen A/D-Wandler 74 geschaltet. Der A/D-Wandler 74 liefert an einem Ausgang 76 ein der Spur 12 zugeordnetes erstes Sinussignal s1 in digitaler Form. Der A/D-Wandler 74 liefert an einem Ausgang 78 ein der Spur 12 zugeordnetes erstes Kosinussignal c1 in digitaler Form. Der A/D-Wandler 74 liefert an einem Ausgang 80 ein der zweiten Spur 14 zuge ordnetes zweites Sinussignal s2 in digitaler Form. Der A/D-Wandler liefert schließlich an einem Ausgang 82 ein der zweiten Spur 14 zugeordnetes zweites Kosinussignal c2 in digitaler Form.

Ein Rechner berechnet, wie durch Block 84 dargestellt ist, den Arcustangens des Verhältnisses der ersten Sinus- und Kosinus signale. Das ergibt einen ersten Winkelwert α 1. Der Rechner berechnet weiter, wie durch Block 86 dargestellt ist, den Arcustangens des Verhältnisses der zweiten Sinus- und Kosinussignale. Das ergibt einen zweiten Winkelwert α 2. Wie durch den Summierpunkt 88 dargestellt ist, wird die Differenz der beiden Winkelwerte gebildet. Von dieser Differenz wird der ganzzahlige Anteil n_i gebildet. Das ist durch Block 90 dargestellt. Nach Multi plikation mit einem Faktor, was durch Block 92 dargestellt ist, ergibt sich ein Grobwinkelwert α_grob. Aus dem Winkelwert 1 ergibt sich durch Multiplikation mit einem Faktor ein Fein winkelwert α_fein. Das ist in Fig. 2 durch Block 94 darge stellt. Grob- und Feinwinkelwert werden in einem Summierpunkt 96 überlagert. Das ergibt einen absoluten Winkelwert.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Bei einer Verdrehung der Impulsteilkreisscheibe 10 kommen die Gitter 46 und 66 abwechselnd zur Deckung mit der Teilung in den Spuren 12 bzw. 14 oder stehen auf Lücke zu diesen Teilungen. Abhängig davon treten die Lichtbündel von den Senderteilen 38 bzw. 56 durch die Impulsteilkreisscheibe 10 plus Gitter 46 bzw. 62 hindurch oder werden abgedeckt.

Die Detektoren 48, 50, 66 und 68 liefern Signale, die jeweils einer Sinus- bzw. einer Kosinusfunktion der Winkelstellung der Impulsteilkreisscheibe folgen. Die Signale der Detektoren 48 und 50 haben aber eine andere Periode als die Signale der Detektoren 66 und 68. Zwischen den Sinus- bzw. Kosinus funktionen tritt daher eine Phasenverschiebung auf, die umso größer ist, je weiter sich die Impulsteilkreisscheibe von dem Nullpunkt entfernt, in dem die beiden Funktionen phasengleich sind. Diese analogen Signale werden digitalisiert. Gemäß Blöcken 84 und 86 werden aus dem Arcustangens der Verhältnisse von Sinus- und Kosinussignal die Phasenwinkel α 1 und α 2 gebildet. Die Differenz der Phasenwinkel ist
Δα = α₁ - A₂.

Diese Differenz der Phasenwinkel ist ein Maß für den Grob winkelwert α_grob der Impulsteilkreisscheibe. Zu diesem Zweck wird der auf die einzelne Periode der Teilung bezogene Phasendifferenzwinkel Δα als Bruchteil einer vollen Periode dargestellt und mit der Anzahl n_max der auf 360° bezogenen Marken oder Inkremente multipliziert. Der ganzzahlige Anteil n_i dieser Zahl gibt eine laufende Nummer des Winkelinkrements, in dem die Impulsteilkreisscheibe 10 gerade steht. Wenn der Meßbereich der Impulsteilkreisscheibe 10, der durch den Doppelpfeil 16 in Fig. 1 dargestellt ist, mit α_M bezeichnet wird, dann ergibt sich ein Grobwinkelwert, d. h. ein Winkel wert, welcher der Summe der von der Impulsteilkreisscheibe 10 durchlaufenen vollen Inkremente entspricht, zu
α_grob = n_i α_M/n_max.

Diesem Grobwinkelwert A_grob wird ein Feinwinkelwert α_fein überlagert, der sich aus der Interpolation ergibt. Der Phasenwinkel α₁ im Kanal der Spur 12 wird in Verhältnis zu der vollen Periode 2 gesetzt. Das ergibt einen Bruchteil der vollen Periode. Dieser Bruchteil wird multipliziert mit dem Verhältnis des Meßbereichs α_M zu der auf 360° bezogenen Anzahl der Marken oder Inkremente. Das ergibt dann den inter polierten Feinwinkel α_fein. Es ist also
α_fein = α₁ α_M/n_max 2π.

Aus der Überlagerung von Grob- und Feinwinkelwert ergibt sich der absolute Winkelwert.

Claims

1. Winkelgeber enthaltend:

(a) eine Codierscheibe (10) mit zwei Spuren (12, 14), die durch je einen Abtastkopf (36) abtastbar sind,
(b) wobei jede Spur (12, 14) inkrementelle Marken enthält, und
(c) Mittel (84, 94) zur Interpolation zwischen den inkrementellen Marken zur Bildung eines Feinwinkelwertes,
dadurch gekennzeichnet, daß
(d) die beiden Spuren (12, 14) unterschiedliche Teilungen aufweisen und
(e) Mittel (88, 90, 92) zur Bildung eines absoluten Grobwinkelwertes aus der Phasendifferenz zwischen den von den Abtastköpfen aus den Teilungen der beiden Spuren (12, 14) erhaltenen Signalen und
(f) Mittel (96) zur Überlagerung von Grobwinkelwert und Feinwinkelwert zur Bildung eines hochaufgelösten, absoluten Winkelsignals vorgesehen sind.

2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spuren (12,14) zwei Teilspuren (20, 22; 26, 28) mit Folgen von inkrementellen Marken aufweist, von denen jeweils eine erste ein Sinussignal und eine zweite ein Kosinussignal erzeugt.

3. Winkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spuren (12, 14) und Abtastköpfe diametral gegenüberliegend auf der Impulsteilkreisscheibe (10) angeordnet sind.

4. Winkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inkrementellen Marken optische Marken sind und durch optische Abtastköpfe abgetastet werden.

5. Winkelgeber nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

(a) erste Rechnermittel (84), auf welche die Sinus- und Kosinussignale des ersten der Abtastköpfe (36) aufgeschaltet sind und welche einen ersten Winkelwert als Arcustangens des Verhältnisses der Sinus- und Kosinussignale liefern,
(b) zweite Rechnermittel (86), auf welche die Sinus- und Kosinussignale des zweiten der Abtastköpfe aufgeschaltet sind und welche einen zweiten Winkelwert als Arcustangens des Verhältnisses der Sinus- und Kosinussignale liefern,
(c) differenzbildende Mittel (88) zur Bildung der Differenz der Winkelwerte der ersten und der zweiten Rechnermittel (84, 86),
(d) Mittel (90) zur Bildung des ganzzahligen Anteils dieser Differenz und
(e) Mittel (92, 94, 96) zur Bildung des absoluten Grobwinkelwertes und des Feinwinkelwertes aus dem ersten Winkelwert und dem besagten ganzzahligen Anteils der Differenz und zur Überlagerung dieser Grob- und Feinwinkelwerte zur Erzeugung eines den absoluten Winkel wiedergebenden Winkelsignals.