DE4217498C2

DE4217498C2 - Winkelgeber

Info

Publication number: DE4217498C2
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: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: DE4217498A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeber enthaltend:

(a) eine Codierscheibe mit zwei Spuren, die unterschiedliche Teilungen aufweisen und die durch je einen Abtastkopf abtastbar sind von denen jede ein Sinussignal und ein Kosinussignal erzeugt,
(b) Mittel zur Interpolation zwischen den inkrementellen Marken zur Bildung eines Feinwinkelwertes,
(c) Mittel zur Bildung eines absoluten Grobwinkelwertes aus der Phasendifferenz zwischen den von den Abtastköpfen aus den Teilungen der beiden Spuren erhaltenen Signalen und
(d) Mittel zur Überlagerung von Grobwinkelwert und Feinwinkelwert zur Bildung eines hochaufgelösten, absoluten Winkelsignals.

Ein solcher Winkelgeber ist bekannt durch die GB 21 41 235 A. Dabei sind die beiden Spuren mäanderförmige Wicklungen, die induktiv mit zwei um eine Viertelperiode winkelversetzte Wicklungen des Abtastkopfes gekoppelt ist. Dadurch werden Sinus- und Kosinussignale erzeugt. Die Wicklungen sind zueinander konzentrisch. Es ist ein Abtastkopf mit zwei Paaren solcher winkelversetzter Wicklungen vorgesehen. Nullpunktfehler werden durch Korrekturen der digitalen Ausgangssignale korrigiert.

Es ist auch bekannt, zwei Abtastköpfe diametral gegenüberliegend anzuordnen, um einen Schlag einer Codierscheibe zu kompensieren. Diese Abtastköpfe tasten Spuren mit gleichen Teilungen ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeber der eingangs genannten Art zu vereinfachen und zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Winkelgeber gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die beiden abgetasteten Spuren liegen dabei auf gegenüberliegenden Seiten der Codierscheibe, so daß ein Schlag der Codierscheibe kompensiert werden kann. Die beiden Spuren erfüllen somit eine doppelte Funktion: Sie liefern einen Absolutwert des Winkels und sie kompensieren den Schlag der Codierscheibe. Es sind zwei getrennte Abtastköpfe für die beiden Spuren vorgesehen. Das gestattet eine Justage der Abtastköpfe relativ zueinander. Durch die Schlagkompensation und die Justagemöglichkeit kann auf eine ausgangsseitige digitale Nullpunktkorrektur verzichtet werden.

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

Fig. 1 zeigt schematisch eine Codierscheibe bei einem Winkelgeber.

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

In Fig. 1 ist mit 10 eine Codierscheibe eines Winkelgebers bezeichnet. Die Codierscheibe 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 Codierscheibe 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 Codierscheibe 10 aus zwei konzentrischen Teilspuren 20 und 22. Die beiden Teilspuren weisen eine Folge von inkrementellen Marken auf. Die Marken auf den beiden Teilspuren 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 Codierscheibe 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 Codierscheibe 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 Codierscheibe 10, die mit Ausnahme der Marken lichtdurchlässig ist. Vor dem Empfängerteil 40 auf der Rückseite der Codierscheibe 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 α1. Der Rechner berechnet weiter, wie durch Block 86 dargestellt ist, den Arcustangens des Verhältnisses der zweiten Sinus- und Kosinussignale. Das ergibt einen zweiten Winkelwert α2. Wie durch den Summierpunkt 88 dargestellt ist, wird die Differenz der beiden Winkelwerte

Δα = α₁ - α₂

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 α1 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 Codierscheibe 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 Codierscheibe 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 Codierscheibe 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. Kosinusfunktionen tritt daher eine Phasenverschiebung auf, die umso größer ist, je weiter sich die Codierscheibe 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 α1 und α2 gebildet. Die Differenz der Phasenwinkel ist

Δα = α₁ - α₂.

Diese Differenz der Phasenwinkel ist ein Maß für den Grob winkelwert α_grob der Codierscheibe. 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 Codierscheibe 10 gerade steht. Wenn der Meßbereich der Codierscheibe 10, der durch den Doppelpfeil 16 in Fig. 1 dargestellt ist, mit α_M bezeichnet wird, dann ergibt sich ein Grobwinkelwert, d. h. ein Winkelwert, welcher der Summe der von der Codierscheibe 10 durchlaufenen vollen Inkremente entspricht, zu

α_grob = n_i α_M/n_max.

Diesem Grobwinkelwert α_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 2π 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 = α₁α_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 diametral gegenüberliegenden, jeweils zwei Teilspuren (20, 22; 26, 28) mit Folgen von inkrementellen Marken enthaltenden Spuren (12, 14), die unterschiedliche Teilungen aufweisen,
(b) zwei diametral gegenüberliegend angeordnete, jeweils eine der zwei Spuren (12, 14) abtastende Abtastköpfe (36), wobei jeweils die eine Teilspur ein Sinussignal und die andere ein Kosinussignal erzeugt,
(c) Mittel (84, 94) zur Interpolation zwischen den inkrementellen Marken zur Bildung eines Feinwinkelwertes (α_fein) aus den von einem der Abtastköpfe (36) erhaltenen Signalen,
(d) Mittel (88, 90, 92) zur Bildung eines absoluten Grobwinkelwertes (α_grob) aus der Phasendifferenz zwischen den von den beiden Abtastköpfen (36) aus den Teilungen der beiden Spuren (12, 14) erhaltenen Signalen, und
(e) Mittel (96) zur Überlagerung von Grobwinkelwert (α_grob) und Feinwinkelwert (α_fein) zur Bildung eines hochaufgelösten, absoluten Winkelsignals (α_abs).

2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inkrementellen Marken optische Marken sind und durch optische Abtastköpfe abgetastet werden.

3. Winkelgeber nach Anspruch 1 oder 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 (α₁) als Arcustangens des Verhältnisses der Sinus- und Kosinussignale liefern,
(b) zweite Rechnermittel (86), auf welche die Sinus- und Kosinussignale des zweiten der Abtastköpfe (36) aufgeschaltet sind und welche einen zweiten Winkelwert (α₂) als Arcustangens des Verhältnisses der Sinus- und Kosinussignale liefern,
(c) differenzbildende Mittel (88) zur Bildung der Differenz (Δα) zwischen dem ersten und dem zweiten Winkelwert (α₁, α₂),
(d) Mittel (90) zur Bildung des ganzzahligen Anteils (n_i) dieser Winkeldifferenz (Δα), und
(e) Mittel (92, 94) zur Multiplikation mit einem Faktor (α_M/n_max, α_M/n_max · 2π) zur Bildung des absoluten Grobwinkelwertes (α_grob) aus dem ganzzahligen Anteil (n_i) der Winkeldifferenz (Δα) und zur Bildung des Feinwinkelwertes (α_fein) aus dem ersten Winkelwert (α₁).