DE4217498C2 - Winkelgeber - Google Patents
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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 ni
gebildet. Das ist durch Block 90 dargestellt. Nach Multi
plikation mit einem Faktor, was durch Block 92 dargestellt
ist, ergibt sich ein Grobwinkelwert αgrob. Aus dem Winkelwert
α1 ergibt sich durch Multiplikation mit einem Faktor ein Fein
winkelwert αfein. 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.
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 αgrob 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 nmax der auf 360° bezogenen
Marken oder Inkremente multipliziert. Der ganzzahlige Anteil
ni 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 αM bezeichnet wird, dann ergibt sich
ein Grobwinkelwert, d. h. ein Winkelwert, welcher der Summe der
von der Codierscheibe 10 durchlaufenen vollen Inkremente
entspricht, zu
αgrob = ni αM/nmax.
Diesem Grobwinkelwert αgrob wird ein Feinwinkelwert αfein
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 αM zu der auf 360° bezogenen
Anzahl der Marken oder Inkremente. Das ergibt dann den inter
polierten Feinwinkel αfein. Es ist also
αfein = α₁αM/nmax 2π.
Aus der Überlagerung von Grob- und Feinwinkelwert ergibt sich
der absolute Winkelwert.
Claims (3)
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 (αfein) aus den von einem der Abtastköpfe (36) erhaltenen Signalen,
- (d) Mittel (88, 90, 92) zur Bildung eines absoluten Grobwinkelwertes (αgrob) 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 (αgrob) und Feinwinkelwert (αfein) zur Bildung eines hochaufgelösten, absoluten Winkelsignals (αabs).
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 (ni) dieser Winkeldifferenz (Δα), und
- (e) Mittel (92, 94) zur Multiplikation mit einem Faktor (αM/nmax, αM/nmax · 2π) zur Bildung des absoluten Grobwinkelwertes (αgrob) aus dem ganzzahligen Anteil (ni) der Winkeldifferenz (Δα) und zur Bildung des Feinwinkelwertes (αfein) aus dem ersten Winkelwert (α₁).
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1992
- 1992-05-27 DE DE4217498A patent/DE4217498C2/de not_active Expired - Fee Related
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