DE4407446C1 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten aus periodischen phasenverschobenen Signalen sowie deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße aus periodischen phasenverschobenen Signalen und die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Charakterisierung des Drehverhaltens eines Drehkörpers.

Zur Auswertung von technischen Meßgrößen, wie z. B. zur Bestimmung einer überschrittenen Weg- oder Winkelstrecke, werden vielfach periodische phasenverschobene Ausgangssignale eines Sensors verwendet. Dabei stellt die Phasenverschiebung dieser periodischen Signale eine notwendige Bedingung zur Erkennung der Richtung der sich ändernden technischen Meßgröße dar, d. h. ob nun eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung dieser Größe stattgefunden hat. Ohne die mindestens zwei phasenverschobenen Signale ließe sich bei einem periodischen Signal, z. B. bei einem Sinus-Signal aus der Amplitude allein nicht erkennen, in welche Richtung der Sinus durchschritten wurde.

Aus DE 39 18 732 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Interpolation sinusförmiger Meßsignale, insbesondere solcher von fotoelektrischen Meßsystemen bekannt. Es werden aus von Gebern erzeugten und gleichgerichteten Meßsignalen gleichgerichtete Signale mit um den Faktor k verminderter Amplitude erzeugt, die dann in Komparatoren mit den gleichgerichteten Meßsignalen in an sich bekannten logischen Verknüpfungsschaltungen zur Meßwertgewinnung weiter verarbeitet werden.

Der der Erfindung nächstkommende Stand der Technik, die europäische Patentanmeldung EP 0484576 A1, offenbart eine Vorrichtung zur Unterteilung von analogen periodischen Signalen. Hierfür wird ein Momentanvektor gebildet und mit Hilfe eines Vektorgenerators ein Vergleichsvektor generiert, der dem Momentanvektor schrittweise angenähert wird. Ein Komparator vergleicht die beiden Vektoren und eine Steuerlogik approximiert den Vergleichsvektor sukzessiv, bis eine hinreichende Annäherung des Vergleichsvektors an den Momentanvektor stattgefunden hat und gibt den Zwischenwert aus.

Häufig liefern jedoch die Meßapparaturen, bedingt durch mangelhafte Justage oder sonstige Fehlermöglichkeiten, fehlerhafte Signale. Diese können dann z. B. bedingt durch differierende Intensitäten in Amplitude und Nullage voneinander abweichen. Ein weiterer Fehler, insbesondere bei der Justage, kann zu einem ungewollten Phasenfehler der Signale führen.

Diese fehlerbehafteten Signale führen bei Interpolationsverfahren, wie sie z. B. aus der EP 0484576 A1 bekannt sind, zu Fehlinterpretationen und deutlichen Meßfehlern. Insbesondere bei Signalen mit schwankender Amplitude kann diese nicht ausgeglichen werden und führt zu falschen Ergebnissen. Auch ist das Verfahren durch die aufwendige Approximation der Vektoren nicht in der Lage sich schnell verändernde Signale auszuwerten. Eine Echtzeitmessung der Signale ist damit nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße aus periodischen phasenverschobenen Signalen anzugeben, die sich schnell ändernde Signale zuverlässig mit hoher Präzision und in Echtzeit erfassen. Insbesondere soll das Verfahren in der Lage sein, Zwischenwerte der Meßgröße mit einer höchst möglichen Auflösung und Präzision bei geringem Meßaufwand zu erfassen und damit Meßverfahren zu erschließen, die vorher auf Grund der nur geringen Auflösungsmöglichkeit nicht oder nur mit extremem Aufwand möglich waren. So soll das Verfahren z. B. hochauflösend Verdrehungen an Drehkörpern meßbar machen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens im Patentanspruch 1, hinsichtlich der Vorrichtung im Patentanspruch 10 und hinsichtlich der Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung in den Patentansprüchen 8 und 17 angegeben.

Weitere, vorteilhafte Ausführungen der Erfindung finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind im folgenden Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Paar periodischer phasenverschobener Signale mit sowohl Amplituden-, Offset als auch Phasenfehler,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Interpolationsverfahren als Blockdiagramm,

Fig. 3 den Verlauf eines durch Verhältnisbilden aufgespannten Zwischenwertbereich der Meßgröße für sinusförmige Signale,

Fig. 4 den Verlauf eines durch Verhältnisbilden aufgespannten Zwischenwertbereich der Meßgröße für dreiecksförmige Signale,

Fig. 5 den Einfluß eines Phasenfehlers auf die interpolierten Zwischenwerte,

Fig. 6 das Zählen der überschrittenen Perioden beim erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 7 die Normierung bezüglich der Nullwerte und des Offsets eines Paares der periodischen phasenverschobenen Signale,

Fig. 8 das Ermitteln des Phasenfehlers der Signale und die Korrektur des interpolierten Zwischenwertes entsprechend des ermittelten Phasenfehlers eines Paares der periodischen phasenverschobenen Signale mit bekannter Verlaufsfunktion,

Fig. 9a eine Interpolationsvorrichtung,

Fig. 9b eine weitere Ausführung der Interpolationsvorrichtung,

Fig. 10 einen möglichen Aufbau eines Normierers,

Fig. 11 eine Ausführungsform einer Zähleinheit,

Fig. 12 als Beispiel der Anwendung des interpolationsverfahren eine Anordnung zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung von Verdrehungen an einem Drehkörper,

Fig. 13 eine Ausführungsform eines Reaktionssensors,

Fig. 14 den Aufbau eines optischen Reaktionssensors,

Fig. 15 eine Ausführungsform eines Aktionssensors.

Fig. 1 zeigt ein Paar periodischer phasenverschobener Signale mit sowohl Amplituden-, Offset als auch Phasenfehler. Dabei folgt einem Sinussignal 1 ein Cosinussignal 2, wobei das Sinussignal 1 einen Offset 3 und das Cosinussignal 2 einen Offset 4 gegenüber der Nullage des Systems haben. Weiterhin ist das Cosinussignal 2 gegenüber dem Sinussignal 1 um den Phasenfehler 5 verschoben und beide Signale haben unterschiedliche Amplituden.

Ein solches periodisches phasenverschobenes Signalpaar, wie in Fig. 1 gezeigt, dient nun als Eingangsgröße für den erfindungsgemäßen schnellen Interpolator zur: Ermittlung von Zwischenwerten und der Gesamtgröße einer Meßgröße. Das dabei angewandte Interpolationsverfahren ist in Fig. 2 als Blockdiagramm dargestellt. Da ein fehlerhaftes Signalpaar zu einer Fehlinterpretation und somit zu einer Fehlmessung führt, werden die Signale in einem ersten Schritt 10 zunächst bezüglich der Amplitude und der Nullage normiert und somit zu auswertbaren Signalen. Eine detaillierte Darstellung darüber wie die Normierung ausgeführt wird, soll zu einem späteren Zeitpunkt dargelegt werden.

Die in Schritt 10 normierten Signale werden dann in einem Schritt 11 ausgewertet, indem ein geeignetes Verhältnis der Signale gebildet wird. Werden wie in dem vorangegangenen Beispiel Sinus- und Cosinussignale verwendet, so stellt das Verhältnis der beiden einen Tangens dar. Das Verhältnisbilden der Signale ist für einen schnellen Interpolator in den Fällen erforderlich, in denen, wie z. B. bei optischen Sensoren, die Intensität und damit die Amplitude der Signale schwankt, beispielsweise bedingt durch eine geringere Lichttransmission bei höheren Meßfrequenzen. Durch das Verhältnisbilden der phasenverschobenen Signale fällt eine schwankende Amplitude als mögliche Fehlereinflußgröße heraus und gestattet ein sicheres Bestimmen der Zwischenwerte.

Nach dem Verhältnisbilden der normierten Signale in Schritt 11 erfolgt in Schritt 12 das Auslesen eines interpolierten Zwischenwertes aus einer zuvor abgelegten Zwischenwerttabelle entsprechend dem gebildeten Verhältnis der Signale. Hierfür muß der nominale Funktionsverlauf des periodischen Signals bekannt sein, und aus dieser bekannten Funktion lassen sich vorher die Zwischenwerte ermitteln und in der Zwischenwerttabelle ablegen. Dies ermöglicht ein schnelles Auslesen des Zwischenwertes der Meßgröße. Für Sinus- und Cosinussignale läßt sich aus dem Tangens, als dem Verhältnis der beiden Signale ein Winkel w berechnen und der zu w entsprechende Zwischenwert z. B. aus einer Tabelle entnehmen.

Fig. 3 zeigt den Verlauf eines durch Verhältnisbilden aufgespannten Zwischenwertbereichs der Meßgröße. Durch die Normierung des Sinus- und des Cosinussignals befindet sich der Zwischenwertbereich auf der Kreislinie 20, wobei die Lage des Zwischenwertes 21 durch den Winkel w = arc tan x festgelegt ist. Werden für die periodischen Signale z. B. Dreiecksfunktionen verwendet, liegen die Zwischenwerte entsprechend auf einer Rechteckslinie 25, wie in Fig. 4 dargestellt.

Fig. 5 zeigt den Einfluß des Phasenfehlers 5 auf die interpolierten Zwischenwerte für ein Sinus-Cosinus Signalpaar nach Fig. 3. Da die Zwischenwerte durch Verhältnisbilden des Sinus- zu dem Cosinussignal als Tangensfunktion gebildet werden, liegt der Nullpunkt der Zwischenwerte, unabhängig vom Wert des Cosinussignals, beim Nulldurchgangs des Sinussignals bei Null. Damit ist auch der Einfluß des Phasenfehlers 5 beim Nulldurchgang des Sinussignals gleich Null. Wie sich zeigen läßt, nimmt der Einfluß des Phasenfehlers 5 mit Zunahme des Wertes des Sinussignals und gleichzeitiger Abnahme des Wertes des Cosinussignals zu. Für sinus- und cosinusförmige Signale läßt sich dann bis zu einem Betrag des Phasenfehlers kleiner als 30° der Einfluß des Phasenfehlers mit hinreichender Genauigkeit mit einer Sinus-Quadrat-Funktion 30 des Winkels w annähern. Für Signale, bei denen der Phasenfehler 5 gering ist und von denen nur eine geringere Auflösungsgenauigkeit erwartet wird, kann auf eine Korrektur des Phasenfehlers verzichtet werden. Für hochauflösende Systeme ist jedoch eine Korrektur eines möglichen Phasenfehlers unabdingbar und soll zu einem späteren Zeitpunkt ausführlich erläutert werden.

Wie weiter in Fig. 2 gezeigt, wird in einem, dem Auslesen eines interpolierten Zwischenwertes 12 sich anschließenden Schritt 35 die Korrektur des in Schritt 12 ermittelten Zwischenwertes mit einem Wert entsprechend des Phasenfehlers 5 durchgeführt. Bei Verwendung von Sinus-Cosinus Signalen wie oben gezeigt, bietet eine Korrektur mit dem Sinus-Quadrat-Wert des ermittelten Winkels eine ausreichende Genauigkeit. Bei großen Phasenfehlern sollte jedoch eine erneute Justierung der Meßvorrichtung erfolgen.

Liegt der Meßbereich der Meßgröße über der Periodenlänge der Signale, so wird, um den Gesamtwert der Meßgröße angeben zu können, in einem weiteren Schritt 36 die Anzahl der überschrittenen Perioden gezählt. Anschließend erfolgt in Schritt 37 die Bestimmung des Gesamtwertes der Meßgröße aus einer Addition des interpolierten Zwischenwertes aus Schritt 12 oder 35 zu der mit der Länge einer Periode multiplizierten Anzahl der überschrittenen Perioden.

Für das Zählen der überschrittenen Perioden aus Schritt 36 ist es wichtig die Richtung der Bewegung auf der für den Wertebereich der Zwischenwerte definierten Linie, wie z. B. die Kreislinie 20 aus Fig. 3, zu erkennen. Fig. 6 zeigt dies mit einem Schritt 40 der Erfassung der Änderungsgeschwindigkeit v0 des Zwischenwertes zum Abtastzeitpunkt t0 und einem weiteren Schritt 41 der Erfassung der Änderungsgeschwindigkeit v1 des Zwischenwertes zum nachfolgenden Abtastzeitpunkt t1. Bei gleichmäßiger Abtastung in gleichen Zeitabständen ermittelt sich die Änderungsgeschwindigkeit aus der Subtraktion des Zwischenwertes zum Abtastzeitpunktes t0 von dem Zwischenwert zum Abtastzeitpunkt t1.

In einem weiteren Schritt 42 wird eine Änderungsbeschleunigung b1 zum Abtastzeitpunkt t1 aus der Subtraktion des Wertes der Änderungsgeschwindigkeit v0 von dem Wert der vorangegangenen Änderungsgeschwindigkeit v1. Ergibt sich bei Prüfung der Änderungsbeschleunigung b1 in Schritt 43, daß der Betrag des Wertes von b1 größer als der Wert der halben Periodenlänge (im Ausführungsbeispiel also größer als Pi) ist, so wird in Schritt 44 der Zähler inkrementiert, d. h. um eins erhöht, wenn der Wert von b1 negativ ist. Ist der Wert von b1 jedoch positiv, so wird in Schritt 45 der Zähler dekrementiert, d. h. um eins erniedrigt.

Handelt es sich, wie im Ausführungsbeispiel, um eine Abtastung in gleichen Zeitintervallen, so muß der Einfluß der Größe des Zeitintervalls auf die Werte für die Änderungsgeschwindigkeit und die Änderungsbeschleunigung nicht mitberücksichtigt werden, und deren Werte lassen sich durch einfache Subtraktionen der Zwischenwerte ermitteln und mit der halben Periodenlänge vergleichen. Erfolgt die Abtastung der Zwischenwerte jedoch nicht in gleichen Zeitintervallen, so müssen die Werte der Änderungsgeschwindigkeit und der Änderungsbeschleunigung entsprechend der durchschrittenen Zeitintervalle ermittelt werden.

Gemäß dem aus der Elektrotechnik bekannten Abtasttheorem muß für ein exaktes Zählen der überschrittenen Perioden die Abtastrate so gewählt werden, daß mindestens eine Abtastung während der Durchschreitung einer Periodenlänge erfolgt.

Der in Fig. 2 dargestellte Schritt 10 der Normierung der periodischen phasenverschobenen Signale soll im weiteren durch Fig. 7 genauer beschrieben werden. In einem Schritt 50 werden durch eine Spitzenwertdetektierung die maximalen 51 (Fig. 1) und die minimalen 52 Spitzenwerte (Fig. 1) jedes der phasenverschobenen Signale erfaßt. In einem anschließenden Schritt 53 wird für jedes der Signale ein Spitzen-Spitzen-Wert 54 (Fig. 1) durch die Subtraktion des erfaßten minimalen 52 von dem erfaßten maximalen 51 Spitzenwertes eines Signales ermittelt. Die Normierung der Signale bezüglich deren Amplitude erfolgt nun in Schritt 55 durch eine Skalierung der Signale mit Hilfe der in Schritt 53 ermittelten Spitzen-Spitzen-Werte 54. Hierfür werden aus den Verhältnissen der Spitzen-Spitzen-Werte zu einem der Spitzen-Spitzen-Werte Skalierungsfaktoren gebildet, mit denen die Amplitudenwerte der jeweiligen Signale dann anschließend multipliziert werden.

Ein weiterer Schritt 56 bedient sich der ermittelten Spitzen- Spitzen-Werte 54 aus Schritt 53 zur Normierung der Signale bezüglich der Nullage. Hierfür wird für jedes der Signale der Offset 4 (Fig. 1) aus der Subtraktion des in Schritt 50 ermittelten maximalen oder minimalen Spitzenwertes 51 oder 52 (Fig. 1) von dem halben Spitzen-Spitzen-Wert 54 gebildet. Die mit dem Offset 4 korrigierte Amplitude ergibt sich dann in Schritt 57 durch die vorzeichenrichtige Addition der gemessenen Signalamplitude mit dem jeweiligen Offset 4 des Signals.

Fig. 8 zeigt das Ermitteln des Phasenfehlers 5 der Signale und die Korrektur des interpolierten Zwischenwertes entsprechend des ermittelten Phasenfehlers 5 für ein Paar der periodischen phasenverschobenen Signale mit bekannter Verlaufsfunktion. In Schritt 60 wird zuerst eine Ableitung des ersten Signals durchgeführt. Beim Nulldurchgang der Ableitung des ersten Signals mit definiertem Vorzeichen der Steigung der Ableitung in Schritt 61 erfolgt ein Erfassen der Amplitude und des Vorzeichens des zweiten Signals in Schritt 62. In einem weiteren Schritt 63 wird eine Berechnung des Phasenfehlers des Signalpaares aus dem erfaßten Wert und dem Vorzeichens des zweiten Signals durchgeführt. Dabei wird aus der bekannten Verlaufsfunktion des Signals die Phasendifferenz berechnet, die der Wert des ermittelten zweiten Signals gegenüber dem idealen Phasenwert der Verlaufsfunktion an dieser Stelle hat.

Mit dem so berechneten Phasenfehler 5 wird in Schritt 200 ein Korrekturwert für jeden der interpolierten Zwischenwerte ermittelt. Dabei kann der Korrekturwert aus einer Fehlerbetrachtung oder aus einem Erfahrungswert stammen. Für sinus- und cosinusförmige Signale ergibt sich als Korrekturwert der mit dem Phasenfehler multiplizierte Wert der Sinus-Quadrat-Funk­ tion für den Winkel w als gute Näherung. Mit dem ermittelten Korrekturwert kann in Schritt 202 eine Korrektur des interpolierten Zwischenwertes bezüglich des Phasenfehlers 5 erfolgen. Hierfür wird der ermittelte Winkel w zu dem Korrekturwert vorzeichenrichtig addiert und ergibt einen korrigierten Winkel w′. Der mit dem Phasenfehler 5 korrigierte Zwischenwert resultiert dann, entsprechend dem Schritt 12, durch das Auslesen mit dem korrigierten Winkel w′ aus der Zwischenwerttabelle.

Häufig werden nun die ermittelten Werte der Meßgröße einer weiteren Auswertung unterzogen, z. B. können die phasenverschobenen periodischen Signale der Meßgröße eine Drehung oder Verdrehung eines Drehkörpers darstellen, wie auch weiter unten für eine Anwendung noch dargelegt werden wird. Fig. 2 zeigt in einem, dem Schritt 37 sich anschließenden, Schritt 64 das Ermitteln eines Wertes des relativen Drehwinkels aus dem bestimmten Gesamtwert der Meßgröße. Dies kann im einfachsten Fall die Umrechnung des Gesamtwertes nach Schritt 37 in eine Winkeleinheit sein. Dem folgt ein weiterer Schritt 65 des Ermittelns eines Verdrehwinkels, des Drehmoments oder weiterer aus dem Drehwinkel ableitbarer, Größen aus mindestens einem Wert eines nach Schritt 64 ermittelten relativen Drehwinkels. Der Verdrehwinkel ist in einer Anwendung, wie weiter unten gezeigt werden soll, mit dem relativen Drehwinkel identisch, kann sich aber auch aus der Differenz z. B. zwei an einem Drehkörper gemessenen Drehwinkeln ermitteln lassen, entsprechend einer weiteren, später gezeigten Anwendung. Der Wert des Drehmoments an dem Verdrehkörper wiederum läßt sich aus dem Verdrehwinkel und Materialeigenschaften des Drehkörpers entnehmen.

Eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist ein Verfahren wie oben beschrieben auszuführen, zeigt Fig. 9a. Ein Normierer 100 erhält als Eingangsgrößen auf Leitungen 101 und 102 die phasenverschobenen periodischen Signale der Meßgröße und liefert normierte Signale über Leitungen 103 und 104 an einen Teiler 105. Der Teiler 105 bildet ein Verhältnis der normierten Signale auf den Leitungen 103 und 104 und gibt ein, dem Verhältnis entsprechendes, Adreßsignal über eine Leitung 106 an eine Ausleseeinheit 108 weiter. Die Ausleseeinheit 108 liest über eine Leitung 110 aus einem Speicher 112 einen Zwischenwert entsprechend dem Adreßsignal auf der Leitung 106 aus und stellt diesen an ihrem Ausgang auf eine Leitung 114.

Eine weitere Ausführung (Fig. 9b) enthält ein Korrekturmittel 116, das über die Leitung 105 mit dem Teiler 105, über eine Leitung 118 an die Ausleseeinheit 108 und über eine weitere Leitung 120 an den Normierer 100 ankoppelt. Das Korrekturmittel 116 ermittelt mit dem, vom Normierer 100 gelieferten, Phasenfehler 5 und dem Adreßsignal des Teilers 105 ein korrigiertes Adreßsignal und legt dieses über die Leitung 118 an die Ausleseeinheit 108. Die Ausleseeinheit 108 liest nun entsprechend dem korrigierten Adreßsignal aus Speicher 112 einen korrigierten Zwischenwert aus und stellt diesen an ihrem Ausgang auf die Leitung 114.

Für Anwendungen, bei denen der Wert der Meßgröße eine volle Periode der Zwischenwerte übersteigen kann, ist in einer speziellen Ausführung eine Zähleinheit 122 vorgesehen, die an die Leitung 114 ankoppelt. Die Zähleinheit 122 ermittelt die Anzahl der überschrittenen Perioden und stellt den Zählerwert über eine Leitung 124 an einen Addierer 126, der ebenfalls an die Leitung 114 ankoppelt. Der Addierer 126 ermittelt aus dem auf Leitung 114 anstehenden Zwischenwert und der Anzahl der Perioden auf Leitung 124 den Gesamtwert der Meßgröße und stellt diesen über eine Leitung 127 einer Impulsausgabeeinheit 128 zur Verfügung. Die Impulsausgabeeinheit 128 bildet die Differenz der Gesamtwerte auf der Leitung 127 zum Abtastzeitpunkt t und einem vorhergehenden Abtastzeitpunkt t-1 und gibt diese als Impulskette, sowie das Vorzeichen der Differenz an einem Inkrementalausgang auf einer Leitung 129 aus. Damit liegt auf Leitung 127 der Gesamtwert vorzeichenbehaftet z. B. als Parallelinformation an, während auf Leitung 129 die Änderung des Gesamtwertes als z. B. serielle Impulskette mit Richtungsinformation zur Verfügung steht.

Fig. 10 zeigt einen möglichen Aufbau des Normierers 100. Die Leitungen 101 und 102 koppeln an einen Spitzenwertdetektor 130, der über eine Leitung 132 mit einem Rechner 134 verbunden ist. Der Spitzenwertdetektor 130 erkennt die maximalen und minimalen Werte der Signale 1 und 2 auf den Leitungen 101 und 102 und übermittelt diese an den Rechner 134, der hieraus die Spitzen-Spitzen-Werte, die Skalierungsfaktoren und den Offset der Signale 1 und 2 errechnet.

Zur Ermittlung des Phasenfehlers 5 differenziert ein Differenzierer 136 das auf Leitung 101 anliegende Signal 1 und gibt ein Signal über eine Leitung 138 an ein Meßgerät 140, wenn der Differenzierer 136 einen Nulldurchgang mit definierter Polarität der Steigung der Ableitung erkennt. Das an Leitung 102 angeschlossene Meßgerät 140 mißt dann die Amplitude und das Vorzeichen des Signals 2 auf Leitung 102 und übermittelt die gemessenen Werte über eine Leitung 142 an den Rechner 134, der hieraus den Wert des Phasenfehlers 5 errechnet. Der Rechner 134 stellt den Wert des Phasenfehlers 5 auf die an seinem Ausgang liegende Leitung 120. Mit Hilfe der ermittelten Korrekturwerte normiert der Rechner 134 die an dem Rechner 134 über die Leitungen 101 und 102 ebenfalls anliegenden Signale 1 und 2 und stellt die normierten Signale jeweils auf die Leitungen 103 und 104 an seinem Ausgang.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Zähleinheit 122. Ein an die Leitung 114 ankoppelnder weiterer Rechner 150 berechnet die Änderungsgeschwindigkeit und die Änderungsbeschleunigung, wie oben beschrieben, aus den auf Leitung 114 anliegenden Zwischenwerten der Meßgröße. Nach einem oben bereits beschriebenen Verfahren wird ein über eine Leitung 152 anliegender Zähler in seinem Wert entsprechend der überschrittenen Perioden verändert.

Wie bereits eingangs erwähnt, finden Interpolationsverfahren wie oben beschrieben Anwendung bei der Auswertung von technischen Meßgrößen, wie z. B. zur Bestimmung einer überschrittenen Weg- oder Winkelstrecke. Fig. 12 zeigt als Beispiel der Anwendung eines Interpolationsverfahren eine Anordnung zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung von Verdrehungen an einem Drehkörper 70. Die Anordnung umfaßt einen Sensor 71 zur Erfassung des Dreh- und/oder Verdrehverhaltens an dem Drehkörper 70, einen Interpolator 72, der zur Ausführung des Interpolationsverfahrens entsprechend obiger Beschreibung geeignet ist und eine Auswerteeinheit 73, z. B. zur Ermittlung eines Verdrehwinkels, des Drehmoments oder weiteren Größen des Drehkörpers 70. Der Interpolator ist dabei über eine Leitung 74 an den Sensor 71 und über eine Leitung 75 an die Auswerteeinheit 73 angekoppelt.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform des Sensors 71 als Reaktionssensor. Der Sensor 71 weist einen Encoder 80 mit einer rotationssymmetrischen Kodierung und eine Abtasteinheit 81 zur Abtastung eines Signals entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80 auf. Die Abtasteinheit 81 ist über eine starre Vorrichtung 82 mit dem Drehkörper 70 verbunden, während der Encoder 80 an einer anderen Stelle in axialer Richtung des Drehkörpers 70 an den Drehkörper 70 anschließt. Dabei sind der Encoder 80 und die Abtasteinheit 81 des Sensors so an dem Drehkörper 70 angeordnet, daß eine Verdrehung des Drehkörpers 70 den Encoder 80 und die Abtasteinheit 81 des Sensors 71 relativ zueinander verdreht. Der Sensor 71 liefert als Ausgabe an den Interpolator 72 zwei periodische phasenverschobene Signale entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80. Der Interpolator 72 ermittelt aus den Signalen des Sensors 71 den Wert des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80. Die Auswerteeinheit 73 bestimmt aus dem Wert des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80 dann den Verdrehwinkel des Drehkörpers 70.

Fig. 14 zeigt als Ausführungsform den Aufbau des Sensors 71 als optischer Reaktionssensor. Der Encoder 80 ist in Form einer Strichgitterscheibe ausgeführt und, wie oben beschrieben, direkt an den Drehkörper 70 angebracht. Die Abtasteinheit 81 besteht aus einer Lichtquelle 85 und einer weiteren Strichgitterscheibe 86. Das von der Lichtquelle 85 emittierte Licht fällt erst durch die Strichgitterscheibe 86 und dann durch den Encoder 80 auf einen photosensitiven Detektor 87. Dabei richtet sich die Intensität des einfallenden Lichtes an dem Detektor 87 nach der relativen Verdrehung zwischen der Strichgitterscheibe 86 und dem Encoder 80. Lichtquelle 85, Strichgitterscheibe 86 und Detektor 87 bilden bei dieser Ausführungsform ein festes Set und sind miteinander verbunden (in der Zeichnung nicht gezeigt).

In einer Ausführung der Erfindung ist das Strichgitter auf dem Encoder 80 in Form eines Nonius angebracht, der eine genaue Unterteilung der Zwischenwerte ermöglicht. Genauso kann auch nur das Strichgitter 86 oder sowohl der Encoder 80 als auch Strichgitter 86 als Nonius ausgeführt werden. Für die Kodierung des Strichgitters 86 und/oder des Encoders 80 eignet sich insbesondere eine sinusförmige Anordnung der Strichgitter oder andere periodische Anordnungen. Der Detektor 87 enthält eine geeignete Schaltung von Photosensoren 88, wie aus Fig. 14 zu entnehmen ist. Die Schaltung liefert als Ausgabe die zwei gegeneinander phasenverschobenen Signale entsprechend der relativen Verdrehung zwischen Strichgitters 86 und Encoder 80.

Eine andere Ausführungsform des Sensors 71 als Aktionssensor zeigt Fig. 15. Hierin ist die Abtasteinheit 81 nicht mehr mit dem Drehkörper 70, sondern mit einem anderen Körper 90, z. B. einem Gehäuse verbunden. Die Ausgabe der phasenverschobenen Signale entspricht nun dem relativ zum Körper 90 überschrittenen Drehwinkel des Drehkörpers 70. Eine Verdrehung des Drehkörpers 70 gegenüber seiner Achse läßt sich dann aus der Kombination zweier entlang der Drehkörperachse angebrachter Sensoren 71 und 91 mit entsprechenden Interpolatoren 72 und 92 und Auswerteeinheiten 73 und 93 entnehmen. Der Verdrehwinkel des Drehkörpers gegenüber seiner Achse resultiert aus der Differenz der ermittelten Drehwinkel der Sensoren 71 und 91 und wird in einem Substrahierer 94 ermittelt, der mit Auswerteeinheiten 73 und 93 verbunden ist.

Eine andere Ausführungsform enthält weiter einen Analysator 95, der mit dem Subtrahierer 94 verbunden ist. Der Analysator 95 ermittelt aus dem, den Verdrehwinkel des Drehkörper 70 repräsentierenden, Signal des Subtrahierers 94 durch weitere Signalverarbeitung das Drehmoment des Drehkörpers 70.

Die vorangegangenen Ausführungen zu dem Sensor 71 lassen sich auf jeden Sensor übertragen, der in der Lage ist das Dreh- und/oder Verdrehverhaltens des Drehkörpers 70 mit hinreichender Auflösung und Schnelligkeit zu erfassen. So lassen sich z. B. magnetische oder Lasersysteme entsprechend anwenden.

Auch lassen sich alle Ausführungen zu dem Drehkörper analog auf andere Systeme z. B. zur Messung longitudinal variabler Größen anwenden, für die eine hohe Auflösung und/oder eine schnelle und sichere Erfassung der Zwischenwerte von Vorteil ist.

Claims (20)

1. Verfahren zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße aus periodischen phasenverschobenen Signalen (1, 2) mit:
einem ersten Schritt (10) zur Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Amplitude und der Nullage;
einem zweiten Schritt zum Verhältnisbilden der normierten Signale;
einem dritten Schritt (12) zum Bestimmen eines interpolierten Zwischenwertes der Meßgröße aus dem gebildeten Verhältnis der normierten Signale.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem vierten Schritt (35) zum Ermitteln eines Phasenfehlers (5) der Signale (1, 2) und der Korrektur des interpolierten Zwischenwertes entsprechend des ermittelten Phasenfehlers (5).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit einem fünften Schritt (36) zum Ermitteln und Zählen der Anzahl der überschrittenen Perioden der phasenverschobenen Signale (1, 2) und
einem sechsten Schritt (37) zur Bestimmung des Gesamtwertes der Meßgröße aus der Addition des interpolierten Zwischenwertes zu der mit der Länge einer Periode multiplizierten Anzahl der überschrittenen Perioden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Amplitude durch eine Spitzenwertdetektierung (50) zur Erkennung des maximalen (51) und des minimalen (52) Wertes jedes der phasenverschobenen Signale (1, 2),
eine Ermittlung (53) des Spitzen-Spitzen-Wertes (54) für jedes der Signale aus der Differenz des jeweiligen maximalen (51) und des jeweiligen minimalen (52) Spitzenwertes der Signale und
eine Skalierung (55) der Signale (1, 2) entsprechend dem Verhältnis der ermittelten Spitzen-Spitzen-Werte (54) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Nullage durch
eine Ermittlung (56) eines Offsets (3, 4) für jedes der Signale (1, 2) aus der Differenz des halben Spitzen- Spitzen-Wertes (54) von dem Betrag des maximalen (51) oder des minimalen (52) Spitzenwertes der jeweiligen Signale (1, 2) und
eine entsprechende Offset Korrektur (57) der Signale (1, 2) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Ermitteln des Phasenfehlers (5) der Signale (1, 2) und die Korrektur des interpolierten Zwischenwertes entsprechend des ermittelten Phasenfehlers (5) für ein Paar der periodischen phasenverschobenen Signale (1, 2) mit bekannter Verlaufsfunktion durch
eine Ableitung (60) des ersten Signals (1),
ein Erfassen (62) der Amplitude und des Vorzeichens des zweiten Signals (2) beim Nulldurchgang (61) der Ableitung des ersten Signales mit definiertem Vorzeichen der Steigung,
eine Berechnung (63) des Phasenfehlers (5) des Signalpaares (1, 2) aus dem erfaßten Wert und dem Vorzeichen des zweiten Signals (2),
eine Ermittlung (200) eines Korrekturwertes entsprechend des Phasenfehlers (5) und
eine Korrektur (202) des interpolierten Zwischenwertes mit dem ermittelten Korrekturwert durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der fünfte Schritt (36) zum Ermitteln und Zählen der Anzahl der überschrittenen Perioden der phasenverschobenen Signale (1, 2) durch
ein Erfassen (40, 41, 42) der Änderungsgeschwindigkeit und der Änderungsbeschleunigung der Werte der Meßgröße zu einem Zeitpunkt erreicht wird;
dabei wird ein Zähler inkrementiert (44), wenn die Änderungsbeschleunigung betragsmäßig größer (43) als die halbe Periodendauer des Signals und ihr Vorzeichen negativ ist, und
der Zähler dekrementiert (45), wenn die Änderungsbeschleunigung betragsmäßig größer (43) als die halbe Periodendauer des Signals und ihr Vorzeichen positiv ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7 zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße, die das Drehverhalten eines Drehkörpers charakterisiert, mit einem hierfür ersten Schritt (64) zum Ermitteln eines Wertes eines relativen Drehwinkels des Drehkörpers (70) aus dem bestimmten (37) Gesamtwert der Meßgröße.

9. Verfahren nach Anspruch 8 mit einem zweiten Schritt (65) zum Ermitteln eines Verdrehwinkels des Drehkörpers (70) aus mindestens einem Wert eines nach Schritt eins (64) ermittelten relativen Drehwinkels.

10. Vorrichtung zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße aus periodischen phasenverschobenen Signalen (1, 2), die zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 geeignet ist mit:
einem Mittel (105) zum Verhältnisbilden von Signalen und
einem Mittel (108, 112) zum Bestimmen eines interpolierten Zwischenwertes der Meßgröße;
gekennzeichnet durch
ein Mittel (100) zur Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Amplitude und der Nullage,
wobei das Mittel (105) zum Verhältnisbilden das Verhältnis aus den durch das Mittel (100) zur Normierung normierten Signalen bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 gekennzeichnet durch Korrekturmittel (116) zur Korrektur des gebildeten Verhältnisses der normierten Signale entsprechend eines durch das Mittel (100) zur Normierung der Signale (1, 2) festgestellten Phasenfehlers (5).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 gekennzeichnet durch
eine Zähleinheit (122) zur Zählung der Anzahl der überschrittenen Perioden der phasenverschobenen Signale (1, 2) und
einen Addierer (126) zur Bestimmung des Gesamtwertes der Meßgröße aus der Addition des interpolierten Zwischenwertes zu der mit der Länge einer Periode multiplizierten Anzahl der überschrittenen Perioden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (100) zur Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Amplitude
einen Spitzenwertdetektor (130) zur Erkennung des maximalen und des minimalen Wertes jedes der phasenverschobenen Signale (1, 2),
ein Mittel (134) zur Ermittlung des Spitzen-Spitzen-Wertes für jedes der Signale und
ein Mittel (134) zur Skalierung der Signale (1, 2) entsprechend dem Verhältnis der ermittelten Spitzen- Spitzen-Werte aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (100) zur Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Nullage
ein Mittel (134) zur Ermittlung eines Offsets (3, 4) für jedes der Signale (1, 2) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (100) zur Normierung der Signale (1, 2) zur Ermittlung des Phasenfehlers (5) eines Paares der periodischen phasenverschobenen Signale (1, 2) mit bekannter Verlaufsfunktion
ein Mittel (136) zur Ableitung des ersten Signales (1),
ein Mittel (140) zum Erfassen der Amplitude und des Vorzeichens des zweiten Signals (2) beim Nulldurchgang der Ableitung des ersten Signales mit definiertem Vorzeichen der Steigung, und
ein Mittel (134) zur Berechnung des Phasenfehlers (5) des Signalpaares (1, 2) aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinheit (122)
ein Mittel (150) zum Erfassen der Änderungsgeschwindigkeit und der Änderungsbeschleunigung der Werte der Meßgröße und
einen Zähler (154) aufweist.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9 unter Verwendung mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet ist, als Interpolator (72, 92), gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor (71, 91) zur Erfassung des Dreh- und/oder Verdrehverhaltens eines Drehkörpers (70); und
mindestens eine Auswerteeinheit (73, 93, 94) zur Ermittlung des Verdrehwinkels des Drehkörpers (70) aus dem interpolierten Gesamtwert der Meßgröße.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor (71, 91)
einen Encoder (80) mit einer rotationssymmetrischen Kodierung, und
eine Abtasteinheit (81) zur Abtastung eines Signals entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit (81) und dem Encoder (80) aufweist;
wobei:
der Encoder (80) und die Abtasteinheit (81) des jeweiligen Sensors (71, 91) so an dem Drehkörper (70) angeordnet sind, daß eine Drehung des Drehkörpers (70) den Encoder (80) und die dazugehörige Abtasteinheit (81) des Sensors (71, 91) relativ zueinander verdreht;
der mindestens eine Sensor (71, 91) als Ausgabe mindestens zwei periodische phasenverschobene Signale (1, 2) entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der jeweiligen Abtasteinheit (81) und dem jeweiligen Encoder (80) liefert; und
der mindestens eine Interpolator (72, 92) aus den Signalen (1, 2) des mindestens einen Sensors (71, 91) mindestens einen Wert des relativen Drehwinkels zwischen jeweiliger Abtasteinheit (81) und jeweiligem Encoder (80) ermittelt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Auswerteeinheit (73, 93, 94) aus mindestens einem Wert des relativen Drehwinkels zwischen jeweiliger Abtasteinheit (81) und Encoder (80) den Verdrehwinkel des Drehkörpers (70) ermittelt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Encoder (80) und die Abtasteinheit (81) eines Sensors (71, 91) so an dem Drehkörper (70) angeordnet sind, daß die relative Verdrehung des Encoders (80) und der dazugehörigen Abtasteinheit (81) des Sensors (71, 91) der Verdrehung des Drehkörpers (70) entspricht.