EP1525434A1 - Vorrichtung zur positions- und/oder längenbestimmung - Google Patents

Vorrichtung zur positions- und/oder längenbestimmung

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Publication number
EP1525434A1
EP1525434A1 EP03766359A EP03766359A EP1525434A1 EP 1525434 A1 EP1525434 A1 EP 1525434A1 EP 03766359 A EP03766359 A EP 03766359A EP 03766359 A EP03766359 A EP 03766359A EP 1525434 A1 EP1525434 A1 EP 1525434A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coding
length
unit
polarity
carrier unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03766359A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elgo Electronic GmbH and Co KG
Original Assignee
Elgo Electric GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elgo Electric GmbH filed Critical Elgo Electric GmbH
Publication of EP1525434A1 publication Critical patent/EP1525434A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/249—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using pulse code
    • G01D5/2497—Absolute encoders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/249—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using pulse code
    • G01D5/2492—Pulse stream
    • G01D5/2495—Pseudo-random code

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining position and / or length according to the preamble of the main claim.
  • Devices of this type are used in particular in an industrial context for length measurement, for example typically in connection with the detection of movements or traversed lengths of a machine tool or for corresponding measurement tasks on a conveyor system.
  • Such length measuring systems typically have a carrier unit which is provided with a magnetic length coding.
  • a length measuring device is known, for example, from the applicant's German utility model 200 12 703.
  • the object of the present invention is therefore to improve a generic device for position and / or length determination with a carrier unit having an absolute magnetic length coding in such a way that it can be implemented more simply and compactly than known generic devices, but at the same time one high (or even improved) length resolution enables and can be read reliably, especially under difficult operating conditions and at a distance from the carrier unit, unaffected by magnetic overlay effects.
  • the object is achieved by the device having the features of the main claim and the independent device claim 12; advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • the carrier unit is first elongated and rod-shaped, so that it is in particular also directly connected by a piston rod or the like. , which is provided with the length coding as an effective unit, can be implemented. Accordingly, the length coding there is radially magnetized, ie with respect to a longitudinal axis extending longitudinally through the carrier unit, magnetization in the radial direction is the same in each case, and individual magnetized sections follow one another along the longitudinal direction. According to an alternative solution within the scope of the invention, for which protection is claimed independently, the possibility is created to carry out a length measurement along a closed trajectory.
  • the carrier unit with its magnetic length coding is designed according to the invention in such a way that a closed path curve, in particular in the form of a circular path curve, is created. Accordingly, the absolute position of a measuring head relative to a coded magnetic tape curved to the closed trajectory can be determined, the coding at a corresponding interface (that is, the beginning and end of the coding are brought together here) having an origin through which the (otherwise absolute) coding becomes cyclical.
  • a coding which is curved along a (closed) trajectory, can be used in a particularly advantageous manner, for example for measuring the outer circumference of a cylinder, the inner circumference of a hollow cylinder, a self-contained path in a conveyor system, etc.
  • the elongated or web-shaped length coding is implemented in such a way that, with a regular pole pitch, coding sections of the first and second polarities follow one another in such a way that a maximum of two coding sections of the same polarity occur immediately adjacent to one another.
  • this is implemented in such a way that an absolute coding by means of a so-called pseudo-random code leads to a binary sequence of coding sections, and now a further coding section is inserted between each of these coding sections, the polarity of which is reversed from the previous one (i.e. contrary to one assumed direction of movement is polarized).
  • Such a design can advantageously be used to select a correspondingly powerful individual magnet, so that an overall arrangement that is extremely selective and easy to manufacture can be realized.
  • the result of the invention is that the advantages of previous absolute single-track systems (slim support unit with compact sensor head and inexpensive implementation) with advantages of two-track or multi-track systems and
  • the magnetic sensor units assigned to the coding sections are assigned selection means which themselves have a plurality, in particular at least five, interpolation sensors. These interpolation sensors make it possible in a simple and parallel manner to process that, when there is a distance between a first and a last of the sequence of
  • means for fine position determination within a coding section or a pole pitch are additionally provided within the scope of the invention.
  • these means make it possible to determine a magnetization curve along this coding section (along the longitudinal direction of the length coding) and to generate an interpolation signal proportional to it.
  • a resolution can be achieved which is several times lower than the physical resolution of the length coding made possible by the pole division.
  • FIG. 1 is a perspective view of the elongated, rod-shaped carrier unit for use in a first preferred embodiment of the invention with schematically indicated, radially magnetized length coding;
  • FIG. 2 shows a signal diagram of sensor arrangements and sensor voltages for evaluating and interpolating the length coding according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a sensor voltage signal diagram of an MR sensor for high-resolution position interpolation within a pole pitch
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram with sensors for code scanning and sensors for fine interpolation as well as their respective comparator and evaluation units according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a representation analogous to FIG. 4 with the sensor head offset relative to the position of FIG. 4 and a correspondingly switched selection of the multiple unit;
  • FIG. 6 shows a representation analogous to FIG. 4, FIG. 5 with the sensor head displaced further compared to FIG. 5 along the carrier unit and correspondingly, another absolute position code;
  • FIG. 7 shows a further development of the embodiment according to FIGS. 4 to 6, extended by an MR sensor for a high-resolution system with interpolation; 8: an alternative realization of the elongated, rod-shaped carrier unit according to FIG. 1 by means of an elongated sleeve and
  • the carrier unit shown by way of example in FIG. 1, for example the region of a piston rod or the like, has according to the invention
  • a scanning of this arrangement can now be implemented as follows:
  • the hardware implementation of scanning a linear absolute code uses twice as many magnetic sensors (here: Hall sensors) as bits are to be scanned, with each bit two sensors at a distance p / 2 are provided. If one of the two sensors is in the vicinity of a pole change, ie supplies a sensor voltage of approximately 0 volts, this ensures that the other sensor can provide reliable information by means of a clear (positive or negative) voltage signal. This means that two sensor combs, each offset by p / 2, are evaluated in terms of signal technology.
  • All sensors magnetic field sensors
  • this is implemented by simple comparators which generate a binary sequence of digits (corresponding to the respective output signal of the successive sensors or interpolations therebetween), this sequence of digits then changing the polarity of the carrier unit from the position of the first sensor indicates predetermined steps in each case.
  • An interpolation in 0.5 mm steps occurs in that, according to the instruction from FIG. 2, weighted connections are formed between the individual sensor voltages U (sO), U (sl) etc., the respective sum then using an assigned comparator is compared with a threshold for zero magnetization (0 mT).
  • Such comparators are very easy to implement in terms of hardware, work quasi-parallel and are therefore suitable for very fast position evaluation.
  • this position is available with a resolution of 0.5 mm.
  • the switchover between the sensor combs can take place, that is to say the selection of the sensor of a sensor pair which now - reliably - the relevant one , associated magnetization is detected. Specifically, this takes place in that the bit pattern generated as described is fed to a 2: 1 multiplexer, which multiplexer can be controlled for selection by the described 2 mm bit.
  • the horizontally extending support unit 10 corresponds to the piston rod described in connection with FIG. 1, the respective magnetization surfaces alternate in a horizontal sequence, along a positive counting direction marked by an arrow 12.
  • a base pole pitch (width of a coding section in the direction of movement) of 4 mm is again selected for the example of FIGS. 4 to 6.
  • this leads to a total of 31 different position values (2 n -l), corresponding to a maximum coding length of 31 * 4 124mm.
  • Each bit is scanned with two sensors for code scanning SCi, so that, as shown in FIGS. 4 to 6, a total of ten code scanning sensors are present with five sensor pairs.
  • 4 additionally illustrates the geometric relationships: the sensors of a respective sensor sorcrues are each 2mm apart at the chosen pole pitch of 4mm; respective sensor pairs from each other by 8mm.
  • a downstream multiplexer unit 16 then receives all sensor signals on the input side and selects each
  • a downstream code table 20 typically implemented using an EEPROM
  • the code word (encoded in the manner described at the beginning) is then converted into an absolute position value and stored in a downstream locking circuit 22; the absolute position resolution of this 5-bit word, according to the pole pitch, is 4mm.
  • each fine interpolation sensor SFj is detected by a fine interpolation comparator unit 24 and, as already explained above in connection with FIG. 2, evaluated interpolatingly. This means that based on the six sensed sensor signals, each
  • interpolation is carried out in three steps between two fine interpolation sensors, so that the result is the schematically shown 18-bit word and in a locking circuit 26
  • This signal is then available to a further decoding unit 28 which, ideally by means of an EPROM-stored table, determines from this bit sequence where (i.e.: on
  • the decoding unit 28 generates the fine position within the 5-bit absolute position as a 3-bit-wide output position signal, which enables the 4 mm resolution.
  • 2 mm bits of the fine position are used to switch the multiplexer unit 16 into the switching mode between the pairs of code scanning sensors.
  • the unit of FIGS. 4 to 6, which can be implemented without a microprocessor, is controlled by a clock generator 30 which, compare the delay circuit 32, first provides the locking circuit 26 with the clock signal T, so that the bit signal of the comparator unit 24 can be detected, and then then for the locking unit 22 provides the output clock / T for the 0.5 mm-resolved 8-bit total position signal.
  • FIGS. 4 to 6 A comparison of FIGS. 4 to 6 is intended to illustrate how the switchover or the position output works absolutely: As can be seen from FIG. 4, the code scanning sensors SC2 and SCO in particular are located at transition positions between polarities of the carrier unit 10 ; this is illustrated by the symbol "?" the associated comparator output line of the unit 14. Accordingly, it would be sensible and necessary to select the odd-numbered code scanning sensors SCi for a clear absolute position detection (corresponding to the switch position in the multiplexer unit 16 of FIG. 4).
  • This switchover signal is generated in that the interpolation comparator unit 24, connected downstream of the fine interpolation sensors SFO to SF5, detects that the location of the first bit sequence from 0 to 1 or from 1 to 0 after the third bit of the 18-bit Sequence takes place in the locking unit 26 (as can be seen in FIG. 4, lies this change between the fine interpolation sensors SFO and SFI).
  • the unit 28 interprets the polarity change after the third bit as a fine position "1mm” and accordingly outputs the (with 4mm periodic) fine position signal "010".
  • the most significant bit (MSB) of this signal is on the selection bit line 18 and controls the multiplexer 16 accordingly so that the odd code scanning sensors SCI, SC3, SC5 ... are selected.
  • the 5-bit code word "10100” is clearly present on the code table 20 and is converted into an absolute position of "00011". Combined with the 3-bit fine position value, the result is the 0.5 mm resolving absolute position signal shown in FIG. 4.
  • the sensor head (and therefore all scanning sensors) is shifted to the left by approximately 2 mm in the direction of travel 12 in FIG. 5. This distance is still in the range of the 4 mm resolution of the 5-bit position detection, so the code word detected by the code scanning sensors SCi should be identical.
  • the code scanning sensors SCI, SC3, SC5, SC7, SC9 each lie in the critical transition area between two poles, so that an inexact sensor detection takes place. 5, it is necessary to evaluate the even-numbered sensors SCO, SC2 ... for the absolute position detection.
  • This control signal is in turn generated by the fine interpolation sensors SFj, which have been shifted accordingly.
  • the interpolated bit pattern in the latch circuit 26 shows that the location of the first change of the bit sequence from 1 to 0 now takes place after the seventh bit, corresponding to a fine position value of 3 mm (bit output signal of the decoding unit 28: "110").
  • the 2 mm bit is set here as the MSB and controls the multiplexer unit 16 in such a way that it selects the even-numbered code scanning sensors SCi. In the absolute position signal, the 2mm shift is thus only expressed in the 2mm bit of the least significant 3-bit fine position.
  • FIG. 6 illustrates a further displacement of the sensor head with all sensors along arrow direction 12, again by 2 mm compared to the illustration in FIG. 5.
  • the absolute position value recorded with 4 mm resolution from the code scanning sensors SCi yields the code word "00100", generated from the comparator signal "01011", whereby, when the fine interpolation bit sequence of the locking unit 26 changes after the third bit (corresponding to 1 mm fine position), the 2 mm bit of the fine position signal (010) in turn evaluates the odd ones of the comparator unit 14 Selects code scanning sensors SCi. Accordingly, the 8-bit absolute position signal (0.5 mm resolved) shifted by 2 mm compared to FIG. 5, compared to FIG. 4 by 4 mm, as can be seen in the lower area of FIG. 6.
  • a required synchronous cycle can be several 100 kHz; accordingly, the relevant position value would already be updated after one clock cycle ( ⁇ 10ns).
  • a position detection system can thus not only be constructed with very inexpensive components (no microcontroller is required in the embodiments shown in FIGS. 4 to 6); the high cycle rate also enables high travel speeds (16m / s and higher); the measuring rate is practically only dependent on the speed of the interface. In the exemplary embodiment described, a resolution of 0.5 mm can be achieved.
  • the length measuring system described above is additionally combined with a high-resolution magnetic sensor, so-called MR angle sensor (for example the LK28 type from IMO).
  • MR angle sensor for example the LK28 type from IMO.
  • the coding according to the invention effects a course of magnetization along the carrier unit, which is composed of approximately sinusoidal half-waves, whereby, depending on the sequence of the magnetizations, these
  • this is solved (by suitable programming of a> controller unit) in such a way that if the MR sensor is located over a 4mm pole, the interpolated position value is directly adopted as high-resolution position information. If, on the other hand, the MR sensor is over is an 8mm pole, the high-resolution position information is determined by multiplying the interpolated value by 2 and, if necessary, subtracting the maximum value if the resulting value is greater than the maximum value.
  • this calculation rule then results in periodic, high-resolution position information, as is generally the case. is also available from the so-called incremental track of a conventional two-track system.
  • the calculation of the high-resolution overall position can then be carried out comparatively quickly and easily, since only a few simple operations (comparisons, bit shifts, additions and subtractions) are necessary.
  • the possible travel speed is not impaired if an interpolator chip with parallel output of the position value is used and the high-resolution position value is simultaneous with the absolute one Position temporarily controlled by the synchronous clock.
  • FIG. 7 illustrates the further development possibility of the invention by means of a further interpolation for a high-resolution position determination on the basis of a block diagram modified compared to the exemplary embodiment of FIGS. 4 to 6.
  • a high-resolution position detection within the specified pole pitch for example 4 bits as specified.
  • a resolution of 31.25 micrometers (4 mm / 2 7 ) or 62.5 ⁇ m would be achievable for an 8 mm pole.
  • a microcontroller 44 is required to synchronize the magnetic field Hall and MR position information, and also to adapt the MR position information to the pole length.
  • the high-resolution position signal of the interpolation unit 42 (period 4 mm or 8 mm) is also stored in an associated locking unit 46 and then, like the other signals of the ⁇ 0 locking unit 22, for the absolute position data with 0.5 mm Resolution, passed to the controller 44.
  • the controller receives, via a locking unit 48, data relating to the pole length at the location of the MR sensor (for example from the code table 20), and the controller unit 45 also takes the equalization discussed above in connection with FIG. 3 along the non-linear Characteristic curve of the MR sensor.
  • the high-resolution, absolute position signal then lies on an output-side interface 50.
  • controller unit 44 the explained fine interpolation (3-bit position signal, 0.5 mm resolution) in particular providing the basis for the controller unit 44, the result of the high-resolution position determination according to the locking unit 46 being unambiguous
  • FIG. 3 illustrates distortions in the characteristic of the position value obtained by interpolation, based on a non-ideal sinusoidal magnetization curve.
  • An inaccuracy caused thereby can be significantly improved by a numerical solution, in particular with the aid of a correction table, whereby in principle such a correction table would suffice for a 4 mm or 8 mm pole (in the exemplary embodiment above).
  • a correction table whereby in principle such a correction table would suffice for a 4 mm or 8 mm pole (in the exemplary embodiment above).
  • the distortions of poles of the same length at! 5 are very similar at all points in the coding.
  • resolutions with an accuracy and magnitude of 50 micrometers can be achieved.
  • the coding described which in the manner described contains a position code and, via the coding, also a clock signal, for implementing a single-track autoreferencing system.
  • at least one zero crossing must always be detected, as is possible, for example, with the system realized from six sensors in connection with FIG. 2.
  • the six Hall sensors with a sensor spacing of 2mm span a total length of 10mm and thus enable a slim, short sensor head; the corresponding system would therefore be easy to negotiate curves.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration with an annularly closed magnetization 80, which has an arcuate read head 82 (for detecting four bit words along the 16 magnetized coding sections formed in the example) Carrier unit 80 faces.
  • the table of the schematic representation in FIG. 9 accordingly illustrates the 16 coded angular individual positions.
  • this implementation form of the invention would proceed as follows to obtain a specific predetermined code length: the degree of the coding to be generated is chosen so that 2 ° is greater than the desired length. A section of the code is then selected in accordance with the desired length as an integral multiple of the pole length, and the ends are joined to form the closed trajectory.
  • FIG. 8 illustrates an alternative realization of the carrier unit in FIG. 1.
  • there is not an elongated, metallic carrier unit magnetized in sections with the desired length coding rather the length coding is generated by the fact that an elongated (metallic) sleeve 70 has a plurality of individual magnets 72 (corresponding to a respective coding section) which then form the overall coding pattern.
  • an elongated (metallic) sleeve 70 has a plurality of individual magnets 72 (corresponding to a respective coding section) which then form the overall coding pattern.
  • a simpler implementation of the overall structure which is more selective with regard to the magnetization sections, can be achieved.
  • the present invention is not limited to the described embodiment, in particular the sensor types and evaluation mechanisms used therein; In particular, depending on the application, suitable other magnetic field sensors and evaluation principles are possible as long as the coding is carried out in the manner according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positions- und/oder Längenbestimmung mit einer eine absolute magnetische Längencodierung aufweisenden Trägereinheit (1= und einer mit der Trägereinheit zusammenwirkenden, relativ zu dieser bewegbar vorgesehenen Messeinheit, die eine magnetische Sensoreinheit (SCi, SFi) aufweist und mit einer dieser nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit (18 bis 32) verbindbar ist, wobei die langgestreckt und stangenförmig ausgebildete Trägereinheit (10) einspurig mit der bevorzugt radial magnetisierten Längencodierung versehen ist, entlang der Längencodierung eine Mehrzahl von Codierungsabschnitten mit einer regelmässigen Polteilung vorgesehen ist und Codierungsabschnitte einer ersten Polarität mit Codierungsabschnitten einer zweiten Polarität so abwechselnd entlang der Trägereinheit angeordnet sind, dass maximal zwei Codierungsabschnitte derselben Polarität einander unmittelbar benachbart auftreten.

Description

BESCHREIBUNG
Vorrichtung zur Positions- und/oder LängenbeStimmung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positions- und/oder Längenbestimmung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Derartige Vorrichtungen werden insbesondere in einem industriellen Kontext zur Längenmessung verwendet, etwa typischerweise im Zusammenhang mit dem Feststellen von Bewegungen bzw. verfahrenen Längen einer Werkzeugmaschine oder bei entsprechenden Messaufgaben an einer fördertechnischen Anlage.
Derartige Längenmesssysteme weisen typischerweise eine Trägereinheit auf, welche mit einer magnetischen Längencodie- rung versehen ist. Eine derartige Längenmessvorrichtung ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster 200 12 703 der Anmelderin bekannt.
Ferner sind aus dem Stand der Technik derartige Vorrichtun- gen bekannt, welche eine absolute magnetische Codierung aufweisen, beispielhaft sei auf die offengelegte deutsche Patentanmeldung 197 32 713 der Anmelderin verwiesen.
Derartige absolute Codierungen weisen gegenüber relativ co- dierten Systemen den Vorteil auf, dass End- bzw. Referenzpositionen nicht erfasst werden müssen, sondern aus einer aktuellen Position eines Sensorkopfes unmittelbar auf die Position entlang der Trägereinheit mit der Längencodierung geschlossen werden kann.
Allerdings weisen derartige, aus dem Stand der Technik bekannte und als gattungsbildend angenommene Vorrichtungen den Nachteil auf, dass zur Erreichung einer absoluten ma- gnetischen Längencodierung typischerweise mindestens zwei parallele Spuren der Längencodierung vorgesehen sein müssen, um eine sinnvolle Längenauflösung bei der gewünschten Absolutcodierung zu realisieren. Dadurch wird jedoch zum einen die Trägereinheit problematisch in der Realisierung (und eignet sich insbesondere nur noch schlecht für gebogene, mit der Längencodierung versehene Trägereinheiten) , und zudem wird der mit der magnetischen Mengencodierung zusammenwirkende Sensorköpf voluminös, unhandlich und damit potentiell problematisch zu führen und zu steuern.
Ein weiterer Nachteil von Absolutcodierungen, insbesondere solchen, die mittels eines sog. Zufallscodes bzw. Pseudo- Zufallscodes erzeugt werden, liegt darin, dass aufgrund ei- ner relativ unsymmetrischen Verteilung von mit der jeweiligen Polarität magnetisierten Codierungsabschnitten es zu Magnetisierungsinhomogenitäten kommen kann, insbesondere im Hinblick auf eine sog. Intersymbolinterferenz (das Magnetsignal kleinerer Pole wird durch benachbarte große, d. h. mehrere gleichpolige Flächen beeinträchtigt) . Dies wiederum beeinträchtigt die Ablesesicherheit von der Trägereinheit.
Gerade jedoch im industriellen Produktionsumfeld ist Zuverlässigkeit und Störungsfreiheit von großer Bedeutung, so dass es hier beträchtlichen Vereinfachungs- und Verbesserungsbedarf gibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Vorrichtung zur Positions- und/oder Längenbe- Stimmung mit einer eine absolute magnetische Längencodierung aufweisenden Trägereinheit dahingehend zu verbessern, dass diese gegenüber bekannten, gattungsbildenden Vorrichtungen einfacher und kompakter realisiert werden kann, gleichzeitig ' jedoch eine hohe (oder sogar verbesserte) Län- genauflösung ermöglicht und insbesondere auch unter schwierigen Betriebsbedingungen sowie in einem Abstand von der Trägereinheit, unbeeinträchtigt durch magnetische Überla- gungseffekte, zuverlässig abgelesen werden kann. Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie des unabhängigen Vorrichtungsanspruches 12 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist zunächst die Trägereinheit langgestreckt und stangenförmig ausgebildet, so dass sie insbesondere auch unmittelbar durch eine Kolbenstange od. dgl . , welche als wirksames Aggregat gleichermaßen mit der Längencodierung versehen ist, implementiert werden kann. Entsprechend ist die Längencodierung dort radial magnetisiert, d.h. bezogen auf eine sich längs durch die Trägereinheit erstreckende Längsachse ist eine Magnetisierung in radialer Richtung jeweils gleich, und einzelne magnetisierte Abschnitte folgen entlang der Längsrichtung aufeinander. Gemäß einer alternativen Lösung im Rahmen der Erfindung, für welche unabhängig Schutz beansprucht wird, wird die Möglichkeit geschaffen, eine Längenmessung entlang einer geschlossenen Bahnkurve durchzuführen. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß die Trägereinheit mit ihrer magnetischen Längencodierung so ausgebildet, dass eine geschlossene Bahnkurve, insbesondere in Form einer kreisförmigen Bahnkurve, entsteht. Entsprechend kann damit die absolute Position eines Messkopfes relativ zu einem zu der geschlossenen Bahnkurve gekrümmten codierten Magnetband ermittelt werden, wobei die Codierung an eine entsprechende Nahtstelle (d.h. Codierungsanfang und -ende sind hier zusammengeführt) einen Ursprung bekommt, durch welchen die (ansonsten absolute) Codierung zyklisch wird. In besonders vorteilhafter Weise lässt sich eine derartige, entlang einer (geschlossenen) Bahnkurve gekrümmte Codierung etwa zum Messen des Außenumfanges eines Zylinders, des Innenumfanges eines Hohlzylinders, einer in sich geschlossenen Strecke in einer Förderanlage usw. verwenden. Erfindungsgemäß ist nun die langgestreckte oder bahnförmig gekrümmte Längencodierung so realisiert, dass, mit einer regelmäßigen Polteilung, Codierungsabschnitte der ersten und der zweiten Polarität so aufeinander folgen, dass maximal zwei Codierungsabschnitte derselben Polarität einander unmittelbar benachbart auftreten. In der Praxis wird dies so realisiert, dass eine Absolutcodierung mittels eines sog. Pseudo-Zufallscodes zu einer binären Folge von Codierungsabschnitten führt, und nunmehr zwischen jeden dieser Codierungsabschnitte ein weiterer Codierungsabschnitt eingefügt wird, welcher in seiner Polarität jeweils umgekehrt dem Vorhergehenden (d.h. entgegen einer angenommenen Bewegungsrichtung benachbart) gepolt ist.
Dies führt dann zu einer Kombination einer Pseudozufalls- folge mit einer sogenannten Manchestercodierung, wobei die zusätzlich eingefügten Codierungsabschnitte gleichermaßen einen Takt der Längencodierung vorgeben.
Dies führt dann dazu, dass maximal zwei Codierungsabschnitte derselben Polarität einander unmittelbar benachbart auftreten, mit dem Ergebnis, dass nicht nur entlang der gesamten langgestreckten Trägereinheit jederzeit eine zuverlässige Positionsbestimmung möglich ist (insbesondere auch eine saubere Interpolation in einem kurzen Streckenbereich) erfolgen kann) , auch wird die oben diskutierte In- tersymbol-Interferenz wirksam verhindert, denn ein aus maximal zwei gleichpoligen Codierungsabschnitten bestehendes magnetisches Segment wirkt sich nicht drastisch auf die saubere Ablesbarkeit eines einfachen Segments aus.
Weitere Vorteile, welche insbesondere auch durch die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Merkmale unterstützt werden, ermöglichen dann, dass eine Realisierung von schnell reagierenden bzw. mit kurzen Verarbeitungszeiten arbeitenden Systemen auf einfache Weise und mit preiswerten Bauelementen ermöglicht ist, insbesondere ist es möglich, ein ein- spuriges autoreferenzierendes System auf einfache Art und Weise zu realisieren.
In herstellungstechnisch und praktisch bedeutsamer Weise 5 ist es im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die langgestreckte und stangenför ig ausgebildete Trägereinheit nicht mittels eines einstückigen, geeignet magnetisierten Elements auszubilden, sondern vielmehr eine (bevorzugt metallische) Hülse
10 vorzusehen, welche dann ihrerseits eine entsprechend der Polteilung bzw. den entsprechenden Codierungsabschnitten notwendige Anzahl von Einzelmagneten enthält. Diese werden, geeignet zylindrisch bemessen und Innerhalb der Hülse aneinander gehalten, so zusammengesetzt, dass sich die im
15 Rahmen der Erfindung erforderliche Codierung ergibt. Vorteilhaft lässt sich durch eine derartige Ausbildung bei Wahl entsprechend leistungsfähiger Einzelmagnete eine überaus trennscharf agnetisierte, einfach herzustellende Gesamtanordnung realisieren.
.0
Im Ergebnis wird durch die Erfindung erreicht, dass die Vorteile bisheriger absoluter Einspursysteme (schlanke Trägereinheit mit kompakten Sensorkopf sowie preiswerte Realisierung) mit Vorteilen von Zwei- bzw. Mehrspursystemen und
»5 deren hoher Auflösung kombiniert.
Im Rahmen einer bevorzugten Realisierungsform der vorliegenden Erfindung sind den den Codieriαngsabschnitten zugeordneten magnetischen Sensoreinheiten Auswahlmittel zuge- so ordnet, die selbst eine Mehrzahl, insbesondere mindestens fünf, Interpolationssensoren aufweisen. Diese Interpolationssensoren ermöglichen es auf einfache und parallel zu verarbeitende Weise, dass, bei Abstand zwischen einem ersten und einem letzten der Abfolge von
!5 Interpolationssensoren von mehr als dem Zweifachen der Polteilung, genau der mindestens eine Polaritätswechsel in dem so aufgespannten Bereich detektiert werden kann; mithin ist es auf einfache Weise möglich, denjenigen einer Mehrzahl von Abtastsensoren auszuwählen, welcher eine Polarität des gegenüberliegenden Codierungsabschnitts korrekt und zuverlässig detektiert.
Weiterbildungsgemäß sind im Rahmen der Erfindung zusätzlich Mittel zur Fein-Positionsbestimmung innerhalb eines Codie- rungsabschnittes bzw. einer Polteilung vorgesehen. Insbesondere ermöglichen es diese Mittel, einen Magnetisierungsverlauf entlang dieses Codierungsabschnittes (entlang der Längsrichtung der Längencodierung) festzustellen, und daraus ein wegproportionales Interpolationssignal zu generieren. In der Praxis läßt sich damit eine Auflösung erzielen, welche ein Mehrfaches unter der durch die Polteilung ermöglichten physikalischen Auflösung der Längencodierung liegt.
Während die vorliegende Erfindung besonders geeignet in Werkzeugmaschinen oder fördertechnischen Anlagen ist, ist deren Anwendbarkeit mit der erfindungsgemäßen langgestreck- ten, stangenförmigen Trägereinheit, welche das einspurige absolute Längencodierungssystem realisiert, praktisch unbegrenzt für j egliche Maschine oder j egliches Aggregat geeignet, welche die vorbeschriebenen Vorteile ausnutzen kann .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten aus der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
Fig. 1 eine Perspektivansicht der langgestreckten, stangenförmigen Trägereinheit zur Verwendung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit schematisch angedeuteter, radial magnetisier- ter Längencodierung;
Fig. 2 ein Signaldiagramm von Sensoranordnungen und Sensorspannungen zur Auswertung und Interpolation der Längencodierung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Sensorspannungs-Signaldiagramm eines MR-Sen- sors zur hochauflösenden Positions-Interpolation innerhalb einer Polteilung;
Fig. 4 Ein schematisches Blockschaltbild mit Sensoren zur Code-Abtastung sowie Sensoren zur Feininterpolation sowie deren jeweils nachgeschalteter Komparator- und Auswerteeinheiten gemäß einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung;
Fig. 5 Eine Darstellung analog Fig. 4 mit gegenüber der Position der Fig. 4 versetztem Sensorkopf sowie entsprechend umgeschalteter Auswahl der Multiple- xereinheit ;
Fig. 6 Eine Darstellung analog Fig. 4, Fig. 5 mit gegenüber Fig. 5 weiter verschobenem Sensorkopf entlang der Trägereinheit und entsprechend, anderem Absolut-Positionscode;
Fig. 7 Eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 4 bis 6, erweitert durch einen MR-Sensor für ein hochauflösendes System mit Interpolation; Fig. 8: eine alternative Realisierung der langgestreckten, stangenförmigen Trägereinheit gemäß Fig. 1 mittels langgestreckter Hülse und
5 einer Mehrzahl darin gehaltener
Einzelmagnetelemente und
Fig. 9: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Längenmessung entlang einer [0 geschlossenen Bahnkurve gemäß einem unabhängigen
Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Die in Fig. 1 exemplarisch gezeigte Trägereinheit, etwa der Bereich einer Kolbenstange od. dgl., weist erfindungsgemäß
[5 eine Codierung in Form einer Kombination aus Pseudozufalls- folge und Manchestercodierung auf. Konkret wird die in der Fig. 1 angewendete, radial magnetisierte Längencodierung (entlang der Längsrichtung „X") so gebildet, dass, mit einer exemplarischen Polteilung p=4mm, eine n-Bit Pseudozu-
!0 fallsfolge als Digitalsignal erzeugt wird, welche 2n-l verschiedene Positionswerte codiert; dieser Wert multipliziert mit der Polteilung (hier 4mm) ergibt dann die maximale Codierungslänge .
. '5 Ausgehend von dieser Folge wird dann hinter jeder Magnetisierung „0" (der Vereinfachung halber werden im folgenden die den Polaritäten N bzw. S entsprechenden Signale binär als „1" bzw. „0" bezeichnet) eine Magnetisierung des Wertes „1" eingefügt, und hinter jeder Magnetisierung des Wertes
>0 „1" wird eine Magnetisierung des Wertes „0" eingefügt; entsprechend dieser Bit-Folge erfolgt dann die Magnetisierung der Trägereinheit.
Konkret am Beispiel der Fig. 1 bedeutet dies, dass eine 8- -5 Bit Pseudozufallsfolge „10110001" (welche damit 255 Positionswerte, entsprechend 1.024mm bei p=4mm codieren kann) durch Einfügen gemäß der obigen Regel in die folgende Bit-Folge modifiziert wird: „1001101001010110". Diese Ab- folge ergibt sich entsprechend aus der Darstellung der Fig. 1 mit radial magnetisierten Polen.
Ein Abtasten dieser Anordnung läßt sich nun wie folgt rea- lisieren: Bei der Hardware-Umsetzung der Abtastung eines linearen Absolut-Codes werden im einfachsten Fall doppelt soviele Magnetsensoren (hier: Hall-Sensoren) eingesetzt, wie Bits abzutasten sind, wobei für jedes Bit zwei Sensoren im Abstand p/2 vorgesehen sind. Wenn einer der beiden Sen- soren in der Nähe eines Polwechsels steht, also eine Sensorspannung annähernd 0 Volt liefert, ist dadurch sichergestellt, dass der jeweils andere Sensor eine sichere Information durch ein eindeutiges (positives oder negatives) Spannungssignal liefern kann. Dies führt dazu, dass signal- technisch zwei jeweils um p/2 versetzte Sensorkämme selektiv ausgewertet werden.
Das praktische Problem, bei der Auswertung der Sensorspannungen eines Einspursystems den richtigen Sensorkamm auszu- wählen, wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Bestimmung der Lage eines Nulldurchganges des Magnetfeldes relativ zum SensorkopfUrsprung gelöst. Insbesondere nämlich, wenn der sogenannte einfache Pseudozufallscode, wie oben beschrieben, eingesetzt wird, kann es vorkommen, dass lediglich eine Nullstelle im Lesebereich des Sensorkopfes vorhanden ist, welche sich an beliebiger Stelle im durch die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren aufgespannten Lesefenster befinden kann. Traditionell sind Hardwarelösungen hierfür relativ aufwendig, da die einzelnen Sensorspannungen typischerweise A/D gewandelt und dann mittels eines Mikrocontrollers gelesen und ausgewertet werden, welches, neben dem Hardwareaufwand, vor allem einen Zeitverlust bedeutet.
Bei der vorliegenden, erfindungsgemäßen Codierung ist sichergestellt, dass in einem Bereich von 10mm (bei p=4mm) mindestens eine Nullstelle auftritt. Wird entsprechend der Sensorabstand auf die halbe Polteilung eingerichtet, spannt eine Gruppe von sechs Magnetfeldsensoren (Hall-Sensoren) den lOmm-Bereich auf und misst dann zwischen dem ersten und dem letzten Sensor bei beliebiger Position entlang der codierten Trägereinheit mindestens eine Nullstelle.
In der Praxis des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird dies durch einfache Komparatoren realisiert, welche eine binäre Ziffernfolge (entsprechend dem jeweiligen Ausgangssignal der aufeinanderfolgenden Sensoren bzw. Interpolatio- nen dazwischen) erzeugen, wobei diese Ziffernfolge dann die Polarität der Trägereinheit von der Stelle des ersten Sensors an in jeweils vorbestimmten Schritten angibt.
Dies soll anhand des Signaldiagramms in Fig. 2 erläutert werden; entlang der Horizontalen ist die Entfernung in Millimeterschritten aufgetragen (entsprechend sind die sechs Sensoren sO bis s5 um jeweils 2mm beabstandet und spannen den Gesamtbereich von lOmm auf) . Die Vertikale verdeutlicht die jeweils gemessene Sensorspannung des betreffenden Magnetfeldsensors.
Eine Interpolation in 0, 5mm-Schritten geschieht dadurch, dass, gemäß der Anweisung aus Fig. 2, gewichtete Verknüpfungen zwischen den einzelnen Sensorspannungen U(sO), U(sl) usw. gebildet werden, wobei dann die jeweilige Summe mittels eines zugeordneten Komparators mit einer Schwelle für die Nullmagnetisierung (0 mT) verglichen wird. Derartige Komparatoren sind hardwaremäßig sehr einfach zu realisieren, arbeiten quasi-parallel und sind damit für eine sehr schnelle Positionsauswertung geeignet.
Konkret führt die Feininterpolation in 0, 5mm-Schritten gemäß Fig. 2 zur folgenden Ziffernfolge: „001111111111111111". Dies läßt sich dann so interpretie- ren, dass ein Südpol (Negativmagnetisierung) entlang des ersten Millimeters (zwei 0, 5mm-Schritte) erfasst wird, und ab der Position 1mm erstreckt sich ein Nordpol. Etwa mit- hilfe eines EEPROM als Festwertspeicher lässt sich eine - l i ¬
derartige Feininterpolation einfach und mit geringstem Aufwand in einen Fein-Positionswert für die Position des Nulldurchgangs decodieren; bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt diese Position mit einer Auflösung von 0,5mm vor.
Wird nun das höchstwertige Bit eines betreffenden Feinin- terpolationswertes (hier: 2mm-Bit) für jeden Sensor ausgewertet, kann damit die Umschaltung zwischen den Sensorkäm- men erfolgen, also die Auswahl desjenigen Sensors eines Sensorpaares, welchem nunmehr -- zuverlässig -- die betreffende, zugehörige Magnetisierung erfasst wird. Konkret erfolgt dies dadurch, dass das wie beschrieben erzeugte Bitmuster einem 2 : 1-Multiplexer zugeführt wird, wobei dieser Multiplexer von dem beschriebenen 2mm-Bit zur Auswahl angesteuert werden kann.
Anhand der Fig. 4 bis 6 soll nunmehr eine praktische Realisierung und Auswertung des vorbeschriebenen Meß- und Po- sitionsbestimmungsprinzips samt Feininterpolation und Umschaltung zwischen einem jeweils benötigten der Sensorpaare beschrieben werden. Dabei entspricht die in den Fig. 4 bis 6 sich horizontal erstreckend schematisch gezeigte Trägereinheit 10 der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Kolbenstange, die jeweiligen Magnetisierungsflächen wechseln sich in horizontaler Abfolge, entlang einer durch einen Pfeil 12 markierten positiven Zählrichtung, ab. Der Vereinfachung halber wird für das Beispiel der Fig. 4 bis 6 wiederum eine Grundpolteilung (Breite eines Codierungsab- Schnitts in Bewegungsrichtung) von 4mm gewählt. Bei einer herangezogenen 5-Bit Absolutauswertung führt dies zu insgesamt 31 verschiedenen Positionswerten (2n-l) , entsprechend zu einer maximalen Codierungslänge von 31*4=124mm. Jedes Bit wird mit zwei Sensoren zur Codeabtastung SCi abgetastet, so dass, wie in den Fig. 4 bis 6 gezeigt, bei fünf Sensorpaaren insgesamt zehn Code-Abtastsensoren vorhanden sind. Die Fig. 4 verdeutlicht zusätzlich die geometrischen Verhältnisse: Die Sensoren eines jeweiligen Sen- sorpaares sind bei der gewählten Polteilung von 4mm jeweils 2mm voneinander entfernt; jeweilige Sensorpaare voneinander um 8mm.
5 Jedem der Code-Abtastsensoren SCi (i=0....9) ist, schematisch durch die Einheit 14 verdeutlicht, ein Komparator zugeordnet, welcher feststellt, ob eine anliegende Magnetfeld-Sensorspannung größer oder kleiner 0 Volt ist (entsprechend dem Magnetfeld-Schwellwert von 0 mT) . Ent- .0 sprechend wird ein digitales Signal 1 oder 0 ausgegeben, welches der Komparatoreinheit 14 ausgangsseitig anliegt.
Eine nachgeschaltete Multiplexereinheit 16 empfängt dann eingangsseitig sämtliche Sensorsignale und selektiert je-
.5 weils zwischen einem oder dem anderen der Sensorpaare, gesteuert durch eine Auswahlbitleitung 18. Entsprechend wird im dargestellten Ausführungsbeispiel entweder auf die geradzahligen oder die ungeradzahligen der zehn Code-Abtastsensoren umgeschaltet, es ergibt ausgangsseitig des Multi-
10 plexers 16 ein eindeutiges 5-Bit-Codewort .
In einer nachgeschalteten Codetabelle 20, typischerweise mittels eines EEPROM realisiert, wird dann das (in der eingangs beschriebenen Weise codierte) Codewort in einen Abso- '.5 lut-Positionswert umgesetzt und in einer nachgeschalteten Verriegelungsschaltung 22 gespeichert; die absolute Positionsauflösung dieses 5-Bit-Wortes beträgt, entsprechend der Polteilung, 4mm.
10 Parallel findet, wie eingangs ebenfalls dargelegt, eine Feininterpolation mittels zusätzlicher Feininterpolations- sensoren SFj (j =0....5 ) statt, wobei diese Feininterpolationsensoren den Sensoren sO bis s5 in Fig. 2 entsprechen. Der Zweck dieser Feininterpolation ist zum ei-
15 nen, die Auflösung der Absolutposition zu erhöhen, und zum zweiten wird mittels eines Feininterpolationswertes der sechs Sensoren SFj eine Ansteuerung der Multiplexereinheit 16 und damit eine Umschaltung zwischen den jeweiligen Code- Abtastsensoren vorgenommen. Diese Beschaltung wird im weiteren anhand des rechten Bereichs der Fig. 4 bis 6 erläutert .
5 Das Ausgangssignal jedes Feininterpolationssensors SFj wird von einer Feininterpolations-Komparatoreinheit 24 erfasst und, wie oben bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert, interpolierend ausgewertet. Dies bedeutet, dass auf der Basis der sechs erfassten Sensorsignale, jeweils
10 Zwischensignale zwischen benachbarten Sensoren mithilfe geeignet eingestellter Widerstände erzeugt werden, dergestalt, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein insgesamt 18-Bit breites Komparatorwort vorliegt, dessen jeweilige Bits entlang einer Sensorspannungskennlinie entspre-
[5 chend Fig. 2 beschreiben, welche Polarität jeweils unter einem Feininterpolationssensor vorliegt, entsprechend damit die Schlussfolgerung ermöglicht, an welcher Stelle ein Wechsel der Polarität entlang des Trägers 10 erfolgt.
10 Konkret wird, wie durch die der Komparatoreinheit 24 zugeordneten, schematisch angedeuteten Formeln verdeutlicht, auf drei Schritte zwischen zwei Feininterpolations Sensoren interpoliert, so dass im Ergebnis das schematisch gezeigte 18-Bit-Wort entsteht und in einer Verriegelungsschaltung 26
.5 gespeichert wird.
Dieses Signal steht dann einer weiteren Decodierungseinheit 28 an, welche, idealerweise mittels einer EPROM-gespeicher- ten Tabelle, aus dieser Bitfolge ermittelt, wo (d.h: an
10 welchem Ort entlang der durch die Interpolation erreichten Auflösung von 0, 5mm-Schritten) der erste Polwechsel, mithin der erste Wechsel der Bitfolge von 1 auf 0 bzw. von 0 auf 1, erfolgt. Dieser bestimmt im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Feinposition (im Ausführungsbeispiel bedeutet
15 dies, dass, bei Polwechsel nach dem ersten Bit, die Feinposition 0mm wäre, nach dem zweiten Bit 0,5mm, nach dem dritten Bit 1mm usw.). Die Feininterpolation ist mit 4mm periodisch. Entsprechend erzeugt die Decodierungseinheit 28 als 3-Bit- breites Ausgangs-Positionssignal damit die Feinposition innerhalb der 5-Bit-Absolutposition, welche ja die 4mm-Auflö- sung ermöglicht. Gleichzeitig wird, wie durch die Auswahlbitleitung 18 in den Fig. 4 bis 6 verdeutlicht, dass 2mm- Bit der Feinposition (als Ergebnis der Decodereinheit 28) verwendet, um die Multiplexereinheit 16 in den Umschaltbetrieb zwischen den Paaren der Code-Abtastsensoren umzu- schalten.
Angesteuert wird die — ohne einen Mikroprozessor realisierbare -- Einheit der Fig. 4 bis 6 durch einen Taktgenerator 30, welcher, vergleiche die Verzögerungsschaltung 32, zunächst die Verriegelungsschaltung 26 mit dem Taktsignal T versieht, so dass das Bitsignal der Komparatoreinheit 24 erfasst werden kann, und daraufhin dann für die Verriegelungseinheit 22 den Ausgabetakt/T für das 0, 5mm-aufgelöste 8-Bit-Gesamtpositionssignal bereitstellt .
Anhand eines Vergleiches der Fig. 4 bis 6 soll verdeutlicht werden, wie die Umschaltung bzw. die Positionsausgabe absolut funktioniert: Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, stehen insbesondere die Code-Abtastsensoren SC2 und SCO an Über- gangspositionen zwischen Polaritäten der Trägereinheit 10; dies ist verdeutlicht durch das Symbol "?" der zugehörigen Komparator-Ausgangsleitung der Einheit 14. Entsprechend wäre es sinnvoll und notwendig, für eine eindeutige Abso- lut-Positionserfassung die ungerade numerierten Code-Ab- tastsensoren SCi auszuwählen (entsprechend der Schalterstellung in der Multiplexereinheit 16 von Fig.4).
Dieses Umschaltsignal wird erzeugt, indem mittels der In- terpolations-Komparatoreinheit 24, nachgeschaltet den Feininterpolationssensoren SFO bis SF5, erkannt wird, dass der Ort der ersten Bitfolge von 0 auf 1 bzw. von 1 auf 0 nach dem dritten Bit der 18-Bit-Folge in der Verriegelungseinheit 26 erfolgt (wie in der Fig. 4 erkennbar ist, liegt dieser Wechsel zwischen den Feininterpolationssensoren SFO und SFI) . Die Einheit 28 interpretiert den Polaritä swechsel nach dem dritten Bit als Feinposition "1mm" und gibt entsprechend das (mit 4mm periodische) Feinpositions signal "010" aus. Das höchstwertige Bit (MSB) dieses Signals liegt auf der Auswahlbitleitung 18 und steuert entsprechend den Multiplexer 16 so, dass die ungeraden Code-Äbtastsensoren SCI, SC3, SC5... ausgewählt werden. Eindeutig liegt damit das 5-Bit-Codewort "10100" an der Codetabelle 20 a.n und wird in eine Absolutposition von "00011" umgesetzt. Kombiniert mit dem 3-Bit-Feinpositionswert entsteht so das in Fig. 4 gezeigte, 0,5mm auflösende Absolut-Positionssicnal .
Dem gegenüber ist in Fig. 5 der Sensorkopf (und mithin sämtliche Abtastsensoren) um ca. 2mm in Fahrtrichtung 12 nach links verschoben. Dieser Abstand liegt nach wie vor im Bereich der 4mm-Auflösung der 5-Bit-Positionserfassung, mithin sollte das durch die Code-Abtastsensoren SCi er- fasste Codewort identisch sein. Wie jedoch die Fig. 5 ver- deutlicht, liegen in der gezeigten Sensorkopfposition die Code-Abtastsensoren SCI, SC3, SC5, SC7, SC9 jeweils im kritischen Übergangsbereich zwischen zwei Polen, so dass eine unexakte Sensorerfassung erfolgt. Entsprechend ist es bei der Realisierungsform der Fig. 5 erforderlich, zur Absolut- Positionserfassung die geradzahligen Sensoren SCO, SC2... auszuwerten.
Dieses Steuersignal wird wiederum durch die Feininterpolationssensoren SFj erzeugt, welche entsprechend verschoben worden sind. Das interpolierte Bitmuster in der Verriegelungsschaltung 26 verdeutlicht, dass hier nunmehr der Ort des ersten Wechsels der Bitfolge von 1 auf 0 nach dem siebten Bit erfolgt, entsprechend einem Fein-Positionswert von 3mm (Bit-Ausgangssignal der Decodiereinheit 28: "110") . Ent- sprechend ist hier das 2mm-Bit als MSB gesetzt und steuert die Multiplexereinheit 16 so an, dass diese die geradzahlig indizierten Code-Abtastsensoren SCi auswählt. Im Absolut-Positionssignal äussert sich damit die 2mm-Ver- schiebung lediglich im 2mm-Bit der niedrigwertigsten 3-Bit- Feinposition.
Die Fig. 6 verdeutlicht eine weitere Verschiebung des Sensorkopfes mit sämtlichen Sensoren entlang Pfeilrichtung 12, nochmals um 2mm gegenüber der Darstellung der Fig. 5. Der mit 4mm-Auflösung erfasste Absolut-Positionswert aus den Code-Abtastsensoren SCi erbringt das Codewort "00100", ge- neriert aus dem Komparatorsignal "01011", wobei, bei Wechsel der Feininterpolations-Bitfolge der Verriegelungseinheit 26 nach dem dritten Bit (entsprechend 1mm Feinposition) , das 2mm-Bit des Feinpositionssignals (010) wiederum die ungeraden der mittels Komparatoreinheit 14 ausgewerte- ten Code-Abtastsensoren SCi auswählt. Entsprechend entsteht das gegenüber der Fig. 5 um 2mm, gegenüber Fig. 4 um 4mm verschobene 8-Bit-Absolutpositionssignal (0,5mm aufgelöst), wie im unteren Bereich von Fig. 6 erkennbar.
Aufgrund der hohen Arbeitsgeschwindigkeit der beschriebenen, einfachen Hardwarelösung kann ein benötigter Synchrontakt mehrere 100kHz betragen; dementsprechend wäre bereits nach einem Taktzyklus (<10ns) der betreffende Positionswert aktualisiert .
Auf die beschriebene Weise kann damit nicht nur mit sehr preiswerten Bauelementen (es ist bei den Fig. 4 bis 6 gezeigten Ausführungsformen kein Microcontroller erforderlich) ein Positionserfassungssystem aufgebaut werden; auch sind durch die hohe Taktrate hohe Verfahrgeschwindigkeiten (16m/s und höher) möglich; die Meßrate ist praktisch nur von der Geschwindigkeit der Schnittstelle abhängig. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Auflösung von 0,5mm realisierbar.
Im weiteren wird eine bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird das vorstehend beschriebene Längenmeßsystem ergänzend mit einem hochauflösenden magnetischen Sensor, sogenannten MR- Winkelsensor (z.B. dem Typ LK28 der Fa. IMO) kombiniert.
5
Die erfindungsgemäße Codierung bewirkt einen Magnetisierungsverlauf entlang der Trägereinheit, welcher sich aus annähernd sinusförmigen Halbwellen zusammensetzt, wobei, je nach der Abfolge der Magnetisierungen, diese
0 Halbwellen jeweils die Länge p oder 2*p aufweisen (längere Abschnitte derselben Polarität sind aus den eingangs erwähnten Gründen nicht möglich) . Werden nunmehr derartige Halbwellen mit einem hochauflösenden Magnetfeldsensor, etwa dem weiterbildungsgemäß vorgesehenen MR-Winkelsensor, abge-
5 tastet und daraufhin dann die Sensorspannung mittels einer Arcus-Tangens-Funktion ausgewertet, entsteht ein Wert, welcher jeweils innerhalb eines Poles wegproportional ist; ein entsprechendes Signal-Wegdiagramm zeigt die Fig. 3 als Ergebnis einer derartigen Arcus-Tangens-Funktionsauswertung
0 eines periodischen (idealerweise sinusförmigen) Magnetisierungsverlauf. Konkret zeigt die Fig. 3 die Sensorspannungen eines LK28-MR-Winkelsensors, welcher sich bei Abtastung der codierten Trägereinheit mit p=4mm längs der Verfahrrichtung ergibt, Arcus-Tangens-interpoliert und
5 so normiert wurde, dass die Minimalwerte bei 0mm und die Maximalwerte bei 4mm liegen.
Wie sich unmittelbar aus der Signalformdarstellung der Fig. 3 ergibt, welche im linken Bereich einen 8mm breiten Pol, ) im rechten Bereich einen 4mm breiten Pol zeigt, muss noch die Information für die verschieden breiten Pole unterschieden werden.
Konkret wird dies (durch geeignete Programmierung einer > Controllereinheit) so gelöst, dass wenn sich der MR-Sensor über einem 4mm-Pol befindet, der interpolierte Positionswert als hochauflösende Positionsinformation direkt übernommen wird. Wenn dagegen der MR-Sensor über einem 8mm-Pol steht, wird die hochauflösende Positionsinformation ermittelt durch Multiplikation des interpolierten Wertes mit 2, und ggf. Subtraktion des Maximalwertes, wenn der sich ergebende Wert größer als der Maximalwert ist.
Entsprechend ergibt sich aus dieser Berechnungsvorschrift dann eine periodische hochauflösende Positionsinformation, wie sie i.ü. auch aus der sogenannten Inkre entalspur eines herkömmlichen Zweispursystems erhältlich ist.
Dabei bietet es sich an, die Information, ob der MR-Sensor sich über einem schmalen (hier: 4mm) oder über einem doppelten (8mm) Pol befindet, in einer Decodiertabelle abzulegen, wobei, vergleiche die Darstellung oben, dann zuerst das Positions-Codewort ermittelt wird und über die durch das Codewort angegebene Adresse der Decodiertabelle sowohl die Absolutposition, als auch die Anordnung der Pole unter der momentanen Position des MR-Sensors ausgelesen werden kann.
Eine (notwendige) Synchronisation zwischen der schrittweise interpolierten Absolutposition und der innerhalb einer Teilung periodischen hochauflösenden Position ist problemlos, da, wie oben dargelegt, die Absolutposition etwa mit einer Auflösung von 0,5mm ohnehin zur Verfügung steht .
Mittels eines geeignet konfigurierten Mikrocontrollers kann die Berechnung dann der hochauflösenden Gesamtposition vergleichsweise schnell und einfach durchgeführt werden, da nur wenige einfache Operationen (Vergleiche, Bitschiebungen, Additionen und Subtraktionen) notwendig sind. Insbesondere wird die mögliche Verfahrgeschwindigkeit nicht beeinträchtigt, wenn man einen Interpolatorchip mit paralleler Ausgabe des Positionswertes benutzt und den hochauflösenden Positionswert zeitgleich mit der absoluten Position durch den Synchrontakt gesteuert zwischenspeichert .
Die Fig. 7 verdeutlicht anhand eines gegenüber dem 5 Ausführungsbeispiel der Fig. 4 bis 6 modifizierten Blockschaltbild die Weiterbildungsmöglichkeit der Erfindung mittels einer weiteren Interpolation für eine hochauflösende Positionsbestimmung.
0 Genauer gesagt ist der Anordnung, wie sie anhand der Fig. 4 bis 6 beschrieben wurde, ein weiterer hochauflösender MR- Sensor 40 zugeordnet, dessen Ausgangssignal in Sinus- und Kosinuskomponente einer Interpolationseinheit 42 zugeführt wird. Hier erfolgt, wie im Zusammenhang mit der Fig. 3
5 diskutiert, eine hochauflösende Positionserfassung innerhalb der vorgegebenen Polteilung, z.B. 4 Bit wie angegeben. Konkret würde, etwa im Fall einer 7-Bit- Interpolation, damit eine Auflösung von 31,25 Mikrometern (4mm/27) bzw. 62,5 μm für einen 8mm-Pol erreichbar sein.
10
Bei einem derartigen, hochauflösenden System ist jedoch ein Mikrocontroller 44 zur Synchronisation der Magnetfeld-Hall- und MR-Positionsinformation notwendig, auch zur Anpassung der MR-Positionsinformation an die Pollänge.
15
Wie in der Fig. 7 gezeigt, wird auch das hochauflösende Positionssignal der Interpolationseinheit 42 (Periode 4mm bzw. 8mm) in einer zugehörigen Verriegelungseinheit 46 gespeichert und dann, wie auch die weiteren Signale der ι0 Verriegelungseinheit 22 für die Absolut-Positionsdaten mit 0,5mm Auflösung, dem Controller 44 zugeleitet. Zusätzlich erhält der Controller über eine Verriegelungseinheit 48 Daten betreffend die Pollänge an der Stelle des MR-Sensors (etwa aus der Codetabelle 20) , und die Controllereinheit 44 ι5 nimmt zusätzlich die oben im Zusammenhang mit der Fig. 3 diskutierte Entzerrung entlang der nicht-linearen Kennlinie des MR-Sensors vor. Letztendlich liegt dann auf einer ausgangsseitigen Schnittstelle , 50 das hochauflösende, absolute Positionssignal .
5 Kritisch ist es, die Messung mittels der Interpolationseinheit 42 bzw. des MR-Sensors 40 mit der Absolutposition der Einheit 22 zu synchronisieren, insbesondere im Hinblick auf einen möglichen vorauslaufenden bzw. hinterherlaufenden MR-Positionswert .
10 Auch dies wird von der Controllereinheit 44 gelöst, wobei insbesondere die erläuterte Feininterpolation (3-Bit- Positionssignal, 0,5mm Auflösung) der Controllereinheit 44 die Basis bietet, das Ergebnis der hochauflösenden Positionsbestimmung gemäß Verriegelungseinheit 46 eindeutig
15 einer 4mm-Absolutposition zuzuordnen.
Im Ergebnis entsteht so eine hochleistungsfähige Absolut- Positionsbestimmung, welche die Hardware-technische Einfachheit des erfindungsgemäßen Absolut- .0 Positionsbestimmungsprinzips (Fig. 4 bis Fig. 6) mit den technischen Möglichkeiten einer MR-Positionserfassung kombiniert .
Die auf realistische Meßwerten basierende Darstellung der .5 Fig. 3 verdeutlicht Verzerrungen der Kennlinie des durch Interpolation gewonnenen Positionswertes, basierend auf eine nicht-idealen sinusförmigen Magnetisierungsverlauf. Eine dadurch bewirkte Ungenauigkeit kann durch eine numerische Lösung, insbesondere mithilfe einer 10 Entzerrungstabelle, deutlich verbessert werden, wobei prinzipiell eine derartige Entzerrungstabelle für einen 4mm- bzw. 8mm-Pol (im obigen Ausführungsbeispi l) ausreichen würde. In der Praxis hat sich herausgestell , dass nämlich' die Verzerrungen von Polen gleicher Länge an !5 allen Stellen der Codierung stark ähnlich sind. In der praktischen Realisierung lassen sich damit Auflösungen einer Genauigkeit und Größenordnung von 50 Mikrometern erzielen. Im bevorzugter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bietet es sich an, die beschriebene Codierung, welche ja in der beschriebenen Weise einen Positionscode und, über die Codierung, auch ein Taktsignal beinhaltet, zur Realisierung eines einspurigen autoreferenzierenden Systems einzusetzen. Zu diesem Zweck muß immer mindestens ein Nulldurchgang detektiert werden, wie es etwa durch das im Zusammenhang mit der Abb. 2 aus sechs Sensoren realisierte System möglich wird. In dieser Realisierung spannen die sechs Hall-Sensoren mit Sensorabstand 2mm eine Gesamtlänge von 10mm auf und ermöglichen damit einen schlanken, kurzen Sensorkopf; das entsprechende System wäre damit gut kurvengängig .
Gemäß einer alternativen Realisierung der Erfindung zur Längenmessung entlang einer Kurve zeigt die Fig. 9 eine schematische Darstellung mit einer ringförmig geschlossenen Magnetisierung 80, welcher ein kreisbogenförmig gekrümmter Lesekopf 82 (zum Erfassen von vier Bit-Worten entlang der im Beispiel aus 16 magnetisierten Codierungsabschnitten gebildeten) Trägereinheit 80 gegenübersteht. Die Tabelle der schematischen Darstellung in Fig. 9 verdeutlicht entsprechend die 16 codierten Winkel-Einzelpositionen.
In entsprechend generalisierter Form würde bei dieser Realisierungsform der Erfindung zum Erhalten einer bestimmten vorgegebenen Codelänge wie folgt vorgegangen werden: Der Grad der zu erzeugenden Codierung wird so gewählt, dass 2° größer als die gewünschte Länge ist. Entsprechend der gewünschten Länge als ganzteiliges Vielfaches der Pollänge wird dann ein Abschnitt des Codes gewählt, und die Enden werden zu der geschlossenen Bahnkurve zusammengefügt.
Die Fig. 8 verdeutlicht eine alternative Realisierung der Trägereinheit in Fig. 1. Hier ist nicht, wie in Fig. 1, eine langgestreckte, metallische Trägereinheit abschnittsweise mit der gewünschten Längencodierung magnetisiert, vielmehr wird die Längencodierung dadurch erzeugt, dass eine langgestreckte (metallische) Hülse 70 im Inneren eine Mehrzahl (einem jeweiligen Codierungsabschnitt entsprechender) Einzelmagnete 72 aufweist, welche dann das Codierungsgesamtmuster ausbilden. Im Gegensatz zur Realisierungsform gemäß Fig. 1 lässt sich so eine einfachere und hinsichtlich der Magnetisierungsabschnitte trennschärfere Realisierung des Gesamtaufbaues erreichen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform, insbesondere die darin verwendeten Sensortypen und Auswertmechanismen, beschränkt; insbesondere sind, je nach Anwendungsfall, geeignete andere Magnetfeldsensoren und -auswertprinzipien möglich, solange in der erfindungsgemäßen Weise die Codierung erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Positions- und/oder Längenbestimmung mit einer eine absolute magnetische Längencodierung aufweisenden Trägereinheit und einer mit der Trägereinheit zusammenwirkenden, relativ zu dieser bewegbar vorgesehenen Messeinheit, die eine magnetische Sensoreinheit (Sei, Sfi) aufweist und mit einer dieser nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit (18 bis 32) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die langgestreckt und stangenförmig ausgebildete Trägereinheit (10) einspurig mit der bevorzugt radial magnetisierten Längencodierung versehen ist, entlang der Längencodierung eine Mehrzahl von Codierungsabschnitten mit einer regelmäßigen Polteilung vorgesehen ist und Codierungsabschnitte einer ersten Polarität mit Codierungsabschnitten einer zweiten Polarität so abwechselnd entlang der Trägereinheit angeordnet sind, dass maximal zwei Codierungsabschnitte derselben Polarität einander unmittelbar benachbart auftreten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längencodierung als Binärcodierung auf der Basis einer binären Pseudozufallsfolge einer vorbestimmten Wortlänge erzeugt ist, wobei hinter jedem Bit der Pseudozufallsfolge ein im Wert demgegenüber invertiertes Bit eingefügt ist, so dass die Längencodierung eine gegenüber der Pseudozufallsfolge doppelte Länge aufweist .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Sensoreinheit so ausgebildet ist, dass sie eine jeweilige Polarität einer Mehrzahl von Codierungsabschnitten erfassen kann, die jeweils um einen Abstand der doppelten kleinsten Polteilung voneinander beabstandet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Mehrzahl von Codierungsabschnitten der Wortlänge plus 1 einer binären Pseudozufallsfolge als Basis für die Längencodierung entspricht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einem der kleinsten Polteilung entsprechenden Codierungsabschnitt eine Mehrzahl von Abtastsensoren der magnetischen Sensoreinheit zugeordnet ist, wobei Auswahlmittel zum selektiven Auswählen eines der Mehrzahl von Abtastsensoren zur Auswertung durch die elektronische Auswerteeinheit vorgesehen sind, die zur Erfassung eines Übergangs zwischen der ersten und der zweiten Polarität zwischen zwei benachbarten Codierungsabschnitten ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlmittel mindestens fünf Interpolationssensoren (Sfi) aufweisen, die in regelmäßigen Abständen voneinander so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen einem ersten und einem letzten der Abfolge von Interpolationssensoren mehr als das zweifache der Polteilung beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel zur Fein-Positionsbestimmung in- nerhalb eines Codierungsabschnittes bzw. einer Polteilung, die zum Erfassen eines Verlaufs der Magnetisierung entlang des Codierungsabschnittes in Längsrichtung der Längencodierung und zum Ermitteln eines wegproportionalen Interpolationssignals daraus ausgebil- det sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fein-Positionsbestimmung als mit der magnetischen Sensoreinheit und darin vorgesehenen Abtastsensoren zusammenwirkender MR-Sensor realisiert sind, der aus dem Magnetisierungsverlauf das Interpolationssignal ermittelt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Mitteln zur Fein-Positionsbestim- mung Korrekturmittel zugeordnet sind, die zum Entzerren bzw. Kompensieren von Ausgangssignalen der Mittel zur Fein-Positionsbestimmung relativ zu einem idealisierten und/oder vorbestimmten Verlauf entlang des Codierungsabschnittes ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (10) ein bevorzugt metallisches, langgestrecktes Hülsenelement
(70) aufweist, in welchem eine Mehrzahl von Einzelmagneten (72) gehalten sind, deren Abmessungen in axialer Richtung des Hülsenelementes der Polteilung entsprechen.
11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem autoreferenziellen System zur Längenmessung, insbesondere zur Verwendung in einer Werkzeugmaschine oder einer fördertechnischen Anlage.
12. Vorrichtung zur Positions- und/oder Längenbestimmung mit einer eine absolute magnetische Längencodierung aufweisenden Trägereinheit und einer mit der Trägereinheit zusammenwirkenden, relativ zu dieser bewegbar vorgesehenen Messeinheit, die eine magnetische Sensoreinheit (SCi, SFi) aufweist und mit einer dieser nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit (18 bis 32) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit die magnetische Längencodierung als bevorzugt kreisförmig geschlossene Bahnkurve aufweist, - Z O -
und entlang der Längencodierung eine Mehrzahl von Codierungsabschnitten mit einer regelmäßigen Polteilung vorgesehen ist und Codierungsabschnitte einer ersten Polarität mit Codierungsabschnitten einer zweiten Polarität so abwechselnd entlang der Trägereinheit angeordnet sind, dass maximal ' zwei Codierungsabschnitte derselben Polarität einander unmittelbar benachbart auftreten.
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