NO149522B

NO149522B - Anordning ved posisjonsmaaler.

Info

Publication number: NO149522B
Application number: NO800827A
Authority: NO
Inventors: Dag Kjosavik
Original assignee: Trallfa Nils Underhaug As
Priority date: 1980-03-21
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1984-01-23
Also published as: NO800827L; EP0047764B1; NO149522C; US4468745A; JPH0255837B2; JPS57500488A; EP0047764A1; WO1981002780A1

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved posisjonsmåling eller vinkelmåling av det slag som fremgår av ingressen av etterfølgende patentkrav.

Synkroer brukes som vinkelmålere for bl.a. fjernavlesning

(dvs. elektrisk overføring av vinkel fra målested til viser-instrument, overføring av momenter, vanligvis små, samt fjernstyring av servomekanismer). Når vinkelmålingen ønskes omsatt til digital informasjon benyttes resolveren som er en spesiell type synkro. Resolveren består av to statorviklinger som er 90° forskjøvet og en eller to rotorviklinger.

Resolver mates med vekselspenning- (f.eks. 400 Hz) og dette

kan skje på en av to måter:

a. Mate de to statorviklinger med henholdsvis E-sin^Jt og E*cosWt. Det induseres da i rotorviklingen: k.E (sindjt . sin Q + cos LO t. cos 0) = k.E . sin ( U) t - 0 ) , hvor k er en konstant, dvs. fasemodulert signal med konstant amplitude.

Det fasemodulerte signalet kan omsettes til digital form ved hjelp av en demodulator.

b. Mate rotorviklingen med E.sin6/t. Det induseres da i sinusviklingen: k.E sin(Jt . sin © , og i cosinusviklingen:

k.E sin Odt . cos Q.

Denne siste måten er den mest brukte i dag og omsettingen

til digitale signaler kan gjøres på ulike måter.

Bruk av resolvere til vinkelmåling konkurrerer i digitale systemer med kodeskiver som gir direkte digital vinkelav-lesning. Men parallelt med utviklingen av kodeskivene har resolver-digitalomsetterne også utviklet seg slik at resolv-erne fremdeles er gunstigst der stor oppløsning (f.eks.

større enn 10 bit/omdreining) er nødvendig.

De fleste tilgjengelige resolver-digitalomsettere baseres

på at resolveren gjør bruk av løsning b) ovenfor, og den mest brukte omsetteren er den såkalte "tracking"-konverteren. Fra US-patent 3 894 672 er kjent en såkalt "solid state

transformer" som danner del av en slik "tracking"-konverter. Denne omformer omfatter en subtraksjonsenhet som er utformet til å generere et differansesignal som representerer differansen mellom 3 og hvor 0 betegner den ønskede vinkelposisjon. På dette formål innbefatter subtraksjonsenheten en kvadrantvelger, to multipliseringsenheter som multipliserer utgangssignalene fra kvadrantvelgeren med signaler som svarer til henholdsvis cos ( fi og sin ^ , og en differensialforsterker hvis utgang danner differansesignalet. Innmatningene til subtraksjonsenheten er dels en analog innmatning som representerer Q og dels en digitalinnmatning som representerer 0, idet sistnevnte er digitalt programmert. Tracking-konvertere har stor statisk nøyaktighet, er ufølsomme for frekvens-, fase- og amplitude- variasjoner samt høyfrekvent støy på resolversignalene, gir god følging av hurtig roterende resolver (NB. Hastigheten ^Skonstant), og muliggjør direkte vinkel-avlesning.

En annen utbredt konstruksjon er den såkalte Suksessiv-approksimasjon konverteren. Den arbeider nesten som tracking-konverteren, men istedet for kontinuerlig avlesning av resolverens signaler, samples disse en eller to ganger pr. periode. Et likespenningssignal som representerer sinus til 0 - 0 dannes ved sinus- og cosinus multiplikasjon og sub-traksjon og dette signalet går til en hurtig analog/digital omsetter hvori inngår et suksessiv-approksimasjons-register. Suksessiv-approksimasjon-konvertere muliggjør hurtig omsetting, hvilket tillater relativt hurtige endringer i resolv-erhastigheten, samt direkte vinkel-avlesning.

En nyere konstruksjon som omsetter flere kanaler er det mikroprosessor-baserte systemet MN7200 (Micro Networks). Virkemåten (for'en kanal) er: Sinus- og cosinussignalene demodu-leres (AC/DC) og omsettes til digital form hver for seg. Mikroprosessoren mottar dermed sinus- og cosinus av resolvervinkelen. 1 prosessoren beregnes tg Q = s'Ln ^ og deretter finnes &

COS

ved hjelp av en arctg-tabell og interpolering. Dette sys-

ternet faller kostbart, da der kreves en AC/DC-konverter for hver kanal. Dessuten tåles svært liten hastighet på resolveren (10°/sek.) før det reduserer nøyaktigheten.

Det nevnte system MN7200 gir stor statisk nøyaktighet, er ufølsomt for støy, og multiplekses for flere kanaler.

Behovet for posisjonsmåling på flere akser på f.eks. en robotarm, der kravene til nøyaktighet, hurtighet og lav pris er store, har gjort det nødvendig å utvikle et nytt system der fordelene med de ulike nevnte konstruksjoner er utnyttet.

Anordning ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved de trekk som fremgår av de etterfølgende patentkrav samt av den etter-følgende beskrivelse under henvisning, til den vedlagte teg-ning. Fig. 1 viser et blokkskjema over anordningen ifølge oppfinn-elsene. Fig. 2 viser en solid-state kontrolltransformator som kan utgjøre subtraksjonsenheten som inngår i anordningen.

Fig. 3 viser en demodulator som inngår i anordningen.

Fig. 4 viser som eksempel utgangssignaler fra kontrolltrans-formatoren gjennom en målesyklus.

Fig. 5 viser alternativt løsning av subtraksjonsenheten.

I fig. 1 er vist inngangsmultipleksere 1, 2 for henholdsvis innmatningene 3 og 4. Innmatningen 3 har i eksempelet formen sin (9. sin U/t og 4 har i eksempelet formen Cos & . sin CO t, hvor 0 er dreievinkelen for en vinkelmåler (resolver) og CO er vinkelfrekvensen for matesignalet til resolveren. Multi-plekserne mates med en multipleksadresse MPX.ADR for å kunne veksle mellom et antall kanaler, i eksempelet valgt til å være åtte. Det kan selvsagt være flere eller færre, avhengig av antallet av resolvere som overvåkes. En subtraksjonsenhet 5 (SUB) har sine to innganger forbundet med de respektive multipleksere 1, 2.

Subtraksjonsenheten 5 kan være en såkalt solid-state kontrolltransformator som tilsvarer en del av en tracking-konverter, nemlig kvadrantvelger 11, multiplikatorer 12 og 13 for henholdsvis cosinus og sinus av ( fi, og differanse-forsterker 14, se fig. 2.

De nevnte multiplikatorene er spesielle sinus og cosinus multiplikatorer. Alternativt kan disse være "standard" lineære multipliserende digital-til analog-omsettere 18, 19 som må mates med henholdsvis sin 0 og cos ( p via holdekretser (latch) 20, 21 som er tilsluttet databuss 9' og dermed mikroprosessoren 8. I dette tilfellet er det mikroprosessoren som må beregnes sin 0 og cos 0 .

Når mikroprosessoren 8 estimerer riktig vinkelposisjon, bør teoretisk feilsignalet fra differanseforsterkeren være lik null.

Utgangen fra subtraksjonsenheten 5 er koblet til en demodulator 6, hvilken er vist i nærmere detalj i fig. 3. Demodulatoren består av en kommutator basert på elektroniske bry-tere 17, en operasjonsforsterker 15 samt en nullstillbar integrator 16.

Utgangen fra demodulatoren 6 er ført til en analog/digital-omsetter 7, hvis utgang mater en mikroprosessor 8 med data som representerer sin ( p ) av eksempelvis format 12 bits.

Systemet kan ifølge en foretrukket utførelses form arbeide

med inntil 8 resolvere. Hver av disse blir koblet inn en hel periode av bærefrekvensen ved hjelp av inngangsmultiplekserne. Bærefrekvensen er f.eks. 1 kHz. Subtraksjonskretsen 5 arbeider dermed et millisekund for hver resolver. Subtraksjons-kretsens digitale inngang, som er tilkoblet databussen 9 fra" mikroprosessoren 8, får også ny verdi hver periode, slik at utgangssignalet fra subtraksjonskretsen kan se ut som vist i

:fig. 4.

Ser vi på omsettingen for en kanal er virkemåten som følger. Samplingspunktene angis ved (k-1), (k), (k+1) som h.h.v.

forrige, nåværende, neste sample. Resolverens vinkel er (9og o mikroprosessorens estimerte vinkel er (^.. Etter en periode

(Ims) der estimert vinkel 0 (k-1) måles sin [&- 0(k-l)J som

vi betegner sin (£-0) (k) .

Mikroprosessoren 8 beregner 0(k) = f (ø(k-l)J, sin[j9-0) (k)

og den nevnte funksjon kan i sin enkleste form være summa-

sjon, da sinus for små vinkler er tilnærmet lik vinkelen selv. 0(k) vil representere resolvervinkelen ( i digital form) når systemet har svingt seg inn.

Det skjer således fra mikroprosessorens side en stadig

beregning av antatt riktig posisjon basert på de regelmessige data som innmates. Til mikroprosessoren 8 er det anordnet en utgangsenhet 10 hvorfra de korrekte posisjonsdata videre kan anvendes.

Absolutt målenøyaktighet er begrenset av subtraksjonskretsen, mens måleoppløsningen ikke er begrenset av denne, da feilsignalet sin(Ø-Ø) er et analogt signal. F.eks. kan subtraksjonskretsen ha 14 bits. Digitalinngang og A/D-omsetteren for feilsignalet kan gi 12 bits. Avhengig av forsterkningen i demodulatoren kan disse 12 bits representere vinkeldiffe-ransen med stor eller liten oppløsning. Det som begrenser dette er maksimumhastighet på resolveren i forholdet til samplingsfrekvensen. Høy oppløsning er meget viktig for sta-bilisering av servosysternene. 1 foreliggende system er opp-løsningen eksempelvis en fjerdedel av oppløsningen i data-

ordet som subtraksjonskretsen mates med (her:0).

Systemet kan kompensere for hastighetsfeil i resolveren og eliminere følgefeil ved relativt store hastigheter på resolveren. Dette ligger i bl.a. utformingen av nevnte funksjon 0(k).

Dynamisk nøyaktighet er begrenset av antall resolvere som er tilkoblet, men tidsforsinkelser i målingen av hver enkelt resolver p.g.a. multipleksingen får ikke innflytelse på målingen. Dette skyldes at sin ( Q- 0) (k) er målt i siste periode (av bærefrekvensen) før beregninger av 0(k) foretas, selv om Ø(k-l) er f.eks. "10 perioder gammel".

Støyimmuniteten fra tracking-konverteren er stort sett be-holdt, da målingen foregår, som gjennomsnitt over hele peri-oden av signalene.

Systemet er billig bl.a. fordi det kreves én subtraksjons-krets (pris tilnærmet lik den for en tracking-konverter) for inntil 8 kanaler, A/D-pmsetterens kapasitet benyttes bare ca. 2,5 % slik at andre analoge målinger kan utføres (f.eks. aksellerasjon, kraft, hastighet, trykk, temperatur, posi-sjonsgivere (DC) o.l.), mikroprosessoren, kan være den samme som styrer f.eks. servosystemet. For øvrig kan det brukes billige standard-komponenter.

Claims

1. Anordning for måling av posisjonen av servostyrte, mekan-iske innretninger, f. eks. av manipulatorer eller industrielle roboter, omfattende: a) et flertall vinkelstillingstransdusere i form av synkroer eller resolvere i tilknytning til nevnte innretninger, idet hver transduser tilveiebringer to vekselstrømsut-gangssignaler som er modulert med faktorer som representerer henholdsvis sinus og cosinus av denne transdusers øyeblikkelige vinkelstilling & , b) en subtraksjonsenhet som genererer for hver transduser et differansesignal som representerer differansen mellom <£>og 0 , hvor 0 betegner den ønskede vinkelstilling for respektive transduser, idet nevnte subtraksjonsenhet har i) en kvadrantvelger (11) for mottagelse av nevnte vekselstrøms utgangssignaler,» ii) to multipliseringsenheter (12, 13) som multipliserer de to utgangssignalene fra kvadrantvelgeren med signaler som svarer til henholdsvis sin 0 og cos 0 , Lii) en differensialforsterker (14) hvis inn ganger er forbundet med multipliserings-enhetenes utganger, c) en demodulator (6) for demodulering av nevnte differansesignal , d) en signalevalueringskrets (7, 8, 10) som mottar det de-modulerte differansesignalet og mater det nevnte signalet som representerer ^til subtraksjonsenheten (5), e) multipleksingsmidler (1, 2) som forbinder transduserne en av gangen med subtraksjonsenheten, karakterisert ved at f) multipleksingsmidlene omfatter en første og en andre multiplekser., (1, 2) som mottar henholdsvis de sinus og cosinus modulerte vekselstrøms utgangssignaler, og g) signalevalueringskretsen omfatter en A/D-omsetter (7) forbundet med demodulatorens (6) utgang, og en mikroprosessor (8) forbundet med A/D-omsetterens (7) utgang, idet nevnte mikroprosessor beregner den ønskede vinkelstilling 0, idet den tilsvarende digitale verdi mates over en databuss (9) til nevnte multipliseringsenheter (12, 13).

2. Anordning for måling av stillingen av servostyrte, mekan-iske innretninger, f. eks av manipulatorer eller industrielle roboter, omfattende: a) et flertall vinkelstillingstransdusere i form av synkroer eller resolvere i tilknytning til nevnte innretninger, idet hver transduser tilveiebringer to vekselstrøms utgangssignaler modulert med faktorer som representerer henholdsvis sinus og cosinus av denne transdusers øyeblikkelige vinkelstilling 0 , b) en subtraksjonsenhet (5) som genererer for hver transduser et differansesignal som representerer differansen mellom & og ( f) , hvor 0 betegner den ønskede vinkelstil-lingen for den respektive transduser, c) en demodulator (6) for demodulering av nevnte differansesignal , d) en signalevalueringskrets (7, 8, 10) som mottar det de-modulerte differansesignalet og mater det nevnte signalet som representerer ^ til subtraksjonsenheten (6), e) multipliseringsmidler (1, 2) som forbinder transduserene en av gangen med subtraksjonsenheten, karakterisert ved at f) multipliseringsmidlene omfatter en første og en andre multiplekser (1, 2) som mottar henholdsvis de sinus og cosinus modulerte vekselstrøms utgangssignaler, g) signalevalueringskretsen omfatter en A/D-omsetter (7) forbundet med demodulatorens (6) utgang, og en mikroprosessor (8) forbundet med A/D-omsetterens (7) utgang, idet nevnte mikroprosessor beregner den ønskede vinkelstilling h) subtraksjonsenheten (5) omfatter: i) to holdekretser (latch) (20, 21) forbundet med mikroprosessoren (8) ved hjelp av en databuss (9) som mater digitale verdier som representerer sinus og cosinus av den beregnede ønskede vinkelstilling 0, ii) to lineære D/A-omsettere (18, 19) som multipliserer nevnte sinus og cosinus modulerte vekselstrøms utgangssignaler med henholdsvis nevnte digital cosinus-og sinusverdier etter D/A-omsetting av sistnevnte, og iii) en differensialforsterker (14), hvis innganger er forbundet med utgangene av nevnte multipliserende D/A-omsettere (18, 19).