WO2016004927A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer motorposition - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer motorposition Download PDF

Info

Publication number
WO2016004927A1
WO2016004927A1 PCT/DE2015/100294 DE2015100294W WO2016004927A1 WO 2016004927 A1 WO2016004927 A1 WO 2016004927A1 DE 2015100294 W DE2015100294 W DE 2015100294W WO 2016004927 A1 WO2016004927 A1 WO 2016004927A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
uns3
uns2
signals
amplitude
signal
Prior art date
Application number
PCT/DE2015/100294
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Bischoff
Original Assignee
Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie 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 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh filed Critical Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
Publication of WO2016004927A1 publication Critical patent/WO2016004927A1/de

Links

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
    • G01D5/24471—Error correction
    • 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
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G01D18/001—Calibrating 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
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/2448—Correction of gain, threshold, offset or phase control
    • 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
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/2449—Error correction using hard-stored calibration data

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device, the preamble of claim 1 and 3 corresponding type for determining a motor position.
  • the method is based on the use of three signals of an optical coder associated with the motor position, the signals being analog, sinusoidal and shifted by 120 ° from each other.
  • One type of optical encoder has incremental, to-be-counted or absolute graduations as bar patterns that are mechanically coupled to rotation or translation.
  • the bar patterns in combination with a light source and an evaluation unit yield the position information in the form of a digital numerical value. Resulting sinusoidal signals, generated by modulation of the light beam of the light source to the
  • Line patterns are related in number and phase shift to the number and relative position of the bar patterns. Common are 2- or 3-phase encoders. The resolution is directly linked to the ratio of the distances in the bar pattern to the distance traveled or to the angle.
  • Optical encoders also use interferential measurement principles. It is to distinguish between an interferential measuring principle, which operates according to a Michelson interferometer and uses the wavelength in the interferometer as a scale, and an interferential measuring principle, which works with optical diffraction gratings and in which the diffraction grating serves as a material measure.
  • an interferential measuring principle which operates according to a Michelson interferometer and uses the wavelength in the interferometer as a scale
  • an interferential measuring principle which works with optical diffraction gratings and in which the diffraction grating serves as a material measure.
  • the reference beams are modulated in such a way that the test beam radiates
  • the reference beams can phase shifts of z. B. 90 ° or 120 ° to each other (phase shift interferometry, English: Phase Shifting Interferometry).
  • DSP Signal processor
  • Zero crossings of the mid-amplitude signals are relatively linear. They are determined by comparing the signals with each other and against zero. One period of the sinusoidal signals is here divided into 12 sections, each of which adjoins the zero crossings of the signals. The calculated signals are sent for further processing or output. The device and the method require a parallel procession of the signals. There will be corrections regarding a
  • the object of the present invention is to provide a method with which corrections of signals of optical coders with 120 ° phase offset with respect to amplitude error and phase error are precisely corrected, which includes a simple evaluation algorithm and is to be carried out with simple means and a corresponding device for carrying out the method.
  • the three signals numbered 1, 2, 3 with 120 ° phase offset, U and Lfe are corrected for a current amplitude error (ADFFI, 2, 3) after digitization.
  • Subscripts 1, 2 and 3 refer to the numbered signals. All characters with multiple subscripts are representative of the signals corresponding to the subscripts. In all formulas in which characters with subscripts are listed, these must be executed separately for the respective numbered signals.
  • the amplitude error is equal to the arithmetic mean of a sum maximum and minimum signal amplitudes (ÜMAXI, 2,3, UMIN-I, 2,3) of the
  • Amplitude error of the incoming signal is generated on the amplitude error corrected signal (L / AKORRI, 2,3).
  • the amplitude error corrected signal L / AKORRI, 2,3 is then scaled to the sum of the magnitudes of ÜMAXI, 2,3 and ÜMINI, 2,3 and scaled with a scaling value ⁇ SKAL), whereby a normalized and scaled signal L / NSI, 2,3 is formed.
  • the scaling value ⁇ SKAL corresponds to a multiple of one twelfth of the wavelength of the light beam of the optical encoder with interferential measuring principle or one sixth of the
  • Increments of the bar pattern or diffraction grating Increments of the bar pattern or diffraction grating.
  • a period of three sinusoidal signals phase-shifted by 120 ° has six sections in each of which one of the signals has an average amplitude. The sections start at the intersection of two signals. The signals of average amplitude go through in these sections the Zero crossing.
  • a special feature of these curve sections, which lie between two intersections of two signals and have a zero crossing (these are the signals of average amplitude) is their approximate linearity. This linearity corresponds to the range of small angles known from trigonometry, for which the sine of an angle is equal to the angle. The linearity can be used directly to determine the motor position since the change in motor position in this range is approximately directly proportional to the linear change in the signal.
  • Proportionality results in the interferential measurement principle that a change of the motor position by the amount of the half wavelength of the light source is the passage of a period of the wavelength of the light source in the interferometer (e.g., laser or diode or other monochromatic
  • the incoming signal is scaled to a multiple of one twelfth of the wavelength of the light beam in the optical encoder (see above).
  • the multiple serves as reinforcement.
  • the linear curve pieces corresponds to the
  • the normalized and scaled signals can be used by addition directly to determine the position taking into account already traveled distances (offsets).
  • the intersection At the intersection of two signals begins a new section, the intersection itself belongs to the previous section.
  • the current phase (the current signal) is determined with medium amplitude and further used in the following for evaluation.
  • the six parts of a period are called 7 ⁇ to ⁇ 6.
  • the cuts are defined as follows :.
  • the zero point of the engine position calculation is set to the beginning of T1.
  • the check for the actual cuts can be made e.g. with an if - then (if, then) query.
  • the normalized and scaled signals with currently average amplitude are additionally corrected for a phase error.
  • Phase error the last intersection of two signals are used. For a phase error of zero, both amplitude normalized, normalized, and scaled signals would equal one-half the magnitude of the maximum amplitude. The deviation from the half
  • Amplitude value is used as a phase error to correct the phase angle.
  • a distinction is made between sections starting at an intersection of two signals of negative amplitude (72, 75) and those starting at an intersection of positive signals (73, TB). In the sections 7 ⁇ and TA, to which the signal UNSI belongs, no phase correction is made because the signal UNSI serves as the reference phase.
  • Phase correction values PKORR (72, 75) and PKORR (73, TB) result in:
  • the motor position (POS) is calculated from the current average amplitude signal corrected for amplitude error, normalized and scaled. For the individual sections, the calculation of the
  • the check for the currently applicable POS calculation may e.g. with an if - then (if, then) query.
  • the route already traveled is added to the current signal.
  • the values for N are determined with a counter.
  • the counter counts up the periods ⁇ / at a transition from the section T6 to the section T1 upwards and at a transition T1 -> T6 downwards.
  • the determined engine positions are output for display, for feedback to the engine control and other control units.
  • a mapping of amplitude values onto a table can be carried out, as corresponds to one embodiment.
  • the device uses a configurable logic gate arrangement for carrying out the method.
  • the previously digitized signals are further processed according to the preceding method with the following steps: 1. Normalization and scaling, 2.
  • Figure 1 Distribution of the three sinusoidal signals with a
  • FIG. 2 flow chart of the signal processing.
  • FIG. 1 shows the division of a period of the three sinusoidal analog signals (represented by the three curves of different line types) which are shifted by 120 ° from one another.
  • the division into six sections, T1 to T6, is by vertical, dash-dotted lines
  • a measuring point is marked by a vertical solid line to which the method is applied in the embodiment.
  • the change in the motor position in one period of the sinusoidal signals corresponds to half the wavelength of the light source (eg laser) in the interferometer.
  • the laser wavelength corresponds in the embodiment 632.4 nm.
  • the approximate linearity of the mid-amplitude signals can be seen in the six sections.
  • the steps of the method according to the invention on a commercially available, so-called FPGA chip are programmed with a graphical programming system.
  • the signals are available as a voltage curve from the interferometer
  • the digitized signals are corrected, normalized and scaled to an amplitude error.
  • PKORR (73, ⁇ 6) HUNSZ + UNS3I 2) 1/4 -527+ PKORR (72, 75) (5b).
  • FIG. 2 shows a flowchart of the signal processing with the values formed in the individual steps of the signal processing and their connection in the circuit arrangement.
  • the incoming signals 1/1, 2,3 run first through analog-to-digital converter (1). Then the values for ÜMAXI, 2,3 and ÜMINI, 2,3 are determined and stored. With these values, the current digital signals are corrected for the amplitude error according to formulas 1 and 2 and are now available as amplitude-corrected signals L / AKORRI, 2,3 (2). These signals are then normalized and scaled (Formula 3) to provide the signals L / NSI, 2,3 (4). For scaling, the value SCAL is used as a constant
  • the signals L / NSI, 2, 3 are input to a query (5) for determining the current portion 71 to 76 of a period corresponding to the formulas 4 (a) to 4 (f).
  • the information of the currently available section of a period is also kept available for subsequent steps of the signal processing.
  • a correction of the phase angle according to the formulas 5 (a) and 5 (b) and the corresponding section is made (6).
  • the phase correction values PKORR (72, 75) and PKORR (73, 76) are provided for further processing.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Motorposition unter Nutzung von drei, mit der Motorposition über einen optischen Kodierer verknüpften, sinusförmigen, analogen Signalen mit Phasendifferenzen von 120° und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei weist die Signalverarbeitung mindestens folgende Schritte in gegebener Reihung auf: Digitalisierung der analogen Signale, Ermittlung eines aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude und Berechnung und Ausgabe der Motorposition mittels des aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude. Erfindungsgemäß werden für alle Signale separat Korrekturen der Amplitude und der Phasenlage durchgeführt.

Description

Bezeichnung
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Motorposition Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 3 entsprechenden Art zur Bestimmung einer Motorposition. Das Verfahren basiert auf der Nutzung dreier Signale eines mit der Motorposition verknüpften optischen Kodierers, wobei die Signale analog, sinusförmig und um 120° gegeneinander verschoben sind.
Stand der Technik
Eine Art optischer Kodierer besitzt inkrementale, zu zählende oder aber absolute Maßverkörperungen als Strichmuster, die mechanisch an eine Rotation oder Translation gekoppelt sind. Die Strichmuster in Kombination mit einer Lichtquelle und einer Auswerteeinheit ergeben die Lageinformationen in Form eines digitalen Zahlenwertes. Entstehende sinusförmige Signale, erzeugt durch Modulation des Lichtstrahls der Lichtquelle an den
Strichmustern, sind in ihrer Anzahl und Phasenverschiebung an die Anzahl und die relative Lage der Strichmuster zueinander gebunden. Üblich sind 2- oder 3-phasige Kodierer. Die Auflösung ist direkt an das Verhältnis der Abstände im Strichmuster zur zurückgelegten Strecke oder zum Winkel gekoppelt.
Es werden in optischen Kodierern auch interferentielle Messprinzipien genutzt. Es ist dabei zu unterscheiden zwischen einem interferentiellen Messprinzip, das entsprechend einem Michelson-Interferometer arbeitet und die Wellenlänge im Interferometer als Maßstab verwendet, und einem interferentiellen Messprinzip, das mit optischen Beugungsgittern arbeitet und bei dem das Beugungsgitter als Maßverkörperung dient. In einer speziellen Ausführung des interferentiellen Messprinzips nach Michelson werden die Referenzstrahlen so moduliert, dass der Teststrahl mit Strahlen
unterschiedlicher, vorbestimmter Phase zur Interferenz gebracht wird. So gelangen zwei, drei oder mehr Interferenzinformationen zur Auswertung. Die Referenzstrahlen können dabei Phasenverschiebungen von z. B. 90° oder 120° zueinander aufweisen (Phasenverschiebungsinterferometrie, engl.: Phase Shifting Interferometry).
In der DE 10 2007 042 073 A1 , die den nächsten Stand der Technik bildet, werden die Werte von Kurvenstücken der dreiphasigen Signale eines optischen Kodierers mit Maßverkörperungen als Strichmuster mit einer inversen trigonometrischen Funktion ausgewertet, um eine Winkelinformation zu erhalten. Die Signale werden dazu eingangs mit einem Analog/Digital- Wandler digitalisiert. Ein Phasendigitalisierer wandelt die dreiphasigen, analogen Signale in digitale Phasensignale. Ein Digitalzähler erzeugt auf Grundlage der digitalen Phasensignale einen Zählwert. Ein digitaler
Signalprozessor (DSP) führt für annähernd lineare Kurvenstücke der dreiphasigen, digitalen Signale eine inverse trigonometrische Funktion unter Nutzung der Information des Digitalzählers aus, um die Winkelinformation zu erhalten. Zur Auswertung gelangen Kurvenstücke, die jeweils an die
Nulldurchgänge der Signale mit mittlerer Amplitude grenzen und relativ linear sind. Sie werden durch Vergleich der Signale untereinander und gegen Null ermittelt. Eine Periode der sinusförmigen Signale ist hier in 12 Teilstücke aufgeteilt, die jeweils an die Nulldurchgänge der Signale angrenzen. Die berechneten Signale werden einer Weiterverarbeitung oder Ausgabe zugeführt. Die Vorrichtung und das Verfahren benötigen dabei eine parallele Prozession der Signale. Es werden Korrekturen bezüglich eines
Amplitudenfehlers und eines Phasenversatzes (Phasenkorrektur) der Eingangswerte für alle drei Signale gemeinsam ermittelt. Die Funktion zur Berechnung der Position ist dabei aufwendig.
In der EP 0 006 492 A1 wird ein Verfahren zur digitalen Interpolation einer Periode eines dreiphasigen sinusförmigen Analogsignals eines optischen Kodierers mit Maßverkörperungen als Strichmuster, dessen Amplituden die Messgrößen (Motorpositionen) darstellen, offenbart. Die oben beschriebenen annähernd linearen Kurvenstücke werden auch hier durch Vergleich der Signale zu je zwei untereinander und zu Null ermittelt und einem von 12 Teilstücken einer Periode, wobei die Teilstücke jeweils an die Nulldurchgänge der Signale grenzen, zugeteilt. Die Digitalisierung der 12 Bereiche und die Berechnung des Messwerts erfolgt mittels Hilfsvariablen (H,K) und einer Tabelle. Es erfolgen keine Korrekturen der Eingangswerte bezüglich eines Phasenversatzes oder eines Amplitudenfehlers für die einzelnen Signale. Die Berechnungen erfolgen unter der Annahme, dass alle drei Signale, wenn eine Abweichung vom idealen Signal vorliegt, gleichermaßen beeinflusst sind.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, mit dem Korrekturen von Signalen optischer Kodierer mit 120° Phasenversatz bezüglich Amplitudenfehler und Phasenfehler präzise korrigiert werden, das einen einfachen Auswertungsalgorithmus beinhaltet und mit einfachen Mitteln auszuführen ist und eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs eins und drei gelöst.
In der erfindungsgemäßen Lösung für ein Verfahren zur Bestimmung einer Motorposition werden die drei mit 1 ,2,3 durchnummerierten Signale mit 120° Phasenversatz, U und Lfe, nach einer Digitalisierung auf einen aktuellen Amplitudenfehler (ADFFI ,2,3) korrigiert. Die Subskripte 1 , 2 und 3 beziehen sich auf die nummerierten Signale. Alle Zeichen mit mehrfachen Subskripten sind stellvertretend für die den Subskripten entsprechenden Signale. In allen Formeln, in denen Zeichen mit Subskripten aufgeführt sind, sind diese jeweils für die entsprechenden nummerierten Signale separat auszuführen. Der Amplitudenfehler ist gleich dem arithmetischen Mittelwert einer Summe maximaler und minimaler Signalamplituden (ÜMAXI ,2,3, UMIN-I ,2,3) der
eingehenden Signale (L/1 ,2,3) einer Periode. Die Werte ÜMAXI ,2,3 und ÜMINI ,2,3 werden für ihren Gebrauch zwischengespeichert und ständig aktualisiert. Die Aktualisierung erfolgt dabei immer bei dem Erreichen eines maximalen oder minimalen Wertes der eingehenden Signale.
Zu Beginn der Messung werden die Maximal- und Minimalwerte der
Eingangsspannungen ermittelt. Der Startwert für die Korrektur des
Maximalwerts ist dabei kleiner als der kleinstmöglich zu erwartende
Amplitudenfehler (dieser kann auch negativ sein, Null eingeschlossen). Für den Minimalwert gilt das Gleiche entsprechend. Durch Subtraktion des
Amplitudenfehlers vom eingehenden Signal wird ein auf den Amplitudenfehler korrigiertes Signal (L/AKORRI ,2,3) erzeugt.
Aom, 2,3 = {UMAXA , 2,3 + UMIM, 2 )/2 (1 )
UAKORRI ,2,3 = L/1 ,2,3 - Aom, 2,3 (2)
Das auf den Amplitudenfehler korrigierte Signal L/AKORRI ,2,3 wird hiernach normiert auf die Summe der Beträge von ÜMAXI ,2,3 und ÜMINI ,2,3 und mit einem Skalierungswert {SKAL) skaliert, wodurch ein normiertes und skaliertes Signal L/NSI ,2,3 gebildet wird. Der Skalierungswert {SKAL) entspricht dabei einem Vielfachen eines Zwölftels der Wellenlänge des Lichtstrahls des optischen Kodierers mit interferentiellem Messprinzip oder einem Sechstel des
Inkrements des Strichmusters oder Beugungsgitters.
L/NS1 ,2,3 =
Figure imgf000006_0001
■ SKAL (3)
Aus den drei Signalen wird jeweils nur das Signal zur Bestimmung der Motorposition herangezogen, das eine mittlere Amplitude aufweist. Eine Periode von drei sinusförmigen Signalen, die um 120° phasenversetzt sind, weist sechs Teilstücke auf, in denen jeweils eins der Signale eine mittlere Amplitude aufweist. Die Teilstücke beginnen jeweils am Schnittpunkt zweier Signale. Die Signale mittlerer Amplitude durchlaufen in diesen Teilstücken den Nulldurchgang. Eine besondere Eigenschaft dieser Kurvenabschnitte, die zwischen zwei Schnittpunkten zweier Signale liegen und einen Nulldurchgang aufweisen (das sind die Signale mittlerer Amplitude) ist ihre annähernde Linearität. Diese Linearität entspricht dem aus der Trigonometrie bekannten Bereich kleiner Winkel, für den der Sinus eines Winkels gleich dem Winkel ist. Die Linearität kann direkt zur Bestimmung der Motorposition genutzt werden, da die Änderung der Motorposition in diesem Bereich annähernd direkt proportional mit der linearen Änderung des Signals verknüpft ist. Die
Proportionalität ergibt sich im interferentiellen Messprinzip daraus, dass eine Änderung der Motorposition um den Betrag der halben Wellenlänge der Lichtquelle dem Durchlauf einer Periode der Wellenlänge der Lichtquelle im Interferometer (z.B. Laser oder Diode oder andere monochromatische
Lichtquelle) entspricht. Um bei optischen Kodierern mit interferentiellem Messprinzip und der Wellenlänge als Maßstab die lineare Änderung der Signalamplitude direkt an die Änderung der Motorposition zu knüpfen, wird das eingehende Signal auf ein Vielfaches eines Zwölftels der Wellenlänge des Lichtstrahls im optischen Kodierer skaliert (siehe oben). Das Vielfache dient zur Verstärkung. In den linearen Kurvenstücken entspricht die
Signalamplitude nach der Skalierung dann dem erfolgten Durchgang der Motorposition (in dem betreffenden Teilstück). Die normierten und skalierten Signale können unter Berücksichtigung schon zurückgelegter Strecken (Offsets) durch Addition direkt zur Bestimmung der Position genutzt werden.
Am Schnittpunkt zweier Signale beginnt ein neues Teilstück, wobei der Schnittpunkt selber zum vorhergehenden Teilstück gehört. Durch Vergleich der Signale untereinander wird die aktuelle Phase (das aktuelle Signal) mit mittlerer Amplitude bestimmt und im Folgenden weiter zur Auswertung herangezogen. Die sechs Teilstücke einer Periode werden als 7Ί bis Γ6 bezeichnet. Die Teilstücke sind dabei wie folgt definiert:.
7Ί = L/NS1 <ÜNS3 & L/NS1 >L/NS2 & L/NS2<L/NS3 (4a) 72 = L/NS1 <L/NS3 & L/NS1 <UNS2 & L/NS2<L/NS3 (4b) 73 L/NS1 <L/NS3 & L/NS1 <L/NS2 & L/NS2>L/NS3 (4c)
74 L/NS1 >L/NS3 & L/NS1 <L/NS2 & L/NS2>L/NS3 (4d)
L/NS1 >L/NS3 & L/NS1 >L/NS2 & L/NS2>L/NS3 (4e)
7B L/NS1 >L/NS3 & L/NS1 >L/NS2 & L/NS2 <L/NS3 (4f)
Der Nullpunkt der Berechnung der Motorposition wird auf den Beginn von T1 festgesetzt. Die Überprüfung auf die aktuellen Teilstücke kann z.B. mit einer Wenn - Dann (if, then) Abfrage erfolgen.
Die normierten und skalierten Signale mit aktuell mittlerer Amplitude werden zusätzlich auf einen Phasenfehler korrigiert. Für die Bestimmung des
Phasenfehlers werden die jeweils letzten Schnittpunkte zweier Signale herangezogen. Bei einem Phasenfehler von Null wären beide auf einen Amplitudenfehler korrigierte, normierte und skalierte Signale gleich der Hälfte des Betrags der maximalen Amplitude. Die Abweichung vom halben
Amplitudenwert wird als Phasenfehler zur Korrektur der Phasenlage genutzt. Dabei wird unterschieden zwischen Teilstücken, die bei einem Schnittpunkt zweier Signale mit negativer Amplitude beginnen ( 72, 75) und solchen, die bei einem Schnittpunkt positiver Signale beginnen ( 73, TB). In den Teilstücken 7Ί und TA, zu denen das Signal UNSI gehört, wird keine Phasenkorrektur vorgenommen, da das Signal UNSI als Referenzphase dient. Die
Phasenkorrekturwerte PKORR( 72, 75) und PKORR( 73, TB) ergeben sich zu:
PKORR( 72, 75) = {IUNSI+UNS>I 2) VA -SKAL und (5a) PKORR( 73, TB) = UNSZ+UNS I ) VA -SKAL+PKORR{ T2, 75) (5b).
Die Berechnung der Motorposition (POS) erfolgt anhand des aktuellen Signals mittlerer Amplitude, das korrigiert ist auf einen Amplitudenfehler, normiert und skaliert ist. Für die einzelnen Teilstücke erfolgt die Berechnung der
Motorposition inklusive der Korrektur des Phasenfehlers wie folgt:
7Ί ; POS = - L/NSI , (6a) 72: POS = UNS2+V2 -SKAL+PKORR{ T2, 75), (6b)
73: POS = (- ÜNS3)+SÄCAL+FkoRR( 73, Γ6), (6c)
Figure imgf000009_0001
75: POS = {- UNS2)+2 -SKAL+PKORR{ T2, 75) und (6e)
7B: POS = UNS3+5& -SKAL+PKORR{ T3, 7B). (6f)
Durch die Multiplikation mit -1 der Teilstücke mit negativer Steigung werden ausschließlich positive Änderungen erzeugt, die sich direkt zu einer linearen Zunahme addieren lassen. Die Überprüfung auf die aktuell anzuwendende POS-Berechnung kann z.B. mit einer Wenn - Dann (if, then) Abfrage erfolgen.
Pro durchlaufenem Teilstück wird auf das aktuelle Signal die bereits zurückgelegte Strecke addiert. Der zu addierende Term für jede weitere Periode, der Offset (OFF), wird gebildet aus der Anzahl bereits durchlaufener Perioden N und dem Skalierungswert SKAL mit OFF=N-3-SKAL.
Die Werte für N werden mit einem Zähler ermittelt. Der Zähler zählt die Perioden Λ/ bei einem Übergang vom Teilstück T6 auf das Teilstück T1 aufwärts und bei einem Übergang T1 -> T6 abwärts.
Die ermittelten Motorpositionen werden zur Anzeige, zur Rückkopplung an die Motorsteuerung und andere Steuereinheiten ausgegeben.
Um auch noch die Abweichungen von der Linearität der nur annähernd linearen Kurvenstücke der sinusförmigen Signale zu korrigieren, kann eine Abbildung von Amplitudenwerten auf eine Tabelle erfolgen, wie es einer Ausführungsform entspricht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt zur Durchführung des Verfahrens eine konfigurierbare Logik-Gatter-Anordnung. In dieser werden die zuvor digitalisierten Signale entsprechend dem vorhergehenden Verfahren mit folgenden Schritten weiterverarbeitet: 1 . Normierung und Skalierung, 2.
Korrektur eines Amplitudenfehlers, 3. Ermittlung eines Kurvenstücks mittlerer Amplitude, 4. Phasenkorrektur und Berechnung der Motorposition, 5. Ausgabe zur Weiterverarbeitung der Motorposition. Die Konfigurierung der Logik- Gatter-Anordnung entspricht hierbei Logikblöcken einer
Schaltungsanordnung.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen in der hohen Präzision, die durch die Korrektur (Amplitude und Phase) aller Signale erzielt wird, des einfachen Algorithmus und dessen einfacher Umsetzung (Konfiguration einer Logik-Gatter-Anordnung).
Zusätzlich garantiert die Nutzung einer entsprechenden Logik-Gatter- Anordnung eine hohe Geschwindigkeit in der Signalverarbeitung.
Ausführunqsbeispiele
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von zwei Figuren näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 : Aufteilung der drei sinusförmigen Signale mit einem
Phasenunterschied von 120° in sechs Teilstücke;
Figur 2: Flussdiagramm der Signalverarbeitung.
In der Figur 1 ist die Aufteilung einer Periode der drei sinusförmigen, analogen Signale (repräsentiert durch die drei Kurven unterschiedlicher Linienart), die um 120° gegeneinander verschoben sind, gezeigt. Die Aufteilung in sechs Teilstücke, T1 bis T6, ist durch vertikale, strichpunktierte Linien
veranschaulicht. Ein Messpunkt ist durch eine vertikale durchgezogene Linie markiert, für den das Verfahren im Ausführungsbeispiel angewandt wird. Im Beispiel eines optischen Kodierers mit interferentiellem Messprinzip nach Michelson entspricht die Änderung der Motorposition in einer Periode der sinusförmigen Signale der halben Wellenlänge der Lichtquelle (z.B. Laser) im Interferometer. Die Laserwellenlänge entspricht im Ausführungsbeispiel 632,4 nm. In den sechs Teilstücken ist die annähernde Linearität der Signale mit mittlerer Amplitude zu erkennen.
Im Ausführungsbeispiel sind die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem handelsüblichen, sogenannten FPGA-Chip (nach engl.: Field Programmable Gate Array, Feld programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung) mit einem grafischen Programmiersystem programmiert.
Die Signale liegen als Spannungsverlauf aus dem Interferometer vor
(Wandlung der Lichtsignale durch Photodioden) und werden zunächst in standardgemäßen Analog-Digital-Wandlern digitalisiert. Die digitalisierten Signale werden im FG PA-Chip weiterverarbeitet.
Dort werden die digitalisierten Signale auf einen Amplitudenfehler korrigiert, normiert und skaliert. Der Skalierungswert wird im Speicher vorgehalten und entspricht dem Zehnfachen eines Zwölftel der Wellenlänge der Lichtquelle im Interferometer SKAL = (1/2 ■ 632,4 nm)/6 - 10 = 1/12 - 632,4■ 10 = 527 nm.
Für das Ausführungsbeispiel (siehe Figur 1 , durchgezogene Linie) gilt:
L/NS1 <UNS3 & L/NS1 <UNS2 & L/NS2>L/NS3; (4C) daraus folgt, dass die Signale im Teilstück 73 liegen. Da es sich um 73 handelt, wird die Position POS berechnet nach:
POS = {- UNS3)+527+PKORR{ T3, Γ6), (6c) mit
PKORR( 73, Γ6) = HUNSZ+UNS3I 2) 1/4 -527+ PKORR( 72, 75) (5b).
Entsprechend der durchlaufenen Perioden wird ein Wert OFF addiert mit OFF = N-3-SKAL, also nach z.B. drei Perioden (N = 3) im Ausführungsbeispiel OFF = 3-3-527 = 4743 nm.
Die ermittelten Motorpositionen werden zur Anzeige, zur Rückkopplung an die Motorsteuerung und an andere Steuereinheiten ausgegeben. In der Figur 2 ist ein Flussdiagramm der Signalverarbeitung mit den in den einzelnen Schritten der Signalverarbeitung gebildeten Werten und deren Verknüpfung in der Schaltungsanordnung gezeigt.
Die eingehenden Signale 1/1 ,2,3 laufen zunächst durch Analog-Digital-Wandler (1 ). Danach werden die Werte für ÜMAXI ,2,3 und ÜMINI ,2,3 ermittelt und gespeichert. Mit diesen Werten werden die aktuellen digitalen Signale auf den Amplitudenfehler entsprechend den Formeln 1 und 2 korrigiert und liegen nun als amplitudenkorrigierte Signale L/AKORRI ,2,3 vor (2). Anschließend werden diese Signale normiert und skaliert (Formel 3) und so die Signale L/NSI ,2,3 bereitgestellt (4). Zur Skalierung wird der Wert SKAL als Konstante
vorgehalten und auch für die Verwendung in späteren Schritten zur Verfügung gestellt (3). Die Signale L/NSI ,2,3 gehen in eine Abfrage (5) zur Ermittlung des aktuellen Teilstücks 71 bis 76 einer Periode, wie es den Formeln 4(a) bis 4(f) entspricht, ein. Die Information des aktuell vorliegenden Teilstücks einer Periode wird auch für später folgende Schritte der Signalverarbeitung vorgehalten. Für die Teilstücke 72, 73, 75 und 76 wird eine Korrektur der Phasenlage nach den Formeln 5(a) und 5(b) und dem entsprechenden Teilstück vorgenommen (6). Die Phasenkorrekturwerte PKORR( 72, 75) und PKORR( 73, 76) werden für die Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. Diese gehen zusammen mit den Signalen L/NSI ,2,3 in die Berechnung der Position POS nach den Formeln 6(a) bis 6(f) (7) ein. Der aktuelle Wert für POS wird anschließend noch auf die bereits zurückgelegte Strecke OFF korrigiert (8) und dann ausgegeben (9).

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung einer Motorposition unter Nutzung von drei, mit der Motorposition über einen optischen Kodierer verknüpften, sinusförmigen, analogen Signalen mit Phasendifferenzen von 120°, mindestens aufweisend die Schritte der Signalverarbeitung in folgender Reihung: Digitalisierung der analogen Signale, Ermittlung eines aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude, Berechnung und Ausgabe der
Motorposition mittels des aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude, wobei die Ermittlung eines aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude folgende Schritte in angegebener Reihung aufweist:
Berechnung eines aktuellen Amplitudenfehlers ADFF für jedes eingegangene Signal, der gleich dem arithmetischen Mittelwert einer Summe vorhergehender maximaler und minimaler Signalamplituden UMAX und UM IN ist und Korrektur jedes Signals auf AOFF durch Subtraktion von einer aktuellen Signalamplitude, Normierung jedes Signals auf die Summe der zugehörigen Beträge UMAX und UMIN und Skalierung mit einem Skalierungswert SKAL, wodurch Werte UNSI , UNS2 und UNS3 erhalten werden, Ermittlung des aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude als eines von sechs Teilstücken 71 bis 76 einer Periode definiert durch:
71 = UNS1 <UNS3 & UNS1 >UNS2 & UNS2<UNS3
72 = UNS1 <UNS3 & UNS1 <ÜNS2 & UNS2<UNS3
73 = UNSI <UNS3 & UNSI <UNS2 & UNS2>UNS3
74 = UNSI >UNS3 & UNSKUNS2 & UNS2>UNS3
75 = UNS1 >UNS3 & UNS1 >UNS2 & UNS2>UNS3
76 = UNS1 >UNS3 & UNS1 >UNS2 & UNS2 <UNS3
und wobei die Berechnung der Position POS des Motors mittels des ermittelten aktuellen Signals mit mittlerer Amplitude folgende Schritte in angegebener Reihung aufweist: Berechnung eines aktuellen Phasenkorrekturwerts PKORR( 72, 75) für die Teilstücke 72 und 75 und eines weiteren
Phasenkorrekturwerts PKORR( 73, TB) für die Teilstücke 73 und TB anhand der Amplituden am Schnittpunkt zweier Signale zu Beginn eines betreffenden Teilstücks, mit
PKORR(72, T5) = (/L/NSI+ L/NS2//2) VA-SKAL und
PKORR( T3, TB) = (/L/NS2+L/NS3//2) V4 -SKAL+PKORR{ T2, T5);
Berechnung der Position POS des Motors entsprechend des aktuellen Teilstücks und Phasenkorrektur mit:
Figure imgf000014_0001
-SKAL+PKORR{ T2, 75),
73 : POS = {-UNS3)+SKAL+PKORR{ T3, TB),
Figure imgf000014_0002
75 : POS = {- UNS2)+2 -SKAL+PKORR{ T2, 75),
T6 : POS = UNS3+& -SKAL+PKORR{ T3, Γ6),
und wobei für jede weitere Periode ein Offset OFF, gebildet aus
Anzahl durchlaufener Perioden Λ/ und Skalierungswert SKAL mit
OFF=N-3-SKAL, auf alle Werte POS addiert wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Motorposition unter Nutzung von drei, mit der Motorposition über einen optischen Kodierer verknüpften, sinusförmigen, analogen Signalen mit Phasendifferenzen von 1 20° nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Signale mit mittlerer Amplitude L/NSI , UNS2 und L/NS3 auf eine Abweichung von der Linearität der sinusförmigen Signale in den Bereichen der einzelnen Teilstücke durch eine Abbildung auf eine Tabelle korrigiert werden.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Motorposition unter Nutzung von drei, mit der Motorposition über einen dreiphasigen optischen Kodierer verknüpften, sinusförmigen, analogen Signalen mit Phasendifferenzen von 120°, mindestens aufweisend einen Analog-Digital-Wandler und ein daran anschließendes Mittel zur digitalen Datenverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 eingerichtet ist, wobei das Mittel zur digitalen Datenverarbeitung eine konfigurierbare Logik-Gatter-Anordnung ist, die so ausgebildet ist, dass sie digitale Signale des Analog-Digital-Wandlers normiert und skaliert, einen Amplitudenfehler der Signale ermittelt, ein Signal mit mittlerer Amplitude bestimmt, eine Phasenkorrektur durchführt und die
Motorposition ermittelt und diese zur Weiterverarbeitung ausgibt.
PCT/DE2015/100294 2014-07-11 2015-07-10 Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer motorposition WO2016004927A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014109745.9 2014-07-11
DE102014109745.9A DE102014109745B3 (de) 2014-07-11 2014-07-11 Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Motorposition

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016004927A1 true WO2016004927A1 (de) 2016-01-14

Family

ID=53871792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2015/100294 WO2016004927A1 (de) 2014-07-11 2015-07-10 Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer motorposition

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014109745B3 (de)
WO (1) WO2016004927A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018093236A3 (ko) * 2016-11-21 2018-08-09 주식회사 젠큐릭스 유방암 환자의 예후 예측 방법
CN115001344A (zh) * 2022-05-27 2022-09-02 江苏科技大学 一种基于线性霍尔传感器的编码器偏心安装补偿方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0006492A1 (de) 1978-06-26 1980-01-09 Contraves Ag Verfahren zur digitalen Interpolation einer Periode eines dreiphasigen Analogsignals
DE112007000005T5 (de) * 2006-06-19 2008-07-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Schaltkreis zur Phasenkorrektur eines Messgeber-Signals
DE102007042073A1 (de) 2007-09-05 2009-03-12 Delta Electronics, Inc. Vorrichtung und Verfahren zur Winkelberechnung für einen dreiphasigen optischen Codierer

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004309366A (ja) * 2003-04-09 2004-11-04 Sankyo Seiki Mfg Co Ltd 位置検出装置
JP4713117B2 (ja) * 2004-09-21 2011-06-29 株式会社ミツトヨ エンコーダの出力信号補正装置及び方法
JP4862496B2 (ja) * 2006-05-30 2012-01-25 日本精工株式会社 レゾルバデジタルコンバータ、回転角度位置検出装置および回転機械制御装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0006492A1 (de) 1978-06-26 1980-01-09 Contraves Ag Verfahren zur digitalen Interpolation einer Periode eines dreiphasigen Analogsignals
DE112007000005T5 (de) * 2006-06-19 2008-07-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Schaltkreis zur Phasenkorrektur eines Messgeber-Signals
DE102007042073A1 (de) 2007-09-05 2009-03-12 Delta Electronics, Inc. Vorrichtung und Verfahren zur Winkelberechnung für einen dreiphasigen optischen Codierer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018093236A3 (ko) * 2016-11-21 2018-08-09 주식회사 젠큐릭스 유방암 환자의 예후 예측 방법
CN115001344A (zh) * 2022-05-27 2022-09-02 江苏科技大学 一种基于线性霍尔传感器的编码器偏心安装补偿方法
CN115001344B (zh) * 2022-05-27 2024-03-15 江苏科技大学 一种基于线性霍尔传感器的编码器偏心安装补偿方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014109745B3 (de) 2015-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19712622B4 (de) Anordnung und Verfahren zur automatischen Korrektur fehlerbehafteter Abtastsignale inkrementaler Positionsmeßeinrichtungen
EP0643285B1 (de) System zur Messung der Absolutposition des beweglichen, zyklischen Teilungsmarken-Trägers eines inkrementalen Positionsgebers
DE3024716C2 (de) Digitales Längen- oder Winkelmeßsystem
DE112006003663B4 (de) Drehkodierer
EP1606590B1 (de) Positionsmessverfahren und positionsmesssystem zur signalperioden-vervielfachung
DE3046797A1 (de) Elektrooptisches messsystem mit fehlerkorrektur
CH628426A5 (de) Verfahren und vorrichtung zur kompensation fehlerhafter signalparameter.
EP0268558A2 (de) Längen- oder Winkelmesseinrichtung
DE102006012074B4 (de) Postionsmesseinrichtung mit Überwachungsvorrichtung
EP2995910A1 (de) Absolutlage-Messsystem und -Verfahren
CH628429A5 (en) Angle or length measuring apparatus with a synchro-generator
DE102014109745B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Motorposition
EP0172803B1 (de) Verfahren zur digitalen elektrischen Längen- oder Winkelmessung und Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens
EP3124920B1 (de) Positionsmesseinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb
CH407569A (de) Digitale Auswerteeinrichtung für stetig veränderliche Messgrössensignale
DE3413855A1 (de) Verfahren zum auswerten von messsignalen, die durch abtastung eines inkrementalmassstabes mit einer abtasteinheit erhalten werden und messeinrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
EP1776564B9 (de) Verfahren und vorrichtung zur korrektur systematischer spursignalfehler von inkrementellen positions- oder drehwinkelgebern
DE4419050A1 (de) Positionsmessvorrichtung
DE3202356C1 (de) Einrichtung zum Unterteilen von periodischen analogen Signalen
DE4443898A1 (de) Positionsmeßverfahren und Positionsmeßeinrichtung
DE102017222508B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur von Messsystemabweichungen
DE10132685A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels oder Weges
DE19911822C1 (de) Verfahren zur Korrektur von Interpolationsfehlern beim Ablesen von Inkrementalmaßstäben durch einen Positionsgeber
DE602004002240T2 (de) Interpolationsverfahren für einen hochauflösenden optischen Winkelgeber und zugehöriger optischer Winkelgeber
DE1498137B2 (de) Verfahren und Anordnung zum Interpolieren

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15750628

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15750628

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1