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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hochauflösenden Auswertung
der Signale von inkrementalen Weg- und Winkelmeßsystemen, insbesondere von inkrementalen
Maßstäben und Drehgebern an Bearbeitungs- und Meßmaschinen, bei der eine Kennung
der Drehrichtung bzw. der Wegrichtung nach vorwärts oder nach rückwärts vorgesehen
ist.
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Aus der Fachzeitschrift "Elektronik 1/11.01.1985", Seiten 45 bis
50, ist eine Auswerteelektronik für inkrementale Wegmeßsysteme bekannt. Danach werden
inkrementale Drehgeber wie auch translatorische Wegmeßsysteme überall dort eingesetzt.
wo es auf hohe Genauigkeit ankommt. Die Auswertelogik besteht aus einem Richtungsdiskreminator,
welchem die vom Drehgeber gelieferten Zählimpulse zugeführt werden und welcher die
Drehrichtung des Drehgebers erfaßt. Die nachfolgende Impulsvervielfacher-Schaltung
multipliziert die Anzahl der Zählimpulse je nach der Einstellung der Flankenauswertung
mit dem Faktor 1, 2 oder 4. Die so aufbereiteten Zählimpulse gelangen dann entsprechend
der Drehrichtung als Vorwärts- oder Rückwärtsimpuise an den Eingang eines Vorwärts-/Rückwärtszählers.
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Aus diesem Bericht geht nicht hervor. ob es sich bei der Auswertelogik
für inkrementale Wegmeßsysteme um eine hochauflösende Auswertung der Signale solcher
inkrementaler Wegmeßsysteme handelt und demzufolge auch nicht, wie ggf. eine solche
hochauflösende Auswertelogik im einzelnen aufgebaut ist.
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Bekanntermaßen besteht die Auswertelogik für die eingangs genannten
Meßsysteme grundsätzlich aus einer Interpolations-/Vervielfacher-Schaltung für die
Erhöhung der Auflösung des Systems gegenüber der eines Maßstabes bzw. Drehgebers
und einer Richtungserkennung, welche die Richtung der Bewegung detektiert.
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Es ist allgemein bekannt, daß inkrementale Wegmeßsysteme und auch
Winkeldrehgeber beim Verfahren ihres mit Sensoren bestückten Lesekopfes entlang
einem Maßstab mindestens zwei sinusförmige Signale liefern, wobei jeweils das eine
Signal gegenüber dem anderen Signal um 90" phasenverschoben ist.
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Diese beiden Signale sin 7 und cos ç werden im Regelfall jeweils
gewichtet und einer Summationsstelle zugeführt, an deren Ausgänge wiederum sinusförmige
Sinale entstehen, die ihrerseits gegenüber dem Eingangssignal phasenverschoben sind.
Jeder Summationsstelle ist sodann ein Komparator nachgeschaltet, an deren Ausgänge
eine logische 1 erscheint, wenn das jeweilige Summensignal am Eingang positiv ist,
und eine logische 0 erscheint, wenn das jeweilige Summensignal negativ ist. Der
Übergang zwischen der logischen 1 und der logischen 0 findet jeweils ziemlich genau
am Übergang des Eingangs-Signals von negativ nach positiv statt.
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Die Stelle des Übergangs zwischen den Nullen und Einsen, das ist
immer die Stelle, bei der zwei benachbarte Komparatoren unterschiedliche Ausgangssignale
aufweisen, wandert nun bei der Vorwärtsrichtung von den Komparatoren Kl nach Kn
und bei der Rückwärtsbewegung von den Komparatoren Kn nach Kl. Dies bedeutet, daß
immer nur die zwei benachbarten Komparatoren interessante Informationen anbieten,
deren Ausgangssignale ungleich sind.
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Von Nachteil bei dieser bekannten Einrichtung ist es, daß der Bauteileaufwand
für die diesen Komparatoren nachfolgende Schaltung zur Erkennung der Bewegungsrichtung
mit der gewünschten Auflösung überproportional ansteigt.
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Für jeden Komparator wird dabei eine eigene Summenkurve a x sinp7
+ b x cosf mit eigener individueller Phasenverschiebung gebildet. Anders ausgedrückt
heißt dies, daß man Sinuskurven mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen gegenüber
der vom Meßsystem kommenden Sinuskurve bildet, indem das Verhältnis b zu a variiert
wird. Ein Komparator schaltet beim Nulldurchgang dieser Kurve.
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Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur
hochauflösenden Auswertung der Signale von inkrementalen Wegmeßsystemen der eingangs
genannten Art zu schaffen, die einen nur geringen Bauteileaufwand erfordert und
trotzdem einen beliebi-
gen lnterpolationsfaktor ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Steuerlogik
eingerichtet ist, die aus drigonometrischen Tabellen eines Speichers (ROM)-Bausteines
Winkelfunktionswerte empfängt und über Versorgungsleitungen an insgesamt vier Multiplizierer
abgibt, wo durch Multiplikation mit lnterpolationsfaktoren sinusförmige Signale
gebildet werden, die jeweils paarweise aus zwei nebeneinander angeordneten Multiplizierern
Summationsstellen zugeführt werden, welche aus den vier empfangenen sinusförmigen
Signalen durch Summenbildung wiederum insgesamt zwei sinusförmige Summensignale
bilden, welche zu je einem nachgeschalteten Komparator geleitet werden, welche die
sinusförmigen Summensignale auswerten und als Ausgangssignale der Steuerlogik zur
Verfügung stellen, die die Winkelfunktionswerte so auswählt, daß die Ausgangssignale
der zwei Komparatoren ungleich sind, um sodann die Negativ- oder Positiv-Zählimpulse
zwecks Erfassung des Gesamtmeßergebnisses einem Zähler zuzuführen. In Ausbildung
dieses Erfindungsgedankens kann dem Eingang der Steuerlogik eine Einrichtung zur
Vorgabe des Interpolationsfaktors zugeschaltet sein.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung können die Multiplizierer wahlweise
analoge oder digitale Multiplizierer oder multiplizierende Analog-/Digitalwandler
sein. Im Falle der digitalen Multiplizierer müssen natürlich die Signale sinç7 und
cosf zunächst durch sogenannte Analog-/Digitalwandler digitalisiert werden.
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In vorteilhafter Weise beschränkt sich die erfindungsgemäße Einrichtung
darauf, nur die zwei Wertepaare zu betrachten, bei denen die zwei resultierenden
Summensignale unterschiedliche Polarität haben, worauf dann auch der schaltungstechnische
Aufwand beschränkt bleibt. In Abhängigkeit von der Position des Lesekopfes sind
dies natürlich nicht immer die gleichen zwei Wertepaare. Die Steuerlogik erkennt
jedoch daran, welcher der beiden Komparatoren sein Ausgangssignal schaltet, in welche
Richtung der Lesekopf bewegt wird. Dementsprechend wählt die Steuerlogik zwei andere
Wertepaare a und b aus, durch die die Ausgangssignale wieder ungleich werden. Damit
fängt die Schaltung stets die Stelle, an der der Übergang zwischen den Nullen und
den Einsen in den Ausgangssignalen der Komparatoren liegt. Der Bauteileaufwand wird
bei dieser erfindungsgemäßen Einrichtung unabhängig von dem Interpolationsfaktor
jeweils so klein gehalten, daß insgesamt nur zwei Summationsstellen, zwei Komparatoren
und vier Multiplizierer erforderlich sind.
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In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt.
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Die Einrichtung 1 zur hochauflösenden Auswertung der Signale von
inkrementalen Wegmeßsystemen weist eine Steuerlogik 2 auf, welche eingangsseitig
über die Zuleitungen 3 und 4 mit einer Einrichtung 5 zur Vorgabe des lnterpolationsfaktors
und einem Speicher (ROM)-Baustein 6 mit trigonometrischen Tabellen verbunden ist.
Zwei weitere Auswerteleitungen 7 und 8 verbinden die Komparatoren 9 und 10 mit der
Eingangsseite der Steuerlogik 2.
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Ausgangsseitig der Steuerlogik 2 führen vier Versorgungsleitungen
11, 12, 13 und 14 zu Multiplizierern 15, 16, 17 und 18. Ferner gehen vom Lesekopf
19 zwei sin -Versorgungsleitungen 20 und 21 zu den beiden Multiplizierern 16 und
18, während phasenverschoben zwei cos q-Versorgungsleitungen 22 und 23 zu den Multiplizierern
15 und 17 führen. Jeweils zwei benachbarte Multiplizierer 15, 16 und 17, 18 sind
mit einer gemeinsamen Summationsstelle 24 und 25 über die Signalleitungen 27, 28
und 29,30 angeschlossen. Jeder Summationsstelle 24, 25 ist über die Leitungen 31,
32 ein Komparator 9, 10 nachgeschaltet. Zwei weitere Ergebnisleitungen 33 und 34
führen von der Steuerlogik 2 zu einem Auf-/Ab-Zähler 35.
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Die Steuerlogik 2 bekommt aus den trigonometrischen Tabellen des
Speichers (ROM)-Bausteins 6 die Winkelfunktionswerte sowie aus der Einrichtung 5
die Vorgabe des lnterpolationsfaktors.
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Diese Werte werden von der Steuerlogik 2 an die Multiplizierer 15,
16, 17 und 18 weitergegeben, wo durch Multiplikation der Winkelfunktionswerte mit
den Signalwerten sinusförmige Signale gebildet werden. Jeweils zwei benachbarte
Multiplizierer 15 und 16 bzw. 17 und 18 werden zu einer zugeordneten Summationsstelle
24 bzw. 25 zusammengeführt, wo das sinusförmige Summensignal as x sin, + bi x cosg,bzw.
ai+l X sinf + bi + X x cos gebildet wird. Die Komparatoren 9 und 10 werten die sinusförmigen
Summensignale aus, ob sie positiv oder negativ sind.
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Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Lesekopf 19 des inkrementalen
Meßsystems in einer Position stehe, bei welcher nach dem herkömmlichen Verfahren
die Komparatoren folgende Zustände aufweisen: K4 = O K3 = 0 K2=l K1 =1 Die Indizes
1 bis 4 zu den Komparatoren in der obigen Aufstellung bedeuten nur die Komparatoren
1 bis 4 bei den eingangs genannten Verfahren und haben darüberhinaus keine Bedeutung.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erhalten die Multiplizierer
von der Steuerlogik die Faktoren a 2/b 2 und a 3/b 3. Die Indizes bei den Faktoren
a und b deuten auch hier wiederum nur auf die Reihenfolge der in der obigen Aufstellung
genannten Komparatoren K2 und K3 hin. Bei diesem Beispiel ist nun der Ausgang des
Komparators 10 (K2) auf den Wert 1 und der Ausgang des Komparators 9 (K3) auf den
Wert 0 gestellt. Damit sind die beiden Ausgänge unterschiedlich. Wird nun der Lesekopf
19 des inkrementalen Meßsystems um den Betrag der Auflösung weiter bewegt, dann
ändert sich entweder der Komparator 9 oder der Komparator 10, in jedem Fall werden
deren beide Ausgangssignale jedoch gleich.
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Je nach dem, ob sich der Komparator 9 oder der Komparator 10 ändert,
wurde der Lesekopf 19 vorwärts oder rückwärts bewegt. Hat sich bspw. der Komparator
10 geändert (rückwärts), dann gibt die Steuerlogik 2 zunächst einen Rückwärts-Zählimpuls
aus an den Zähler 35 und schaltet an die Multiplizierer 16 und 18 nun die neuen
Faktoren, so daß die Ausgangssignale von den Komparatoren 9 und 10 anschließend
wieder unterschiedlich sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Bauteileaufwand unabhängig
vom Interpolationsfaktor immer so groß wie in der Zeichnung dargestellt. Demgegenüber
würde der Bauteileaufwand bei einer herkömmlichen Einrichtung überproportional mit
dem Interpolationsfaktor ansteigen.
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Sollen die Signale eines inkrementalen Meßsystems, nämlich sinf und
phasenverschoben cos, feininterpoliert werden, so müssen diese Signale sehr genau
sein in Bezug auf die Amplitude und die Phasenverschiebung.
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Vor allen Dingen beim Anfahren oder beim Abbremsen einer Achse kann
es zu Verkippungen des Lesekop-
fes 19 gegenüber dem inkrementalen
Maßstab kommen, wodurch sowohl die Amplituden der Signale als auch die Phasenverschiebung
zwischen ihnen gestört wird.
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Es empfiehlt sich aus diesem Grunde eine Einrichtung, bei welcher
bei hohen Frequenzen vom Maßstab, d.h., bei hoher Geschwindigkeit zunächst nur grob,
und erst bei niedrigen Frequenzen sodann fein interpoliert wird.
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Des weiteren besteht die Möglichkeit, einen der beiden Zweige, bestehend
aus zwei Multiplizierern, einer Summationsstelle und einem Komparator, einzusparen.
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Die Steuerlogik gibt dann die beiden Wertepaare a/hi und ai+llbi+l,
die bisher gleichzeitig an die beiden Zweige ausgegeben wurden, nacheinander aus
und stellt so fest, ob der Komparator bei den beiden Wertepaaren noch ungleiche
Signale liefert.
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