DE102006012074B4

DE102006012074B4 - Postionsmesseinrichtung mit Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006012074B4
Application number: DE102006012074.4A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Reusing Günter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: DE102006012074A1; US20070216399A1; US7826106B2

Abstract

Positionsmesseinrichtung (10) mit einer inkrementellen Maßverkörperung (11), einer zugeordneten Abtastvorrichtung (12), die wenigstens zwei analoge phasenverschobene periodische Ausgangssignale (55a, 55b) ausgibt, und einer Überwachungsvorrichtung (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Ausgangssignale (55a, 55b) einen Zustand der Überwachungsvorrichtung (40) kodiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 20 22 151 A1 bekannt. Dort ist eine optische Positionseinrichtung gezeigt, bei der eine Maßverkörperung in Form eines transparenten Glasmaßstabes mit periodisch angeordneten intransparenten Positionsmarkierungen von einer Abtastvorrichtung, die eine Lampe und Fotoelemente umfasst, abgetastet wird. Die Abtastvorrichtung erzeugt zwei phasenverschobene periodische Signale, die im Wesentlichen sinus- bzw. cosinusförmig sind. Weiter ist eine Überwachungsvorrichtung vorgesehen, die die Phasenlage und die Amplitudenhöhe der phasenverschobenen periodischen Signale überwacht und bei Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert ein Fehlersignal über einen gesonderten Fehlerausgang ausgibt.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Positionsmesseinrichtung bereitzustellen, bei der eine Fehlersignalisierung ohne einen gesonderten Fehlerausgang möglich ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Bei der Auswertung der phasenverschobenen periodischen Ausgangssignale kommt es zur Positionsbestimmung nur auf die Phasenlage der Ausgangssignale an. Zur Bestimmung der Phasenlage, beispielsweise über den Arcsin des aktuellen Ausgangssignals geteilt durch dessen Amplitude, wird eine Information über die Amplitude der Einzelsignale benötigt. Aus diesem Grund werden in inkrementellen Messeinrichtungen üblicherweise zwei phasenverschobene periodische Signale verwendet, so dass der Betrag der beiden Einzelsignale der Amplitude eines Einzelsignals entspricht. Bei Sinus- und Cosinus-Ausgangssignalen ergibt sich der Betrag aus der Wurzel der Betragsquadrate der Einzelsignale. Bei andersartigen periodischen Ausgangssignalen sei im Rahmen dieser Anmeldung als Betrag eine aus den Einzel-Ausgangssignalen gebildete Rechengröße definiert, die im Wesentlichen unabhängig von der Phasenlage der Einzelausgangssignale ist. Aus der so bestimmten Phasenlage lässt sich in an sich bekannter Weise ein Positionsmesswert ableiten, der wesentlich genauer ist als die Teilung der Maßverkörperung. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Interpolation.
Um die vorgegebene Genauigkeit des Messsystems zu gewährleisten ist es notwendig, dass der Betrag der Ausgangssignale einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet. Ein zu kleiner Betrag ist also ein Anzeichen für einen Funktionsfehler der Positionsmesseinrichtung. Beim Vorliegen anderer Funktionsfehler der Positionsmesseinrichtung, die durch die Überwachungsvorrichtung bestimmt wurden, kann der Fehlerzustand gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 ebenfalls durch einen abnormalen Betrag der Ausgangssignale angezeigt werden. Dies könnte beispielsweise durch einen analog arbeitenden Verstärker für die Ausgangssignale bewerkstelligt werden, dessen Verstärkungsfaktor von der Überwachungsvorrichtung vorgegeben wird. Im Normalzustand würde der Verstärkungsfaktor Eins betragen, im Fehlerfall würde ein Verstärkungsfaktor, der wesentlich größerer oder wesentlich kleiner als Eins ist, zur Anwendung kommen. Je nach Fehlerart könnten auch unterschiedliche Verstärkungsfaktoren vorgesehen sein.
Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass es bei nicht sinus- bzw. cosinusförmigen Ausgangssignalen nicht ohne weiteres möglich ist einen Betrag zu ermitteln, der unabhängig von der Phasenlage ist. Dies kann beispielsweise bei einer induktiv arbeitenden Positionsmesseinrichtung gemäß der EP 1 164 358 B1 der Fall sein. Hier weichen die periodischen Signale relativ stark von der idealen Form ab, so dass aufwändigere Verfahren zur Bestimmung der Phasenlage notwendig sind.
Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, dass die Abtastvorrichtung einen Sensor zum Abtasten der Maßverkörperung umfasst, der wenigstens ein analoges Abtastsignal erzeugt, wobei eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die aus dem Abtastsignal einen Positionswert ermittelt und wobei eine Synthesevorrichtung vorgesehen ist, die aus dem Positionswert die phasenverschobenen periodischen Ausgangssignale vorzugsweise ein Sinus- und ein Cosinus-Signal synthetisiert. Somit können unabhängig von der Art der Abtastsignale analoge Ausgangssignale bereitgestellt werden, aus denen sich ein vom Phasenwinkel unabhängiger Betrag berechnen lässt.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ergibt sich daraus, dass der Betrag der Ausgangssignale im Normalbetrieb fest vorgegeben werden kann. Bei Fehlerzuständen, die einen Weiterbetrieb der Positionsmesseinrichtung erlauben, beispielsweise geringe abnormale Temperaturerhöhungen der Positionsmesseinrichtung, kann zur Fehleranzeige somit ein Ausgangssignalbetrag gewählt werden, der nur in geringem Umfang vom Normalbetrag abweicht. Somit wird die Auswertequalität in einer nachgeordneten Auswerteschaltung nicht negativ beeinflusst.
Die Auswertevorrichtung kann einen Analog-Digital-Umsetzter zum Umwandeln des analogen Abtastsignals in ein digitales Zwischensignal und ein Auswerterechenwerk zum Erzeugen eines digitalen Positionswertes aus dem digitalen Zwischensignal umfassen. Mit Hilfe des Auswerterechenwerks z. B. in Form eines digitalen integrierten Schaltkreises können in an sich bekannter Weise nahezu beliebig komplizierte Rechenoperationen durchgeführt werden, um aus nicht-sinusförmigen Abtastsignalen einen genauen Positionswert zu gewinnen. Der Analog-Digital-Umsetzer kann als Sigma-Delta-Wandler ausgeführt sein, um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen.
Aus ähnlichen Gründen kann die Synthesevorrichtung ein Syntheserechenwerk zum Berechnen von wenigstens zwei digitalen Signalwerten aus dem Positionswert und einem von der Überwachungsvorrichtung vorgegebenen Kodierfaktor und wenigstens einen Digital-Analog-Umsetzer zum Umwandeln der digitalen Signalwerte in die analogen Ausgangssignale umfassen. Mit dem Kodierfaktor kann die Amplitude der Ausgangssignale in erfindungsgemäßer Weise moduliert werden. Es kann vorgesehen sein, dass ein Digital-Analog-Umsetzer alle Ausgangssignale durch schnelles Umschalten zwischen den verschiedenen Kanälen bereitstellt (sog. Multiplexen). Es kann aber auch für jedes Ausgangssignal ein separater Digital-Analog-Umsetzer vorgesehen sein, so dass eine hohe Signalqualität erzielt wird.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Syntheserechenwerk wenigstens zwei Tabellen umfasst, die jedem Positionswert einen Funktionswert zuordnen, wobei der Kodierfaktor bei der Erzeugung der digitalen Signalwerte die Funktionswerte entweder verkleinert, vorzugsweise um wenigsten 50%, höchst vorzugsweise um 100%, oder unverändert lässt. Die Verwendung von Tabellen ermöglicht eine schnelle Berechnung der digitalen Signale, so dass das Positionsmesssystem auch bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann.
Durch die Verkleinerungen der Ausgangssignalwerte im Fehlerfall kann der begrenzte Wertebereich der digitalen Signale im Normalbetrieb voll ausgenutzt werden, so dass sich eine hohe Messgenauigkeit ergibt. Die Verkleinerung kann im einfachsten Fall durch eine Multiplikation mit einem Faktor kleiner als Eins geschehen.
Es kann aber auch eine andere Funktion vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn mehrere Fehlerzstände in einem vorgegebenen Betragsbereich kodiert werden sollen.
Der Fall einer Verkleinerung um 100%, d. h. die Ausgangssignale werden zu Null gesetzt, kann zwar besonders einfach und schnell durchgeführt werden. Hierbei ist aber zu bedenken, dass dieser Zustand eine nachgeordnete Auswertevorrichtung derart stören kann, dass ein Weiterbetrieb nicht mehr möglich ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Überwachungsvorrichtung wenigstens einen der folgenden Parameter ermittelt:

– Betrag der Versorgungsspannung der Positionsmesseinrichtung,
– Abstand des Sensors von der Maßverkörperung,
– Betrag der Amplitude der analogen Abtastsignale oder der digitalen Zwischensignale,
– Betrag der Umgebungstemperatur oder der Temperatur der Abtastvorrichtung
– Grad der Ausnutzung des digitalen Wertebereichs durch die digitalen Zwischensignale,
– Positionswert,
– Geschwindigkeitswert,
– Beschleunigungswert,

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschreiben werden. Es stellt dar:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Die Positionsmesseinrichtung 10 ist in ein Linearwälzlager gemäß DE 103 47 360 A1 , die hiermit in vollem Umfang in Bezug genommen wird, integriert. Die zu bestimmende Position ist die Stellung des Führungswagens relativ zur Führungsschiene.
Die Positionsmesseinrichtung 10 umfasst eine Maßverkörperung 11, die als dünnes Metallband mit einer Vielzahl in regelmäßigem Abstand angeordneten rechteckigen Ausnehmungen ausgeführt ist. Die Maßverkörperung 11 wird von einer Abtastvorrichtung 12 mittels eines Sensors 13 abgetastet, der gemäß EP 1 164 358 B1 , die ebenfalls in vollem Umfang in Bezug genommen wird, ausgeführt ist.
Weiter ist eine Überwachungseinrichtung 40 vorgesehen, mit der die korrekte Funktion der Positionsmesseinrichtung 10 überwacht wird. Die Abtastvorrichtung 12 und die Überwachungsvorrichtung 40 sind in einer Baugruppe integriert.
Die vom Sensor 13 erzeugten anlogen Abtastsignale 50 in Form zweier elektrischer Spannungen werden in der Auswertevorrichtung 20 mit Analog-Digital-Umsetzern 21 in digitale Zwischensignale 51 umgesetzt. Die Analog-Digital-Umsetzer 21 sind als Sigma-Delta-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit ausgeführt. Bei den elektrischen Signalen handelt es sich um amplitudenmodulierte Signale mit einer Trägerfrequenz von 10 kHz, die phasensynchron mit der vierfachen Abtastfrequenz, also mit 40 kHz, abgetastet werden. Somit ist sichergestellt, dass die Positionsmesseinrichtung 10 bei einer Teilung der Maßverkörperung 11 von 1 mm und bei einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/s zuverlässig arbeitet.
In der Auswertevorrichtung 20 ist außerdem ein Auswerterechenwerk 22 vorgesehen, das aus den digitalen Zwischensignalen 51 einen digitalen Positionswert 52 bildet. Hierbei wird in einem ersten Schritt davon ausgegangen, dass exakt sinus- bzw. cosinusförmige Zwischensignale 51 vorliegen, wobei nach den bekannten mathematischen Beziehungen der zugehörige Phasenwinkel berechnet wird. In einem zweiten Schritt werden die so erhaltenen Phasenwinkel mit Hilfe einer experimentell bestimmten Korrekturtabelle in die tatsächlichen Positionswerte 52 transformiert.
Weiter ist eine Synthesevorrichtung 30 vorgesehen, mit der die digitalen Positionswerte 51 unter Einbeziehung eines Kodierfaktors 53 in periodische analoge Ausgangssignale 55a, b in Form eines Sinus- und eines Cosinus-Signals umgewandelt werden. Die Synthesevorrichtung 30 umfasst ein Syntheserechenwerk 31, mit dem aus den digitalen Positionswerten 52 digitale Signalwerte 54a, b berechnet werden. Hierfür sind zwei Tabellen 33a, b vorgesehen, die jedem Positionswert den Funktionswert 58a, b einer Sinus- und einer Cosinusfunktion zuordnen. Die Funktionswerte 58 werden mittels eines Multipliziergliedes 34a, b mit einem Kodierfaktor 53 multipliziert, woraus sich die digitalen Signalwerte 54a, b ergeben. Im Anschluss werden die digitalen Signalwerte 54a, b mittels zweier Digital-Analog-Umsetzer in die analogen Ausgangssignale 55a, b überführt.
Der Kodierfaktor 53 wird von der Überwachungsvorrichtung 40 erzeugt, die sich hierbei auf folgende Eingangsgrößen stützt:

– Den Betrag der Temperatur der Abtastvorrichtung, der von einem Temperatursensor 42 bestimmt wird.
– Den Betrag der Betriebsspannung der Positionsmesseinrichtung 10, die von einen Spannungssensor 41 bestimmt wird.
– Den Positionswert 52, der von der Auswertevorrichtung 20 erzeugt wird.
– Den Geschwindigkeitswert 56, der mittels eines Differenziergliedes 43a aus dem Positionswert 52 ermittelt wird.
– Den Beschleunigungswert 57, der mittels eines Differenziergliedes 43b aus dem Geschwindigkeitswert 56 ermittelt wird.

Die Vergleichsvorrichtung 44 der Überwachungsvorrichtung 40 prüft, ob jeder dieser Parameter in einem als zulässig vorgegebenen Intervall liegt und gibt nur in diesem Fall einen Kodierfaktor mit dem Betrag 1 aus. In jedem anderen Fall wird ein Kodierfaktor mit dem Betrag 0,3 ausgegeben. Der Betrag der analogen Ausgangssignale 55a, b beträgt also im Fehlerfall nur mehr 30% des Normalwertes und signalisiert einen Fehler der Positionsmesseinrichtung 10 somit eindeutig.
Bezugszeichenliste

10: Positionsmesseinrichtung
11: Maßverkörperung
12: Abtastvorrichtung
13: Sensor
20: Auswertevorrichtung
21: Analog-Digital-Umsetzer
22: Auswerterechenwerk
30: Synthesevorrichtung
31: Syntheserechenwerk
32a, b: Digital-Analog-Umsetzer
33a, b: Tabelle
34: Multiplizierglied
40: Überwachungsvorrichtung
41: Spannungssensor
42: Temperatursensor
43a, b: Differenzierglied
44: Vergleichsvorrichtung
50: Abtastsignal
51: Zwischensignal
52: Positionswert
53: Kodierfaktor
54a, b: Signalwert
55a, b: periodisches Ausgangssignal
56: Geschwindigkeitswert
57: Beschleunigungswert
58a, b: Funktionswert

Claims

Positionsmesseinrichtung (10) mit einer inkrementellen Maßverkörperung (11), einer zugeordneten Abtastvorrichtung (12), die wenigstens zwei analoge phasenverschobene periodische Ausgangssignale (55a, 55b) ausgibt, und einer Überwachungsvorrichtung (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Ausgangssignale (55a, 55b) einen Zustand der Überwachungsvorrichtung (40) kodiert.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung (12) einen Sensor (13) zum Abtasten der Maßverkörperung (11) umfasst, der wenigstens ein analoges Abtastsignal (50) erzeugt, wobei eine Auswertevorrichtung (20) aus dem Abtastsignal (50) einen Positionswert (51) ermittelt und wobei eine Synthesevorrichtung (30) vorgesehen ist, die aus dem Positionswert (50) die phasenverschobenen periodischen Ausgangssignale (55a, 55b) vorzugsweise ein Sinus- und ein Cosinus-Signal synthetisiert.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (20) einen Analog-Digital-Umsetzter (21) zum Umwandeln des analogen Abtastsignals (50) in ein digitales Zwischensignal (51) und ein Auswerterechenwerk (22) zum Erzeugen eines digitalen Positionswertes (52) aus dem digitalen Zwischensignal (51) umfasst.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthesevorrichtung (30) ein Syntheserechenwerk (31) zum Berechnen von wenigstens zwei digitalen Signalwerten (54a, 54b) aus dem Positionswert (52) und einem von der Überwachungsvorrichtung (40) vorgegebenen Kodierfaktor (53) und wenigstens einen Digital-Analog-Umsetzer (32a, 32b) zum Umwandeln der digitalen Signalwerte (54a, 54b) in die analogen Ausgangssignale (55a, 55b) umfasst.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Syntheserechenwerk (31) wenigstens zwei Tabellen (33a, 33b) umfasst, die jedem Positionswert (52) einen Funktionswert (58a, 58b) zuordnen, wobei der Kodierfaktor bei der Erzeugung der digitalen Signalwerte (54a, 54b) die Funktionswerte (58a, 58b) entweder verkleinert, vorzugsweise um wenigsten 50%, höchst vorzugsweise um 100%, oder unverändert lässt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (40) wenigstens einen der folgenden Parameter ermittelt: – Betrag der Versorgungsspannung der Positionsmesseinrichtung (10), – Abstand des Sensors (13) von der Maßverkörperung (11), – Betrag der Amplitude der analogen Abtastsignale (50) oder der digitalen Zwischensignale (51), – Betrag der Umgebungstemperatur oder der Temperatur der Abtastvorrichtung (12), – Grad der Ausnutzung des digitalen Wertebereichs durch die digitalen Zwischensignale (51), – Positionswert (52), – Geschwindigkeitswert (56), – Beschleunigungswert (57), wobei der oder die Parameter mit einem entsprechenden Referenzparameter oder Referenzparametersatz verglichen werden und der Betrag der Ausgangssignale (55a, 55b) entsprechend dem Vergleichsergebnis gewählt wird.