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Titel: Verfahren zur Meßwertermittlung bei inkrementalen
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Weg- und Winkelmeßsystemen Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Meßwertermittlung bei Weg- und Winkelmeßsystemen mit
fester Maßverkörperung und darauf aufgebrachter mechanischer Teilung, bei denen
die Information über die mechanische Verschiebung oder Verdrehung in der Anzahl
der erfolgten Nulldurchgänge von mindestens zwei um einen Winkel von 900 zueinander
phaeenversetzten quasi sinusförmigen elektrischen Signalen enthalten ist. Der Momentanwert
der Ausgangsspannung dieser quasi sinusförmigen elektrischen Signale liefert dabei
zusätzliche Informationen über die Größe der Verschiebung oder Verdrehung zwischen
zwei Nulldurchgängen der elektrischen Signale. Die Erfindung ist bei allen inkrementalen
Meßsystemen mit fotoelektrischen, kapazitiven oder induktiven Abtasteinrichtungen
anwendbar, die für die weitere Auswertung mindestens zwei dieser phasenversetzten
quasi sinusförmigen Signale zur Verfügung stellen.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Es ist seit langem
bekannt, bei einer mechanischen Verschiebung oder Verdrehung einer mechanischen
Teilung und eines Tastkopfes gegeneinander die Teilungsiarken in elektrische Signale
umzuwandeln und die dabei entstehenden Signale in Impulse umzuwandeln und auszuzählen.
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Vielfach ist man auch dazu übergegangen, die Auswertung dieser zunächst
sinusförmigen Signale noch zu verbessern, indem eine Anzahl gleichartiger aber zueinander
phasenverschobener Signale erzeugt werden und indem diese Signale miteinander oder
mit daraus abgeleiteten amplitudenverminderten Signalen in unterschiedlicher Kombination
verglichen werden. Die Stellen mit gleicher Amplitude werden anschließend weiter
ausgewertet. Diese Schnittstellen sind zeitlich zueinander versetzt und bilden die
Grundlage für die Erzeugung von Rechtecksignalen mit zeitlich zueinander versetzten
Impulsflanken. In logischen Schaltungen werden daraus dann Impulsreihen mit wesentlich
kürzerer Periodendauer gewonnen. Auf diese Weise werden die ursprünglichen etwa
sinusförmigen Signale interpoliert. Eine solche Interpolationseinrichtung ist beispielsweise
in der Erfindungsbeschreibung DT-AS 1 945 206 dargestellt. Der maximal mögliche
Interpolationsfaktor wird durch unzureichende Amplitudenstabilität, durch Abweichungen
von der idealen Sinusform und durch Temperatur- und Bauelementeeinfltisse begrenzt
und erreicht Werte bis etwa 40. Der Aufwand an elektronischen Bauelementen steigt
dabei etwa linear mit dem Interpolationsfaktor an.
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Aus der Erfindungsbeschreibung DT-AS 1 291 776 ist eine Meßeinrichtung
bekannt, die eine hochfrequente Trägerschwingung verwendet und die die bei einer
Verschiebung oder Verdrehung entstehende Phasenverschiebung gegenüber einer gleichfrequenten
Bezugswechselspannung auswertet. Dabei wird die Phasendifferenz zunächst in ein
Zeitintervall umgewandelt und ein Impuls zähler wird für eben diese Zeit mit einem
Taktimpulsgeber verbunden. Das Zählergebnis entspricht dann der momentanen Weg-
oder Winkelstellung des Meßwertgebers. Meßsysteme dieser Art werden vorwiegend bei
induktiven oder kapazitiven Abtaatsystemen verwendet. Die Trägerschwingung wird
dabei direkt in die Maßverkörperung eingespeist.
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Ein Nachteil dieser Meßsysteme sind Unlinearitäten zwischen dem Drehwinkel
bzw. der Verschiebung und dem auszuwertenden Phasenwinkel. Die Ursache hierfür ist
in Fehlausbildungen des Rotors und des Stators, aber auch in den unvermeidlichen
Streukapazitäten oder Streuinduktivitäten zu suchen. Durch eine obere Begrenzung
der Trägerfrequenz kann der Fehler in vertretbaren Grenzen gehalten werden. Es treten
aber weitere Nachteile auf, die sich nur schwer kompensieren lassen. Einer davon
ist die Verdrehmöglichkeit des Tastkopfes gegenüber der mechanischen Teilung und
ein weiterer besteht darin, daß bei großer Fahrgeschwindigkeit die Frequenz des
Ausgangssignals proportional zu dieser Geschwindigkeit verfälscht wird und daß in
den Zähler weniger Impulse eingezählt werden als das der tatsächlichen Stellung
des Meßsystems entsprechen würde.
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Bei induktiven und kapazitiven Meßsystemen ist aus mehreren Gründen,
die ihre Ursachen im verwendeten Meßprinzip haben, der Abstand zwischen zwei Teilungsmarken
auf der Teilung wesentlich größer als bei fotoelektrischen Abtastsystemen.
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Um trotzdem eine gute Meßauflösung zu erreichen, muß eine Interpolationseinrichtung
mit höherem Interpolationsfaktor verwendet werden. Da ohnehin zur Kopplung von mechanischer
Teilung und Tastkopf eine hochfrequente Trägerschwingung erforderlich ist, bietet
sich dafür die beschriebene Interpolationseinrichtung an. Allerdings sind aus den
obengenannten Grenzen dem Interpolationsfaktor dieser Einrichtung Grenzen gesetzt,
so daß keine höhere Aufslösung erreicht wird, als sie von foto elektrisch arbeitenden
Meßsystemen her bekannt ist.
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In der DT-OS 2 113 705 wird eine Meßeinrichtung dargestellt, bei
der die modulierten Meßsignale zunächst demoduliert werden, so daß wie bei einem
fotoelektrischen Meßsystem die Verdreh- oder Verschiebeinformationen in zueinander
phasenversetzten Sinussignalen enthalten sind.
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Eine zweite Trägerschwingung wird dann mit diesen Sinussignalen phasenmoduliert
und die Auswertung der Phasenversetzung der Meßsignale zu einer Bezugsspannung erfolgt
wie oben beschrieben durch periodisches Auszählen der Phasendifferenz mittels Taktimpulsen.
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Diese und auch die Meßeinrichtungen der weiter oben beschriebenen
Art eignen sich besonders gut für die Winkelmeßsysteme mit Resolvern oder Drehmeldegebern,
weil die volle Umdrehung von 3600 ohne weiteren Aufwand im Phasenraum von 0 bis
2 T der Meßsignale untergebracht werden kann.
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Kann dagegen der volle Meßbereich nicht direkt in eine feste Beziehung
zum Phasenwinkel 2HU gebracht werden, sondern erst nach einer Unterteilung des Meßbereiches
in Teilstrecken, dann ist eine gesonderte Auswertung eben dieser Teilschritte erforderlich.
Bei bekannten Meßeinrichtungen werden dazu zwei völlig separate Meßsysteme mit eigenen
Meßwertaufnehmern und eigenen Auswertekanälen verwendet. Dargestellt wird dieser
Sachverhalt in der Patentbeschreibung DT-AS 1 273 573.
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Der hohe Aufwand iür die Meßwert ermittlung, insbesondere die Verwendung
eines zweiten Abtastsystems oder eines zusätzlichen Meßwertaufnehmers muß jedoch
als Nachteil gewertet werden.
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Ziel der Erfindung: Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß
bei einem inkrementalen Meßsystem mit möglichst geringem Aufwand hochgenaue Informationen
über die absolute Größe der mechanischen Verschiebung oder Verdrehung eines Werkstückes
gegenüber einem Bezugspunkt zur Verfügung stehen.
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Wesen der Erfindung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
neuen Weg iür eine hochgenaue Meßwert ermittlung bei inkrementalen Meßsystemen einzuschlagen
und einen hohen Auf lösungsfaktor bei Verwendung nur eines einzigen Meßkopfes zu
erreichen.
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Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Meßwertermittlung bei inkrementalen
Weg- und Winkelmeßsystemen, bei dem eine mechanische Teilung relativ zu einem Tastkopf
verschoben oder verdreht wird und bei dem die Teilungsmarken dieser Teilung durch
ein Abtastsystem in mindestens zwei um einen Winkel von 900 zueinander phasenversetzte
quasi sinusförmige Signale umgewandelt werden, dadurch gelöst, daß sie um den Winkel
von 900 zueinander phasenversetzten und die Verschiebe- bzw. Verdrehinformation
enthaltenden Signale zugleich in einem ersten Auswertekanal zur Auswertung der Rulldurchgänge
der Signale und in einem zweiten Auswertekanal zur Auswertung des momentanen Phasenzustandes
der Signale herangezogen werden und daß die Grobinformationswerte des ersten Auswertekanals
und die Feininformationswerte des zweiten Auswertekanals in einer Informationsverwertungsstufe
gemeinsam ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
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Es ist dabei von Vorteil, wenn im ersten Auswertekanal aus den Signalen
sowohl Zählimpulse für eine Vor-BUckwärtszählung als auch eine Richtungsinformation
für die Steuerung des Zählers gebildet werden und wenn im zweiten Auswertekanal
der Absolutwert des Phasenzustandes der Signale zwischen zwei Zählimpulsen linear
umgewandelt wird in den Wert einer Phasenverschiebung eines periodischen Maßsignals
gegenüber einem Bezugssignal im Wertebereich von O bis 2 Ti Um den geforderten hohen
Interpolationsfaktor zu erreichen, ist es günstig, die Phasenverschiebung des Meßsignals
gegenüber dem Bezugs signal durch eine elektronische Zeitmeßeinrichtung auszuwerten.
Zweckmäßigerweise wird dabei die Phasenverschiebung periodisch durch Taktimpulse
ausgezählt.
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Ein wesentlicher Vorteil des Meßverfahrens gemäß der Erfindung besteht
darin, daß es jetzt möglich wird, den Vorteil des geringen Abstandes zwischen zwei
Teilung
marken eines fotoelektrischen Abtastßystems und den Vorteil
des hohen Interpolationsfaktors einer Interpolationseinrichtung, die die Phasendifferenz
eines hochfrequenten Meßsignals gegenuber einem gleichfrequenten Bezugssignal auswertet,
miteinander zu kombinieren. Die Auflösung fotoelektrisch arbeitender Meßsysteme
wird dadurch vergrößert. Gegenüber bekannten Einrichtungen benötigt das Verfahren
gemäß der Erfindung zur Ermittlung der Grobinformationswerte und der Feininformationswerte
im Intervall dieser Grobinformation nur einen einzigen Meßwertgeber. Im Vergleich
mit einem Amplitudenvergleichsverfahren erhöht sich der Interpolationsfaktor bei
etwa gleichem Aufwand an elektronischen Baugruppen und Bauelementen um fast zwei
Dezimalstellen.
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Die Kopplung von mechanischer Teilung und Meßkopf erfolgt mit fotoelektrischen
Mitteln. Damit werden von vornherein alle Nachteile vermieden, die bei der Verwendung
von hochfrequenten Trägerschwingungen zur Kopplung von Teilung und Meßkopf auftreten.
Die maximale Fahrgeschwindigkeit des Meßsystems kann größer gewählt werden, als
das bei kapazitiven oder induktiven Meßsystemen möglich ist. Der Vorteil dieser
Systeme, nämlich der hohe Interpolationsfaktor einer phasenauswertenden Interpolationseinrichtung
wird aber beibehalten, weil die quasi einusförmigen Signale, die die Verschiebe-
bzw. Verdrehinformation enthalten, erst am Ausgang des Meßkopfes oder danach mit
der hochfrequenten Trägerschwingung moduliert werden. Die Trägerfrequenz wird also
nicht zur Kopplung von mechanischer Teilung und Meßkopf, sondern ausschließlich
für die Interpolationseinrichtung verwendet. Es sind damit die Voraussetzungen gegeben,
um die Trägerfrequens erhöhen zu können und die dynamischen Parameter des Meßsystems
zu verbessern.
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Die Feininformationewerte können durch Auswertung der Phasendifferenz
mittels Taktimpulsen gewonnen werden.
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Es ist aber auch möglich, anstelle der digitalen Zählimpulse iür die
weitere Auswertung ein analoges Spannungs-oder Stromsignal zur Verfügung zu stellen.
Erforderliche Meßwertkorrekturen können dann im analogen Bereich relativ einfach
durchgeführt werden.
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Das erfindungagemäße Meßverfahren kann besonders vorteilhaft bei
fotoelektrischen Abtaßtsystemen eingesetzt werden. Es ist aber auch für alle anderen
Abtastsysteme anwendbar, wenn sin-cos-Signale vorliegen, deren Phasenzustand unmittelbar
in einer festen Beziehung zur momentanen Stellung des Meßsystems steht. Das Meßverfahren
ist dann kompatibel einsetzbar.
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Ausfuhrungsbeis piel: Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Meßwertermittlung bei inkrementalen Weg- und
Winkelmeßsystemen, Fig. 2a bis d ein Impulsdiagramm der Einrichtung nach Fig. 1.
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In Fig. 1 werden ein erster Auswertekanal 1 und ein zweiter Auswertekanal
2 dargestellt. Der erste Auswertekanal 1 enthält einen Impulsformer 2, einen weiteren
Impulsformer 4, eine Impulsauswertung 5 und einen Impulszähler 6. Der zweite Auswertekanal
2 besteht aus einer Phasenauswertung 7, einem Impulszähler 8 und einer Steuerschaltung
9.
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Dem ersten Auswertekanal 1 und zugleich auch dem zweiten Auswertekanal
2 werden die um 900 zueinander phasenversetzten und die Verschiebe- bzw. Verdrehinformation
enthaltenden Signale sin<£at und coew t t zugeführt. Im ersten Auswertekanal
1 wird das Signal sinw t dem Impulsformer 3 und das Signal cosw t dem Impulsformer
4
zugeführt. Die Ausgangssignale dieser Impulsformer 3 und 4 sind
in Fig. 2 als Rechtecksignale a und b dargestellt.
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In der Impuls auswertung 5 werden aus den Flanken dieser Rechtecksignale
a und b Zählimpulse c gebildet. Zusätzlich wird dort eine Richtungsinformation gewonnen,
damit entschieden werden kann, ob die Zählimpulse dem mit + gekennzeichneten vorwärtszählenden
oder dem mit - gekennzeichneten rückwärtszählenden Eingang des Impulszählers 6 zugeschaltet
werden. Der Impuls zähler 6 enthält dadurch die Grobinformation über die momentane
Stellung des Meßsystems.
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Im zweiten Auswertekanal 2 wird in der Phasenauswertung 7 der momentane
Phasenzustand der beiden Eingangssignale ausgewertet. Dazu wird in der Phasenauswertung
7 ein hochfrequentes Meßsignal erzeugt. Dieses Meßsignal ist gegenüber einem gleichfrequenten
Bezugssignal phasenverschoben. Die Größe der Phasenverschiebung ist linear abhängig
vom Absolutwert des Phasenzustandes der Signale sincj t und com cm t. Der Proportionalitätsfaktor
kann willkürlich gewählt werden. Im beschriebenen Beispiel wird er so bemessen,
daß bei einer Änderung der Phasenlage der Signale sinW t und com cm t sich die Phase
des hochfrequenten Meßsignals gegenüber dem gleichfrequenten Bezugssignal um den
Phasenwinkel 2 j7 ändert. Der Verlauf der Phasenumwandlung wird in Fig. 2d dargestellt.
Auf der Abszisse wird der Phasenzustand der Signale sin S t und cos M t aufgetragen,
während die Ordinate die Phasenverschiebung der hochfrequenten Meßsignale zeigt.
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Die Phasenauswertung 7 enthält auch eine elektronische Zeitmeßeinrichtung
zur Auswertung der Phasenverschiebung der phasenmodulierten Meßsignale gegenüber
den gleichfrequenten Bezugs signalen. Im dargestellten Ausfahrungsbeispiel wird
die Phasendifferenz zwischen beiden Trägerschwingungen periodisch durch Taktimpulse
ausgezählt. Es wäre auch möglich, die in der Phasendi4ferenz enthaltene Information
über die momentane Stellung des Meßwertgebers in Form eines analogen Spannungs-
oder Stromsignales auszuwerten. Die in der Phasenauswertung 7 gebildeten und periodisch
auagegebenen Taktimpulse werden dem Impulazähler 8 zur Gewinnung
der
Feininformation übergeben, Dieser Impuiszähler 8 wird jeweils vor dem Einzählen
der Taktimpulse durch die Steuerschaltung 9 gelöscht. Das dazu erforderliche Steuersignal
wird in der Phasenauswertung 7 aus der Vergleichsschwingung gebildet. In einer Informationsverwertung
10 wird die Feininformation des Impulszählers 8 periodisch abgerufen und mit der
Grobinformation des Impuls zählers 6 zu einer kompletten und fein unterteilten Information
über die momentane Stellung der Maßverkörperung eines Weg- oder Winkelmeßsystems
vereinigt. Die weitere Verarbeitung dieser Information erfolgt dann gegebenenfalls
noch in der Informationsverwertung 10 oder in weiteren nicht dargestellten Verarbeitungsstufen.
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