DE4420551A1 - Positionsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung eines elektrischen Signals, das der Stellung eines Objektes entspricht, das relativ zu einer Basis translato­ risch oder rotatorisch bewegbar ist, wobei durch optisches Abtasten von bei einer Bewegung des Objektes periodisch wiederkehrenden Markierungen mittels zweier um ein Viertel der Abtastperiode gegeneinander versetzter Sensoren analoge Spannungssignal A, und B, erzeugt und in einer Auswer­ teschaltung mit Komparatoren in digitale Signale A und B (Quadratursignal) umgesetzt werden.

Bei derartigen Vorrichtungen wird die Position eines beweglichen Objekts relativ zu einer Basis durch ein Zähl­ wert repräsentiert. Eine umkehrbar eindeutige Zuordnung zwischen Position und Zählwert ist auf Dauer aber nur gege­ ben, wenn zusätzliche Bedingungen erfüllt sind. So muß der bei einer Außerbetriebnahme letzte Zählwert unverlierbar abgespeichert werden und außerdem sichergestellt sein, daß das Objekt seine Position bei abgeschaltetem Zählwerk nicht ändern kann. Alternativ kann man auch vorsehen, daß bei Inbetriebnahme stets von einer bestimmten Position und einem zugehörigen Zählwert ausgegangen wird. Das ist aber nicht immer möglich oder mit erheblichem Aufwand verbunden, weil im Rahmen einer Lernroutine zunächst die bestimmte Position angefahren, selbsttätig ermittelt und das Zählwerk auf den Anfangswert eingestellt werden muß, bevor die eigentliche Inbetriebnahme erfolgen kann. Außerdem lassen sich damit Zählfehler, die während des Betriebes auftreten, nicht kompensieren.

Man hat daher schon vorgeschlagen, zusätzlich zu den peri­ odisch wiederkehrenden Markierungen eine Indexmarkierung vorzusehen, mit der über den gesamten Stellbereich eine Mehrzahl von Absolutwerten der Position feststellbar ist, bzw. mit der das inkrementale Addieren und Subtrahieren an definierten Stützstellen überprüft und ggf. korrigiert wer­ den kann (vgl. DE 40 41 491 A, DE 42 17 168 A1).

Mit keiner der bekannten Maßnahmen läßt sich jedoch fest­ stellen, ob die periodisch wiederkehrenden Markierungen oder die Index-Markierungen mit der Zeit ihre Unterschei­ dungskraft verlieren. So können sich beispielsweise bei der weit verbreiteten Markierung durch lichtdurchlässige Schlitze im Wechsel mit lichtundurchlässigen Stegen die Schlitze durch verschleißbedingte Ablagerungen ganz oder teilweise zusetzen, so daß die Lichtsignale schwächer wer­ den oder ganz ausfallen. Dadurch können einzelne oder meh­ rere Zählimpulse verlorengehen, so daß die Zuordnung von Position und Zählwert verfälscht wird. Derselbe Fehler kann auftreten, wenn die verwendete Lichtquelle schwächer wird oder zeitweise oder permanent ausfällt.

Es besteht somit die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern bzw. weiterzuent­ wickeln, daß die vorstehend genannten Nachteile überwunden werden können. Insbesondere wird für sicherheitsrelevante Anwendungen eine automatische Funktionsüberwachung ange­ strebt, die bei auftretenden Veränderungen, d. h. bei einer Schwächung bzw. einem Ausfall des Lichtempfangs bei den Sensoren die Erzeugung eines Signals gestattet, das zur Anzeige eines Fehlers oder zu einem sicherheitstechnischen Eingriff in ein Regelsystem geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschla­ gen, daß zur Erzeugung eines digitalen Prüfsignals S zusätzlich eine Summierschaltung vorgesehen ist, mittels derer die Spannungssignale A, und B, addiert und in einem Komparator mit einem Schwellwert verglichen werden können.

Dem liegt die Erwägung zugrunde, daß die Summe allen ein­ fallenden Lichtes bei periodisch wiederkehrenden Markierun­ gen und einem sich über eine volle Periode erstreckenden Meßfenster in jeder Position des Objektes gleich ist und daß man bei einem Vergleich des entsprechenden elektrischen Signals mit einem vorgegebenen Schwellwert auf verhältnis­ mäßig einfache Weise Einbußen beim Lichtempfang feststellen kann. Dabei hat man es in der Hand, den Schwellwert nahe bei 100% des Lichteinfalls oder aber wesentlich niedriger zu wählen und so auf Betriebsbedingungen mit unterschied­ lichen Verschmutzungsraten einzugehen.

Der Erfindungsgedanke ist ohne weiteres auch auf Vorrich­ tungen mit einer Index-Markierung anwendbar, vorausgesetzt, die Index-Markierung ist so angeordnet, daß man in jeder Position ein analoges Spannungssignal I und ein dazu kom­ plementäres Signal erhält, was nichts anderes bedeutet, daß deren Summe in jeder Position des Objektes den gleichen Wert ergibt.

Selbstverständlich ist es ferner möglich, sowohl die peri­ odisch wiederkehrenden Markierungen und die Index-Markie­ rungen zur Erzeugung eines digitalen Prüfsignals heranzu­ ziehen und dazu sämtliche analogen Spannungssignale zu sum­ mieren und die Summe mit einem Schwellwert zu vergleichen.

Die periodisch wiederkehrenden Markierungen bestehen zweck­ mäßigerweise aus einer Folge von gleichbreiten lichtdurch­ lässigen Schlitzen und lichtundurchlässigen Stegen. Für die Index-Markierungen kann man in an sich bekannter Weise eine erste Folge von verschieden breiten Schlitze und Stegen und einer zweiten Folge von verschieden breiten Stegen und Schlitzen vorsehen, wobei zur Erzielung komplementärer Signale jedem Schlitz und jedem Steg der erstene Folge ein gleich breiter Steg und Schlitz der zweiten Folge gegen­ überstehen.

Die Index-Markierungen bestehen zweckmäßigerweise aus äqui­ distanten Start/Stop-Zeichen und dazwischen angeordneten Kodierzeichen oder aus Gruppen von n aufeinanderfolgenden Zeichen "0" und n aufeinanderfolgenden Zeichen "1", wobei die aufeinanderfolgenden Gruppen sich je nach Bewegungs­ richtung von der Gruppe n durch n+1 bzw. n-1 Zeichen unter­ scheiden. Für eine drehende Bewegung des Objektes sind die Markierungen vorteilhafterweise auf einer Scheibe angeord­ net.

Das Prüfsignal S kann gemäß Aufgabenstellung zur Ermittlung von durch Verschmutzung zugesetzten Schlitzen oder anderweitig verursachten "Unterbelichtungen" benutzt wer­ den. Es kann aber auch zur Ermittlung des Endes und/oder des Anfangs eines geschlitzten bzw. nicht geschlitzten Teilbereichs genutzt werden, wenn die Markierung einen nicht geschlitzten Teilbereich aufweist. In diesem Bereich entspricht der Summenwert dem Wert, der bei Ausfall der Beleuchtung anfällt. Ende oder Anfang eines geschlitzten Teilbereichs können in Verbindung mit der Erzeugung eines Prüfsignals auch dazu benutzt werden, die Markierung bei der Montage mit Bezug auf die zugehörige Position des beweglichen Objekts zu justieren.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann man im Anschluß an die Summierschaltung zwei oder mehr Kompara­ toren mit unterschiedlichen Schwellwerten vorsehen und anstelle eines digitalen Prüfsignals S ein digitales Warn­ signal W und ein digitales Fehlersignal F erzeugen. Ferner ist es möglich, daß die Spannungssignale I und I in einer Auswerteschaltung mit Komparator ebenfalls in ein digitales Signal I umgesetzt werden. Schließlich ist es möglich, die digitalen Signale A, B, I und S bzw. W und F einem D/A-Wandler zuzuführen, mit dem alle Signale in einer nur noch eine Signalleitung benötigendes spannungscodiertes Signal umwandelbar sind. Alternativ kann man auch die digitalen Signale A, B und I einem ersten D/A-Wandler und die Signale S bzw. W und F einem zweiten D/A-Wandler zuführen und die beiden Signalgruppen über zwei Signalleitungen weiterlei­ ten. Die zweite Signalleitung bedeuten zwar Mehraufwand, ergibt aber auch eine wesentlich höhere Betriebssicherheit.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgedankens werden anhand des in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung das Funktions­ schema einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Fig. 2 zeigt das Funktionsschema einer Vorrichtung gemäß Anspruch 12,

Fig. 3 zeigt eine erste Position der Sensoren relativ zu einer Schlitz-Markierung,

Fig. 4 zeigt eine zweite, gegenüber Fig. 3 um eine Vier­ tel-Periode verschobene Position der Sensoren,

Fig. 5 zeigt den Verlauf der analogen Spannungen A und A über dem Weg und die zugehörigen digitalen Signale A,

Fig. 6 zeigt den Verlauf der analogen Spannungen B, B mit den zugehörigen digitalen Signalen B.

Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel enthält gemäß Fig. 1 eine Leuchtdiode 1, die über die Leitungen 18 und 19 mit einer Spannungsquelle verbunden ist, eine Linse 2, einen beweglichen Markierungsträger 3 mit gleich breiten licht­ durchlässigen Schlitzen 4 und lichtundurchlässigen Stegen 5 und eine Blende oder ein Fenster 6, dessen Breite gleich der Breite von einem Schlitz und einem Steg ist und damit einer Abtast-Periode entspricht. Die Vorrichtung enthält ferner vier Dioden 7 bis 10, die jeweils ein Viertel der Periode abdecken und eine dem einfallenden Licht proportio­ nale Spannung erzeugen (siehe auch Fig. 5 und 6) sowie eine Auswerteschaltung 11, eine Summierschaltung 14, Komparato­ ren 12, 13, 15, einen Schwellwertgeber 16 und einen D/A-Wandler 17, mit dem die digitalen Signale A, B und S span­ nungscodiert werden, damit für die Übertragung nur noch eine Signalleitung 20 erforderlich ist.

Bei einer Bewegung des Markierungsträger in eine der Rich­ tungen des Doppelpfeiles ändert sich der Lichteinfall in die einzelnen Dioden 7 bis 10 linear zwischen einem klein­ sten Wert 0 und einem größten Wert 1 ist und wieder bis zu einem kleinsten Wert 0 usw., mit entsprechenden Änderungen der zugehörigen analogen Spannung A, , B und , die mittels der Auswertschaltung 11 und den Komparatoren 12 und 13 in digitale Signale A und B umgewandelt werden.

Erfindungsgemäß werden alle vier analogen Spannungen A, , B und außerdem der Summierschaltung 14 zugeführt und ihre Summe im Komparator 15 mit einem Schwellwert 16 verglichen. Dementsprechend erhält man ein digitales Prüfsignal S der Größe 0 oder 1. Alle digitalen Signale A, B und S können mittels des D/A-Wandlers 17 in spannungscodierte Signale umgewandelt werden und über eine einzige Signalleitung 20 einer Auswertung zugeführt werden.

In Fig. 2 sind die Dioden 7 bis 10 durch zwei weitere Dioden 21 und 22 für eine analoge Index-Spannung I und I ergänzt, wobei für die Index-Markierungen zur Gewinnung komplementärer Signale zwei gesonderte Spuren mit zugehöri­ gem Fenster (nicht dargestellt) vorzusehen sind. Die analo­ gen Spannungen I und I werden wie die analogen Spannungen A, A, B und B der Auswertschaltung 11 zugeführt und im Kom­ parator 23 in ein digitales Signal I umgewandelt.

Alle analogen Spannungen werden erfindungsgemäß außerdem der Summierschaltung 14 zugeführt und die sich ergebende Spannungssumme in den Komparatoren 24 und 25 mit zwei unterschiedlichen Schwellwerten verglichen. Als Ergebnis erhält man ein digitales Warnsignal W oder ein digitales Fehlersignal F. Letztere können wie dargestellt über einen gesonderten D/A-Wandler 26 über eine zweite Signalleitung 27 einer Auswertung zugeführt werden, wenn insoweit eine höhere Sicherheit angestrebt wird. Sie könnten aber auch den D/A-Wandler 17 zugeführt werden, wenn man sich auf eine Signalleitung 20 beschränken will.

Fig. 3 zeigt ein Fenster 6 mit 4 Reihen von Dioden 7 bis 10 und einem Schlitz 4 der periodisch wiederkehrenden Markie­ rung, der relativ zum Fenster so steht, daß die beiden mittleren Diodenreihen 8 und 9 voll belichtet sind, während die beiden äußeren Diodenreihen 7 und 10 im Schatten der Stege der Markierung liegen. Die Verknüpfung der Dioden­ ausgänge ist so gewählt, daß von 100% Lichteinfall bzw. Spannungserzeugung am oberen Eingang zum Komparator 12 0% und am unteren Eingang 50% anfallen. Am oberen und unteren Eingang des Komparators 13 fallen bei der dargestellten Position je 25% an. Daraus ergeben sich an den Komparator­ ausgängen die digitalen Signale A und B und die rechts daneben angegebenen Schaltzustände.

In Fig. 4 ist der Schlitz 4 relativ zum Fenster 6 um ein Viertel der Fensterbreite, d. h. um eine Diodenreihe bzw. ein Viertel der Periode weiter nach rechts verschoben. In dieser Position liegen an den Eingängen des oberen Kompara­ tors 12 je 25% und an den Eingängen des unteren Komparators oben 0 und unten 50% an. Daraus resultierenden die rechts daneben dargestellten Schaltzustände.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, daß man selbstverständ­ lich auch nur je einer Diode 7 bis 10 auskommen kann. Aus Redundanzgründen sind im dargestellten Beispiel aber je vier Dioden vorgesehen. Die Betriebssicherheit kann weiter dadurch erhöht werden, daß man nebeneinander zwei oder mehr Fenster mit einer entsprechenden Anzahl von Dioden anordnet und die anfallenden Spannungen einer gemeinsamen Auswertung zuführt, wobei in allen Positionen über die Summierschal­ tung unter normalen Lichtverhältnis ein 100%-Signal erhal­ ten wird. Abweichungen davon werden erfindungsgemäß festge­ stellt und ergeben wahlweise ein Prüfsignal S oder ein Warnsignal W und ein Fehlersignal F.

Die Fig. 5 und 6 zeigen noch, wie sich die analogen Spannungssignale A, sowie B und bei einer Bewegung der periodisch wiederkehrenden Markierung relativ zum Fenster ändern, und jeweils im oberen Teil, welche Schaltzustände die digitalen Signale A und B dabei einnehmen. Dadurch, daß die periodisch wiederkehrenden Signale A um eine Viertel-Periode gegenüber den Signalen B versetzt sind, läßt sich außer dem Zählwert auch noch das Vorzeichen der Zählung bzw. eine Information über die Bewegungsrichtung ermitteln.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das der Stellung eines Objektes entspricht, das rela­ tiv zu einer Basis translatorisch oder rotatorisch bewegbar ist, wobei durch optisches Abtasten von bei einer Bewegung des Objektes periodisch wiederkehrenden Markierungen mittels zweier um ein Viertel der Abtast­ periode gegeneinander versetzter Sensoren analoge Spannungssignale A, und B, erzeugt und in einer Auswertschaltung (11) mit Komparatoren (12, 13) in digitale Signale A und B, (Quadratursignal) umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines digitalen Prüfsignals S zusätzlich eine Summier­ schaltung (14) vorgesehen ist, mittels derer die Span­ nungssignale A, und B, addiert und in einem Komparator (15) mit einem Schwellwert (16) verglichen werden können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, jedoch mit der Maßgabe, daß eine Indexmarkierung vorgesehen ist, mittels derer in jeder Position des Objektes ein analoges Spannungs­ signal I und ein dazu komplementäres Spannungssignal erzeugt werden kann und daß die Spannungssignale I und einer Summierschaltung (14) zuführbar sind und die Summe in einem Komparator (15) mit einem Schwellwert (16) vergleichbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, jedoch mit der Maßgabe, daß sowohl eine periodisch wiederkehrende Markierung als auch eine Index-Markierung vorgesehen ist und daß die Spannungssignale beider Markierungen summiert und mit einem Schwellwert verglichen werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die periodisch wiederkehrenden Markie­ rungen aus einer Folge von gleichbreiten lichtdurch­ lässigen Schlitzen (4) und lichtundurchlässigen Stegen (5) bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Index-Markierungen aus einer ersten Folge von verschieden breiten Schlitzen und Stegen und einer zweiten Folge von verschieden breiten Stegen und Schlitzen bestehen, wobei jedem Schlitz und jedem Steg der ersten Folge ein gleich breiter Steg und Schlitz der zweiten Folge gegenübersteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Indexmarkierungen aus äquidistanten Start/Stop-Zeichen und dazwischenliegenden Codierzei­ chen bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Indexmarkierungen aus Gruppen von n aufeinan­ derfolgenden Zeichen "0" und n aufeinanderfolgenden Zeichen "1" bestehen und daß sich aufeinanderfolgende Gruppen je nach Bewegungsrichtung von der Gruppe n durch n-1 bzw. n+1 Zeichen unterscheiden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen (4, 5) auf einer mit dem Objekt der drehbaren Scheibe (3) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfsignal S zur Ermittlung von durch Verschmutzung zugesetzten Schlitzen (4) oder anderweitig verursachter "Unterbelichtung" benutzt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung einen nicht geschlitzten Teilbereich aufweist und daß das Prüfsi­ gnal S zur Ermittlung des Endes und/oder des Anfangs der geschlitzten bzw. nicht geschlitzten Teilbereiche benutzt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Summierschal­ tung (14) zwei oder mehr Komparatoren (24, 25) mit unterschiedlichen Schwellwerten vorgesehen sind und daß anstelle eines digitalen Prüfsignals S ein digita­ les Warnsignal W und ein digitales Federsignal F und ggf. weitere Signale erzeugbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssignale I und in einer Auswerteschaltung (11) mit Komparator (23) eben­ falls in ein digitales Signal I umsetzbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale A, B, E und S bzw. W und F einem D/A-Wandler (17) zuführbar sind, mit dem alle Signale in eine nur noch eine Signallei­ tung (20) benötigendes spannungscodiertes Signal umwandelbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale A, B und E einem ersten D/A-Wandler (17) und die Signale S bzw. W und F einem zweiten D/A-Wandler (26) zuführbar sind und daß die beiden Signalgruppen über zwei Signallei­ tungen (20, 27) weitergeleitet werden.