DE4430392A1 - Absolute position indicator of turning or translation movement of machine part - Google Patents
Absolute position indicator of turning or translation movement of machine partInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht auf einen Absolutstellungsgeber zur Er fassung der Stellung eines dreh- oder translationsbeweglichen Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derarti ge Geber dienen dem Zweck, die Winkelstellung eines rotieren den Bauteils, z. B. einer Welle oder von mit dieser drehfest verbundenen Komponenten, oder die Translationsstellung eines z. B. von einem zugehörigen, linearbewegenden Stellmotor translationsbeweglich angetriebenen Bauteils zu erfassen.The invention relates to an absolute encoder for Er setting the position of a rotating or translational Component according to the preamble of claim 1. Derarti ge encoders serve the purpose of rotating the angular position of a the component, e.g. B. a shaft or rotatable with this connected components, or the translation position of a e.g. B. from an associated linear moving actuator Detect component driven by translation.
Ein Absolutwinkelstellungsgeber dieser Art ist beispielsweise aus der DE 41 11 562 A1 bekannt. Als elektromagnetische Ab taststrahlung wird dort z. B. sichtbares Licht verwendet, das von Leuchtdioden erzeugt wird. Als strukturierte Blendenele mente dienen Impulsscheiben, die auf mehreren koaxialen Kreisringen jeweils in spezifischer Weise codiert, d. h. mit einer Abfolge lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger Be reiche versehen sind, z. B. in einem Gray-Code. Jeder codierte Kreisring repräsentiert einen Informationskanal, dem ein LED-Sender auf der einen Seite der Impulsscheibe und ein zugehö riger Fotoempfänger auf der gegenüberliegenden Impulsschei benseite zugeordnet ist. Die von den Fotoempfängern erfaßten optischen Signale werden in elektrische Signale umgewandelt und in einer nachfolgenden elektrischen Schaltung ausgewer tet. Neben einem Getriebe aus gleichzeitig als Impulsscheiben gestalteten Zahnrädern, welches die Erfassung von Mehrfachum drehungen erlaubt, besitzt der dortige Geber als weitere Ge berstufe die übliche, einzelne Impulsscheibe zur Bestimmung der Winkelstellung innerhalb einer Umdrehung der die Impuls scheibe drehfest haltenden Welle, welche andererseits dreh fest mit dem zu messenden, drehbeweglichen Bauteil verbindbar ist. Im Meßbetrieb sind die LEDs kontinuierlich eingeschal tet, und empfängerseitig wird das für die jeweilige Winkel stellung charakteristische Muster einer in den einzelnen Ka nälen vorhandenen oder fehlenden Lichttransmission als ent sprechendes Bitmuster ausgewertet. Je höher die Auflösung für die Winkelstellungserfassung sein soll, um so schmälere Fel der mit lichtdurchlässigen bzw. lichtundurchlässigen Berei chen und um so mehr Informationskanäle, d. h. strichcodierte Impulsscheibenkreisringe, sind erforderlich. Die herstel lungstechnisch erreichbare Präzision der Erzeugung der lini enhaften, lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Berei che auf der Impulsscheibe sowie die erzielbare Genauigkeit bei der Auslesung der sich durch diese Linien ergebenden Si gnale begrenzt letztlich bei dieser Technologie die erreich bare Auflösung. Dasselbe gilt auch, wenn anstelle dieser be kannten Durchlichtanordnung die als Alternative ebenfalls be kannte Reflexionsanordnung gewählt wird, bei der Sender- und Empfängereinheit auf derselben Seite der Impulsscheibe ange ordnet sind und letztere in Felder mit je einem lichtdurch lässigen und einem reflektierenden Bereich unterteilt ist.An absolute angle position encoder of this type is, for example known from DE 41 11 562 A1. As electromagnetic Ab tactile radiation is there z. B. uses visible light that is generated by LEDs. As a structured aperture element elements serve pulse disks on several coaxial Circular rings each coded in a specific way, i. H. With a sequence of translucent and opaque Be rich are provided, e.g. B. in a Gray code. Everyone coded Circular ring represents an information channel, the one LED transmitter on one side of the pulse disc and an associated Photo receiver on the opposite pulse is assigned. Those captured by the photo receivers optical signals are converted into electrical signals and selected in a subsequent electrical circuit tet. In addition to a gearbox made of pulse disks designed gears, which the detection of multiple allowed rotations, the local encoder has another Ge The usual single pulse disk for determination the angular position within one revolution of the pulse disc rotatably holding shaft, which on the other hand rotates firmly connected to the rotating component to be measured is. The LEDs are switched on continuously in measuring mode tet, and on the receiver side, this is for the respective angle position characteristic pattern of one in the individual Ka existing or missing light transmission as ent speaking bit pattern evaluated. The higher the resolution for the angular position detection should be, the narrower the field the with translucent or opaque area Chen and the more information channels, d. H. bar coded Pulley disk rings are required. The manufacture Technically achievable precision of the generation of the lini adhesive, translucent and opaque area che on the pulse disc and the achievable accuracy when reading the Si resulting from these lines gnale ultimately limits the achievements with this technology clear resolution. The same also applies if instead of this be knew transmitted light arrangement which also be as an alternative Known reflection arrangement is selected in the transmitter and Receiver unit on the same side of the pulse disc are arranged and the latter in fields with one light each casual and a reflective area is divided.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel lung eines Absolutstellungsgebers der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem sich bei vergleichsweise geringem Konstruk tionsaufwand eine hohe Auflösung erzielen läßt.The invention is the technical problem of providing an absolute position encoder of the type mentioned at the beginning the basis with which with a comparatively small construct tion effort can achieve a high resolution.
Dieses Problem wird durch einen Absolutstellungsgeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Im Unterschied zu den be kannten Gebern dieser Art sind hierbei mehrere Sender in der Bewegungsrichtung des Blendenelementes hintereinanderliegend angeordnet und folglich denselben Abtastfeldern auf dem Blen denelement zugeordnet. Diese Sender sind im Meßbetrieb nicht dauernd eingeschaltet, sondern werden über eine Steuerung ge taktet mit einer vorgebbaren Frequenz ein- und ausgeschaltet, wobei die Ansteuerung für die einzelnen Sender phasenverscho ben erfolgt. Durch zeitaufgelöste Erfassung der von dem Blen denelement im Fall einer Transmissionsanordnung durchgelasse nen bzw. im Fall einer Reflexionsanordnung reflektierten Strahlung, z. B. von Leuchtdioden erzeugtem Licht, und Ver gleich eines diesbezüglichen Signals mit einem oder mehreren Ansteuersignalen für die Sender ist es damit möglich, auf die relative Lage der Senderanordnung innerhalb des Bereiches ei nes Abtastfeldes zu schließen. Daraus ergibt sich eine mit geringem Konstruktionsaufwand realisierbare Steigerung des Auflösungsvermögens bei der Absolutstellungserfassung. An stelle einer immer feineren Strukturierung des Blendenelemen tes tritt eine spezifische, zeitliche Diskretisierung der ab tastenden Strahlung derart, daß der zeitliche Verlauf der über das Blendenelement von der Empfängereinheit empfangenen Strahlung in eindeutiger Weise von der relativen Lage der Senderanordnung innerhalb eines Abtastfeldes, bestehend aus einem strahlungsdurchlässigen und einem strahlungsundurchläs sigen bzw. -reflektierenden Feldbereich, abhängt. Die Auflö sung ist daher praktisch nicht durch die begrenzte Reduzier barkeit der technisch realisierbaren Strukturabmessungen auf dem Blendenelement beschränkt, das Problem der Auflösung ist vielmehr auf die elektronische, signalerzeugende und signal auswertende Seite transferiert, wo sich eine bestimmte Auflö sung vergleichsweise einfacher erreichen läßt. Wenn über den gesamten, zu erfassenden Bewegungsbereich mehrere derartige, den getaktet betriebenen Sendern zugeordnete Abtastfelder hintereinanderliegend angeordnet sind und diese daher jeweils nur einen Teil des Bewegungsbereichs ausmachen, besitzt der Geber zweckmäßigerweise zusätzlich noch eine Stufe herkömmli cher Art mit strichcodiertem Blendenelement und im Dauerein strahlungsbetrieb arbeitender Strahlungssender- und Emp fängereinheit, um die Stellung des zu überwachenden Bauteils bis auf die Ausdehnung eines Abtastfeldes genau zu bestimmen, innerhalb dem dann der erfindungsgemäße Geberteil vollends die exakte Position ermittelt. Für eine solche unterstützende Blendenelementcodierung sind keine übermäßig feinen Struktu ren erforderlich, so daß der konstruktive Aufwand gering bleibt.This problem is solved by an absolute encoder with the Features of claim 1 solved. In contrast to the be Known donors of this type are several transmitters in the Direction of movement of the panel element one behind the other arranged and consequently the same scanning fields on the Blen associated with the element. These transmitters are not in measuring mode permanently switched on, but are ge via a controller clocks on and off at a definable frequency, the control for the individual transmitters out of phase ben takes place. By time-resolved acquisition of the Blen the element in the case of a transmission arrangement NEN or reflected in the case of a reflection arrangement Radiation, e.g. B. light generated by light emitting diodes, and Ver equal to a related signal with one or more Control signals for the transmitters are therefore possible on the relative position of the transmitter arrangement within the area ei to close the scanning field. This results in a with low construction effort realizable increase in Resolving power in absolute position detection. On place an ever finer structuring of the aperture element There is a specific, temporal discretization of the scanning radiation such that the time course of the received by the receiver unit via the aperture element Radiation clearly from the relative location of the Transmitter arrangement within a scanning field, consisting of one radiolucent and one radiopaque field or reflecting field area. The resolution solution is therefore practically not due to the limited reducer availability of the technically feasible structural dimensions limited to the aperture element, the problem of resolution rather on the electronic, signal generating and signal evaluating page transfers, where a certain resolution solution is comparatively easier to achieve. If about that entire range of motion to be recorded several such scanning fields assigned to the clocked transmitters are arranged one behind the other and therefore each make up only part of the range of motion Advantageously, the encoder also has a conventional level type with bar-coded aperture element and in permanent radiation operation working radiation transmitter and emp catcher unit to the position of the component to be monitored to determine exactly down to the extent of a scanning field, within which then the encoder part according to the invention completely the exact position is determined. For such a supportive Aperture element coding is not an overly fine structure ren required, so that the design effort is low remains.
In Weiterbildung der Erfindung ist nach Anspruch 2 die ledig lich summarische Erfassung der im zeitlichen Verlauf insge samt an der Empfängereinheit ankommenden Strahlungsmenge vor gesehen, so daß keine scharfe örtliche Trennung und damit Zu ordnung zu einem jeweiligen Sender für die empfangene Strah lung erforderlich ist, was ebenfalls konstruktiven Aufwand einspart. Der Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß aufgrund der gegenseitig phasenverschobenen Taktung der Sender selbst das Signal der insgesamt auf die Empfängerein heit auftreffenden Strahlung in seinem zeitlichen Verlauf noch in eindeutiger Weise von der Position der Senderanord nung innerhalb eines Abtastfeldes abhängig ist.In a development of the invention, the single is according to claim 2 summary recording of the total over time including the amount of radiation arriving at the receiver unit seen, so that no sharp local separation and thus Zu order for a respective transmitter for the received beam tion is required, which is also a design effort saves. The training is based on the knowledge that that due to the mutually out of phase clocking The transmitter itself sends the total signal to the receiver radiation incident in its temporal course still clearly from the position of the transmitter arrangement voltage within a scanning field.
Einer guten Auflösung ist eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 förderlich. Diese Senderanordnung bewirkt, daß in jeder Stellung des Blendenelementes jeweils nur Strah lung eines Senders insgesamt oder zweier benachbarter Sender teilweise die Empfängereinheit erreicht, die beispielsweise aus der Zeitdifferenz dieser periodisch eintreffenden Strah lung zum Ansteuerungstakt eines ausgewählten Senders ermit teln kann, die Strahlung welchen Senders bzw. welcher beiden Sender gerade empfangen wird, der bzw. die dann folglich als auf Höhe des strahlungsdurchlässigen bzw. strahlungsreflek tierenden Feldbereichs liegend erkannt werden. Dabei ist durch Auswertung des jeweiligen Anteils an von zwei Sendern eingehender Mischstrahlung auch die Erkennung von Zwischen stellungen möglich. Damit läßt sich eine Ortsauflösung erzie len, die meist deutlich höher ist als die Abmessung eines strahlungsdurchlässigen bzw. -reflektierenden Abtastfeldbe reichs. Dabei ist anzumerken, daß es bei Vorliegen mehrerer Abtastfelder nicht erforderlich ist, sämtliche Sender inner halb desselben Abtastfeldes hintereinanderliegend anzuordnen. Vielmehr können die Sender zusätzlich um ein beliebiges Viel faches der Ausdehnung eines Abtastfeldes gegeneinander ver setzt werden, wobei die gleiche Funktionsweise erhalten bleibt und ansonsten möglicherweise bestehende Schwierigkei ten bei der räumlichen Anordnung der Sender vermieden werden.A good resolution is a further development of the invention beneficial according to claim 3. This transmitter arrangement causes that only beam in each position of the diaphragm element a total of one transmitter or two adjacent transmitters partially reached the receiver unit, for example from the time difference of this periodically arriving beam to the control clock of a selected transmitter teln, the radiation of which transmitter or which two Transmitter is currently being received, which as a result at the level of the radiation-permeable or radiation reflection ting field area can be recognized horizontally. It is by evaluating the respective share of two transmitters incoming mixed radiation also the detection of intermediate positions possible. A spatial resolution can thus be achieved len, which is usually significantly higher than the dimension of one radiation-transmitting or reflecting scanning field empire. It should be noted that there are several Scanning fields are not required, all transmitters inside to be arranged in a row half of the same scanning field. Rather, the transmitters can add an arbitrary amount times the extent of a scanning field against each other ver be set, receiving the same functionality remains and otherwise possibly existing difficulties ten should be avoided in the spatial arrangement of the transmitters.
In den Ansprüchen 4 bis 6 sind drei vorteilhafte, alternative Ausgestaltungen angegeben, wobei sich die Ansprüche 4 und 5 auf die Messung an drehbeweglichen und der Anspruch 6 auf die Messung an translationsbeweglichen Bauteilen bezieht. Dabei leistet der Geber nach Anspruch 4 die Auflösung der Drehwin kelmessung innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs, bis auf den eine Stellungserfassung durch einen herkömmlich aufgebau ten Geberteil erfolgen kann, während der Geber nach Anspruch 5 der Drehwinkelerfassung über den gesamten Bereich von 360° dient.In claims 4 to 6 are three advantageous, alternative Embodiments specified, with claims 4 and 5 on the measurement of rotatable and the claim 6 on the Measurement on components that can be moved. Here the encoder performs the resolution of the rotation according to claim 4 angle measurement within a certain angular range, except for which a position detection by a conventional structure th encoder part can take place while the encoder according to claim 5 of the angle of rotation detection over the entire range of 360 ° serves.
Nach Anspruch 7 ist vorteilhafterweise vorgesehen, die Signalauswertung zur Positionserfassung dadurch vorzunehmen, daß ab einem Referenzzeitpunkt, z. B. dem Zeitpunkt des Ein schaltens eines vorbestimmten Referenzsenders, die Zeitdauer gemessen wird, bis ein von der seitdem empfangenen Strah lungsmenge abhängiges Signal einen vorgegebenen, charakteri stischen Grenzwert überschreitet. Diese Zeitdauer ist zum ei nen vergleichsweise einfach meßbar und zum anderen in eindeu tiger Weise von der jeweiligen momentanen Stellung des Blen denelementes relativ zur Senderanordnung abhängig, so daß sich aus ihr eine eindeutige Aussage über die Position des angekoppelten, beweglichen Bauteils machen läßt.According to claim 7 is advantageously provided that Carry out signal evaluation for position detection, that from a reference point in time, e.g. B. the time of on switching a predetermined reference transmitter, the time period is measured until one of the beams received since then signal dependent on the quantity specified stical limit value. This period is for egg NEN comparatively easy to measure and secondly in one the current position of the ball denelementes dependent on the transmitter arrangement, so that from it a clear statement about the position of the can make coupled, movable component.
In Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 8 ein Microcontroller vorgesehen, dessen an einem entsprechenden Ausgang abgegebenes Signal eines internen Taktgebers zur An steuerung der Sender herangezogen wird, wozu eine vorherige Frequenzteilung zweckmäßig sein kann. Es versteht sich, daß der Microcontroller gleichzeitig weitere Funktionen in dem Geber erfüllen kann. So dient in vorteilhafter Weise der Microcontroller in Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 zusätzlich zur Auswertung der Meßdaten, indem ein solcher verwendet wird, der über eine interne Zeitzähleinrichtung verfügt, mit der jeweils die Zeitdauer ab Beginn eines Taktes des internen Taktgebersignals bis zu einem darauf folgenden Pegelwechsel eines an einem zugehörigen Controllereingang an liegenden Signals erfaßt wird. Wird an diesen Eingang das von der auf die Empfängereinheit auftreffenden Strahlung abhängi ge Auswertesignal angelegt, so vermag der Microcontroller sehr präzise die Zeitdauer zwischen dem Einschaltzeitpunkt eines bestimmten Senders, der synchron mit dem Pegelwechsel des zugrundeliegenden Taktgebersignals ist, und eines Signal flankenanstiegs des aus der empfangenen Strahlung resultie renden Auswertesignals, z. B. aufgrund einer Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes nach Anspruch 7, und folglich die Position des zu überwachenden, beweglichen Bauteils zu bestimmen. Darüber hinaus kann der Microcontroller bei Bedarf auch als Auswerteeinheit für eine zusätzliche, herkömmliche Geberstufe mit einem oder mehreren, strichcodierten Blen denelementen fungieren.In a development of the invention is according to claim 8 Microcontroller provided at a corresponding Output of an internal clock signal to the on control of the transmitter is used, for which a previous Frequency division can be useful. It is understood that the microcontroller simultaneously other functions in the Donor can meet. So the serves in an advantageous manner Microcontroller in development of the invention according to claim 9 in addition to the evaluation of the measurement data by such is used, which has an internal time counter , with the length of time from the beginning of a bar of the internal clock signal up to a subsequent one Level change one at an associated controller input lying signal is detected. If at this input the from dependent on the radiation incident on the receiver unit microprocessor is capable of applying the evaluation signal the time between the switch-on time is very precise of a particular transmitter that is in sync with the level change of the underlying clock signal, and a signal flank rise of the result of the received radiation renden evaluation signals, z. B. due to an overshoot a predetermined limit according to claim 7, and consequently the position of the moving component to be monitored determine. In addition, the microcontroller can be used if necessary also as an evaluation unit for an additional, conventional one Encoder stage with one or more bar-coded balls act the elements.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:Preferred embodiments of the invention are as follows explained in more detail with reference to the drawings, in which:
Fig. 1 eine schematische, hälftige Draufsicht auf eine in einem Geber angeordnete Impulsscheibe sowie die zuge ordnete Lichtsendereinheit, Fig. 1 is a schematic, plan view of a hälftige arranged in an encoder pulse disc and the associated light transmitter unit,
Fig. 2 eine schematische, hälftige Seitenansicht der Impuls scheibe nach Fig. 1 mit zugeordneter Lichtsender- und Lichtempfängereinheit, Fig. 2 is a schematic, side view of the hälftige pulse disc of FIG. 1 with an associated light transmitter and light receiver unit,
Fig. 3 die zeitlichen Signalverläufe für die vier LEDs der Lichtsendereinheit der Fig. 1 und 2 sowie des Aus gangssignals einer in Fig. 4 gezeigten Signalverar beitungsstufe,A transition signal beitungsstufe Fig. 3 shows the temporal waveforms of the four LEDs of the light emitter unit of Figs. 1 and 2 and of the off in Fig. 4 shown Signalverar,
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild relevanter elektro nischer Komponenten des Gebers nach den Fig. 1 bis 3, Fig. 4 is a schematic block diagram of relevant elec tronic components of the encoder of Figs. 1 to 3,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel einer Im pulsscheibe und einer zugehörigen Anordnung von ge taktet betriebenen, lichtemittierenden Sendern für einen Absolutwinkelstellungsgeber und Fig. 5 is a plan view of another example of a pulse disc and an associated arrangement of ge clocked, light-emitting transmitters for an absolute angle encoder and
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Linearschiene als struktu riertes Blendenelement und eine zugehörige Anordnung von vier getaktet ansteuerbaren, lichtemittierenden Sendern für einen Geber zur Erfassung der absoluten Position eines translationsbeweglichen Bauteils. Fig. 6 is a plan view of a linear rail as a structured diaphragm element and an associated arrangement of four clocked, light-emitting transmitters for a transmitter for detecting the absolute position of a translatable component.
In Fig. 1 ist eine Impulsscheibe (1) als strukturiertes Blen denelement sowie eine Lichtsenderanordnung aus vier LEDs (5, 6, 7, 8) gezeigt, die Teil eines Absolutstellungsgebers zur Erfassung der Position eines drehbeweglichen Bauteils sind. Die drehfest mit dem zu überwachenden, drehbeweglichen Bau teil verbindbare Impulsscheibe (1) weist einen Kreisringbe reich auf, der in 32 gleiche Abtastfeldsektoren (2) aufge teilt ist, die jeweils aus einem lichtundurchlässigen Bereich (3) und einem lichtdurchlässigen Bereich (4) bestehen, wobei diese Bereiche in Drehrichtung alternierend angeordnet sind. Dabei ist die Winkelbreite (b2) der lichtundurchlässigen Be reiche (3) dreimal so groß wie diejenige (b1) der lichtdurch lässigen Bereiche (4), so daß also die Winkelbreite (b3 = b1 + b2) eines Abtastfeldes (2) 11,25°, diejenige (b1) eines lichtdurchlässigen Bereichs (4) ein Viertel dieses Wertes und diejenige (b2) der lichtdurchlässigen Bereiche (3) drei Vier tel dieses Wertes betragen. Die LED-Sender (5 bis 8) sind sämtlich innerhalb dieses in die Abtastfelder (2) unterteil ten Impulsscheibenkreisrings auf einer Seite der Impulsschei be (1) dergestalt in Drehrichtung hintereinanderliegend ange ordnet, daß der in Drehrichtung projizierte Abstand (ds) be nachbarter Sender etwa gleich der Winkelbreite (b1) eines lichtdurchlässigen Feldbereichs (4) ist, so daß die gesamte Senderanordnung (5 bis 8) sich gerade über die Winkelbreite (b3) eines Abtastfeldes (2) erstreckt. Sollte die in Fig. 1 gezeigte räumliche Anordnung der vier Sender (5 bis 8) inner halb desselben Abtastfeldes (2) Schwierigkeiten aufgrund räumlicher Enge bereiten, so kann jeder beliebige dieser Sen der (5 bis 8) anstatt an der gezeigten Stelle um ein ganzzah liges Vielfaches der Abtastfeldwinkelbreite (b3) versetzt in nerhalb des Impulsscheibenkreisrings angeordnet werden, ohne daß sich die unten näher erläuterte Funktionsweise ändert. Anstelle von sichtbarem Licht ist z. B. alternativ Infrarot strahlung verwendbar.In Fig. 1, a pulse disk ( 1 ) as a structured Blen denelement and a light transmitter arrangement of four LEDs ( 5 , 6 , 7 , 8 ) is shown, which are part of an absolute position sensor for detecting the position of a rotatable component. The rotatable with the monitored, rotatable construction part connectable pulse disc ( 1 ) has a Kreisringbe rich, which is divided into 32 identical scanning field sectors ( 2 ), each consisting of an opaque area ( 3 ) and a translucent area ( 4 ) , these areas being arranged alternately in the direction of rotation. The angular width (b2) of the opaque areas ( 3 ) is three times as large as that (b1) of the translucent areas ( 4 ), so that the angular width (b3 = b1 + b2) of a scanning field ( 2 ) 11.25 °, that (b1) of a translucent area ( 4 ) is a quarter of this value and that (b2) of the translucent areas ( 3 ) is three fourths of this value. The LED transmitters ( 5 to 8 ) are all within this in the scanning fields ( 2 ) subdivided th pulse disc ring on one side of the pulse disc ( 1 ) so arranged in the direction of rotation one behind the other that the projected in the direction of rotation distance (ds) be adjacent transmitter is approximately equal to the angular width (b1) of a translucent field area ( 4 ), so that the entire transmitter arrangement ( 5 to 8 ) extends just over the angular width (b3) of a scanning field ( 2 ). If the spatial arrangement of the four stations shown in Fig. 1 (5 to 8) (2) Difficulties are inner half of the same scanning field due to spatial tightness, so, any of these Sen can instead (5 to 8) at the location shown to a ganzzah The multiple of the scanning field angle width (b3) can be offset within the pulse disk circular ring without changing the mode of operation explained in more detail below. Instead of visible light, e.g. B. Alternatively, infrared radiation can be used.
In der Seitenansicht von Fig. 2 ist die der Sendereinheit (5 bis 8) auf der gegenüberliegenden Seite der Impulsscheibe (1) zugeordnete Empfängereinheit (9) zu erkennen, die vier einzel ne Fotodioden (10, 11, 12, 13) beinhaltet, welche jeweils ei ner LED (5 bis 8) zugeordnet sind, um das von letzterer er zeugte Licht zu erfassen, falls dazwischen gerade ein licht durchlässiger Feldbereich (4) der Impulsscheibe (1) liegt. Die Ausgänge der vier Fotodioden (10 bis 13) sind additiv zu einem gemeinsamen Signalausgang (14) zusammengefaßt, über den jeweils ein Signal abgegeben wird, das der Summe des von den vier Fotodioden (10 bis 13) insgesamt empfangenen Lichtes entspricht.In the side view of Fig. 2, the transmitter unit ( 5 to 8 ) on the opposite side of the pulse disk ( 1 ) assigned to the receiver unit ( 9 ) can be seen, which contains four individual ne photodiodes ( 10 , 11 , 12 , 13 ), which ei ner LEDs ( 5 to 8 ) are assigned to detect the light generated by the latter if there is a translucent field area ( 4 ) of the pulse disk ( 1 ) in between. The outputs of the four photodiodes ( 10 to 13 ) are combined to form a common signal output ( 14 ), via which a signal is emitted which corresponds to the total of the light received by the four photodiodes ( 10 to 13 ).
Der Geber, welcher die erläuterten Komponenten von Impuls scheibe (1), Lichtsendereinheit (5 bis 8) und Lichtempfänge reinheit (9) beinhaltet, besitzt außerdem einen herkömmlichen und daher nicht gezeigten und nicht näher zu beschreibenden Geberteil, mit welchem die Stellung des angekoppelten drehbe weglichen Bauteils bis auf die Winkelbreite (b3) eines Ab tastfeldes (2) bestimmt wird, wobei im Bedarfsfall die her kömmliche Geberstufe so aufgebaut sein kann, daß auch Mehr fachumdrehungen des drehbeweglichen Bauteils erfaßt werden. Hierzu kann der Geber eine von der in den Fig. 1 und 2 ge zeigten Geberstufe vollständig getrennte Stufe aufweisen, die herkömmliche Stufe kann jedoch auch in diese Stufe integriert sein, indem auf der Impulsscheibe (1) in nicht gezeigter Wei se weitere Kreisringzonen mit herkömmlicher Strichcodestruk turierung, z. B. in einem Gray-Code, vorgesehen sind, denen entsprechende, herkömmliche Lichtsender- und Lichtempfänger einheiten zugeordnet sind, bei denen im Meßbetrieb von den Sendern kontinuierlich Licht auf die Impulsscheibe einge strahlt wird.The encoder, which includes the components of the pulse disc ( 1 ), light transmitter unit ( 5 to 8 ) and light receiver unit ( 9 ), also has a conventional and therefore not shown and not to be described encoder part, with which the position of the coupled rotary movable component up to the angular width (b3) of a touch panel ( 2 ) is determined, and if necessary the conventional transmitter stage can be constructed such that multiple revolutions of the rotatable component are also detected. For this purpose, the encoder can have a completely separate stage from the one shown in FIGS . 1 and 2, the conventional stage can, however, also be integrated into this stage by using additional circular ring zones with conventional ones on the pulse disk ( 1 ) in a manner not shown Barcode structuring, e.g. B. in a Gray code, are provided, which corresponding conventional light transmitter and light receiver units are assigned, in which light is continuously emitted from the transmitters on the pulse disk in measurement mode.
Der in den Fig. 1 und 2 skizzierte Geberteil leistet dann zu sammen mit der nachfolgend erläuterten, getakteten LED-Ansteuerung und einer geeigneten Auswertung der Signale am Empfängerausgang (14) eine genauere Auflösung der Drehwinkel stellung innerhalb der Winkelbreite (b3) eines Abtastfeldes (2). Das zugehörige Funktionsprinzip wird anhand der Signal verläufe in Fig. 3 erklärt. Die vier LEDs (5 bis 8) werden von einer hierfür vorgesehenen Steuereinheit gemäß der in Fig. 3 gezeigten, obersten vier Signalverläufe im Meßbetrieb getaktet ein- und ausgeschaltet, wobei das Signal (25) die LED (5), das Signal (26) die LED (6), das Signal (27) die LED (7) und das Signal (28) die LED (8) beaufschlagen. Ohne Be schränkung der Allgemeinheit sei angenommen, daß der hohe Si gnalpegel einer eingeschalteten und der niedrige Signalpegel einer ausgeschalteten LED entspricht. Wie aus Fig. 3 zu er kennen, werden alle LEDs (5 bis 8) mit derselben Taktfrequenz und demselben Austastverhältnis von 1 : 1 angesteuert, wobei jedoch die Taktsignale für die LEDs (5 bis 8) angefangen von der in Fig. 1 am weitesten links befindlichen LED (5) in Drehrichtung von der einen zur nächsten LED fortschreitend jeweils um 90°, d. h. eine viertel Periodendauer, phasenver schoben sind. Wenn demgemäß, wie in Fig. 3 dargestellt, zu einem Referenzzeitpunkt t₀ die linke LED (5) eingeschaltet wird und sich dieser Einschaltvorgang nach Ablauf einer Takt periodendauer T zu einem Zeitpunkt t₁ = t₀+T wiederholt, so folgen die Einschaltzeitpunkte der übrigen LEDs nach dem Re ferenzzeitpunkt (t₀) zu den Zeitpunkten t₂ = t₀+T/4, t₃=t₀+T/2 und t₄ = t₀+3T/4).The encoder part outlined in FIGS . 1 and 2 then, together with the clocked LED control explained below and a suitable evaluation of the signals at the receiver output ( 14 ), provides a more precise resolution of the angle of rotation position within the angular width (b3) of a scanning field ( 2 ). The associated functional principle is explained on the basis of the signal curves in FIG. 3. The four LEDs ( 5 to 8 ) are clocked on and off by a control unit provided for this purpose in accordance with the uppermost four signal curves shown in FIG. 3, the signal ( 25 ) the LED ( 5 ), the signal ( 26 ) the LED ( 6 ), the signal ( 27 ) act on the LED ( 7 ) and the signal ( 28 ) on the LED ( 8 ). Without restricting generality, it is assumed that the high signal level corresponds to an on and the low signal level corresponds to an off LED. As can be seen from FIG. 3, all LEDs ( 5 to 8 ) are driven with the same clock frequency and the same blanking ratio of 1: 1, but the clock signals for the LEDs ( 5 to 8 ) starting from the one in FIG. 1 are the furthest LED ( 5 ) on the left in the direction of rotation progressively shifted from one to the next LED by 90 °, ie a quarter period, phase shifted. Accordingly, if, as shown in Fig. 3, the left LED ( 5 ) is switched on at a reference time t₀ and this switch-on process is repeated after a clock period T at a time t₁ = t₀ + T, then the switch-on times of the other LEDs follow the reference time (t₀) at times t₂ = t₀ + T / 4, t₃ = t₀ + T / 2 and t₄ = t₀ + 3T / 4).
Empfängerseitig wird nun jeweils die ab dem Referenzzeitpunkt (t₀) auf die Empfängereinheit (9) insgesamt aufgetroffene Lichtmenge erfaßt und einer Analyse mit einem integrierenden Anteil unterzogen. Das entsprechende, durch Verarbeitung des Empfängerausgangssignals (14) gewonnene Auswertesignal ist in seinem zeitlichen Verlauf als unterste Signalkurve (29) in Fig. 3 dargestellt. Die Verarbeitung erfolgt mittels einer proportional und integral signalverarbeitenden Einheit, die aus dem Empfängerausgangssignal (14) ein typischerweise si nusartiges Signal generiert, mit nachfolgender Komparatorstu fe. Letztere ist auf die Erzeugung von Pegelwechseln bei Grenzwertüberschreitungen und -unterschreitungen des sinusar tigen Signals, z. B. bei Nulldurchgängen desselben, einge stellt. Zur weiteren Auswertung wird insbesondere der Zeit punkt (te) des ersten Pegelanstiegs des Auswertesignals (29) aufgrund eines ersten Nulldurchgangs an der fallenden Flanke des sinusartigen Signals nach dem Referenzzeitpunkt (t₀) aus gewertet. Dabei wird dafür gesorgt, daß dieser Pegelanstieg zum Zeitpunkt (te) in jedem Fall innerhalb der gegebenen Taktperiode (T) eintritt, was sich durch geeignete System adaption für jede beliebige Drehwinkelstellung gewährleisten läßt, wobei u. a. die Anordnung der Sender (5 bis 8) so auf die Abfolge der Abtastfelder (2) abgestimmt sein kann, daß stets mindestens das Licht eines Senders oder jeweils Licht anteile zweier Sender auf die Empfängereinheit (9) treffen.On the receiver side, the total amount of light striking the receiver unit ( 9 ) from the reference point in time (t₀) is detected and subjected to an analysis with an integrating component. The corresponding evaluation signal obtained by processing the receiver output signal ( 14 ) is shown in its temporal course as the lowest signal curve ( 29 ) in FIG. 3. The processing is carried out by means of a proportional and integral signal processing unit, which generates a typically sinusoidal signal from the receiver output signal ( 14 ), followed by a comparator stage. The latter is based on the generation of level changes in the event of limit violations and undershoots of the sinusoidal signal, e.g. B. the same at zero crossings, is provided. For further evaluation, in particular the time (t e ) of the first level rise of the evaluation signal ( 29 ) is evaluated on the basis of a first zero crossing on the falling flank of the sinusoidal signal after the reference time (t₀). It is ensured that this level increase at time (t e ) occurs in any case within the given clock period (T), which can be ensured by suitable system adaptation for any angle of rotation position, the arrangement of the transmitters ( 5 to 8 ) being among others can be matched to the sequence of the scanning fields ( 2 ) in such a way that at least the light of one transmitter or respectively light portions of two transmitters always strike the receiver unit ( 9 ).
Es ist aus den Fig. 1 und 3 anschaulich verständlich, daß die Lage des Zeitpunkts (te) der Grenzwertüberschreitung inner halb eines Senderansteuerungstaktes in eindeutiger Weise von der momentanen Drehwinkelstellung der Impulsscheibe (1) rela tiv zu den stationären Lichtsendern (5 bis 8) abhängig ist. Liegt beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Impulsscheibenla ge vor, bei der die zuerst eingeschaltete LED (5) gerade in einem lichtdurchlässigen Feldbereich (4) liegt, so wird be reits zu Beginn eines Senderansteuerungstaktes das gesamte Licht dieser LED (5) auf die Empfängereinheit (9) durchgelas sen, weshalb der Pegelwechsel des Auswertesignals (29) be reits zu einem frühen Zeitpunkt (te) erreicht ist, der folg lich sehr nahe am Referenzzeitpunkt (t₀) liegt. Liegt hinge gen als extremes Gegenbeispiel eine Impulsscheibenlage vor, bei der die in Fig. 1 rechte LED (8) genau auf einem licht durchlässigen Feldbereich (4) liegt, so werden die anderen drei LED (5 bis 7) weitgehend von einem benachbarten, licht undurchlässigen Bereich (3) abgedeckt, und es fällt folglich erst nach Ablauf von drei Vierteln einer Senderansteuerungs taktperiode merklich mehr Licht auf die Empfängereinheit (9), so daß der Auswertesignal-Pegelwechsel erst kurz vor Ablauf eines vollen Ansteuerungstaktes für die Referenz-LED (5) er folgt, d. h. in diesem Fall liegt der zugehörige Zeitpunkt (te) sehr nahe an dem Zeitpunkt t₁ = t₀+T. Zwischen diesen bei den Extrempositionen verändert sich die Lage des Pegelwech selzeitpunktes (te) innerhalb der Referenztaktperiode (T) er sichtlich stetig mit der Änderung der Drehwinkelstellung der Impulsscheibe (1) relativ zu den vier Sendern (5 bis 8) in nerhalb einer Abtastfeldwinkelbreite (b3).It is clearly understood from FIGS. 1 and 3 that the position of the point in time (t e) of the limit value is exceeded, within one transmitter control clock in an unambiguous manner on the instantaneous angular position of the code disc (1) rela tive to the stationary light transmitters (5 to 8) is dependent. If, for example, the pulse disk position shown in FIG. 1 is present, in which the LED ( 5 ) which is first switched on is located in a translucent field area ( 4 ), the entire light of this LED ( 5 ) is already on the receiver unit at the start of a transmitter control cycle ( 9 ), which is why the level change of the evaluation signal ( 29 ) has already been reached at an early point in time (t e ), which is consequently very close to the reference point in time (t₀). If there is a pulse disc position as an extreme counterexample, in which the LED ( 8 ) on the right in FIG. 1 lies exactly on a light-permeable field area ( 4 ), the other three LEDs ( 5 to 7 ) are largely from an adjacent, light impermeable area ( 3 ) is covered, and consequently it is only after three quarters of a transmitter control cycle period that more light falls on the receiver unit ( 9 ), so that the evaluation signal level change only shortly before the end of a full control cycle for the reference LED ( 5 ) it follows, ie in this case the associated time (t e ) is very close to the time t₁ = t₀ + T. Between these at the extreme positions, the position of the level change instant (t e ) within the reference clock period (T) changes visibly steadily with the change in the angular position of the pulse disk ( 1 ) relative to the four transmitters ( 5 to 8 ) within a scanning field angle width ( b3).
Damit wird eine hohe Ortsauflösung für die Drehwinkelstel lungsmessung auch für die Positionen innerhalb eines Ab tastfeldes (2) erreicht, ohne daß die Impulsscheibe (1) zu diesem Zweck etwa so feine Linienstrukturen aufweisen muß, wie es dieser erzielbaren Auflösung entspricht. Vielmehr wird diese Auflösung durch direkte Erfassung und geeignete Analyse der phasenverschoben getakteten Lichtsendereinheiten (5 bis 8) erreicht, wobei lediglich eine summarische Erfassung der transmittierten Lichtmenge auf der Empfängerseite erforder lich ist, ohne daß die Signale der einzelnen Fotodioden (10 bis 13) getrennt ausgewertet werden müssen. Der dergestalt aufgebaute Geber ermöglicht folglich eine hohe Auflösung bei der Drehwinkelstellungserfassung mit vergleichsweise geringem Konstruktionsaufwand.A high spatial resolution for the measurement of the rotational angle is also achieved for the positions within a scanning field ( 2 ), without the pulse disk ( 1 ) for this purpose having to have approximately as fine line structures as it corresponds to this achievable resolution. Rather, this resolution is achieved by direct detection and suitable analysis of the phase-shifted light transmitter units ( 5 to 8 ), only a summary detection of the amount of light transmitted on the receiver side is required Lich, without the signals of the individual photodiodes ( 10 to 13 ) being evaluated separately Need to become. The encoder constructed in this way consequently enables a high resolution in the detection of the angle of rotation position with comparatively little design effort.
In Fig. 4 sind wichtige schaltungstechnische Komponenten des Gebers zur Erfüllung der obigen Funktionen blockdiagramma tisch dargestellt. Zentraler Baustein dieser Geberelektronik ist ein Microcontroller, z. B. vom herkömmlichen Typ 87C51FA der Firma Intel Corporation, der über eine interne Zählein richtung, sogenanntes "Programmable Counter Array (PCA)", verfügt. Der Microcontroller (15) besitzt einen internen Taktgeber, dessen Taktgebersignal an einem Ausgang (16) ab greifbar ist. An diesen Ausgang (16) ist ein Frequenzteiler (17) angeschlossen, der die Taktfrequenz in eine für die LED-Ansteuerung gewünschte Taktfrequenz teilt. Der geteilte Fre quenztakt ist einer LED-Ansteuerungsstufe (18) zugeführt, die daraus die in Fig. 3 dargestellten, gegeneinander phasenver schobenen LED-Ansteuerungstaktsignale erzeugt und die LEDs (5 bis 8) damit beaufschlagt.In Fig. 4, important circuitry components of the encoder for fulfilling the above functions are shown in block diagram form. The central component of this encoder electronics is a microcontroller, e.g. B. of the conventional type 87C51FA from Intel Corporation, which has an internal counting device, so-called "Programmable Counter Array (PCA)". The microcontroller ( 15 ) has an internal clock, whose clock signal is available at an output ( 16 ). A frequency divider ( 17 ) is connected to this output ( 16 ), which divides the clock frequency into a clock frequency desired for the LED control. The divided frequency clock is supplied to an LED control stage ( 18 ), which generates the LED control clock signals shown in FIG. 3, phase-shifted against one another, and acts on the LEDs ( 5 to 8 ).
Neben der Funktion als ansteuerungstaktgebende Einheit fun giert der Microcontroller (15) auch als wesentlicher Bestand teil des Auswertungsteils. Hierzu ist zunächst das gemeinsame Ausgangssignal (14) der vier Fotodioden (10 bis 13) der Emp fängereinheit (9) einer Signalverarbeitungsstufe (19) zuge führt, welche wie oben beschrieben über einen integrierenden und proportionalen Anteil das Empfängerausgangssignal (14) mit integrierender Eigenschaft verarbeitet und dieses Signal dann zwecks Erkennung von Grenzwertüberschreitungen und -unterschreitungen einem ebenfalls in dieser Stufe (19) vor gesehenen Komparator zuführt, der daraus das in Fig. 3, unten gezeigte, empfangsseitige Auswertesignal (29) erzeugt. Dieses Signal gibt die signalverarbeitende Stufe (19) an einen Ein gang (20) des Microcontrollers (15), der mit dessen interner Zeitzähleinrichtung dergestalt verknüpft ist, daß diese Zeit zähleinrichtung jeweils die Zeitdauer zu erfassen vermag, die von einem Pegelwechsel des am Ausgang (16) abgegebenen Takt gebersignals bis zu einem ersten nachfolgenden Flankenanstieg dieses am Eingang (20) anstehenden Signals verstreicht. Dar aus wird ersichtlich, daß der Microcontroller (15) mittels dieser internen Zeitzähleinrichtung genau die Zeitdauer zwi schen dem Referenzeinschaltzeitpunkt (t₀) der Referenz-LED (5) und dem durch einen Signalflankenanstieg repräsentierten Zeitpunkt (t₃) des Pegelwechsels des empfängerseitigen Aus wertesignals zu ermitteln vermag. Dabei läßt sich weiter vor teilhaft von der internen Microcontrollerstruktur bezüglich dieser Zeitzähleinrichtung dahingehend Gebrauch machen, daß nach erkanntem Flankenanstieg und folglich beendeter Zeitzäh lung das Zählresultat, welches die gesuchte Zeitdauer reprä sentiert, sofort in ein abrufbares Register abgesetzt wird, während der Zeitzähler selbst einfach weiterläuft, wobei je weils auch der Zeitzählwert an einem jeden Referenzzeitpunkt (t₀) in ein Register geladen wird. Dabei besitzt der Micro controller (15) bereits intern über mehrere, anwählbare Fre quenzteilungsstufen, von denen zweckmäßigerweise diejenige angewählt wird, die der Frequenzteilung des externen Fre quenzteilers (17) entspricht oder aber jedenfalls nicht stär ker als diese (17) teilt. Durch Differenzbildung des jeweils im Register für den Signalflankenanstieg gespeicherten Zähl werts mit dem im Register für den Referenzzeitpunkt (t₀) ge speicherten Zählwert ermittelt der Microcontroller (15) die gesuchte Zeitverschiebung zwischen Pegelwechselzeitpunkt (t₃) und Referenzzeitpunkt (t₀) und gibt den entsprechenden Wert, welcher ein eindeutiges Maß für die Drehwinkelstellung der Impulsscheibe (1) relativ zu den stationären Lichtsendern (5 bis 8) innerhalb eines Abtastfeldes (2) ist, an einem Ausgang (21) zu Anzeigezwecken ab. Die Verwendung der internen Zeit zähleinrichtung des Microcontrollers (15) erübrigt einerseits einen funktionsanalogen externen Zeitmesser und stellt außer dem ein hochgenaues Zeitmeßverfahren zur Verfügung, da ein und derselbe Zeittaktgeber sowohl der Erzeugung des Lichtsen deransteuerungstaktes als auch zur Abzählung der gesuchten Zeitdauer des Pegelwechsels nach Referenztaktbeginn dient, was automatisch entsprechende Synchronisationsprobleme ver hindert. In addition to the function as a control-generating unit, the microcontroller ( 15 ) also functions as an essential part of the evaluation part. For this purpose, the common output signal ( 14 ) of the four photodiodes ( 10 to 13 ) of the receiver unit ( 9 ) leads to a signal processing stage ( 19 ) which, as described above, processes the receiver output signal ( 14 ) with an integrating property via an integrating and proportional component and this signal is then fed to a comparator, also provided in this stage ( 19 ), for the purpose of recognizing limit violations and underruns, which generates the evaluation signal ( 29 ) on the receiving side shown in FIG. 3, below. This signal is given by the signal processing stage ( 19 ) to an input ( 20 ) of the microcontroller ( 15 ), which is linked to its internal time counter in such a way that this time counter is able to record the length of time that a change in level of the output ( 16 ) output clock signal until a first subsequent edge rise of this signal at the input ( 20 ) passes. This shows that the microcontroller ( 15 ) uses this internal time counter to determine exactly the time between the reference switch-on time (t₀) of the reference LED ( 5 ) and the time (t₃) represented by a signal edge increase of the level change of the receiver-side evaluation signal can The internal microcontroller structure with respect to this time counting device can also be used to the extent that after a detected edge rise and consequently an end to the time counting, the counting result, which represents the time period sought, is immediately placed in a callable register, while the time counter itself simply continues to run , whereby the time counter value is loaded into a register at each reference time (t₀). The micro controller ( 15 ) already has several selectable frequency dividing stages internally, of which expediently one is selected which corresponds to the frequency division of the external frequency divider ( 17 ) or in any case does not share more than this ( 17 ). By forming the difference between the count value stored in the register for the signal edge rise and the count value stored in the register for the reference time (t₀), the microcontroller ( 15 ) determines the desired time shift between the level change time (t₃) and the reference time (t₀) and gives the corresponding value, which is a clear measure of the angular position of the pulse disk ( 1 ) relative to the stationary light transmitters ( 5 to 8 ) within a scanning field ( 2 ), at an output ( 21 ) for display purposes. The use of the internal time counter of the microcontroller ( 15 ) on the one hand eliminates the need for an external timer that is functionally analogous and also provides a highly precise time measurement method, since one and the same time clock serves both to generate the light signal for the control clock and to count the time required for the level change after the start of the reference clock , which automatically prevents corresponding synchronization problems.
Der Microcontroller (15) läßt sich zudem bei mehrstufig ge staltetem Absolutstellungsgeber auch als Auswerteeinheit für die herkömmlichen Winkelstellungserfassungsstufen verwenden, wie dies in Fig. 4 für den Fall veranschaulicht ist, daß der Geber neben dem erfindungsgemäßen Geberteil nach den Fig. 1 und 2 darüber hinaus eine Mehrfachumdrehungsgeberstufe (23) und eine herkömmliche Einfachumdrehungsstufe (22) beinhaltet. Die Mehrfachumdrehungsstufe (23) dient der Erfassung von je weils vollen 360°-Umdrehungen des drehbeweglichen Bauteils, wozu der Geber beispielsweise das bekannte, eingangs erwähnte Impulsscheibengetriebe nebst zugehörigen Lichterzeugungs- und Lichtempfangseinheiten (23) besitzt, wobei die empfängersei tig nachgeschalteten Auswerteeinheiten, z. B. Schmitt-Trigger-Bau steine, in symbolisch angedeuteter Weise an zugehörige Auswerteeingänge (24) des Microcontrollers (15) angeschlossen sind. Die herkömmliche Einfachumdrehungsstufe (22) beinhaltet eine nicht gezeigte übliche, strichcodierte Impulsscheibe, mit der die Winkelstellung des angekoppelten, drehbeweglichen Bauteils innerhalb einer Umdrehung bis auf die Winkelbreite (b3) eines Abtastfeldes (2) gemäß Fig. 1 bestimmt werden kann, wozu wiederum eine herkömmliche Impulsscheibe mit ver gleichsweise grober und daher wenig aufwendiger Strichcodie rung ausreichend ist. Über eine nachgeschaltete Auswerteein heit, z. B. einem weiteren Schmitt-Trigger-Baustein, ist diese Stufe (22) an zugehörige Eingänge (30) des Microcontrollers (15) zur Auswertung angeschlossen, so daß dann am Ausgang (21) des Microcontrollers (15) ein die absolute Drehwinkel stellung des angekoppelten Bauteils eindeutig wiedergebendes Signal ansteht, dessen voller Umdrehungsanteil von der her kömmlichen Mehrfachumdrehungsstufe (23), dessen Winkelstel lungsanteil innerhalb einer Umdrehung bis auf eine Ab tastfeldwinkelbreite (b3) von der herkömmlichen Einfachumdre hungsstufe (22) und dessen auflösungsbestimmender Anteil in nerhalb der Abtastfeldwinkelbreite (b3) von dem erfindungsge mäßen Geberteil bereitgestellt wird. The microcontroller ( 15 ) can also be used with multistage ge designed absolute position encoder as an evaluation unit for the conventional angular position detection stages, as illustrated in FIG. 4 for the case that the encoder in addition to the encoder part according to the invention according to FIGS . 1 and 2 beyond a multi-turn encoder stage ( 23 ) and a conventional single revolution stage ( 22 ). The multiple rotation stage ( 23 ) is used for the detection of full 360 ° revolutions of the rotatable component, for which the sensor has, for example, the known, initially mentioned pulse disk transmission together with associated light generating and light receiving units ( 23 ), the receiver-side downstream evaluation units, e.g. B. Schmitt trigger building blocks are connected in a symbolically indicated manner to associated evaluation inputs ( 24 ) of the microcontroller ( 15 ). The conventional single rotation stage ( 22 ) includes a conventional, bar-coded pulse disk, not shown, with which the angular position of the coupled, rotatable component can be determined within one revolution up to the angular width (b3) of a scanning field ( 2 ) according to FIG. 1, for which in turn one conventional pulse disc with comparatively coarse and therefore less expensive bar coding is sufficient. Via a downstream evaluation unit, e.g. B. another Schmitt trigger module, this stage ( 22 ) is connected to associated inputs ( 30 ) of the microcontroller ( 15 ) for evaluation, so that then at the output ( 21 ) of the microcontroller ( 15 ) a the absolute angle of rotation position Coupled component clearly reproducing signal is present, the full revolution portion of the conventional multiple revolution stage ( 23 ), the angular position portion within one revolution up to a scanning field angle width (b3) from the conventional single revolution stage ( 22 ) and its resolution-determining portion within the scanning field angle width ( b3) is provided by the donor part according to the invention.
In Fig. 5 ist ein weiteres Beispiel einer Impulsscheibe (40) mit zugehöriger LED-Lichtsenderanordnung (41) auf einer Seite der Impulsscheibe und zugehöriger, nicht gezeigter Empfänger einheit auf der anderen Impulsscheibenseite für einen Geber mit getakteter Lichtsenderanordnung zur Erfassung der absolu ten Drehwinkelstellung eines drehbeweglichen Bauteils wieder gegeben. Die Senderanordnung besteht aus acht in Drehrichtung äquidistant über einen Kreisringbereich innerhalb der Ausdeh nung der Impulsscheibe (40) angeordneten Leuchtdioden (41). Die Impulsscheibe (40) ist bis auf einen tangential zu diesem Kreisringbereich liegenden, lichtdurchlässigen Streifen (31) vollständig lichtundurchlässig, wobei der Drehwinkelabstand der LEDs (41) und die Gestalt des lichtdurchlässigen Strei fens (42) so aufeinander abgestimmt sind, daß jeweils stets gerade eine LED vollständig oder zwei benachbarte LEDs teil weise über dem Bereich des lichtdurchlässigen Streifens (42) liegen. Durch phasenverschobene, getaktete Ansteuerung der acht LEDs (41) ergibt sich wiederum der analoge Effekt wie im Fall der oben beschriebenen Anordnung von vier Sensoren.In Fig. 5 is another example of a pulse disc ( 40 ) with associated LED light transmitter arrangement ( 41 ) on one side of the pulse disc and associated receiver unit, not shown, on the other side of the pulse disc for an encoder with clocked light transmitter arrangement for detecting the absolute angular position of a given rotatable component again. The transmitter arrangement consists of eight equidistant in the direction of rotation over a circular ring area within the expansion of the pulse disk ( 40 ) arranged LEDs ( 41 ). The pulse disc ( 40 ) is completely opaque except for a tangent to this annulus area, translucent strip ( 31 ), the rotational angle distance of the LEDs ( 41 ) and the shape of the translucent strip fens ( 42 ) are matched so that they are always straight one LED completely or two adjacent LEDs partially lie over the area of the translucent strip ( 42 ). The phase-shifted, clocked activation of the eight LEDs ( 41 ) in turn results in the analog effect as in the case of the arrangement of four sensors described above.
Im Unterschied zur Anordnung von Fig. 1 leistet die Anordnung von Fig. 5 bei insgesamt geringerer Auflösung aufgrund des weiter gewählten Lichtsenderabstands die Erfassung der Dreh winkelstellung über den gesamten Bereich einer vollen Umdre hung, wobei dieser volle Umdrehungsbereich für die Sender (41) effektiv im wesentlichen aus einem Abtastfeld besteht, dessen wirksamer lichtdurchlässiger Bereich ein Kreissegment (43) bildet. Die Winkelausdehnung des Segmentes entspricht etwa dem doppelten Drehwinkelabstand zwischen zwei benachbar ten LEDs, während der lichtundurchlässige Bereich des Ab tastfeldes den übrigen Teil einer vollen Umdrehung ausmacht. Den acht Sendern (41) sind wiederum in nicht gezeigter Weise analog zum obigen Beispiel acht getrennte Fotodioden zugeord net, deren Ausgangssignal additiv verknüpft und in gleicher Weise wie oben beschrieben ausgewertet wird. Anhand der Zeit verschiebung der Grenzwertüberschreitung bezogen auf den je weiligen Taktbeginn einer ausgewählten Referenz-LED läßt sich durch diesen Geber verhältnismäßig genau die Drehwinkelstel lung innerhalb einer vollen Umdrehung bestimmen, wozu anstel le einer hochgenauen Strichcodierung lediglich die gezeigte, einfache Gestaltung der Impulsscheibe mit einem lichtdurch lässigen Streifen in Verbindung mit der getakteten Lichtsen deransteuerung erforderlich ist.In contrast to the arrangement of FIG. 1, the arrangement of FIG. 5 performs the detection of the angle of rotation position over the entire range of a full revolution with a lower resolution overall due to the further selected light transmitter spacing, this full range of revolution for the transmitters ( 41 ) effectively in essentially consists of a scanning field, the effective translucent area of which forms a circle segment ( 43 ). The angular extent of the segment corresponds approximately to twice the angular distance between two adjacent LEDs, while the opaque area of the touch panel makes up the remaining part of a full revolution. The eight transmitters ( 41 ) are in turn not shown in a manner not shown eight separate photodiodes analog to the example above, whose output signal is additively linked and evaluated in the same manner as described above. Based on the time shift of the limit violation based on the respective start of the cycle of a selected reference LED, this encoder can determine the angle of rotation within a full revolution relatively accurately, for which purpose, instead of a highly precise bar coding, only the simple design of the pulse disk shown with a light-through is shown casual stripes in connection with the clocked light transmitter control is required.
In Fig. 6 ist ein strukturiertes Blendenelement in Form einer in ihrer Längsrichtung translationsbeweglichen Linearschiene (50) mit einer zugehörigen Anordnung von vier Lichtsendern (51) dargestellt. Eine solche Anordnung ist für einen Geber zur Erfassung der Position eines translationsbeweglichen Bau teils, das z. B. von einem Stellmotor angetrieben ist, ein setzbar. Die Linearschiene (50) ist bis auf einen mit quer zur Bewegungsrichtung verlaufender Komponente angeordneten, lichtdurchlässigen Streifen (52) lichtundurchlässig ausge staltet, und die vier LEDs (51) liegen in Bewegungsrichtung in einer Linie hintereinander, wobei der Abstand (d1) zweier LEDs etwa der effektiven Breite (b4) des lichtdurchlässigen Streifens (52) entspricht. Wie im ersten beschriebenen Aus führungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist den vier LEDs (51) auf der anderen Seite der Linearschiene (50) wiederum eine aus vier einzelnen Fotodioden bestehende, nicht gezeigte Empfän gereinheit zugeordnet. Die Ansteuerung der vier LEDs (51) so wie die Auswertung des Empfängerausgangssignals erfolgt wie zu diesem obigen Beispiel beschrieben, so daß sich eine voll ständig analoge Funktionsweise ergibt, mit der Modifikation, daß bei diesem Linearstellungsgeber die Translations- anstatt der Drehwinkelstellung eines beweglichen Bauteils innerhalb des von den beiden äußersten LEDs begrenzten Bewegungsbe reichs erfaßt wird.In Fig. 6 a structured in the form of a diaphragm member movable in translation in its longitudinal direction linear rail (50) is shown with an associated array of four light transmitters (51). Such an arrangement is for a sensor for detecting the position of a translatable construction part, the z. B. is driven by a servomotor, a settable. The linear rail ( 50 ) is designed to be opaque except for a translucent strip ( 52 ) arranged with a component running transversely to the direction of movement, and the four LEDs ( 51 ) lie in a line one behind the other in the direction of movement, the distance (d1) between two LEDs being approximately corresponds to the effective width (b4) of the translucent strip ( 52 ). As described in the first exemplary embodiment from FIGS . 1 and 2, the four LEDs ( 51 ) on the other side of the linear rail ( 50 ) in turn are assigned a unit unit consisting of four individual photodiodes, not shown. The control of the four LEDs ( 51 ) and the evaluation of the receiver output signal is carried out as described in this example above, so that there is a fully analog operation, with the modification that with this linear position transmitter the translation instead of the angular position of a moving component within of the movement area limited by the two outermost LEDs is detected.
Selbstverständlich sind für den Fachmann weitere Modifikatio nen und Kombinationen der oben beschriebenen Anordnungen mög lich, wobei jeweils charakteristisch ist, daß mehrere statio näre Strahlungssender demselben strukturierten Bereich eines bewegungsfest an das zu überwachende, bewegliche Bauteil an koppelbaren Blendenelementes zugeordnet sind und getaktet phasenverschoben zueinander ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Stellung des Bauteils aus der zeitlichen Beziehung des empfängerseitigen Signals zu den Senderansteuerungssigna len ermittelt wird. Es versteht sich, daß es vorliegend le diglich auf die Relativbewegung von Blendenelement einerseits und Strahlungssender sowie -empfänger andererseits ankommt, so daß alternativ zu den obigen Beispielen das Blendenelement stationär und Sender- und Empfängereinheiten an das bewegli che Bauteil ankoppelbar vorgesehen sein können.Of course, further modifications are for the expert NEN and combinations of the arrangements described above possible Lich, whereby it is characteristic that several statio radiation emitters in the same structured area of a to the moving component to be monitored couplable aperture element are assigned and clocked are switched on and off in phase with each other, where the position of the component from the temporal relationship of the receiver-side signal to the transmitter control signals len is determined. It is understood that it le diglich on the relative movement of the aperture element on the one hand and radiation transmitter and receiver on the other hand arrives, so that, alternatively to the above examples, the aperture element stationary and transmitter and receiver units to the moveable che component can be provided coupled.
Claims (10)
- - einem strukturierten Blendenelement (1) mit einem oder mehreren, in Bewegungsrichtung hintereinanderliegenden Ab tastfeldern (2), die jeweils aus einem für eine vorgegebe ne Abtaststrahlung durchlässigen (4) und einem undurchläs sigen oder reflektierenden Feldbereich (3) bestehen, wel che in Bewegungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind, und
- - einer Abtaststrahlungssendereinheit (5 bis 8) sowie einer dieser zugeordneten Abtaststrahlungsempfängereinheit (9) und einer der Empfängereinheit nachgeschalteten Auswerte einheit (19, 15), wobei entweder das Blendenelement oder die Sender- und die Empfängereinheit mit dem dreh- oder translationsbeweglichen Bauteil bewegungsfest verbindbar ist, während die jeweils andere Komponente stationär ange ordnet ist,
- - A structured diaphragm element ( 1 ) with one or more, one behind the other in the direction of movement from touch panels ( 2 ), each consisting of a transparent for a given ne scanning radiation ( 4 ) and an opaque or reflective field area ( 3 ), which che in the direction of movement are arranged one behind the other, and
- - A scanning radiation transmitter unit ( 5 to 8 ) and an associated scanning radiation receiver unit ( 9 ) and an evaluation unit ( 19 , 15 ) connected downstream of the receiver unit, wherein either the diaphragm element or the transmitter and the receiver unit can be connected to the rotating or translationally movable component so that it cannot move , while the other component is arranged stationary,
- - die Sendereinheit wenigstens zwei voneinander in Bewe gungsrichtung beabstandete Sender (5 bis 8) und eine Sen deransteuerungseinheit (15, 16, 17, 18) zum periodischen Ein- und Ausschalten der Sender im Meßbetrieb beinhaltet, wobei
- - die in Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden Sender je weils mit gegenseitiger Phasenverschiebung ein- und ausge schaltet werden und
- - die der Empfängereinheit (9) nachgeschaltete Auswerteein heit (19, 15) ein von der durch die Empfängereinheit emp fangenen Strahlungsmenge abhängiges Auswertesignal erzeugt und mit demjenigen der Ein-/Ausschaltsteuerung für die Sender zeitaufgelöst vergleicht und daraus die Stellung des beweglichen Bauteils innerhalb des Bereichs eines Ab tastfeldes bestimmt.
- - The transmitter unit contains at least two spaced transmitters in the direction of movement ( 5 to 8 ) and a Sen deransteuerungseinheit ( 15 , 16 , 17 , 18 ) for periodic switching on and off of the transmitter in measuring mode, wherein
- - The consecutive transmitters in the direction of movement are each switched on and off with a mutual phase shift and
- - The receiver unit ( 9 ) downstream evaluation unit ( 19 , 15 ) generates an evaluation signal dependent on the amount of radiation received by the receiver unit and compares it with that of the on / off control for the transmitter and uses it to compare the position of the movable component within the range From a touchpad determined.
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- 1994-08-26 DE DE19944430392 patent/DE4430392C2/en not_active Revoked
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