DE602004002240T2

DE602004002240T2 - Interpolationsverfahren für einen hochauflösenden optischen Winkelgeber und zugehöriger optischer Winkelgeber

Info

Publication number: DE602004002240T2
Application number: DE602004002240T
Authority: DE
Inventors: Daniel Gaumet
Original assignee: Codechamp S A; CODECHAMP SA
Current assignee: Codechamp S A; CODECHAMP SA
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: EP1489387B1; EP1489387A1; FR2856477B1; FR2856477A1; ATE338934T1; DE602004002240D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Winkelinterpolationsverfahren, das von einer optischen Codiervorrichtung mit hoher Auflösung durchgeführt wird, welches die Durchführung einer genauen Winkelmessung ermöglicht.
Gemäß der 6 ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine optische Codiervorrichtung des absoluten Typs eine Scheibe 21 umfasst, die fest an der Achse 23, für welche der Drehwinkel gemessen werden soll, angebracht ist. Diese Scheibe weist konzentrische kreisförmige Bahnen 22a, 22b und 22c auf, welche aus abwechselnd undurchsichtigen und durchsichtigen Bereichen bestehen. Diese Bereiche sind auf einer gegebenen Bahn von gleichen Ausmaßen angeordnet und bilden identische Winkelsektoren von einigen Graden auf jeder Bahn. Licht, das zum Beispiel von einer Batterie von Laserdioden 24 stammt, beleuchtet jede Bahn 22a, 22b und 22c. Das optische Ausgangssignal wird von einer Batterie von Wandlern 25, zum Beispiel vom Typ Fotodioden, in ein analoges Signal umgewandelt. Wenn ein Lichtempfänger die Lichtstrahlen empfängt, erzeugt er ein analoges elektrisches Signal, das im Allgemeinen einem Sinussignal nahe kommt. Dieses Signal wird danach mittels eines Analog-Digital-Wandlers oder mittels jedes anderen Verfahrens, wie etwa einem Interpolationsverfahren, verarbeitet, um ein Rechtecksignal zu erhalten. Die Winkelposition der Scheibe wird durch ein binäres Byte definiert. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Interpolationsverfahren ist in der 7 dargestellt. Dieses Verfahren besteht in einer statistischen Berechnung zwischen den Werten eines Sinussignals Y und eines Cosinussignals X. Diese statistische Berechnung wird durch die schräge Linie einer Datenklassifikationstabelle 30 erzielt, deren zu berechnende Winkelwerte in Bezug auf Sinus- und Cosinuswerte vordefiniert sind. Diese Tabelle ist in einem Datenspeicher gespeichert. Ein Nachteil dieses Interpolationsverfahrens besteht darin, dass für eine größere Genauigkeit des Winkels die Dimensionen der Tabelle vergrößert werden müssen, welche dann im Speicher einen größeren Speicherplatz benötigen würde.
Es ist aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt, dass die Auflösung eines optischen Codierers von der Genauigkeit abhängt, mit der dieser hergestellt und aufgebaut wurde. Die Genauigkeit ist auch durch die Genauigkeit der Gravierung der Feinbahn, den Randeffekten des Genauigkeitsfensters, der Genauigkeit der Wandler und der Unwucht und Trübung der Scheibe beschränkt. Um diese Ungenauigkeiten der Montage zu beseitigen, ist ein System aus der Patentschrift FR 9908159 bekannt, das es ermöglicht, das binäre Byte, das durch Lesen einer ersten Bahn, der so genannten Feinbahn, erhalten wird, durch zusätzliche Bits zu erweitern, die durch eine Zweifelbehebungsoperation in V bestimmt werden. Diese Operation wird mittels der Verarbeitung eines Signals durchgeführt, das von mindestens einem Paar Empfänger durch das Lesen von mindestens einem Paar zusätzlicher Bahnen bestimmt wird. Mit Bezug auf die 9 umfasst dieser optische Codierer hoher Auflösung eine Scheibe 100, die mindestens eine Feinbahn 110 und benachbarte Bahnen 111 aufweist. Die Feinbahn 110 wird von vier Fotodetektoren gelesen, von denen sich jeweils zwei gegenüber stehen, und jede Zweiergruppe um 90° auf der Scheibe 100 versetzt ist. Beim Lesen dieser Bahn wandeln die Fotorezeptoren die optischen Signale in analoge Signale um, die mindestens ein Signal vom Typ Sinus und ein Signal vom Typ Cosinus aufweisen. Diese Signale werden danach in einem Analog-Digital-Wandler verarbeitet, danach in einem Rechner verarbeitet, der zum Beispiel eine Interpolationsrechnung durchführt. Man erhält ein erstes binäres Byte, das zum Beispiel 10 Bits enthält, dessen schwachgewichtiges Bit einem Rechtecksignal C entspricht. Um eine bessere Korrektur zum Beispiel der Unwuchtfehler der Scheibe zu erreichen, wird das binäre Byte um mindestens ein Zweifelbehebungsbit erweitert. Je mehr Zweifelbehebungsbits das binäre Byte enthält, desto besser ist das Auflösungsvermögen des Codierers. Mit Bezug auf die 8 wird ein Zweifelbehebungsbit durch das Lesen eines Paares von zusätzlichen Bahnen erhalten, die zum Beispiel auf der einen und auf der anderen Seite der Feinbahn liegen. Jede benachbarte Bahn wird von einem Fotodetektor gelesen. Das von jedem Fotodetektor der benachbarten Bahnen erzeugte elektrische Signal wird ebenfalls verarbeitet, um ein Rechtecksignal zu erhalten. Man erhält zwei Rechtecksignale A und B, welche in Bezug zueinander um eine halbe Periode verschoben sind. Ein programmierbarer Speicher löst die Algorithmengleichung der Zweifelbehebung zwischen dem von der Feinbahn gelieferten Signal und den von den benachbarten Bahnen gelieferten Signalen. Diese Gleichung lautet wie folgt: « WENN C = 1 DANN D = A SONST D = B »,wobei D das aus der Zweifelbehebung resultierende Bit ist. Die 9 stellt die Chronogramme der verschiedenen Signale A, B, C und D dar. Man erhält ein Zweifelbehebungsbit D, das es ermöglicht, das binäre Byte, welches durch das Lesen der Feinbahn erzeugt wird, zu erweitern. Mit Bezug auf das Patent FR 9908159 kann außerdem das binäre Byte erweitert werden, indem die Anzahl der Fotodetektoren auf der Scheibe minimiert wird. So kann man mit 4 Fotodetektoren 3 Zweifelbehebungsbits erhalten. Diese Verbesserung wird mit Rechnungen der kombinatorischen Logik und der oben erwähnten Zweifelbehebungsgleichung erreicht. Dennoch benötigt man z. B. für ein binäres Byte von 26 Bits vier Fotodetektoren zum Lesen der Feinbahn, die zum Beispiel ein Byte von 10 Bits liefern, und um die noch nötigen Zweifelbehebungsbits zu erhalten, benötigt man mindestens 30 Fotodetektoren. Es ist möglich, dass die Anzahl der Fotodetektoren verdoppelt werden muss, um auch einen Mittelwert der erhaltenen Ergebnisse zu machen. Dieser Mittelwert ermöglicht eine höhere Genauigkeit des Ergebnisses. Diese bedeutende Anzahl von Fotodetektoren, die zum Lesen der Feinbahn und der benachbarten Bahnen benötigt werden, ist ein gravierender Nachteil dieses hochauflösenden optischen Codierers.
Es ist außerdem aus dem Dokument US 5 041 829 ein Interpolationsverfahren zwischen zwei Signalen bekannt, bei dem jedes digitalisierte Signal dazu verwendet wird, einen Speicher zu adressieren, wobei jede Adresse desselben einem Interpolationsergebnis entspricht, das im voraus für eine besondere Kombination der Signalwerte berechnet wurde. Diese Art von Verfahren, die einen Speicher und ein Speicheradressierungsmittel benötigt, erlaubt keine genaue Winkelmessung ohne ein Erweitern der Dimensionen der Klassifizierungstabelle, die im Speicher enthalten ist. Die Dokumente EP 0 591 550 und EP 0 395 936 beziehen sich ebenfalls auf Codierer, die mehrere Detektoren verwenden, aber keine genaue Winkelmessung unter optimalen Bedingungen erlauben.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einige Nachteile des Standes der Techniks zu beseitigen, indem ein Winkelinterpolationsverfahren durch dynamische Berechnung in Verbindung mit einem hochauflösenden optischen Codierer vorgestellt wird. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Anzahl der logischen Gatter, deren Signale vom Codierer verwendet werden, zu verringern. Der optische Codierer, der auf diesem Winkelinterpolationsverfahren beruht, hat eine Verringerung der Anzahl der Fotodetektoren zur Folge, die zum Lesen der inneren Bahnen der Scheibe des hochauflösenden optischen Codierers benötigt werden.
Dieses Aufgabe wird durch ein Winkelinterpolationsverfahren gelöst, das von einem optischen Codierer durchgeführt wird, der mindestens eine Scheibe umfasst, die mindestens eine konzentrische Kreisbahn aufweist, welche aus abwechselnd undurchsichtigen und durchsichtigen Bereichen gebildet wird, sowie eine die Bahn beleuchtende Lichtquelle, Wandler zur Umwandlung eines von der Lichtquelle und der Scheibe erzeugten Signals in ein analoges Signal, eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal und einen Rechner zur Verarbeitung der Daten, wobei das Winkelinterpolationsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Lesen und Erfassen der digitalen Werte X₀ und Y₀ aus den von der Lichtquelle und der Kreisbahn erzeugten Signalen, wobei die analogen Signale mittels der Einrichtung zur Umwandlung der analogen in digitale Signale digitalisiert werden,
– dynamische Berechnung der Winkelinterpolation auf einem sich von –90° bis 90° erstreckenden Winkelumfang, wobei die Berechnung der Winkelinterpolation einer Näherungsrechnung gleicht, bei der mit jedem Näherungsschritt „i" ein Zeichen „d" als Funktion der vorher berechneten oder gelesenen Werte X_i-1 und Y_i-1 der vorher berechneten Näherung „i–1" bestimmt wird, und Berechnung neuer Werte X; und Y;, die die Bestimmumg des Zeichens „d" ermöglichen, das in der nächstfolgenden Näherung „i + 1" verwendet wird, und Berechnung eines Wertes Z, der sich mit jeder Näherung dem gesuchten Endwert des Winkels nähert,
– Bestimmung des der Winkelstellung zugeordneten 180°- Bereichs, der ein Ergebnis über einen Winkelumfang von 360° ermöglicht, das durch ein Byte mit einer Anzahl vorbestimmter Bits dargestellt wird.

Gemäß einer weiteren Besonderheit erfolgt die Erstellung der digitalen Werte X₀ und Y₀ im ersten Berechnungsschritt der Winkelinterpolation durch Ablesen nahezu identischer Sinussignale bzw. Cosinussignale.
Gemäß einer weiteren Besonderheit wird der Wert X; der Annäherung „i", wobei sich „i" vom Wert Null unterscheidet, als Funktion der Werte X_i-1 und Y_i-1, die aus der vorhergehenden Annäherung „i–1" errechnet wurden, und als Funktion des Zeichens „d", das aus der Annäherung „i" berechnet wurde, berechnet.
Gemäß einer weiteren Besonderheit wird der Wert Y; der Annäherung „i", wobei sich „i" vom Wert Null unterscheidet, als Funktion der Werte X_i-1, und Y_i-1 die aus der vorausgehenden Annäherung „i–1" berechnet wurden, und als Funktion des Zeichens „d", das aus der Annäherung „i" bestimmt wurde, berechnet.
Gemäß einer weiteren Besonderheit erfolgt die Bestimmung des Zeichens „d" bei der Werteerfassung durch einen Wertevergleich der digitalen Werte X₀ und Y₀ als Funktion der folgenden Bedingung: d = 1 wenn X₀ < 0 und Y₀ < 0, sonst d = –1.
Gemäß einer weiteren Besonderheit erfolgt die Bestimmung des Zeichens „d" aus der Annäherung „i", wobei „i" sich vom Wert Null unterscheidet, durch einen Wertevergleich der Werte X_i-1, und Y_i-1, die aus der vorausgehenden Annäherung berechnet wurden, als Funktion der folgenden Bedingung: d = 1, wenn X_i-1 < 0 und Y_i-1 < 0, andernfalls d = –1.
Gemäß einer weiteren Besonderheit wird der Wert Z aus der Annäherung „i", wobei „i" ist verschieden von Null, als Funktion des in der Annäherung „i" bestimmten Zeichens „d" und einer bestimmten Konstanten oder als Wert Z_i-1 aus der vorausgehenden Annäherung berechnet.
Gemäß einer weiteren Besonderheit ist die Anzahl der Annäherungen vorbestimmt, um so die Anzahl der in der Berechnung verwendeten Konstanten zu bestimmen, um somit die Berechnungszeit der Interpolation mittels des Rechners zu verkürzen und die Anzahl der logischen Bauteile, deren Signale vom Rechner des optischen Codierers verwendet werden, zu verringern, wobei ein genaues Ergebnis erstellt wird.
Gemäß einer weiteren Besonderheit verändert sich der Wert X nicht mehr und wird von dem Zeitpunkt an nicht mehr berechnet, wenn er sich dem Wert Null nähert, wobei der Wert X in den nachfolgenden Annäherungen gleich bleibt.
Gemäß einer weiteren Besonderheit berechnet das Winkelinterpolationsverfahren die Werte X, Y und Z, um ganzzahlige Werte zu erhalten, da die Dezimalstellen für die Winkelgenauigkeit nicht bedeutsam sind, wobei die sogenannte Ganzzahlenrechnung eine Verringerung der Anzahl der logischen Bauteile ermöglicht, deren Signale im optischen Codierer verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Besonderheit ist der Rechenfehler bei diesem Winkelinterpolationsverfahren kleiner als 1,5 en, wobei e = 2^–h wobei b die Anzahl der Bits ist, die für die Darstellung einer Zahl benötigt wird und n die Anzahl der vorbestimmten Annäherungen ist.
Gemäß einer weiteren Besonderheit wird die der Winkelposition entsprechende 180°-Zone durch die starken Bits eines Bytes bestimmt, das man durch die Analog-Digital-Umwandlung eines Sinussignals oder eines Cosinussignals erhält, die man durch Lesen der Bahn gewinnt, wobei die Umwandlung mittels eines Analog-Digital-Wandlers durchgeführt wird.
Eine weitere Aufgabe ist die Erstellung eines hochauflösenden optischen Codierers, der eine Scheibe umfasst, die mindestens zwei Bahnen aufweist, von denen die eine Bahn eine Feinteilung und die andere eine Grobteilung aufweist, wobei die Einteilungstrennung jeder Bahn ein Vielfaches der vorausgehenden Bahn ist, wobei jede dieser Bahnen von vier Fotodetektoren gelesen wird, um pro Bahn annähernd Sinussignale in jeweiliger Versetzung um 90° zu erhalten, wonach diese von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden, um die Anfangskoordinaten der Winkelposition zu erhalten, die dann direkt einem Rechner zur Verarbeitung zugeführt werden, wobei der hochauflösende optische Codierer dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rechner ein dynamisches Winkelinterpolationsverfahren ausführt, ausgehend von den Sinussignalen, die durch das Lesen jeder einzelnen Bahn erzeugt und in digitale Signale umgewandelt werden, wobei der Rechner einen digitalen Winkelwert für jede Bahn erstellt, und eine Einrichtung für die Näherungsrechnung in einem Winkelbereich von –90° bis 90°, wobei die Einrichtung zur Näherungsrechnung fähig ist, bei jeder Annäherung „i" folgende Schritte auszuführen:

– Bestimmen eines Zeichens "d" als Funktion der Digitalwerte X_i-1 und Y_i-1, die zuvor in der vorhergehenden Annäherung berechnet oder gelesen wurden,
– Berechnen neuer Digitalwerte X_i und Y_i ; zur Bestimmung des Zeichens "d" in der nächsten Annäherung "i + 1" und
– Berechnen eines Wertes Z, der sich bei jeder Annäherung dem gesuchten Winkelendwert nähert, wobei die optische Codiervorrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung des 180°-Bereichs der Winkelposition und zur Bildung eines Bytes, das die absolute Winkelposition der Scheibe darstellt, umfasst.

Gemäß einer weiteren Besonderheit besitzt die Einrichtung zur Näherungsrechnung des Rechners eine Einrichtung zur Bestimmung bei der Annäherung „i" der Operation, Additon oder Subtraktion, zu/von den orthogonalen Koordonaten, die in der vorhergehenden Annäherung i–1 berechnet wurden, wobei dieser Vorgang an eine Bedingung der Bestimmung eines Zeichens gebunden ist, das man mittels eines Koordinatenvergleichs der vorhergehenden Annäherung mit einem konstanten Wert erhält, und eine Einrichtung zur Verwendung des Zeichens der so bestimmten Operation, um einen Koeffizienten in Abhängigkeit von dem Annährungsniveau zum/vom vorherigen Winkelwert hinzuzufügen oder abzuziehen, um einen gesuchten Winkelwert zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Besonderheit liefert die Behandlung der digitalen Signale, die in Sinusform in den Rechner gelangen, ein einer Bahnablesung entsprechendes Byte liefert, wobei dieses Byte ein erstes stellvertretendes Bit der Änderung der lichtundurchlässigen und durchscheinenden Bereiche der abgelesenen Bahn enthält und die anderen verbleibenden Bits stellvertretend für den von einer dynamischen Winkelinterpolationsberechnung gelieferten digitalen Winkelwert bleiben.
Gemäß einer weiteren Besonderheit werden die aus der Behandlung der aus der Ablesung jeder einzelnen Bahn erhaltenen Digitalsignale resultierenden Bytes untereinander kombiniert, um so ein synchronisiertes Endbyte erhalten zu können, das die absolute Winkelposition der Scheibe darstellt, wobei das Endbyte so ausgebildet ist, dass die schwachgewichtigen Bits dem Winkelwert entsprechen, der aus der Bahnablesung des feinsten Abschnitts resultiert und die schwergewichtigen Bits dem von der Bahnablesung des gröberen Abschnitts dargestellten Winkelwert entsprechen.
Gemäß einer weiteren Besonderheit umfasst der hochauflösende optische Codierer eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales multiplexes Signal, das die Digitalisierung der Sinussignale ermöglicht, die durch Ablesen jeder einzelnen Bahn als Funktion des vom Rechner befohlenen Multiplexens erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Besonderheit umfasst der hochauflösende optische Codierer ein Behandlungssystem für multiplexe Daten, das die gleiche dynamische Winkelinterpolation beginnend mit allen Sinussignalen, die durch Ablesen jeder einzelnen Bahn erzeugt werden, ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Besonderheit umfasst der hochauflösende optische Codierer eine Scheibe mit mehr als zwei Bahnen, wobei die Bahnen verschiedene, mehr oder weniger feine Abschnitte aufweisen und zueinander gegenüberliegend konzentrisch auf der Scheibe angeordnet sind, wodurch die Abschnittsverteilung jeder Bahn ein mehrfaches der vorausgegangenen Bahn beträgt.
Gemäß einer weiteren Besonderheit erzeugt die gröbere Abschnittsbahn nach ihrer Ablesung wenigstens ein Sinussignal, dessen Zeitabschnitt einer Umdrehung der codierten Scheibe entspricht.
Gemäß einer weiteren Besonderheit ist die gröbere Abschnittsbahn von progressiver Art, so dass sie nach ihrer Ablesung wenigstens ein Sinussignal erzeugt. Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen deutlicher werden, wobei:
1 ein vereinfachtes Schema einer codierten Scheibe darstellt, wobei das Schema der klaren Erläuterung der Schritte des dynamischen Winkelinterpolationsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung dient;
2 ein vereinfachtes Schema einer Arbeitseinrichtung eines optischen Codierers darstellt, wobei das Schema der klaren Erläuterung der Schritte des dynamischen Winkelinterpolationsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung dient;
3 das Schema einer codierten Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein spezifisches Schema des Aufbaus eines binären Bytes darstellt, das den Zahlenwert eines Winkels beinhaltet, wobei das binäre Byte aus der dynamischen Winkelinterpolationsberechnung gemäß der vorliegenden Erfindung resultiert;
5 das Schema der Arbeitseinrichtung des hochauflösenden optischen Codierers darstellt, welcher das dynamische Winkelinterpolationsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet;
6 das Schema eines optischen Codierers des Stand der Techniks darstellt;
7 das aus dem Stand der Technik bekannte repräsentative Schema des statischen Winkelinterpolationsverfahrens darstellt;
8 die aus dem Stand der Technik bekannten repräsentativen Chronogramme der Zweifelbehebungsgleichung in V darstellt;
9 eine Ansicht der Anordnung der konzentrischen Bahnen auf einer codierten Scheibe darstellt, die eine Zweifelbehebung in V gemäß dem Stand der Technik ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Besonderen ein Winkelinterpolationsrechenverfahren, das es ermöglicht, den Winkel der z. B. von einem mechanischen Arm auf einer Achse gebildet wird zu bestimmen. Mit Bezug auf die 1 und 2: Der am Anfang der Beschreibung verwendete optische Codierer ist ein vereinfachter Codierer, der ein leichteres Verständnis des Verfahrens gemäß der Erfindung erlaubt. Dieser optische Codierer umfasst eine Scheibe 1, die an einer Achse 3 befestigt ist, wobei die Scheibe eine Feinbahn 2 aufweist, die von vier Fotodetektoren 4, 5, 6 und 7 gelesen wird, die derart um die Bahn angeordnet sind, dass sie beim Ablesen der Bahn um 90° gegeneinander phasenverschobene Sinussignale liefern. Die vier Sinussignale entsprechen jeweils einem Sinussignal 8, einem Arcsinussignal 9, einem Cosinussignal 10 und einem Arccosinussignal 11. Jedes Sinussignalpaar (Sinus und Arcsinus) und Cosinussignalpaar (Cosinus und Arccosinus) wird danach in je einem Differentialverstärker 12 und 13 miteinander verglichen, um ein Sinussignal und ein Cosinussignal zu erhalten, das nicht mehr durch eine Gleichstromkomponente verschoben ist. Diese beiden Signale werden danach zum Beispiel mittels eines Analog-Digital-Wandlers 14 digitalisiert und nach der Digitalisierung werden die Signale einem Rechner 15 zugeführt, der das Interpolationsverfahren durchführt.
Das Interpolationsrechenverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens drei Schritte:

– einen Schritt der Erfassung der Anfangswerte X0, Y0,
– einen Schritt der Winkelinterpolationsrechnung als Funktion der Anfangswerte X0, Y0, der andere Unterschritte umfasst, wobei die Rechnung zu einem Winkelwert führt, der auf einem Winkelumfang von –90° bis 90° positioniert ist.
– und schließlich einen Schritt, der zu einem auf einem Winkelumfang von 360° positionierten Winkelwert führt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung gleicht einer Näherungsrechnung. Dennoch sind die Annäherungen, so wie sie in der vorliegenden Erfindung errechnet werden, nicht identisch untereinander, so dass es möglich ist, mit vorbestimmten Konstanten zu arbeiten, um die Rechenzeit und die Anzahl der vom Rechner verwendeten logischen Bauteile zu minimieren.
Der erste Verfahrensschritt betrifft gemäß der Erfindung das Lesen und das Erfassen der Zahlenwerte X0 und Y0, die vom Analog-Digital-Wandler erzeugt werden. Diese Werte entsprechen den Digitalwerfen der konvertierten analogen Signale. Diese Werte stellen die Zahlenwerte dar, die dem Cosinussignal X0 und dem Sinussignal Y0 entsprechen, wie sie von den an der Feinbahn angeordneten Fototransistoren gelesen wurden. Somit befindet sich der in einer orthogonalen Ebene mit der Ordinatenachse y und der Abszissenachse x dargestellte mechanische Arm in einer Position M. Der Punkt M hat als Koordinaten den Schnittpunkt X0 der Geraden, die durch M senkrecht auf die x-Achse verläuft, mit der y-Achse und den Schnittpunkt Y0 der Geraden, die durch M senkrecht auf die y-Achse verläuft, mit der y-Achse.
Der zweite Verfahrensschritt gemäß der Erfindung betrifft die Winkelinterpolationsrechnung, die einen Winkelwert ergibt, der auf einen Winkelumfang von –90° bis 90° begrenzt ist.
Weiter unten ist ein Beispiel eines Algorithmus dieser Interpolationsrechnung dargestellt. Dieses Beispiel entspricht einer Interpolationsrechnung mit 13 Annährungsschritten. Diese Rechnung kann auch mit einer kleineren oder größeren Anzahl von Annäherungsschritten als die Zahl 13 durchgeführt werden. Der zweite Verfahrensschritt gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf das untenstehende Beispiel beschrieben.
Annäherung Nummer 1:

X1 = X0 + d·Y0
Y1 = Y0 – d·X0

Annäherung Nummer 2:

X2 = y_2·X1 + d·Y1
Y2 = y_2·Y1 – d·X1
Z2 = α_2 + d·β_2

Annäherung Nummer 3:

X3 = y_3·X2 + d·Y2
Y3 = y_3·Y2 – d·X2
Z3 = y_3·Z2 + d·β_3

Annäherung Nummer 4:

X4 = X3 + d·Integer(Y3/8)
Y4 = Y3 – d·Integer(X3/8)
Z4 = Z3 + d·β_4

Annäherung Nummer 5:

X5 = Integer(X4/8) + d·Integer(Y4/128)
Y5 = y_5·Y4 – d·Integer(X4/8)
Z5 = Z4 + d·β_5

Annäherung Nummer 6:

Y6 = y_6·Y5 – d·X5
Z6 = Z5 + d·β_6

Annäherung Nummer 7:

Y7 = y_7·Y6 – d·X5
Z7 = Z6 + d·β_7

Annäherung Nummer 8:

Y8 = y_8·Y7 – d·X5
Z8 = Z7 + d·β_8

Annäherung Nummer 9:

Y9 = y_9·Y8 – d·X5
Z9 = Z8 + d·β_9

Annäherung Nummer 10:

Y10 = y_10·Y9 – d·X5
Z10 = Z9 + d·β_10

Annäherung Nummer 11:

Y11 = y_11·Y10 – d·X5
Z11 = Z10 + d·β_11

Annäherung Nummer 12:

Y12 = y_12·Y11 - d·X5
Z12 = Z11 + d·β_12

Annäherung Nummer 13:

Y13 = y_13·Y12 – d·X5
Z13 = Z12 + d·β_13

Im obigen Beispiel entsprechen die Daten X_i und Y_i den Rechenwerten, die ausgehend von den Werten X_i-1 und Y_i-1 die aus den vorausgehenden Annäherungen berechnet oder gelesen werden, erhalten wurden. Der Wert „d" entspricht einem Zeichen, definiert gemäß den Werten X_i-1 und Y_i-1 die aus den vorausgehenden Annäherungen berechnet oder gelesen werden. Der Wert Zi entspricht dem Wert, der sich bei jedem Annäherungsschritt dem gesuchten Winkelwert nähert. Die Werte y_i a_i, und β_i sind vorbestimmte Konstanten. Um dieses Interpolationsverfahren auszuführen, umfasst der Rechner eine Einrichtung zum Bestimmen der Operationsart, Addition oder Subtraktion, der Koordinaten auf jeder Achse, x und y, (X_i und Y_i) der Annäherung „i" als Funktion der Koordinaten (X_i-1 und Y_i-1), berechnet aus der Annäherung i–1, und als Funktion desgleichen einer Bedingung zur Bestimmung des Zeichens d der Operation, beruhend auf den Koordinaten der Annährung i–1. Der Rechner umfasst desgleichen eine Einrichtung zur Bestimmung des Winkelwertes, die es ermöglicht, für jede einzelne Bahn der Scheibe einen numerischen Winkelwert zu erhalten. Diese Bestimmungseinrichtung umfasst eine Einrichtung zur Verwendung des so bestimmten Zeichens „d", um einen Koeffizienten β_i, der vom Annäherungsniveau abhängt, zum/vom vorigen Winkelwert Z_i-1, hinzuzufügen oder abzuziehen, um somit den gesuchten Winkelwert Z_i zu erhalten.
Jede Annäherung beruht auf annähernd identischen Rechenschritten. Der erste D Rechenschritt einer Annäherung ist die Bestimmung des Zeichens „d" als Funktion der Werte X_i und Y_i, die aufgrund der vorausgehenden Annäherung i–1 berechnet werden, oder der Werte X₀ und Y₀, die im ersten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung erfasst wurden. Die Bestimmung des Zeichens „d" erfolgt mittels einer Einrichtung zum Wertevergleich von X_i und Y_i, die in der vorausgehendem Annäherung i–1 berechnet 5 wurden, entsprechend den Bedingungen der Bestimmung. Diese Komparatoreinrichtung ist im Rechner enthalten. Mit Bezug auf das obige Beispiel wird somit das Zeichen „d" bei der ersten Annäherung durch die Werte X₀ und Y₀ bestimmt, die beim ersten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung erfasst wurden, Die Bedingungen zur Bestimmung von „d" sind: d = 1 wenn X₀ < 0 und Y₀ < 0, andernfalls d = –1. Bei den folgenden Annäherungen wird das Zeichen „d" als Funktion der Werte X_i und Y_i bestimmt, die aus der vorhergehenden Annäherung berechnet wurden. Zum Beispiel wird das Zeichen „d" in der Annäherung Nummer 2 durch X₁ und Y₁ definiert. Die Bedingungen für die Bestimmung des Zeichens „d" in einer Annäherung „i" sind: d = 1 wenn X_i-1< 0 und Y_i-1 < 0, andernfalls d = –1.
Der zweite Rechenschritt einer Näherungsrechnung besteht in der Bestimmung des Wertes X_i als Funktion der Werte X_i-1, und Y_i-1, die aus der vorhergehenden Annäherung berechnet wurden, und als Funktion des Zeichens „d", das beim ersten Rechenschritt der Annäherung Nummer i definiert wurde. Bei diesem zweiten Rechenschritt verwendet der Rechner eine Einrichtung zur Bestimmung der Operation, in diesem Beispiel eine Addition, passend zum vorher bestimmten Zeichen „d", um die Koordinate X_i zu berechnen. Mit Bezug auf das obige Beispiel: der Wert X_i wird als Funktion der Werte X₀ und Y₀ erhalten, die beim ersten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung erfasst wurden, und als Funktion des Zeichens „d", das beim ersten Rechenschritt der Annäherung Nummer 1 definiert wurde. Angefangen mit der Annäherung Nummer 6 ist X_i ein Wert nahe Null. Dieser Wert ändert sich nicht mehr und bleibt bei den folgenden Annäherungen beim Wert X5.
Der dritte Rechenschritt einer Annäherung „i" besteht in der Bestimmung des Wertes Y_i als Funktion der Werte X_i-1 und Y_i-1 die bei der vorhergehenden Annäherung berechnet wurden, und des Zeichens „d", das beim ersten Rechenschritt der Annäherung Nummer i definiert wurde. Bei diesem dritten Rechenschritt verwendet der Rechner eine Einrichtung zur Bestimmung der Operation, in diesem Beispiel eine Subtraktion, passend zum vorher bestimmten Zeichen „d", um die Koordinate Y; zu berechnen. Mit Bezug auf das obige Beispiel: der Wert Y1 wird als Funktion der Werte X0 und Y0 erhalten, die beim ersten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung erfasst wurden, und als Funktion des Zeichens „d", das beim ersten Schritt der Annäherung Nummer 1 definiert wurde. Die Bestimmung des Wertes Y; und des Zeichens „d" in den Annäherungen 6 bis 13 erfolgt als Funktion des Wertes X5 und nicht des Wertes Xi-1.
Der letzte Rechenschritt einer Annäherung „i" erfolgt mittels der Einrichtung zur Bestimmung des Winkelwertes, die es ermöglicht, einen numerischen Winkelwert für jede einzelne Bahn (2a und 2c) zu erhalten. Dieser Schritt besteht in der Bestimmung des Wertes Z_i als Funktion des Zeichens „d", definiert beim ersten Schritt der Annäherung Nummer „i" und als Funktion der vorbestimmten Konstanten α_i und β_i und/oder als Funktion der Wertes Z_i-1 der bei der vorhergehenden Annäherung „i-1" berechnet wurde. Bei diesem letzten Rechenschritt benutzt der Rechner die Einrichtung, die das Zeichen „d" der Operation verwendet, um einen Koeffizienten β_i zu addieren oder zu subtrahieren, der vom Annäherungsniveau des Winkelwertes Zi-1 abhängt, um einen neuen Winkelwert Zi zu erhalten. Mit Bezug auf das obige Beispiel: der Wert Z1 wird als Funktion der vorbestimmten Konstanten α_i und β_i und als Funktion des beim ersten Schritt der Annäherung Nummer „1" definierten Zeichens „d" erhalten. Der Wert Z2 wird als Funktion der vorbestimmten Konstanten, als Funktion von Z1 und als Funktion des beim ersten Schritt der Annäherung Nummer 2 definierten Zeichens „d" erhalten. Bei der letzten Annäherung ist der Wert Z repräsentativ für den Positionierungswinkel, zum Beispiel eines mechanischen Armes, der sich um eine Achse dreht. Die Werte y_i, α_i und β_i aus dem obigen Beispiel sind von einem Programmierer vorgegebene Werte und ihre Werte sind bei jeder Annäherung verschieden. Diese Konstanten werden gemäß der gewünschten Rechenfehlergenauigkeit und der Anzahl der Annäherungsschritte berechnet. Der Genauigkeitsfehler der Rechnung bei einem solchen Verfahren ist kleiner als 1, 5 en, wobei e = 2^–b, wobei b die für die Darstellung einer Zahl benötigte Bitanzahl ist, und n die Anzahl der Annäherungen ist. Die Konstanten werden außerdem als Funktion eines Koeffizienten „a" bestimmt, welcher die Hauptrechnung zur Bestimmung des Winkels ausführt. Die Berechnung dieses Koeffizienten erfolgt folgendermaßen: α_Annäherung = tan^–1(2^{–Annäherung}). Die Konstanten y_i, α_i und β_i und die vorgegebene Anzahl der Annäherungen ermöglichen ein Minimieren der Rechenzeit der Näherungsrechnung und der Anzahl der logischen Bauteile, deren Signale vom Rechner des optischen Codierers verwendet werden. Ein weiteres subtiles Element dieses Verfahrens, mit dem Zweck, die Anzahl der logischen Bauteile zu minimieren, ist das Verwenden, der ganzzahligen Werte X, Y und Z, angefangen mit einer Annäherung „k". Tatsächlich sind die Ziffern hinter dem Komma nicht bedeutsam für die Winkelgenauigkeit. Aber je mehr Ziffern hinter dem Komma vorkommen, umso mehr logische Gatter benötigt der Rechner.
Diese Winkelinterpolationsrechnung ermöglicht die Bestimmung eines Winkelwertes entlang eines Winkelumfangs von –90° bis 90°, wobei bekannt ist, dass für einen Ausgangswert 0 der entsprechende Winkel –90° beträgt.
Der dritte Verfahrensschritt gemäß der Erfindung betrifft die Bestimmung des für eine Winkelperiode von 360° berechneten Winkelwertes. Die Rechnung des zweiten Schritts ist nur für einen Winkelumfang von 180° definiert, und zwar von –90° bis 90°. Die Aufgabe des dritten Schritts ist die Bestimmung des 180°-Bereichs der Scheibe, in welchem der Winkel definiert ist. Um dieses Ergebnis für 360° zu erhalten, muss sich das Verfahren auf den Wert des schwergewichtigen Bits des bei der Analog-Digital-Wandlung der sinusförmigen Signale Sinus und Cosinus erzeugten binären Bytes stützen. Dieses Bit ermöglicht es, den 180°-Bereich als Funktion der Werte 1 oder 0 zu definieren. Wenn zum Beispiel die Achse sich zwischen –90° und 90° positioniert, indem sie sich im trigonometrischen Sinn bewegt, ist der Wert des schwergewichtigen Bits gleich 1, im umgekehrten Fall ist der Wert des schwergewichtigen Bits gleich 0.
Der Gegenstand der Entdeckung besteht in der Erstellung einer Winkelcodierung, die eine absolute Winkelposition mit großer Auflösung und großer Genauigkeit liefert. Um ein genaues Winkelergebnis zu erhalten, sind Zwischenbahnen auf der Scheibe nahe der Feinbahn des optischen Codierers vorgesehen, der in der 3 dargestellt ist. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Erstellung eines hochauflösenden optischen Codierers, der das vorhin vorgestellte Prinzip der Winkelinterpolationsrechnung für die inneren Bahnen, die auf der Scheibe nahe der Feinbahn angeordnet sind, verwendet. Die Haupteinrichtung des hochauflösenden optischen Codierers ermöglicht es somit, die Anzahl der Fotodetektoren, die im Allgemeinen in den Phasen der Zweifelbehebung benutzt werden, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, zu verringern. Die auf diesen Bahnen durchgeführte Interpolation soll das binäre Byte, das die Winkelposition der Scheibe genau definiert, erweitern. Man erhält somit ein genaues Ergebnis zugleich mit der Verringerung der Anzahl der Fotodetektoren des optischen Codierers.
Die Vorrichtung des hochauflösenden optischen Codierers gemäß der Erfindung umfasst eine Scheibe, die mehrere Bahnen aufweist, von denen wenigstens eine die Feinbahn und eine weitere, die so genannte innere Bahn, ist. In einer in der 3 dargestellten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Scheibe, welche eine Feinbahn und zwei innere Bahnen aufweist. Die Teilung der Feinbahn und der inneren Bahnen in undurchsichtige und durchsichtige Abschnitte jeder Bahn beträgt ein ganzes Vielfaches der vorhergehenden Bahn. Die Genauigkeit und die Linearität der Signale, die beim Ablesen der einzelnen Bahnen erzielt werden, sowie die Teilungsverhältnisse der aufeinanderfolgenden Bahnen sind so bestimmt, dass der Winkelwert einer Bahn eindeutig mit der Signalperiode der vorhergehenden Bahn synchronisiert ist. Mit Bezug auf die 3 und 5: eine erste innere Bahn 2a, die so genannte 360°-Bahn, ist in der Mitte der Scheibe 1 angeordnet. Diese Bahn 2a hat eine Grobteilung, sie liefert mindestens ein Sinussignal mit nur einer Periode pro Umdrehung der codierten Scheibe. Die innere Bahn 2a kann von progressiver Form sein. Es ist die Breite der Bahn, die sich ändert. Die progressive Form soll bei ihrem Ablesen die Sinus- oder die Cosinusfunktion liefern. Konzentrisch ist außerhalb dieser Bahn eine zweite mittlere Bahn 2b angeordnet. Diese Bahn hat eine feinere Teilung als die erste innere Bahn. Sie ermöglicht es, bei ihrem Ablesen zum Beispiel mindestens 64 Perioden eines Sinussignals pro Umdrehung der codierten Scheibe 1 zu erhalten. Die mittlere Bahn 2b besteht aus undurchsichtigen und durchsichtigen Unterteilungen mit feinerer Teilung im Vergleich zur ersten inneren Bahn. Schließlich ist konzentrisch außerhalb dieser mittleren Bahn 2b eine Feinbahn 2c angeordnet. Die Feinbahn 2c ist die Bahn mit der feinsten gewünschten Winkelauflösung. Die Feinbahn 2c ist ebenfalls aus undursichtigen Unterteilungen gebildet, die mit durchsichtigen Abschnitten abwechseln. Jede Bahn wird von vier Fotodetektoren 4, 5, 6, und 7 gelesen, die so angeordnet sind, dass sie um jeweils 90° gegeneinander versetzt sind. Man erhält somit von jeder Bahn vier Sinussignale 8, 9, 10 und 11, die um 90° phasenverschoben sind, die jeweils ein Sinussignal 8a, 8b und 8c, ein Arcsinussignal 9a, 9b und 9c, ein Cosinussignal 10a, 10b und 10c und ein Arccosinussignal 11a, 11b und 11c darstellen. Diese Signale werden danach Differentialverstärkern 12, 13 zugeführt, um ein Sinus- und ein Cosinussignal ohne Gleichstromkomponente zu erhalten. Diese beiden Signale werden danach in einer gemultiplexten Digitalisierungseinrichtung 14, zum Beispiel einem Analog-Digital-Wandler, digitalisiert. Schließlich gelangen die digitalisierten Sinus- und Cosinussignale in einen Rechner 15, um die Winkelinterpolation auszuführen. Die aus jeder Bahn erhaltenen Signale werden auf diese Art verarbeitet. Das Arbeitssystem der Erfindung umfasst einen gemultiplexten Digital-Analog-Wandler und einen Rechner, der das Multiplexen der Daten benutzt, um die dynamische Winkelinterpolation mit den Signalen auszuführen, die durch Ablesen jeder Bahn erhalten werden und der gleichen dynamischen Winkelinterpolation unterzogen werden.
Das vom hochauflösenden optischen Codierer erzeugte Ergebnis wird durch ein binäres Byte dargestellt. Dieses binäre Byte hat die Besonderheit, sich in so viele Teile aufzuspalten, wieviel Bahnen auf der codierten Scheibe vorhanden sind. In der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spaltet sich das binäre Byte in drei Teile. Die 4 zeigt ein repräsentatives Beispiel eines binären Bytes, das aus der vorliegenden Erfindung resultiert. Mit Bezug auf diese Figur kann die Zusammensetzung des binären Bytes in vereinfachter Weise erläutert werden. Die Bits B15 bis B25 resultieren aus dem Ablesen der Feinbahn, die Bits B8 bis B14 resultieren aus dem Ablesen der mittleren Bahn und die Bits B0 bis B7 resultieren aus dem Ablesen der Grobbahn. Die Bestimmung (Definition) des Bytes erfolgt auf etwas komplexere Weise, die ein Synchronisieren der Ergebnisse des Ablesens der Bahnen ermöglicht.
So werden die ersten Bits des binären Bytes, die sogenannten leichtgewichtigen Bits B16 bis B25, durch Winkelinterpolationsverfahren der Sinus- und Cosinussignale erhalten, die durch das Ablesen der Feinbahn erhalten werden. Das Bit B15 ist eine Umschreibung des Ablesens der Feinbahn. Das Organigramm dieses Bits entspricht einem Rechtecksignal, welches die undurchsichtigen und die durchsichtigen Abschnitte der Feinbahn darstellt.
Die mittleren Bits B8 bis B14, die so genannten schwergewichtigen mittleren Bits, werden mittels zweier Verarbeitungsschritte, die vom Rechner des optischen Codierers durchgeführt werden, erhalten. Die erste Verarbeitung besteht darin, ein erstes binäres Byte zu erhalten. Das erste Bit dieses binären Bytes ist eine Umschreibung des Ablesens der mittleren Bahn. Das Organigramm dieses Bits entspricht einem Rechtecksignal, das die undurchsichtigen und die durchsichtigen Abschnitte der mittleren Bahn darstellt. Die anderen Bits dieses ersten binären Bytes werden durch das Winkelinterpolationsverfahren erhalten, das aufgrund der sinusförmigen Signale durchgeführt wird, die durch das Ablesen der mittleren Bahn erhalten werden. Die zweite Behandlung ermöglicht ein Synchronisieren des Ergebnisses des ersten binären Bytes mit dem Bit B15, das beim Ablesen der Feinbahn erhalten wurde. Diese vom Rechner des optischen Codierers durchgeführte kombinatorische Verarbeitung führt zu den Bits B8 bis B14.
Die letzten Bits B0 bis B7, die sogenannten schwergewichtigen Bits, werden ebenfalls aufgrund von vom Rechner des optischen Codierers durchgeführten zwei Verarbeitungsschritten erhalten. Die erste Verarbeitung besteht in der Bestimmung eines ersten binären Bytes. Das erste Bit dieses binären Bytes ist eine Umschreibung des Ablesens der Bahn. Das Organigramm dieses Bits entspricht einem Rechtecksignal, das die undurchsichtigen und die durchsichtigen Abschnitte der letzten Bahn darstellt. Die anderen Bits dieses ersten binären Bytes werden durch das Winkelinterpolationsverfahren erhalten, das aufgrund der sinusförmigen Signale durchgeführt wird, die durch das Ablesen der letzten Bahn erhalten werden. Die zweite Verarbeitung ermöglicht das Synchronisieren des Ergebnisses des ersten binären Bytes mit dem Bit B8, das beim Ablesen der mittleren Bahn erhalten wurde. Diese vom Rechner des optischen Codierers durchgeführte kombinatorische Verarbeitung führt zu den Bits B0 bis B7.
In der Arbeitseinrichtung umfasst das binäre Byte die Zahlenwerte, die durch das Ablesen jeder einzelnen Bahn erhalten werden, und stellt die absolute Winkelposition, zum Beispiel eines mechanischen Armes während seiner Rotation um eine Achse, dar. Dieses binäre Byte wird mittels der Multiplexierung der Daten bei der Winkelinterpolationsrechnung, welche der Rechner 15 ausführt, definiert. Diese Multiplexierung ermöglicht es, das Ergebnis des Ablesens jeder einzelnen Bahn aufgrund der gleichen dynamischen Winkelinterpolationsrechnung zu erhalten.
Da die Linearität der Interpolation der Sinus- und Cosinussignale der einzelnen Bahnen sehr genau sein muss, damit jeder Winkelwert in eine halbe Periode der vorhergehenden feineren Bahn eingeordnet werden kann, muss die absolute Winkelposition eindeutig bestimmt werden. So erhält man mittels der ersten inneren Bahn 2a eine erste grobe Genauigkeit, die zur Bestimmung des 180°-Bereichs, in dem sich der mechanische Arm befindet, ausreicht. Die Feinbahn 2b ermöglicht eine höhere Genauigkeit des Winkelwertes, den der mechanische Arm in seiner Rotation um eine Achse einnimmt.
Die oben vorgestellte Ausführungsform ist ein nicht einschränkendes Beispiel eines optischen Codierers gemäß der Erfindung. Ein optischer Codierer kann auf seiner codierten Scheibe eine beliebige Anzahl von inneren Bahnen aufweisen. Die Zusammensetzung des binären Bytes ist durch die Anzahl der auf der Scheibe vorgesehenen Bahnen definiert. Die Anzahl der repräsentativen Bits beim Ablesen einer einzelnen Bahn in einem binären Byte kann beliebig sein.
Es ist für jeden mit dieser Technik Vertrauten offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung viele andere konkrete Ausführungsformen ermöglicht, ohne sich vom Anwendungsbereich der Erfindung zu entfernen, so wie er in den Ansprüchen dargestellt ist. Folglich sollen die vorliegenden Ausführungsformen als beispielhaft verstanden werden, die aber im Bereich und Geist der zugehörigen Ansprüche verändert werden können, und die Erfindung soll nicht auf die oben gegebenen Einzelheiten eingeschränkt werden.

Claims

Winkelinterpolationsverfahren mittels einer optischen Codiervorrichtung, umfassend mindestens eine Scheibe (1) mit mindestens einer kreisförmigen Bahn (2) aus abwechselnd angeordnete lichtundurchlässigen und transparenten Bereichen, sowie einer die Bahn bestrahlenden Lichtquelle, einem Sensor zur Umwandlung eines von der Lichtquelle und der Scheibe erzeugten optischen Signals in ein analoges Signal, einer Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal (14) und einem die Daten bearbeitenden Rechner (15), gekennzeichnet durch folgende Schritte: Lesen und Erstellen der digitalen Werte X₀ und Y₀ aus den durch die Lichtquelle und der kreisförmigen Bahn erzeugten Signalen, wobei die analogen Signale durch die Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal digitalisiert werden, dynamische Berechnung der Winkelinterpolation auf einem sich von –90^° bis 900° erstreckenden Winkelumfang, wobei die Berechnung der Winkelinterpolation einer Näherungsberechnung gleicht, bei der mit jedem Näherungsschritt "i" ein Zeichen "d" als Funktion der vorher berechneten und gelesenen Werte X_i-1 und Y_i-1 der vorher berechneten Näherung "i–1" bestimmt wird, und Berechnung neuer Werte X_i und Y_i die die Bestimmung des Zeichens "d" ermöglichen, das in der nächstfolgenden Näherung "i + 1" verwendet wird, und Berechnung eines Wertes Z, der sich mit jeder Näherung dem gesuchten Endwert des Winkels nähert, und Bestimmung des der Winkelstellung zugeordneten 180° Bereichs, der ein Ergebnis über einen Winkelumfang von 360° ermöglicht, das durch ein Byte mit eine Anzahl vorbestimmter Bits dargestellt wird.
Winkelinterpolationsverfahren nach des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstellung der digitale Werte X₀ und Y₀ im ersten Berechnungsschritt der Winkelinterpolation, durch Ablesen nahezu identischer Sinus-Signale bzw. Kosinus-Signale erfolgt.
Winkelinterpolationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wert X_i der Annäherung "i", wobei sich "i" vom Wert Null unterscheidet, als Funktion der Werte X_i-1 und Y_i-1, die aus der vorausgehenden Annäherung "i–1" errechnet wurden, und als Funktion des Zeichens "d", das aus der Annäherung "i" bestimmt wurde, berechnet wird.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert Y; der Annäherung "i", wobei sich "i" vom Wert Null unterscheidet, als Funktion der Werte X_i-1 und Y_i-1, die aus der vorausgehenden Annäherung "i–1" errechnet wurden, und als Funktion des Zeichens "d", das aus der Annäherung "i" bestimmt wurde, berechnet wird.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeichen "d" bei der Werteerfassung durch einen Wertevergleich der digitalen Werte Y₀ und X₀ als Funktion der folgenden Bedingungen erfolgt: d = 1, wenn X₀ < 0 und Y₀ < 0 ist, andernfalls ist d = –1.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Zeichens "d" aus der Annäherung "i", wobei "i" sich vom Wert Null unterscheidet, durch einen Wertevergleich der Werte X_i-1 und Y_i-1, die aus der vorausgehenden Annäherung "i–1" berechnet wurden, als Funktion der folgenden Bedingungen erfolgt: d = 1, wenn X_i-1 < 0 und Y_i-1 < 0 ist, andernfalls ist d = –1.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert Z aus der Annäherung "i", wobei "i" sich vom Wert Null unterscheidet, als Funktion des in der Annäherung "i" bestimmten Zeichens "d" und einer bestimmten Konstante oder als Wert Z_i-1 aus der vorausgehenden Annäherung "i–1" berechnet wird.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Annäherungen vorbestimmt ist, um so die Anzahl der in der Berechnung verwendeten Konstanten zu bestimmen, um so bei genauen Ergebnissen die Berechnungszeit der Interpolation mittels des Rechners (15) zu verkürzen und die Anzahl der logischen Bauteile zu verringern, deren Signale vom Rechner (15) der optischen Codiervorrichtung benutzt werden.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert X nicht mehr variiert und von dem Zeitpunkt an nicht mehr berechnet wird, wenn er sich dem Wert Null nähert, wobei der Wert X in den nachfolgenden Annäherungen gleich bleibt.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Werte X, Y und Z als ganze Werte, da die Dezimalwerte für die Winkelgenauigkeit nicht bedeutsam sind, die genannte Berechnung der ganzen Werte eine Verminderung der Anzahl der logischen Bauteile, deren Signale vom Rechner der optischen Codiervorrichtung verwendet werden, ermöglicht.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Winkelinterpolationsverfahren erhaltene Rechenfehlerfaktor unterhalb 1,5 n liegt, da e = 2^–b, wobei b die Bitanzahl darstellt, die zu einer Zahlendarstellung benötigt wird, und n die Anzahl der vorbestimmten Annäherungen darstellt.
Winkelinterpolationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der Winkelposition entsprechende 180° – Zone durch die starken Bits eines Bytes bestimmt wird, das man durch die analoge digitale Umwandlung eines Sinussignal oder eines Kosinussignals erhält, das man durch Lesen der Bahn erhält, wobei man die Umwandlung durch eine Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal erreicht.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung umfassend – einer Scheibe mit mindestens zwei Bahnen (2a und 2c) umfassend eine feine Trennungsbahn (2c) und eine gröbere Trennungsbahn (2a), wobei die Einteilungstrennung jeder Bahn ein Vielfaches der vorangegangenen Bahn ist, – vier Photodetektoren (4, 5, 6 und 7), um jede der genannten Bahnen (2a und 2c) zu lesen und pro Bahn empfindlich Sinussignale in jeweiliger Versetzung um 90° zu erhalten – eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal (14), um die erhaltenen Signale zu digitalisieren und die Koordinaten der Anfangswinkelpositionen zu definieren (X₀ und Y₀), gekennzeichnet durch einen Rechner zur Berechnung einer dynamischen Winkelinterpolation beginnend mit den Sinussignalen, die durch das Lesen der vier Photodetektoren (4, 5, 6 und 7) jeder einzelnen Bahn (2a und 2c) erzeugt und in digitale Signale umgewandelt werden, wobei der Rechner (15) zur Schaffung eines digitalen Winkelwerts für jede einzelne Bahn (2a und 2c) vorgesehen ist und eine Einrichtung zur Annäherung der Berechnung in einem Winkelbereich von –90° zu 90° aufweist, wobei die Einrichtung zur Annäherung bei jeder Annäherung "i" folgende Schritte durchführt: – Bestimmen eines Zeichens "d" als Funktion der Digitalwerte X_i-1 und Y_i-1, die zuvor in der vorhergehenden Annäherung berechnet oder gelesen wurden, – Berechnen neuer Digitalwerte X_i und Y_i zur Bestimmung des Zeichens "d" in der nächsten Annäherung "i + 1" und – Berechnen eines Wertes Z, der sich bei jeder Annäherung dem gesuchten Winkelendwert nähert, wobei die optische Codiervorrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung des 180°-Bereichs der Winkelposition und zur Bildung eines Bytes, das die absolute Winkelposition der Scheibe darstellt, umfasst.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Annäherung des Rechners eine Einrichtung zur Bestimmung des Rechenvorgangs der Annäherung i aufweist, die zu/von der orthogonalen Koordinate (X_i oder Y_i), jene (Y_i-1 oder X_i-1) addiert oder subtrahiert, die in der vorhergehenden Annäherung i–1 berechnet wurden, wobei dieser Vorgang an eine Bedingung der Bestimmung eines Zeichens (d) gebunden ist, das man mittels eines Koordinatenvergleichs der vorhergehenden Annäherung mit einem konstanten Wert erhält, und eine Einrichtung zur Verwendung des Zeichens (d) des so bestimmten Vorgangs, um einen Koeffizienten (β_i) in Abhängigkeit von dem Annäherungsniveau vom vorherigen Winkelwert (Z_i-1) hinzuzufügen oder abzuziehen, um einen gesuchten Winkelwert (Z_i) zu erhalten.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der digitalen Signale, die in Sinusform in den Rechner (15) gelangen, ein einer Bahnablesung entsprechendes Byte liefert, wobei dieses Byte ein erstes stellvertretendes Bit der Änderung der lichtundurchlässigen und durchscheinenden Bereiche der abgelesenen Bahn enthält und die anderen verbleibenden Bits stellvertretend für den von einer dynamischen Winkelinterpolationsberechnung gelieferten digitalen Winkelwert bleiben.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Behandlung der aus der Ablesung jeder einzelnen Bahn erhaltenen Digitalsignale resultierenden Bytes untereinander kombiniert werden, um so ein synchronisiertes Endbyte erhalten zu können, das die absolute Winkelposition der Scheibe darstellt, wobei das Endbyte so ausgebildet ist, dass die schwachgewichtigen Bits (16c) dem Winkelwert entsprechen, der aus der Bahnablesung des feinsten Abschnitts (2c) resultiert und die schwergewichtigen Bits (16a) dem von der Bahnablesung des gröberen Abschnitts (2a) dargestellten Winkelwert entsprechen.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales multiplexes Signal (14) umfasst, das die Digitalisierung der Sinussignale ermöglicht, die durch Ablesen jeder einzelnen Bahn als Funktion des vom Rechner befohlenen Multiplexens erzeugt werden.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Behandlungssystem für multiplexe Daten aufweist, das die gleiche dynamische Winkelinterpolation beginnend mit allen Sinussignalen, die durch Ablesen jeder einzelnen Bahn erzeugt werden, ermöglicht.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, die eine Scheibe mit mehr als zwei Bahnen aufweist, wobei die Bahnen verschiedene, mehr oder weniger feine Abschnitte aufweisen und zueinander gegenüberliegend konzentrisch auf der Scheibe angeordnet sind, wodurch die Abschnittsverteilung jeder Bahn ein mehrfaches der vorausgegangenen Bahn beträgt.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die gröbere Abschnittsbahn (16a) nach ihrer Ablesung wenigstens ein Sinussignal erzeugt, dessen Zeitabschnitt einer Umdrehung der codierten Scheibe entspricht.
Optische Codiervorrichtung hoher Auflösung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Teil der gröberen Abschnittsbahn (16a) eine variierende Radiusstärke gemäß eines bestimmten Gesetzes aufweist und es ermöglicht, durch seine Ablesung ein Sinussignal zu erzeugen.