DE68916884T2

DE68916884T2 - Geschwindigkeits- oder Positionsmessgerät.

Info

Publication number: DE68916884T2
Application number: DE68916884T
Authority: DE
Inventors: Sumio Kobayashi; Kunio Miyashita; Nobuyoshi Mutoh; Hiroshi Nagase; Rika Oue; Hiroshi Sugai; Yasuyuki Sugiura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: EP0358989A2; JP2574873B2; DE68916884D1; EP0358989B1; KR900004090A; US5019773A; JPH0257912A; KR0167543B1; EP0358989A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik des Messens der Position und/oder der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts und beschäftigt sich insbesondere mit einem für diesen Zweck entworfenen und im Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 definierten Gerät.
Ein derartiges Gerät ist aus der EP-A-0 145 935 bekannt. Dort ist ein Gerät offenbart, in welchem zum Messen einer Geschwindigkeit und/oder einer Position eines sich bewegenden Körpers unmodulierte Sinuswellensignale, die von einem auf dem Körper angebrachten Kodierer erzeugt werden, mit einem Sägezahn- Trägerwellensignal für eine Pulsbreitenmodulation verglichen werden. Ein Mikrocomputer wird dazu verwendet, unter Durchführung eines ersten Algorithmus eine Analog-Digital-Wandlung des sinusförmigen Wellensignals auszuführen, wobei ein Wert der für jede Trägerwellenperiode gemessenen Pulsbreite darin angewendet wird. Nachdem auf der Basis der Zustände eines ersten Phasensignals und eines zweiten Phasensignals ein Operationsmodus bestimmt wurde, wird des weiteren der erste Algorithmus durch einen anderen aus einer vorbestimmten Reihe von Algorithmen ausgetauscht, um unter Verwendung weiterer Pulsbreitenwerte eine feine Positionsbestimmung vorzunehmen.
Weiterhin ist in der EP-A-0 162 268 ein Gerät offenbart, in welchem die Messung einer groben Position durchgeführt wird, indem unter Verwendung der Nulldurchgänge eines unmodulierten Kodierersignals ein erstes Signal erzeugt wird, dessen Periode einem Viertel der Periode der Kodiererpulse entspricht, und die Pulse in dem ersten Signal in einem Vor-Rückwärtszähler gezählt werden. Die Messung einer feinen Position wird durch Abtasten und Halten eines ersten Phasensignals und eines zweiten Phasensignals zu jedem Abtastzeitpunkt ausgeführt. Für jedes Abtasten wird ein Sägezahnwellenpuls erzeugt und die Zeitbreite gemessen, um unter Verwendung vorbestimmter Algorithmen eine feine Position zu bestimmen. Während eine Position eines sich bewegenden Körpers unter Verwendung der groben und feinen Positionssignale und eines anderen vorbestimmten Algorithmus gemessen wird, wird des weiteren eine Geschwindigkeit des Körpers bestimmt. Kurz gesagt wird eine grobe Position des Körpers aus dem Nulldurchgang eines sinusförmigen oder Sinuswellensignals bestimmt, aus einem Analogwert des sinusförmigen oder Sinuswellensignals wird eine feine Position bestimmt und die Position des Körpers wird aus der groben und der feinen Position zusammen bestimmt. Eine Geschwindigkeit des Körpers wird aus einer Differenz zwischen den Positionen des Körpers zu jedem Abtastzeitpunkt bestimmt.
Ferner ist in der JP 81 185 A ein Gerät offenbart, in welchem ein Kodierer den Rotationswinkel eines rotierenden Körpers oder die Position eines sich bewegenden Körpers magnetisch oder optisch mißt und Pulssignale erzeugt, deren ansteigenden oder abfallenden Flanken gezählt werden, um die Position oder die Geschwindigkeit des rotierenden oder sich bewegenden Körpers zu erhalten. Das Gerät umfaßt einen bei niedrigen Geschwindigkeiten verwendeten hochauflösenden Kodierer sowie einen bei höheren Geschwindigkeiten verwendeten Kodierer niedrigerer Auflösung. Daten über die tatsächliche Geschwindigkeit werden erhalten durch Zählen von für eine vorbestimmte Abtastzeit oder eine vorbestimmte Anzahl (zwei oder mehr) von Zeitintervallen zwischen den Pulsen erzeugten Pulsen.
Zur weiteren Erläuterung der anstehenden Problematik wird nun ein bestimmtes Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben, worin das Bezugszeichen P eine von dem Kodierer erhaltene Pulsreihe bezeichnet und TS eine Abtastzeit ist, die in dem speziellen Beispiel etwa 0,5 msec beträgt. Ein hoher Genauigkeitswert, der die gemessene Geschwindigkeit anzeigt, wird erhalten durch Messen der Anzahl von Pulsen Pn, die für eine Abtastzeit Ts erzeugt sind, und des Intervalls Td zwischen den Pulsen Pn, und mittels folgender Division:
N = K&sub1; Pn/Td ... (1)
Wenn der rotierende Körper oder sich bewegende Körper in einen Bereich niedriger oder extrem niedriger Geschwindigkeit fällt, werden in einer vorbestimmten Abtastzeit keine Pulse Pn erzeugt, wodurch die Messung der Geschwindigkeit ungewiß gemacht wird.
Mit Bezug auf dieses Verfahren wird nachfolgend von einem Pulsmeßsystem gesprochen. Gemäß diesem System ist es unmöglich, eine zwischen zwei aneinandergrenzende Pulse fallende Position zu bestimmen, selbst wenn die Anzahl der Pulse pro Rotation und Umdrehung unter Benutzung hervorragender Herstellungstechniken erhöht wird.
Ein Achsmotor, der ohne Getriebe eine Last treibt, kann zum Beispiel mit einer extrem niedrigen Geschwindigkeit von weniger als einer Umdrehung pro Minute rotieren. Gemäß dem Pulsmeßsystem gibt es nicht mehrere Pulse in einer Abtastzeit, oder es gibt, wenn überhaupt, nur sehr wenige Pulse, und somit kann keine stabilisierte Geschwindigkeitsregelung erwartet werden. Es ist offensichtlich, daß die Verwendung langer Abtastzeiten die Anzahl der in der Abtastzeit zu messenden Pulse erhöht, wodurch natürlich eine stabilisierte Regelung ermöglicht wird. Jedoch wird die Ansprechempfindlichkeit auf die Regelung verringert.
Das (unmodulierte) Ausgangssignal des Kodierers hat gewöhnlich die Form eines Sinuswellensignals oder eines dazu ähnlichen Signals. In einem Sinuswellensignal-Meßsystem, das den Analogwert des unmodulierten Signals so wie es ist als ein Positionssignal verwendet, wird eine höchste Auflösung von mehr als einer Million Pulsen pro Rotation erhalten, wodurch eine im wesentlichen stufenlose Positionsmessung ermöglicht sowie eine verkürzte Abtastzeit und schnelle Regelung zustandegebracht wird.
Da das Analogsignal verwendet wird, können auf der anderen Seite der Kodierer und der Regler zur Signalübermittlung nicht in isolierter Weise durch einen opto-elektronischen Koppler miteinander verbunden werden. Daher wird der Regler wahrscheinlich durch Rauschen beeinflußt, wodurch es unmöglich wird, eine lange Übertragungsstrecke vorzusehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät vorzusehen, das in der Lage ist, auch extrem langsame Rotationen oder Bewegungen eines rotierenden oder sich bewegenden Objekts ohne jedes Pulsieren zu messen, und überdies die Frequenzgangeigenschaften zu verbessern, um eine schnelle Regelung des rotierenden oder sich bewegenden Körpers vorzusehen, den Übertragungsweg zwischen dem Kodierer und dem Regler aus Übertragungsgründen zu isolieren und den Widerstand des Reglers gegen Rauschen und die tolerierbare Länge des Signalübertragungswegs zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem das Meßgerät wie in Anspruch 1 definiert ausgestaltet wird; vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Entsprechend einem der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung zur Messung der Position oder Geschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers, wird bei einer niedrigen Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers eine Ausgabe eines Sinuswellenkodierers einer Pulsbreitenmodulation (PWM) zur Übertragung an einen Regler durch einen Übertragungskanal unterworfen, und das so modulierte Signal wird in dem Regler zurückgewandelt, um eine Sinuswelle wiederzuerhalten, wobei ein Rechteckwellensignal aus dem Nulldurchgang des wiedererhaltenen Sinuswellensignals wiedererzeugt wird und eine grobe Position des Körpers aus dein wiedererzeugten Rechteckwellensignal bestimmt wird.
Zusätzlich wird ein Analogsignal der Sinuswelle dazu verwendet, eine feine Position des Körpers zu messen. Zur endgültigen Messung der Position oder Geschwindigkeit des sich bewegenden Körpers werden die Informationen über die grobe und die feine Position des Körpers im Geschwindigkeitsregler verwendet (hochauflösendes System).
Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers hoch ist, wird ein Rechteckwellenpulssignal aus dem Nulldurchgang der Ausgabe des Sinuswellenkodierers erzeugt, das als grobes Positionssignal zur Messung der Position oder Geschwindigkeit des sich bewegenden Körpers verwendet wird (Pulssystem).
Ferner zeichnet sich die Erfindung insbesondere dadurch aus, daß das Schalten so ausgeführt wird, daß das vorstehend erwähnte, feine und grobe Positionssignale zusammen verwendende hochauflösende System eingesetzt wird, wenn die Geschwindigkeit des sich bewegenden Körpers niedrig ist, und daß das vorstehend erwähnte, das Rechteckwellenpulssignal verwendende Pulssystem verwendet wird, wenn die Geschwindigkeit des sich bewegenden Körpers hoch ist.
Gewöhnlicherweise werden bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung Pulssignale, die die in einem kodiererseitigen Block erzeugte Ausgabe eines Positionsdetektors wiedergeben, an einen reglerseitigen Block übertragen, der die Pulssignale empfängt und sie in analoge Sinuswellensignale wandelt. Ist die Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers niedrig, so werden die zurückgewandelten Analogsignale zur Messung einer feinen Position verwendet. Ist die Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers hoch, werden die Anzahl der in einer Abtastzeit erscheinenden Pulse sowie das Intervall zwischen den Pulsen verwendet, ohne auf die vorstehend erwähnte Technik zur Messung einer feinen Position zurückzugreifen. Insbesondere werden in der vorliegenden Erfindung zu einer Positions-/Geschwindigkeitsmessung sowohl die feine als auch die grobe Position verwendet, wenn der Geschwindigkeitsregler anzeigt, daß die Bewegungs-/Rotationsgeschwindigkeit niedrig ist, während die Anzahl der in einer Abtastzeit erscheinenden Pulse sowie das Intervall zwischen den Pulsen verwendet werden, wenn der Geschwindigkeitsregler anzeigt, daß die Bewegungs-/Rotationsgeschwindigkeit hoch ist. Im letzten Fall, d.h. wenn der Geschwindigkeitsregler anzeigt, daß die Bewegungs-/Rotationsgeschwindigkeit hoch ist, werden die vorstehend erwähnten Pulssignale, die von dem kodiererseitigen Block übertragen und von dem reglerseitigen Block empfangen werden, dazu verwendet, Rechteckwellenpuls-Wiedergabesignale für die Frequenz aus der relativ niedrigen Ausgabe des Positionsdetektors zu erzeugen, und unmodulierte Rechteckwellensignale von den Ausgangspuls- Erzeugerschaltungen, die von dem kodiererseitigen Block übertragen und von dem reglerseitigen Block empfangen werden, werden dazu verwendet, die unmodulierten Wellensignale für die Frequenz aus der relativ hohen Ausgabe des Positionsdetektors wiederherzustellen.
Ein erfindungsgemäßes Gerät stellt eine optimale Regelung von hoher Geschwindigkeit bis extrem niedriger Geschwindigkeit bereit, wobei die Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung von Analogwerten mit höchster Auflösung durchgeführt wird, so daß ungleichmäßige Rotation vermieden wird. Die Übertragung durch den opto-elektronischen Koppler dient zur Unterdrückung des Rauschens des Positionsdetektors (Kodierers), wodurch ein fehlerhafter Betrieb des Reglers vermieden wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen Positions- und Geschwindigkeitsdetektor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm für ein Pulsmeßsystem.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Sinuswellensignalmeßsystems.
Fig. 6 ist ein Ablaufdiagramm für ein Sinuswellensignalmeßsystem.
Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für eine PWM-Übertragung bei niedriger Geschwindigkeit.
Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm für eine Pulsübertragung bei hoher Geschwindigkeit.
Fig. 9 ist eine Darstellung verschiedener Wellenformschaltpunkte.
Fig. 10 zeigt einen Schaltkreis zum Vermeiden von Zufallsfehlern.
Fig. 11 ist ein Ablaufdiagramm für das Schalten zwischen einem Sinuswellenpuls und einem Isolierpuls, wenn die Geschwindigkeit von niedrig nach hoch wechselt.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das den Zeitablauf für das Schalten zwischen einem Sinuswellenpuls und einem Isolierpuls anzeigt, wenn die Geschwindigkeit von hoch nach niedrig wechselt.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zuerst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 ein Sinuswellensignalmeßsystem in groben Zügen dargestellt. Ein Geschwindigkeitsdetektor ist ein Sinuswellenkodierer. Dies wird mit Sinuswellensignalmeß- System bezeichnet. Eine Positionsmessung wird durchgeführt unter Verwendung einer Grobpositionsmessungsschaltung (19) und einer Feinpositionsmessungsschaltung (14). Bei der Messung einer groben Position werden wiedererzeugte Sinuswellenausgaben A6 und B6 in Pulse A7 und B7 geformt, die an den ansteigenden und abfallenden Flanken (Nulldurchgangsstellen) beider Signale A7 und B7 in Zählsignale Ac gewandelt werden, und die Zählsignale werden von einem Vor-Rückwärts (U/D)- Zähler 24 gemessen. Die Messung der groben Position wird unter Verwendung des Zählerstandes des U/D-Zähler 24 durchgeführt, der zu Abtastzeiten Ts in eine Halteschaltung 25 festgeschrieben wird. Zum Beispiel wird ein zur Zeit t(n-1) oder an einem Punkt 1 in Fig. 6 festgeschriebener Wert einer groben Position ΘR(n-1) bis zum nächsten Abtastpunkt 2 oder zur Zeit tn gehalten. Der Wert ΘRn der groben Position wird zur Zeit tn oder am Punkt 2 festgeschrieben.
Der Wert der Feinpositionsmessung 14 wird wie folgt gemessen. Die wiedererzeugten Sinuswellensignale A6 und B6 in den A- und B-Phasen werden jeweils am Abtastpunkt 1 durch eine Abtastprobe und eine Halteschaltung 26 gehalten, um Analogwerte eA(n-1) und eB(n-1) bereitzustellen. Diese Werte werden von einem A/D-Wandler 27 in digitale Werte EA(n-1) und EB(n-1) gewandelt. Ein Wert wird von einer Positions- und Geschwindigkeitsmeßschaltung 20 wie folgt berechnet:
θF(n-1) = Kltan&supmin;¹(EA(n-1)/EB(n-1)) ... (2)
Die Berechnung von Gleichung (2) kann zum Beispiel von Software in einem Mikrocomputer durchgeführt werden. Der Mikrocomputer berechnet die folgende Gleichung (3):
EA(n-1) /EB(n-1) ... (3)
Auf der anderen Seite können Daten von tan ΘF im Vorhinein in einer Tabelle im ROM abgespeichert werden. Die feine Position wird unter Verwendung einer Adresse ΘF(n-1) im ROM gemessen, bei welcher der Wert der Gleichung (3) mit den Daten für tan ΘF übereinstimmt. Die Anzahl der Datensegmente für tan ΘF zu dieser Zeit ist der Divisor zwischen aneinandergrenzenden Zahlsignalen Ac und stellt die Auflösung an der Position dar. Eine Position Θ wird von einer groben Position ΘR und einer feinen Position ΘF wie folgt berechnet:
θ = θR + θF ... (4)
Wird die feine Position ΘF durch 8 Bits dargestellt und die grobe Position ΘR durch die nachfolgenden Bits dargestellt, dann stellen die Daten für die grobe und die feine Position eine Datenreihe dar. Da die Position zu konstanten Abtastintervallen gemessen wird, wird die Geschwindigkeit ω als das Differential zwischen den Positionen gemessen:
ω = dθ/dt = C (n-th position data θn - (n-1)th position θ(n-1) ... (5)
Ein spezielles Schaltbild sowie ein System und Verfahren zur Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Zuerst wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform zur Messung einer Position mit Bezug auf die betroffenen Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für die Ausführungsform, wobei jedoch ein Ablaufdiagramm für die B-Phase weggelassen wurde. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Positionsdetektor, der Sinuswellen- oder Dreieckwellen-Analogsignale A und B erzeugt, die 90º phasenversetzt sind und der Geschwindigkeit eines rotierenden oder sich bewegenden Körpers (nicht dargestellt) entsprechen; 6 und 7 bezeichnen Pulsbreitenmodulations-Pulserzeuger, die eine entsprechende Analogausgabe und eine Dreieck- oder Sägezahnwelle mit ausgegebenen, durch A4 bzw. B4 bezeichneten Pulsausgaben vergleicht; 12 und 13 bezeichnen Analogwandler, die die PWM- Ausgaben A4 und B4 in entsprechende analoge Sinuswellen- oder Dreieckwellensignale wandeln, die durch A6 bzw. B6 bezeichnet sind; 15 und 16 bezeichnen Pulsformerschaltungen, die quadratische Pulse aus den wiedererzeugten, durch A8 bzw. B8 bezeichneten Analogausgaben formen; 19 bezeichnet einen Grobpositionsdetektor, der unter Verwendung eines U/D-Zählers die Flanken der Ausgaben A8 und B8 der Pulsformerschaltungen 15 und 16 zählt; 14 bezeichnet einen Feinpositionsdetektor, der ein Pulsintervall zwischen groben Positionen aus den wiedererzeugten Analogausgaben A6 und B6 durch n dividiert; 20 bezeichnet einen Positions- und Geschwindigkeitsdetektor eines Sinuswellensignal-Meßsystems, der einen Mikrocomputer umfaßt, der die Gleichungen (2) bis (5) berechnet; und 23 bezeichnet einen Geschwindigkeitsregler, der den Fehler zwischen einem (nicht dargestellten) Geschwindigkeitsbefehl und der berechneten Geschwindigkeit berechnet und an dem Fehler eine Proportional- und Integralrechenoperation durchführt.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für den Betrieb der besonderen Ausführungsform bei niedriger Geschwindigkeit, und Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm für den Betrieb der besonderen Ausführungsform bei hoher Geschwindigkeit. Ein Ablaufdiagramm für die B-Phase wurde weggelassen. Die Position und die Geschwindigkeit des rotierenden oder sich bewegenden Körpers kann bei niedriger Geschwindigkeit unter Verwendung des mit Bezug auf Fig. 1 erwähnten Systems gemessen werden. Wie in Fig. 7 dargestellt wird aufgrund der Gegenwart des Analogwandlers 12 eine Verzögerung auftreten, falls die wiedererzeugte Sinuswelle A6 aus der PWM-Ausgabe A4 erzeugt wird. Die Umwandlungsfunktion des Analogwandlers, bezeichnet mit GA, ist gegeben durch die folgende Nacheilung erster Ordnung:
GA = 1/(1 + TAs) ... (6)
worin TA eine Verzögerungszeitkonstante und s eine komplexe Variable ist. Somit ist, wie in Fig. 7 dargestellt, die wiedererzeugte Sinuswelle A6 um Θa gegenüber dem Ausgangssignal phasenverschoben. Wenn die geformten Pulse A7 und B7 aus den wiedererzeugten Sinuswellen in den Formerschaltungen geformt werden, werden die geformten Pulse aufgrund der Hystereseeigenschaften der Formerschaltungen 15 und 16 um Θh verzögert, wie zum Beispiel durch A7 in Fig. 7 gezeigt. Wenn der rotierende oder sich bewegende Körper unter solchen Bedingungen in einen Hochgeschwindigkeitsabschnitt übertritt, dann nimmt die Verzögerung der geformten Pulse zu, wodurch die korrekte Messung von Position und Geschwindigkeit erschwert wird.
Wie in den Fig. 2 und 8 dargestellt ist, werden die verglichen mit den Positionsdetektorausgaben A1 und B1 nur wenig verzögerten Signale A31 und B31 von den Ausgangspulsschaltungen 61 und 71 erzeugt, um die Position und Geschwindigkeit des rotierenden oder sich bewegenden Körpers zu messen. Die PWM- Pulse A3 und B3 und die unmodulierten Pulse A31 und B31 werden gleichzeitig von den Ausgaben A1 und B1 es Positionsdetektors 3 erzeugt. Die Frequenz wird aus der Ausgabe A1 des Positionsdetektors 3 gemessen, unter Verwendung eines Frequenzdetektors 50, um die Kontakte der ersten Schalter 5A und 5B auszuwählen. Die Kontakte a der Schalter werden bei niedriger Geschwindigkeit ausgewählt, so daß die PWM-Pulsschaltungen 6 und 7 ausgewählt sind, und der Kontakt b wird bei hoher Geschwindigkeit ausgewählt, so daß die Ausgangspulsschaltungen ausgewählt sind. Die Kontakte a der zweiten Schalter 17 und 18 werden ausgewählt, so daß die Pulsformerschaltungen 15 und 16 bei niedriger Geschwindigkeit ausgewählt sind, während die Kontakte b bei hoher Geschwindigkeit ausgewählt werden, so daß die unmodulierten Pulssignale mit kleiner Verzögerung ausgewählt sind. Der Positions- und Geschwindigkeitsdetektor 21 eines Pulssystems formt Pulse unter Verwendung der ansteigenden und abfallenden Flanken der quadratischen Pulse A8 und B8 und mißt die Position und Geschwindigkeit gemäß Gleichung (1). Im dritten Schalter 22 wird der Kontakt a ausgewählt, um den Positions- und Geschwindigkeitsdetektor 20 eines Sinuswellensystems oder Messung niedriger Geschwindigkeit auszuwählen, und der Kontakt b wird ausgewählt, um den Positions- und Geschwindigkeitsdetektor 21 eines Pulssystems oder Messung hoher Geschwindigkeit auszuwählen. Der Geschwindigkeitsregler 23 bewirkt eine Geschwindigkeitsregelung unter Verwendung eines Signals von dem Positions- und Geschwindigkeitsdetektor und erzeugt Signale C6 und C7, um die Kontakte der zweiten Schalter 17, 18 und des dritten Schalters 22 auszuwählen.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der weiteren Ausführungsform. In den Fig. 1, 2 und 3 werden durchgehend die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Betrieb des Geräts bei niedriger Geschwindigkeit wird mit Bezug auf die Fig. 3 und 7 beschrieben. Die Bezugszeichen 1 und 2 bezeichnen ein kodiererseitiges bzw. reglerseitiges Blockdiagramm. Bei niedriger Geschwindigkeit wird ein Dreiecksignal C3 von einem Trägerwellengenerator 4 erzeugt, und der Kontakt a des ersten Schalters 5 wird ausgewählt, C5 auszugeben. Die PWM-Pulsformerschaltungen 6 und 7 vergleichen die Ausgaben A1 und B1 des Sinuswellengenerators 3 und die Dreieckwelle C5, um die PWM-Ausgaben A2 und B2 zu erzeugen. Die PWM-Ausgaben A2 und B2 werden von den Treibern 8 und 9 für Langstrecken verstärkt, und die Ausgaben A3 und B3 der Treiber werden an die Regelkreisseite 2 übertragen. In der Regelkreisseite 2 werden die Signale A3 und B3 von Isolierelementen 10 und 11, wie einem opto-elektronischen Koppler oder einem Pulsübertrager, empfangen, die dann Signale A4 bzw. B4 ausgeben. Die Signale A4 und B4 werden von den Analogwandlern 12 und 13 in Bipolaritäts-Träger AS und B5 gewandelt, und die sich ergebenden Signale werden als wiedererzeugte Sinuswellensignale A6 und B6 über entsprechende (nicht dargestellte) Weichtastfilter erster Ordnung bereitgestellt.
Der Kontakt b des ersten Schalters 5 wird bei hoher Geschwindigkeit ausgewählt, so daß der erste Schalter 5 eine Nullspannung C4 auswählt. Wie in Fig. 8 dargestellt, vergleichen zu diesem Zeitpunkt die PWM-Pulsformerschaltungen 6 und 7 die Ausgaben A1 und B1 des Sinuswellengenerators mit der Nullspannung, um unmodulierte quadratische Pulse A2 und B2 bereitzustellen, die dann an die Treiber 8 und 9 für Langstreckenübertragung geliefert werden, und die Ausgaben A31 und B31 der Treiber werden dann an die Regelkreisseite 2 geliefert. In der Regelkreisseite empfangen die Isolierelemente 10 und 11, wie ein opto-elektronischer Koppler oder ein Pulsübertrager, die Signale A31 und B31 und geben Signale A4 bzw. B4 aus. Die zweiten Schalter 17 und 18 wählen ihre Kontakte b und somit die Signale A4 und B4 aus und geben die Signale A8 bzw. B8 aus. Der Pulssystem-Positionsdetektor 21 empfängt die Signale A8 und B8 und mißt die Position und Geschwindigkeit des rotierenden oder sich bewegenden Körpers gemäß Gleichung (1), wie vorstehend erwähnt. Der dritte Schalter 22 wählt den Kontakt b, um die Signale des Pulssystem-Positions und Geschwindigkeitsdetektors 21 an den Geschwindigkeitsregler 23 zu liefern, der eine Rechenoperation zur Geschwindigkeitsregelung durchführt und Regelsignale C7 und C6 für die zweiten und den dritten Schalter erzeugt.
Das Regelsignal für den ersten Schalter wird unter Verwendung des Blockdiagramms der Fig. 3 und des Regeldiagramms der Fig. 9 beschrieben. Das Ausgabesignal A1 des Sinuswellengenerators 3 wird an den Frequenz-Spannungs (F/V)-Wandler 28 geliefert, der ein von der Frequenz abhängiges Signal C1 ausgibt. Der Hysteresekomparator 30 erzeugt ein Signal C2 aus der Ausgabe C1 des Wandlers 28 und der Ausgabe des Spannungskomparators 29. Das Signal C2 wechselt von hoch nach niedrig an einem Punkt f&sub3;, wenn die Frequenz des Positionsdetektors ansteigt. Die Ausgabe C2 des Komparators 30 wechselt von niedrig nach hoch an einem Punkt f&sub2;, wenn die Frequenz f abfällt. Zu diesem Zeitpunkt gilt f&sub3; > f&sub2;. Der erste Schalter 5 wählt seinen Kontakt a aus, wenn der Hysteresekomparator 30 eine hohe Ausgabe erzeugt, und gibt für-C5 einen Dreieckträger C3 aus. Wenn die Ausgabe des Komparators 30 niedrig ist, wählt der Schalter 5 seinen Kontakt b aus, um die Nullspannung C4 auszugeben. Der Geschwindigkeitsregler 23 berechnet die Frequenz des Positionsdetektors 3. Wenn die Frequenz f < f&sub1; ist, dann werden Position und Geschwindigkeit entsprechend dem Sinuswellensystem berechnet, um den Pulssystemdetektor in einem Bereich f > f&sub1; auszuwählen.
Wenn die Geschwindigkeit des rotierenden oder sich bewegenden Körpers ansteigt, werden die unmodulierten Pulse A4 und B4 ausgewählt, wenn die Positionsdetektorfrequenz f > f&sub4; ist, um eine Positions- und Geschwindigkeitsmessung in dem Pulsmeßsystem zu bewirken. In einem Frequenzbereich von f&sub1; ≤ f ≤ f&sub4; werden die geformten Pulse A7 und B7 ausgewählt, um die Positions- und Geschwindigkeitsmessung in dem Pulsmeßsystem zu bewirken. Während das Intervall zwischen f&sub2; und f&sub3; durch die Charakteristik des Hysteresekomparators bestimmt wird, müssen das Intervall zwischen f&sub2; und f&sub1; sowie das Intervall zwischen f&sub3; und f&sub4; größer sein als ein Bereich, in welchem der rotierende oder sich bewegende Körper einer maximalen Beschleunigung oder maximalen Verzögerung in einer einzigen Abtastzeit ausgesetzt ist.
In Fig. 9 weichen ein unmodulierter Puls und ein geformter Puls in der Phase voneinander ab, wenn der Schaltvorgang zwischen dem Gebiet des geformten Pulses und dem Gebiet des unmodulierten Pulses oder umgekehrt vorgenommen wird. Während der unmodulierte Puls in der Phase geringfügig von dem unmodulierten Sinuswellensignal abweicht, ist der geformte Puls notwendigerweise um eine Verzögerung Θa verzögert, die von dem entsprechenden der Analogwandler 12 und 13 erzeugt ist, sowie um eine Hystereseverzögerung Θh, die von der entsprechenden der Pulsformerschaltungen 15 und 16 erzeugt ist. Während beide Verzögerungszeiten konstant sind, steigt die Phasendifferenz mit steigender Geschwindigkeit an. Der Schaltpunkt f&sub4; tritt jederzeit auf, so daß ein Schaltzufallsfehler zu dieser Zeit auftritt, wodurch ein Fehler in der Messung von Position und Geschwindigkeit verursacht wird.
Fig. 10 veranschaulicht den Schaltkreis der Schalter 17 und 18, die keine Fehler verursachen. Fig. 11 ist ein Ablaufdiagramm, das die Situation veranschaulicht, in welcher das Umschalten von hoher Geschwindigkeit auf niedrige Geschwindigkeit vorgenommen wird.
Fig. 12 ist ein Ablaufdiagramm, das die Situation zeigt, in welcher das Umschalten von niedriger Geschwindigkeit auf hohe Geschwindigkeit vorgenommen wird. Die in den Fig. 11 und 12 verwendeten Bezugszeichen sind die gleichen wie diejenigen, die in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben wurden.
In Fig. 11 wählen die Schalter 17 und 18 in dem Hochgeschwindigkeitsbereich die unmodulierten Pulse A4 und B4 und die Ausgaben A8 und B8 aus. In Fig. 11 wird angenommen, daß Signal C7 des Geschwindigkeitsreglers 23 zum Umschalten vom Hochgeschwindigkeitsbereich zum Niedriggeschwindigkeitsbereich von niedrig nach hoch wechselt. Wenn zum Beispiel das Signal C7 im Phasenverzögerungsbereich wechselt, verwendet das A8-Signal, das schon unter dem Einfluß von dem A4 " "-Signal nach hoch gestiegen ist, das niedrige A7 "x"-Signal als Erwiderung auf das Signal C7, wodurch ein Zufallsfehler verursacht wird, wie durch die gestrichelten Linien gezeigt ist. Um den Zufallsfehler zu vermeiden, wird der tatsächliche Schaltzeitpunkt auf eine ansteigende Flanke eines geformten Pulses gesetzt, wie des Signals C8 nach dem Empfang des Schaltsignals C7, um an einem Punkt f&sub4; von dem "hoch"-Bereich zum Erreichen dieser zu schalten. Die Ausführungsform zum Erreichen dieser Aufgabe ist in Fig. 10 dargestellt. Zu Schaltzwecken werden Positivflanken-Flip-Flops 31 und 32 des D-Typs verwendet. Es sei angenommen, daß das C7-Signal in der A-Phase vom Flip-Flop 31 in eine Datenstation DA eingegeben wird. Ebenso sei angenommen, daß das Übertragungssignal CKA für die Daten DA das A7-Signal ist. Die Ausgabe wird an einen Eingang eines UND-Gatters 33 gelegt, und QA wird an einen Eingang eines UND-Gatters 34 gelegt. Ein Isolierelement- Ausgabepuls A4 wird an den anderen Eingang des UND-Gatters 33 gelegt, und ein Sinuswellenpuls A7 wir an den anderen Eingang des UND-Gatters 34 gelegt. Das -Ausgabesignal beinhaltet das Inverse des QA-Signals. Die Ausgaben der UND-Gatter 33 und 34 werden in ein ODER-Gatter 35 eingegeben, das ein Signal A8 ausgibt. Ein Ablaufdiagramm für die B-Phase ist demjenigen der A-Phase ähnlich und wurde deshalb weggelassen.
In Fig. 12 sei angenommen, daß das Signal C7 des Geschwindigkeitsreglers 23 zum Umschalten vom Hochgeschwindigkeitsbereich zum Niedriggeschwindigkeitsbereich von hoch nach niedrig wechselt. Wenn das Signal C7 im Phasenverzögerungsbereich wechselt, wechselt das A8-Signal bei Θ früher nach hoch, aber der Sinuswellenpuls A7 wird mit dem Isolierelement-Ausgabepuls A4 durch das C8-Signal ersetzt, um einen Zufallsfehler aufgrund des Umschaltens von hoher Geschwindigkeit nach niedriger Geschwindigkeit zu vermeiden.
In den Fig. 1 und 2 können die Ausgaben A1 und B1 des Positionsdetektors 3 von F/V-Wandlern in Pulssignale gewandelt werden, die dann übertragen und von den V/F-Wandlern in Analogsignale zur Positions- und Geschwindigkeitsmessung zurückgewandelt werden können.
Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform, gesehen von der Kodiererseite. Die Erläuterung der in den Ablaufdiagrammen der Fig. 7 und 8 verwendeten Bezugszeichen ist die gleiche, wie für diejenigen in Fig. 13. Der Positionsdetektor 3 gibt entsprechend der Bewegung des rotierenden oder sich bewegenden Körpers Analogsignale A1 und B1 aus. PWM-Pulsformerschaltungen 6 und 7 vergleichen die Analogsignale A1 und B1 mit Dreieckwellen oder Sägezahnwellen, um Signale A3 bzw. B3 auszugeben. Die Ausgangspulsschaltungen 61 und 71 vergleichen die Analogsignale A1 und B1 mit einer Nullspannung, um quadratische Signale A31 bzw. B31 auszugeben. Der Kodierer ist durch das Ausgeben dieser Signale A1, B1, A3, B3, A31 und B31 gekennzeichnet.
Entsprechend der Anordnung der obigen Ausführungsformen sind der Kodierer und der Regler durch die Übertragung eines Sinuswellensignals in der Form eines PWM-Signals elektrisch isoliert- Das verbessert den Rausch-Widerstand auf der Reglerseite und erhöht die Übertragungsstrecke zwischen dem Kodierer und dem Regler beträchtlich. Die Reglerseite wandelt das PWM-Signal in ein analoges Sinuswellensignal, um die Positions- und Geschwindigkeitsmessung in einem Sinuswellensystem anzuwenden, um sogar bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten eine Geschwindigkeitsregelung zu erreichen.
Um eine Störung in dem quadratischen Puls durch den Kodierer aufgrund der Zeitverschiebung, die durch den Analogwandler in dem Hochgeschwindigkeitsbereich verursacht wird, zu vermeiden, wird ein Pulsmeßsystem verwendet, das die Geschwindigkeit aus der Anzahl und der Intervalle der quadratischen unmodulierten Pulse mißt, wodurch eine Geschwindigkeitsregelung für den Geschwindigkeitsbereich von extrem niedriger Geschwindigkeit bis hoher Geschwindigkeit bereitgestellt wird.
Die Kodiererseite vergleicht ein Sinuswellensignal mit einem Dreiecksignal, wenn der rotierende oder sich bewegende Körper niedrige Geschwindigkeit hat und wenn eine PWM erzeugt wird, und vergleicht ein Sinuswellensignal mit einer Nullspannung, wenn der rotierende oder sich bewegende Körper hohe Geschwindigkeit hat, um somit einen Puls zu übertragen, der verglichen mit dem unmodulierten Sinuswellensignal der Reglerseite mit geringfügiger Verzögerung empfangen wird. Somit können sogar im Hochgeschwindigkeitsbereich zwei um 90º phasenversetzte akkurate Inkrementalkodierer-Wellenformen erhalten werden. Fortlaufendes Schalten wird durch Bereitstellen einer Hysterese bei der Auswahl zwischen einer Dreickwelle oder einer Nullspannung, wenn eine PWM erzeugt wird.
Gleichmäßige fortlaufende Geschwindigkeitskontrolle wird durch Einhalten der Beziehung f&sub1; < f&sub2; < f&sub3; < f&sub4; erreicht, wobei f&sub1; der Schaltpunkt zwischen dem Sinuswellensystem und dem Pulsmeßsystem ist, f&sub2; der Schaltpunkt zwischen einer Dreieckwelle und einer Nullspannung ist, wenn eine PWM bei Verzögerung erzeugt wird, f&sub3; der Schaltpunkt zwischen einer Dreieckwelle und einer Nullspannung bei Beschleunigung ist, und f&sub4; der Schaltpunkt zwischen einem geformten Puls und dem unmodulierten Puls ist.
Beim Umschalten zwischen einem geformten Puls und dem unmodulierten Puls kann ein Zufallsfehler auftreten und somit ein Fehler in der gemessenen Position enthalten sein, wenn ein Schaltsignal in dem Phasenverzögerungsbereich für beide Pulse erzeugt wird, aufgrund der Verzögerung des geformten Pulses, wenn von hoher Geschwindigkeit auf niedrige Geschwindigkeit umgeschaltet wird. Um dieses zu verhindern, wird der zweite Schalter von einer ansteigenden Flanke des geformten Pulses geschaltet, nachdem das Schaltsignal empfangen ist, um somit eine akkurate Positionsmessung zu bewirken.
Zusätzlich wird ein Paar von opto-elektronischen Kopplern in den Übertragungswegen angebracht, die die entsprechenden PWM-Pulsformerschaltungen und die Reglerseite verbinden. Dadurch kann der rotierende oder sich bewegende Körper in beständiger Art und Weise von hoher Geschwindigkeit bis niedriger Geschwindigkeit gesteuert werden, und insbesondere ungleichmäßige Rotation bei extrem niedriger Geschwindigkeit ist beseitigt. Des weiteren sind die Frequenzeigenschaften bei hoher Geschwindigkeit verbessert.
Auf der Seite des Positionsdetektors (Kodierer) auftretendes Rauschen ist vollständig von der Seite des Reglers ausgeschlossen, so daß Funktionsstörungen vermindert sind. Da zwei Signale von einem einzelnen Kodierer erhalten werden, ist zusätzlich die Anzahl der Komponenten des Positionsdetektors verringert.

Claims

1. Positions- und/oder Geschwindigkeitsmeßgerät, umfassend

- einen Positionsdetektor (3) zum Erzeugen von analogen Signalen wie Sinuswellen oder Dreieckwellen, die abhängig von der Bewegung eines sich bewegenden oder rotierenden Körpers 90º phasenversetzt sind,

- Pulsbreitenmodulation (PWM)-Pulsformerschaltungen (6, 7) zum Durchführen einer Pulsbreitenmodulation durch Vergleichen der analogen Signale mit einem Sägezahnwellensignal, um PWM-Pulssignale zu erzeugen,

- Ausgangspuls-Erzeugerschaltungen (61, 71), jeweils zum Erzeugen eines unmodulierten Rechteckwellensignals, das eine mit einer Phase der analogen Signale übereinstimmende Phase hat,

- ein Positions-/Geschwindigkeitsmeßmittel zum Messen einer Position und/oder Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers anhand der von den PWM-Pulsformerschaltungen (6, 7) abgeleiteten PWM-Pulssignale oder anhand des von der Ausgangspuls-Erzeugerschaltung (61, 71) abgeleiteten unmodulierten Rechteckwellensignals,

- einen Regler zum Regeln einer Position und/oder Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers abhängig von einem Positions-/Geschwindigkeitsmeßsignals des Positions-/Geschwindigkeitsmeßmittels und

- D/A-Wandler (12, 13) zum Umwandeln des PWM-Pulssignals zurück in analoge Wiedergabesignale wie Sinuswellen oder Dreieckwellen,

dadurch gekennzeichnet,

daß Pulsformerschaltungen (15, 16) vorgesehen sind zum Formen der analogen Wiedergabesignale in Rechteckwellenpuls-Wiedergabesignale,

daß ein Feinpositionsdetektor (14) vorgesehen ist zum feinen Messen einer Position des sich bewegenden oder rotierenden Körpers anhand von Analogwerten des von dem D/A-Wandler (12, 13) abgeleiteten analogen Wiedergabesignals,

daß ein Grobpositionsdetektor (19) vorgesehen ist zum groben Messen einer Position des sich bewegenden oder rotierenden Körpers anhand von Flanken des Rechteckwellenpuls-Wiedergabesignals der Pulsformerschaltungen (15, 16) oder anhand von Flanken der unmodulierten Rechteckwellensignale der Ausgangspuls-Erzeugerschaltungen (61, 71),

daß das Positions-/Geschwindigkeitsmeßmittel einen ersten Positions-/Geschwindigkeitsdetektor (20) eines Sinuswellensystems aufweist zum Messen einer Position und/oder Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers anhand von Ausgaben des Fein- und des Grobpositionsdetektors (14, 19) sowie einen zweiten Positions-/Geschwindigkeitsdetektors (21) eines Pulssystems zum Messen einer Position und/oder Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers anhand der Anzahl von Pulsen oder des Intervalls der Pulse in den Rechteckwellen-Wiedergabesignalen (A7, B7) oder in den unmodulierten Rechteckwellenpulssignalen (A4, B4),

daß der Regler einen Geschwindigkeitsregler (23) aufweist zum Auswählen einer Ausgabe des ersten Positions-/Geschwindigkeitsdetektors (20) oder einer Ausgabe des zweiten Positions-/Geschwindigkeitsdetektors (21), um daran Rechenoperationen für eine Geschwindigkeitskontrolle des sich bewegenden oder rotierenden Körpers durchzuführen,

daß ein Frequenzdetektor (50) vorgesehen ist zum Messen einer Frequenz an dem Ausgang des Positionsdetektors (3), daß erste Schalter (5A, 5B) vorgesehen sind, jeweils zum Auswählen einer Ausgabe der PWM-Pulsformerschaltungen (6 oder 7) und einer Ausgabe der betroffenen Ausgangspuls- Erzeugerschaltungen (61 oder 71),

daß zweite Schalter (17, 18) vorgesehen sind, jeweils zum Auswählen einer Ausgabe der entsprechenden Pulsformerschaltung (15 oder 16) und einer Ausgabe der betroffenen Ausgangspuls-Erzeugerschaltungen (61 oder 71), abhängig von einem von dem Geschwindigkeitsregler (23) erhaltenen Wert einer Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers und

daß ein dritter Schalter (22) vorgesehen ist zum Auswählen einer der Ausgaben des ersten Positions-/Geschwindigkeitsdetektors (20) und des zweiten Positions-/Geschwindigkeitsdetektors (21), abhängig von der von dem Geschwindigkeitsregler (23) erhaltenen Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Frequenzdetektor (50) aufweist

- einen Frequenz-Spannungs-Wandler (28) zum Erzeugen einer Spannungsausgabe, abhängig von der von dem Positionsdetektor (3) gemessenen Frequenz,

- einen Spannungsreferenzgenerator (29),

- einen Hysteresekomparator (30) zum Vergleichen einer Spannungsausgabe des Frequenz-Spannungs-Wandlers mit einer Spannung von dem Spannungsreferenzgenerator,

- einen Trägerwellengenerator (4) zur Ausgabe eines dreieckigen oder Sägezahn-Wellensignals und

- einen Schalter (5) zum Auswählen der Ausgabe des Trägerwellengenerators (4) oder einer Nullspannung, abhängig von der Ausgabe des Hysteresekomparators (30) und

daß die zweiten Schalter (17, 18) jeweils geschaltet werden, wenn der Geschwindigkeitsregler (23) eine vorgegebene hohe Geschwindigkeit mißt und

der dritte Schalter (22) geschaltet wird, wenn der Geschwindigkeitsregler (23) eine vorgegebene niedrige Geschwindigkeit mißt,

wobei das Schalten des dritten Schalters (22) in einem niedrigeren Geschwindigkeitsbereich durchgeführt wird als das Schalten der zweiten Schalter (17, 18) und das Schalten der ersten Schalter (5A, 5B).

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Positionsdetektor (3), die PWM-Pulsformerschaltungen (6, 7), die ersten Schalter (5A, 5B) und der Frequenzdetektor (50) in einem kodiererseitigen Block (1) enthalten sind, während die D/A-Wandler (12, 13), die Pulsformerschaltungen (15, 16), der Grob- und der Feinpositionsdetektor (19, 14), die Ausgangspuls- Erzeugerschaltungen (61, 71), die zweiten Schalter (17, 18), die ersten und zweiten Positions-/Geschwindigkeitsdetektoren (20, 21), der dritte Schalter (22) und der Geschwindigkeitsregler (23) in einem reglerseitigen Block (2) enthalten sind,

daß die Analogsignale des Positionsdetektors (3) in digitale Signale umgewandelt und von dem kodiererseitigen Block (1) an den reglerseitigen Block (2) übermittelt werden und

daß der reglerseitige Block (2) die digitalen Signale empfängt und sie in analoge Signale zurückwandelt, um die Position und/oder Geschwindigkeit des sich bewegenden oder rotierenden Körpers zu messen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der kodiererseitige Block (1) und der reglerseitige Block (2) mittels eines galvanisch isolierenden Mittels (10) elektrisch miteinander gekoppelt sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das galvanisch isolierende Mittel (10) ein optoelektronischer Koppler oder ein Pulsübertrager ist.