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WO1989011080A1 - Position-coded sensor - Google Patents

Position-coded sensor Download PDF

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Publication number
WO1989011080A1
WO1989011080A1 PCT/EP1989/000357 EP8900357W WO8911080A1 WO 1989011080 A1 WO1989011080 A1 WO 1989011080A1 EP 8900357 W EP8900357 W EP 8900357W WO 8911080 A1 WO8911080 A1 WO 8911080A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
code
signal
relative distance
signals
function
Prior art date
Application number
PCT/EP1989/000357
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter Schwesig
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO1989011080A1 publication Critical patent/WO1989011080A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2454Encoders incorporating incremental and absolute signals
    • G01D5/2455Encoders incorporating incremental and absolute signals with incremental and absolute tracks on the same encoder
    • G01D5/2457Incremental encoders having reference marks

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the relative distance between two mutually movable parts with the features specified in the preamble of claim 1 and a device suitable therefor (DE-OS 34 16 090).
  • Measuring systems with an optically or inductively operating
  • a signal each time a corresponding mark is moved past it.
  • the signal is often shaped into a pulse with sharp pulse edges by electronic means.
  • a pulse sequence then arises which breaks down the path covered into path increments and the path covered can be determined by counting the pulses.
  • the senor delivers an approximately triangular or sinusoidal output signal.
  • this signal is ambiguous within a path increment, i.e. every signal value lying between the extreme values is assumed with two relative positions between detector and mark.
  • EP-AO 059 244 discloses a possibility of obtaining a signal of 4 times the frequency from two such phase-shifted signals of the same period length, which signal is practically sawtooth-shaped.
  • the sinusoidal, triangular or sawtooth-shaped signal is further processed as a strictly continuous analog signal or as a quasi-constant digital signal, this is - in contrast to the discontinuous signal formed by binary counts - a continuous function of the current relative distance, since there is a signal value belonging to the instantaneous distance at all times, which changes when the instantaneous distance changes and thus has a defined phase position, while the mentioned counting pulses only occur when the mark and sensor are opposed to each other and thus conditions always occur which a change in the instantaneous distance does not cause a change in the binary pulse. From the instantaneous value of a binary signal, the instantaneous phase position of the sensor signal cannot be concluded.
  • the mentioned, known sawtooth signal already represents a reversible-unique function ("one-two-one-function") of the relative distance within a path increment and thus a signal with a clear phase position.
  • a measuring range composed of many path increments in the case of a rotating one Machine, for example, an entire revolution, but this continuous signal is also ambiguous according to the number of path increments. Therefore, in the known arrangement, the electronic formation of counting pulses for the travel increments traveled is additionally required.
  • the measuring range which is initially given by the path increment or the period of the sensor signal, can be expanded as desired. Another extension of the measuring range is shown in the aforementioned DE-OS 34 16 090 and shown in Fig. 1 for a rotary machine.
  • a code disk G1 is coupled to its shaft 1 with a code mark R1, which is thus movable relative to a stationary sensor S1 and generates a periodic code signal in the detector, which is a function of the relative angular distance, ie the angle of rotation of shaft 1.
  • a second measuring system which contains a reference disk G2 with the reference mark R2 which is coupled to the shaft 1 via a gearbox G and which is therefore movable relative to the sensor S2 (containing a corresponding code detector). It generates a reference signal r2, which is also a function of the relative distance between the shaft 1 and the sensors S1 and S2, but has a different period length compared to the code signal r1 due to the transmission ratio in the gearbox G.
  • the corresponding incremental path signals w1 and w2 are shaped into pulse sequences in an electronic evaluation unit, just like the code signal r1 and the reference signal r2, and initially allow, in the manner described at the beginning, the path increments covered within a complete shaft rotation, which have a length of 2 ⁇ / n, to count.
  • this means that the axis has a starting position in which the marks R1 and R2 face the sensors S1 and S2, about the angle of rotation q. 2 ⁇ is turned further.
  • Another application relates to converter-controlled induction machines in which, for example, the position of the rotor must be known from the start with sufficient accuracy so that when the inverter starts, the current flow through the machine is at the correct angle to the axis of the rotating field and the machine starts up in the desired direction of rotation with the desired torque can.
  • the field distribution of such machines is ambiguous, so that the spatial assignment of the field axis and current flow required for starting the machine is possible with several different positions of the rotor.
  • the measuring range for the position of the rotor in this case is not 2 ⁇ , but in accordance with this ambiguity only 2 ⁇ / p, however, the encoder should also record the rotor position as precisely as possible in a snapshot or in any case within short evaluation times.
  • position-coded encoders have mostly been used so far, which, in addition to a measuring system that breaks down the angle of rotation into small path increments in accordance with the desired resolution and is correspondingly ambiguous, contains further measuring systems that each break down into larger path increments to gradually eliminate ambiguity.
  • These can be sensors with binary output signals or with signals that are a continuous function of the current relative distance.
  • the invention is therefore based on the object of determining the relative position between two parts which are movable relative to one another as simply as possible in the manner of a position-coded snapshot. This object is achieved by a method having the features of claim 1 and an apparatus having the features of claim 2. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.
  • FIG. 1 shows the prior art already explained
  • FIG. 2 and 3 show the application of the invention in a linear displacement, carried out with optical measuring systems
  • FIG. 4 and FIG. 5 show an application of the invention for rotary displacement, carried out with electromagnetic measuring systems and signals occurring in the process.
  • Figure 6 and Figure 7 shows a particularly advantageous embodiment in plan and cross-section.
  • Figures 2 and 3 show schematically two sections through the measuring part of a machine, not shown, with linear movement.
  • a measuring slide 3 is movable along rails 1, which are fastened to a stationary holder 2, and carries the detectors of two optical measuring systems.
  • the beam path of these measuring systems consists of a miniaturized light source 4, 5, a system of lenses 6, 7 and diaphragms 8, 9, which can also carry grids (not shown) for better beam guidance, and leads to corresponding sensors 10, 11.
  • An The holder 2 is also attached to a carrier 12 which carries two tracks 13 and 14 with corresponding optical marks 15, 16 (eg line grids).
  • Each detector is designed to provide a pair of signals 90 ° out of phase with each other.
  • the code detector 10 scanning the code track 15 of FIG. 2 contains a pair of code sensors 10 'and 10''which are a quarter or three quarters of a code increment apart in the direction of movement.
  • Appropriate design of the code marks 15 and the elements 4, 8 and 10 scanning these marks ensures that the sensor signals u 'and u''have an approximately sinusoidal course depending on the relative distance x.
  • the sinusoidal shape can also be forced by electronic means.
  • the signals u 'and u'' can be analog signals or correspondingly finely resolved digital signals.
  • signals can be understood as orthogonal components of a length which is standardized in a plane and a length which can be described by the angle ⁇ .
  • Corresponding standardization elements are known as "vector analyzers" VA standard elements for the control of induction machines.
  • the reference detector also determines the relative distance x as a correspondingly ambiguous function of the “reference angle” ⁇ contained in the reference signal v.
  • VD- vector rotator
  • VD- vector rotator
  • phase positions of the code signal and reference signal are detected with an (m / 2) times lower accuracy.
  • simple electromagnetic measuring systems can be used.
  • FIGS. 4 and 5 This is shown in FIGS. 4 and 5 for the preferred application that a three-phase machine (for example a synchronous machine SM) is fed by a converter SR.
  • the converter SR must be controlled by the control set CT in such a way that the feed current is only fed into certain windings of the stator reference system, so that the machine starts with a desired torque in the correct direction of movement.
  • the control therefore usually contains a vector rotator VD +, in which an angular addition is ultimately carried out so that the control of the headset CT and the converter SR can search for the windings from the stator windings arranged on the circumference of the stator, the winding axes of which compared to those given by the rotor position Axes of symmetry of the field to the desired starting angle point.
  • Teeth of the electromagnetic measuring systems are advantageously equidistantly distributed on the circumference of circular disks 20, 21 which are rigidly coupled to one another and are scanned by corresponding sensors.
  • the teeth on the code disk 20 or the reference disk 21 are shown with alternating magnetization (one pair of teeth 22 or 23 is therefore a magnetic mark).
  • the corresponding sensors 24 ', 24' 'of the code detector scanning the code marks are intended to emit a signal pair of approximately sinusoidal signals which are 90 ° out of phase with respect to one another, which is why the sensor 24' 'faces the space between two teeth when the sensor 24' faces a tooth directly .
  • FIG. 5 shows the sensor signals u 'and v' as well as the signals e 'and e' 'of the distance signal e and the phase angle ⁇ . of the distance signal e shown.
  • the angle of rotation ⁇ of the rotor axis is equal to ⁇ / p or ( ⁇ / p - 2 ⁇ / 3).
  • Figures 6 and 7 show in top view and cross section a position-coded angle encoder according to a first variant of the invention.
  • a disk S rotatable about an axis of rotation W
  • two tracks are arranged along the circumference, which are formed from a homogeneous magnetically conductive material and have a profile with teeth that extend in the radial direction and in the axial direction on opposite sensors are directed.
  • the code track CS is scanned electromagnetically by two code sensors U1 'and U1'', which respond to the variable distance between the sensor and the tooth surface in accordance with the profile being moved past.
  • the two code sensors U1 'and U1'' are adjacent, but offset from one another in such a way that they deliver a pair u1 of approximately sinusoidal sensor signals u1', U1 '', which are 90 ° out of phase with each other.
  • the reference track RS is correspondingly scanned by a pair V, of reference sensors, which are covered in FIG. 1 by the pair U 1 of the code sensors U1 ', U2', since they are opposite one another, while in FIG. 2 the two sensors lying next to one another of the two sensor pairs U1 and V1 appear like a single sensor.
  • the amplitude of the sensor signal pairs u1 and v1 (ie the individual ignale u1 ', u1 ", v1', v1 '') is now falsified by a radial play, which can be caused, for example, by an inaccurate centering on the axis of rotation W. Because the If both sensor pairs are subject to these falsifications at virtually the same time at the same location, this radial play affects all signals equally, and it can also be largely suppressed if the sensors are smaller than the width of the track. In addition, axial play can also occur if, for example, the disk is not exactly perpendicular to the rotating shaft W and therefore "wobbles". Although this affects the two sensors of a pair of sensors practically in the same way, it amplifies the amplitude of a pair of sensor signals while simultaneously reducing the amplitude of the other pair of sensor signals.
  • a pair of compensation sensors is arranged on each broad side diametrically opposite to a pair of sensors, which also scan the track and provide the same sinusoidal output signals as their associated sensors.
  • the output signals u2 ', u2' 'of the compensation sensors U2', U2'1 are disturbed in the opposite sense to the signals u1 ', u1' 'of the sensors U1', U1 ''.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

In order to generate a position-coded signal in a position sensor at virtually any given time, two tracks are scanned by two sensors, each of which generates a pair of sinusoidal signals (cos alpha, sin alpha; cos beta, sin beta) or a similar periodic signal with a definite phase relation at any given time, the periods of the phases being in the ratio m/m-1. The desired relative distance is derived from the difference between the two phase relations.

Description

Lagecodierter Geber Position-coded encoder
Die Erfindung betri fft ein Verfahren zum Bestimmen des relativen Abstandes zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen und eine hierzu geeignete Vorrichtung (DE-OS 34 16 090).The invention relates to a method for determining the relative distance between two mutually movable parts with the features specified in the preamble of claim 1 and a device suitable therefor (DE-OS 34 16 090).
Zur Bestimmung der relativen Lage zweier gegeneinander beweglicher Teile werden Meßsysteme (mit einem optisch oder induktiv arbeitenden) Sensor verwendet, der jeweils dann ein Signal abgibt, wenn eine entsprechende Marke an ihm vorbeibewegt wird. Durch elektronische Mittel wird häufig das Signal zu einem Impuls mit scharfen Impulsflanken geformt. Bei einer Spur aus längs der Bewegungsrichtung äquidistant angeordneten Marken entsteht dann eine Impulsfolge, die den zurückgelegten Weg in Weginkremente zerlegt und durch Zählen der Pulse kann der zurückgelegte Weg bestimmt werden.Measuring systems (with an optically or inductively operating) sensor are used to determine the relative position of two parts that move relative to one another, which emits a signal each time a corresponding mark is moved past it. The signal is often shaped into a pulse with sharp pulse edges by electronic means. In the case of a track consisting of marks arranged equidistantly along the direction of movement, a pulse sequence then arises which breaks down the path covered into path increments and the path covered can be determined by counting the pulses.
Durch entsprechende Gestaltung der Marken kann aber auch erreicht werden, daß der Sensor ein annähernd dreiecksförmiges oder sinusförmiges Ausgangssignal liefert. Dieses Signal ist aber bereits innerhalb eines Weginkrementes zweideutig, d.h. jeder zwischen den Extremwerten liegende Signalwert wird bei zwei Relativlagen zwischen Detektor und Marke angenommen.By appropriate design of the marks it can also be achieved that the sensor delivers an approximately triangular or sinusoidal output signal. However, this signal is ambiguous within a path increment, i.e. every signal value lying between the extreme values is assumed with two relative positions between detector and mark.
Die Beseitigung dieser Zweideutigkeit und gleichzeitig eine Unterscheidung der Bewegungsrichtung gelingt dadurch, daß dieses inkrementelle Wegmeßsystem durch eine zweite Wegmarkenspur und/oder einen zweiten Sensor derart ergänzt wird, daß zwei um 90º phasenverschobene Signale erzeugt werden, aus deren Verknüpfung ein Vorzeichen für die Bewertung der zurückgelegten Weginkremente bestimmt wird. Aus der EP-A-O 059 244 ist eine Möglichkeit bekannt, aus zwei derartigen phasenversetzten Signalen gleicher Periodenlänge ein Signal der 4-fachen Frequenz zu erhalten, das praktisch sägezahnförmig ist. Unabhängig davon, ob das sinusförmige, dreieckförmige oder sägezahnförmige Signal als streng stetiges Analogsignal oder als quasistetiges Digitalsignal weiterverarbeitet wird, handelt es sich hierbei - im Gegensatz zu dem diskontinuierlichen Signal, das von binären Zählimpulsen gebildet wird - um eine kontinuierliche Funktion des momentanen relativen Abstandes, da zu jedem Zeitpunkt ein zum momentanen Abstand gehörender Signalwert vorliegt, der sich bei einer Änderung des momentanen Abstandes verändert und somit eine definierte Phasenlage aufweist, während die erwähnten Zählimpulse jeweils nur dann auftreten, wenn sich Marke und Sensor gegenüberstehen und somit stets Zustände auftreten, bei denen eine Änderung des momentanen Abstandes keine Änderung des binären Impulses hervorrufen. Aus dem Momentanwert eines binären Signals kann nicht auf die momentane Phasenlage des Sensorsignals geschlossen werden kann.The elimination of this ambiguity and at the same time a distinction of the direction of movement succeeds in that this incremental path measuring system is supplemented by a second way mark track and / or a second sensor in such a way that two signals which are phase-shifted by 90 ° are generated, from their combination a sign for the evaluation of the distance traveled Path increments is determined. EP-AO 059 244 discloses a possibility of obtaining a signal of 4 times the frequency from two such phase-shifted signals of the same period length, which signal is practically sawtooth-shaped. Regardless of whether the sinusoidal, triangular or sawtooth-shaped signal is further processed as a strictly continuous analog signal or as a quasi-constant digital signal, this is - in contrast to the discontinuous signal formed by binary counts - a continuous function of the current relative distance, since there is a signal value belonging to the instantaneous distance at all times, which changes when the instantaneous distance changes and thus has a defined phase position, while the mentioned counting pulses only occur when the mark and sensor are opposed to each other and thus conditions always occur which a change in the instantaneous distance does not cause a change in the binary pulse. From the instantaneous value of a binary signal, the instantaneous phase position of the sensor signal cannot be concluded.
Das erwähnte, bekannte Sägezahnsignal stellt bereits eine umkehrbar-eindeutige Funktion ("one-two-one-function") des Relativabstandes innerhalb eines Weginkrementes und damit ein Signal mit einer eindeutigen Phasenlage dar. Bezüglich eines aus vielen Weginkrementen zusammengesetzten Meßbereiches, im Fall einer rotierenden Maschine z.B. einer ganzen Umdrehung, ist jedoch auch dieses kontinuierliche Signal entsprechend der Anzahl der Weginkremente vieldeutig. Daher ist bei der bekannten Anordnung zusätzlich die elektronische Bildung von Zählimpulsen für die zurückgelegten Weginkremente erforderlich. Dadurch kann der Meßbereich, der zunächst durch das Weginkrement bzw. die Periode des Sensorsignals gegeben ist, beliebig erweitert werden. Eine andere Erweiterung des Meßbereichs ist in der eingangs erwähnten DE-OS 34 16 090 dargestellt und in Fig. 1 für eine rotatorische Maschine wiedergegeben. An deren Welle 1 ist eine Codescheibe G1 mit einer Codemarke R1 gekoppelt, die somit gegenüber einem ruhenden Sensor S1 beweglich ist und in dem Detektor ein periodisches Codesignal erzeugt, das eine Funktion des relativen Winkelabstandes, d.h. des Drehwinkels der Welle 1 ist. Zusätzlich zu diesem ersten Meßsystem ist ein zweites Meßsystem vorgesehen, das eine über ein Getriebe G an die Welle 1 gekoppelte Referenzscheibe G2 mit der Referenzmarke R2 enthält, die somit gegenüber dem (einen entsprechenden Codedetektor enthaltenden) Sensor S2 beweglich ist. Sie erzeugt ein Referenzsignal r2, das ebenfalls eine Funktion des Relativabstandes zwischen der Welle 1 und den Sensoren S1 und S2 ist, aber gegenüber dem Codesignal r1 wegen des Übersetzungsverhältnisses im Getriebe G eine unterschiedliche Periodenlänge aufweist.The mentioned, known sawtooth signal already represents a reversible-unique function ("one-two-one-function") of the relative distance within a path increment and thus a signal with a clear phase position. With regard to a measuring range composed of many path increments, in the case of a rotating one Machine, for example, an entire revolution, but this continuous signal is also ambiguous according to the number of path increments. Therefore, in the known arrangement, the electronic formation of counting pulses for the travel increments traveled is additionally required. As a result, the measuring range, which is initially given by the path increment or the period of the sensor signal, can be expanded as desired. Another extension of the measuring range is shown in the aforementioned DE-OS 34 16 090 and shown in Fig. 1 for a rotary machine. A code disk G1 is coupled to its shaft 1 with a code mark R1, which is thus movable relative to a stationary sensor S1 and generates a periodic code signal in the detector, which is a function of the relative angular distance, ie the angle of rotation of shaft 1. In addition to this first measuring system, a second measuring system is provided which contains a reference disk G2 with the reference mark R2 which is coupled to the shaft 1 via a gearbox G and which is therefore movable relative to the sensor S2 (containing a corresponding code detector). It generates a reference signal r2, which is also a function of the relative distance between the shaft 1 and the sensors S1 and S2, but has a different period length compared to the code signal r1 due to the transmission ratio in the gearbox G.
Durch Abtasten der beiden Markensysteme R1 und R2 werden also zwei Signale als periodische Funktionen des Drehwinkels der Welle 1 erzeugt. Dieser Geber soll den Drehwinkel der Welle 1 innerhalb eines Meßbereiches erfassen, der 12 ganze Umdrehungen umfaßt. Für diesen Wellendrehwinkel ist also ein Meßbereich X = 12 . 2ᅲ vorgesehen. Bezüglich dieses Meßbereiches X hat das Codesignal r1, dessen Periode jeweils einer ganzen Umdrehung der Welle entspricht, somit die Periodenzahl 11, das Getriebe G mit dem Übersetzungsverhältnis 12 : 11, bewirkt aber, daß das Referenzsignal r2 in diesem Meßbereich X nur 11 Perioden enthält, also eine um den Wert 1 unterschiedene Periodenzahl besitzt.By scanning the two mark systems R1 and R2, two signals are generated as periodic functions of the angle of rotation of shaft 1. This encoder is intended to detect the angle of rotation of shaft 1 within a measuring range which comprises 12 complete revolutions. A measuring range X = 12 is therefore for this shaft rotation angle. 2 ᅲ provided. With regard to this measuring range X, the code signal r1, the period of which corresponds to one complete revolution of the shaft, thus has the number of periods 11, the gear G with the gear ratio 12:11, but has the effect that the reference signal r2 contains only 11 periods in this measuring range X, thus has a number of periods different by the value 1.
Um aus dem Referenzsignal r2 und dem Codesignal rl ein Abstandssignal zu erhalten, das innerhalb des vorgesehenen Meßbereiches X eine eindeutige Funktion des Relativabstan des ist, ist eine spezielle Auswerteeinrichtung erforderlich, die zunächst aus zwei Wegmarkenspuren mit den äquidistanten, gegeneinander um 90º phasenverschobenen Wegmarken W11... W1n und W21...W2n und entsprechenden Wegmarkendetektoren im Sensor S1 besteht. Die entsprechenden inkrementellen Wegesignale w1 und w2 werden in einer Auswerteelektronik ebenso wie das Codesignal r1 und das Referenzsignal r2 zu Pulsfolgen geformt und gestatten zunächst, auf die eingangs beschriebene Weise die innerhalb einer ganzen Wellendrehung zurückgelegten Weginkremente, die eine Länge von 2ᅲ/n aufweisen, zu zählen. Treten außerdem zwischen einem Impuls des Codesignals r1 und dem nächsten Impuls des Referenzsignals r2 q Pulse des Wegsi.gπals wl auf, so bedeutet dies, daß die Achse gegenüber einer Ausgangsstellung, bei dem die Marken R1 und R2 jeweils den Sensoren S1 und S2 gegenüberstehen, um den Drehwinkel q . 2ᅲ weitergedreht ist.In order to obtain a distance signal from the reference signal r2 and the code signal rl, which has a clear function of the relative distance within the intended measuring range X. That is, a special evaluation device is required, which initially consists of two way mark tracks with the equidistant way marks W11 ... W1n and W21 ... W2n, which are phase-shifted relative to each other by 90 °, and corresponding way mark detectors in sensor S1. The corresponding incremental path signals w1 and w2 are shaped into pulse sequences in an electronic evaluation unit, just like the code signal r1 and the reference signal r2, and initially allow, in the manner described at the beginning, the path increments covered within a complete shaft rotation, which have a length of 2 ᅲ / n, to count. In addition, if there is a pulse of the code signal r1 and the next pulse of the reference signal r2 q pulses of the path signal wl, this means that the axis has a starting position in which the marks R1 and R2 face the sensors S1 and S2, about the angle of rotation q. 2 ᅲ is turned further.
Um nun die Lage der Welle 1 innerhalb des ganzen Meßbereiches X = m . 2ᅲ auch dann festzustellen, wenn durch eine Störung die Zählzahl für die Weginkremente zunächst verlorengegangen ist oder nach dem Einschalten des Gebers noch gar nicht vorhanden ist, muß also zunächst abgewartet werden, bis ein Puls des Wegesignals wl und des Codesignals r1 gleichzeitig auftreten und dann müssen die Impulse des Wegesignals w1 gezählt werden, bis ein Impuls des Referenzsignals r2 auftritt.To determine the position of shaft 1 within the entire measuring range X = m. 2 ᅲ to be determined even if the count number for the path increments has initially been lost due to a fault or is not yet available after the encoder is switched on, it must first be waited until a pulse of the path signal wl and the code signal r1 occur simultaneously and then the pulses of the path signal w1 must be counted until a pulse of the reference signal r2 occurs.
Für langsam drehende, häufig reversierende Maschinen sind derart lange Auswertezeiten häufig nicht günstig. Ein anderer Anwendungsfall betrifft umrichtergesteuerte Drehfeldmaschinen, bei denen z.B. von Anfang an die Lage des Rotors hinreichend exakt bekannt sein muß, damit beim Start des Umrichters die Stromdurchflutung der Maschine im richtigen Winkel zur Drehfeldachse liegt und die Maschine in der gewünschten Drehrichtung mit dem gewünschten Drehmoment anlaufen kann. Entsprechend der Polpaarzahl besitzt die Feldverteilung derartiger Maschinen aber eine Vieldeutigkeit, so daß die für den Start der Maschine erforderliche räumliche Zuordnung von Feldachse und Stromdurchflutung bei mehreren unterschiedlichen Lagen des Rotors möglich ist. Der Meßbereich für die Stellung des Rotors beträgt in diesem Fall nicht 2ᅲ , sondern entsprechend dieser Vieldeutigkeit nur 2ᅲ/p, jedoch soll auch für diesen Fall der Geber möglichst in einer Momentaufnahme oder jedenfalls innerhalb kurzer Auswertezeiten die Rotorlage hinreichend genau erfassen.Such long evaluation times are often not favorable for slowly rotating, frequently reversing machines. Another application relates to converter-controlled induction machines in which, for example, the position of the rotor must be known from the start with sufficient accuracy so that when the inverter starts, the current flow through the machine is at the correct angle to the axis of the rotating field and the machine starts up in the desired direction of rotation with the desired torque can. According to the number of pole pairs However, the field distribution of such machines is ambiguous, so that the spatial assignment of the field axis and current flow required for starting the machine is possible with several different positions of the rotor. The measuring range for the position of the rotor in this case is not 2 ᅲ, but in accordance with this ambiguity only 2 ᅲ / p, however, the encoder should also record the rotor position as precisely as possible in a snapshot or in any case within short evaluation times.
Die bisher beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind hierzu nicht geeignet.The methods and devices described so far are not suitable for this.
Vielmehr werden hierzu bisher meist lagecodierte Geber benutzt, die neben einem Meßsystem, das den Drehwinkel entsprechend der gewünschten Auflösung in kleine Weginkremente zerlegt und entsprechend vieldeutig ist, weitere Meßsysteme enthält, die zur schrittweisen Eliminierung der Vieldeutigkeit jeweils eine Zerlegung in größere Weginkremente vornimmt. Dabei kann es sich um Sensoren mit binären Ausgangssignalen oder mit Signalen handeln, die eine kontinuierliche Funktion des momentanen Relativabstandes sind.Rather, position-coded encoders have mostly been used so far, which, in addition to a measuring system that breaks down the angle of rotation into small path increments in accordance with the desired resolution and is correspondingly ambiguous, contains further measuring systems that each break down into larger path increments to gradually eliminate ambiguity. These can be sensors with binary output signals or with signals that are a continuous function of the current relative distance.
Bereits die Herstellung hinreichend exakter, derartig vielspuriger Markenscheiben ist jedoch schwierig und kostspielig und die entsprechende Vielzahl von Sensorsystemen bedeuten einen weiteren Aufwand. Dies ist insbesondere bei Serienprodukten, wie z.B. Drehfeldmaschinen oder auch bei Bearbeitungsmaschinen, bei denen ein Werkzeug linear oder rotatorisch gegenüber einem Werkstück bewegt wird, nicht vertretbar.However, the production of sufficiently precise, multi-track brand discs of this kind is difficult and costly and the corresponding large number of sensor systems means additional effort. This is particularly the case with series products, e.g. Rotary field machines or also in processing machines in which a tool is moved linearly or rotationally relative to a workpiece are not justifiable.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auf möglichst einfache Weise die relative Lage zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen möglichst in Art einer lagecodierten Momentaufnahme zu bestimmen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The invention is therefore based on the object of determining the relative position between two parts which are movable relative to one another as simply as possible in the manner of a position-coded snapshot. This object is achieved by a method having the features of claim 1 and an apparatus having the features of claim 2. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.
Anhand von drei Ausführungsbeispielen und sieben Figuren wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to three exemplary embodiments and seven figures.
Es zeigen: Figur 1 den bereits erläuterten Stand der Technik,FIG. 1 shows the prior art already explained,
Figur 2 und Figur 3 die Anwendung der Erfindung bei einer Linearverschiebung, durchgeführt mit optischen Meßsystemen, Figur 4 und Figur 5 eine Anwendung der Erfindung für rotatorische Verschiebung, durchgeführt mit elektromagnetischen Meßsystemen sowie dabei auftretende Signale.2 and 3 show the application of the invention in a linear displacement, carried out with optical measuring systems, FIG. 4 and FIG. 5 show an application of the invention for rotary displacement, carried out with electromagnetic measuring systems and signals occurring in the process.
Figur 6 und Figur 7 eine besonders vorteilhafte Ausführungsform in Aufsicht und Querschnitt.Figure 6 and Figure 7 shows a particularly advantageous embodiment in plan and cross-section.
Die Figuren 2 und 3 zeigen schematisch zwei Schnitte durch den Meßteil einer im übrigen nicht dargestellten Maschine mit linearer Bewegung. Längs Schienen 1, die an einer ortsfesten Halterung 2 befestigt sind, ist ein Meßschlitten 3 beweglich, der die Detektoren zweier optischer Meßsysteme tragt. Der Strahlengang dieser Meßsysteme besteht aus jeweils einer miniaturisierten Lichtquelle 4, 5, einem System von Linsen 6, 7 und Blenden 8, 9, die zur besseren Strahlenführung auch (nicht dargestellte) Strichgitter tragen können, und führt zu entsprechenden Sensoren 10, 11. An der Halterung 2 ist ferner ein Träger 12 befestigt, der zwei Spuren 13 und 14 mit entsprechenden optischen Marken 15, 16 (z.B. Strichgitter) tragen.Figures 2 and 3 show schematically two sections through the measuring part of a machine, not shown, with linear movement. A measuring slide 3 is movable along rails 1, which are fastened to a stationary holder 2, and carries the detectors of two optical measuring systems. The beam path of these measuring systems consists of a miniaturized light source 4, 5, a system of lenses 6, 7 and diaphragms 8, 9, which can also carry grids (not shown) for better beam guidance, and leads to corresponding sensors 10, 11. An The holder 2 is also attached to a carrier 12 which carries two tracks 13 and 14 with corresponding optical marks 15, 16 (eg line grids).
Der Schlitten 3, der zwischen der Anfangsstellung 3' und der Endstellung 3'' um den Meßbereich X verschiebbar ist, befindet sich nach Fig. 3 in einer Stellung, die durch den "Relativabstand" x von der an der Halterung anliegenden Anfangsstellung 3' beschrieben wird. Die längs der Spuren 13 und 14 verlegten Marken besitzen einen unterschiedlichen Abstand, wobei die Marken 15 mit dem kleineren Abstand als "Code-Marken" bezeichnet sind und den Meßbereich X in m (mindestens drei, im Beispiel: m = 8 entsprechend der gewünschten Meßgenauigkeit aber häufig hundert oder mehr) "Code-Inkremente" zerlegen. Die Referenzspur 14 zerlegt durch entsprechende, äquidistante "Referenzmarken" 16 den Meßbereich in m - 1 = 7 "Referenzinkremente", wobei zum besseren Verständnis zunächst m ganzzahlig gewählt wird.The carriage 3, which can be shifted between the starting position 3 'and the end position 3''by the measuring range X, is in a position according to FIG. 3, which is described by the “relative distance” x from the starting position 3 ′ resting on the holder becomes. The along the tracks 13 and 14 laid marks have a different spacing, the marks 15 with the smaller spacing being referred to as "code marks" and the measuring range X in m (at least three, in the example: m = 8 but often a hundred or, depending on the desired measuring accuracy) more) Disassemble "code increments". The reference track 14 divides the measuring range into m − 1 = 7 “reference increments” by means of corresponding, equidistant “reference marks” 16, with m being selected as an integer for better understanding.
Jeder Detektor ist so ausgebildet, daß er ein Paar gegeneinander um 90° phasenversetzter Signale liefert. Zu diesem Zweck enthält z.B. der die Codespur 15 abtastende Codedetektor 10 der Figur 2 ein Paar von Codesensoren 10' und 10'', die in der Bewegungsrichtung einen Abstand von einem Viertel oder drei Viertel eines Codeinkrementes haben. Durch entsprechende Gestaltung der Codemarken 15 und der diese Marken abtastenden Elemente 4, 8 und 10 wird erreicht, daß die Sensorsignale u' und u'' in Abhängigkeit von dem Relativabstand x einen ungefähr sinusförmigen Verlauf haben. Bei einem anderen, z.B. dreiecksförmigen Kurvenverlauf kann die Sinusform auch durch elektronische Mittel erzwungen werden. Die Signale u' und u'' können dabei Analogsignale oder entsprechend fein aufgelöste Digitalsignale sein. Am Eingang einer elektronischen Auswerteeinrichtung 17, die eine reine Recheneinrichtung ist, können die Amplituden der beiden Sensorsignale einander angeglichen und normiert werden, so daß für das Referenzsignal u ein Signalpaar u' = cos α = cos(2ᅲ . m . x/X) u'' = sin α = sin(2ᅲ . m . x/X) entsteht. Derartige Signale können als orthogonale Komponenten eines in einer Ebene veränderlichen Vektors normierter Länge und einer durch den Winkel α beschreibbaren Richtung aufgefaßt werden. Entsprechende Normierungselemente sind als "Vektoranalysatoren" VA bekannte Standardelemente für die Steuerung von Drehfeldmaschinen. Das gleiche gilt für den die Referenzspur 16 abtastenden Referenzdetektor 11, der somit das Sensorpaar 11', 11'' enthält und als Referenzsignal v das Signalpaar v' = cos β = cos(2ᅲ(m-1) x/X) v'' = sin β = sin (2ᅲ(m-1) x/X) liefert. Das Codesignal u (d.h. das Signalpaar u ' , u ' ' ) ist al so zwar eine eindeutige Funktion eines Phasenwinkels α , und damit eine eindeutige, periodische Funktion des Relativabstandes x mit der Periodenlänge X/m und der Periodenzahl m im Meßbereich X; der Relativabstand x selbst besitzt aber als x = cos (2ᅲmx/X) im Meßbereich X eine 2 m-fache Vieldeutigkeit. Der Referenzdetektor ermittelt ebenfalls den Relativabstand x als eine entsprechend vieldeutige Funktion des im Referenzsignal v enthaltenen "Referenzwinkels" ß .Each detector is designed to provide a pair of signals 90 ° out of phase with each other. For this purpose, for example, the code detector 10 scanning the code track 15 of FIG. 2 contains a pair of code sensors 10 'and 10''which are a quarter or three quarters of a code increment apart in the direction of movement. Appropriate design of the code marks 15 and the elements 4, 8 and 10 scanning these marks ensures that the sensor signals u 'and u''have an approximately sinusoidal course depending on the relative distance x. In the case of another, for example triangular, curve shape, the sinusoidal shape can also be forced by electronic means. The signals u 'and u''can be analog signals or correspondingly finely resolved digital signals. At the input of an electronic evaluation device 17, which is a pure computing device, the amplitudes of the two sensor signals can be matched and normalized so that a signal pair u '= cos α = cos (2 ᅲ. M. X / X) for the reference signal u u '' = sin α = sin (2 ᅲ. m. x / X) arises. Such signals can be understood as orthogonal components of a length which is standardized in a plane and a length which can be described by the angle α. Corresponding standardization elements are known as "vector analyzers" VA standard elements for the control of induction machines. The same applies to the reference detector 11 scanning the reference track 16, which thus contains the sensor pair 11 ', 11''and the signal pair v' = cos β = cos (2 ᅲ (m-1) x / X) v 'as the reference signal v '= sin β = sin (2 ᅲ (m-1) x / X) returns. The code signal u (ie the signal pair u ', u'') is al so a clear function of a phase angle α, and thus a clear, periodic function of the relative distance x with the period length X / m and the number of periods m in the measuring range X; the relative distance x itself, however, as x = cos (2 ᅲ mx / X) in the measuring range X is 2 m times ambiguous. The reference detector also determines the relative distance x as a correspondingly ambiguous function of the “reference angle” β contained in the reference signal v.
Diese Vieldeutigkeit wird beseitigt durch einen Differenzbildner, der nunmehr ein Abstandssignal bildet, das als Funktion des Differenzwinkels zwischen Codewinkel und Referenzwinkel ε = α-β = 2ᅲ x/X auf eindeutige Weise dem Relativabstand x zugeordnet ist. Auch dieser Differenzwinkel ε kann als Richtungswinkel eines Vektors e aufgefaßt und daher durch ein orthogonalen Vektorkomponenten entsprechendes Winkelfunktionspaar e' = cos ε , e'' = sin ε beschrieben werden. Um den Differenzwinkel zwischen zwei Vektoren als entsprechende Winkelfunktionen zu verarbeiten, wird in der Regelung von Drehfeldmaschinen ein sogenannter "Vektordreher" VD- verwendet, der die folgenden Operationen ausführt: cos(α- β) = cos α cosβ + sin α sinα sin(α- β ) =-cos α sinβ + sin α cosβ so daß also die Auswerteeinrichtung 17 mittels des entsprechenden Vektordrehers als Abstandssignal e das Winkelfuπktionspaar e' = u' v' + u'' v'' = cos 2τrχ/X e'' =-u' v''+ u'' v' = sin 2 ᅲx/X liefert. Im Falle einer Drehfeldmaschine ist dies also bereits die geeignete Form, die der Maschinenregelung gestattet, den Relativabstand x für die Positions- und Drehzahlregelung der Maschine zu verwenden. Wird ein linearisiertes Signal für den Relativabstand x benötigt, so kann dies aus sin e'' ermittelt werden, wobei die Vieldeutigkeit dieser Funktion durch das Vorzeichen von e' beseitigt werden kann.This ambiguity is eliminated by a difference generator, which now forms a distance signal which, as a function of the difference angle between code angle and reference angle ε = α-β = 2 ᅲ x / X, is uniquely assigned to the relative distance x. This difference angle ε can also be understood as the direction angle of a vector e and can therefore be described by an angle function pair e '= cos ε, e''= sin ε corresponding to orthogonal vector components. In order to process the difference angle between two vectors as corresponding angle functions, a so-called "vector rotator" VD- is used in the control of induction machines, which performs the following operations: cos (α- β) = cos α cosβ + sin α sinα sin (α - β) = -cos α sinβ + sin α cosβ so that the evaluation device 17 by means of the corresponding vector rotator as the distance signal e the pair of angular functions e '= u' v '+ u''v''= cos 2τrχ / X e''=-u' v '' + u '' v ' = sin 2 ᅲ x / X returns. In the case of a three-phase machine, this is already the suitable form that allows the machine control to use the relative distance x for the position and speed control of the machine. If a linearized signal is required for the relative distance x, this can be determined from sin e '', the ambiguity of this function being eliminated by the sign of e '.
Um die Phasenlage des Winkelsignals e mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen, genügt es dabei, daß die Phasenlagen von Codesignal und Referenzsignal mit einer (m/2)-fach geringeren Genauigkeit erfaßt werden. Insbesondere können einfache elektromagnetische Meßsysteme verwendet werden.In order to determine the phase position of the angle signal e with sufficient accuracy, it suffices that the phase positions of the code signal and reference signal are detected with an (m / 2) times lower accuracy. In particular, simple electromagnetic measuring systems can be used.
Dies zeigen die Figuren 4 und 5 für den bevorzugten Anwendungsfall, daß eine Drehfeldmaschine (z.B. eine Synchronmaschine SM) von einem Umrichter SR gespeist wird. Die Maschine habe eine p-fache Symmetrie, wobei p eine positive ganze Zahl ist, für die in diesem Fall p = 3 angenommen sei. Bei einer gegebenen Anfangsstellung des Läufers muß vom Steuersatz CT der Stromrichter SR derart angesteuert werden, daß der Speisestrom nur in bestimmte Wicklungen des Ständerbezugssystems eingespeist wird, damit die Maschine mit einem gewünschten Drehmoment in der richtigen Bewegungsrichtung anläuft. Die Regelung enthält daher in der Regel einen Vektordreher VD+, in dem letztlich eine Winkeladdition vorgenommen wird, damit die Ansteuerung des Steuersatzes CT und des Umrichters SR unter den am Umfang des Ständers angeordneten Ständerwicklungen diejenigen Wicklungen heraussuchen kann, deren Wicklungsachsen gegenüber den durch die Läuferstellung gegebenen Symmetrieachsen des Feldes den gewünschten Startwinkel auf weisen. Aus der Summe des Startwinkels und des Lauferwinkels ergibt sich dann der benötigte Steuerwinkel gegenüber einer Bezugsache des ruhenden Ständerwicklungssystems. Wegen der p-fachen Symmetrie der Maschine braucht der Läuferwinkel dabei nur innerhalb eines Meßbereiches X = 2 /p ermittelt zu werden, da nach jeweils einer Drehung des Läufers um diesen Meßbereich in der Maschine wieder die gleichen Verhältnisse vorliegen.This is shown in FIGS. 4 and 5 for the preferred application that a three-phase machine (for example a synchronous machine SM) is fed by a converter SR. The machine has a p-fold symmetry, where p is a positive integer, for which p = 3 is assumed in this case. For a given starting position of the rotor, the converter SR must be controlled by the control set CT in such a way that the feed current is only fed into certain windings of the stator reference system, so that the machine starts with a desired torque in the correct direction of movement. The control therefore usually contains a vector rotator VD +, in which an angular addition is ultimately carried out so that the control of the headset CT and the converter SR can search for the windings from the stator windings arranged on the circumference of the stator, the winding axes of which compared to those given by the rotor position Axes of symmetry of the field to the desired starting angle point. The sum of the starting angle and the rotor angle then gives the required control angle in relation to a reference axis of the stationary stator winding system. Because of the p-fold symmetry of the machine, the rotor angle only needs to be determined within a measuring range X = 2 / p, since after each rotation of the rotor around this measuring range the same conditions are again present in the machine.
Als Marken der elektromagnetischen Meßsysteme werden vorteilhaft am Umfang kreisförmiger, miteinander starr gekoppelter Scheiben 20, 21 äquidistant verteilte Zähne verwendet, die von entsprechenden Sensoren abgetastet werden. Zur besseren bildlichen Darstellung sind die Zähne auf der Codescheibe 20 bzw. der Referenzscheibe 21 mit alternierender Magnetisierung dargestellt (jeweils ein Zahnpaar 22 bzw. 23 ist also eine magnetische Marke). Die entsprechenden Sensoren 24', 24'' des die Codemarken abtastenden Codedetektors sollen ein Signalpaar aus ungefähr sinusförmigen, gegeneinander um 90º phasenversetzten Signalen abgeben, weshalb der Sensor 24'' dem Zwischenraum zwischen zwei Zähnen gegenübersteht, wenn der Sensor 24' einem Zahn direkt gegenübersteht. Das gleiche gilt für die Sensoren 25' und 25'' des Referenzdetektors, jedoch sind die Zahnabständ der beiden Scheiben 20, 21 unterschiedlich.Teeth of the electromagnetic measuring systems are advantageously equidistantly distributed on the circumference of circular disks 20, 21 which are rigidly coupled to one another and are scanned by corresponding sensors. For a better visual representation, the teeth on the code disk 20 or the reference disk 21 are shown with alternating magnetization (one pair of teeth 22 or 23 is therefore a magnetic mark). The corresponding sensors 24 ', 24' 'of the code detector scanning the code marks are intended to emit a signal pair of approximately sinusoidal signals which are 90 ° out of phase with respect to one another, which is why the sensor 24' 'faces the space between two teeth when the sensor 24' faces a tooth directly . The same applies to the sensors 25 'and 25' 'of the reference detector, but the tooth spacing of the two disks 20, 21 are different.
An der Referenzscheibe sind nämlich z.B. R = 100 Marken (Zahnpaare) mit einem entsprechenden Winkelabstand 2ττ/R angeordnet, während die Codescheibe 20 zur Erzeugung der gewünschten p-fachen Symmetrie M = R + p Marken trägt, im Beispiel also M = 103.On the reference disc e.g. R = 100 marks (pairs of teeth) arranged with a corresponding angular distance 2ττ / R, while the code disk 20 bears M = R + p marks to generate the desired p-fold symmetry, in the example M = 103.
Sind die beiden Scheiben starr mit dem Läufer der Synchronmaschine SM verbunden, so wird eine ganze Umdrehung des Läufers demnach in M Weginkremente, d.h. inkrementelle Winkelbereiche der Größe TM = 2 ᅲ/M zerlegt. Die normierten Ausgangssignale u', u'', v', v'' der Sensoren 24' , 24' ' , 25' und 25'' sind Winkelfunktionen des Drehwinkels ε mit den Perioden
Figure imgf000013_0001
Aus diesen Signalen liefert dann der Vektordreher ein Winkelfunktionspaar je des Di fferenzwinkels α -β , für das gilt: e ' = cos ( α-β ) = cos (M - R) . ε e ' ' = sin ( α- β ) = sin (M - R) . ε Da die Anzahl der Marken für diε beiden Spuren entsprechend der Beziehung M = R + p vorgegeben wurde , hat das Abstandssignal e im Meßbereich X = 2 ᅲ /p also eine zu ε proportionale , jederzεit sofort meßbare Phasenlage: e ' = cos (p . ε ) = cos (2 ᅲ . x/X) e ' ' = sin (2 ᅲ . x/X) .
If the two disks are rigidly connected to the rotor of the synchronous machine SM, then a complete revolution of the rotor is broken down into M path increments, ie incremental angular ranges of the size T M = 2 ᅲ / M. The standardized output signals u ', u'',v', v '' of the sensors 24 ', 24'',25' and 25 '' are angular functions of the angle of rotation ε with the periods
Figure imgf000013_0001
From these signals the vector rotator then delivers a pair of angular functions depending on the differential angle α -β, for which the following applies: e '= cos (α-β) = cos (M - R). ε e '' = sin (α- β) = sin (M - R). ε Since the number of marks for the two tracks was specified according to the relationship M = R + p, the distance signal e in the measuring range X = 2 ᅲ / p thus has a phase position that is proportional to ε and can be measured immediately: e '= cos (p . ε) = cos (2 ᅲ. x / X) e '' = sin (2 ᅲ. x / X).
In Figur 5 sind die Sensorsignale u' und v' sowie die Signale e' und e'' des Abstandssignals e sowie der Phasenwinkel ε. des Abstandssignals e dargestellt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, bei dem also in einer Momentaufnahme zwischen den Signalen u' und v' die Phasendifferenz δ herrscht, ist der Drehwinkel ε der Rotorachse gleich δ/p oder (δ/p - 2 ᅲ/3) .FIG. 5 shows the sensor signals u 'and v' as well as the signals e 'and e' 'of the distance signal e and the phase angle ε. of the distance signal e shown. At a certain point in time, at which the phase difference δ prevails between the signals u 'and v' in a snapshot, the angle of rotation ε of the rotor axis is equal to δ / p or (δ / p - 2 ᅲ / 3).
Beiden kreisförmig geschlossenen Spuren der Anordnung nach Fig. 4 ist für die Anzahl M und R der Marken 22 und 23 Ganzzahligkeit zu fordern. Wie das Beispiel mit R = 100 zeigt, ergibt sich jedoch für den Meßbereich X = 2 ᅲ/p keine ganzzahlige Periodenzahl m = M/p und auch die entsprechende Periodenzahl X/TR=(M-p)/p=(m-1) ist in diesem Meßbereich nicht ganzzahlig. Notwendig ist lediglich, daß sich die beiden Periodenzahlen um den Wert 1 unterscheiden.Both circularly closed tracks of the arrangement according to FIG. 4 require integers for the number M and R of the marks 22 and 23. As the example with R = 100 shows, however, there is no integer number of periods m = M / p for the measuring range X = 2 ᅲ / p and the corresponding number of periods X / T R = (Mp) / p = (m-1) is not in this measuring range integer. It is only necessary that the two period numbers differ by the value 1.
Entsprechend beginnt auch der Nullpunkt ε0 für den Meßbereich X der in Fig. 4 gezeigten Rotorstellung nicht mit der Phasenlage α = 0 und β = 0 des Codesignals u und des Referenzsignals v, sondern mit entsprechenden Phasenlagen α 0 und β0, die lediglich durchα00 = ε0 gekennzeichnet sind. Sofern daher lediglich innerhalb des Referenzsystems .der Abstand der beiden Referenzsensoren und innerhalb des Codesystems der Abstand der beiden Codesensoren justiert sind, ist eine sorgfältige gegenseitige Justierung der beiden Detektoren ebensowenig erforderlich wie eine sorgfältige Justierung auf die gewünschte Bezugsachse des Drehwinkels. Vielmehr kann bei beliebiger Anordnung jeder beliebige Winkel IQ als Nullpunkt des Meßbereichs vorgegeben werden.Accordingly, the zero point ε0 for the measuring range X of the rotor position shown in FIG. 4 does not begin with the phase position α = 0 and β = 0 of the code signal u and the reference signal v, but with corresponding phase positions α 0 and β 0 , which are only represented by α 00 = ε 0 are marked. If the distance between the two reference sensors and within the code system the distance between the two code sensors are therefore only adjusted within the reference system, a careful mutual adjustment of the two detectors is no more necessary than a careful adjustment to the desired reference axis of the angle of rotation. Rather, with any arrangement, any angle IQ can be specified as the zero point of the measuring range.
Es genügt, mittels eines entsprechenden Vektordrehers VD0, dem die Winkelfunktionen dieses Bezugswinkels ε0 eingegeben sind, den Phasenwinkel ε des Abstandssignals e entsprechend zu verschieben. Das dadurch erhaltene Abstandssignal hat dann den Phasenwinkel x = ε - ε0, der sich im Meßbereich zwischen 0º und 360" linear ändert.It is sufficient to correspondingly shift the phase angle ε of the distance signal e by means of a corresponding vector rotator VD 0 , to which the angle functions of this reference angle ε 0 have been entered. The distance signal thus obtained then has the phase angle x = ε - ε0, which changes linearly in the measuring range between 0 ° and 360 ".
In manchen Fällen ist es nur erforderlich, bei einer bestimmten Bezugsstellung, d.h. einem bestimmten Bezugswinkel ε*, einen Referenzimpuls abzugeben. Dies kann trotz der Vieldeutigkeit der Winkelfunktionen e' = cos ε und e'' = sin ε durch ein entsprechendes Schwellwertglied SW ermittelt werden, das z.B. jeweils bei e'' = sin ε* anspricht, wobei die Vieldeutigkeit aus dem Vorzeichen sign el beseitigt werden kann. Liegt z.B. ε* im Winkelbereich zwischen 0º und 90º, so wertet das Schwellwertglied die Bedingung e'' = sinε* nur für die Werte ε aus, für die sign e' = 1 gilt. Die Figuren 6 und 7 zeigen in Aufsicht und Querschnitt einen lagecodierten Winkelgeber nach einer ersten Variante der Erfindung. Auf beiden Breitseiten einer um eine Drehachse W drehbaren Scheibe S sind längs des Umfanges zwei Spuren an- geordnet, die aus einem homogenen magnetisch leitenden Material gebildet sind und ein Profil mit Zähnen aufweisen, die sich in radialer Richtung erstrecken und in axialer Richtung auf gegenüberliegende Sensoren gerichtet sind. Die Codespur enthält längs des Kreisumfanges m = 100 äquidistand verteil- te Zähne, während die Referenzspur RS nur n = m - 1 - 99 äquidistant verteilte Zähne aufweist. Die Codespur CS wird elektromagnetisch von zwei Codesensoren U1' und U1'' abgetastet, die entsprechend dem vorbeibewegten Profil auf den veränderlichen Abstand zwischen Sensor und Zahnoberfläche ansprechen. Die beiden Codesensoren U1' und U1'' sind benachbart, aber derart gegeneinander versetzt, daß sie ein Paar u1 von ungefähr sinusförmigen, gegeneinander um 90º phasenversetzten Sensorsignalen u1' , U1'' liefern.In some cases it is only necessary to deliver a reference pulse at a certain reference position, ie a certain reference angle ε *. Despite the ambiguity of the angular functions e '= cos ε and e''= sin ε, this can be determined by a corresponding threshold value element SW, which responds, for example, at e''= sin ε *, the ambiguity being removed from the sign sign el can. If, for example, ε * lies in the angular range between 0º and 90º, the threshold value element evaluates the condition e '' = sinε * only for the values ε for which sign e '= 1 applies. Figures 6 and 7 show in top view and cross section a position-coded angle encoder according to a first variant of the invention. On both broad sides of a disk S rotatable about an axis of rotation W, two tracks are arranged along the circumference, which are formed from a homogeneous magnetically conductive material and have a profile with teeth that extend in the radial direction and in the axial direction on opposite sensors are directed. The code track contains m = 100 equidistant teeth along the circumference, while the reference track RS only has n = m - 1 - 99 equidistant teeth. The code track CS is scanned electromagnetically by two code sensors U1 'and U1'', which respond to the variable distance between the sensor and the tooth surface in accordance with the profile being moved past. The two code sensors U1 'and U1''are adjacent, but offset from one another in such a way that they deliver a pair u1 of approximately sinusoidal sensor signals u1', U1 '', which are 90 ° out of phase with each other.
Die Referenzspur RS wird in entsprechender Weise von einem Paar V, von Referenzsensoren abgetastet, die in Fig. 1 von dem Paar U1 der Codesensoren U1', U2' verdeckt sind, da sie einander gegenüberliegen, während in Fig. 2 die beiden nebeneinanderliegenden Sensoren der beiden Sensorpaare U1 und V1 wie ein einziger Sensor erscheinen.The reference track RS is correspondingly scanned by a pair V, of reference sensors, which are covered in FIG. 1 by the pair U 1 of the code sensors U1 ', U2', since they are opposite one another, while in FIG. 2 the two sensors lying next to one another of the two sensor pairs U1 and V1 appear like a single sensor.
Die Amplitude der Sensor-Signalpaare u1 und v1 (d.h. die Einzels ignale u1 ' , u1 " , v1 ' , v1 ' ' ) wird nun verfälscht durch ein Radialspiel, das z.B. durch eine ungenaue Zentrierung auf der Drehachse W hervorgerufen sein kann. Da die beiden Sensorpaare praktisch zum gleichen Zeitpunkt am gleichen Ort diesen Verfälschungen unterworfen sind, wirkt sich dieses Radialspiel auf alle Signale gleichermaßen aus. Es kann darüber hinaus weitgehend unterdrückt werden, wenn die Sensoren kleiner als die Breite der Spur sind. Daneben kann auch ein Axialspiel auftreten, wenn z.B. die Scheibe nicht genau senkrecht auf der Drehwelle W sitzt und daher "taumelt". Dies wirkt sich zwar auf die beiden Sensoren eines Sensorpaares praktisch in gleicher Weise aus, verstärkt aber die Amplitude eines Sensorsignalpaares, während es die Amplitude des anderen Sensorsignalpaares gleichzeitig verringert.The amplitude of the sensor signal pairs u1 and v1 (ie the individual ignale u1 ', u1 ", v1', v1 '') is now falsified by a radial play, which can be caused, for example, by an inaccurate centering on the axis of rotation W. Because the If both sensor pairs are subject to these falsifications at virtually the same time at the same location, this radial play affects all signals equally, and it can also be largely suppressed if the sensors are smaller than the width of the track. In addition, axial play can also occur if, for example, the disk is not exactly perpendicular to the rotating shaft W and therefore "wobbles". Although this affects the two sensors of a pair of sensors practically in the same way, it amplifies the amplitude of a pair of sensor signals while simultaneously reducing the amplitude of the other pair of sensor signals.
Daher ist bei der Variante nach den Figuren 6 und 7 vorgesehen, daß auf jeder Breitseite diametral entgegengesetzt zu einem Sensorpaar ein Paar von Ausgleichsensoren angeordnet ist, die die Spur ebenfalls abtasten und an sich die gleichen sinusförmigen Ausgangssignale liefern wie ihre zugehörigen Sensoren. Bei einem Axialspiel werden aber z.B. die AusgangsSignale u2', u2'' der Ausgleichssensoren U2', U2'1 gerade in entgegengesetztem Sinn gestört wie die Signale u1', u1'' der Sensoren U1', U1''. Eine Additionseinrichtung AD1 bildet daher ein Signalpaar u, das aus den beiden Einzelsignalen u' = u1' + u2' u" = u1''+ u2'' besteht, für das daher angesetzt werden kann, u' = cos(m . ε ), u'' = sin(m . ε ).It is therefore provided in the variant according to FIGS. 6 and 7 that a pair of compensation sensors is arranged on each broad side diametrically opposite to a pair of sensors, which also scan the track and provide the same sinusoidal output signals as their associated sensors. With an axial play, e.g. the output signals u2 ', u2' 'of the compensation sensors U2', U2'1 are disturbed in the opposite sense to the signals u1 ', u1' 'of the sensors U1', U1 ''. An addition device AD1 therefore forms a signal pair u which consists of the two individual signals u '= u1' + u2 'u "= u1' '+ u2' ', for which it is therefore possible to use u' = cos (m. Ε) , u '' = sin (m. ε).
In gleicher Weise liefert ein entsprechendes Ausgleichs-Sensorpaar V2, das seitlich an der Referenzspur RS angeordnet ist und dem Referenz-Sensorpaar VI zugeordnet ist, die Einzelsignale v2', V2'', und eine Additionseinrichtung AD2 liefert das Codesignal-Paar v mit den Einzelsignalen v' = v1' + v2' = cos ((m-1) ε) v'' = v1"+ v2''= cos ((m-1) ε).In the same way, a corresponding compensation sensor pair V2, which is arranged on the side of the reference track RS and is assigned to the reference sensor pair VI, supplies the individual signals v2 ', V2' ', and an addition device AD2 supplies the code signal pair v with the individual signals v '= v1' + v2 '= cos ((m-1) ε) v' '= v1 "+ v2' '= cos ((m-1) ε).
Ein Vektordreher VD- liefert darausεentsprechend den Beziehungen e' = u'.v' + u1'. v' '= cos ε e'' =-u' .v''+ u", v' = sin ε. 7 Patentansprüche 7 Figuren A vector rotator VD- delivers the relationships e '= u'.v' + u1 'accordingly. v '' = cos ε e '' = -u '.v' '+ u ", v' = sin ε. 7 claims 7 figures

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Bestimmen des Relativabstandes zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen, wobei durch Abtasten von zwei Markierungssystemen zwei Signale als periodische Funktionen des relativen Abstandes mit Periodenlängen im Verhältnis m/(m-l) erzeugt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Signale kontinuierliche Funktionen des momentanen Relativabstandes erzeugt werden und der Relativabstand aus diesen beiden Signalen als Funktion der momentanen Phasendifferenz dieser Signale bestimmt wird.1. A method for determining the relative distance between two mutually movable parts, wherein by scanning two marking systems, two signals are generated as periodic functions of the relative distance with period lengths in the ratio m / (ml), characterized in that continuous signals of the current relative distance are generated as signals and the relative distance from these two signals is determined as a function of the instantaneous phase difference of these signals.
2. Lagegeber zum Bestimmen des Relativabstandes zwischen zwei beweglichen Teilen einer Maschine, mit2. Position encoder for determining the relative distance between two moving parts of a machine, with
a) einem an die beweglichen Teile gekoppelten ersten Meßsystem, das ein Codemarkensystem und einen relativ dazu beweglichen Codedetektor zum Erzeugen eines als Funktion des Relativabstandes periodischen Codesignals enthält,a) a first measuring system coupled to the movable parts, which contains a code mark system and a code detector movable relative to it for generating a code signal which is periodic as a function of the relative distance,
b) einem an die beweglichen Teile gekoppelten zweiten Meßsystem, das ein Referenzmarkensystem und einen relativ dazu beweglichen Referenzdetektor zum Erzeugen eines als Funktion des Relativabstandes periodischen Referenzsignals enthält, wobei sich die Periodenlängen des Codesignals und des Referenzsignals unterscheiden, undb) a second measuring system coupled to the movable parts, which contains a reference mark system and a reference detector movable relative thereto for generating a periodic reference signal as a function of the relative distance, the period lengths of the code signal and the reference signal differing, and
c) einer an den Referenzdetektor und den Codedetektor angeschlossenen Auswerteeinrichtung zur Bildung eines Abstandssignals, das innerhalb des vorgesehenen Meßbereiches X eine Funktion des Relativabstandes ist,c) an evaluation device connected to the reference detector and the code detector for forming a distance signal which is a function of the relative distance within the intended measuring range X,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß d) das Codemarkensystem eine sich längs der Bewegungsrichtung erstreckende Codespur aus einer Vielzahl (mindestens jedoch m = 3) äquidistant angeordneter Codemarken enthält, durch deren Abtastung der Codedetektor eine kontinuierliehe Funktion des momentanen Relativabstandes mit der Periodenlänge X/m erzeugt,characterized in that d) the code mark system contains a code track extending along the direction of movement from a multiplicity (at least, however, m = 3) of equidistantly arranged code marks, by scanning the code detector generating a continuous function of the current relative distance with the period length X / m,
e) das Referenzmarkensystem eine sich längs der Bewegungsrichtung erstreckende Referenzspur aus einer anderen Vielzahl äquidistant angeordneten Referenzmarken enthält, durch deren Abtastung der Codedetektor eine kontinuierliche Funktion des momentanen Relativabstandes mit der Periodenlänge X/(m-1) erzeugt, unde) the reference mark system contains a reference track extending along the direction of movement from another plurality of equidistantly arranged reference marks, the scanning of which causes the code detector to produce a continuous function of the current relative distance with the period length X / (m-1), and
f) die Auswerteschaltung einen Differenzbildner zur Erzeugung einer im ganzen Meßbereich X jederzeit umkehrbar eindeutigen Funktion der Phasendifferenz des Referenzsignals und des Codesignals enthält.f) the evaluation circuit contains a difference generator for generating a function of the phase difference of the reference signal and the code signal which is reversibly clear at any time in the entire measuring range X.
3. Lagegeber nach Anspruch 2 für die Bestimmung der Drehbewegung einer rotatorischen Maschine innerhalb des Meßbereiches X = 2 /p, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Referenzspur kreisförmig geschlossen ist und R äquidistante Referenzmarken enthält, die Codespur kreisförmig geschlössen ist und M=(R + p) äquidistante Codemarken enthält.3. Position encoder according to claim 2 for determining the rotary movement of a rotary machine within the measuring range X = 2 / p, characterized in that the reference track is closed in a circle and R contains equidistant reference marks, the code track is closed in a circle and M = (R + p) contains equidistant code marks.
4. Lagegeber nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Meßsysteme elektromagnetische Meßsysteme mit Marken sind, die am Umfang von zwei starr miteinander gekoppelten Scheiben angebracht sind.4. Position sensor according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n e e c h n e t that the two measuring systems are electromagnetic measuring systems with brands that are attached to the circumference of two rigidly coupled disks.
5. Lagegeber nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes Meßsystem als Detektoren ein Sensorpaar besitzt, das ein Paar um 90º phasenver setzter, annähernd sinusförmiger Sensorsignale liefert und daß der Differeπzbildner als Abstandssignal ein Paar um 90º phaseπversetzter, in Abhängigkeit von der Phasendifferenz sinusförmiger Einzelsignale liefert.5. Position encoder according to one of claims 2 to 4, characterized in that each measuring system has as detectors a pair of sensors which phase pair a pair by 90º set, approximately sinusoidal sensor signals and that the differeπzbildner delivers as a distance signal a pair by 90º phaseπverstellt, depending on the phase difference sinusoidal individual signals.
6. Lagegeber nach einem der Ansprüche 2 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine elektronische Justiereinrichtung, der ein Bezugsphasenwinkel eingegeben ist und die die Differenz zwischen der Phasendifferenz und dem Bezugsphasenwinkel bildet.6. Position sensor according to one of claims 2 to 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h an electronic adjustment device, which is entered a reference phase angle and which forms the difference between the phase difference and the reference phase angle.
7. Lagegeber nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein vom Vorzeichen des einen Einzelsignals angesteuerten Schwellwertglied, dem das andere Einzelsignal und ein Bezugswert zugeführt ist. 7. Position sensor according to claim 5, a threshold value controlled by the sign of the one individual signal, to which the other individual signal and a reference value are supplied.
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