DE10130307C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Auswertung von Sensorausgangssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere für die Erkennung von Weggebern, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beispielsweise ist aus der EP 0 449 037 A1 eine Messanordnung mit einem Weggeber bekannt, mit dem die Drehzahl und/oder die Drehstellung einer Scheibe inkremental über die Auswertung von mit entsprechenden Sensoren erzeugten Impulsfolgen er­ fasst werden kann.

In der Automatisierungstechnik kommt es häufig vor, dass eine Weg- und/oder Geschwindigkeitsermittlung durch die Erfassung von Weggebersignalen, z. B. für die Nockensteuerungen in ei­ ner Maschinenanlage (Motion- oder Cam-Control) oder zu einer sonstigen lagegenauen Positionierung von Antrieben, erfolgt und dabei solche an sich bekannte rotatorische Weggeber ein­ gesetzt werden. Z. B. werden hier entweder, wie beim eingangs angegebenen Stand der Technik, Inkrementalweggeber mit zwei um jeweils 90° phasenverschobenen Impulsen und einem perio­ disch je Weggeberumdrehung auftretenden Referenz- oder Null­ markensignal verwendet oder es können auch so genannte SSI- Absolutweggeber (SSI = synchron serielles Interface) Anwen­ dung finden, die einen absoluten Wert der Drehstellung per serieller Datenübertragung melden.

Die Taktausgabe erfolgt bei den oben angeführten Beispielen immer von der technologischen Baugruppe, die die Weggeber­ signale auswertet und beispielsweise eine präzise Steuerung einer Achse oder Welle in relativ kurzen Regelzyklen ermög­ licht. Der Anschluss von inkrementellen Weggebern an diese technologische Baugruppe erfolgt in der Regel über drei Weg­ gebereingänge (z. B. A, B, N) entweder asymmetrisch mit 24 Volt-Signalen oder nach einem sonstigen festgelegten Übertragungsverfahren, z. B. nach der Norm RS422, wobei jedoch üblicherweise unterschiedliche Anschlusspins der verwendeten Steckeranordnung jeweils bei den 24 Volt- oder den RS422- Signalen verwendet werden. Der Anschluss von Absolutweggebern erfolgt dagegen über einen Dateneingang und einen Taktausgang der Baugruppe, hier jeweils auch mit einem Übertragungs­ verfahren nach RS422.

Damit der jeweils angeschlossene Weggeber korrekt angesteuert und die Weggebersignale entsprechend ausgewertet werden kön­ nen, ist bei den üblicherweise verwendeten Systemen eine Parametrierung über die Baugruppe notwendig, wobei die Para­ meter dann vom Anwender entsprechend dem eingesetzten Weg­ gebertyp korrekt eingegeben werden müssen. Hierbei kann es jedoch vorkommen, dass die jeweils angegebenen Parameter nicht zum eingesetzten Weggeber passen und der Anwender dafür keine direkte Rückmeldung erhält, so dass die Wegerfassung nicht oder nicht korrekt funktioniert.

Bisher war es also mit zum Teil erheblichem Aufwand notwen­ dig, dass der Anwender alle Parameter, die für den Einsatz seines Weggebers erforderlich sind, korrekt eingibt und die Plausibilität der Parameter zueinander bei der Erfassung und Angabe der Parameter überprüft. Die Funktion der Wegerfassung muss der Anwender dann im Betrieb der Baugruppe bzw. der da­ mit zusammenhängenden technologischen Funktion selbst prüfen. Es ist hierbei zwar möglich, dass die erwähnten technologi­ schen Funktionen der Baugruppe prinzipiell auch Überwachungs­ prozeduren für die Weggebersignale zur Verfügung stellen, je­ doch sind diese Überwachungen allerdings selbst wieder ab­ hängig vom jeweils parametrierten Weggebertyp.

Die DE 198 50 258 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung des Typs eines angeschlossenen Impulsgebers. Die Nutzinformation (Frequenz, Zählimpulse) wird entweder nur über die steigenden Flanken oder nur über die fallenden Flanken übertragen. Der Typ des Impulsgebers wird über die zeitliche Lage der jeweils anderen Flanken (fallend oder steigend) übertragen.

Die DE 197 01 310 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen des Modus eines an einer Auswerteeinrichtung angeschlossenen Messwertaufnehmers. Die Einstellung eines gewünschten Modus des Messwertaufnehmers erfolgt über einen ständigen Vergleich der von der Auswerteeinrichtung zum Messwertaufnehmer über­ tragenen Signale auf typische Frequenzen.

Aus der DE 196 31 425 A1 und DE 196 13 884 A1 ist jeweils ein Verfahren bekannt, mittels dessen zusätzliche Informationen von Weggebern zu einer Auswerteeinrichtung übertragen werden. Diese Zusatzinformation kann den angeschlossenen Typ des Messwertgebers beschreiben. Dazu sind geeignete Messwert­ aufnehmer und dazu entsprechend ausgebildete Auswerte­ einheiten vorgesehen.

Die EP 1 102 039 A1 offenbart ein Gehäuse (Abtastkopf), in wel­ chem ein Inkrementalweggeber und ein SSI-Weggeber angeordnet sind. Die Vorteile beider Wegerfassungsarten sind in dem Ab­ tastkopf kombiniert, wobei die Weginformation als SSI-Tele­ gramm übertragbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen der eingangs angegebenen Art dadurch fortzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine Auswertung von Sensorsignalen durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Für den Fall, dass ein Inkrementalweggeber erkannt wird, wird durch die Pegel an bestimmten vorgegebenen Verbindungsleitun­ gen die Art seines Übertragungsverfahrens, z. B. mit einem asymmetrischen 24 Volt-Signal oder nach der Norm RS422, er­ mittelt. Der Anwender schließt den entsprechenden Weggeber vor der Inbetriebnahme vorzugsweise über ein Standardkabel an die Baugruppe mit der Auswerteschaltung an. Es werden gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise dann keine Parameter entsprechend dem eingesetzten Weggeber erfasst, sondern es wird der tatsächlich angeschlossene Weggeber von der Bau­ gruppe in der Setup-Phase, üblicherweise bei einem System­ anlauf, selbst ermittelt.

Voraussetzung für diese automatische Weggebererkennung ist, dass die Pegel auf den Verbindungsleitungen bei nicht an­ geschlossenen Weggebersignalen durch die Eingangsschaltung der Hardware der Auswerteschaltung in der Baugruppe fest definiert sind. Dies kann z. B. mit Differenzempfänger­ bausteinen mit Diagnoseschaltung erfolgen. Eine weitere Voraussetzung ist, dass überhaupt ein Weggeber auch ordnungs­ gemäß angeschlossen und spannungsversorgt ist.

Die zuvor beschriebene Setup-Phase kann dann bei angeschlos­ senem und spannungsversorgtem Weggeber in mehrere Schritte unterteilt werden. Zuerst erfolgt, wie zuvor erwähnt, eine Erkennung hinsichtlich des Typs Inkrementalweggeber oder Ab­ solutweggeber anhand der Eingangspegel der Weggebersignale bzw. deren weitere Diagnose. Entsprechend der nach der Norm RS422 erfassten Eingangssignale kann erkannt werden, ob es sich bei dem angeschlossenen Weggeber um einen SSI-Weggeber nur mit der Datenleitung handelt oder um einen Inkremental­ weggeber. Beim Letzteren sind nach der Norm RS422 drei Sig­ nale A, B und N an entsprechenden Steckerpins vorhanden; wenn es sich um einen Inkrementalweggeber mit 24 Volt-Signalen handelt, melden diese drei RS422-Eingänge einen Fehler, so dass auch dieser Weggebertyp leicht erkannt werden kann.

Wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahrensschritt z. B. ein SSI-Weggeber erkannt, so muss sich die entsprechend diagnos­ tizierte Datenleitung auf log. "l" befinden, da laut der Spezifikation des SSI-Protokolls log. "1" anzeigt, dass der Weggeber bereit ist. Ist dies nicht der Fall, kann von einem defekten oder nicht korrekt angeschlossenen Weggeber aus­ gegangen werden.

Gemäß einem weiteren Diagnoseschritt in der Setup-Phase wird in vorteilhafter Weise die Telegrammlänge eines erkannten Absolutweggebers dadurch bestimmt, dass bei der niedrigst möglichen Übertragungsrate durch ein- oder mehrmaliges Takten eines Datentelegramms bei geringfügig veränderten Stellungen des Weggebers und unter Auswertung des Stoppbits die jeweili­ ge Länge des Datentelegramms ermittelt wird. Üblicherweise werden in den gängigen Auswerteschaltungen 13 Bit- und 25 Bit-Telegrammlängen unterstützt, so dass die Telegramm­ längen dann gegebenenfalls durch mehrmaliges Takten eines 13 Bit- bzw. 25 Bit-Telegramms ermittelt werden. Die Erkennung der Telegrammbreite erfolgt hier durch die Auswertung des Stoppbits, wobei eine Taktperiode lang nach der letzten Low-High-Flanke des Taktes die Datenleitung auf log. "0" liegen muss.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise mög­ lich, dass die maximal mögliche Übertragungsrate des Absolut­ weggebers, wenn dieser entsprechend dem Anwendungsfall an dem in der Baugruppe eingesetzten Kabel angeschlossen ist, da­ durch bestimmt wird, dass eine schrittweise Erhöhung der Übertragungsrate durchgeführt wird und das Startbit bei Tele­ grammbeginn sowie das Stoppbit bei Telegrammende und die so genannte Monoflopzeit Tm überwacht wird. Bei der Monoflopzeit Tm handelt es sich um eine Kenngröße des SSI-Weggebers zur Steuerung des SSI-Telegramms. Im Weggeber ist üblicherweise ein Monoflop integriert, welches mit jedem Takt, d. h. der High-Low-Flanke des Taktsignals, nachgetriggert wird. Wird kein Takt mehr gesendet, läuft die Monoflopzeit ab und der Weggeber legt die Datenleitung auf log. "1", was bedeutet, dass der Weggeber wieder bereit für ein neues Datentelegramm ist. Typischerweise liegen diese Monoflopzeiten Tm bei 30-­ 40 µsec.

Die Gesamtschrittzahl eines erkannten Inkrementalweggebers kann dann noch auf einfache Weise dadurch bestimmt werden, dass der Weggeber mindestens einmal über den gesamten Weg­ geberbereich bewegt wird und die Zählerdifferenz zwischen dem Erkennen zweier Nullmarkensignale ermittelt wird. Bei Inkre­ mentalweggebern ist dies nur möglich, wenn auch das Null­ markensignal (Signal N bei RS422) entsprechend angeschlossen ist. Dies wird bei den RS422-Signalen im ersten Diagnose­ schritt der Setup-Phase bereits erkannt, so dass anhand der Zählerdifferenz zwischen dem Erkennen der zwei Nullmarken­ signale die Anzahl der Inkremente pro Weggeberumdrehung ein­ fach bestimmt werden kann. Dabei wird lediglich vorausge­ setzt, dass es sich um einen Inkrementalgeber mit zyklisch auftretendem Nullmarkensignal handelt.

Bei einem erkannten Absolutweggeber kann die Gesamtschritt­ zahl auf einfache Weise durch die Bestimmung des größten erkannten Weggeberwertes ermittelt werden. Bei SSI-Weggebern wird z. B. anhand des größten erkannten Weggeberwertes die Gesamtschrittzahl und die Position der Nutzsignale innerhalb des Telegramms bestimmt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Gesamtschrittzahl des Weggebers immer eine 2er-Potenz ist und keine Sonderbits übertragen werden, d. h. vor- und nachge­ stellte Bits werden immer mit log. "0" übertragen.

Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass zur Aus­ wertung der von Standardweggebern heute zur Verfügung ge­ stellten Weggebersignale eine einfache automatische Ein­ stellung von Weggeberparametern durchgeführt werden kann. Bei vielen Positioniertechnologien (Motion Control) besteht dabei generell die Möglichkeit, den Weggeber während einer Setup- Phase mechanisch zu bewegen. Somit ist die Erkennung des Weggebertyps, z. B. SSI-Absolutweggeber mit entsprechender Telegrammlänge oder Inkrementalweggeber, immer möglich. Bei technologischen Funktionen, die keine Möglichkeit bieten, den Weggeber mechanisch zu bewegen, reduzieren sich dann aller­ dings die automatisch ermittelbaren Parameter entsprechend. Bei den erwähnten SSI-Weggebern könnte der letzte Diagnose­ schritt in der Setup-Phase, nämlich die Erkennung der Gesamt­ schrittzahl des Weggebers, auch ohne mechanisches Drehen des Weggebers erfolgen, wenn ein SSI-Weggeber nach dem Einschal­ ten seiner Versorgungsspannung für eine bestimmte Zeit oder eine bestimmte Anzahl von Telegrammen nicht den aktuellen Weggeberstand, sondern den Maximalwert übertragen würde. Dadurch wäre eindeutig die Gesamtschrittzahl und die Anord­ nung der Nutzbits im Datentelegramm erkennbar.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipansicht eines rotatorischen Weggebers mit einer entsprechenden technologischen Baugruppe eines Automatisierungssystems und

Fig. 2 ein Beispiel für ein Datentelegramm eines SSI-Weg­ gebers zur Erfassung einer absoluten Wegposition.

Die Darstellung nach Fig. 1 soll ein Prinzip eines Weggebers zeigen, bei dem die Drehstellung einer Scheibe 1 mit einem Sensor 2 erfasst werden soll. Zur Auswertung werden die Sensorausgangssignale des Sensors 2 über Verbindungsleitungen 3 an eine entsprechende Auswerteschaltung 4 geführt. Nach einem Anschluss des Weggebers, d. h. insbesondere des Sensors 2, an die Auswerteschaltung 4 wird dann eine Setup-Phase durchgeführt, während der eine Diagnose der Spannungsverhält­ nisse an allen Verbindungsleitungen zwischen dem Sensor 2 und der Auswerteschaltung 4 hinsichtlich des Pegels und des zeit­ lichen Verlaufs des Signals vorgenommen wird. Zuerst wird die Anordnung daraufhin untersucht, ob es sich beim Sensor­ ausgangssignal um ein Signal eines Inkrementalweggebers oder um ein Datensignal eines Absolutweggebers handelt, und dann werden weitere Diagnoseschritte durchgeführt.

In Fig. 2 sind zur Erläuterung eines Diagnoseschrittes in der Setup-Phase zur Erkennung des Sensors 2, hier Erkennung der Telegrammbreite der übertragenen Daten, beispielsweise die Signale auf der Datenleitung und der Taktleitung der Verbindungsleitung 3 zwischen einem SSI-Weggeber und der Auswerteschaltung 4 im zeitlichen Verlauf bei der Übertragung eines Datentelegramms gezeigt. Oben sind hier die Taktsignale auf der Taktleitung und unten die Datensignale auf der Daten­ leitung gezeigt. Ein solches Datentelegramm gibt hier die erfassten Wegpositionen, z. B. die Stellung einer Achse oder Welle, als absoluten Wert wieder. Üblicherweise werden bei den gängigen Übertragungsverfahren (z. B. RS422) 13 Bit- und 25 Bit-Telegrammlängen unterstützt.

Bei den Taktsignalen sind hier auszugsweise die Zeitpunkte T1 bis T4 gekennzeichnet. Für den Start der Datenübertragung ist es erforderlich, dass beim Startbit STA während der Low-High- Flanke beim Zeitpunkt T2 die Datenleitung, wie dargestellt, auf dem logischen Wert "1" liegen muss. Dann erfolgt die Übertragung des Datentelegramms, hier bei einer 25 Bit Telegrammbreite beginnend mit 2²⁴. Die Erkennung der Tele­ grammbreite erfolgt dann bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch die Auswertung des Stoppbits STO, wobei eine Taktperiode, hier beispielsweise 13 µsec, nach der letzten Low-High-Flanke vor dem Zeitpunkt T4 des Taktsignals bei 2⁰ die Datenleitung auf dem logischen Wert "0" liegen muss.

Weiterhin kann bei einer Datenübertragung nach der Fig. 2, wenn der Weggeber an dem entsprechend dem im Produktivbetrieb der Baugruppe eingesetzten Kabel angeschlossen ist, auch durch eine schrittweise Erhöhung der Übertragungsrate die maximal mögliche Übertragungsrate ermittelt werden, indem bei Telegrammbeginn das Startbit STA bzw. die Monoflopzeit Tm und bei Telegrammende das Stoppbit STO überwacht wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen für die Erkennung von Weggebern, die ein Zustandssignal für einen inkrementalen Wegabschnitt und/oder eine absolute Weg­ position darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Anschluss eines Sensors (2) des Weggebers an eine Aus­ werteschaltung (4) mit dieser eine Setup-Phase durchgeführt wird, während der eine Diagnose der Spannungsverhältnisse an allen Verbindungsleitungen (3) zwischen dem Sensor (2) und der Auswerteschaltung (4) hinsichtlich der Pegel vorgenommen wird, wobei während dieser Setup-Phase die Pegel der Ver­ bindungsleitungen (3) daraufhin untersucht werden, ob es sich beim Signal des Sensors (2) um das Signal eines Inkremental­ weggebers oder um ein Datensignal eines Absolutweggebers handelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass ein Inkrementalweggeber erkannt wird, durch die Pegel an bestimmten vorgegebenen Verbindungsleitun­ gen die Art seines Übertragungsverfahrens (24 V, RS422) er­ mittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass ein SSI-Absolutweggeber erkannt wird, durch Prüfung des Pegels auf der jeweiligen Verbindungslei­ tung (3) für die Datenübertragung das Vorhandensein einer logischen "1" untersucht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Telegrammlänge des SSI-Absolutweggebers dadurch bestimmt wird, dass bei der niedrigst möglichen Übertra­ gungsrate durch ein- oder mehrmaliges Takten eines Daten­ telegramms bei geringfügig veränderten Stellungen des Weg­ gebers unter Auswertung des Stoppbits (STO) die jeweilige Länge des Datentelegramms ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die maximal mögliche Übertragungsrate des SSI-Absolutweggebers dadurch bestimmt wird, dass eine schrittweise Erhöhung der Übertragungsrate durchgeführt wird und das Auftreten des Startbits (STA), des Stoppbits (STO) und der Monoflopzeit (Tm) überwacht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschrittzahl des Inkrementalweggebers dadurch bestimmt wird, dass der Weggeber mindestens einmal über den gesamten Weggeberbereich bewegt wird und die Zählerdifferenz zwischen dem Erkennen zweier Nullmarkensignale ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschrittzahl des Absolut­ weggebers durch die Bestimmung des größten erkannten Weg­ geberwertes ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass es sich bei den Weggebern um rotatorische oder lineare Weggeber handelt.