DE3636000C2

DE3636000C2 -

Info

Publication number: DE3636000C2
Application number: DE3636000A
Authority: DE
Inventors: Johann Ing. Paul; Adolf Dipl.-Ing. Wien At Schendl
Original assignee: Individual
Current assignee: Paul Johann Ing Schendl Adolf Dipl-Ing Wie
Priority date: 1985-11-07
Filing date: 1986-10-23
Publication date: 1989-07-27
Also published as: AT383444B; IT1197961B; IT8622250A0; FR2591830B1; FR2591830A1; ATA321585A; DE3636000A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Verarbeitung mehrphasiger Impulsfolgen eines Impulsgebers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Erfassung von Drehwinkel rotierender Achsen werden Impulsgeber, wie Inkrementalgeber, Winkelkodierscheiben, etc. eingesetzt, die zumeist direkt mit der Welle eines Antriebsmotors gekoppelt sind. Die Drehbewegung des Motors kann z. B. mittels der Kombination von Gewindespindel plus Mutter, Kettenrad plus Kette, Rad plus Seil, oder Zahnrad plus Zahnstange in eine lineare Bewegung umgesetzt, so daß eine indirekte Längen- bzw. Wegstreckenmessung in digitaler Form ermöglicht wird. Zumeist ist zwischen dem Antriebsmotor und den genannten Elementen ein Untersetzungsgetriebe mit Zahnrädern vorgesehen. Die vom Impulsgeber abgegebenen mehrphasigen Impulsfolgen müssen nun unter Berücksichtigung der mechanischen Untersetzung in eine natürliche Zahl umgesetzt werden, die möglichst genau der zu ermittelnden Länge bzw. Wegstrecke proportional ist. Mit anderen Worten, die vom Impulsgeber pro Umdrehung abgegebene Impulsanzahl von z. B. 1024 sollte im Idealfall einer Länge von z. B. 1024 mm entsprechen. Dieser Idealfall kann jedoch in der Praxis nicht erreicht werden, da bei Verwendung von Zahnrädern letztlich im Umrechnungsergebnis der Faktor π, bedingt durch den Modul bzw. Teilung des Zahnrads eingeht. Da die Zählung und Auswertung der Impulse in Echtzeit erfolgen muß, verbietet sich der Einsatz eines Rechners zur Eliminierung des Faktors π, da die Rechenzeit zu lange wäre. Man hat auch versucht, zwischen der Welle des Antriebsmotors und der Welle des Impulsgebers ein Getriebe anzuordnen, um den Faktor zu eliminieren. Auch diese Lösung ist nicht befriedigend, da durch das Getriebespiel die Genauigkeit verringert, durch die zusätzliche Masse das Trägheitsmoment erhöht, und letztlich nur eine Annäherung erreicht werden kann.

Der Einsatz von Frequenzteilern mit Kippgliedern verbietet sich, da mit diesen nur ein ganzzahliges Untersetzungsverhältnis erzielt werden kann.

Aus der DE-AS 21 60 247 ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur digitalen Verarbeitung mehrphasiger Impulsfolgen bekannt, bei welcher an den Eingang des Zählers der Ausgang eines Impulsumsetzers angeschlossen ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Impulsgebers verbunden ist. In dieser Schaltungsanordnung läßt der Impulsumsetzer im Prinzip einzelne Impulse der zugeführten Impulse aus, jedoch geschieht dies nicht mit einem von einer ganzen Zahl abweichenden Untersetzungsverhältnis.

Des weiteren wird in diesem Zusammenhang auf die DE 35 03 182 verwiesen, in welcher ein programmierbarer Zähler ausgeführt ist, der durch Rückführung eines oder mehrerer Ausgänge auf eine Impulsunterdrückerstufe einwirkt, so daß das Verhältnis der durch einen Impulsgeber erzeugten Impulse zu den dem Zähler zugeführten Impulsen als Dezimalbruch zwischen 1,0 und 2,0 liegt. Eine Frequenzteilerschaltung mit einem nichtbinären Teilungsfaktor n, die einen binären Frequenzteiler enthält, ist der DE 24 19 768 zu entnehmen, wobei der Ausgang des binären Frequenzteilers mit einem maximalen Teilungsfaktor m < n so mit dem Eingang einer monostabilen Stufe mit einer Periodendauer (n-1-m) · 1/f verbunden ist und seine Ausgangsimpulse die monostabile Stufe jeweils anregen und ein Ausgang der monostabilen Stufe mit einem Sperreingang des binären Frequenzteilers so verbunden ist, daß an diesem während der Zeit (n-m-1) · 1/f ein Sperrpotential anliegt, und der binäre Frequenzteiler auf Eingangsimpulse nicht reagieren kann.

Schließlich wird in der US-PS 40 84 082 ein programmierbarer Zähler beschrieben, welcher drei Kaskadenzähler aufweist, wobei der erste ein Dualmodul-Vorimpulsfrequenzteiler ist. Der zweite Zähler ist ein rückstellbarer Binärzähler, welchem Information aus einem programmierbaren Festwertspeicher zugeführt wird. Der dritte Zähler ist ebenfalls ein Binärzähler, welcher die Frequenz teilt und die Wiederholfolgen steuert, welche durch den programmierbaren Festwertspeicher zum rückstellbaren Binärzähler geliefert werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der vom Impulsgeber gelieferten mehrphasigen Impulsfolgen in der Weise, daß die dem Zähler zugeführten Impulsfolgen mit möglichst hoher Genauigkeit untersetzt werden, um gemäß dem jeweiligen Untersetzungsverhältnis des Getriebes bzw. dem jeweiligen Modul des in eine Zahnstange eingreifenden Zahnrades eine der zu messenden Weglänge entsprechende natürliche Zahl darzustellen.

Diese Aufgabe wird nach den Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Impulsumsetzers gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Impulsumsetzers gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Logik- und Differenzierschaltung, welche beim Beispiel nach Fig. 2 verwendet wird,

Fig. 5 eine Logik- und Differenzierschaltung, welche beim Beispiel nach Fig. 3 verwendet wird,

Fig. 6A bis 6H Kurvendiagramme zur Erläuterung der Schaltungen nach Fig. 2 und 4,

Fig. 7A bis 7J Kurvendiagramme zur Erläuterung der Schaltungen nach Fig. 3 und 5, und

Fig. 6 ein Fehlerdiagramm.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Impulsgeber, z. B. einen Inkrementalgeber, der zwei um 90° phasenverschobene Impulsfolgen in Form von bits abgibt. Der Impulsgeber 1 ist direkt mit der Antriebswelle eines Motors 2 verbunden, der über ein Getriebe 4 ein Zahnrad 5 antreibt, welches in eine Zahnstange 6 eingreift. Die Impulse des Impulsgebers 1 werden gegebenenfalls zu einer Impuls-Aufbereitungsschaltung 6 geleitet, in welcher die Amplitude, Kurvenform usw. der Impulse in gewünschter Weise beeinflußt werden. Die von der Impuls-Aufbereitungsschaltung abgegebenen Impulse Φ₁, Φ₂ werden einem Impulsumsetzer 7 zugeführt, in welchem eine Auslassung einzelner Impulse oder eine Versetzung von Impulsflanken der Impulsfolgen stattfindet, wie anschließend erläutert wird. Die auf diese Weise untersetzten Impulse Φ₁′, Φ₂′ gelangen vom Ausgang des Impulsumsetzers 7 zu einem Zähler 8, in welchem eine Vorwärts- und Rückwärtszählung in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Inkrementalgebers 1 stattfindet.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Impulsumsetzers 7. Die gegebenenfalls aufbereiteten Impulse Φ₁, Φ₂ werden einer Logik- und Differenzierschaltung 9 zugeführt, welche bei vorbestimmten Flanken der Impulse Φ₁, Φ₂ differenzierte, positive Impulse erzeugt, die den Vor-/Rückwärtseingängen, V, R eines Vor-Rückwärtszählers 10 zugeführt werden. Der Ausgang des Zählers 10 ist über eine Mehrfachleitung 11 mit den Adresseneingängen eines Festwertspeichers 12 in Form eines E-PROM's verbunden. Die bei den jeweiligen Adressen eingespeicherten Daten werden einerseits zur Ansteuerung einer Torschaltung 13 über eine Steuerleitung 14 verwendet, und andererseits bei bestimmten Adressen dem Vor-/Rückwärtszähler 10 über eine Mehrfachleitung 15 rückgeführt, um den Zähler beim Erreichen eines vorbestimmten maximalen Zählwerts auf "Null" rückzustellen, bzw. beim Erreichen des Zählwertes "Null" auf den maximalen Zählwert einzustellen, wobei auch gleichzeitig der Ladeeingang L des Zählers 10 über eine Steuerleitung 16 angesteuert wird. Der Torschaltung 13 werden die Impulse Φ₁, Φ₂ zugeführt, die in Abhängigkeit von den Daten bei der jeweiligen Adresse des Speichers 12 als Impulse Φ₁′, Φ₂′ durchgelassen werden, oder nicht, wie anschließend mit Hilfe der Fig. 2, 4 und 6A bis 6H erläutert wird.

Die Logik- und Differenzierschaltung 9 nach Fig. 4 hat die Aufgabe, jeweils bei den positiven und negativen Flanken des Impulses Φ₁ einen z. B. positiven, differenzierten Impuls zu erzeugen, u. zw. in Abhängigkeit von der Phasenfolge, d. h. Drehrichtung des Inkrementalgebers 1. Eilen die Impulse Φ₁ den Impulsen Φ₂ vor, so entspricht dies der Vorwärtsrichtung und es werden nur differenzierte, positive Impulse Z _V an einem Ausgang abgegeben (Fig. 6A bis 6C). In entsprechender Weise werden bei Drehrichtungsumkehr des Inkrementalgebers 1 nur am anderen Ausgang differenzierte, positive Impulse Z _R abgegeben (Fig. 6D). Zu diesem Zweck enthält die Logik- und Differenzierschaltung 9 zwei UND-Glieder 17, 18 mit Ausgängen V und R, wobei jeweils einem Eingang der UND-Glieder 17, 18 der invertierte Impuls Φ₂ über eine Umkehrstufe 19 zugeführt wird, während dem anderen Eingang des UND-Glieds 17 der über einen Puffer 20 und ein Differenzierglied 21 geleitete Impuls Φ₁ zugeführt wird, der auch über eine Umkehrstufe 22 und ein Differenzierglied 23 dem anderen Eingang des UND-Gliedes 18 zugeführt wird. In den zum Beispiel nach Fig. 2 zugehörigen Diagrammen nach Fig. 6A bis 6H bezeichnet X die Stelle der Drehrichtungsänderung, bzw. den Übergang von Vorwärts- auf Rückwärtszählung. Beim dargestellten Beispiel erfolgt dieser Übergang nach dem fünften Impuls Z _V. Entsprechend verändert sich auch der in Fig. 6E dargestellte Zählerstand. Beim Zählerstand "3" ist in der entsprechenden Adresse des Speichers 12 eine logische "Null" eingespeichert, die über die Steuerleitung 14 als Torsignal S _T die Torschaltung 13 sperrt, so daß die Impulse Φ₁, Φ₂ als Impulse Φ₁′, Φ₂′ während der Dauer des Zählerstandes 3 nicht durchgelassen werden (Fig. 6E bis 6H). Das heißt, im Ergebnis werden anstelle von fünf Impulsen Φ₁, Φ₂ nur vier Impulse Φ₁′, Φ₂′ durchgelassen. In entsprechender Weise sind bei höheren Adressen des Speichers 12 ebenfalls logische "Nullen" eingespeichert, so daß ein gewünschtes Untersetzungsverhältnis erhalten wird. Wird beispielsweise ein Untersetzungsverhältnis von 1250/1197 verlangt, (d. h. von 1250 Impulsen sollen nur 1197 durchgelassen werden), so erfolgt eine Speicherung der logischen "Nullen" zuerst beim Zählerstand "12" und anschließend jeweils im Abstand von jeweils 24 Impulsen. Es ergibt sich daraus das in Fig. 8 dargestellte Fehlerdiagramm gemäß Kurve a in Abhängigkeit vom Zählerstand N mit Nulldurchgängen bei den Zählerständen "12" und "36" usw., bei welchen die Auslassung der Impulse stattfindet.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel eines Impulsumsetzers "7" nach Fig. 3 werden die gegebenenfalls aufbereiteten Impulse Φ₁, Φ₂ einer Logik- und Differenzierschaltung 9′ zugeführt, die bei vorbestimmten Flanken der Impulse Φ₁, Φ₂ differenzierte, positive Impulse erzeugt, die den Eingängen V, R des Vor-/Rückwärtszählers 10, ähnlich wie in Fig. 2, zugeführt werden. Der Zähler 10 ist wiederum mit dem Speicher 12 über Mehrfachleitungen 11, 15 und eine Steuerleitung 16 verbunden.

Das Zusammenwirken des Zählers 10 mit dem Speicher 12 erfolgt in gleicher Weise wie beim Beispiel nach Fig. 2. Die bei den jeweiligen Adressen eingespeicherten Daten enthalten jedoch zusätzliche Informationen zur Bildung von untersetzten Impulsen Φ₁′, Φ₂′, die dann direkt aus dem Speicher 12 ausgelesen werden können.

Die Logik- und Differenzierschaltung 9′ nach Fig. 5 hat die Aufgabe, bei jeder Flanke der Impulse Φ₁ und Φ₂ einen differenzierten, positiven Impuls zu erzeugen, u. zw. ebenfalls in Abhängigkeit von der Phasenfolge, d. h. Drehrichtung des Inkrementalgebers 1. Im dargestellten Fall eines zweiphasigen Systems werden demnach innerhalb einer Periodendauer T vier differenzierte, positive Impulse erzeugt (Fig. 7A, 7C). Eilen die Impulse Φ₁ den Impulsen Φ₂ vor, so entspricht dies der Vorwärtsrichtung und es werden nur differenzierte, positive Impulse Z _V an einem Ausgang abgegeben (Fig. 7A bis 7C). In entsprechender Weise werden bei Drehrichtungsumkehr des Inkrementalgebers 1 nur am anderen Ausgang differenzierte, positive Impulse Z _R abgegeben (Fig. 7D). Zur Erzeugung der vier positiven, differenzierten Impulse Z _V, Z_R pro Periode T enthält die Logik- und Differenzierschaltung 9′ am Ausgang zwei ODER-Glieder 24, 25, wobei die vier Eingänge der ODER-Glieder 24, 25 jeweils mit dem Ausgang von je vier UND-Gliedern 26 bis 29 bzw. 30 bis 33 verbunden sind. Die Impulse Φ₁, Φ₂ werden jeweils über einen Puffer 34, 35 und jeweils eine Umkehrstufe 36, 37 zu den entsprechenden Eingängen der UND-Glieder 26 bis 29 bzw. 30 bis 33 geleitet. Der Ausgang des Puffers 34 ist mit einem Eingang der UND-Glieder 27 und 33, sowie über Differenzierglieder 38 und 39 mit einem Eingang der UND-Glieder 26 und 30 verbunden. Der Ausgang der Umkehrstufe 36 ist mit einem Eingang der UND-Glieder 29 und 31, sowie über Differenzierglieder 40 und 41 mit einem Eingang der UND-Glieder 28 und 32 verbunden. Der Ausgang des Puffers 35 ist mit dem anderen Eingang der UND-Glieder 28 und 30, sowie über Differenzierglieder 42 und 43 mit dem anderen Eingang der UND-Glieder 27 und 31 verbunden. Der Ausgang der Umkehrstufe 37 ist mit dem anderen Eingang der UND-Glieder 26 und 32, sowie über Differenzierglieder 44 und 45 mit dem anderen Eingang der UND-Glieder 29 und 33 verbunden. In den zum Beispiel nach Fig. 3 zugehörigen Diagrammen nach Fig. 7A bis 7J bezeichnet wieder X die Stelle der Drehrichtungsänderung, bzw. den Übergang von Vorwärts- auf Rückwärtszählung. Beim dargestellten Beispiel erfolgt dieser Übergang nach dem siebzehnten Impuls Z _V. Entsprechend verändert sich auch der in Fig. 7E dargestellte Zählerstand. Die in Fig. 7F und 7G dargestellten untersetzten Impulse Φ₁′ und Φ₂′ stellen eine erste Möglichkeit der Versetzung ihrer Impulsflanken gegenüber den Impulsen Φ₁ und Φ₂ nach Fig. 7A und 7B dar. Die Versetzung der Flanken kann jeweils zum Zeitpunkt des Auftretens der differenzierten Impulse Z _V bzw. Z _R erfolgen, d. h. bei T/4, T/2, 3T/4. Beim dargestellten Beispiel erfolgt eine Versetzung um T/4 der Flanke des Impulses Φ₁′ beim Übergang des Zählerstandes von "9" auf "10", bzw. der Flanke des Impulses Φ₂′ beim Übergang des Zählerstands von "10" auf "11" usw. Es erfolgt somit eine Dehnung der Impulspause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen Φ₁′ bzw. Φ₂′. Diese Dehnung kann in bestimmten Abständen wiederholt werden, so daß insgesamt weniger Impulse Φ₁′, Φ₂′ als Φ₁, Φ₂ auftreten. Diese erste Variante der Impuls-Untersetzung eignet sich für kleine Untersetzungsverhältnisse von z. B. 1003/1000.

Für größere Untersetzungsverhältnisse von z. B. 1666/1000 eignet sich eine Versetzung der Flanken der Impulse Φ₁′, Φ₂′ gemäß einer zweiten Variante nach Fig. 7H und 7J, durch welche die Impulsbreiten und Impulspausen beider Impulse Φ₁′, Φ₂′ voneinander unabhängig verbreitert oder gedehnt werden können. Diese Dehnung kann wiederum in bestimmten Abständen wiederholt werden. Der bei beiden Varianten gemäß den Fig. 7F, 7G und 7H, 7J auftretende Fehler ist in Fig. 7 als Kurve b mit strichpunktierten Linien dargestellt, wobei der maximale Fehler der Kurve b um den Faktor vier kleiner ist als bei der Kurve a. Die Programmierung des Speichers 12, bzw. die Wahl der Stellen, wo eine Dehnung vorgenommen werden soll, erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß die resultierenden Impulse Φ₁′, Φ₂′ möglichst nahe an den Stellen auftreten, die bei einer idealen Untersetzung resultieren würden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur digitalen Verarbeitung mehrphasiger Impulsfolgen eines Impulsgebers, insbesondere Inkrementalgeber, Winkelkodierscheiben od. dgl., mit einem Zähler zur Vorwärts- und Rückwärtszählung der mehrphasigen Impulsfolgen, wobei gegebenenfalls vor dem Zähler ein Impuls-Aufbereitungskreis angeschlossen ist, und wobei an den Eingang des Zählers der Ausgang eines Impulsumsetzers angeschlossen ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Impulsgebers bzw. des gegebenenfalls vorhandenen Impuls-Aufbereitungskreises verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der, die zugeführten Impulse ( Φ₁, Φ₂) mit einem, von einer ganzen Zahl abweichenden Untersetzungsverhältnis untersetzende Impulsumsetzer (7) einzelne Impulse der zugeführten Impulse ausläßt, oder die Impulsflanken derselben je Zählrichtung vor- oder nacheilend versetzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Impulsgebers (1) bzw. des gegebenenfalls vorhandenen Impuls-Aufbereitungskreises (6) mit dem Eingang einer Logik- und Differenzierschaltung (9) zur wahlweisen Differenzierung der Flanken der zugeführten Impulse ( Φ₁, Φ₂) verbunden ist, daß der Ausgang der Logik- und Differenzierschaltung (9) mit dem Eingang eines Vor-/Rückwärtszählers (10) verbunden ist, dessen Zählausgang über eine Mehrfachleitung (11) mit dem Adresseneingang eines Speichers (12) verbunden ist, dessen Datenausgang über eine Steuerleitung (14) an den Steuereingang einer Torschaltung (13) angeschlossen ist, welcher eingangsseitig die mehrphasigen Impulsfolgen ( Φ₁, Φ₂) zugeführt sind, so daß am Ausgang der Torschaltung (13) die untersetzten Impulse ( Φ₁′, Φ₂′) auftreten (Fig. 2).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Impulsgebers (1) bzw. des gegebenenfalls vorhandenen Impuls-Aufbereitungskreises (6) mit dem Eingang einer Logik- und Differenzierschaltung (9′) zur wahlweisen Differenzierung der Flanken der zugeführten Impulse ( Φ₁, Φ₂) verbunden ist, daß der Ausgang der Logik- und Differenzierschaltung (9) mit dem Eingang eines Vor-/Rückwärtszählers (10) verbunden ist, dessen Zählausgang über eine Mehrfachleitung (11) mit dem Adresseneingang eines Speichers (12) verbunden ist, an dessen Datenausgang die untersetzten Impulse ( Φ₁′, Φ₂′) auftreten, deren Impulsflanken gegenüber den Impulsen ( Φ₁, Φ₂) versetzt sind (Fig. 3).

4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Datenausgang des Speichers (12) über eine Mehrfachleitung (15) an den Daten-Ladeeingang des Vor-/Rückwärtszählers (10) angeschlossen ist, und daß ein Datenausgang des Speichers (12) über eine Steuerleitung (16) an den Ladeeingang (L) des Vor-/Rückwärtszählers (10) angeschlossen ist.