DE3853498T2

DE3853498T2 - Inkrementales Positioniersystem.

Info

Publication number: DE3853498T2
Application number: DE3853498T
Authority: DE
Inventors: Mark W Majette; William J Walsh; John A Wickeraad
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1987-07-23
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2008-07-23
Also published as: KR890002740A; DE3853498D1; EP0300823A3; US4789874A; EP0300823B1; EP0300823A2; KR960003812B1; JPH02555A; CA1314605C

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein inkremantales Positionierungssystem, wie es aus dem Dokument US-A-4628609 bekannt ist.
Steuersysteme verwenden üblicherweise magnetische oder optische Wandler oder Codierer zum Auflösen der Skaleneinteilungen von entweder linearen oder runden Skalen. Lineare Skalen besitzen gewöhnlicherweise feste Positionen parallel zur Freiheitsachse und diese überspannend, wobei der Skalen-Leser oder -Codierer auf dem Wagen in eine Position in dieser Achse fährt, um die Skala zu lesen. Runde Skalen werden üblicherweise durch die Schraube getrieben, die den Wagen in die Achse treibt, oder durch den Antriebsmotor für dieselbe.
Üblicherweise wurden zwei Codierer beim Auflösen derartiger Skalen verwendet. Das Patent US-A-2,848,698 beschreibt einen inkrementalen Positionsdetektor, der eine Magnetskala und zwei Magnetköpfe aufweist, die eine räumliche Quadraturbeziehung bezüglich der Rillen in der Skala besitzen. Die Rillen bestimmen die Skaleneinteilungen. Diese Magnetköpfe erzeugen einzeln zeitveränderliche Spannungen. Diese Spannungen weisen eine quadraturphasige Beziehung auf. Die Spannungen werden logisch verarbeitet, um quadratische oder rechteckige quadraturphasige Spannungen zu erzeugen, die beim Bestimmen der Wagen-Position, -Geschwindigkeit und der Richtung der Bewegung in der Freiheitachse nutzbar sind. Das Patent US-A-3,245,144, das eine Werkzeugmaschinensteuerung beschreibt, besonders bezugnehmend auf die Fig. 19, 137 und 143 und den dazugehörigen Text, beschreibt ein System zur logischen Verarbeitung der quadraturphasigen Spannungen, die von den Magnetköpfen abgeleitet werden, welche eine lineare Skala in einer Maschinenachse abtasten, um die Bewegung und die Position eines Werkzeugmaschinenwagens in dieser Achse zu steuern. Das Patent 3,262,105 wendet solche Grundsätze auf eine runde Skala an, wobei zusätzlich eine Indexmarkierung vorgesehen ist, die den Anfang der runden Skala definiert. Das System verwendet das Index-Signal oder die -Spannung, die von der Indexmarkierung hergeleitet wird, und den Skaleneinteilungszählwert später, um die Wagen-Position und/oder -Geschwindigkeit und die Richtung der Bewegung zu bestimmen.
Alle diese Patente verwendeten zwei Magnetköpfe beim Auflösen der linearen oder runden Skalen. Alle diese verwenden logische Systeme oder sind zur Verwendung mit diesen bestimmt, die auf die augenblicklichen elektrischen Zustände der Signale oder Spannungen der Magnetköpfe ansprechen, um die Richtung der Bewegung in der Achse zu bestimmen, und um die Position durch Zählen der Skaleneinteilungen zu bestimmen, wobei die Spannungszustandsbeziehung der zwei Signale in bestimmten Zeitintervallen verwendet wird. Wenn zwei Magnetköpfe in einer quadraturphasigen Positionsbeziehung entlang der Skala verwendet werden, wird der eine oder der andere der Köpfe stets den elektrischen Zustand ändern, wenn eine Bewegung stattfindet. Wenn die elektrischen Ausgaben beider Magnetköpfe gleichzeitig hoch sind, wird die Spannung des einen abhängig davon abfallen, in welche Richtung die Magnetkopfanordnung bewegt wurde. Wenn beide Magnetköpfe in ihren tiefen Spannungszuständen sind, wird die Spannung des einen Magnetkopfs ansteigen, abhängig von der Richtung der Bewegung. Wenn ein Magnetkopf in dem höheren seiner zwei Spannungszustände ist und der andere in dem tieferen Spannungszustand ist, wird der Beginn einer Bewegung in eine Richtung bewirken, daß der Magnetkopf in dem höheren seiner zwei Spannungszustände zu dem tieferen seiner zwei Spannungszustände schaltet, während die Spannung des anderen Magnetkopfs in dem tieferen seiner zwei Spannungszustände unverändert bleibt. Wenn eine Bewegung in die umgekehrte Richtung beginnt, schaltet der Magnetkopf in dem tieferen seiner zwei Spannungszustände in den höheren Spannungszustand, während der Magnetkopf in dem höheren Spannungszustand in dem höheren seiner zwei Spannungszustände verbleibt.
Die logische Verarbeitung dieser Signale kann durch Komplementieren der Ausgangssignale erreicht werden, so daß die Ausgangssignale und deren Komplemente gleichzeitig existieren. Als nächstes werden durch das Differenzieren der Ausgangssignale und ihrer Komplemente Impulse erzeugt. Danach werden die Impulse selektiv mit den Ausgangssignalen und den komplementären Ausgangssignalen kombiniert, um vier Zählwertimpulse pro Skaleneinteilung in separaten Zählwertimpulssätzen für jede Verschiebungsrichtung zu erzeugen. Mittels eines derartigen Hilfsmittels mißt das System die Position und bestimmt die Richtung der Bewegung. Die Rate der Zählwertimpulserzeugung ist selbstverständlich eine Anzeige der Bewegungsrate.
Bei solchen Anordnungen, wenn eine Signalskala verwendet ist, müssen die zwei Köpfe präzise positioniert sein, um ein Viertel eines Skaleneinteilungs-Abstandes einzuschließen. Wenn zwei Skalen verwendet sind, eine für jeden Kopf, können entweder die Köpfe oder die Skalen verschoben sein, um ein Viertel eines Skaleneinteilungs-Abstandes einzuschließen. Es ist offensichtlich, daß sich die Verwendung mehrerer Köpfe und/oder Skalen zum Aufwand des inkrementalen Codierers addiert. Die zusätzlichen Teile in einer solchen Codiereranordnung erhöhen die Ausfallwahrscheinlichkeit. Die logische Verarbeitung dieser Quadratursignale, wie oben erörtert wurde, die das Differenzieren der Signale und das Komplementieren der vom Codierer erzeugten Signale einschließt, addiert sich zusammen mit den für das logische Kombinieren dieser Signale nötigen Schaltungen zum Aufwand und zu der Teilezahl, ebenso wie zur Ausfallwahrscheinlichkeit.
Die US-A 4 313 684 und WO 88/04610 offenbaren beide einen Drucker mit einer linearen Skala, die in Skaleneinteilungen aufgeteilt ist, welche mittels eines Detektors, der auf dem Druckerwagen befestigt ist, abgetastet wird. Das Detektorsignal wird verwendet, um zu Steuerzwecken den Standort des Wagens zu bestimmen.
Die FR-A-2 527 802 offenbart einen inkrementalen digitalen Wandler zum Umwandeln zweier phasenverschobener Positionssignale von einem Impulsgenerator in einen digitalen Parameter. Der Impulsgenerator weist eine runde Skala auf, die mittels zweier Sensoren abgetastet wird. Ein Frequenzteiler löst die Skala in einem feineren Grad auf, um die Genauigkeit zu verbessern.
Die US-A-4 439 825 offenbart ein Positionsregelsystem, das eine digitale inkrementale Meßvorrichtung aufweist. Eine Skala wird durch einen Zweikanal-Codierer, der zwei Meßsignale erzeugt, abgetastet. Ein Diskriminator löst die Skala in einem feineren Grad auf.
Die US-4 628 609 offenbart ein inkrementales Positionierungssystem für einen Tintenstrahldrucker mit einem Wagen, der in einer Druckachse bewegbar ist, einem Tintenstrahl- Druckkopf auf dem Wagen, einer Skala in der Achse mit gleichen Skaleneinteilungen und einem Skalendetektor auf dem Wagen zum Lesen der Skala, das folgende Merkmale aufweist: ein Steuersystem, das mit dem Wagen zum Bewegen des Wagens entlang der Achse gekoppelt ist; eine Einrichtung zum Zuführen inkrementaler Positionsbefehle zu dem Steuersystem, um den Wagen zu bewegen; eine Einrichtung, die auf die Ausgabe des Skalendetektors anspricht, wenn dieser sich entlang der Skala bewegt, um erste Impulse mit einem Impulszählwert pro Einheitsabstand entlang der Skala zu bilden, der auf die Anzahl der Skaleneinteilungen pro gleichem Einheitsabstand der Skala bezogen ist, um zweite Impulse zu bilden, deren Impulszählwert zweimal so groß wie der erste ist, und um dritte Impulse zu bilden, deren Impulszählwert viermal so groß wie der erste ist; eine Einrichtung zum Koppeln der dritten Impulse als Rückkopplung zu dem Steuersystem, wenn die Impulsrate über einer vorbestimmten minimalen Impulsrate liegt; und eine Einrichtung zum Koppeln der zweiten Impulse zu der Arbeitselemente-Einrichtung, um deren Betätigung zu bewirken.
Bei allen obigen Systemen ist die Auflösung des Detektors und die Genauigkeit der Steuerung durch die Anzahl der Skaleneinteilungen begrenzt.
Demgemäß schafft die Erfindung ein inkrementales Positionierungssystem für einen Tintenstrahldrucker mit einem Wagen, der in einer Druckachse bewegbar ist, einem Tintenstrahl-Druckkopf auf dem Wagen, einer Skala in der Achse mit gleichmäßigen Skaleneinteilungen und einem Skalendetektor auf dem Wagen zum Lesen der Skala, das folgende Merkmale einschließt ein Steuersystem, das zur Bewegung des Wagens entlang der Achse mit dem Wagen gekoppelt ist; eine Einrichtung zum Zuführen inkrementaler Positionsbefehle zu dem Steuersytem, um den Wagen zu bewegen; eine Einrichtung, die bei Bewegung entlang der Skala auf die Ausgabe des Skalendetektors anspricht, um erste Impulse mit einem Impulszählwert pro Einheitsabstand entlang der Skala zu bilden, der auf die Anzahl der Skaleneinteilungen pro gleichem Einheitsabstand der Skala bezogen ist, um zweite Impulse mit einem Impulszählwert zu bilden, der zweimal so groß wie die erste ist, und um dritte Impulse mit einem Impulszählwert zu bilden, der viermal so groß wie der erste ist; eine Einrichtung zum Koppeln der dritten Impulse als Rückkopplung zu dem Steuersystem, wenn die Impulsrate über einer vorbestimmten minimalen Pulsrate liegt; und eine Einrichtung zum Koppeln der zweiten Impulse zu der Arbeitselemente-Einrichtung, um deren Betätigung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die auf die Ausgabe des Skalendetektors anspricht, einen Extrapolator einschließt, der die Auflösung des Skalenzählwerts, die durch den Skalendetektor zur Steuerung des Wagens und zu Druck- oder Zeichen-Zwecken erzeugt wird, erhöht, und daß der Skalendetektor einen Codierer aufweist, der ein einzelnes logisches Signal erzeugt.
Die Verwendung eines einzelnen Detektors vereinfacht das System. Das einzelne Signal erfordert einen minimalen Verarbeitungsaufwand.
Obwohl bekannte inkrementale Codierersysteme nutzbringend in vielen Anwendungen verwendet wurden, existiert ein Bedarf, die Codierer an sich ebenso wie die Systeme, die mit denselben verknüpft sind, zu vereinfachen. Die Vereinfachung wird gemäß dieser Erfindung durch Verwenden eines inkrementalen Einkanal-Positionscodierers erreicht. Einkanal, wie hierin verwendet, bedeutet die Verwendung einer einzelnen linearen Skala und eines einzelnen Codierers oder Detektors, der die Skaleneinteilungen umwandelt oder liest. Bei einem Drucker oder einem Zeichengerät ist die lineare Skala zum Beispiel in einer Position parallel zu der Wagenachse und diese überspannend angeordnet. Das Codierergehäuse ist in einer Position auf dem bewegbaren Wagen befestigt, um die Skala abzutasten, während der Wagen bewegt wird. Ein optischer Wandler oder Detektor in dem Codierergehäuse spricht auf die Skaleneinteilungen an, wobei er eine zeitveränderliche elektrische Ausgabe erzeugt, die die einzelnen Skaleneinteilungen anzeigt. Das Steuersystem zum Steuern der Bewegung des Wagens verwendet diesen inkrementalen Einkanal-Positionscodierer als das einzige Rückkopplungselement. Arbeitsdaten, wie z.B. Druck- oder Zeichen-Daten, die dem System zugeführt werden, bewirken die Erzeugung einer gewünschten Position, oder einer Referenz. Die Verarbeitung derartiger Positionsinformationen gemäß einem spezifischem Steuergesetz hat Steuersignale zur Folge, die die gewünschte Position darstellen, welche verwendet werden, um den Wagenantriebsmotor zu bedienen. In dem Steuersystem wird die gewünschte Position mit der Rückkopplung von dem inkrementalen Einkanal-Positionscodierer verglichen, die die tatsächliche Positition des Wagens darstellt, um den Wagenantrieb zu steuern. Das System liefert eine Steuerung der Bewegungsrate des Wagens in seiner Achse, der Position des Wagens in seiner Achse, die Auslenkung des Wagens, die Umkehr der Wagenbewegung und seine Beschleunigung auf die Druck- oder Zeichen-Geschwindigkeit, ebenso wie die Bewegung des Wagens in eine Ruhe- oder Park-Position.
Bei einer Verwendung ist die Codiererskala ein transparenter Streifen mit schmalen, lichtundurchlässigen transversalen Linien in regelmäßig beabstandeten Intervallen auf demselben über den gesamten Druck- oder Zeichen-Hub des Wagens in der Achse. Lichtundurchlässige Flächen, die Druckbegrenzungs- Markierungen oder -Bänder genannt werden, einer größeren Abmessung, gemessen longitudinal zu der Skala, sind an jedem Ende des Druck- oder Zeichen-Hubs auf der Skala vorgesehen. Jenseits dieser Druck- oder Zeichen-Begrenzungsmarkierungen auf der Skala, sind zusätzliche Markierungen oder Bänder vorgesehen. Diese werden als Auslenkungsbegrenzungs-Bänder oder -Markierungen bezeichnet, an denen eine Wagenumkehr stattfindet. Zusätzliche lichtundurchlässige Linien sind mit der gleichen Abmessung und Beabstandung wie die der Skaleneinteilungen zwischen den Druck- und Zeichen-Begrenzungsmarkierungen zwischen den Druck- und Auslenkungs-Begrenzungsbändern vorgesehen. Dies sind die Bereiche auf der Skala, in denen der Wagen abgebremst oder beschleunigt wird. Der Wagen wird im Auslenkungsbegrenzungsband gestoppt und umgekehrt. Jenseits des Auslenkungsbegrenzungsbandes an jedem Ende der Skala befindet sich ein zusätzlicher Skalenabschnitt, der lichtundurchlässigen Skaleneinteilungen und ein Ruhe- oder Park-Band oder eine -Markierung auf der Skala aufweist, in den der Wagen während der Perioden der Untätigkeit bewegt werden kann. Die Druck- oder Zeichen-Begrenzungsbänder, die Auslenkungs-Begrenzungsbänder und die Ruhe- oder Park-Begrenzungsbänder bilden absolute Positionen oder Begrenzungen der Wagenbewegung, die durch die Änderung des Signalausgangs des Codierers von dem zeitveränderlichen Signal, das während des Abtastens der Skaleneinteilungen entwickelt wird, nachdem ein Begrenzungsband betreten wurde und während dasselbe durchguert wird, identifiziert werden. Das System spricht auf solche Signaländerungen zum Steuern der Wagenbewegung an.
Da die Skaleneinteilungen bezüglich der Anforderungen für die Wagensteuerung und für die Arbeit, die durchgeführt werden soll, wie z.B. Drucken, grob sind, wird in dem System eine Maßnahme zum Auflösen der Skala in einem feineren Grad für die Wagensteuerung und für Druck- oder Zeichen-Zwecke getroffen. Derartige Maßnahmen umfassen eine Anordnung zum Erzeugen des Äquivalents von z.B. zwei Skalenzählwerten pro Skaleneinteilung für das Drucken oder Zeichnen und von vier Skalenzählwerten pro Skaleneinteilung für Steuerzwecke.
Weitere Verbesserungen und Vorteile werden durch das Studium der folgenden Beschreibung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Einkanal-Codierer-Steuersystems, das die Grundsätze dieser Erfindung verkörpert;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Codierers, der die Grundsätze dieser Erfindung verkörpert;
Fig. 3 eine isometrische Darstellung der Verwendung des Einkanal-Codierers in der Wagenachse eines Druckers oder eines Zeichengeräts;
Fig. 4a eine vergrößerte Teilansicht einer Codiererskala gemäß dieser Erfindung;
Fig. 4b ein vergrößertes Detail der Codiererskala am Ort L von Fig. 4a, das näherungsweise im richtigen Maßstab dargestellt ist;
Fig. 5a ist ein vergrößertes Detail der Codiererskala;
Fig. 5b und 5c idealisierte verschiedene Detektor- und Codierer-Ausgangssignale, die bezüglich der Skaleneinteilungen von Fig. 5a ausgerichtet sind;
Fig. 6a die Codiererskala;
Fig. 6b ein typisches Detektorausgangssignal, das bezüglich der Skaleneinteilungen der Codiererskala von Fig. 6a ausgerichtet ist;
Fig. 6c, 6d, und 6e jeweils Signale des Skalenzählwerts, des Skalenzählwerts doppelter Auflösungen und des Skalenzählwerts vierfacher Auflösungen, die durch den Extrapolator dieser Erfindung erzeugt sind;
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Extrapolatorschaltung, die in diesem System verwendet wird;
Fig. 7a, 7c, 7e und 7f Signal-Zeitablaufdiagramme, während die Fig. 7b und 7d Funktionsmodi der Zeitgeber- und Extrapolator-Steuerschaltungen zeigen, des Extrapolators von Fig. 7;
Fig. 8a einen vergrößerten Teilabschnitt des Bands am Beginn einer Druckmarkierung;
Fig. 8b ein typisches Detektor- oder Codierer-Ausgangssignal benachbart zu und am Beginn einer Druckmarkierung oder eines Druckbegrenzungsbandes;
Fig. 8c das verarbeitete Ausgangssignal an dem Skalenort, der in Fig. 8a gezeigt ist, d.h. am Druckbegrenzungsband;
Fig. 9 ein Flußdiagramm, das das Verfahren zum Abbremsen und Anhalten des Wagens im Auslenkungsbegrenzungsband zeigt;
Fig. 10 ein Flußdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Wagen-Abbremsens und des Anhaltens des Wagens während einer logischen Suche zeigt;
Fig. 11a und 11b zusammen ein Flußdiagramm, das das Verfahren zum Umkehren der Wagenbewegung und der Beschleunigung des Wagens auf Druckgeschwindigkeit zeigt; und
Fig. 12 ein Flußdiagramm, das die Kompensation und Steuerung der Wagengeschwindigkeit zeigt, gerade wenn der Druck- oder Zeichen-Bereich am Beginn-des-Druckbandes betreten ist.

Beste Art zum Durchführen der Erfindung

Das Einkanal-Codierer-Steuersystem dieser Erfindung ist zum Steuern der Wagenbewegung z.B. in einem Drucker oder Zeichengeräts. Bei solchen Anwendungen bewegt der Wagen Druck- oder Markier-Vorrichtungen, wie z.B. einen thermischen Tintenstrahl-Stift oder -Druckkopf, rückwärts und vorwärts über ein Medium, auf das ein solcher Stift Muster von Tintentropfen abschießt, wodurch Text und/oder Grafiken auf dem Medium erzeugt werden. Da die Tropfen mit gleichmäßig beabstandeten Intervallen abgeschossen werden, ist die Wagengeschwindigkeit notwendigerweise proportional zu der Tintentropfen-Abschußfrequenz. Die thermischen Tintenstrahlstifte besitzen eine obere Grenze für die Tintentropfen-Abschußfrequenz und legen dem Wagen folglich eine Geschwindigkeitsbegrenzung auf. Ferner können Veränderungen der Wagengeschwindigkeit, während das Drucken oder Zeichnen stattfindet, die Druckqualität negativ beeinflussen, wodurch eine Regelung der Wagengeschwindigkeit auf eine gewünschte Druckgeschwindigkeit in einer spezifizierten Toleranz erforderlich ist. Außerdem muß die Wagenbewegung während anderer Phasen als dem Drucken oder Zeichnen richtig gesteuert werden, z.B. bei der Wagenumkehr an den Enden der Bewegung, wie z.B. am Ende der Druckauslenkung, der Wagenbeschleunigung auf die Druckgeschwindigkeit von einer Auslenkungsbegrenzung aus und der Bewegung des Wagens in seine Ruhe- oder Park-Position, die an der äußeren Grenze der Wagenbewegung liegt.

Allgemeines Steuersystem

Die Erfindung ist bei ihrer Anwendung auf einen Drucker dargestellt, um die Beschreibung derselben zu vereinfachen. Die Anwendung derselben ist jedoch allgemeiner, wie z.B. in Zeichengeräten oder in Werkzeugmaschinen. Folglich werden die Druckbefehle oder andere Signale, die zu der folgenden spezifischen Beschreibung gehören, allgemeiner als Arbeits-Befehle oder -Signale erkannt werden, die zu speziellen Anwendungen gehören.
Fig. 1 ist ein Schema des Gesamtsteuersystems. Druck- oder Zeichen-Daten, die einen Teil der Befehlsdaten bilden, können von einer Einrichtung, wie z.B. einem Computer (nicht gezeigt), geliefert werden. Diese Druckdaten werden als Eingabe 1 einem Mikroprozessor 2 zugeführt. Als Reaktion auf diese Eingabe, ebenso wie auf andere Eingaben, die noch beschrieben werden, erzeugt der Mikroprozessor Steuersignale, die mittels eines Busses 3 als Eingabe zu einer Steuerschaltung 4, die mehrere Funktionen besitzt, gekoppelt werden. Die Steuerschaltung 4 erzeugt ein Pulsbreiten-moduliertes Signal, das mittels einer Schaltung 5 zu einem Pulsbreitenmodulations-Verstärker 6, der von einer Leistungsguelle 7 mit Leistung versorgt wird, gekoppelt wird. Der Verstärker 6 transformiert und verstärkt das Eingangssignal, um eine Treiberspannung zu erzeugen, die mittels einer Schaltung 8 mit einem Motor 9 gekoppelt ist. Bei einer bevorzugten Anwendung zum Drucken, die hierin beschrieben ist, ist der Motor 9 ein Gleichstrommotor, der als ein Druckwagen-Antriebsmotor funktioniert. Der Motor 9 treibt eine Vorrichtung an, wie z.B. ein Riemenscheiben- und Riemen-System, die mit einem Druckwagen 11 verbunden ist, um den Wagen in seiner Achse zu bewegen. Ein Codierer 12, der ein Codierergehäuse 12a und eine Codiererskala 13 aufweist, spricht auf die Wagenbewegung an. Die Codiererskala 13, Fig. 3, ist an ihren Enden in einer Stellung fest an dem Druckergehäuse befestigt, die parallel zu der Wagenachse ist und diese überspannt. Das Codierergehäuse 12a, das auf dem Wagen befestigt ist, weist einen Detektor auf, der die Skala 13 abtastet, während sich der Wagen in seiner Achse bewegt. Skalenzählwertsignale SENC, ebenso wie Signale, die den Druckbeginn oder das Druckende, die Wagenauslenkungsbegrenzungen, usw., anzeigen, die durch den Codierer erzeugt werden, werden als Rückkopplung über eine Schaltung 14 zu der Steuerschaltung 4 gekoppelt. Die Steuerschaltung 4, die ferner einen Extrapolator aufweist, der noch beschrieben wird, erzeugt Skalenzählwertsignale doppelter oder vierfacher Auflösung der tatsächlichen Skaleneinteilungen. Der Bus 15 koppelt die Druckbeginn- und Druckende-Signale zu dem Mikroprozessor. Der Bus 16 koppelt die Signale doppelter Auflösung und wahlweise die Signale vierfacher Auflösung zu dem Mikroprozessor, um das Tintentropfenabschießen zu steuern. Der Bus 17 koppelt die Signale vierfacher Auflösung zur Verwendung bei der Berechnung der Motorsteuerspannungen zu dem Mikroprozessor. Auslenkungsbegrenzungssignale von dem Codierer werden durch den Bus 18 zur Verwendung beim Anhalten und Umkehren des Wagenantriebs zu dem Mikroprozessor gekoppelt.
Der Mikroprozessor erzeugt gewünschte Positionssignale und vergleicht die gewünschten Positionssignale und die tatsachlichen Wagenpositionssignale. Unter Verwendung eines Rückkoppelsteuergesetzes berechnet der Mikroprozessor die für den Motor erforderlichen Steuersignale. Dieser Prozeß wird z.B. 200 mal pro Sekunde wiederholt und liefert die Basis für die Steuerung der Wagengeschwindigkeit.
Diese Steuerung wird mittels dieses Systems unter Verwendung ausschließlich eines inkrementalen Einkanal-Positionscodierers als das Rückkopplungselement erreicht, im Unterschied zu den bekannten inkrementalen Zweikanal-Positionscodierern, die oben beschrieben sind. Dieser Codierer bietet die Vorteile der Einfachheit, der geringen Kosten und des einfachen Zusammenbaus, verglichen mit den inkrementalen Zweikanaloder Quadratur-Positionscodierern. Wegen seiner Meßbegrenzungen sind bei dem Steuersystem eindeutige Maßnahmen erforderlich, um diese Begrenzungen zu kompensieren. Eindeutige Systemmerkmale schließen einen Extrapolator als einen Teil des Steuersystems ein, um die Codiererauflösung zu erhöhen. Ein weiteres eindeutiges Merkmal ist ein Druckbegrenzungs- Erfassungssystem, das eine absolute Positionsreferenz liefert, bei der die Arbeit, wie z.B. das Abschießen von Tintentropfen, begonnen oder beendet werden soll. Zusätzliche Merkmale schließen Maßnahmen zum Erfassen der Begrenzungen der Wagenbewegung und zum Kompensieren der Meßbegrenzungen oder Rückkopplungsstörungen ein, die dem Einkanal-Codierer eigen sind. Diese eindeutigen Merkmale und ihre Verkörperung in dem Steuersystem werden nachfolgend erörtert.

Einkanal-Codierer

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Einkanal-Codierers des Typ, der bei dieser Erfindung verwendet wird. Dieser Einkanal-Codierer ist Gegenstand einer ebenfalls anhängigen Anmeldung von Mark W. Majette u.a., Nummer EP-A-0294154, mit dem Titel Single Channel Encoder der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es folgt in Verbindung mit den Fig. 2, 3, 4a und 4b eine Beschreibung des Einkanal-Codierers, wobei davon ausgegangen wird, daß diese für ein Verstehen der Anwendung und der Funktion desselben als ein Teil des Einkanal-Codierer-Steuersystems dieser Erfindung ausreicht.
Der Einkanal-Codierer 12 umfaßt zwei Hauptkomponenten; diese sind der Codierer-Streifen oder die Codierer-Skala 13 und das Codierergehäuse oder der Detektor 12a, der die Skala 13 liest. Wie in den Fig. 2, 4a und 4b gezeigt ist, besitzt die Skala 13 ein Muster von eng beabstandeten lichtundurchlässigen Linien 13a, Fig. 4a, 4b, die die Skala definieren. Diese liegen auf einem lichtdurchlässigen Basismaterialstreifen.
Die Skala 13 läuft durch die Codierereinheit oder den Detektor 12a, der die Skaleneinteilungen 13a liest oder erfaßt und das Skalenmuster in ein elektrisches logisches Signal SENC umwandelt oder codiert, das eine zeitveränderliche Spannung ist, die in Fig. 2 als ein Rechtecksignal idealisiert ist. Eine digitale Elektronik benutzt dieses logische Signal, um aus demselben die Frequenz der relativen Bewegungsrate zwischen der Skala 13 und dem Codierergehäuse 12a und aus dem Zählwert derselben die Codiererposition entlang der Skala 13 bezüglich einer Referenzposition zu bestimmen. Es wird nur ein solches logisches Signal erzeugt (im Gegensatz zu den Quadratursignalen in dem Fall der Quadraturcodierer, die oben erörtert sind), was den Grund dafür darstellt, daß der Codierer als Einkanal-Codierer bezeichnet wird. Das logische Signal liefert Informationen, die beim Bestimmen der Wagenposition und der Bewegungsrate in der Wagenachse nützlich sind. Obwohl nicht gezeigt, weist das Codierergehäuse einen Skalendetektor auf, der eine IR-Lichtquelle als Emitter auf einer Seite der transparenten Skala und einen IR-Detektor auf der anderen Seite aufweist. Der Detektor erzeugt ein elektrisches logisches Signal SENC, wie in Fig. 2 zu sehen ist, das bei Überquerung der Skaleneinteilungen eine hohe oder tiefe Lichtintensität anzeigt. Jede Linie 13a auf der Skala 13 dient dazu, die Übertragung zwischen dem Emitter und dem Detektor zu blockieren, wenn sie in dem Lichtweg zentriert ist, d.h. auf einer Linie, die den Emitter und den Detektor verbindet, wodurch ein Signal eines tiefen logischen Pegels an dem Detektor initiiert wird, während andernfalls eine Übertragung auftritt und der Signalausgang des Detektors oder Codierers hoch sein wird.
Eine typische Installation des Einkanal-Codierers 12 in einem Drucker ist in Fig. 3 gezeigt. Hier besitzt ein Drucker 23 einen Stiftwagen 24 und ein Druckergehäuse 25. Der Stiftwagen 24 trägt Druckköpfe, wie z.B. Tintenstrahlstifte oder andere Markier- oder maschinelle Vorrichtungen (nicht gezeigt). Der Stiftwagen 24 ist auf einer Wagenführung 26 befestigt und überstreicht mit dem Wagen das Druck-Medium oder -Papier 27, das wiederum im Druckbetrieb inkremental durch einen Antrieb (nicht gezeigt), der eine Papierwalze 28 auf dem Druckergehäuse 6 einschließt, weiterbewegt wird. Die Papierbewegung findet in einer Richtung, die senkrecht zu der Wagenachse ist, statt. Die Codiererskala 13 ist an deren Ende auf dem Druckergehäuse 25 befestigt. Die Codierereinheit 12 befindet sich auf dem Stiftwagen 24. Eine Bewegung des Stiftwagens verursacht eine entsprechende Bewegung der Codierer-Einheit oder des -Gehäuses 13 bezüglich der Codiererskala 13, wodurch ein logisches Signal zur Verwendung bei der Messung der Änderung der Stift/Wagen-Position bezüglich dem Druckergehäuse, ebenso wie der Bewegungsrate geliefert wird. Da sich das Gehäuse 12a des Codierers 12 auf dem Stiftwagen befindet, liefert der Zählwert der Skaleneinteilungen, der von dessen Signal SENC abgeleitet wird, eine direkte Messung der Codiererposition in der Wagenachse, im Gegensatz zu Wellencodierern, die die Drehung des Motors oder der Führungsschraube, die den Wagen antreibt, messen.
Eine vergrößerte Teilansicht der Skala 13 ist in Fig. 4a gezeigt. Fig. 4a ist nicht maßstabsgetreu und ist ausschließlich dazu bestimmt, eine allgemeine Darstellung der Gestaltung der Skala zu liefern. Die Skala 13 ist mit Auslenkungsbegrenzungs-Bändern oder -Markierungen A versehen. Diese definieren die Grenzen der Wagenbewegung während eines Druck- oder Zeichen-Betriebs. In diesen Bereichen wird der Wagen angehalten und umgekehrt. Druckbegrenzungsbänder B, die sich innerhalb der Spannweite der Auslenkungsbegrenzungsbänder A befinden und eine longitudinal geringere Skalenabmessung als die Auslenkungsbegrenzungs-Bänder oder -Markierungen aufweisen, definieren die Druckgrenzen. Ein Ruhe- oder Park-Band C ist an dem rechtsseitigen Ende der Skala vorgesehen, wie zu sehen ist. Löcher zum Befestigen an dem Druckergehäuse an den Enden der Wagenachse sind in den Enden der Skala vorgesehen. Die lichtundurchlässigen Markierungen 13a, die die Skaleneinteilungen definieren, variieren zahlenmäßig zwischen den Markierungen oder Bändern B, den Bändern B und A und den Bändern A und C. Der Raum zwischen den Druckbegrenzungs-Bändern oder -Markierungen B definiert die Druckgrenzen, wobei diese beabstandet sind, um der gewünschten Druckbreite zu entsprechen, d.h. der gewünschten Linienlänge des Drucks auf dem Druckmedium. Der Raum zwischen den Auslenkungsbegrenzungs-Bändern oder -Markierungen A und den Druckbegrenzungs-Bändern oder -Markierungen B reicht aus, um den Wagen abzubremsen und um den Wagen innerhalb eines Auslenkungsbegrenzungs-Bandes oder einer -Markierung anzuhalten und den Wagen danach auf Druckgeschwindigkeit zu beschleunigen, während derselbe die Skaleneinteilungen zwischen dem Auslenkungsbegrenzungs-Band oder der -Markierung A und dem Druckbegrenzungs-Band oder der -Markierung B kreuzt. Der Abstand zwischen dem Ruhe- oder Park-Band C und dem benachbarten Auslenkungsbegrenzungsband A reicht aus, um den Wagen von dem Druck-Medium oder -Papier zu entfernen.
Fig. 4b, die ein vergrößertes Detail des Orts L auf der Skala von Fig. 4a ist, das näherungsweise maßstabsgerecht gezeichnet ist, liefert eine bessere Anzeige der lichtundurchlässigen Markierungen auf der Skala.
Es ist offensichtlich, daß, während das Codierergehäuse 12a bezüglich der Skala 13 bewegt wird, die Veränderungen des Codiererausgangssignals SENC mit dem lichtundurchlässigen Skaleneinteilungsmuster auf der Codiererskala zusammenfällt. Dies ist in den Fig. 5a, 5b bzw. 5c zu sehen, die einen Abschnitt der Codiererskala 13 mit den transversalen lichtundurchlässigen Linien und drei verschiedene Codiererausgangssignal SENC zeigen. Bei dieser Erörterung wird der höhere Pegel des Codiererausgangssignals als "An" bezeichnet, während der tiefere Pegel des Codiererausgangssignals als "Aus" bezeichnet wird. Die An- und Aus-Zeiten des Codiererausgangssignals SENC unterscheiden sich von Einheit zu Einheit, wie in den Fig. 5b und 5c zu sehen ist, aufgrund von mechanischen und optoelektronischen Toleranzen. Jedoch spiegelt die Signalperiode die Beabstandung der Skaleneinteilungsbänder auf der Skala genau wieder. Aus diesem Grund spricht die Steuerschaltung nur auf die abfallenden Flanken des Codiererausgangssignals SENC an, wodurch ein sehr genauer Zählwert der Skaleneinteilungen pro Inch (25,4 mm) der Skala erhalten wird. Die Skaleneinteilungen werden zwischen entsprechenden Kanten der lichtundurchlässigen transversalen Linien 13a gemessen. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung existieren 90 Skaleneinteilungen pro Inch (25,4 mm), wobei folglich jede Skaleneinteilung, wie in Fig. 5a dargestellt ist, 1/90 eines Inch (0,28mm) darstellt. Wie zu sehen sein wird, tritt die abfallende Flanke des Codiererausgangssignals auf, wenn eine Kante einer transversalen lichtundurchlässigen Linie sich in den Lichtweg bewegt. Bei Ansicht der Fig. 5b und 5c fallen die abfallenden Flanken der zwei Codiererausgangssignale (Fig. 5b und 5c) mit den entsprechenden vorderen Kanten jeder der transversalen lichtundurchlässigen Linien 13a zusammen, wenn der Codierer-Detektor 12a die Skala 13 abtastet, während er sich nach rechts bewegt. Wenn sich der Codierer in die umgekehrte Richtung bewegt, nach links, wie in dem oberen Signal in Fig. 5b zu sehen ist, verschiebt sich die abfallende Flanke des Signals zu der anderen Kante, nun der vorderen Kante, der lichtundurchlässigen transversalen Linien 13a, wobei jedoch die Skaleneinteilung die gleiche Abmessung beibehält, wie in dem Codiererausgangssignal wiedergespiegelt wird, jedoch um einen Betrag positionsmäßig verschoben ist, der gleich der Breite einer der lichtundurchlässigen transversalen Linien ist. Folglich spiegelt die Signalperiode stets genau die Beabstandung der transversalen lichtundurchlässigen Linien auf dem Streifen wieder. Die Verschiebung des Signalzeitablaufs ist im Druck nicht bemerkbar.
Während der Einkanal-Codierer 12 eine genaue Messung einer Positionsänderung liefert, besitzt er mehrere Meßbegrenzungen, die einen Einfluß auf den Steuersystementwurf haben. Für viele Anwendungen wird eine Auflösung von 90 Zählungen pro Inch (25,4,mm) z.B. zu gering sein. Es ist gegenwärtig weder kostensparend noch praktisch, die physikalischen Skaleneinteilung zu verdoppeln oder zu vervierfachen, wie es erforderlich wäre, um zu versuchen, dieses Problem zu lösen.
Bei einer Druckanwendung, die einen thermischen Tintenstrahl verwendet, wird ein Minimum von 180 Zählwerten pro Inch (25,4 mm) der Skala zum Abschießen der Tintentropfen benötigt. Da der Codiererzählwert zum Abschießen der Tintentropfen ebenso wie zur Geschwindigkeitssteuerung verwendet wird, muß eine höhere Auflösung der Skala vorgesehen werden. Außerdem ist von einem Steuerstandpunkt her gesehen eine größere Skalenauf lösung als 180 Zählwerte pro Inch (25,4 mm) wünschenswert. Dies ist der Fall, da das Steuergesetz, das bei der Realisierung des Steuersystems verwendet wird, die Geschwindigkeit als die Positionsänderung über der Abtastperiode der Servoeinrichtung, die in der Nachbarschaft von z.B. 5 µs liegt, berechnet. Wenn die Position nur auf 1/90 Inch (0,28 mm) bekannt ist, beträgt die Unsicherheit der Geschwindigkeit 1/90 eines Inch/0,005 Sekunden oder 2,2 Inch pro Sekunde (55,9 mm pro Sekunde). Eine genaue Steuerung der Wagengeschwindigkeit wird durch diese Unsicherheit kompliziert, die durch eine Erhöhung der Auflösung der Skala vermieden werden kann.
Beide Probleme werden durch den Extrapolator gehandhabt, auf den bei der Erörterung mit Bezug auf Fig. 1 verwiesen wurde. Der Extrapolator wird zu einem späteren Zeitpunkt beschrieben. Der Extrapolator ist eine elektronische Schaltung, die einen Teil der Steuerschaltung 4 von Fig. 1 bildet, welche den Skalenzählwert erhöht, d.h. Skalenzählwerte zwischen den Skalenzählwerten, die durch den Codierer geliefert werden, liefert.
Eine weitere Begrenzung des Einkanal-Codierers besteht darin, daß seine Ausgabe nur Informationen darüber liefert, daß Skaleneinteilungen überquert werden. Es gibt keine Informationen in dem Signal an sich, wie in dem Quadraturcodierer, der oben beschrieben ist, die eine Basis zum Bestimmen der Bewegungsrichtung liefern, mit Ausnahme vielleicht, wie oben bemerkt wurde, der Verschiebung der Signale durch die Breite einer transversalen lichtundurchlässigen Linie zwischen der Bewegung des Codierers bezüglich der Skala nach rechts oder nach links, wie in Fig. 5b zu sehen ist. Die Signale in den Fig. 5b und 5c sehen gleich aus. Damit sind zwei Probleme verknüpft. Zuerst wird eine Instabilität in der Servoeinrichtung verursacht, wenn der Wagen unerwartet die Richtung ändern sollte. Das Problem, das mit dieser Situation verknüpft ist, und seine Lösung werden zu einem späteren Zeitpunkt beschrieben. Die andere Situation, die mit dieser unerwarteten Änderung der Wagenrichtung verknüpft ist, ist die, daß die absolute Position des Wagens nicht länger bekannt ist. Dies erzeugt Probleme für die Druckregistrierung und für die Begrenzungen einer Wagenbewegung an den Enden seines Auslenkungsbereichs. Das Problem, das durch das Fehlen der Informationen in den Codiererausgangssignalen entsteht, wird durch Überlagern der zusätzlichen Markierungen oder Bänder A, wie in Fig. 4a zu sehen ist, behandelt, die die Auslenkungsbegrenzungbänder sind, in vorbestimmten beabstandeten Positionen jenseits der Druckbegrenzungsbänder B auf der Skala. Diese Druckbegrenzungsbänder B werden durch eine Schaltung in der Steuerschaltung 4 von Fig. 1 erfaßt, während die Auslenkungsbegrenzungsbänder A und das Parkband C mittels eines Firmware-implementierten Algorithmusses in dem Mikroprozessor erfaßt werden. Diese Erfassungsverfahren sind zusammen mit Techniken, um die Unterbrechung des Skalenzählwertsignals von dem Codierer, die diese Bänder erzeugen, zu kompensieren, im Zusammenhang mit der Geschwindigkeitssteuerung beschrieben.

Extrapolator

Die Aufgabe des Extrapolators ist es, die Auflösung des Skalenzählwerts, die durch das Codierersignal erzeugt wird, zu erhöhen. Zusätzlich zu dem Codierersignal werden zwei Skalenzählwertsignale erzeugt. Das erste Signal ist ein Skalenzählwertsignal von 180 Zählwerten pro Inch (25,4 mm) der Skala für einen Codiererausgang von 90 Zählwerten pro Inch (25,4 mm). Dieses Signal wird zur thermischen Anregung des Tintentropfenabschießens verwendet. Das zweite Signal ist ein Skalenzählwertsignal von 360 Zählwerten pro Inch (25,4 mm) der Skala, das eine Positions- und Geschwindigkeits- Rückkopplung für das Steuersystem liefert.
Funktionell verwendet der Extrapolator (der im Blockdiagramm von Fig. 7 dargestellt ist), das logische Codiererausgangssignal SENC, das die Skaleneinteilungen darstellt, um zwei Ausgangssignale zu erzeugen, die jeweils die doppelte und die vierfache Frequenz des Codierersignals besitzen. Aufgrund dieser Funktion unter Verwendung eines Referenzsignal SENC, um zusätzliche Signale zu erzeugen, bevor das nächste Referenzsignal auftritt, wird die Schaltung ein Extrapolator genannt. Der Extrapolator, wie in Fig. 7 zu sehen ist, umfaßt einen Zeitgeberabschnitt und einen Extrapolatorabschnitt, die beide im Gleichlauf mit dem Codierersignal getaktet werden. Der Zeitgeberabschnitt erzeugt einmal während jeder Taktperiode eine Zählwertausgabe. Diese Zählwertausgabe, geteilt durch 4, wird in dem Extrapolator zwischengespeichert, der die zwischengespeicherten Zählwerte auszählt und innerhalb einer Taktperiode dreimal ein Rückführungssignal erzeugt, um die Zwischenspeicher- und Zähl-Operation wiederzugewinnen. Wenn sich der Wagen mit einer konstanten Druckgeschwindigkeit bewegt, erzeugen die Zwischenspeicher/Zähl-Intervalle drei Impulse, die zueinander und zu dem anfänglichen Taktsignal zeitmäßig gleich beabstandet sind. Werden sie kombiniert, liefern diese Impulse vier Impulssignale pro Skaleneinteilung.
Der Zeitgeber umfaßt einen Vorwärtszähl-Zeitgeberzähler 30, eine Zeitgebersteuerung 34, die pro Taktimpuls vier Zustände zyklisch durchläuft, und eine Zwischenspeicherschaltung 35, die den Zeitgeberzähler-Zählwert, geteilt durch 4, über eine gesamte Taktperiode abtastet und hält.
Die Extrapolatorabschnitte umfassen einen Extrapolatorzähler 31, der von der Zwischenspeicherschaltung 35 geladen wird, welcher unter der Steuerung einer Extrapolatorsteuerschaltung 32 rückwärts zählt.
Das Takten des Systems wird durch ein Starttaktsignal SCLK, das durch eine Filterschaltung 33, die das Codierersignal SENC empfängt, erzeugt wird, geliefert, wie in Fig. 7 zu sehen ist.
Die Beziehung der verschiedenen Signale, auf die verwiesen wurde, ist in den Fig. 6a bis 6e zu sehen. Hier ist die Beziehung des Signals SENC zu der Skala zu sehen. Das Starttaktsignal SCLK ist ein abfallender Impuls, der in der Praxis um 750 ns verzögert ist, im Gleichlauf mit den fallenden Flanken des Codierersignals SENC. Die Fig. 6d bzw. 6e zeigen den Zeitablauf der Signale für 180 cpi und 360 cpi (cpi = count per inch = Zählwerte pro Inch).
Die Zeitgebersteuerschaltung 34 und ihre Funktion wird durch Bezugnahme auf die Fig. 7a und 7b offensichtlich. Die Zeitgebersteuerschaltung ist als eine Zustandsmaschine mit vier funktionellen Zuständen beschrieben, wie in Fig. 7b zu sehen ist. Diese Zustände sind der Reihe nach Zwischenspeichern, Warten, Löschen und zeitliches Einstellen der Extrapolator-Systemfunktionen. Fig. 7a zeigt die Zeitablaufsignale und deren Beziehung. Die Fig. 6b und 6c zeigen die Beziehung des Starttaktsignals SCLK zu dem Codierersignal SENC. Fig. 7a zeigt die Beziehung des Starttaktsignals SCLK zu den 4 MHz- und 250 KHz-Signalen, die den Zähler von Fig. 7 treiben, und den Zeitablauf der Zeitablauf-Zählersignale bezüglich des Starttaktsignals SCLK, ebenso wie eine Anzeige der Funktion derselben.
Die Zeitgebersignale TQ1, TQ2 und TQ3 werden durch die abfallende führende Flanke des Starttaktsignals SCLK initiiert. Das Signal TQ1 tritt einmal in jeder Taktperiode auf, wie in Fig. 7c zu sehen ist, und wird verwendet, um den Extrapolationszyklus gleichlaufend mit dem Starttaktsignal SELC zu initiieren. Die Signale TQ2 und TQ3 sind interne Signale der Zeitgebersteuerschaltung.
Das Signal NTQ1 ist das Komplement des Signals TQ1 und ermöglicht es, daß der Zwischenspeicher den Zählwert des Zeitgeberzählers 30 abtastet, wenn es zum Zeitpunkt des Signals SCLK einen hohen logischen Pegel annimmt. Zu diesem Zeitpunkt des Starttaktsignals SCLK schaltet das Signal TQ1 in seinen tiefen Spannungszustand und verbleibt dort für die Hälfte des 250 KHz-Signals. Dies hält das Laden des Extrapolatorzählers 31 auf. Der Zeitgeberzähler hat seine Zählung vollendet. Sein Zählwert ist in dem Zwischenspeicher und der Zwischenspeicherausgang ist gültig, kurz nachdem das Signal NTQ1 einen hohen logischen Pegel annimmt. Der Zwischenspeicher speichert den Zeitgeberzähler-Zählwert dividiert durch 4. Wenn das Signal TQ1 einen hohen logischen Pegel annimmt, erzeugt die Extrapolatorsteuerung 32 ein Signal 32b, um den Extrapolatorzähler 31 von dem Zwischenspeicher zu laden.
Die Zeitgebersteuerung 34 erzeugt ferner ein Zähler-Löschen-Signal CLRC, das für einen Zyklus des 250 KHz-Signals in seinem tiefen Spannungszustand existiert. Es wird gleichlaufend mit dem Signal TQ2 initiiert, das in seinen hohen Spannungszustand schaltet, und gleichlaufend mit dem Signal TQ3 beendet, das in den höheren seiner zwei Spannungszustände schaltet. Diese Funktion tritt einen halben 250 KHz-Zyklus, nachdem Laden des Extrapolatorzählers 30 auf. Dies löscht (Signal CLRC) oder setzt den Zeitgeberzähler 30 zurück, wobei mit der Beendigung des Löschsignals CLRC der Vorwärtszähl-Zyklus des Zeitgeberzählers erneut beginnt. Somit sind die vier Zustände der Zeitgebersteuerschaltung vollendet.
Der Extrapolatorzähler 31 wird ferner durch das 250 KHz-Signal betrieben. Das Signal TQ1, das mit der Extrapolatorsteuerschaltung 32 gekoppelt ist, erzeugt das Signal 32b, das den Zähler 31 mit dem Zwischenspeicherzählwert lädt. Zu der Zeit, zu der der Zwischenspeicherzählwert geladen wird, beginnt das Rückwärtszählen. Fig. 7c zeigt die Zeitbeziehung der Signale in dem Skalenzählungs-Extrapolatorprozeß. Die Signaldaten basieren auf Daten zwischen zwei Starttaktsignalen SCLK, d.h. einer Taktperiode. Bei dem Signalmaßstab von Fig. 7c kann nicht der volle Zählzyklus zwischen den Starttaktsignalen SCLK gezeichnet werden, so daß die Zeichnungen zwischen den Extrapolatorzählzyklen unterbrochen sind.
Wenn das Rückwärtszählen des Extrapolators vollendet ist, erzeugt seine Ausgabe, die mit einem Gatter 43 gekoppelt ist, ein Signal 43a, das zu der Extrapolatorsteuerschaltung 32 gekoppelt wird, was wiederum den negativen Impuls des Zählerladesignals 32b zur Folge hat. Der Inhalt des Zwischenspeichers wird wiederum in den Extrapolator geladen und das Rückwärtszählen beginnt erneut. Der Zählzyklus setzt sich weitere zweimal fort und endet dann, bis das nächste Starttaktsignal SCLK auftritt.
Die Extrapolatorsteuerschaltung 32 erzeugt zwei Ausgangssignale. Diese sind die extrapolierten Skalenzählwertsignale 32a bzw. 32c, die 360 Skalenzählwerte pro Inch (25,4 mm) darstellen. Diese werden in der Extrapolatorsteuerung gebildet, indem das Starttaktsignal SCLK mit den drei Impulsen des Signals 32a, die aus den drei Impulsen des Signals 43a resultieren, kombiniert wird, und indem das Signal SCLK mit dem einzelnen Impuls des Signals 32a, das durch den zweiten Impuls des Signals 43a erzeugt wird, kombiniert wird, um die Signale mit 360 cpi und 180 cpi 32a bzw. 32c zu bilden. Das Signal 32a wird zu einem Positionszähler 36 gekoppelt, der einen Teil des Positionsregisters an dem Ausgang des Extrapolators bildet, und seine Ausgabe wird zu einem Zwischenspeicher gekoppelt, wenn die Positionszählung still steht. Der Zählwert mit 360 cpi wird zum Bus 17 von Fig. 1 gekoppelt und der Zählwert mit 180 cpi wird zum Bus 16 von Fig. 1 gekoppelt.
Die Beabstandungen zwischen den letzten extrapolierten Impulsen 32a und 32c und dem nächsten Starttaktsignal SCLK, die in Fig. 7c gezeigt sind, sind größer gezeigt, als diejenigen zwischen dem anfänglichen Signal SCLK und den folgenden extrapolierten Impulsen. Aufgrund der unterbrochenen Form dieses Signalzeitablaufdiagramms ist nur der Zeitablauf zwischen Signalen in jedem Abschnitt offensichtlich. Wenn der Wagen sich mit Druckgeschwindigkeit bewegt, sind die Signalperioden zeitmäßig gleich.
Der Positionszähler 36 summiert die Impulse von der Zeitgebersteuerung 32 in eine binäre Zahl, die von dem Mikroprozessor gelesen werden kann, um als Rückkopplung zu Steuerungszwecken in dem Steuersystem von Fig. 1 verwendet zu werden. Der Extrapolator umf aßt einen Teil der Steuerschaltung 4 von Fig. 1. Der Zeitgeberzähler 30 des Extrapolators ist ein 10-Bit-Zähler, mit den Bits 0 bis 9, und läuft mit 250 KHz. Der Zeitgeberzähler 30 ist gesättigt, wenn die abfallenden Flanken in dem Signal mit 90 Zählwerten pro Inch (25,4 mm) (Starttakt SCLK) mehr als 4,1 µs auseinander liegen (2¹&sup0; x 1/250.000 Sekunden). Eine Sättigung tritt für Wagengeschwindigkeiten unter 2,7 Inch (68,58 mm) pro Sekunde auf. Unter diesen Umständen stoppt die Extrapolation und das Signal mit 360 Zählwerten pro Inch wird zu einem mit 90 Zählwerten pro Inch. Dies stellt eine Rückkopplungsstörung dar, wobei eine Kompensation für dieselbe in den Flußdiagrammen, die zu einem späteren Zeitpunkt folgen, beschrieben ist.
Somit besteht die Funktion der Extrapolatorschaltung darin, die Codiererübergänge zu zählen und, wie in den Zeitablauf- Signaldiagrammen zu sehen ist, einen Zählwert zwischen Codiererübergängen hinzuzufügen, um das Signal mit 180 Zählwerten pro Inch (25,4 mm) zu bilden, und um drei gleichmäßig beabstandete Zählwerte zwischen den Codiererübergängen hinzuzufügen, um das Signal mit 360 Zählwerten pro Inch (25,4 mm) zu bilden. Die Filterschaltung 30 filtert beliebige Veränderungen im Codierereingangssignal SENC für eine Zeitdauer von weniger als 250 ns (ein 4 MHz-Zyklus) aus. Der Übergang von 1 auf 0, der der abfallende Übergang des Codiererausgangssignals SENC ist, erzeugt das Signal SCLK, das die Zeitgeber-Steuerschaltung 34 löscht, deren resultierendes Ausgangssignal CLRC den Periodenzähler 30 zurücksetzt, wodurch ein neuer Zählzyklus initiiert wird. Aufgrund des Filters ist das Starttaktsignal SCLK, siehe Fig. 7e, verzögert und der Zeitgeber-Zählerzyklus ist um 750 ns (drei 4 MHz- Taktzyklen) nach dem abfallenden Übergang des Codierereingangssignals SENC verzögert (Signal CLRC). Folglich besteht die Funktion des Filters 33 darin, einen Impuls SCLK zu der Extrapolatorsteuerung 32 und zu der Zeitgebersteuerung 34 auszugeben, der einer fallenden Flanke des Codierersignals SENC folgt, wenn das Signal SENC etwa 500 µs vor der abfallenden Flanke auf einem hohen logischen Pegel gewesen ist, und wenn SENC mindestens 500 µs auf einem tiefen logischen Pegel bleibt. Somit ist der Starttaktimpuls SCLK mit den 4 MHz- und 250 KHz-Takten synchronisiert.
Ein weiteres Detail des Extrapolators besteht darin, daß die Zeitgebersteuerung 34, nachdem sie rückgesetzt ist, das Signal NTQ1 erzeugt, um den Zählwert des Zeitgeberzählers 30 (geteilt durch 4) in die Zwischenspeicherschaltung 35 zu laden. Dann wird der Zeitgeberzähler 30 durch das Signal CLRC gelöscht, so daß er erneut die Zeit zwischen den Impulsen zählen kann. Vor diesem initiiert das Signal NTQ1 das Signal 32b, das den Zwischenspeicherzählwert in den Extrapolatorzähler 31 lädt. An diesem Punkt beginnt der Extrapolationszähler 31, rückwärts bis Null zu zählen, getrieben durch den 250 KHz-Takt. Mit der Erzeugung des Signals 43a beginnt die Extrapolationszählung erneut. Mit der Erzeugung des Signals 43a erzeugt die Extrapolationssteuerschaltung 32 einen Impuls, der als der Servoeinrichtungs-Zählwertimpuls 32a bezeichnet ist, der den Positionszähler 36 erhöht. Die Extrapolator-Steuerschaltung 32 erzeugt ferner das Punktabschußsignal 32c, das zu dem Mikroprozessor gekoppelt wird, um eine Kopplung zu dem thermischen Tintenstrahl-Druckkopf (nicht gezeigt) herzustellen. Das Signal 32c, das in Fig. 7c zu sehen ist, ist ein abfallendes Einzelpuls-Signal, das jedesmal erzeugt wird, wenn eine Spalte von Punkten von dem thermischen Tintenstrahl-Druckkopf abgeschossen werden soll. Der Zeitablauf dieses Impulses ist derart, daß es zu jedem negativ verlaufenden Übergang des Signals SENC auftritt, und zu entweder (1) allen extrapolierten Punkten oder (2) nur dem zweiten, abhängig von einem Steuerbit-Signal CBI (Eins für 360 Punkte/Inch oder Null für 180 Punkte/Inch). Das Signal CBI wird abhängig von der Punktabschuß-Dichte, die erwünscht ist, in seinen eine Eins oder eine Null darstellenden elektrischen Zustand gesetzt.
Es gibt ein aktives Aktivierungssignal DENB, das in der Extrapolatorsteuerung 32 geschaffen wird, um das Signal 32c zu steuern. Die Steuerung des Zeitpunkts des Signals 32c, das ist der Zeitpunkt, zu dem das Signal 32c beginnt, wird durch eine Punktabschuß-Aktivierschaltung 37, die einen Rückwärtszählungs-Zeitgeber aufweist, geliefert. Wie in Fig. 7f gesehen werden kann, ist die Schaltung 37 nur aktiviert, um durch das Starttaktsignal SCLK für jeden negativen Übergang des Eingangssignals SENC einmal zu zählen, beginnend mit der Erfassung des Druckbegrenzungsbandes B, (Druckbeginn), auf der Skala. Wenn der Zählwert dieses Zählers in der Punktabschuß-Aktivierschaltung 37 Null erreicht, erzeugt diese ein Signal 37a, das zu dem Zweck des Aktivierens des Punktabschuß-Signals 32c zu der Extrapolatorsteuerung 32 gekoppelt wird. Das Referenzband B, das nochmals in Erinnerung gerufen wird, wird durch einen großen Zählwert in dem Zeitgeberzähler 30 erfaßt, wie durch das Zeitintervall 9 in Fig. 7f gezeigt ist, wodurch ein großer Abstand zwischen den abfallenden Abschnitten des Signals SENC angezeigt wird. Der Ausdruck großer Zählwert, der hierin verwendet wird, bedeutet, daß das Großzählwert-Signal LC auf der Schaltung 8 des Zeitgeberzählers 30, das tatsächlich Bit 9 (Zeit 9) des Zeitgeberzählers ist, in dem höheren seiner zwei elektrischen Zustände ist. Diese Zählwertsituation tritt auf, wenn mehr als 2,05 µs zwischen Impulsen existieren.
Um den Positionszählwert an dem Positionszähler 36 daran zu hindern, sich zu ändern, während die Ausgabe gelesen wird, ist eine Zwischenspeicherschaltung 38 vorgesehen. Der Zählwert in der Zwischenspeicherschaltung 38 wird durch ein Signal von einer Gatterschaltung 39 festgehalten. Die Gatterschaltung 39 wird durch das Servoeinrichtungs-Zählwertsignal 32a und das Ausgangssignal einer bistabilen Schaltung 40, die durch das Signal ENC, das von dem Mikroprozessor erzeugt wird, gesteuert wird, gesteuert. Die Gatterschaltung 39 und die bistabile Schaltung 40 werden durch die 4 MHz getaktet.
Um zu verhindern, daß der Extrapolator bei tiefen Geschwindigkeiten des Wagens (weniger als 3 Inch pro Sekunde (76,2 mm pro Sekunde)) falsche extrapolierte Punkte erzeugt, ist ein Überlaufbit auf dem Zeitgeberzähler 30 vorgesehen, um eine geringe Geschwindigkeit anzuzeigen. Während des Betriebs geringer Geschwindigkeit zählt der Zeitgeberzähler 30 bis zu seinem vollen 10 Bit-Zählwert vorwärts (wird gesättigt) und erzeugt ein Ausgangssignal, das zu einem Überlaufanzeiger gekoppelt wird. Die Ausgabe des Überlaüfanzeigers steuert einen Überlauf zwischenspeicher 42. Die Ausgabe des Überlaufzwischenspeichers 42, der normalerweise unter der Steuerung eines Extrapolations-Aktivierungssignals EE steht, aktiviert das Gatter 43, um das Ausgangssignal RCD des Extrapolatorzählers 31 zu der Extrapolatorsteuerung 32 zu koppeln, wodurch die normale Funktion des Extrapolatorzählers 32 beim Erzeugen des Servoeinrichtungs-Zählwertes 32a für den Positionszähler aktiviert ist. Neben dem Auftreten des Überlaufs jedoch, zu einer solchen Zeit, zu der der Codierer ein Referenzband A, B oder C auf der Skala abtastet, ist das Gatter 43 deaktiviert und die Servoeinrichtungs-Zählung ist unterbrochen. Somit wird diese Überlaufsituation zusammen mit dem Zeitgeberzählerwert zwischengespeichert und hindert den Extrapolator daran, die zusätzlichen Zählwerte zu addieren und die Punktabschußsignale zu erzeugen.
Somit hat das System Kenntnis davon, was geschehen ist und ferner werden als eine Unterstützung beim Testen Signale erzeugt, um die Funktion anzuzeigen, die dann existiert. Folglich liefert das zwischengespeicherte Zeitgeber-Zählwertsignal am Bus 35a, das die einzelnen Signalzustände auf den Schaltungen 2 bis 9 des Periodenzählers am Ausgang der Zwischenspeicherschaltung 35 darstellt, eine Anzeige des Zustandes des Zählers. Eine bistabile Schaltung 44 erzeugt auf einer Schaltung 44a ein Signal, das sich als Reaktion auf das vom Mikroprozessor erzeugte Codierersignal ENC an seinem Rücksetzanschluß auf dem tieferen seiner zwei elektrischen Zustände befindet und das sich als Reaktion auf das Signal LC (Zeit 9) an seinem Setzanschluß auf dem höheren seiner zwei elektrischen Zustände befindet. In dem höheren seiner zwei Spannungszustände zeigt das Ausgangssignal der Schaltung 44a an, daß ein Referenzband A, B oder C auf der Skala erfaßt wurde. Anzeigen des Auftretens eines Überlaufs während des letzten Unterbrechungszyklusses sind durch ein Signal auf Schaltung 45a, das durch eine bistabile Schaltung 45 erzeugt wird, vorgesehen, die zusammen mit der Gatterschaltung 43 ebenfalls durch das Ausgangssignal des Überlauf zwischenspeichers 42 gesteuert ist.

Druckbeginn-Erfassung

Ein Druckbeginn-Erfassungssystem (oder Druckende) liefert eine zuverlässige Referenzposition, auf der der Tintentropfen-Ausstoß oder die -Plazierung basiert. Das Erfassungssystem wird benötigt, da die Meßbegrenzungen in dem Einkanal-Codierer zusammen mit der Sättigung in der Extrapolatorschaltung eine Unsicherheit bei den Positionsinformationen, die allein auf den Daten mit 90 Zählwerten pro Inch basieren, einführen. Das Erfassungssystem umfaßt ein Paar von breiten lichtundurchlässigen Druckbegrenzungsbändern B auf der Codiererskala, wie in der Fig. 4a zu sehen ist, plus einen eine Detektionsschaltung bildenden Teil der Extrapolatorschaltung, der nachfolgend beschrieben ist. Das Druckbeginn-System funktioniert auch als ein Druckende-Detektor.
Funktionell erkennt das Druckbeginn-Erfassungssystem eine Verzögerung in der Periode zwischen den abfallenden Flanken des Codierersignals SENC. Es ist integriert in den Zeitgeberzähler 30, der oben beschrieben worden ist, und arbeitet wie folgt wie in Fig. 8 gezeigt ist, verursacht das Druckbeginn-Band B (Druckbegrenzung) eine ungewöhnlich lange Periode zwischen den abfallenden Flanken (viermal so groß wie normal) des Codierersignals SENC. Der 10 Bit-Extrapolator-Zeitgeberzähler 30 mißt die Periode in Erhöhungen von 1/250,000 Sekunden (4 µs). Normalerweise beträgt bei der Druck-Tropfenausstoß-Geschwindigkeit die Periode etwa 1/90 Inch/16,7 Inch pro Sekunde (0,28 mm/424,2 mm pro Sekunde) oder 665 µs. Dies ergibt einen Zählerwert von 166 (665 µs/4 µs). Da diese Zahl kleiner ist als 2&sup8; (256) sind die zwei höchstwertigen Bits in dem 10 Bit-Periodenzähler typischerweise Null (diese stellen 2&sup8; und 2&sup9; dar), was es ermöglicht, daß höchstwertige Bit des Zählers als den Druckbeginn-Erfassungspunkt zu verwenden, da dieses Bit eine längere Periode als normal anzeigt, wenn es in seinem elektrischen Zustand von Null auf Eins wechselt. Bezugnehmend auf die Fig. 8a, 8b und 8c ist in dem Zeitintervall Cn der normale Zählerwert des Periodenzählers 30 vor dem Druckbeginn-Band einhundertsechsundsechzig. In dem Intervall Cn + 1, welches das Zeitintervall ist, das das Druckbeginn-Band B überspannt, ist zu erkennen, daß die Zeit viermal länger als das Zeitintervall Cn ist. In Form von Zählwertsintervallen stellt dies vierhundertvierundsechzig Zählwerte dar, wobei folglich beobachtet wird, daß die Detektorschwelle von fünfhundertzwölf bequem über dem normalen Zählwert von einhundertsechsundsechzig in einem Zeitintervall Cn liegt und doch leicht von dem Druckbeginn-Band-Zählwert von sechshundertvierundsechzig übertroffen wird. Der Zeitgeberzähler 30 zählt folglich in dem Druckbeginn- oder Druckbegrenzungs-Band B auf seinen maximalen Wert und der 10 Bit-Wert ist für den Mikroprozessor verfügbar. Dies ist die Art und Weise, auf die die Druckbeginn-Erfassung (oder Druckende-Erfassung) unter Verwendung der Druckbegrenzungsbänder B sowohl dem Steuersystem als auch dem Tintentropfen-Abschußsystem mitgeteilt wird. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird diese Ausgabe des Codierers über die Schaltung 14 der Steuerschaltung 4 mitgeteilt und der Bus 15, der als Druckbeginn-Bus von der Steuerschaltung 4 zu dem Mikroprozessor bezeichnet wird, teilt diese Information dem Mikroprozessor mit. Der Mikroprozessor besitzt Kenntnis, daß ein Druckprozeß zu der Zeit, zu der ein Markierungsband B angetroffen wird, stattfindet oder nicht stattfindet. Wenn ein Drucken stattfindet, weiß der Mikroprozessor, daß das Drucken gestoppt werden soll. Wenn kein Drucken stattfindet, weiß der Mikroprozessor, daß ein Drucken begonnen werden soll. Die Druckzyklen werden gleichlaufend mit der ersten fallenden Flanke des Codierersignals SENC initiiert, wenn der Codierer (und der Druckkopf) sich aus einem Druckbegrenzungsband B bewegt, und werden mit der letzten fallenden Flanke des Codierersignals gestoppt, was auftritt, wenn das Markierungsband B von dem Codierer angetroffen wird, wenn dieser das Druckband verläßt und ein Druckbegrenzungsband B antrifft.

Steuergesetz

In Fig. 1 ist der Mikroprozessor als die Schaltkomponente identifiziert, die Steuersignale für den Motor (Busschaltung 3) basierend auf der Druckdateneingabe erzeugt, wobei die Bewegung des Wagens mittels eines Einkanal-Codierers abgetastet und inkremental erfaßt wird. Das Steuergesetz, das vom Mikroprozessor verwendet wird, um die Steuersignale für den Motor zu erhöhen und die Ausgabe des Einkanal-Codierers als Rückkopplung in das Steuersystem einzubauen, wird nachfolgend erörtert, insbesondere bezugnehmend auf Kompensationen, die zusätzlich zu dem Steuergesetz aufgrund von Begrenzungen des Informationsinhalts der Ausgabe des Einkanal-Codierers durchgeführt werden. Es ist hilfreich, das Steuergesetz derart zu betrachten, daß der Bedarf nach Kompensationen und der Charakter der Kompensationen erkannt werden kann. Die Steueralgorithmen sind in Verbindung mit Flußdiagrammen und ferner bezugnehmend auf die Extrapolatorschaltung von Fig. 7 und das Steuersystem von Fig. 1 beschrieben. Die Algorithmen sind typischerweise als gespeicherte Befehle (Firmware) für den Mikroprozessor von Fig. 1 implementiert.
Die Aufgabe des Steuersystems besteht darin, die Geschwindigkeit des Wagens zu steuern, während dieser rückwärts und vorwärts zwischen den Auslenkungsbegrenzungsbändern A auf der Skala und über den gesamten Druckabstand, der zwischen den Druckbegrenzungsbändern B auf der Skala definiert ist, ausgelenkt wird. Insbesondere muß die Geschwindigkeit während des Druckens zwischen den Druckbegrenzungsbändern B innerhalb einer spezifizierten Toleranz konstant sein. Ferner muß der Wagen zwischen den Druckbegrenzungsbändern B und den Auslenkungsbegrenzungsbändern A abgebremst und angehalten und auf die Druckgeschwindigkeit beschleunigt werden. Diese unterschiedlichen Typen der Wagensteuerung können gesamtheitlich als eine gewünschte Position des Wagens bezüglich der Zeit r(t) ausgedrückt werden. Da die Wagen-Geschwindigkeit bzw. -Beschleunigung d²r(t)/dt² ist, sind diese intrinsisch durch die Änderungen der gewünschten Position r(t) bezüglich der Zeit definiert.
Das Steuersystem arbeitet durch Anlegen einer Motorsteuerspannung u(t) an einen Gleichstrommotor, wie z.B. den Motor 9 in Fig. 1, auf eine solche Art und Weise, daß die Wagenposition x(t) der gewünschten Wagenposition r(t) folgt. Es handelt sich um ein getastetes Datensystem, was bedeutet, daß dies zu diskreten, regelmäßig beabstandeten Punkten in Zeiteinheiten der Länge T stattfindet. Aus diesem Grund wird die gewünschte Position r(t), die gleich r(nT) ist, als rn bezeichnet, wobei n eine ganzzahlige Zahl ist. Genauso wird x(nT) als xn bezeichnet und u(nT) als un bezeichnet. Der Steuerprozeß berechnet zuerst eine gewünschte Position r&sub1;. Der Einkanal-Codierer wird gelesen, um die gegenwärtige Wagenposition x&sub1; zu erhalten. Basierend auf dieser Information wird eine Motorsteuerspannung u&sub1; berechnet und an den Motor angelegt. Um T Sekunden später wird der Prozeß wiederholt, was die gewünschte Position, die gegenwärtige Position bzw. die Spannung r&sub2;, x&sub2; und u&sub2; ergibt. Nach n Perioden sind die gegenwärtige Position, die gewünschte Position und die Motorsteuerspannung rn, xn und un. In diesem Fall beträgt die Abtastperiode T 0,005 Sekunden, so daß sich der Prozeß 200 mal pro Sekunde wiederholt. Für ein ordnungsgemäß entworf enes Steuersystem folgt die gegenwärtige Position xn der gewünschten Position rn in einer gesteuerten vorhersagbaren Weise.
Der Mikroprozessor von Fig. 1, der das Steuergesetz implementiert, berechnet die Motorsteuerspannung un basierend auf den Werten der gewünschten Position rn und der tatsächlichen oder gegenwärtigen Position xn. Das Steuergesetz ist nachfolgend definiert:
Un = Kp(rn-xn)-Kv Vn
Vn = (xn-xn-1)/T.
Diese Ausdrücke definieren eine Positionssteuerung mit Geschwindigkeitsrückkopplung. Der Ausdruck (rn-xn) definiert den Unterschied zwischen den gewünschten und tatsächlichen Positionen, oder den Positionsfehler. Dieser Positionsfehler wird mit der Positionsverstärkung Kp multipliziert, um seinen Beitrag zu der Motorsteuerspannung un zu bestimmen. Der Ausdruck Vn ist eine Geschwindigkeitsberechnung basierend auf der Änderung der gemessenen Position über einer Abtastperiode, dividiert durch die Abtastperiode. Dieser wird mit der Geschwindigkeitsverstärkung Kv für seinen Beitrag zur Motorspannung multipliziert.
Dieses Steuergesetz wurde aufgrund mehrerer erwünschter Eigenschaften ausgewählt. Die erste besteht darin, daß die tatsächliche Wagengeschwindigkeit bezüglich der gewünschten Geschwindigkeit ohne stationären Fehler konvergiert. Dies bedeutet, daß die Druckgeschwindigkeit beim Vorliegen von Reibung oder anderen Störungen die gewünschte Geschwindigkeit sein wird. Die zweite ist seine Einfachheit, die vom Standpunkt der Berechnungsbelastung des Mikroprozessors eine hohe Effizienz zur Folge hat.
Die erfindungsgemäßen Verbesserungen liegen in dem Steuersystem zum Steuern des Druckkopfes, durch das dieses Steuergesetz mit dem Einkanal-Codierer funktionsfähig. Es ist offensichtlich, daß die Motorsteuerspannung un zu einem Großteil von der gemessenen Position xn (und xn-1 beim Berechnen der Geschwindigkeitsbestimmung Vn) abhängt. Gibt es bei xn einen bestimmten Fehler, wird beinahe sicher eine falsche Motorsteuerspannung un die Folge sein. Aufgrund der Meßbegrenzungen in dem Einkanal-Codierer von Fig. 2, der hierin verwendet wird, werden auf einer regelmäßigen Grundlage mehrere Fehler eingeführt. Einer ist die Unfähigkeit des Codierers, Signale zu erzeugen, die eine Richtung anzeigen. Dies könnte zur Folge haben, daß eine abnehmende tatsächliche Position xn fälschlicherweise für eine zunehmende gehalten wird. Ein weiterer ist die Überquerung eines Druckbegrenzungsbandes B, was einen Zählwertverlust und einen Fehler beim Bestimmen der tatsächlichen oder gegenwärtigen Position xn bewirkt. Eine dritte Fehlermöglichkeit tritt auf, wenn der Zeitgeberzähler 30 des Extrapolators gesättigt wird, was bewirkt, daß nur ein Zählwert für jede Wagenbewegung von 1/90 Inch (0,28 mm) und nicht vier Zählwerte erzeugt wird. Noch eine weitere Fehlermöglichkeit ist das Überqueren jedes Begrenzungsbandes, bei dem der Einkanal-Codierer das Messen einer Position völlig stoppt, wobei dies in den breiten Wagenbegrenzungsbändern A, B und C der Codiererskala auftritt. Jede dieser Bedingungen erfordert Kompensationen, die durchgeführt werden müssen, um eine glatte Steuerung der Wagengeschwindigkeiten beizubehalten. Diese Einstellungen oder Kompensationen ermöglichen die Verwendung eines Einkanal-Codierers und stellen Schlüsselentwurfsmerkmale bei dem Steuersystem und bei der Firmware dar.

Steuerung der Beinahe-Null-Geschwindigkeit

Wie erwähnt, führt der Einkanal-Codierer bei der Messung der tatsächlichen Position xn bei Geschwindigkeiten, die einer Geschwindigkeit von Null nahe kommen, zwei Fehler ein. Der erste ist das Fehlen von Richtungsinformationen. Bei sehr geringen Geschwindigkeiten ist es möglich, daß der Wagen die Richtung ändert. Der Einkanal-Codierer erzeugt keine Anzeige dieser Richtungsänderung. In diesem Fall würde die tatsächliche Position xn als zunehmend interpretiert werden, während sie tatsächlich abnehmend ist. Dies bewirkt, daß das Steuersystem instabil wird, wobei ein Verlust der Steuerung die Folge ist, da das Steuergesetz keine Möglichkeit besitzt, diese Richtungsänderung zu erkennen. Das zweite Problem ist die Sättigung des Zeitgeberzählers 30 in dem Extrapolator von Fig. 7. Bei Geschwindigkeiten unter 2,7 Inch/- Sekunde (68,6 mm pro Sekunde) tritt ein Überlaufen des 10 Bit-Periodenzähler 30 in dem Zeitintervall zwischen dem Abfallen oder dem Abwärtsbewegen der Flanken des Detektorsignals SENC auf, was bewirkt, daß die Extrapolatorschaltung abschaltet. In dieser Situation ändert sich das Rückkopplungssignal über der Schaltung 15 zu dem Mikroprozessor in Fig. 1 von 360 Zählwerten pro Inch auf 90 Zählwerte pro Inch. Da das Steuergesetz fortfährt, das Rückkopplungssignal als 360 Zählwerte/Inch zu interpretieren, wird der Abfall der Anzahl der Zählwerte als ein Abfall der Wagengeschwindigkeit angenommen. Das Steuersystem antwortet durch das Anlegen einer höheren Spannung, um den Motor zu beschleunigen, um den Wagen zu beschleunigen. Die Geschwindigkeit des Wagens wächst an, bis sie 2,7 Inch/Sekunde (68,6 mm/Sekunde) überschreitet, wobei zu dieser Zeit der Extrapolator beginnt, wieder zu arbeiten, wodurch viermal so viele Zählwerte gesendet werden. Dies führt zu einem starken Abbremsen, bis die Geschwindigkeit unter 2,7 Inch/Sekunde abfällt, wobei an diesem Punkt die oben beschriebene Abfolge wiederum beginnt. Das Ergebnis ist eine höchst unerwünschte Schwingung um eine Geschwindigkeit von 2,7 Inch/Sekunde (68,6 mm/Sekunde) herum. Beide oben genannten Probleme werden gemäß dieser Erfindung vermieden, indem die Wagengeschwindigkeit gänzlich über 2,7 Inch/Sekunde (68,6 mm/Sekunde) gehalten wird. Dies ist nicht möglich, wenn der Wagen zum Stehen gebracht werden muß, entweder am Ende einer Drucklinie oder um in einem Auslenkungsbegrenzungsband für eine andere Auslenkung umgekehrt zu werden. In diesem Fall werden die Probleme vermieden, indem es nicht ermöglicht wird, daß das Steuergesetz normal arbeitet. In diesem Fall wird die Schleife geöffnet, was eine andere Möglichkeit ist, um auszudrücken, daß die tatsächliche Position xn nicht länger als Rückkopplung verwendet wird. Die Details von diesem unterscheiden sich beim Verlangsamen auf einen Stillstand und beim Beschleunigen aus einem Stillstand, so daß sie nachfolgend separat beschrieben werden.

Anhalten

Der Fall des Verlangsamens auf einen Stillstand wird zuerst betrachtet. Dieser tritt in zwei Situationen auf. Die erste ist die Bewegung aus einem codierten Bereich der Skala mit 90 Bändern pro Inch in eines der Wagenauslenkungs-Begrenzungsbänder A oder des Parkbands C, wie in Fig. 4a zu sehen ist. Beim Überqueren dieser Bänder erfaßt der Codierer keine Übergänge, weshalb dort keine Skalenzählwert-Rückkopplung während des Bandüberquerungsintervalls in dem Steuersystem von Fig. 1 existiert. Die andere Situation schließt ein logisches Suchen ein, bei dem aufgrund einer kurzen Zeile oder eines kurzen Drucks dem Wagen befohlen wird, in dem codierten Bereich zwischen Druckbegrenzungsbändern B umzukehren. Die allgemeinen Schritte sind in beiden Fällen die gleichen, um den Wagen zu einem Stillstand zu bringen, jedoch sind die Details unterschiedlich, so daß sie separat beschrieben werden.
Der Fall des Anhaltens in einem Wagenbegrenzungsband A oder einem Parkband C wird zuerst betrachtet. Fig. 9 zeigt das Verfahren, wodurch diese Anhaltefunktion erreicht wird. Die Annäherung wird durch den Einkanal-Codierer signalisiert, wenn der Wagen das zweite Druckbeginn- oder Druckbegrenzungs-Band B auf seinem Weg aus der Druckzone kreuzt. Der Wagen wird von der Druckgeschwindigkeit von 16,7 Inch/Sekunde (424,2 mm/Sekunde) auf etwa 6,7 Inch/Sekunde (170,2 mm/Sekunde) abgebremst. Dies erzeugt eine Skalenzählwert-Frequenz, die weit über der Sättigungs-Skalenzählwert-Geschwindigkeit von 2,7 Inch/Sekunde (68,6 mm/s) des Zeitgeberzählers 30 des Extrapolators liegt, wodurch ein Problem vermieden wird. Der Wagen bleibt auf dieser Geschwindigkeit, bis er das Wagenablenkungs-Begrenzungsband A oder das Parkband C betritt, wie es der Fall sein kann. Dies ist als ein plötzlicher Abfall in den Skalenzählwertsignalen, die von dem Codierer kommen, unmittelbar erkennbar, da in diesen lichtundurchlässigen Zonen keine Skaleneinteilungs-Zählwertsignale erzeugt werden. Hinsichtlich der Steuervariablen, xn, xn-1, usw., fällt die Positionsänderung, die durch den Einkanal-Codierer während einer Abtastperiode gemessen wird, von zwölf Zählwerten, die äquivalent zu 6,7 Inch/Sekunde (170,2 mm/Sekunde) sind, auf null Zählwerte ab. Dies signalisiert der Firmware in dem Mikroprozessor, daß der Codierer ein Begrenzungsband A betreten hat, oder daß das Parkband C betreten wurde. Der Mikroprozessor spricht darauf durch Umgehen der Steuergesetzfunktion und die Operation, den Motor abzuschalten, an, d.h. die Motorsteuerspannung un wird auf Null gesetzt. Der Mikroprozessor wartet nun auf drei aufeinanderfolgende Abtastperioden, oder 0, 015 Sekunden (3 x 0,005 Sekunden), um es dem Wagen zu ermöglichen, in einen Stillstand auszulaufen. Der Motor bleibt ausgeschaltet, bis es Zeit für eine neue Bewegung ist. Dieser Prozeß ist in dem Flußdiagramm von Fig. 9 dargestellt, bei dem die Wagengeschwindigkeit auf 6,7 Inch/Sekunde (170,2 mm/Sekunde) verlangsamt wird, nachdem der Wagen das zweite Druckbeginnoder Druckbegrenzungs-Band B am Ende des Drucks überquert hat. Wenn die Größe (xn - xn-1) gleich Null ist, wird die Motorsteuerspannung für drei aufeinanderfolgende Zeitintervalle T (0,015 Sekunden) auf Null gesetzt. In dieser Situation wird die Motorsteuerspannung auf Null gehalten, bis durch den Benutzer erneut eine Beschleunigung aufgerufen wird. In dem anderen Fall, wenn die Größe (xn - xn-1) nicht gleich Null ist, regelt das Steuergesetz durch das Anlegen der Motorsteuerspannung un. Danach wird eine Verzögerung von 0,005 Sekunden initiiert, bevor wiederum eine erneute Untersuchung des Ausdrucks (xn - xn-1) auftritt. Die Motorsteuerung setzt sich in dieser Situation so lange fort, wie der Ausdruck (xn - xn-1) nicht gleich Null ist. Die Implementierung dieses Algorithmusses oder dieses logischen Konzepts als Firmware in dem Mikroprozessor umgeht das Steuergesetz zu jedem Zeitpunkt, zu dem die Geschwindigkeit gleich Null ist.
Die Verwendung der Wagenbegrenzungsbänder A, B und C ist offensichtlich. Diese werden wie beschrieben ohne weiteres erfaßt und vermeiden die Meßbegrenzungen des Codierers, indem diese wirksam ausgeschaltet werden. Durch Antreiben des Wagens, bis ein Begrenzungsband erfaßt ist, existiert ferner die Sicherheit, daß der Wagen sich innerhalb des Bandes befindet. Das Vorsehen von ausreichend Skaleneinteilungen zwischen den Auslenkungsbegrenzungsbändern A und den Druckbegrenzungsbändern B garantiert, daß es ausreichend Raum für den Wagen gibt, um auf Druckgeschwindigkeit beschleunigt zu werden, bevor er ein Druckbegrenzungsband B am Beginn eines Druckzyklusses überquert, während er sich in die Druckzone bewegt, um das Drucken wieder aufzunehmen. Im Falle des Parkbandes garantiert es, daß der Wagen seine Parkposition erreicht hat.
Fortfahrend mit der Wagenbremssteuerung wird nun das Abbremsen bei einer logischen Suche beschrieben. Der Ausdruck logische Suche bezieht sich auf das Anhalten und Umkehren des Wagens zwischen den Druckbegrenzungsbändern B. Es sei auf Fig. 10 verwiesen. In dieser Situation gibt es kein zu erfassendes Begrenzungsband. Stattdessen wird von dem Mikroprozessor eine Positionsschwelle xls in einer Drucklinie abgerufen. Wenn diese Position erreicht ist, bremst der Druckwagen wiederum von 16,7 Inch/Sekunde (424,2 mm/Sekunde) auf 6,7 Inch/Sekunde (170,2 mm/Sekunde). Wenn der Wagen diese tiefere Geschwindigkeit erreicht, ist der Mikroprozessor wiederum wirksam, um das Steuergesetz zu umgehen, während der Motor durch Zurücksetzen der Motorspannung un auf Null ausgeschaltet wird. In diesem Fall wartet der Mikroprozessor für 5 Zeitintervalle (5 T, 0,025 Sekunden), um es dem Wagen zu ermöglichen, zum Stillstand zu kommen. Wie in Fig. 10 zu sehen ist, fährt der Mikroprozessor fort, den Motor zu steuern, wenn die tatsächliche Position xn nicht größer als die abgerufene Position xls ist, so daß eine Wagenbewegung mit 16,7 Inch/Sekunde (424,2 mm/Sekunde) stattfindet, wenn jedoch die tatsächliche Position xn größer ist als die abgeruf ene Position xls, initiiert der Mikroprozessor ein Abbremsen des Wagens auf 6,7 Inch/Sekunde (170,2 mm/Sekunde). Wie in dem folgenden Entscheidungsblock zu sehen ist, überwacht der Mikroprozessor die Wagengeschwindigkeit und setzt die Beschleunigung fort, bis die Wagengeschwindigkeit 6,7 Inch/Sekunde (170,2 mm/Sekunde) erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Mikroprozessor wirksam, um das Steuergesetz zu umgehen und reduziert die Motorsteuerspannung auf Null. Die Motorsteuerspannung wird für 5 Zeitintervalle (5 T) auf Null gehalten, um zu garantieren, daß der Wagen angehalten wird. An diesem Punkt wird die Polarität der Spannung, die an den Wagen angelegt wird, geändert. Der Beschleunigungsalgorithmus, der nachfolgend (Fig. 11a und 11b) beschrieben wird, wird angewendet, um den Wagen rückwärts zu dem Druckbegrenzungsband B, das gerade überquert wurde, zu bewegen. Sobald das Druckbegrenzungsband erfaßt wird, wird der Bremsalgorithmus in Fig. 9 angewendet. Dies beläßt den Wagen in dem Begrenzungsband A, wobei er auf eine neue Drucklinie wartet.

Beschleunigung

Das Verfahren für die Beschleunigung von der Ruhe zur Druckgeschwindigkeit wird nachfolgend bezugnehmend auf die Fig. 11a und 11b beschrieben. Eine Beschleunigung tritt sowohl beim Verlassen eines Wagenablenkungs-Begrenzungsbandes A oder dem Parkband C als auch beim Anhalten und Umschalten während einer logischen Suche auf. Anders als die verschiedene Steuerlogik für jeden der Bremsfälle ist der Beschleunigungsalgorithmus in beiden Fällen der gleiche.
Wenn er angehalten ist, wie vorher beschrieben wurde, ruht der Wagen, wobei der Motor abgeschaltet ist. Der erste Schritt besteht darin, die Polarität des Motorantriebssignals einzustellen, so daß die Bewegung in die gewünschte Richtung stattfindet. Es sei angenommen, die Motorpolarität wird umgekehrt, was in Fig. 11a als Motorpolarität Einstellen zu sehen ist. Da der Codierer die Richtung der Bewegung nicht erfaßt, muß dies explizit in dem Mikroprozessor durch Multiplizieren des Motorsteuer-Steuerspannungssignals un mit entweder +1 oder -1 geschehen. Dies erzeugt entweder eine Vorwärts- oder eine Rückwärts-Spannung zu dem Motor, wodurch eine Wagenbewegung von links nach rechts oder von rechts nach links bewirkt wird. Diese Polarität der Motorsteuerspannung bleibt wirksam, bis eine weitere Richtungsänderung erwünscht ist, oder in einer kontinuierlichen Druckoperation als Reaktion auf ein Eintreten des Codierers in die Wagenauslenkungs-Begrenzungsbänder A automatisch festgesetzt wird. Sobald die Motorspannungspolarität festgesetzt ist, muß die Motorsteuerspannung an den Motor angelegt werden, um eine Wagenbewegung zu initiieren. Dies geschieht durch Initiieren der gewünschten Positionsreferenz rn in dem Steuergesetz auf einem vorbestimmten Zählwert, angenommen 65 Zählwerte, z.B. (ro = 65), und durch darauffolgendes Steigern der gewünschten Positionsreferenz um 5 Zählwerte (rn = rn-1+5) pro Abtastperiode, in der keine Bewegung erfaßt wird. Durch in Erinnerung rufen des Steuergesetzes als
un = Kp(rn-xn) - Kv(xn-xn-1)/T
ist die Wirkung dieses Verfahrens zu sehen. Bis der Wagen sich zu bewegen beginnt gilt,
xn = xn-1 = 0,
somit
un = Kp (rn-0) - Kv (0-0)/T = Kv (rn) rn = rn-1+5,
so daß eine Spannung von Kp(rn) an den Motor angelegt wird.
Diese Spannung wird pro Abtastperiode (5 Zählwerte pro Abtastperiode T) langsam erhöht. Dadurch ist eine Wagenbewegung sichergestellt, da die Motorsteuerspannung schließlich hoch genug wird, um die Wagenbewegung zu starten, selbst wenn der Motor schwach und die Reibung hoch ist. Andererseits ermöglicht es einen geringen Anfangswert der Spannung, die verwendet werden soll, so daß keine Übersteuerung des Motors in dem Fall eines starken Motors und einer Umgebung geringer Reibung die Folge ist.
Sobald die Wagenbewegung beginnt, ist das Wagenpositions- Zählsignal, xn, nicht länger Null, da der Codierer beginnt, Skalenzählwertsignale zu erzeugen. Dies tritt bei einer logischen Suche schnell auf, da der Wagen einen mit Skaleneinteilungen codierten Bereich der Codiererskala betritt. Andererseits wird es eine Verzögerung geben, wenn sich der Wagen über ein Wagenbegrenzungsband A oder das Parkband C bewegt, bevor ein codierter Bereich betreten wird. In jedem Fall kann die Wagengeschwindigkeit niedrig sein, wenn die ersten Zählwerte auftreten, wobei unter diesen Umständen die Probleme einer Instabilität aufgrund geringer Geschwindigkeit und einer Extrapolatorsättigung existieren. Diese wurden oben erörtert. Diese Probleme können während der Beschleunigung vermieden werden, indem die Wagenpositions-Zählwertesignale Xn in dem Steuergesetz nicht verwendet werden, bis die Wagengeschwindigkeit hoch genug ist, um die zwei Probleme zu vermeiden. Dies geschieht, wie in Fig. 11a zu sehen ist, indem die tatsächliche Position xn gesteuert wird, um gleich Null zu sein, bis ihr Zählwert acht erreicht. Folglich bleibt xn auf Null, wenn der tatsächliche Positionszählwert xn kleiner als acht ist. Die Motorsteuerspannung un wird unter Verwendung des Steuergesetzes von dem Mikroprozessor berechnet. Nach jeder Berechnung der Motorsteuerspannung un wird eine zweite Verzögerung von 0,005 eingeführt und der Zyklus wird, wie in Fig. 11a angezeigt ist, wiederholt, bis der tatsächliche Positionszählwert xn größer als acht ist, was die Überquerung von acht Skaleneinteilungen durch den Wagen und den Codierer in einer Periode T darstellt. Die Geschwindigkeit des Wagens an diesem Punkt wird aus folgender Betrachtung offensichtlich: die berechnete Geschwindigkeit wird aus der Positionsänderung über der abgetasteten Periode bestimmt, oder
Vn = xn-xn-1/T
wobei ein Wert xn-xn-1 = 8 gleich einer Geschwindigkeit von 4,5 Inch/Sekunde (114,3 mm/Sekunde) ist. Bis die Skalenzählwertsignale von dem Einkanal-Codierer erzeugt werden, gilt xn-1 = 0 und somit Vn = xn/T. Wenn der Mikroprozessor einen Wert xn kleiner als acht liest, was den Wert von xn zurücksetzt, um gleich Null zu sein, und was ferner xn-1 = 0 hält. Dies ist in Fig. 11a zu sehen. Solange sowohl xn als auch xn-1 auf Null gehalten sind, ist die Geschwindigkeitsrückkopplung Null und der tatsächliche Wagenpositions-Zählwert hat als Rückkopplung in dem Steuersystem keinen Einfluß, da die Steuerschleife wirksam geöffnet ist:
un = Kp(rn-xn)-Kv(xn-xn-1)/T = Kprn
Wie in Fig. 11a zu sehen ist, wird, wenn xn acht oder größer wird, sein Wert angenommen und die Rückkopplung wird aktiv. Dies wird in Fig. lla aus dem Entscheidungsblock, der mit xn< 8 markiert ist, offensichtlich. Außerdem ist bekannt, daß die Geschwindigkeit hoch genug ist, um Fehler in dem tatsächlichen Positionszählwert xn aufgrund des Einkanal-Codierers zu vermeiden. Auf diese Weise wird die Steuerschleife von Fig. 1 ausschließlich automatisch geschlossen, wenn die Rückkopplung von dem Einkanal-Codierer genau und brauchbar ist.
Das Schließen der Schleife auf diese Art und Weise hat einen Nachteil, der kompensiert werden muß. Die Wagensteuerspannung war in der Abtastperiode, gerade bevor der Skalenzählwert xn für die Rückkopplung verwendet wird, un = Kprn. In der nächsten Periode, wenn das Skalenzählwertsignal Xn verwendet wird, würde die berechnete Spannung wie folgt lauten:
un+1 = Kp(rn+1-xn+1) - Kv(xn+1-xn)/T
Die Wirkung des Einschließens dieser zusätzlichen Terme besteht darin, die Motorsteuerspannung un+1 zu erniedrigen. Dies ist der Fall, da der Ausdruck Kv(rn+1-xn+1) etwa gleich Kv(rn) ist, jedoch nun der Geschwindigkeitsrückkopplungsterm Kv(xn+1-xn)/T abgezogen wird. Dies ist unerwünscht, da ein Spannungsabfall einen Geschwindigkeitsabfall gerade zu der Zeit verursachen wird, zu der es das Ziel ist, zu beschleunigen.
Die Lösung besteht darin, den Positionsfehler rn-xn zu der gleichen Zeit einzustellen, zu der xn in die Steuergesetzschaltungen eingeführt wird. Dies kann durch Hinzufügen der Geschwindigkeitsrückkopplung zu dem Positionsfehler in der Abtastperiode geschehen, in der das Schalten durchgeführt wird. Die Referenz oder die gewünschte Position rn wird in beeinflussender Weise durch einen Betrag erhöht, der gleich der Geschwindigkeitsrückkopplung ist, während diese sich entwickelt:
rn = rn-1 + Kv(xn-xn-1)/T
Dies ist in Fig. 11a zu sehen. Dies hält die Wagenbeschleunigung während des Übergangs vom Betrieb mit offener Schleife zu geschlossener Schleife glatt. Sobald der Übergang durchgeführt ist, wird die Geschwindigkeit gesteuert, indem die gewünschte Position rn profiliert wird. Dies ist in Fig. 11b gezeigt, in der das gewünschte Positionssignal rn rampenmäßig erhöht wird, um eine Motorsteuerspannung un zu ergeben, die den Wagen auf Druckgeschwindigkeit beschleunigt. Der Betrag, um den rn rampenmäßig erhöht wird, basiert auf der Druckgeschwindigkeit. Die Druckgeschwindigkeit ist 30 Zählwerte pro 0,005 Sekunden, so daß rn alle 0,005 Sekunden um 30 Zählwerte gesteigert wird. Bei Druckgeschwindigkeit arbeitet das Steuergesetz normal, um die Motorsteuerspannung un unter Verwendung des Steuergesetzes zu berechnen, wie in Fig. 11b gezeigt ist. In Fig. 11b wird in dem Entscheidungsblock die Wagenbeschleunigungsaufgabe des Steuersystems vollendet, wenn die Druckgeschwindigkeit erreicht wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, wird nach einer Verzögerung von 0,005 Sekunden das Profilieren des gewünschten Positionssignals rn fortgesetzt. Unter Verwendung dieses Signals rn wird eine neue Motorsteuerspannung un berechnet. Dieser Zyklus setzt sich fort, bis die Druckgeschwindigkeit erreicht ist. An diesem Punkt ist die Beschleunigungsphase vollendet und der Beschleunigungsalgorithmus wird verlassen. Der nächste Schritt ist der des Überquerens des Druckbegrenzungsbandes bei einer Druckbeginn-Operation, wie nachfolgend beschrieben wird.

Überqueren des Druckbeginn-Bandes

Die Rolle des Druckbegrenzungsbandes B bei einer Druckbeginn-Operation und die Schaltung für dessen Erfassung wurden beschrieben. Diese Druckbegrenzungs-Bänder oder -Druckköpfe definieren zwischen denselben die Druckzone, in der die Stifte aktiviert werden, um Tintentropfen auszustoßen, und durch dieselbe die Wagengeschwindigkeit konstant gehalten wird. Wie in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben ist, stellen diese Druckbegrenzungsbänder ferner eine Rückkopplungsstörung für die Servoeinrichtung dar, da weniger Zählwerte erzeugt werden, während der Codierer die Bänder überquert. Dies bewirkt, daß der gemessene Positionszählwert xn auf der niedrigen Seite falsch ist. Eine Druckbegrenzungsband-Kompensation für das Steuersystem ist in dem Flußdiagramm von Fig. 12 gezeigt. Indem daran erinnert wird, daß die Wagengeschwindigkeit aus dem Steuergesetz als Vn = (xn-xn-1)/T berechnet ist, wird die Erkenntnis der Tatsache gewonnen, daß der Ausdruck xn-1 gelesen wurde, bevor das Band betreten wurde. Aus diesem Grund ist sein Wert korrekt. Jedoch ist xn, das in dem Band entwickelt ist, künstlich gering. Dies führt zu einem Fehler in der Größe Vn, die ebenfalls auf der geringen Seite ist. Die Servoeinrichtung spricht darauf an, indem versucht wird, die Wagengeschwindigkeit durch Erhöhen der Motorsteuerspannung un zu erhöhen. Dies tritt gerade dann auf, wenn der Druckbereich betreten wird, einem Punkt, an dem die Wagengeschwindigkeit die Druckgeschwindigkeit erreicht haben muß und konstant gehalten werden muß, und die Steuerung der Wagengeschwindigkeit kritisch ist.
Um dies zu kompensieren, muß der Wert von xn, der während des Überguerens des Druckbegrenzungsbandes erhalten wird, eingestellt werden. Zuerst muß die Mikroprozessor-Firmware jedoch erfassen, daß das Druckband betreten wurde. Der Beginn der Druckerfassungsschaltungen, die den Zeitgeberzähler 30 der Extrapolatorschaltung von Fig. 7 einschließen, wird jedoch nicht wirksam sein, bis der Einkanal-Codierer den Großteil des Weges über das Druckbegrenzungsband zurückgelegt hat, was zu spät ist. Sowohl die Erfassung als auch die Kompensation werden durch Verwenden einer variablen Deltaposition, die "Delpos" genannt wird, unterstützt, wobei
Delposn = xn-xn1
Dieser Ausdruck stellt die Änderung der gemessenen Position über einer Abtastperiode dar. Delpos wird jede Periode berechnet, wobei sein Wert außerdem für die nächste Periode gespeichert wird, so daß sowohl Delposn und Delposn-1 verfügbar sind. Delposn-1 ist die Positionsänderung in der vorherigen Abtastperiode. Wie erwähnt wurde, ist die tatsächliche Position xn in der Abtastperiode, in der der Beginn des Druckbandes betreten wird, künstlich gering. Dies gilt auch aufgrund von Delposn, da es unter Verwendung von xn berechnet wird. Durch Vergleichen desselben mit dem vorherigen Wert, ist eine Änderung, die den Beginn des Druckbandes zeigt, zu sehen. Speziell wenn gilt
Delposn-1 - Delposn > 3,
besitzt die Mikroprozessor-Firmware eine Anzeige, daß das Druckbeginn- oder Druckbegrenzungs-Band B betreten wurde.
Dies wird im Entscheidungsblock in Fig. 12 angezeigt. Dies stellt eine gültige Anzeige dar, da eine Änderung dieser Größe während einer Abtastperiode normalerweise nicht geschehen könnte.
Ist das Betreten des Druckbegrenzungsbandes erfaßt, besteht der nächste Schritt darin, den Wert des tatsächlichen Positionszählwertes xn einzustellen. Es ist bekannt, daß die Geschwindigkeit des Druckwagens sehr nahe an der Geschwindigkeit der vorherigen Abtastperiode sein sollte. Daher ist Delposn-1 eine sehr gute Näherung dessen, was die Positionsänderung gewesen wäre, wenn das Druckbeginnband nicht angetroffen worden wäre. Es wird verwendet, um den Wert des tatsächlichen Positionszählwertes xn unter Verwendung des korrekten vorherigen Werts xn-1 einzustellen:
xn = xn-1 + Delposn-1
Unter Verwendung dieses Wertes des tatsächlichen Positionszählwertes xn wird eine neue Motorsteuerspannung un berechnet, wobei das Steuergesetz, wie in Fig. 12 zu sehen ist, verwendet wird. Diese Kompensation wird für 2 Abtastperioden (2T) verwendet, um sicherzustellen, daß das Druckbeginn-Band fließend überquert wird, wobei danach eine Rückkehr zu der normalen Steuerung existiert. Das Steuergesetz, wie es in der Firmware in dem Mikroprozessor implementiert ist, liefert eine Motorsteuerspannung zum Beibehalten einer konstanten Wagengeschwindigkeit auf der Druckgeschwindigkeit über der Druckzone zwischen den Druckbegrenzungsbändern B.
Obwohl die spezifische Implementierung dieser Erfindung unter Verwendung von Vorwärtszählwert- und Rückwärtszählwert-Zählern beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß diese durch Register oder Zähler mit Zählfunktionen, die bezüglich dieser Beschriebenen umgekehrt sind, ersetzt werden können. Außerdem wird angenommen, daß es gleichermaßen offensichtlich ist, daß magnetische oder kapazitive Codierer oder Codierer, die andere physikalische Phänomene verwenden, den beschriebenen optischen Codierer ersetzen können. Weiterhin ist es offensichtlich, daß die Anwendung dieser Erfindung nicht speziell auf Drucker begrenzt ist, sondern vielmehr allgemein bei der Steuerung der Position und Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung eines Bauteils in einer Freiheitsachse verwendbar ist.

Industrielle Anwendbarkeit

Dieses Steuersystem ist allgemein bei der Steuerung eines Bauteils zum Drucken, Zeichnen, Bearbeiten oder einem anderen Zweck in einer Freiheitsachse der Bewegung anwendbar.

Claims

1. Ein inkrementales Positionierungssystem für einen Tintenstrahldrucker (23) mit einem Wagen (24), der in einer Druckachse bewegbar ist, einem Tintenstrahldruckkopf auf dem Wagen, einer Skala (13) in der Achse mit gleichmäßigen Skaleneinteilungen und einem Skalendetektor (12) auf dem Wagen zum Lesen der Skala, das folgende Merkmale aufweist:

ein Steuersystem (2, 4), das mit dem Wagen zur Bewegung des Wagens entlang der Achse gekoppelt ist; eine Einrichtung (1) zum Zuführen inkrementaler Positionsbefehle zu dem Steuersystem, um den Wagen zu bewegen; eine Einrichtung (4), die auf die Ausgabe (14) des Skalendetektors anspricht, wenn dieser sich entlang der Skala bewegt, zum Bilden erster Impulse mit einem Impulszählwert pro Einheitsabstand entlang der Skala, der auf die Anzahl des Skaleneinteilungen pro gleichem Einheitsabstand der Skala bezogen ist, zum Bilden zweiter Impulse mit einem Impulszählwert, der zweimal so groß wie der erste ist, und zum Bilden dritter Impulse mit einem Impulszählwert, der viermal so groß wie der erste ist; eine Einrichtung zum Koppeln der dritten Impulse als Rückkopplung zu dem Steuersystem, wenn die Impulsrate über einer vorbestimmten minimalen Impulsrate ist; und eine Einrichtung zum Koppeln der zweiten Impulse zu der Arbeitselemente-Einrichtung zum Bewirken der Betätigung derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4), die auf die Ausgabe (14) des Skalendetektors anspricht, einen Extrapolator (31, 32) einschließt, der die Auflösung des Skalenzählwertes, der durch den Skalendetektor erzeugt wird, zur Wagensteuerung und zu Druck- oder Zeichen-Zwecken erhöht, und daß der Skalendetektor (12) einen Codierer aufweist, der ein einzelnes logisches Signal (SENC) erzeugt.

2. Ein System gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (4), die auf die Ausgabe des Skalendetektors anspricht, zweite Impulse (32a) mit einem Impulszählwert, der zweimal so groß wie der erste ist, bildet und dritte Impulse (32c) mit einem Impulszählwert, der viermal so groß wie der erste ist, bildet; wobei das System ferner eine Einrichtung (16) einschließt, um die dritten Impulse als Rückkopplung zu dem Steuersystem zu koppeln, wenn die Impulsrate über einer vorbestimmten minimalen Pulsrate ist, und eine Einrichtung (17) zum Koppeln der zweiten Impulse zu dem Tintenstrahldruckkopf, um dessen Betätigung zu bewirken, einschließt.

3. Ein System gemäß Anspruch 2, bei dem die vorbestimmte minimale Impulsrate einer Wagenbewegung von etwa 6,9 cm/Sekunde (2,7 Inch/Sekunde) entspricht.

4. Ein System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Skala (13) gleichmäßig beabstandete Markierungen (13a) aufweist, die sich entlang der Achse erstrecken, und ein Paar von beabstandeten Arbeitsbegrenzungsbändern (B) einer größeren Länge als die Markierungen entlang des Weges aufweist, die eine stationäre Spannung in dem Detektor (12) erzeugen, wobei die Spannung durch das Steuersystem (2) verwendet wird, um Arbeitsbefehle für den Tintenstrahldruckkopf zu liefern.

5. Ein System gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Skala (13) gleichmäßig beabstandete Markierungen (13a) entlang derselben aufweist und ein Paar von beabstandeten Arbeitsbegrenzungsbändern (B) aufweist, von denen jedes eine Abmessung entlang der Skala besitzt, die größer ist als die jeder der Markierungen; und der Skalendetektor (12) eine zeitveränderliche Spannung beim Überqueren jeder Markierung und des Raumes, der benachbart zu derselben ist, sowie eine stationäre Arbeitsbegrenzungs-Spannung bei der Erfassung eines Arbeitsbegrenzungsbandes erzeugt, wobei die stationäre Spannung existiert, während der Detektor in dem Arbeitsbegrenzungsband verbleibt; wobei das System ferner eine Einrichtung aufweist, die auf eine erste stationäre Arbeitsbegrenzungsspannung des Detektors (12) anspricht, während ein erstes der Arbeitsbegrenzungsbänder überquert wird, um eine Arbeitsfunktion des Tintenstrahldruckkopfes bei dem nachfolgenden Auftreten einer zeitveränderlichen Spannung des Detektors zu initiieren, und um die Arbeitsfunktion des Druckkopfes bei einem zweiten Auftreten der stationären Arbeitsbegrenzungsspannung abzuschließen, wenn der Detektor das andere der Arbeitsbegrenzungsbänder erfaßt.

6. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4, die ferner folgende Merkmale aufweist: ein Paar von Auslenkungsbegrenzungsbändern (A) auf der Skala, wobei jedes zwischen einem Arbeitsbegrenzungsband (B) und dem benachbarten Ende der Skala (13) angeordnet ist, und wobei jedes eine Abmessung entlang der Skala aufweist, die größer als die jeder der Markierungen (13a) ist, wobei die gleichmäßig beabstandeten Markierungen (13a) auf der Skala zwischen jedem Arbeitsbegrenzungsband (B) und jedem Auslenkungsbegrenzungsband (A) gleiche Skaleneinteilungen zwischen denselben definieren, und wobei der Detektor eine stationäre Auslenkungsbegrenzungsspannung beim Eintreten in ein Auslenkungsbegrenzungsband (A) erzeugt; und eine Einrichtung in dem Steuersystem (2), die auf das zweite Auftreten der stationären Arbeitsbegrenzungsspannung anspricht, um den Tintenstrahldruckkopf abzubremsen und denselben in dem Auslenkungsbegrenzungsband (ß) als Reaktion auf das Auftreten und das Existieren der stationären Auslenkungsbegrenzungsspannung anzuhalten, wenn der Detektor das Auslenkungsbegrenzungsband erfaßt (A).

7. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner folgende Merkmale einschließt: eine Einrichtung in dem Steuersystem (2), die auf das Vorliegen eines Arbeitsbefehls nach dem Auftreten der stationären Auslenkungsbegrenzungsspannung anspricht, um die Bewegungsrichtung des Tintenstrahldruckkopfes umzukehren; und eine Einrichtung in dem Steuersystem zum Beschleunigen des Tintenstrahldruckkopfes auf eine gewünschte Geschwindigkeit in dem Raum entlang der Skala (13) zwischen dem Auslenkungsbegrenzungsband (A) und dem benachbarten Arbeitsbegrenzungsband (B).

8. Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, die ferner folgende Merkmale einschließt eine Motoreinrichtung (9) zum Treiben des Tintenstrahldruckkopfes, und eine Einrichtung zum Anlegen der zweiten Impulse an den Tintenstrahldruckkopf, wenn dieser innerhalb der Grenzen, die durch die Arbeitsbegrenzungsbänder (B) eingestellt sind, liegt.

9. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei dem die Arbeitsbef ehle den Druckkopf (23) mit einer ersten konstanten Geschwindigkeit entlang der Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Auftreten der stationären Arbeitsbegrenzungsspannung bewegen.

10. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung in dem Steuersystem (2), die auf einen Arbeitsbefehl anspricht, um den Tintenstrahldruckkopf zwischen dem Auftreten der ersten und der zweiten stationären Arbeitsbegrenzungsspannung umzukehren, und um den Druckkopf auf eine zweite Geschwindigkeit abzubremsen, die geringer ist als die erste Geschwindigkeit, und um nachfolgend die Motoreinrichtung (9) für eine vorbestimmte Zeitperiode untätig zu halten.

11. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die ferner folgendes Merkmal einschließt eine Einrichtung in dem Steuersystem (2), die auf die zeitveränderlichen Spannungen anspricht, um beim Auftreten jeder zeitveränderlichen Spannung vier Spannungsimpulse zu erzeugen, wobei die Spannungsimpulse die Motoreinrichtung (9) für die vorbestimmte Zeitperiode untätig halten.

12. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die vorbestimmte Zeitperiode fünf Zeitintervalle aufweist, von denen jedes durch die Zeit zwischen den Spannungsimpulsen bestimmt ist, wenn sich die Druckkopfeinrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt.

13. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung in dem Steuersystem (2), die auf das erste Auftreten der stationären Arbeitsbegrenzungsspannung während der Beschleunigung des Druckkopfes auf eine gewünschte Geschwindigkeit und nach dem Auftreten der zeitveränderlichen Spannung des Detektors (12) anspricht, um die Initiierung der Arbeitsfunktion für eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen der zeitveränderlichen Spannung zu verzögern.

14. Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der der Druckkopf ein thermischer Tintenstrahldruckkopf ist.