DE68915814T2

DE68915814T2 - Weg-/Geschwindigkeits-Messverfahren und Vorrichtung.

Info

Publication number: DE68915814T2
Application number: DE68915814T
Authority: DE
Inventors: Kunio Miyashita; Shigeki Morinaga; Hiroshi Sugai; Yasuyuki Sugiura; Mitsuru Watabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2009-03-04
Also published as: EP0331189B1; DE68915814D1; JPH01224621A; US4922175A; EP0331189A3; EP0331189A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Position/Geschwindigkeit eines bewegten Körpers und eine Vorrichtung für diesen Zweck.
Obwohl nachfolgend der "bewegte Körper" durch Rotationsmotoren, linear bewegte Stellelemente, etc. repräsentiert wird, sind im Konzept des "bewegten Körpers" auch Vorrichtungen inbegriffen, die Rotationsmotoren, linear bewegte Stellelementen, etc. ähnlich sind. In einem weiten Begriff umfassen die diesen ähnlichen Vorrichtungen vorwärts und rückwärts bewegte Tische und Drehtische in Werkzeugmaschinen, Arme und Drehelemente von Robotern und ähnliches.

BESCHREIBUNG DES BEKANNTEN STANDS DER TECHNIK

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Erfassung der Position und Geschwindigkeit eines bewegten Körpers bekannt, die einen Zwei-Phasen-Encoder verwenden, der so aufgebaut ist, daß er die relative Position eines bewegten bzw. beweglichen Körpers in bezug auf einen feststehenden Körper erfaßt und in Abhängigkeit von der relativen Position ein periodisches Zwei-Phasen-Signal erzeugt.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der EP-094 986 A1 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird die Ausgabe des Encoders mit der zweiphasigen Ausgabe eines Signalgenerators verglichen.
Auf der Grundlage des Ergebnisses dieses Vergleichs wird die Phase des Generatorsignals geändert, um die verglichenen Signale identisch zu machen. Diese Änderung wird durch Impulse gesteuert, die von einem Oszillator erzeugt werden, wobei diese Impulse auch verwendet werden, um einen Zähler zu erhöhen oder zu verringern, der die Position angibt, die gemessen werden soll.
Mit einer derarigen Vorrichtung kann eine Position innerhalb eines Intervalls, das der Signalperiode des Encoders entspricht, genau gemessen werden.
Das US-Patent 4,621,224 (das der EP-A-0 162 268 entspricht) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positions- und/oder Geschwindigkeitserfassung, wobei die Werte der zweiphasigen periodischen oder rechteckigen Wellen, die als vorbestimmte Trägerwellen dienen, mit einem festgelegten Wert, beispielsweise einer Nullspannung, verglichen werden, so daß die Impulssignale an den Nulldurchgangsstellen der Wellen erzeugt werden. Die Impulssignale sind in einer Speicherschaltung gespeichert. Die genau geschätzte Position zwischen den Impulssignalen wird mittels der analogen Werte der periodischen Wellen erfaßt.
Nach dem US-Patent 4,621,224 wird die Erfassung einer Position zwischen den Impulssignalen von einem Beobachter durch Interpolationssteuerung oder Vorhersagesteuerung durchgeführt. Es ist dementsprechend schwierig, eine absolute Position zu erfassen. Es wird nämliech jeweils ein "High-" bzw. "Low-" Signal erzeugt, wenn sich die periodische Welle über bzw. unter einem Null-Durchgangswert befindet. Da die periodische Welle einen analogen Wert hat, wird sie verändert, wenn sie von Rauschen überlagert wird. Wenn daher ein nahe am Null-Durchgangswert gelegener Abschnitt der periodischen Welle von Rauschen überlagert wird, werden unterschiedliche unerwünschte Impulse erzeugt, und das Ausgabesignal schwankt. Aus diesem Grund wird durch Vergleich der periodischen Welle mit Referenzwerten (+eh, -eh) anstelle des Null-Durchgangswerts eine Hysterese eingeführt, und wenn die zunehmende periodische Welle größer wird als +eh oder die abnehmende periodische Welle kleiner wird als -eh, wird ein "High-" bzw. ein "Low-" Signal des rechteckigen Originalsignals erzeugt. Wenn der absolute Wert der Differenz zwischen +eh und -eh auf einen Wert gesetzt ist, der größer ist als der Betrag des Rauschens, wird jede Signalschwankung unterdrückt und eine präzise Messung der grob geschätzten Position wird erreicht.
Wenn jedoch die Hysterese auf den festgelegten Wert angewendet wird, stimmt die Position der Erzeugung des Impulses zur Erfassung der grob geschätzten Position nicht immer mit der genau geschätzten Position überein. Dadurch wird die Position, insbesondere die erfaßte genau geschätzte Position, unstetig.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, bei dem eine genau geschätzte Position genau erfaßt werden kann, ohne daß eine Diskontinuität beim Erfassen der genau geschätzten Position auftritt, obwohl die Hysterese auf einen Referenzwert angewendet wird, um die Rauschunempfindlichkeit zu steigern, und eine Vorrichtung, die geeignet ist, dieses Verfahren anzuwenden, zu schaffen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das Positionserfassungsverfahren folgende Schritte: Vergleich einer der beiden zweiphasigen periodischen Wellen mit einem vorbestimmten Referenzwert mit Hysterese, um dadurch eine grob geschätzte Position für jede halbe Periode der periodischen Welle zu erhalten; Analog/Digital-Umwandlung der zweiphasigen periodischen Wellen und Null-Durchgangswert für jede Erfassungsperiode, um dadurch eine genau geschätzte Position zu erhalten, und Erfassen der Position des bewegten Körpers auf der Grundlage der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position während der Korrektur eines Fehlers aufgrund der Hysterese am Ausgangspunkt der grob geschätzten Position durch Verwendung des Verhältnisses zwischen der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Erfassungsforrichtung: einen bewegten bzw. beweglichen Körper; einen Positionsdetektor zur Erzeugung einer zweiphasigen periodischen Welle mit einer Phasenverschiebung von einer Viertelperiode entsprechend der Position des bewegten Körpers; eine Wellenverarbeitungsschaltung zum Vergleichen einer der beiden von dem Positionsdetektor erfaßten zweiphasigen periodischen Wellen mit einem vorbestimmten Referenzwert für jede halbe Periode dieser periodischen Welle und zur Erzeugung eines zu der grob geschätzten Position gehörigen Ausgangssignals, wenn diese periodische Welle mit dem Referenzwert übereinstimmt, und zur Erzeugung von zwei, positiven und negativen, Verschiebungsimpulssignalen aus den zweiphasigen periodischen Wellen zum Erfassen der Richtung der Verschiebung des bewegten Körpers; einen Auf-/Ab-Zähler zum Hinauf- und Hinunterzählen der zwei, positiven und negatifven, Verschiebungsimpulssignale, um dadurch eine grob geschätzte Position des bewegten Körpers für jede halbe Periode einer der zweiphasigen periodischen Wellen zu erfassen; eine Schaltung für die genau geschätzte Position zur Analog/Digital-Umwandlung der zweiphasigen periodischen Wellen und eines Nullwerts für jede Abtastperiode, um dadurch eine genau geschätzte Position zu erfassen; eine Schaltung für die absolute Umfangsposition zur Initialisierung des Auf-/Ab-Zählers zur Auswahl einer Ursprungsabschnittsnummer und zur Erfassung einer absoluten Umfangsposition auf der Grundlage der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position zum Initialisierungszeitpunkt; eine Positionskorrekturschaltung zur Korrektur der Position auf der Grundlage der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers und der absoluten Umfangsposition; eine Schaltung für die grob geschätzte Position zur Korrektur von Fehlern in der grob geschätzten Position aufgrund der Wellenverarbeitung durch die Wellenverarbeitungsschaltung und der Verschiebungsimpulszählung durch den Auf-/Ab-Zähler auf der Grundlage der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers und der Ausgabe der Positionskorrekturschaltung; und eine Positionsermittlungschaltung zur Ermittlung der Ausgabe der Schaltung für die grob geschätzte Position und der Ausgabe der Schaltung für die genau geschätzte Position zum Erfassen der Position des bewegten Körpers.
Die Hysterese verhindert Schwankungen der Verschiebungsimpulssignale. Andererseits dient die Positionskorrekturschaltung zur Korrektur des durch die Hysterese verursachten Meßfehlers der grob geschätzten Position. Dementsprechend kann eine genaue Position erfaßt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Positionserfassungsvorrichtung als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erklärung des Prinzips eines Verfahrens zum Erfassen einer absoluten Umfangsposition;
Fig. 3 ist eine Zeitdiagramm, das das Prinzip des Positionserfassungsverfahrens zeigt;
Fig. 4 ist eine Darstellung zur Erklärung des Prinzips der Positionerfassung, wobei die Position aus einer grob geschätzten Position und einer genau geschätzten Position bestimmt wird;
Fig. 5 ist eine Zeitdiagramm für die auf die grob geschätzte Position und die genau geschätzte Position bezogene Positionserfassung;
Fig. 6 ist die Darstellung einer Tabelle von tan θf;
Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm für den Fall, daß die Positionskorrektur nicht erfolgt, wenn der Verschiebungsimpuls verzögert ist;
Fig. 8 ist eine Darstellung einer Bewertungstabelle für die Positionskorrektur;
Fig. 9 ist eine Darstellung der Korrekturwerte;
Fig. 10 und 11 sind Ablaufdiagramme der Software und
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, wobei Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Positionserfassungsvorrichtung als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; Fig. 2 eine Darstellung zur Erklärung des Prinzips eines Verfahrens zum Erfassen einer absoluten Umfangsposition ist; Fig. 3 ein Zeitdiagramm ist, das das Prinzip des Positionserfassungsverfahrens zeigt; Fig. 4 eine Darstellung zur Erklärung des Prinzips der Positionerfassung ist, wobei die Position aus einer grob geschätzten Position und einer genau geschätzten Position bestimmt wird; Fig. 5 ein Zeitdiagramm für die auf die grob geschätzte Position und die genau geschätzte Position bezogene Positionserfassung ist; Fig. 6 eine Darstellung einer Tabelle von tan θf ist; Fig. 7 ein Zeitdiagramm für den Fall ist, daß keine Positionskorrektur erfolgt; Fig.8 eine Darstellung ist, die eine Bewertungstabelle für die Positionskorrektur zeigt; Fig. 9 eine Darstellung der Korrekturwerte ist; und Fig. 10 und 11 Ablaufdiagramme der Software sind.
Der grundsätzliche Aufbau der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Bevor der Aufbau der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 7 das erfindungsgemäße Prinzip der Positionerfassung erläutert.
In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Positionsdetektor zur Erzeugung zweiphasiger periodischer Wellen gleicher Form, wobei die Phasen um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Wellenverarbeitungsschaltung (Wellenformungsschaltung) zur Erzeugung eines Ausgangssignals ea' in Form einer Rechteckwelle und von Verschiebungsimpulssignalen T&sub1; und T&sub2; in dem auf einen festgelegten Wert ec Bezug genommen wird. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Auf-/Ab-Zähler zum Hinauf- bzw. Herunterzählen auf der Grundlage der Verschiebungsimpulssignale T&sub1; und T&sub2;. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Abtastschaltung zur Erzeugung einer Abtastperiode. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Halteschaltung zum Halten der Ausgabe θr des Auf-/Ab-Zählers auf der Grundlage der Ausgabe der Abtastschaltung. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Abtast-Halte-Schaltung zum Halten von Abtastwerten ea und eb der mit der Ausgabe der Abtastschaltung synchronisierten Ausgabesignale (Ausgangssignale) eA und eB des Positionsdetektors. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Rampensignal-Erzeugungsschaltung zur Erzeugung eines Rampensignals während einer Abtast-Halte-Periode. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen von Abtast-Halte-Werten mit dem Rampensignal zur Erzeugung einer A-Phasen-Impulsbreite, einer B-Phasen-Impulsbreite und einer Nullwert-Impulsbreite. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Zeitgeber zum Messen der jeweiligen Impulsbreiten. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Analog/Digital-Wandler, der die Vergleichsvorrichtung 8 und den Zeitgeber 9 umfaßt. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Schaltung für die grob geschätzte Position zum Multiplizieren der Ausgabe der Halteschaltung zum Ermitteln einer grob geschätzten Position θsu. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Schaltung für die genau geschätzte Position zur Berechnung von tan θi aus Ta, Tb und Tc zum Ermitteln einer genau geschätzten Position θs1. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Positionsermittlungschaltung zum Addieren der genau geschätzten Position θs1 zu der grob geschätzten Position θsu. Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweise der Positionserfassungsvorrichtung zeigt. In Fig. 5 werden die Ausgangssignale des Positionsdetektors als periodische Sinuswellen mit zwei Phasen, d.h. einer A-Phase und einer B-Phase, ausgegeben. Wenn die Bewegungsrichtung des Drehkörpers positiv ist, erzeugt die Wellenverarbeitungsschaltung 2 am Durchgangspunkt des A-Phasensignals durch einen bestimmten Wert ec einen Verschiebungsimpuls T&sub1;. Wenn hingegen die Bewegungsrichtung negativ ist, erzeugt die Wellenverarbeitungsschaltung 2 am Durchgangspunkt des A-Phasensignals durch einen bestimmten Wert ec einen Verschiebungsimpuls T&sub2;. Der Auf-/Ab-Zähler 3 zählt entsprechend den Impulssignalen T&sub1; und T&sub2; auf- oder abwärts. Die Ausgabe θru des Auf-/Ab-Zählers 3 wird zu einem Zeitpunkt t(n-1) des in Fig. 5 durch das Bezugszeichen 1 bezeichneten Abtastsignals durch die Halteschaltung 5 gesperrt. Anschließend wird die Ausgabe θr von der Schaltung 11 für die grob geschätzte Position in ein Signal θsu für die grob geschätzte Position umgewandelt. Das Signal für die grob geschätzte Position wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
θsu = θr x Ksu ... (1)
In der Gleichung (1) ist Ksu eine Konstante.
Das Abtastsignal erzeugt, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Halteperiode Th und eine freie Periode Tf. An dem durch das Bezugszeichen 1 bezeichneten Halte-Startpunkt t(n-1) wird der Wert θ des Auf-/Ab-Zählers durch die Halteschaltung gesperrt und als Ausgabe θr der Halteschaltung ausgegeben. Andererseits werden die Ausgangssignale des Positionsdetektors am Halte-Startpunkt t(n-1) in Form der Abtastwerte ea, eb und ec durch die Abtast-Halte-Schaltung 6 gehalten. Die Abtastwerte ea, eb und ec stellen jeweils das A-Phasensignal, das B-Phasensignal und den bestimmten Wert dar.
Das Rampensignal wird positiv und negativ in der Abtast-Halte-Position Th erzeugt. Während der Abtast-Halte-Position Th vergleicht die Vergleichsvorrichtung 8 das Rampensignal mit den Abtastwerten ea, eb und ec, um dadurch jeweils eine A-Phasen-Impulsbreite, eine B-Phasen-Impulsbreite und eine Nullwert-Impulsbreite zu bilden. Der Zeitgeber 9 mißt durch Bezugnahme auf das Taktimpulssignal eines Computers diese Impulsbreiten genau, um Ta, Tb und Tc zu ermitteln. Die Vergleichsvorrichtung 8 und der Zeitgeber 9 können durch einen verfügbaren Analog-/Digital-Wandler 10 mit der Doppelfunktion der Vergleichsvorrichtung und des Zeitgebers ersetzt werden. Die Schaltung 12 für die genau geschätzte Position führt die folgende Operation aus:
Ea = K&sub2; (Ta - Tc) ... (2)
Eb = K&sub2; (Tb - Tc) ... (3)
θf = K&sub1; tan&supmin;¹ ( Ea / Eb ) ... (4)
In der Gleichung (4) ist K&sub1; eine Konstante. Die Gleichung (4) ist auf den Bereich von Ea x Eb < 0 anwendbar.
θf = K&sub1; tan&supmin;¹ ( Eb / Ea ) ... (5)
Die Gleichung (5) ist auf den Bereich Ea x Eb > 0 anwendbar. Da für die Durchführung der Gleichungen (4) und (5) viel Zeit erforderlich ist, werden die Gleichungen (4) und (5) durch die folgenden Gleichungen ersetzt.
In der Gleichung (6) ist Ka eine Konstante.
Andererseits wird tan θf mit der Gleichung (7) berechnet.
Xi = tan θf x Kf ... (8)
In der Gleichung (8) ist Kf eine Konstante. Die Xi-Daten werden, wie in Fig. 6 gezeigt, in einer Tabelle gespeichert, so daß die Adresse θs1, bei der Xi mit Y übereinstimmt, als genau geschätzte Position verwendet wird. Die wirkliche Position θs wird mit der folgenden Gleichung aus der grob geschätzten Position θsu und der genau geschätzten Position θs1 errechnet.
θs = θsu + θs1 ... (9)
Fig. 7 ist eine Zeitdiagramm für die Positionserfassung. Wenn auf der Grundlage des Ausgangssignals e&sub1; des Positionsdetektors der Verschiebungsimpuls T&sub1; erzeugt wird, wird der Verschiebungsimpuls T&sub1; gegenüber dem Ausgangssignal um die Phase θ&sub1; verzögert, da der Verschiebungsimpuls T&sub1; von der Hysterese -eh, -eh beeinflußt wird. Der Verschiebungspunkt der grob geschätzten Position wird zudem gegenüber dem Verschiebungsimpuls um die Meßperiode Td verzögert. Die genau geschätzte Position θs1 ist mit dem Nullpunkt einer Phase des Ausgangssignals des Positionsdetektors synchronisiert. Dementsprechend ist die Position θs während der Periode θh + Td unstetig. Es ist erforderlich, den unstetigen Abschnitt zu ermitteln, um die grob geschätzte Position θsu zu korrigieren.
Aufgrund der vorliegenden Erfindung kann wie oben beschrieben die Position ermittelt werden.
Im folgenden wird die Erfindung unter hauptsächlicher Bezugnahme auf Fig. 1 genauer beschrieben.
In den Figuren 1 bis 4 beziehen sich die Bezugszeichen 1 bis 14 jeweils auf die gleichen Teile. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 15 eine Schaltung für die Nummer des Ursprungsabschnitts zur Bestimmung der Nummer des Ursprungsabschnitts im Ausgangsstadium vom Zeichen des Ausgangssignals des Positionsdetektors an. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Schaltung für die absolute Umfangsposition zur Bestimmung der absoluten Umfangsposition während des Vorgangs ab dem Zeichen des Ausgangssignals des Positionsdetektors. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Schaltung für die Erfassung der genau geschätzten Position zur Ermittlung der Signale Ea und Eb aus der Ausgabe des Zeitgebers 9 mit Hilfe der Gleichungen (2) und (3) und zur Ermittlung eines Signals Y mit Hilfe der Gleichungen (6) und (7). Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Schaltung für die Initialisierungsanweisung zur Initialisierung des Auf-/Ab-Zählers 3 im Ausgangsstadium und zur Bestimmung des Status der Schaltung 15 für die Nummer des Ursprungsabschnitts.
In Fig. 1 werden zu Beginn von dem Positionsdetektor 1, der dazu dient, zweiphasige periodische Wellen zu erzeugen, die um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind, die Ausgangssignale eA und eB erzeugt. Der Positionsdetektor 1 kann beispielsweise von einem Drehencoder gebildet werden, der mit einem bewegten Körper verbunden ist, beispielsweise einem Drehkörper wie einem Motor oder ähnlichem. Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, vergleicht die Wellenverarbeitungsschaltung 3 die Größen der beiden Signale im Bezug auf den festgelegten Wert ec durch Verwendung einer Vergleichsvorrichtung mit der Hysterese ±eh, um auf diese Weise, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Ausgangssignal ea' in Form einer Rechteckwelle zu erhalten. Aufgrund der Hysterese wird das Ausgangssignal ea' in Form einer Rechteckwelle bezüglich des Schnittpunkts des festgelegten Werts ec und des Ausgangssignals eA des Positionsdetektors um θh verzögert. Synchron mit dem Steigen bzw. Fallen des Ausgangssignals ea' in Form einer Rechteckwelle wird ein Verschiebungsimpuls T&sub1; oder T&sub2; erzeugt. Die Erzeugung des Verschiebungsimpulses T&sub1; oder T&sub2; hängt mit der Verschiebungsrichtung des Drehkörpers zusammen. Wenn sich der Drehkörper in eine positive Richtung bewegt, wird der positive Verschiebungsimpuls T&sub1; erzeugt. Bewegt er sich in eine negative Richtung, wird der negative Verschiebungsimpuls T&sub2; erzeugt. Der Auf-/Ab-Zähler 3 zählt entsprechend dem Verschiebungsimpuls T&sub1; bzw. T&sub2; auf- oder abwärts. Die Zeitverzögerung Td im bezug auf den Verschiebungsimpuls wird jedoch von dem Auf-/Ab-Zähler 3 verursacht. Die Ausgangssignale eA und eB des Positionsdetektors 1 werden zum Zeitpunkt t(n-1) (siehe Fig. 5) von dem Ausgangsignal der Abtastschaltung gehalten. Anschließend vergleicht die Vergleichsvorrichtung 8 die Schaltung 7 zur Erzeugung eines Rampensignals mit den Abtast-Halte-Werten ea, eb und ec, um auf diese Weise eine A-Phasen-Impulsbreite, eine B-Phasen-Impulsbreite und eine C-Phasen-Impulsbreite zu bilden. Diese Impulsbreiten Ta, Tb und Tc werden vom Zeitgeber 9 gemessen. Die Schaltung 17 für das Erfassen den genau geschätzten Position berechnet unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) Ea und Eb mit Vorzeichen. Ferner berechnet die Schaltung 17 für das Erfassen den genau geschätzten Position unter Verwendung der Gleichungen (6) und (7) Y. Die Schaltung 12 für die genau geschätzte Position berechnet das Signal θs1 für die genau geschätzte Position mit Hilfe der Gleichung (8) aus Xi und Y, indem sie die Werte Xi aus der Tabelle in Fig. 6 mit Y vergleicht und die Tabellenadresse als Wert für θs1 verwendet. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben, stimmen der Verschiebungspunkt des Auf-/Ab-Zählers θru und der Nullpunkt des Signals θs1 der Schaltung für die genau geschätzte Position nicht überein. Daher ist die vorliegende Erfindung so aufgebaut, daß die Übereinstimmung zwischen dem aus der Ausgabe θru des Auf-/Ab-Zählers 3 gewonnenen Ausgangssignal θr der Halteschaltung und dem Nullpunkt des Signals θs1 der Schaltung für die genau geschätzte Position durch Verwendung der Schaltung 15 für die Nummer des Ursprungsabschnitts, der Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition, der Schaltung 17 zur Erfassung der genau geschätzten Position, der Positionskorrekturschaltung 11, der Schaltung 12 für die grob geschätzte Position und der Positionsermittlungschaltung 13 herbeigeführt werden kann.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
Zunächst wird ein Verfahren zur Bestimmung der Nummer eines Ursprungsabschnitts beim Start des Drehkörpers beschrieben.
Wenn der Positionsdetektor 1 anhält, führt die Schaltung 18 für die Initialisierungsanweisung die Initialisierung (auf den Nullwert setzen) des Auf-/Ab-Zählers 3 und die Initialisierung der Schaltung 15 für die Nummer des Ursprungsabschnitts durch. Die Nummer des Ursprungsabschnitts m&sub0; sei 1, wenn das Signal eA, wie in Fig. 2 gezeigt, zum Initialisierungszeitpunkt positiv ist, m&sub0; sei dagegen 0, wenn das Signal eA, wie in Fig. 2 gezeigt, zum Initialisierungszeitpunkt negativ ist. Wird nun davon ausgegangen, daß m&sub0; = 1, dann wird der Auf-/Ab-Zähler 3 initialisiert, wenn eA positiv ist. Wenn eA positiv ist, wird die Ausgabe T&sub5; der Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition in binärer Notation durch zwei signifikante Bits "00" ausgedrückt. Wenn eA negativ ist, wird die Ausgabe T&sub5; der Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition in binärer Notation durch zwei signifikante Bits "01" ausgedrückt. Wird andererseits davon ausgegangen, daß m&sub0; = 0, dann wird der Auf-/Ab-Zähler 3 initialisiert, wenn eA negativ ist. Wenn eA positiv ist, wird die Ausgabe T&sub5; der Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition in binärer Notation durch zwei signifikante Bits "01" ausgedrückt. Wenn eA negativ ist, wird die Ausgabe T&sub5; der Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition in binärer Notation durch zwei signifikante Bits "00" ausgedrückt. Das Verhältnis zwischen dem Signal T&sub5; für die absolute Umfangsposition und der zum Zeitpunkt der Initialisierung bestimmten Ausgabe m&sub0; der Schaltung für die Nummer des Ursprungsabschnitts ändert sich während des Vorgangs nicht. Die Erfassung des Zeichens eA wird durch das Zeichen der Ausgabe Ea der Schaltung 17 für die Erfassung der genau geschätzten Position durchgeführt.
Im folgenden wird das Erfassungsverfahren während der Operation des Drehkörpers beschrieben.
Die Ausgabe θru des Auf-/Ab-Zählers 3 wird durch die Halteschaltung 5 auf der Grundlage des Ausgabesignals der Abtastschaltung 4 gesperrt, so daß die Halteschaltung 5 θr aussendet. Die Phasenverteilung von θru ist in bezug auf das Ausgangsignal des Positionsdetektors, wie in Fig. 3 gezeigt, ab dem Durchgang des Signals eA durch das Signal des festgelegten Werts ec um θh + Td verzögert. Fig. 3 zeigt den Fall, daß zum Zeitpunkt der Initialisierung die Ausgabe der Schaltung für die Nummer des Ursprungsabschnitts m&sub0; = 1. Die Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition bestimmt für jede Abtastperiode aus der Ausgabe ea der Schaltung 17 zur Ermittlung der genau geschätzten Position, ob das Ausgangssignal eA positiv ist oder nicht. Andererseits wird die Ausgabe m&sub0; der Schaltung für die Nummer des Ursprungsabschnitts von der Schaltung 16 für die absolute Umfangsposition getrennt, um dadurch, wie in Fig. 2 gezeigt, die absolute Umfangsposition T&sub5; zu erfassen. Die Positionskorrekturschaltung 19 berechnet mit Hilfe der folgenden Gleichung die Differenz T&sub6; aus der Ausgabe θr der Halteschaltung 5 und der absoluten Umfangsposition T&sub5;.
T&sub6; = θr - T&sub5; ... (10)
Die Differenz T&sub6; wird durch 2 geteilt und der Rest wird ermittelt. Das Signal T&sub7; für den Positionskorrekturwert wird aus diesem Rest ermittelt.
Im folgenden wird das Verfahren zur Erfassung des Positionskorrekturwerts T&sub7; beschrieben. Da in binärer Notation die beiden niedrigeren Bits von T&sub5; signifikant sind, sind die beiden niedrigeren Bits von T&sub6; signifikant. Fig. 8 zeigt eine Bewertungstabelle für die Korrektur aufgrund der beiden niedrigen Bits von T&sub6;. Wenn der Wert von Bit 0 von T&sub6; "0" ist, zeigt das Bit "keine Korrektur" an. Wenn der Wert von Bit 0 von T&sub6; "1" ist, zeigt das Bit "Korrektur" an.
Dies ist eine Bewertung, ob T&sub6; ohne Rest durch 2 teilbar ist oder nicht. Wenn der Wert von Bit 1 von T&sub6; "0" ist, zeigt das Bit "positive Korrektur" an. Wenn der Wert von Bit 1 von T&sub6; "1" ist, zeigt das Bit "negative Korrektur" an. Fig. 9 zeigt die Ergebnisse der Positionskorrekturwerte T&sub7;, die aus den Werten der beiden niedrigen Bits von T&sub6; ermittelt wurden. Der Wert von T&sub6; aus den beiden Bits von T&sub6; kann die Werte 0, 1, 2 oder 3 annehmen, so daß der Wert von T&sub7; 0, 1, 0 oder -1 wird. Die Schaltung 11 für die grob geschätzte Position korrigiert die grob geschätzte Positon aus der Ausgabe θr der Halteschaltung und T&sub7;.
θr = θr + T&sub7; ... (11)
Das Signal θsu für die grob geschätzte Position wird durch Einsetzen von θr in die Gleichung (1) gebildet. Die Positionsermittlungschaltung 13 bildet mit Hilfe der Gleichung (9) ein Positionssignal θs. In Fig. 3 werden das Signal θsu für die grob geschätzte Position und das Signal θs1 für die genau geschätzte Position als analoge Signale ausgedrückt.
Bei diesem Vorgang können die von der Punkt-Strich-Linie umgebenen Abschnitte 10 und 14 durch einen Mikrocomputer ersetzt werden.
Im folgenden wird die Softwareverarbeitung duch einen Mikrocomputer beschrieben. Die Softwareverarbeitung wird hauptsächlich in Initialisierungsprozedur und Positionserfassungsprozedur unterteilt. Fig. 10 zeigt die Initialisierungsprozedur. Diese Prozedur wird zum Startzeitpunkt der Hardware oder entsprechend den Erfordernissen der Initialisierung gestartet. In Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Schritt zum Starten der Abtastschaltung 4 zur Durchführung von Vorbereitungen für die Erzeugung und Erfassung der jeweiligen Signale. Das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Schritt des Erteilens einer Initialisierungsanweisung. Das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen Schritt des Initialisierens des Auf-/Ab-Zählers. Das Bezugszeichen 104 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln der Nummer des Ursprungsabschnitts m&sub0; auf der Grundlage der Erfassung der genau geschätzten Position. Das Bezugszeichen 105 bezeichnet eine Rückmeldungs-Unterroutine zur Rückmeldung des Status an die Hauptprozedur. In Fig. 11 bezeichent das Bezugszeichen 201 einen Schritt zum Ermitteln von θr aus den Ausgangssignalen eA, eB und ec des Positionsdetektors und der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers. Das Bezugszeichen 202 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln des Zeichens der Ausgabe Ea der Schaltung 17 für das Erfassen der genau geschätzten Position. Das Bezugszeichen 203 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln der absoluten Umfangsposition aus der mit Hilfe der Initialisierungsprozedur und Ea ermittelten Nummer des Ursprungsabschnitts m&sub0;. Das Bezugszeichen 204 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln des Positionskorrekturwerts T&sub7; aus der Ausabe θr der Halteschaltung und der absoluten Umfangsposition T&sub5;. Das Bezugszeichen 205 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln der grob geschätzten Position θsu aus der Ausabe θr der Halteschaltung und dem Positionskorrekturwert T&sub7;. Das Bezugszeichen 206 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln von Y aus der Schaltung 17 für das Erfassen der genau geschätzten Position mit Hilfe der Gleichungen (6) und (7) und zum dementsprechenden Ermitteln von θs1 aus der Tabelle für tan θf, wie in Fig. 6 gezeigt. Das Bezugszeichen 207 bezeichnet einen Schritt zum Ermitteln des Positionssignals θs durch das Zusammenführen der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position mit Hilfe der Gleichung (9).
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform. Wenn die an den festgelegten Wert ec angelegte Hysteresespannung ±eh wie in Fig. 3 gezeigt zu klein ist, wenn Rauschen oder ähnliches das in dem im vorhergehenden beschriebenen Aufbau der Vorrichtung durch den Positiongenerator erzeugte Ausgangssignal überlagern, werden Schwalnkungen und Betriebsfehler verursacht, wenn vom Positionsdetektor die zwei, positiven und negativen, Verschiebungsimpulssignale zum Erfassen der Verschiebungsrichtung des bewegten Körpers gebildet werden. Daher ist in dieser Ausführungsform eine separate Hystereseschaltung 20 vorgesehen. Durch die Hystereseschaltung 20 können Fehler vermindert werden, so daß eine genaue Erfassung erwartet werden kann.
Obwohl die im vorhergehenden beschriebene Ausführungsform den Fall gezeigt hat, bei dem die grob oder die genau geschätzte Position in bezug auf eine Phase der zweiphasigen periodischen Wellen für jede halbe Periode geschätzt wird, kann die Erfindung für den Fall angewendet werden, bei dem die grob oder die genau geschätzte Position in bezug auf die Phasen der zweiphasigen periodischen Wellen für jede Viertelperiode erfaßt werden kann.
Wie oben beschrieben umfaßt das erfindungsgemäße Positionserfassungsverfahren, das einen bewegten Körper und einen Positionsdetektor zum Erzeugen zweiphasiger periodischer Wellen mit einer Phasendifferenz von einer Viertelperiode aufweist, wobei die Position des bewegten Körpers auf der Grundlage der von dem Positionsdetektor erzeugten zweiphasigen periodischen Wellen erfaßt wird, folgende Schritte: Vergleichen einer der beiden periodischen Wellen mit einem vorbestimmten Referenzwert mit Hysterese, um dadurch eine grob geschätzte Position für jede halbe Periode dieser periodischen Welle zu ermitteln; Analog-Digital-Umwandlung der zweiphasigen periodischen Wellen und eines Null-Durchgangswerts für jede Abtastperiode, um dadurch eine genau geschätzte Position zu ermitteln; und Erfassen der Position des bewegten Körpers auf der Grundlage der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position während der Korrektur eines Fehlers aufgrund der Hysterese am Startpunkt der grob geschätzten Position durch Verwendung des Verhältnisses zwischen der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position. Um das oben beschriebene Verfahren umzusetzen, umfaßt die Vorrichtung: eine Schaltung für die absolute Umfangsposition zum Initialisieren des Auf-/Ab-Zählers, zur Wahl einer Nummer des Ursprungsabschnitts und zum Erfassen einer absoluten Umfangsposition auf der Grundlagen der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position zu einem Initialisierungszeitpunkt; eine Positionskorrekturschaltung zur Positionskorrektur auf der Grundlage der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers und der absoluten Umfangsposition; eine Schaltung für die grob geschätzte Position zur Korrektur von Fehlern bei der grob geschätzten Position aufgrund der Wellenverarbeitungsschaltung und aufgrund der Verschiebungimpulszählung durch den Auf-/Ab-Zähler auf der Grundlage der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers und der Ausgabe der Positionskorrekturschaltung; und eine Positionsermittlungschaltung zur Ermittlung der Ausgabe der Schaltung für die grob geschätzte Position und der Ausgabe der Schaltung für die genau geschätzte Position, um dadurch die Position des bewegten Körpers zu erfassen. Dementsprechend können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
Wenn der Positionsdetektor zur Erzeugung der zeiphasigen periodischen Wellen gleicher Form, insbesondere mit Phasen, die um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind, verwendet wird, und anschließend die Ausgangssignale des Positionsdetektors wellenverarbeitet oder wellengeformt werden, kann das Schwanken bei der Erzeugung der Verschiebungsimpulse durch aktive Verwendung einer Hysterese verhindert werden. Dementsprechend können Betriebsfehler verringert werden, obwohl mehr oder weniger Rauschen vorhanden ist.
Andererseits treten Meßfehler auf, da durch die Hysterese eine zeitliche Verzögerung bei der Erzeugung des Signals für die grob geschätzte Position verursacht wird. Nach der vorliegenden Erfindung kann die Kontinuität zwischen der grob geschätzten Position und der genau geschätzten Position durch Erfassen der Meßfehler und deren Korrektur beibehalten werden. Zudem kann eine genaue und hochauflösende Positionserfassung erreicht werden.
Wie oben beschrieben, können nach der vorliegenden Erfindung die relative Position und die relative Geschwindigkeit eines bewegten Körpers, beispielsweise eines sich in der Relation drehenden Körpers oder eines relativ und linear bewegten Körpers, mit hoher Genauigkeit und mit hoher Auflösung fehlerfrei gemessen werden.
Das Konzept des "relativ bewegten (rotierenden) Körpers" umfaßt einen bewegten Körper, der sich relativ zu einem anderen, feststehenden Körper bewegt. Diese bewegten Körper sind im technischen Rahmen der vorliegenden Erfindung enthalten.

Claims

1. Positionserfassungsverfahren unter Verwendung eines beweglichen Körpers, der sich bezüglich eines feststehenden oder beweglichen Körpers bewegt, und eines Positionsdetektors (1) zur Erzeugung zweiphasiger, periodischer Wellen, die eine Phasendifferenz haben, die kleiner als eine Periode ist, entsprechend der relativen Bewegungsposition des beweglichen Körpers, wodurch auf der Grundlage der vom Positionsdetektor erzeugten zweiphasigen periodischen Wellen die Position des beweglichen Körpers erfaßt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Vergleichen zumindest einer der zweiphasigen periodischen Wellen mit einem vorbestimmten Referenzwert, um dadurch eine grob abgeschätzte Position für jede Periode zu gewinnen, die 1/4 oder 1/2 der Länge der Periode der einen periodischen Welle ist,

Abtasten der zweiphasigen periodischen Wellen und der Nulldurchgangswerte innerhalb eines Abtastzeitraums,

Analog-Digital-Wandlung der zweiphasigen periodischen Wellen und eines Nulldurchgangswerts für jede Abtastperiode, um dadurch eine genau abgeschätzte Position zu erhalten, und

Erfassen der Position des beweglichen Körpers auf der Grundlage der grob abgeschätzten Position und der genau abgeschätzten Position, dadurch gekennzeichnet, daß

der vorbestimmte Refernezwert beim Vergleich mit einer der zweiphasigen periodischen Wellen mit einer Hysterese versehen wird und daß,

einem Positionsdetektor (1) zum Erzeugen zweiphasiger, periodischer Wellen, die entsprechend der Position des beweglichen Körpers eine Phasendifferenz kleiner als eine Periode haben,

einer Wellenverarbeitungsschaltung (2) zum Vergleichen zumindest einer der zweiphasigen periodischen Wellen, die vom Positionsdetektor stammen, mit einem vorbestimmten Referenzwert für jede 1/2 oder 1/4 Periode der einen periodischen Welle und zum Erzeugen eines Ausgangsignals einer grob abgeschätzten Position bei Übereinstimmung der verglichenen periodischen Welle(n) und des Referenzwerts, und zum Bilden von zwei, positiven und negativen Verschiebungsimpulssignalen aus den zweiphasigen periodischen Wellen zur Erfassung der Richtung der Verschiebung des beweglichen Körpers, einem Auf-/Ab- Zähler (3) zum Auf- bzw. Abwärtszählen der zwei, positiven und negativen Verschiebungsimpulssignale, um dadurch eine grob abgeschätzte Position des beweglichen Körperszu erfassen,

einer Abtast-Halte-Schaltung (6) zum Halten von Abtastwerten der zweiphasigen periodischen Wellen und des Nulldurchgangswerts innerhalb einer Abtastperiode,

einer Schltung (12) für die genau abgeschätzte Position zur Analog-Digital- Wandlung der Abtastwerte für jede Abtastperiode, um dadurch eine genau abgeschätzte Position zu erfassen,

einer Schaltung (16) für die absolute Umfangposition zum Initialisieren des Auf- /Ab-Zählers zum Auswählen einer Ursprungsabschnittsnummer und zum Erfassen einer absoluten Umfangposition auf der Grundlage der grob abgeschätzten Position und der genau abgeschätzten Position zum Initiationszeitpunkt.

dadurch gekennzeichnet, daß

die Wellenverarbeitungsschaltung (2) dazu ausgelegt ist, den vorbestimmten Referenzwert beim Vergleich mit einer der zweiphasigen periodischen Wellen mit einer Hysterese zu versehen, und

wenn die Position des beweglichen Körpers auf der Grundlage der grob abgeschätzten Position und der genau abgeschätzten Position erfaßt wird, ein sich aufgrund der Hysterese am Nulldurchgangspunkt der grob abgeschätzten Position ergebender Fehler mittels Verwendung der Beziehung zwischen der grob abgeschätzten Position und der genau abgeschätzten Position korrigiert wird.

2. Positionserfassungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz zwischen den zweiphasigen periodischen Wellen 1/4 Periode ist.

3. Positionserfassungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide der zweiphasigen periodischen Wellen mit dem vorbestimmten Referenzwert verglichen werden und daß eine grob abgeschätzte Position für jede Periode, die halb so lang wie die Periode der periodischen Welle ist, genommen wird.

4. Positionserfassungsverfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übereinstimmung des/der verglichenen Werte(s) mit dem Refernezwert ein positiver oder negativer Verschiebungsimpuls entsprechend der Richtung der Bewegung erzeugt wird, und daß eine vorbestimmte Phasenverzögerung zwischen dem Verschiebungsimpuls und dem Nullwert des genau abgeschätzten Positionssignals durch die Hyterese erzeugt wird.

5. Positionserfassungsverfahren mit:

einem beweglichen Körper

daß sie eine Positionskorrekturschaltung (19) aufweist zum Korrigieren der Position auf der Grundlage der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers und der absoluten Umfangsposition,

eine Schaltung (11) für eine grob abgeschätzte Position zur Korrektur von Fehlern in der grob abgeschätzten Position, die durch die in der Wellenverarbeitungsschaltung vorgenommene Wellenverarbeitung hervorgerufen wurden, auf der Grundlage der Ausgabe des Auf-/Ab-Zählers und der Ausgabe der Positionskorrekturschaltung, und einer Positionsermittlungsschaltung (13) zum Zusammenführen der Ausgabe der Schaltung für die grob abgeschätzte Position und der Ausabe der Schltung für die genau abgeschätzte Position, um dadurch die Position des beweglichen Körpers zu erfassen.

6. Positionserfassungsverfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz zwischen den zweiphasigen periodischen Wellen 1/4 Periode beträgt.

7. Positionserfassungsverfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenverarbeitungsschaltung (2) dazu ausgelegt ist, jedes der zweiphasigen periodischen Signale mit dem Referenzwert zu vergleichen und für jede Halbperiode der einen periodischen Welle ein Ausgangssignal über eine grob abgeschätzte Position sowie ein Verschiebungssignal zu erzeugen.