DE3117554A1

DE3117554A1 - Positions-kodierer

Info

Publication number: DE3117554A1
Application number: DE19813117554
Authority: DE
Inventors: Douglas James Bonnyrigg Midlothian Scotland Rogers
Original assignee: Ferranti Ltd Cheadle Cheshire; Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1980-05-15
Filing date: 1981-05-04
Publication date: 1982-06-09
Also published as: US4524347A; GB2076147A; DE3117554C2; JPS578408A; FR2482722A1; JPH0128888B2; FR2482722B1; GB2076147B

Description

Ί.

Patentanwälte

Dr. rer. nat. Thomas Berendt

Dr.-Ing. Hans Leyh Innere Wiener Str. 20 - O 8000 München 80

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Ferranti Ltd.

Bridge House, Park Road, Gatley, Cheadie, Cheshire, England

Positions-Kodierer

A 14 481 Ferranti Ltd.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Positions-Kodierer, d.h. Geräte, die einen Ausgang abgeben, der die Position eines Objektes relativ zu einer Bezugsposition anzeigt. Normalerweise werden solche Kodierer zur Anzeige von linearen oder Winkel-Positionen verwendet.

Positions-Kodierer haben gewöhnlich eine von zwei Formen, nämlich den Inkrement-Kodierer, der eine Position durch Zählen der Schritte einer Bewegung von der Bezugsposition aus mißt und daher vollständig auf die gespeicherte Information angewiesen ist. Wenn diese Information verlorengeht, kann die Vorrichtung nicht mehr funktionieren. Ein Inkrement-Kodierer benutzt häufig ein optisches Gitterprinzip, wie z.B. das Prinzip der Moire-Streifen.

Um diese Probleme zu vermeiden, wurde ein absoluter Kodierer entwickelt. Dieser liefert einen Ausgang, der einzig für eine bestimmte Position gilt und daher nicht von gespeicherten Informationen abhängt. Es sind mehrere Ausführungen solcher absoluter Kodierer bekannt, beispielsweise ist eine solche Ausführungsform in der Britischen Patentanmeldung Nr. 7944011 beschrieben.

Kodierer für absolute Positionen haben eine Auflösungsgenauigkeit, die von einer Anzahl von Faktoren abhängt, zu denen die Anzahl der kodierten Spuren gehört, die der Kodierer hat, sowie die Breite des optischen Schlitzes, durch den die Spuren gelesen werden. Es ist schwierig, eine höhere Auflösung als 13 Bit mit bekannten Kodierern dieser Art zu erreichen. Die Inkrement-Kodierer arbeiten durch Zählung der durch die Gitter erzeugten Linien und die mit dieser Technik erreichbare Auflösung ist ebenfalls begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Positions-Kodierer

zu schaffen, dessen Auflösung höher als die bekannter Kodierer dieser Art ist.

Gemäß der Erfindung ist hierzu eine Positionsmeßvorrichtung mit einem konventionellen Positions-Kodierer vorgesehen, ferner ein Skalenelement und ein Index-Element, die zusammen angeordnet sind und zwei periodische Wellenformen in ^-Phasenverschiebung zueinander erzeugen, wobei die periodischen Wellenformen eine Wellenlänge aufweisen, die gleich einer kleinen Verschiebung des Skalen-Elementes ist, einer Schaltung, die auf die Amplituden der periodischen Wellenformen in vorgegebenen Punkten in jedem Zyklus ansprechen, um Fehler zu bestimmen, die in den Wellenformen vorhanden sind und um entsprechende Korrekturen an die Wellenformen zu legen, Dekodierschaltungen, um aus den beiden korrigierten Wellenformen die durch diese repräsentierte Positionsinformation relativ zu jeder Periode der Wellenformen zu bestimmen, ferner Ausgangsschaltungen zum Zusammenfassen der Positionsinformation mit derjenigen, die durch den konventionellen Positions-Kodierer bestimmt worden ist.

Der konventionelle Positions-Kodierer kann ein Inkrement-Kodierer sein, der ein weiteres Skalen-Element und ein weiteres Index-Element aufweist, die eine zyklische Wellenform erzeugen, sowie Schaltkreise zum Zählen der Anzahl der Perioden der Wellenformen von einer Bezugsposition aus.

Alternativ kann der konventionelle Positions-Kodierer auch einen absoluten Kodierer aufweisen, mit einem weiteren Skalen-Element, das eine Anzahl von digital kodierten Spuren trägt, ferner mit einer Anzahl von Leseköpfen, die jeder Spur zugeordnet sind und Schaltungen, die auf die Ausgänge der Leseköpfe ansprechen, um das Vorhandensein von Übergängen in den digital kodierten Spuren festzustellen und die Position der Skala relativ zu einer Bezugsposition zu bestimmen.

Vorzugsweise ist das Skalen-Element mit einem weiteren Skalen-Element des konventionellen Positions-Kodierers kombiniert.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines Positions-Kodierers zeigt.

Fig. 2 zeigt das Skalen-Element der Ausführungsform nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Index-Element zur Verwendung mit dem Skalen-Element nach Fig. 2.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen zusammen eine Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten logischen Schaltung.

Fig. 7 zeigt ein Fließdiagramm, das die Rechnungen darstellt, die durch die Logik nach den Fig. 4, 5 und 6 ausgeführt wurden.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung eines konventionellen Inkrement-Kodierers.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung in Form eines rotierenden Kodierers, bei dem der konventionelle Positions-Kodierer vom absoluten Typ ist.

Das Skalen-Element umfaßt eine Scheibe 10, die auf einer Welle 11 befestigt ist, die in nicht-gezeigten Lagern abgestützt ist. Die Scheibe trägt sowohl digital kodierte Spuren für den absoluten Kodierer und eine Linienspur (line pattern track) für die Erzeugung von zwei periodischen Wellenformen. Nahe bei der Scheibe 10 ist ein Index-Element 12 angeordnet, das an dem Gehäuse der Vorrichtung befestigt ist. Die Scheibe 10 und das Index-Element 12.sind im Detail in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Auf der Seite der Scheibe 10, entfernt vom Index 12 ist eine Anzahl von Lichtquellen 13 angeordnet, um die verschiedenen Spuren auf der Scheibe 10 an sämtlichen erforderlichen Punkten zu beleuchten. Eine Gruppe von photoempfindlichen Geräten ist auf der Seite des Index-Elementes, entgegengesetzt zur Scheibe angeordnet. Die Figur zeigt zwei Gruppen von photoempfindlichen Geräten, wobei jede Gruppe jeweils ein separates Gerät für jede der Spuren auf-

weist. In der Praxis kann eine größere Anzahl von Gruppen verwendet werden, insbesondere für die digital kodierten Spuren des absoluten Kodierers. Jedes photoempfindliche Gerät 14 fängt Licht von einer Quelle 13 auf, das durch die entsprechende eine der Spuren auf der Scheibe 10 hindurchgeht. Die Signalausgänge der Geräte 14 laufen zur Schaltung 15, die später noch beschrieben wird. Der Ausgang der Schaltung 15 stellt die Winkel position der Welle 11 relativ zu einer Bezugsposition dar und er ist allgemein ein paralleler digitaler Mehrfach-Bit-Ausgang.

Fig. 2 zeigt in Ansicht die Scheibe 10, wobei ein Teil jeder der Spuren auf der Scheibe dargestellt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur Teile jeder Spur gezeigt. Die drei inneren Spuren 21, 22 und sind digital kodierte Spuren des absoluten Positions-Kodierers. Diese Spuren können in verschiedener Weise kodiert werden. Eine Methode, wie in der Britischen Patentanmeldung 7944011 beschrieben, besteht darin, die Spuren so zu kodieren, daß sie einen monostitphen Kode haben. Die vierte Spur 24 ist ein einfaches Linienmuster, das sich um die gesamte Scheibe 10 erstreckt. Diese Spur ist als die äußerste Spur dargestellt, sie kann jedoch in der Praxis auch an anderer Stelle der Scheibe angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise ist die Scheibe 10 aus Glas, auf der die klaren und undurchsichtigen Bereiche der Spuren beispielsweise mittels einer photographischen Technik gebildet werden.

Fig. 3 zeigt die Index-Einrichtung 12, die in Verbindung mit der Skala 10 nach Fig. 2 benutzt wird. In der zu beschreibenden Ausführungsform hat jede Spur 21, 22 und 23 vier zugeordnete Leseköpfe. Das Index-Element 12 ist daher mit vier genau angeordneten Schlitzen 31 versehen, die die effektiven Positionen der entsprechenden photoempfindlichen Geräte definieren. Das Index-Element 12 trägt ferner zwei kurze Linienmuster 32, und 33, die dem Linienmuster 24 auf der Scheibe 10 entsprechen. Die Teilung der Linien der Muster 32 und 33 ist dieselbe wie die Teilung der Linien auf der Scheibe 10. Jedes Muster auf dem Index-Element 12 umfaßt

YÖl.

zwei Abschnitte, deren Linien um die halbe Teilung zueinander versetzt sind.

Im Betrieb arbeiten die drei inneren Spuren 21, 22 und 23 zusammen mit ihren zugeordneten Leseköpfen und Schaltungseinrichtungen, um einen digitalen Ausgang zu erzeugen, der die Position der Kodiererscheibe relativ zu einer Bezugsposition anzeigt. Der Ausgang kann beispielsweise eine Zehn-Bit-Zahl sein. Das Linienmuster wird verwendet, um Sinus- und Cosinus-Ausgänge zu liefern, wie sie in konventionellen Inkrement-Kodierern benutzt werden, und diese werden verwendet, um den Ausgang des absoluten Kodierers zu unterteilen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, beispielsweise einen Gesamtausgang in Form einer Sechzehn-Bit-Zahl.

Der absolute Kodierer ist in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben. Allgemein gesprochen, bilden die Spuren zusammen einen monostrophen Kode. Eine der Spuren bildet zwei übergänge und es ist ihr eine Anzahl von Leseköpfen zugeordnet. Die anderen Spuren haben unterschiedliche Zahlen von übergängen und sie können dieselbe oder eine unterschiedliche Anzahl von Leseköpfen aufweisen. Die Ausgänge der Leseköpfe können durch einen Read-only-Speicher dekodiert werden, der jeden einzelnen Ausgang der Mehrzahl der Leseköpfe in eine absolute Position relativ zur Bezugsposition übersetzt.

Die Linienmuster auf der Scheibe 10 und dem Index-Element 12 bilden zusammen zwei konzentrische Spuren, die in dem beschriebenen Beispiel in der Art eines Blenden-Effekts zusammenwirken, um die Lichtmenge zu variieren, die von dem photoempfindlichen Gerät empfangen wird. Die Lichtstärke variiert periodisch und die beiden Ausgänge der photoempfindlichen Geräte, die den beiden konzentrischen Spuren zugeordnet sind, liegen in ^-Phasenverschiebung zueinander. Diese beiden Ausgänge werden in einer noch zu beschreibenden Weise weiterverarbeitet.

Die Technik einer Verwendung von zwei periodischen Signalen neigt zu Fehlern, hauptsächlich infolge von Mängeln der verwendeten Apparatur.

Es gibt vier Hauptfehlerquellen, von denen eine die Gleichstrom-Versetzung (offset) ist. Sie ist eine Folge der periodischen Wellenform, die um ihre Bezugsspannung nicht symmetrisch ist, und sie tritt gewöhnlich infolge von Veränderungen der Verstärkung der photoempfindlichen Geräte auf. Die Verstärkungsfaktoren der beiden Kanäle, die die beiden periodischen Wellenformen verarbeiten, können ebenfalls differieren und dies führt zu Fehlern bei der Verstärkungsänderung. Es besteht ferner die Möglichkeit eines Fehlers bei der Phasenverschiebung bei einem Dekoder mit Welle, wenn die Linienmuster-Spur nicht konzentrisch mit der Drehachse der Scheibe ist. Die vierte Fehlerquelle ist ein Wellenform-Fehler, der entsteht, wenn die periodischen Wellenformen effektiv nicht sinusförmig sind.

Für einen Winkelr-Kodierer können die periodischen Wellenformen allgemein durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

Xs = Ks sin (ß+m)+ds 1)

und Xc = Kc cos(ß-m)+dc 2)

Hierin sind X der Signalwert, K der Spitzensignalwert, ß die Winkelverschiebung in Radianten innerhalb einer Periode der sinusförmigen Wellenformen, m der Phasen-Fehlerwinkel und d der Gleichspannungs-Versetzungsfehler.

Wenn man die wirklich gemessenen positiven und negativen Spitzenwerte der Sinuswelle mit As und Bs bezeichnet und die positiven und negativen Werte der Cosinus-Welle als Ac und Bc, ergibt sich folgender Zusammenhang:

As = Ks + ds 3)

Bs = -Ks + ds 4)

Ac = Kc + dc 5)

Bc = -Kc + dc 6)

Durch Addieren und Subtrahieren der beiden Paare von Spitzenwerten kann man die Werte von Ks, Kc, ds und de berechnen zu:

2ds = As + Bs 7)

2dc = Ac + Bc 8)

2Ks = As - Bs 9)

2Kc = Ac - Bc 10)

Damit können durch Messen der positiven und negativen Spitzen werte der Sinus- und Cosinus-Wellenformen die Verstärkungsfehler und die Gleichspannungsversetzungsfehler berechnet und korrigiert werden.

Die Phasenfehler-Korrektur ist komplexer und sie wird nachfolgend erläutert.

Die Gleichungen 1) und 2) können in folgende Form umgeschrieben werden sin(ß+m) = 11)

^Und Xr Ar

cos(ß-m) = 12)

Wenn man die Gleichungen 7) und 8) in Gleichung 11) einsetzt und die Gleichungen 9) und 10) in Gleichung 12) so ergeben sich folgende Ausdrücke

_{und cos(ß}._m) .

Durch weitere Umformung ergibt sich dann

tin R - ^sin(ß+m) - cos(ß-m) tan m '

' ~ cos(ß-m) - sin(ß+m) tan m

Wenn daher der Wert von tan m bestimmt ist, ist der Wert des Winkels β bekannt, wobei daran erinnert wird, daß ß die Winkelposition innerhalb einer Periode der sinusförmigen Wellenform ist.

Es gibt vier Positionen in einer Periode der sinusförmigen Wellenform, in denen die Verstärkungsveränderung infolge des Phasenfehlers ein Maximum ist. Diese treten auf, wenn

sin(ß+m) = cos(ß-m)
und sin(ß+m) = ~cos(ß-m)sind.

Verwendet man diese Bedingungen so kann man zeigen, daß

_m _ sin(77/4+m) - sin(-tr/4+m)
sin(tt /4+m) + sin(-7T/4+m)

Die wirkliche Bestimmung und Korrektur der Fehler und die Berechnung des Winkels ß erfordert eine komplexe Hardware oder ein geeignetes Software-Programm für einen Prozessor.

Die Fig. 4,5 und 6 gehören in der Reihenfolge Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 4 ... zusammen, d.h. die Ausgänge von Fig. 6 bilden die Eingänge von Fig. 4. Man erkennt, daß die meisten der Schaltungselemente, die in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt sind, sehr einfach sind und hauptsächlich aus Addierschaltungen, Subtrahierschaltungen, Verknüpfungsschaltungen und Modifizierschaltungen bestehen.

In den Fig. 4, 5 und 6 bedeuten die Paare von parallelen Leitungen Mehrfach-Bit-Daten-Hauptleitungen, während die einzelnen Linien Einzel-Bit-Wege bezeichnen. Die Mehrheit der Vielfach-Bit-Leitungen führen sechzehn Daten-Bits in der zu beschreibenden Ausführungsform.

In Fig. 4 sind die beiden photoempfindlichen Geräte SD und CD diejenigen, die Signale von den Sinus- und Cosinus-Abschnitten der Linienspur auf der Kodiererscheibe aufnehmen. Die Ausgänge dieser Geräte laufen durch Strom-Spannungs-Verstärker SA und CA und Analog/Digital-Umformer SAD und CAD. Die Ausgänge dieser beiden Umformer sind entsprechend die Sinusgleichung Xs und die Cosinus-Gleichung Xc, wie oben ausgeführt. Die Sinus- und Cosinus-Kanäle sind identisch, weshalb nur der Sinus-Kanal

- y- a.

im Detail beschrieben wird. Der Ausgang des Analog/Digital-Umformers wird an eine Subtrahierschaltung SS1 gelegt, an derem anderen Eingang der Ausgang eines Addiergerätes SA1 liegt.Der Ausgang des Subtrahiergerätes SS1 geht zu einer Dividierschaltung SD1 als Dividend und der Divisor wird durch den Ausgang einer Subtrahierschaltung SS2 gebildet. Die Eingänge zur Addierschaltung AD1 und Subtrahierschaltung SS2 werden später beschrieben. Der Quotient-Ausgang der Dividierschaltung SD1 bildet einen Eingang zu einer Multiplizierschaltung SM1, deren anderer Eingang das tan m-Signal ist, dessen Herkunft später beschrieben wird. Der Ausgang der Multiplizierschaltung SM1 wird an den Cosinus-Kanal gelegt.

Der Ausgang der Dividierschaltung DV1 bildet ferner einen Eingang einer Subtrahierschaltung ST3, die als anderen Eingang den Ausgang des entsprechenden Cosinus-Kanal es der Multiplizierschaltung CM 1 hat.

Es sind somit vier Mehrfach-Bit-Leitungen von Fig. 4 zu Fig. 5 vorhanden, wobei zwei die Ausgänge der Subtrahierschaltungen SS3 und CS3 entsprechend führen. Die Leitungen führen ferner die digitierten Formen der Sinus- und Cosinus-Basissignale Xs und Xc.

In Fig. 5 geht der Ausgang der Subtrahierschaltung SS3 an drei Schaltkreise SC1, NG1 und SC2. Der Schaltkreis SC1 ist ein Komparator, der nur dann einen Ausgang liefert, wenn sein Eingang numerisch kleiner als Null ist. Der Schaltkreis NG1 ist ein Negier-Kreis, d.h. ein Schaltkreis, der, wenn der Eingang A ist, einen Ausgang -A abgibt. Die MuI tipi ex-Schaltung SC2 hat daher zwei Eingänge, von denen einer der negative des anderen Eingangs ist. Der Schaltkreis SC2 arbeitet derart, daß, wenn das Steuersignal vom Schaltkreis SC1 fehlt, dann ist sein Ausgang derselbe wie der Eingang von der Subtrahierschaltung SS3. Wenn das Steuersignal jedoch vorhanden ist, so ist der Ausgang derselbe wie der Eingang vom Schaltkreis NG1. Die äquivalenten Kreise im Cosinus-Kanal, der Komparator CC1 und die Kreise NG2 und CC2 arbeiten in derselben Weise. Die Ausgänge der Schaltkreise SC2 und CC2 bilden die Eingänge zu

einem Komparator CD3 und einer MuI tipi ex-Schaltung MX. Der Schaltkreis CD3 liefert einen Ausgang, wenn der Eingang vom Sinus-Kanal größer ist als der Eingang vom Cosinus-Kanal. Der Ausgang vom Schaltkreis CD3 bildet einen Signaleingang zur Multiplexschaltung.

Die Multiplex-Schaltung MX hat zwei Vielfach-Bit-Ausgangsleitungen und sie verbindet die Eingänge mit den Ausgängen in einer Weise, die durch das Vorhandensein oder Fehlen des Signaleinganges bestimmt ist. Wenn dieser Eingang vorhanden ist, dann laufen die Eingänge zu den benachbarten Ausgängen, d.h. der Eingang A bildet den oberen Ausgang. Wenn jedoch der Signal eingang fehlt, so wird der Eingang A der untere Ausgang. Die beiden Ausgänge der Multiplexschaltung MX bilden den Eingang zu einer Dividierschaltung DV3, die einen Eingang durch den anderen dividiert. Der Ausgang dieser Dividierschaltung wird an eine Art Nachschlagetabelle gegeben, wie z.B. an einenRead-only-Speicher ROM. Der Ausgang des Speichers ROM wird an einen weiteren Kreis NG3 und an eine Multiplexschaltung CD4 gelegt. Die Negierschaltung NG3 und die Multiplexschaltung CD4 arbeiten in praktisch derselben Weise wie die Schaltungen NGl und SC2, und zwar unter der Steuerung des Ausgangssignales vom Schaltkreis CD3. Wenn daher das Steuersignal fehlt, so ist der Ausgang der Multiplexschaltung CD4 derselbe wie der Ausgang vom Speicher ROM. Wenn das Steuersignal vorhanden ist, so ist der Ausgang von CD4 das Negative des Ausganges des Speichers ROM.

Steuersignale stehen zur Verfugung von den drei Komparatoreinheiten SC1, CC1 und CD3. Diese Signale werden an ein Tornetzwerk gelegt, das drei Tore umfaßt. An ein Ausschiießlich-ODER-Tor G1 sind die Signalausgänge der beiden Komparatoren SC1 und CC1 gelegt. Die Eigenschaft ausschließlich-ODER bedeutet, daß der Torausgang eine "1" ist, wenn einer, aber nicht beide Eingänge eine "1" ist. Der Ausgang vom Tor G1 bildet einen Eingang eines zweiten Ausschiießlich-ODER-Tores G2, dessen anderer Eingang der Ausgang des Komparators CD3 ist. Schließlich ist der Ausgang des Komparators SC1 über einen Inverter G3 an einen Eingang eines UND-Tores G4 gelegt. Der andere Eingang des Tores G4 wird durch das niedrigst-

wertige Bit des 10-Bit-Ausganges des konventionellen Kodierers CPE geliefert, der in diesem Fall ein absoluter Positions-Kodierer ist, und der Ausgang des Tores G4 wird durch einen Addierkreis AD3 dem restlichen 9-Bit-Signal des absoluten Kodierers hinzuaddiert.

Der Ausgang des Schaltkreises CD4 ist ein 7-Bit-Signal und zu diesem werden drei weitere Bits addiert, die von den Ausgängen der Tore G1 und G2 und dem Ausgang des Komparators SC1 erhalten werden. Das resultierende 10-Bit-Signal wird mit dem 10-Bit-Ausgang der Addierschaltung AD3 zusammengefaßt, um ein 19-Bit-Ausgangssignal zu bilden, das die Position darstellt. Das 10-Bit-Signal vom Schaltkreis CD4 und dem Tor-Netzwerk wird außerdem an die Schaltung nach Fig. 6 weitergegeben. Fig. 6 zeigt die drei Dateneingänge, nämlich das ebengenannte 10-Bit-Signal sowie die Xs und Xc Signale von dem Sinus-und dem Kosinus-Kanal der Fig. 4. Das 10-Bit-Signal wird an einen Spitzenpunkt-Detektor PPD gelegt. Dies ist ein Kodierer, der bei einem Eingang, der den Winkel β darstellt, Ausgangssignale während jedes Sinunswellen-Zyklus auf separate Leitungen in Intervallen von T/4 abgibt. Diese Ausgänge werden als Schalt- oder Timing-Signale benutzt.

Das Sinus-Signal Xs läuft durch einen durch-2-dividierenden Kreis DV4, dessen Ausgang an ein Paar Verknüpfungsschaltungen (latches) PL1 und PL2 gelegt wird. Die Schaltung PL1 hat einen Steuereingang, der zu einem spezifischen Zeitpunkt in jeder an den Detektor PPD gelegten Sinuswelle angelegt wird, wobei die Periode 7772 ist. Ebenso hat die Schaltung PL2 einen Steuereingang, der in jeder Periode bei 3T72 auftritt. Die Ausgänge der beiden Verknüpfungsschaltungen bilden die beiden Eingänge zum Addiergerät SA1 und Subtrahiergerät SS2.

In gleicher Weise wird das Xc-Signal über eine Dividierschaltung DV5 an Verknüpfungsschaltungen PL3 und PL4 gegeben, die entsprechend zu den Zeitpunkten 0 und 7rgeschaltet werden und die beiden Eingänge für das Addiergerät CA1 und das Subtrahiergerät CS2 liefern.

Die Ausgänge der beiden durch-2-dividierenden Schaltkreise DV4 und DV5 werden ebenfalls an eine Addierschaltung AD4 und an eine Subtrahierschaltung ST4 gelegt. Der Ausgang der Addierschaltung AD4 wird an zwei Verknüpfungsschaltungen (sample-and-hold latches) L1 und L2 gelegt, die entsprechend zu den Zeitpunkten it/4und 7ττ/4 angesteuert bzw. geschaltet werden, während der Ausgang der Subtrahierschaltung ST4 an Verknüpfungsschaltungen L3 und L4 gelegt wird, die zu den Zeitpunkten &7Γ/4 und 3u/4 entsprechend geschaltet werden.

Die Ausgänge der Schaltungen L2 und L2 werden an eine Subtrahierschaltung ST5 gelegt, deren Ausgang einen Eingang jeweils eines Addiergerätes AD5 und eines Subtrahiergerätes ST7 bildet. In gleicher Weise werden die Ausgänge der Glieder L3 und L4 an eine Subtrahierschaltung ST6 gelegt, deren Ausgang einen zweiten Eingang jeweils der Addierschaltung AD5 und der Subtrahierschaltung ST7 bildet. Die Ausgänge der Addierschaltung AD5 und der Subtrahierschaltung ST7 werden an eine Dividierschaltung DV6 gelegt, deren Ausgang einen der Eingänge, die in Fig. 4 gezeigt sind, bildet.

Nunmehr wird die Arbeitsweise der Logik nach den Fig. 4, 5 und 6 unter Bezugnahme auf das Fließdiagramm der Fig. 7 und unter Bezugnahme auf die Gleichungen beschrieben.

Die photoempfindlichen Geräte SD und CD nach den Fig. 4-7 erzeugen sinusförmige Wellen, die durch die Analog/Digital-Umformer SAD und CAD digitiert werden. Die Ausgänge dieser Umformer sind digitierte Formen der Gleichungen 1) und 2).

Das Addiergerät SA1 hat als Eingänge die Werte As/2 und Bs/2, deren Herkunft noch erläutert wird. Diese werden addiert, um den Wert ds zu bilden, wie in Gleichung 7) gezeigt. Dies ist der Gleichspannungsversetzungsfehler (offset error) der Sinuswelle und er wird von der digitierten Form von Gleichung 1) durch die Subtrahierschaltung SS1 abgezogen. In gleicher Weise addiert die Schaltung CA1 die Werte Ac/2 und Bc/2 um den Wert de zu bilden, d.h. die Gleichspannungsversetzung der Cosinuswelle. Diese wird von der Cosinusfunktion mittels der

Subtrahierschaltung CS1 abgezogen.

Die Subtrahierschaltung SS2 hat als Eingänge die Größen As/2 und Bs/2 und subtrahiert diese, um den Verstärkungsfaktor Ks der Sinuswelle entsprechend Gleichung 9) zu erzeugen. Dieser wird als Divisor in der Dividierschaltung SD1 benutzt, deren Ausgang damit die Sinusfunktion sin(ß+m) darstellt. In gleicher Weise wird der Verstärkungsfaktor der Cosinuswelle bestimmt durch Subtrahieren der Werte Ac/2 und Bc/2 in der Subtrahierschaltung CS2. Die Dividierschaltung CD1 benutzt diesen Wert zur Erzeugung der Cosinusfunktion cos(ß-m).

Gleichung 15) zeigt wie der Wert tan ß aus den Größen sin(ß+m), cos(b-m) und tan m bestimmt werden kann. Die Ableitung von tan m wird später erläutert. Jeder der Werte sin(ß+m) und cos(ß»m), die wie eben erläutert abgeleitet werden, werden durch die Größe tan m in den Multiplizierschaltungen SMI und CM1 multipliziert. Der Ausgang des Sinuskanales der Multiplizierschaltung SM1 wird benutzt als ein Eingang einer Subtrahierschaltung CS3 im Cosinuskanal, deren anderer Eingang der Wert cos(ß-m) ist, womit der Ausgang dieser Subtrahierschaltung der Wert cos(ß-m)-sin(ß+m)tan m ist.

In gleicher Weise bildet der Ausgang des Cosinuskanales der Multiplizierschaltung CM1 einen Eingang der Subtrahierschaltung SS3 im Sinuskanal, deren anderer Eingang sin(ß+m) ist, um einen Ausgang abzugeben mit folgendem Wert

sin(ß+m) - cos(ß-m) tan m.

Aus Gleichung 15) ergibt sich, daß tan ß erhalten werden kann durch Dividieren des Ausganges der Subtrahierschaltung SS3 durch den Ausgang der Subtrahierschaltung CS3. In der Praxis kann jedoch der Wert von ß im Bereich von 0° bis 360 liegen und nur Werte von tan β zwischen 0 und 1 können geeignet in einem Speicher gespeichert werden. Es sind daher Anordnungen vorgesehen, um den Oktanten zu bestimmen, in welchem der Winkel ß 1iegt.

Der Ausgang des Subtrahiergerätes SS3 wird an den Komparator SC1 gelegt, der nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn sein Eingang negativ ist. Der Ausgang des Subtrahiergerätes SS3 bildet ferner den Dateneingang des Schaltkreises SC2, wobei der Ausgang von SC1 den Steuereingang liefert. Wenn von SC1 kein Ausgang vorliegt, d.h. wenn der Eingang von SC1 positiv ist, dann geht der Eingang zur Schaltung SC2 direkt zu deren Ausgang. Wenn das Steuersignal jedoch vorhanden ist, so gibt der Schaltkreis das Negative des Eingangs als Ausgang ab. Die Schaltkreise CCl und CC2 arbeiten in exakt derselben Weise.

Die Ausgänge der Schaltkreise SC2 und CC2 werden beide an den Komparator CD3 und die Multiplex-Schaltung MX gelegt. Der Schaltkreis CD3 liefert einen Steuerausgang nur dann, wenn der Eingang vom Schaltkreis SC2 größer ist als der Eingang vom Schaltkreis CC2. In Abwesenheit des Steuersignales gibt die Multiplex-Schaltung ihre Eingänge an die Dividierschaltung DV3 in der Weise, daß der Ausgang der letzteren die Funktion

sin(ß+m) - cos(ß-m) tan m

cos(ß-m) - sin(ß+rn) tan m darstellt.

= tan ß

Wenn der Steuereingang zur Multiplex-Schaltung vorhanden ist, so kehrt dieser seinen Ausgang um, so daß der Ausgang der Dividierschaltung folgende Funktion darstellt:

cos(ß-m) - sin(ß+m) tan m _ , _R sin(ß+m) - cos(ß-m) tan m ° '

Der Sechzehn-Bit-Datenausgang von der Dividierschaltung DV3 wird an den Read-Only-Speicher ROM gelegt, der alle Werte von ß zwischen 0 und 45° in dem erforderlichen Grad an Genauigkeit mthält, und er gibt in diesem Fall einen parallelen Sieben-Bit-Ausgang. Dieser geht zum Schaltkreis CD4, der einen Steuereingang vom Ausgang des Schaltkreises CD3 hat. Der Schaltkreis CD4 ist so angeordnet, daß wenn der Steuereingang vorhanden ist, daß dann der Eingang direkt zum Ausgang läuft. Wenn der Steuereingang fehlt, so ist der Ausgang das Negative des Eingangs.

Die Steuersignalausgänge der Schaltkreise SC1, CC1 und CD3 laufen durch ein Tornetzwerk, das Tore G1 bis G4 aufweist. Dieses Tornetzwerk bestimmt den Oktanten, in welchem der Winkel β liegt, und der Ausgang der beiden Ausschiießlich-ODER-Tore G1 und G2 und der Ausgang des Schaltkreises SC1 bilden einen binären Drei-Bit-Kode, der den Oktanten anzeigt. Diese drei Bits werden als die drei höchstwertigen Bits mit dem Sieben-Bit-Ausgang des Schaltkreises CD4 kombiniert, wodurch eine 10-Bit-Darstellung des Winkels β erhalten wird.

Der Zweck der vorbeschriebenen Schaltung ist, wie bereits erwähnt, der, die Genauigkeit und das Auflösungsvermögen eines bekannten Kodierers für absolute Positionsbestimmung zu verbessern. Von dem parallelen 10-Bit-Ausgang eines solchen Kodierers wird das niedrigstwertige Bit als ein Eingang zu einem UND-Tor G4 benutzt. Der Ausgang dieses Tores wird an eine Addierschaltung AD3 gelegt, an die die übrigen neun Bits des Kodierers angelegt werden. An das Tor G4 wird ferner das Ausgangssignal des Komparators SC1 über ein Inverter-Tor G3 gelegt. Wenn daher kein Steuerausgang vom Schaltkreis SC1 vorliegt und wenn das niedrigstwertige Bit des Kodiererausganges eine "1" ist, oder beides, dann wird das niedrigstwertige Bit des 9-Bit-Ausganges vom Addiergerät AD3 um "1" erhöht. Zu diesem Ausgang werden die 10 Bits addiert, die den Winkel β darstellen. Dies ergibt einen digitalen 19-Bit-Ausgang, der den endgültigen Kodiererausgang darstellt.

Der 10-Bit-Wert von β wird zu der Schaltung nach Fig. 6 geführt, wo er die Tätigkeit des Spitzenpunkt-Detektors PPD steuert. Dieser Detektor benutzt die Werte von ß, um die verschiedenen Punkte η ff/4 zu erkennen und Steuersignale abzugeben, die an die verschiedenen Verknüpfungsschaltungen angelegt werden.

Die Sinus- und Cosinus-Ausdrucke Xs und Xc werden an die in Fig. 6 gezeigten durch-2-dividierenden Schaltkreise gelegt. Die Ausgänge der Schaltung DV4 werden an zwei Spitzenwert-Schaltungen (latches) PL1 und PL2 gelegt. Die Schaltung PL1 wird zum Zeitpunkt7*72 angesteuert bzw.

geschaltet, d.h. wenn die Sinuswelle ihren maximalen Wert hat. Der Wert sin(ß+m) ist daher 1 und der Spitzenwert ist As/2 (siehe Gleichung 3)). In gleicher Weise wird zum Zeitpunkt 3tT72 der Schaltkreis PL2 geschaltet, der einen Ausgang von Bs/2 abgibt. Die Werte As/2 und Bs/2 werden an die Schaltung nach Fig. 4 gegeben. In gleicher Weise werden die beiden Schaltungen für den Cosinus-Kanal zu den Zeitpunkten 0 und tf angesteuert und liefern die Werte Ac/2 und Bc/2 für Fig. 4.

Der Rest von Fig. 6 befaßt sich mit der Ableitung eines Wertes für tan m. Durch Ansteuern der Verknüpfungsschaltungen (latches) zu den angegebenen Zeiten, können die Ausgänge der Subtrahierschaltungen ST5 und ST6 abgeleitet werden, ausgedrückt in sin(7T/4+m) und sin(-'^J74+m). Der Grund ist folgender:

Der Eingang zu jeder der Schaltungen L1 und L2 ist gegeben durch den Ausdruck

+ cos(ß-mQ/2.

Dieser wird zum Zeitpunkt 7Γ/4 in der Schaltung L1 geschaltet und der Ausgang wird damit

/sin(7r/4+m) + cos(7r/4)J/2.

Die Schaltung L2 wird zum Zeitpunkt 7/774 geschaltet, wodurch folgender Ausgang entsteht

£sin(777/4+m) + cos(7ir/4-m)J/2.

Diese beiden Größen werden subtrahiert und da sin(7/r/4+m) gleich ist dem Wert -sin(/774+m), und cos(7fl/4-m) gleich ist dem Wert cos(?r/4-m), kann der Ausdruck der Subtrahierschaltung ST5 dargestellt werden als sin(7T/4+m).

In gleicher Weise kann gezeigt werden, daß die Schaltungen L3 und L4 zu den Zeiten 577/4 und 3^/4 entsprechend geschaltet werden, wobei dann der Ausgang der Subtrahierschaltung ST6 gegeben ist durch den Ausdruck sin(-7/74+m).

- \y- 2 a-

Die Subtrahierschaltung ST7 subtrahiert die beiden Ausgänge der Subtrahierschaltungen ST5 und ST6, wodurch ein Ausgang entsteht, der gegeben ist durh folgende Gleichung

sin(Tr/4+m) -

In derselben Weise addiert das Addiergerät AD5 die beiden Ausgänge der Subtrahierschaltungen ST5 und ST6, wobei ein Ausgang entsteht, der durch folgende Gleichung gegeben ist
sin(fT/4+m)

Diese beiden Ausgänge werden durch die Dividierschaltung DV6 dividiert, wodurch ein Ausgang entsteht, der tan m, wie oben abgeleitet, darstellt, nämlich

. m _ sin Cw/4+m) - sin(-T>74+m) sin (n74+m) + sin(-^er/4+m

Dies ist der Wert von tan m, der an die Schaltung von Fig. 4 gelegt wird.

Der endgültige Ausgang des Kodierers, der eine Kombination des absoluten und des Inkrement-Kodierers ist, benutzt den Ausgang des absoluten Kodierers zur Bestimmung der bestimmten Sinuswelle, zu der der inkrementell Teil des Kodierers verschoben worden ist. Mit einem Linienmuster, das 512 Sinuswellen rund um eine 360°-Scheibe gibt und mit einem 9-Bit-Ausgang vom absoluten Kodierer ist damit jede Sinuswelle eindeutig identifiziert. Die restlichen 10 Bits der Ausgänge geben den Winkel innerhalb dieser einen Periode der Sinuswelle an, womit ein Ausgang sehr hoher Auflösung erzielt wird.

Die erforderlichen Berechnungen und Korrekturen können auch durch eine andere Logikanordnung als derjenigen nach den Fig. 4, 5 und 6 durchgeführt werden. Ferner kann Fig. 7 als Basis für ein Programm benutzt werden, wenn ein Mikroprozessor zur Durchführung der erforderlichen Operationen verwendet wird.

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Wie oben erwähnt, kann der konventionelle Positions-Kodierer ein Inkrement-Kodierer sein. Die rotierende Ausbildungsform dieses Kodierers umfaßt Skalen und Index-Gitter, von denen jedes ein Muster aus radialen Linien trägt, ähnlich denjenigen, die in der beschriebenen Ausführungsform benutzt werden. Es ist zweckmäßig, ein einzelnes Paar von Gittern zu verwenden, um das Muster für den Inkrement-Kodierer und die beiden periodischen Wellenformen der Erfindung zu liefern. Dies führt zu einer sehr einfachen Form des Kodierers. Die erforderliche Schaltung für den konventionellen Kodierer ist bekannt und sie kann so sein, wie in Fig. 8 dargestellt.

Die Schaltung nach Fig. 8 verwendet als Eingänge die Ausgänge der Verstärker SA und CA in Fig. 4, d.h. die verstärkten Ausgänge von den photoempfindlichen Geräten SD und CD. Diese beiden Signale laufen durch Komperatoren CP1 und CP2. Der Ausgang des Komparators CP2 ist an ein Inverter-Tor IG1 geschaltet und er gibt ferner das niedrigstwertige Bit seines Ausganges an das Tor G4 von Fig. 5. Der Ausgang des Tores IG1 ist an den Eingang eines zweiten Inverter-Tores IG2 gelegt. Der Ausgang des Inverter-Tores IG1 ist ferner an einen Eingang eines UND-Tores AG1 gelegt, während der Ausgang des Tores IG2 an einen Eingang eines zweiten UND-Tores AG2 gelegt ist. Der andere Eingang jedes UND-Tores ist mit dem Ausgang des Komparators CP1 verbunden. Es ist ein reversibler Zähler CTR vorgesehen, dessen aufwärtszählender Eingang mit dem Ausgang des Tores AG1 und dessen abwärtszählender Eingang mit dem Ausgang des Tores AG2 verbunden ist. Der Ausgang des Zählers ist der parallele Mehrfach-Bit-Ausgang, der in Fig. 5 gezeigt ist und an das Addiergerät AD3 gelegt ist.

Im Betrieb sind die Ausgänge der beiden Komparatoren Rechteck-Wellenformen, die um 90° außer Phase sind. Infolge der beiden UND-Tore AG1 und AG2 werden Eingänge an den Zähler CTR nur gelegt, wenn der Sinuswellen-Eingang zum Komparator CP1 positiv ist. Die übergänge der Rechteck-Wellenformen vom Komparator CP2 und ob sie positiv-gehend oder negativ-gehend sind, hängen von der Richtung der Relativbewegung der Skala und der Index-Gitter ab. Damit hängt auch die Richtung der

Zählung des Zählers CTR von der Richtung der Relativbewegung ab.

Nur ein übergang wird in jeder Periode der sinusförmigen Wellenformen erfaßt, infolge der Tätigkeit der Komperatoren, und daher ist die vom Zähler gehaltene Zahl die Summe der Aufwärts- oder Abwärtsimpulse, die an den Zähler von irgendeiner Bezugszeit an angelegt werden.

Die gleichen Prinzipien können für einen linearen Positionskodierer benutzt werden. Im allgemeinen ist es nur erforderlich, die Skala und den Index aus einer rotierenden Form in eine lineare Form zu bringen. Beispielsweise können die Spuren des üblichen absoluten Kodierers geradlinig sein, solange sie sich über den vollen Bereich der Bewegung erstrecken. Die Positionen der Ableseköpfe können längs der Bewegungsachse fixiert sein. Das Linienmuster, von dem die Sinus- und Kosinus-Wellenformen abgeleitet werden, kann auch längs der geraden Skala ausgebildet werden, und es kann in Verbindung mit einem kurzen geradlinigen Index-Element benutzt werden, das ebenfalls ein Linienmuster trägt.

Im Falle eines üblichen Inkrement-Kodierers ist nur das Linienmuster auf dem Skalenelement erforderlich.

Es wurde unterstellt, daß die tatsächlich erzeugten periodischen Wellenformen sinusförmig sind. In der Praxis ist es häufig schwierig, reine sinusförmige Wellen zu erzeugen und die Ausgänge neigen dazu, eine dreieckige Form anzunehmen. Dies kann jedoch durch geeignete Formgebung des Index-Musters eher korrigiert werden, als durch komplexe elektronische Mittel. Methoden zur Durchführung solcher Korrekturen sind jedoch bekannt.

Claims

A 14 481 Ferranti Ltd. Patentansprüche

1. Positions-Meßvorrichtung mit einem konventionellen Positions-Kodierer, gekennzeichnet durch ein Skalenelement und ein Index-Element, die zusammen zwei periodische Wellenformen, die 90° phasenverschoben zueinander sind, erzeugen, wobei die periodischen WeI1enformen eine Wellenlänge haben die gleich einer kleinen Verschiebung des Skalenelementes ist, eine Schaltung, die auf die Amplituden der periodischen Wellenformen an vorgegebenen Punkten in jeder Periode anspricht, um einen Fehler zu bestimmen, der in diesen Wellenformen vorhanden ist und um entsprechende Korrekturen an die Wellenformen zu geben, eine Dekodier-Schaltung, um aus den beiden korrigierten Wellenformen die Positionsinformation relativ zu jeder Periode der Wellenformen zu bestimmen, und durch Ausgangsschaltungen zur Zusammenfassung der Positionsinformation mit derjenigen, die durch den konventionellen ■ Positions-Kodierer bestimmt worden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der konventionelle Positions-Kodierer einen Inkrement-Kodierer aufweist, mit einem weiteren Skalenelement und einem weiteren Indexelement, die zusammen eine periodische Wellenform erzeugen, daß ferner Schalteinrichtungen vorgesehen sind, um die Anzahl der Perioden der Wellenform von einer Bezugsposition aus zu zählen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konventionelle Positions-Kodierer einen absoluten Kodierer aufweist, mit einem weiteren Skalenelement, das eine Vielzahl von digital kodierten Spuren trägt, ferner einer Anzahl von Leseköpfen, die jeder Spur zugeordnet sind, sowie Schalteinrichtungen, die auf die Ausgänge der Leseköpfe ansprechen, um das Vorhandensein von übergängen in den digital kodierten Spuren festzustellen und die Position des Skalenelementes relativ zu einer Bezugsposition zu bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Skalenelement und das weitere Skalenelement zusammengefaßt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung von zwei periodischen Wellenformen eine weitere Spur auf dem Skalenelement und eine hiermit zusammenwirkende Spur auf einem Indexelement umfaßt, das relativ zum Skalenelement beweglich ist, und daß die weitere Spur und die hiermit zusammenwirkende Spur jeweils ein Linienmuster aufweisen, und daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die auf die Linienmuster ansprechen, um die periodische!Wellenformen zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Spur auf dem Skalenelement eine Lichtquelle und ein photoempfindliches Gerät vorgesehen sind, die zusammenwirken, um Änderungen des Lichtes, das durch die Spur hindurchgeht, festzustellen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dekodierschaltung einen Speicher aufweist, der alle Werte der Verschiebung innerhalb einer Periode einer periodischen Wellenform enthält, sowie Einrichtungen, um aus diesem Bruchteil auf die vollständige Periode der Wellenform zu extrapolieren, um dadurch ein Signal zu erzeugen, das die Verschiebung innerhalb dieser Periode aufgrund eines Eingangssignales angibt, das eine Funktion dieser Verschiebung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher einen Read-Only-Speicher umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, wobei eine Winkel verschiebung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Skalenelement eine Scheibe aufweist, die eine Vielzahl von konzentrischen Spuren trägt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, wobei eine lineare Verschiebung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Skalenelement einen Streifen aufweist, der eine Vielzahl von linearen Spuren trägt.