DE10104855A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils - Google Patents

Abstract

Die sich entsprechend der Drehbewegung ändernde Codeinformation einer zwei unterschiedliche Zustände aufweisenden Codescheibe soll auf einfache Weise und zuverlässig bestimmt werden. DOLLAR A Die Codescheibe weist eine einzige Informationen tragende Codespur auf, die in äquidistante Bereiche mit einem ersten Teilbereich mit dem ersten Zustand und einem zweiten Teilbereich mit dem zweiten Zustand unterteilt ist. Mindestens drei Detektoren erfassen die Zustände der Codespur, wobei durch mindestens zwei unmittelbar nebeneinander angeordnete Detektoren die Taktinformation als Zustandsübergang vom Zustand des zweiten Teilbereichs zum Zustand des ersten Teilbereichs erfaßt und bei einem Zustandsübergang durch mindestens einen Detektor die Codeinformation als Zustand in der Mitte mindestens eines der Bereiche erfaßt wird. Durch Auswertung von anhand der Codeinformation einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Bereiche gebildeten Codeworten wird der Drehwinkel des rotatorischen Teils bestimmt. DOLLAR A Verfahren zur Bestimmung des Lenkradwinkels von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der DE 195 32 903 A1 bekannt ist.

In vielen Anwendungsgebieten, insbesondere im Kfz-Bereich, in der Automatisie­ rungs-, Meß-, Steuerungs- und Übertragungstechnik oder im Werkzeugmaschinen­ bereich, muß der Drehwinkel und damit die Winkelposition von Drehbewegungen ausführenden Teilen bestimmt werden. Bei Kraftfahrzeugen beispielsweise ist für viele Anwendungsfälle der Lenkradwinkel bzw. die Lenkradposition als Maß für die Stellung des Lenkrads hilfreich bzw. unerläßlich, insbesondere zum Betrieb von Fahrdynamiksystemen (beispielsweise adaptive Dämpfungssysteme, Allradantrieb, Hinterachslenkung), Fahrassistenzsystemen (beispielsweise Abstandswarnsysteme, Abstandsregelungssysteme) oder Navigationssystemen.

Bei Vorrichtungen zur Bestimmung der Winkelposition des rotatorischen Teils kön­ nen codierte Scheiben (Codescheiben) eingesetzt werden, die eine bestimmte Codefolge als Maß für die Winkelposition liefern; insbesondere sind - wie bei den in der DE 195 32 903 A1 oder in der DE 196 01 676 A1 beschriebenen Lenkwinkel­ sensoren - Codescheiben mit einer ersten Spur als Inkrementalspur zur Bestimmung der relativen Winkelbewegung und mit einer zweiten Spur als Absolutspur zur Be­ stimmung der Absolutwerts der Winkelstellung vorgesehen. Nachteilig hierbei ist, daß durch die beiden separaten Informationen tragenden Spuren der Codescheibe ein hoher Aufwand zur Realisierung der Vorrichtung gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, kostengünstige und zuver­ lässige Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentan­ sprüche.

Bei der vorgestellten Vorrichtung wird eine Bestimmung der Winkelposition und da­ mit eine absolute Positionserfassung eines Drehbewegungen ausführenden rotatori­ schen Teils realisiert, indem die Information über die Drehbewegung, d. h. sowohl die Winkelinformation über den Drehwinkel als auch die Taktinformation über die zeitli­ che Abfolge zur Bereitstellung der Drehwinkel, auf einer einzigen Codespur der Codescheibe bereitgestellt und durch geeignete Mittel erfaßt und ausgewertet wird. Hierzu sind auf der Codespur der Codescheibe eine Vielzahl von Bits durch zwei unterschiedliche Zustände codiert, von denen eine bestimmte Anzahl aufeinander­ folgender Zustände ein Codewort bilden; d. h. ein Codewort ist als Abfolge einer be­ stimmten Anzahl auf der Codespur aufeinanderfolgender Zustände codiert, die zwei unterschiedlichen Signalpegeln entsprechen (einem bsp. als logische 1 definierten HIGH-Pegel und einem bsp. als logische 0 definierten LOW-Pegel), so daß einem Codewort eine Bitfolge aus einer von der Anzahl der Zustände des Codeworts be­ stimmten Anzahl an Bits entspricht. Die Winkelinformation wird über die Codeworte gewonnen, indem jeder Winkelwert durch genau ein Codewort und damit durch ge­ nau eine der möglichen Bitfolgen mit der vorgegebenen Anzahl an aufeinanderfol­ genden Bits repräsentiert wird, d. h. jedes aus einer der möglichen Bitfolgen reali­ sierte Codewort entspricht einem ganz bestimmten Winkel; die Anzahl der zur Bil­ dung des Codeworts herangezogenen Zustände und damit die Anzahl der Bits der Bitfolge ist hierbei ein Maß für das Auflösungsvermögen (die Schrittweite), mit dem sich die Winkelwerte angeben lassen. Die Codespur ist in gleichlange, jeweils für ein Bit codierende Bereiche mit einer (festen) Schrittweite (Breite) unterteilt, die jeweils beide Zustände und dementsprechend zwei Signalpegel beinhalten und die jeweils durch einen Zustandsübergang von einem Zustand zum andern Zustand und dem­ entsprechend durch einen Pegelübergang von einem Signalpegel zum anderen Si­ gnalpegel voneinander getrennt sind, bsp. durch Pegelübergänge vom HIGH-Pegel (logische 1) zum LOW-Pegel (logische 0). Die Taktinformation über die zeitliche Ab­ folge dieser Zustandsübergänge bzw. Pegelübergänge gewonnen, indem bei jedem detektierten und als gültig anerkannten Zustandsübergang bzw. Pegelübergang mindestens ein Zustand und dementsprechend ein Signalpegel eines bestimmten Bereichs eingelesen und hieraus ein Bit der Bitfolge gewonnen wird; insbesondere wird der Zustand und damit dementsprechend der Signalpegel in der Mitte des Be­ reichs als die dem Bereich zugeordnete Codeinformation bzw. als das dem Bereich zugeordnete Bit eingelesen. Die für die Information der Codespur der Codescheibe codierenden Zustände werden in aufeinanderfolgenden Meßvorgängen durch Detek­ toren erfaßt und von diesen in die den Zuständen entsprechenden Signalpegel um­ gesetzt: die Zustandsübergänge zwischen den beiden Zuständen werden durch min­ destens zwei geringfügig beabstandet (benachbart zueinander) angeordnete Detek­ toren erfaßt und als Signalflanken in die entsprechenden Pegelübergänge zwischen den beiden Signalpegeln umgesetzt; durch mindestens einen weiteren auf der Mitte der Bereiche der Codespur positionierten Detektor wird bei einem als gültig erkann­ ten Zustandsübergang (Pegelübergang) der Zustand desjenigen Bereichs erfaßt, auf dessen Mitte der Detektor positioniert ist und in den entsprechenden Signalpegel umgesetzt. Die anhand einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Meßvorgänge gewonnene Bitfolge wird als Codewort bsp. abgespeichert und bsp. durch eine Aus­ werteeinheit in den entsprechenden Drehwinkel und damit in die entsprechende Winkelposition des rotatorischen Teils umgesetzt. Beim Starten der Vorrichtung muß in einer Initialisierungsphase eine der Anzahl der Bits der Bitfolgen und damit des Codeworts entsprechende Anzahl an Meßvorgängen durchgeführt werden, um den Absolutwert des Drehwinkels und damit die (absolute) Winkelposition des rotatori­ schen Teils bestimmen zu können; ist dieser Absolutwert des Drehwinkels bekannt, kann in jedem Meßvorgang der neue Drehwinkel und damit die Winkelposition des rotatorischen Teils angegeben werden. Die Zahl der Meßvorgänge (und damit die Zeitdauer) bis zur Ermittlung des ersten Winkelwerts kann durch die Anzahl der De­ tektoren beeinflußt werden, insbesondere kann sie dadurch reduziert werden, daß mehrere Detektoren gleichzeitig den Zustand eines Bereichs der Codespur der Codescheibe in mehreren aufeinanderfolgenden Bereichen erfassen.

Die anhand der Meßvorgänge gewonnene Bitfolge als Codewort kann in einem Schieberegister abgelegt werden, das somit (nach Beendigung der Initialisierungs­ phase) nach jedem Meßvorgang das dem momentanen Drehwinkel entsprechende aktuelle Codewort beinhaltet.

Als Detektoren zur berührungslosen und verschleißfreien Erfassung der bsp. in Form von Zähnen und Lücken oder Vertiefungen und Erhebungen codierten Zustände und damit der Information der (einzigen) Codespur der Codescheibe, d. h. sowohl der Winkelinformation als auch der Taktinformation, können insbesondere magnetische Detektoren (bsp. Hallsensoren) oder optische Detektoren (bsp. Lichtschranken) vorgesehen werden; hierbei sind die Detektoren so bezüglich der Codescheibe an­ geordnet, daß sich die Information gut und mit ausreichender Sicherheit erfassen läßt, bsp. indem eine gute magnetische Kopplung zwischen der Codescheibe und magnetischen Detektoren hergestellt wird.

Beim vorgestellten Verfahren kann vorteilhafterweise eine kontaktlose Positionser­ fassung (Bestimmung der Winkelposition) des Drehbewegungen ausführenden rota­ torischen Teils unter Verwendung einer einfachen Codescheibe mit nur einer einzi­ gen Informationen tragenden Codespur bei einer hohen Störsicherheit erfolgen.

Das Verfahren soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammen­ hang mit der einen Ausschnitt der Codescheibe darstellenden Zeichnung beschrie­ ben werden.

Hierzu zeigt die Fig. 1 die für die Zustände codierenden Signalpegel und die Fig. 2 die Bitfolge aus mehreren aufeinanderfolgenden Bereichen der Codescheibe.

Zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatori­ schen Teils bezüglich eines feststehenden stationären Teils ist eine in einem Gehäu­ se angeordnete und auf einem Träger aufgebrachte, bsp. mit dem rotatorischen Teil verbundene Codescheibe 1 vorgesehen, der auf einer Zähne aufweisenden Code­ spur 5 eine bestimmte Abfolge einer Vielzahl von Bits 2 zugeordnet sind. Diese Bits 2 sind in Form der Zähne und der Lücken zwischen den Zähnen codiert bzw. als die diesen beiden Zuständen Zähne und Lücken entsprechenden Signalpegel L, H eines Bereichs 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1, wobei die Bereiche 3 der Codespur 5 jeweils in einer bestimmten festen Schrittweite, d. h. in einem festen Abstand d aufeinanderfolgen; bsp. codiert ein dem ersten Zustand (einer Lücke zwischen zwei Zähnen) entsprechender LOW-Pegel als Signalpegel L für eine logische 0, ein dem zweiten Zustand (einem Zahn) entsprechender HIGH-Pegel als Signalpegel H für eine logische 1. Ein Codewort 4 wird hierbei durch eine Bitfolge einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Bits 2 gebildet, d. h. aus dem jeweiligen Zustand und damit dem jeweiligen Signalpegel L, H aufeinanderfolgender Bereiche 3 der Code­ spur 5 der Codescheibe 1 zusammengesetzt; bsp. wird ein Codewort 4 als Bitfolge von 8 Bits 2 gebildet, d. h. aus jeweils dem Zustand und damit dem Signalpegel L, H von 8 aufeinanderfolgenden Bereichen 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1. Die den Zuständen entsprechenden und den einzelnen Bereichen 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1 zugeordneten Signalpegel L, H und damit die entsprechenden Bits 2 werden dabei so vorgegeben, daß jedes aus 8 aufeinanderfolgenden Bits 2 gebildete Codewort 4 nur einmal vorkommt, so daß eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Codewort 4 und dem Drehwinkel bzw. der Winkelposition des rotatorischen Teils gegeben ist. Jeder Bereich 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1 weist hierbei einen ersten Teilbereich 11 mit dem ersten Zustand (bsp. einer Lücke zwischen zwei Zäh­ nen) und damit entsprechend dem ersten Signalpegel L (bsp. LOW-Pegel) auf und einen zweiten Teilbereich 12 mit dem zweiten Zustand (bsp. einem Zahn) und damit entsprechend dem zweiten Signalpegel H (bsp. HIGH-Pegel) mit jeweils variabler Breite der Teilbereiche 11, 12 und fester Gesamtbreite d des Bereichs 3, wobei die Codeinformation des jeweiligen Bereichs 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1 durch den Zustand und damit den Signalpegel L, H in der Mitte des jeweiligen Be­ reichs 3 codiert ist; d. h. je nach Breite des ersten Teilbereichs 11 codiert ein Be­ reich 3 entweder für eine logische 0 (Lücke zwischen zwei Zähnen und damit LOW- Pegel L in der Mitte des Bereichs 3) oder für eine logische 1 (Zahn und damit HIGH- Pegel H in der Mitte des Bereichs 3). Die einzelnen Bereiche 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1 werden durch die Zustandsübergänge b von den Zähnen zu den Lüc­ ken und damit durch die als Signalflanken des Signalpegels definierten Pegelüber­ gänge vom HIGH-Pegel H zum LOW-Pegel L voneinander getrennt. Zur Erfassung der Zustandsübergänge 6 von den Zähnen zu den Lücken bzw. der entsprechenden Pe­ gelübergänge 6 der Signalpegel L, H und damit der Taktinformation über die zeitli­ che Abfolge der codierten Information sind hierbei zwei unmittelbar nebeneinander positionierte Detektoren 7, 8 vorgesehen, zur Erfassung der den einzelnen Berei­ chen 3 der Codespur 5 der Codescheibe 1 zugeordneten Lücken bzw. Zähnen und der entsprechenden Signalpegel L, H und damit der Codeinformation über den Bi­ närwert der codierten Information bsp. zwei im Abstand d voneinander positionierte Detektoren 9, 10, die jeweils auf die Mitte der Bereiche 3 der Codespur 5 der Code­ scheibe 1 ausgerichtet sind. Die Detektoren 7, 8, 9, 10 sind bsp. als Gabellicht­ schranken ausgebildet und erfassen somit die in Form von Zähnen und Lücken zwi­ schen den Zähnen auf der Codespur 5 der Codescheibe 1 codierte Information auf optischem Wege und generieren hieraus die entsprechenden Signalpegel L, H. Die in den Meßvorgängen bei einem als gültig erkannten Pegelübergang b durch die Detektoren 9, 10 generierten Signalpegel L, H und damit die entsprechenden Lo­ gikpegel "0", "1" zweier aufeinanderfolgender Bereiche 3 der Codespur 5 der Code­ scheibe 1 werden einem Schieberegister zugeführt, das somit in der Initialisierungs­ phase bsp. nach 4 Meßvorgängen das aus bsp. 8 aufeinanderfolgenden Bits 2 zu­ sammengesetzte Codewort 4 beinhaltet und nach der Initialisierungsphase nach jedem Meßvorgang das aktuelle aus der Anzahl der für eine Bitfolge vorgesehenen Bits 2 (bsp. 8 Bits) zusammengesetzte Codewort 4 beinhaltet.

Bei einer Drehbewegung des rotatorischen Teils ändert sich die Position der mit dem rotatorischen Teil verbundenen Codescheibe 1 bezüglich des feststehenden Teils, wodurch eine der Winkeländerung entsprechende Anzahl von Zustandsände­ rungen erfaßt und eine entsprechende Anzahl von Pegelübergängen b generiert wird. Die hieraus resultierenden geänderten Codeworte 4 im Schieberegister geben somit Aufschluß über die momentane Winkelposition des rotatorischen Teils.

In einem Anwendungsbeispiel wird mit der genannten Vorrichtung die Winkelpositi­ on der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs als rotatorischem Teil bezüglich des mit dem Mantelrohr verbundenen stationären Teils erfaßt. Durch die 8 Bits umfassenden Bitfolgen werden 256 unterschiedliche Codeworte 4 codiert, so daß bei einer Dre­ hung der Lenksäule um 360° eine Winkelauflösung des Drehwinkels von ca. 1,5° erreicht wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausfüh­ renden rotatorischen Teils, bei der die auf einer Codescheibe (1) codierte und sich entsprechend der Drehbewegung ändernde Codeinformation erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Codescheibe (1) eine einzige, eine Abfolge zweier unterschiedlicher Zu­ stände beinhaltende Codespur (5) aufweist, die in äquidistante Bereiche (3) mit einer vorgegebenen Breite (d) unterteilt ist, wobei jeder Bereich (3) einen ersten Teilbereich (11) mit dem ersten Zustand und einen anschließenden zweiten Teil­ bereich (12) mit dem zweiten Zustand aufweist,
daß mindestens drei Detektoren (7, 8, 9, 10) die Zustände der Codespur (5) der Codescheibe (1) erfassen, wobei mindestens zwei unmittelbar nebeneinander angeordnete Detektoren (7, 8) die Taktinformation als Zustandsübergang (6) vom Zustand des zweiten Teilbereichs (12) zum Zustand des ersten Teilbereichs (11) erfassen und wobei bei einem Zustandsübergang (6) mindestens ein Detek­ tor (9, 10) die Codeinformation als Zustand an einer bestimmten vorgegebenen Position mindestens eines der Bereiche (3) der Codespur (5) der Codescheibe (1) erfaßt,
und daß durch Auswertung von anhand der Codeinformationen von einer be­ stimmten Anzahl aufeinanderfolgender Bereiche (3) gebildeten Codeworten (4) der Drehwinkel des rotatorischen Teils bestimmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zu­ standsübergang (6) mindestens ein Detektor (9, 10) die Codeinformation als Zu­ stand in der Mitte mindestens eines der Bereiche (3) der Codespur (5) der Codescheibe (1) erfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer In­ itialisierungsphase der Absolutwert des Drehwinkels des rotatorischen Teils an­ hand des ersten Codeworts (4) bestimmt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeinformation der einzelnen Bereiche (3) einem Schieberegister zugeführt werden, das die hieraus gebildeten Codeworte (4) beinhaltet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (7, 8, 9, 10) in Abhängigkeit der erfaßten Zustände der Codespur (5) der Codescheibe (1) zwei unterschiedliche Signalpegel (L; H) generieren.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (7, 8, 9, 10) die Zustände der Codespur (5) der Codescheibe (1) mag­ netisch oder optisch erfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoren (7, 8, 9, 10) Hallsensoren vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoren (7, 8, 9, 10) Lichtschranken vorgesehen sind.