DE10159258A1

DE10159258A1 - Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers

Info

Publication number: DE10159258A1
Application number: DE2001159258
Authority: DE
Inventors: Dirk Beilker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: DE10159258B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers (R1), das eine ringförmige Widerstandsbahn (2) über einen Winkelbereich von weniger als 360 DEG , die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, und einen über der Widerstandsbahn (2) drehbaren Schleifer (1) zum Abgreifen einer vom Drehwinkel abhängigen Spannung aufweist, wobei der Schleifer (1) auch über die Widerstandsbahn (2) hinaus drehbar ist und die am Schleifer (1) abgegriffene Spannung einer Spannungsauswerteeinrichtung zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Schleifer (1) des Potentiometers (R1) über ein Widerstandselement (R4) alternativ mit zwei unterschiedlichen Referenzspannungen (VCC, 9) verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers, das eine ringförmige Widerstandsbahn über einen Winkelbereich von weniger als 360 Grad, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, und einen über der Widerstandsbahn drehbaren Schleifer zum Abgreifen einer vom Drehwinkel abbhängigen Spannung aufweist, wobei der Schleifer über die Widerstandsbahn hinaus drehbar ist und die am Schleifer abgegriffene Spannung einer Spannungsauswerteeinrichtung zugeführt wird.

Drehpotentiometer weisen eine ringförmige Widerstandsbahn auf. Die Enden der Widerstandsbahn sind mit elektrischen Anschlüssen versehen, an die eine Spannung angelegt wird. Über einen Schleifer, der über der Widerstandsbahn drehbar ist, kann eine vom Drehwinkel des Schleifers abhängige Spannung abgegriffen werden. Entsprechende Drehpotentiometer und deren Funktionsweise sind hinreichend bekannt.

Bedingt durch die Bauart eines solchen Drehpotentiomenters ist eine durchgehende Widerstandsbahn über einen Winkel von 360 Grad nicht realisierbar. Von den Herstellern wird daher ein elektrischer Drehbereich definiert, der beispielsweise 330 Grad beträgt. Ist der Schleifer über die Enden der Widerstandsbahn hinaus drehbar, so fährt der Schleifer durch eine Leerlaufzone ohne Widerstandsbahn. Diese ist erforderlich, um einen Kurzschluß zwischen den Anschlüssen des Potentiometers durch den Schleifer zu vermeiden. In den Übergangsbereichen der Enden der Widerstandsbahn zu dieser Leerlaufzone kann der Widerstand des Potentiometers durch den auftretenden Übergangswiderstand nahezu jeden beliebigen Wert annehmen.

Wird das Drehpotentiometer in einer Anwendung derart eingesetzt, dass Drehwinkel von 360 Grad möglich sind, so führt die oben beschriebene Beschränkung dazu, dass in einem Teilwinkelbereich das am Schleifer anliegende Ausgangssignal nicht auswertbar ist bzw. falsche Werte liefert.

Es sind Lösungen dieser Problematik bekannt, bei denen zwei Potentiometer auf einer Drehachse vorhanden sind, wobei das eine Potentiometer den kritischen Bereich des anderen Potentiometers absichert. Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen zu diesem Zweck in einem Potentiometer zwei Widerstandsbahnen und vier Anschlüsse vorhanden sind. Diese Lösungen sind jedoch teuer und kompliziert, da die Ausgangssignale von zwei Potentiometer ausgewertet werden müssen und somit beispielsweise zwei Analog-/Digitalwandler erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers anzugeben, bei der mit einem gattungsgemäßen Drehpotentiometer, das eine ringförmige Widerstandsbahn über einen Winkelbereich von weniger als 360 Grad aufweist, über den gesamten Drehbereich des Schleifers von 360 Grad verwertbare Spannungssignale erhalten werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung der Stellung eines Drehpotentiometers anzugeben, mit dem ein Winkelbereich von 360 Grad auswertbar ist.

Die erstgenannte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers dadurch gelöst, dass der Schleifer des Potentiometers über ein Widerstandselement alternativ mit zwei unterschiedlichen Referenzspannungen verbindbar ist. Der Schaltungsaufwand und die damit verbundenen Kosten sind dabei sehr gering. Es sind lediglich ein weiteres Widerstandselement und Schaltmittel erforderlich. Der zweite Anschluß des Widerstandselementes ist mit zwei unterschiedlichen Referenzspannungen verbindbar.

Zur Bestimmung der Stellung des Drehpotentiometers werden dann insgesamt zwei Spannungsmessungen durchgeführt, nämlich eine erste Messung der Spannung am Schleifer für den Fall, dass der Schleifer über das Widerstandselement mit einer ersten Referenzspannung verbunden ist und eine zweite Messung der Spannung am Schleifer, bei der der Schleifer über das Widerstandselement mit einer zweiten Referenzspannung verbunden ist. Durch Auswertung dieser zwei Meßwerte, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, läßt sich die Stellung des Drehpotentiometers auch dann detektieren, wenn sich der Schleifer nicht vollständig auf der Widerstandsbahn bzw. sogar völlig außerhalb der Widerstandsbahn befindet. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert. Um die Detektion der unterschiedlichen Winkelbereiche hinreichend genau durchführen zu können, ist vorgesehen, dass das Widerstandselement einen höheren Widerstand aufweist als das Drehpotentiometer. Vorzugsweise ist der Widerstand des Widerstandselements sogar wesentlich höher als der Widerstand des Drehpotentiometers.

In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Drehpotentiometer in eine Spannungsteilerschaltung integriert ist. Hierdurch kann eine Anpassung der Ausgangsspannung des Drehpotentiometers, die über den Schleifer abgegriffen wird, an die zulässige Eingangsspannung der Spannungsauswerteeinrichtung erzielt werden. Insbesondere kann die Spannungsteilerschaltung dazu einen ersten Widerstand aufweisen, der mit der Versorgungsspannung und dem Drehpotentiometer verbunden ist. Durch die Wahl dieses Widerstands wird bei vorgegebenem Gesamtwiderstand des Drehpotentiometers die maximal am Schleifer abgreifbare Spannung bestimmt.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Spannungsteilerschaltung einen zweiten Widerstand aufweisen, der zwischen das Drehpotentiometer und Masse geschaltet ist. Durch entsprechende Wahl des Widerstandswertes dieses zweiten Widerstandes wird die minimale Ausgangsspannung des Drehpotentiometers, die am Schleifer abgegriffen wird, festgelegt.

Als Referenzspannungen können insbesondere die Versorgungsspannung des Drehpotentiometers bzw. der Spannungsteilerschaltung und Masse (0 V) verwendet werden.

Als Spannungsauswerteeinrichtung ist insbesondere ein Mikroprozessor vorgesehen, der die erforderliche Auswertung der zwei Messungen vornehmen kann. Vorzugsweise weist der Mikroprozessor einen Analog-/Digitalwandler auf, der mit dem Schleifer des Drehpotentiometers elektrisch verbunden ist. Der Mikroprozessor kann zudem die Verbindung des Widerstandselementes mit den zwei unterschiedlichen Referenzspannungen übernehmen. Dies kann aber auch durch externe Schaltelemente erfolgen, die von dem Mikroprozessor angesteuert werden.

In einer weiteren Ausführungsform können anstelle des einen Widerstandselementes, das alternativ mit zwei Referenzspannungen verbunden wird, auch zwei Widerstandselemente vorhanden sein, von denen jedes mit genau einer der Referenzspannungen über jeweils ein Schaltelement verbindbar ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren bestimmt die Stellung des Drehpotentiometers aus zwei Spannungsmeßwerten, nämlich:

- einer ersten abgegriffenen Spannung am Drehpotentiometer, die sich einstellt, wenn der Schleifer des Drehpotentiometers über ein Widerstandselement mit einer ersten Referenzspannung verbunden ist,
- einer zweiten abgegriffenen Spannung am Drehpotentiometer, die sich einstellt, wenn der Schleifer des Drehpotentiometers über ein Widerstandselement mit einer zweiten Referenzspannung verbunden ist.

In einer besonderen Ausführungsform kann noch zusätzlich eine dritte Messung durchgeführt werden. Dabei handelt es sich um eine Messung der Spannung am Schleifer (Abgreifelement) des Drehpotentiometers ohne eine Verbindung mit einer der Referenzspannungen über das zusätzliche Widerstandselement, wodurch, abhängig von den gewählten Widerstandswerten, eine höhere Linearität in der Postitionsbestimmung erzielbar sein kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 den Aufbau eines Ringpotentiometers,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Microprozessor
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung. Das Drehpotentiometer R1 ist über die Widerstände R2 und R3 mit einer positiven Versorgungsspannung VCC und Masse verbunden. Das Drehpotentiometer R1 und die Widerstände R2, R3 bilden eine Spannungsteilerschaltung. Durch entsprechende Wahl der Widerstände R2 und R3 kann die am Drehpotentiometer R1 anliegende Spannung festgelegt werden. Die über den Schleifer 1 am Drehpotentiometer R1 abgegriffene Spannung ist somit hinsichtlich ihres Minimal- (U_min) und Maximalwertes (U_max) festgelegt. Das am Schleifer 1 abgegriffene Spannungssignal ist in bekannter Weise von der Stellung des Drehpotentiometers abhängig, da das Drehpotentiometer selbst wieder einen Spannungsteiler bildet. Das am Schleifer 1 abgegriffene Spannungssignal wird einem Analog-/Digitalwandler ADC zugeführt. Der ADC ist Bestandteil einer Spannungsauswerteeinrichtung.
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines an sich bekannten Drehpotentiometers. Dieses weist eine Widerstandsbahn 2 auf, die sich über einen Winkelbereich von weniger als 360 Grad erstreckt.
Die Enden der Widerstandsbahn 2 sind mit Anschlüssen 3, 4 verbunden, über die eine Spannung an die Widerstandsbahn angelegt wird.
Die am Schleifer 1 abgegriffene Spannung ist abhängig von der Stellung des Schleifers und ergibt sich in bekannter Weise aus den Regeln für die Berechnung einer Spannungsteilerschaltung. Um einen Kurzschluß zwischen den Anschlüssen 3, 4 durch den Schleifer 1 zu vermeiden, ist eine Leerlaufzone 5 erforderlich, in der die Widerstandsbahn unterbrochen ist. Darüber hinaus gibt es Übergangsbereiche 6, 7, in denen der Schleifer 1 teilweise auf der Widerstandsbahn 2 aufliegt. Somit treten beim Drehen unterschiedliche Bereiche auf, in denen sich der Schleifer 1 befinden kann.
Bereich A: Der Schleifer 1 befindet sich vollständig auf der Widerstandsbahn 2.
Bereich B: Der Schleifer 1 befindet sich im Bereich des Anschlusses 3.
Bereich C: Der Schleifer 1 befindet sich im Übergang zwischen dem Anschluß 3 und der Leerlaufzone 5 oder umgekehrt.
Bereich D: Der Schleifer 1 befindet sich vollständig innerhalb der Leerlaufzone 5.
Bereich E: Der Schleifer 1 befindet sich im Übergang zwischen dem Anschluß 4 und der Leerlaufzone 5 oder umgekehrt.
Bereich F: Der Schleifer 1 befindet sich am Anschluß 4.
Um die Position des Drehpotentiometers für diese unterschiedlichen Bereiche detektieren zu können, ist der Schleifer 1, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem weiteren Widerstandselement R4 verbunden. Dieses weitere Widerstandselement R4 ist über Schalter S1, S2 mit zwei unterschiedlichen Referenzspannungen verbindbar, nämlich der Versorgungsspannung VCC und Masse 9. Das Widerstandselement R4 weist einen wesentlich größeren Widerstand auf als die Widerstände R2 und R3. Beispielsweise weisen R2 und R3 einen Widerstand von 1 kΩ, R1 einen Widerstand von 10 kΩ und R4 einen Widerstand von 220 kΩ auf.
Es werden insgesamt zwei Messungen der am Schleifer 1 anliegenden Spannung für eine Winkellage durchgeführt.
Der erste Meßwert liefert die Messung der abgegriffenen Spannung für den Fall, dass der Schalter S1 geschlossen ist und damit das Widerstandselement R4 mit der Versorgungsspannung VCC verbunden ist. Dieser Spannungswert wird mit U_pu bezeichnet.
Der zweite Spannungswert ergibt sich dann, wenn der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S2 geschlossen ist, d. h. der Widerstand R4 mit Masse 9 verbunden ist. Dieser Spannungswert wird mit U_pd bezeichnet. Die gemessenen Spannungen am Schleifer 1 werden nunmehr ausgewertet.

1. Fall: U_pu - U_pd = 0 V bzw. U_pu = U_pd
Da der Widerstand R4 wesentlich größer ist als die Widerstände R1, R2 und R3, hat der Widerstand R4 keinen oder nur einen sehr geringen Einfluß auf die abgegriffene Spannung am Schleifer 1, solange der Schleifer 1 sich über die Widerstandsbahn des Potentiometers bewegt, d. h. der dort auftretende Widerstand im Vergleich zu R4 klein ist. Bei geschlossenem Schalter S1 ist R4 eine Parallelschaltung eines wesentlich größeren Widerstandes zu den Widerständen R2 und dem wirksamen Teilwiderstand von R1. Wegen des größeren Widerstandes von R4 hat dieser bekanntermaßen praktisch keinen Einfluß auf die abgegriffene Spannung. Genauso verhält es sich, wenn der Schalter S2 geschlossen und S1 geöffnet ist. Dies entspricht dann einer Parallelschaltung des Widerstandes R4 zu den Widerständen R3 und dem entsprechenden Teilwiderstand zu R1. Da R4 auch hier wieder deutlich größer ist als R3 und der wirksame Teilwiderstand von R1, ist der Einfluß auf die abgegriffene Spannung vernachlässigbar. Wird somit U_pu - U_pd zu 0 V oder nahezu 0 V bestimmt, so bedeutet dies, dass sich der Schleifer 1 auf der Widerstandsbahn 2 und somit innerhalb der oben definierten Bereiche A, B oder F befindet. Über die Auswertung des Spannungswertes U_pu oder U_pd läßt sich die Schleiferstellung hinreichend genau bestimmen. In der Auswerteeinrichtung ist der entsprechende Zusammenhang abgespeichert. Für eine weitere Verbesserung der Auswertegenauigkeit kann auch das arithmetische Mittel aus U_pu und U_pd gebildet und der Postitionsbestimmung zugrunde gelegt werden.

2. Fall: U_pu - U_pd = VCC bzw. U_pu > U_max und U_pa < U_min
In diesem Fall liefert das Potentiometers R1 keinen Beitrag zu der gemessenen Spannung. Dies bedeutet, der Schleifer 1 befindet sich innerhalb der Leerlaufzone 5 (Bereich D). Die Position des Drehpotentiometers ist somit hinreichend genau bestimmt.

3. Fall: U_pu > U_max und U_pd > U_min
U_max und U_min sind die maximal und minimal am Potentiometer R1 abgreifbare Spannung ohne Zuschaltung des Widerstandelements R4. Wie bereits oben ausgeführt, wird die maximal und mininal am Potentiometer abgreifbare Spannung in dem Spannungsteiler, bestehend aus R1, R2 und R3 durch Festlegung der Widerstände bestimmt. Wird die angegebene Bedingung bei der Auswertung detektiert, so befindet sich der Schleifer 1 des Potentiometers im Bereich C. Die Position des Potentiometers ist somit wiederum hinreichend bestimmt.

4. Fall: U_pu < U_max und U_pd < U_min
Werden diese Beziehungen zwischen den Spannungen detektiert, so befindet sich der Schleifer 1 im Bereich E. Wiederum ist die Position des Drehpotentiometers hinreichend bestimmt.
Wie aus den oben genannten Ausführungen ersichtlich ist, kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung die Position des Drehpotentiometers auch dann hinreichend genau bestimmt werden, wenn sich der Schleifer 1 außerhalb der Widerstandsbahn 2 bewegt.
In einer alternativen Ausführungsform kann zusätzlich eine dritte Messung bei geöffneten Schaltern S1 und S2 durchgeführt werden. Dies entspricht einer Messung der abgegriffenen Spannung ohne das Widerstandselement R4 und der Meßwert kann als Maß für die Stellung des Potentiometers genommen werden, solange der Schleifer sich auf der Widerstandsbahn befindet. Dieser dritte Meßwert wird mit U_S gekennzeichnet. Durch diese dritte Messung kann eine Verbesserung der Linearität erreicht werden, insbesondere wenn R4 nicht wesentlich größer ist als die anderen Widerstände.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Mikroprozessor 8. Das Drehpotentiometer 1, die Widerstände R2, R3 und das Widerstandselement R4 entsprechend denjenigen aus Fig. 1. Gemäß Fig. 3 ist das Widerstandselement R4 nunmehr mit einem Ausgang "out" des Mikroprozessors 8 verbunden. Der Mikroprozessor übernimmt hierbei die Verbindung des Widerstandselements R4 mit den beiden unterschiedlichen Referenzspannungen. In den Mikroprozessor 8 ist ein Analog- /Digitalwandler ADC integriert, der die analogen Eingangsspannungssignale in digitale Werte umwandelt, die anschließend innerhalb des Mikroprozessors 8 weiter ausgewertet, wie dies zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde.
Mit der Erfindung wird eine einfache Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers zur Verfügung gestellt, die auch im Leerlaufbereich 5 des Drehpotentiometers ein auswertbares Positionssignal zur Verfügung stellt.

Claims

1. Anordnung zur Auswertung der Stellung eines Drehpotentiometers (R1), das eine ringförmige Widerstandsbahn (2) über einen Winkelbereich von weniger als 360°, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, und einen über der Widerstandsbahn (2) drehbaren Schleifer (1) zum Abgreifen einer vom Drehwinkel abhängigen Spannung aufweist, wobei der Schleifer (1) auch über die Widerstandsbahn (2) hinaus drehbar ist und die am Schleifer (1) abgegriffene Spannung einer Spannungsauswerteeinrichtung (Mikroprozessor 8) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifer (1) des Potentiometers (R1) über ein Widerstandselement (R4) alternativ mit zwei unterschiedlichen Referenzspannungen (VCC, 9) verbindbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Stellung des Drehpotentiometers (R1) die beiden am Schleifer (1) des Potentiometers (R1) anliegenden Spannungen ausgewertet werden, die sich bei Verbindung des Widerstandselements (R4) mit den Referenzspannungen einstellen.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehpotentiometer (R1) in eine Spannungsteilerschaltung integriert ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (R4) einen höheren Widerstand aufweist als das Drehpotentiometer (R1) bzw. die Spannungsteilerschaltung.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilerschaltung einen ersten Widerstand (R2) aufweist, der mit einer Versorgungsspannung und einem ersten Anschluß (3) der Widerstandsbahn (2) des Drehpotentiometers (R1) verbunden ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilerschaltung einen zweiten Widerstand (R3) aufweist, der mit einem zweiten Anschluß (4) der Widerstandsbahn (2) des Drehpotentiometers (R1) und Masse (9) verbunden ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Referenzspannungen die Versorgungsspannung des Drehpotentiometers (R1) bzw. der Spannungsteilerschaltung ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Referenzspannungen 0 V (Masse 9) ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsauswerteeinrichtung ein Mikroprozessor (8) ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Widerstandselements (R4) mit den zwei unterschiedlichen Referenzspannungen durch den Mikroprozessor (8) erfolgt.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Widerstandselemente vorbanden sind, von denen jedes mit genau einer der Referenzspannungen verbindbar sind.

12. Verfahren zur Bestimmung der Stellung eines Drehpotentiometers (R1), insbesondere in einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aus zwei Spannungsmeßwerten zu einer Stellung des Drehpotentiometers (R1), nämlich:
einer ersten abgegriffenen Spannung (U_pu) am Drehpotentiometer (R1), die sich einstellt, wenn der Schleifer (1) des Drehpotentiometers (R1) über ein Widerstandselement (R4) mit einer ersten Referenzspannung verbunden ist, und
einer zweiten abgegriffenen Spannung am Drehpotentiometer, die sich einstellt, wenn der Schleifer des Drehpotentiometers über ein Widerstandselement mit einer zweiten Referenzspannung verbunden ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche dritte abgegriffene Spannung (Us) des Drehpotentiometers (R1) bestimmt wird, die sich einstellt, wenn der Schleifer (1) des Drehpotentiometers mit keiner der Referenzspannungen verbunden ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.