DE102005055307A1 - Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber - Google Patents

Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber Download PDF

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Andreas Stengel
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Abstract

Drehsteller (10, 30, 40, 50) mit inkrementellem Drehwinkelgeber (43, 53) für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Handhabe (11, 41, 51), einer mit der Handhabe (11, 41, 51) verbundenen Welle (12, 31, 42, 52), die in einem Gehäuse (13) des Drehstellers (10, 30, 40, 50) aufgenommen ist, einem drehfest an der Welle (12, 31, 42, 52) befestigten Kodierelement (14, 32), das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen (17, 33) versehen ist, sowie mindestens einer Lichtschranke, bestehend aus einer Lichtquelle (15, 18, 34, 37) und einem Photosensor (22, 24, 36, 39), wobei die Lichtschranke mit dem Kodierelement (14, 32) derart zusammenwirkt, dass die auf den Photosensor (22, 24, 36, 39) treffende Lichtmenge abhängig ist von der Drehstellung des Kodierelementes (14, 32) in Bezug auf die Lichtschranke, mittels des Photosensor (22, 24, 36, 39) eine von der auf den Photosensor (22, 24, 36, 39) einfallenden Lichtmenge abhängige analoge Ausgangsspannung erzeugbar ist und mittels einer Auswerteelektronik dem Verlauf der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel des Drehstellers (10, 30, 40, 50) zuordenbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen Welle, die in einem Gehäuse des Drehstellers aufgenommen ist, einem Winkelsensor sowie einer Auswerteelektronik.
  • In Kraftfahrzeugen werden Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber eingesetzt, um die verschiedensten Fahrzeugfunktionalitäten zu steuern. Dabei ist die Kenntnis des absoluten Drehwinkels des Drehstellers oftmals nicht notwendig. So ist beispielsweise bei Multifunktionsdrehstellern, mit denen mehrere Funktionen geregelt werden können, ausschlaggebend, ob und wie weit der Drehsteller gedreht wurde. Benötigt wird daher eine Information über den inkrementellen Drehwinkel.
  • Bekannte inkrementelle Drehwinkelgeber weisen eine Lochscheibe auf, die sich im Bereich einer Lichtschranke dreht. Fällt das Licht der Lichtschranke durch ein Loch, so wird ein elektronischer Impuls ausgelöst, der eine Drehung des Drehstellers um einen durch den Lochabstand festgelegten Winkel anzeigt.
  • Der Nachteil einer derartigen Lösung besteht darin, dass das Auflösungsvermögen des inkrementellen Drehwinkelgebers von dem Abstand der Löcher in der Lochscheibe abhängt und daher stark limitiert ist. Außerdem ist eine dynamische Anpassung der Winkelauflösung an die Erfordernisse der mittels des Drehstellers zu steuernden Funktionalität nicht möglich. Der detektierbare Drehwinkel ist stets ein ganzzahliges Vielfaches des Winkelabstandes der Löcher auf der Lochscheibe.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber bereitzustellen, der ein hohes Auflösungsvermögen aufweist und mit dem auch kleine Drehwinkeländerungen detektiert werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9. Ein Verfahren zur Bestimmung eines inkrementellen Drehwinkels ist in Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Ein erfindungsgemäßer Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber gemäß Patentanspruch 1 besteht aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen Welle, die in einem Gehäuse des Drehstellers aufgenommen ist, einem drehfest an der Welle befestigten Kodierelement, das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen versehen ist, sowie mindestens einer Lichtschranke bestehend aus einer Lichtquelle und einem Fotosensor. Dabei wirken die Lichtschranke und das Kodierelement derart zusammen, dass die auf den Fotosensor treffende Lichtmenge abhängig ist von der Drehstellung des Kodierelementes in Bezug auf die Lichtschranke. Mittels des Fotosensors ist eine von der auf den Fotosensor einfallenden Lichtmenge abhängige analoge Ausgangsspannung erzeugbar. Die Lichtschranke arbeitet im sichtbaren und/oder infraroten Bereich.
  • Durch die Drehung der Handhabe und der damit verbundenen Drehung des Kodierelementes drehen sich die Ausnehmungen des Kodierelementes durch den Erfassungsbereich der Lichtschranke und modulieren so die auf den Fotosensor treffende Lichtmenge. Dies verursacht eine Modulation der Amplitude der analogen Ausgangsspannung des Fotosensors. Mittels einer Auswerteelektronik ist dem Verlauf der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel des Drehstellers zuordenbar. Dies geschieht bevorzugt durch eine in der Auswerteelektronik hinterlegte Referenzkennlinie zur Zuordnung eines Drehwinkels zu einer Ausgangsspannung des Fotosensors.
  • Durch die periodische Anordnung der Ausnehmungen, die bevorzugt stets die gleiche Form und Größe aufweisen, im Kodierelement wiederholt sich auch die Ausgangsspannung eines Fotosensors bei der Drehung der Handhabe des Drehstellers periodisch.
  • Bevorzugt weist der Drehsteller zwei Lichtschranken auf, deren Ausgangssignale vom Verlauf her identisch aber gegeneinander phasenverschoben sind. Dabei sind die Lichtschranken derart angeordnet, dass die Ausgangsspannungen ihrer Fotosensoren eine elektrische Phasenverschiebung aufweisen, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180° ist. Dies bedeutet für die geometrische Anordnung, dass die Lichtschranken, von der Welle des Drehstellers aus gesehen, mit einem Winkel beabstandet sind, der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte desjenigen Winkels ist, der zwischen zwei Ausnehmungen im Kodierelement liegt. Dadurch wird gewährleistet, dass der Auswerteelektronik zwei verschiedene Spannungen zur Verfügung stehen, aus denen der Drehwinkel bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, unabhängig von der Form der Ausnehmungen und der Geschwindigkeit, mit der der Drehsteller betätigt wird, neben dem Betrag des inkrementellen Drehwinkels auch die Drehrichtung eindeutig zu bestimmen.
  • In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Kodierelement als Scheibe oder Kreisring ausgebildet und die Ausnehmungen sind auf einer Kreisbahn der Scheibe oder des Kreisringes angeordnet. Ein derartiges Kodierelement läßt sich äußerst einfach und kostengünstig herstellen und montieren. Der Strahlengang der Lichtschranke verläuft im Wesentlichen parallel zur Welle des Drehstellers.
  • In einer anderen Ausgestaltungsform ist das Kodierelement als Hohlzylinder ausgebildet und die Ausnehmungen sind am Umfang des Hohlzylinders angeordnet. Dabei ist die Lichtschranke derart angeordnet, dass der Strahlengang im Erfassungsbereich im Wesentlichen senkrecht auf der Welle des Drehstellers steht. Dadurch wird eine geringe Bautiefe des Drehstellers erreicht.
  • Optional weist der Drehsteller einen vor der Lichtquelle der Lichtschranke angeordneten Diffusor auf. Dadurch wird die Ausleuchtung eines flächigen Bereiches des Kodierelementes erreicht.
  • Optional ist vor der Lichtquelle ein Mittel zur Parallelisierung der Lichtstrahlen angeordnet. Dadurch wird eine Fokussierung des Lichts auf den Erfassungsbereich der Lichtschranke erzielt.
  • Bevorzugt ist vor dem Fotosensor eine Sammellinse angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass auch ein kleiner Fotosensor alles durch die Ausnehmungen des Kodierelementes fallende Licht detektiert.
  • In einer Abwandlung der Erfindung besteht der Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen Welle, die in einem Gehäuse des Drehstellers aufgenommen ist, sowie einem magnetischen oder kapazitiven Drehwinkelgeber, wobei mittels des magnetischen oder kapazitiven Drehwinkelgebers eine vom Drehwinkel der Welle abhängige analoge Ausgangsspannung erzeugbar ist und mittels einer Auswerteelektronik dem Verlauf der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel des Drehstellers zuordenbar ist. Die von der Auswerteelektronik auszuwertende analoge Spannung wird in dieser Abwandlung nicht von einer Lichtschranke, sondern von einem magnetischen oder kapazitiven Drehwinkelgeber erzeugt. Der magnetische Drehwinkelgeber besteht beispielsweise aus einem Hall-Sensor. Ein kapazitiver Drehwinkelgeber besteht beispielsweise aus einem Kondensator, dessen Kapazität durch Variation des Dielektrikums oder des Plattenabstandes veränderbar ist.
  • Der erfindungsgemäße Drehsteller wird in einer Ausgestaltungsform durch einen Aktor ergänzt, der ein drehwinkelabhängiges haptisches Feedback erzeugt, insbesondere fühlbare Rasten. Diese Haptik wird bevorzugt durch eine Bremse erzeugt, die beispielsweise als Reibbremse, elektromagnetische Bremse oder magnetorheologische Bremse ausgebildet ist. Durch das hohe Winkelauflösungsvermögen des erfindungsgemäßen Drehstellers läßt sich ein sehr präziser Verlauf der Bremskraft erzeugen. Selbst der Kraftverlauf innerhalb der Flanken einer Rast kann beliebig gesteuert werden.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung eines inkrementellem Drehwinkels eines Drehstellers besteht aus den Verfahrensschritten Drehen eines direkt oder indirekt mit einer Handhabe des Drehstellers verbundenen, mit periodischen Ausnehmungen versehenden Kodierelementes im Erfassungsbereich mindestens einer Lichtschranke, Modulieren des von einem Fotosensor der Lichtschranke empfangenen Lichts durch das Kodierelement, Erzeugen einer analogen Ausgangsspannung im Fotosensor in Abhängigkeit von der Menge des empfangenen Lichts sowie Bestimmung des Drehwinkels durch Vergleich des Verlaufs der Ausgangsspannung des Fotosensors mit einer hinterlegten Kennlinie. Das Verfahren beruht auf einer Auswertung einer kontinuierlichen, analogen Ausgangsspannung, während bei herkömmlichen inkrementellen Drehwinkelgebern eine Zählung diskreter Impulse erfolgt, die jeweils eine Drehung um einen bestimmten Winkel bedeuten.
  • Bevorzugt wird anhand der Ausgangsspannung des Fotosensors einer zweiten Lichtschranke der Drehwinkel und/oder die Drehrichtung des Drehstellers eindeutig bestimmt. Durch die Analyse einer zweiten Ausgangsspannung, die, wie vorstehend im Rahmen der Vorrichtung bereits besprochen, gegenüber der ersten Ausgangsspannung eine elektrische Phasenverschiebung aufweist, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180° ist, ist der Drehwinkel und/oder die Drehrichtung der Welle des Drehstellers eindeutig bestimmbar.
  • Das Verfahren ist direkt auf Drehsteller übertragbar, bei denen eine drehwinkelabhängige Ausgangsspannung durch einen kapazitiven oder magnetischen Winkelgeber erzeugt wird.
  • Die Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigt:
  • 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehstellers,
  • 2 eine weitere Schnittdarstellung des Drehstellers aus 1,
  • 3 eine beispielhafte Referenzkennlinie,
  • 4 eine weitere beispielhafte Referenzkennlinie,
  • 5 einen Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Drehstellers,
  • 6 ein symbolisches Blockschaltbild für einen Drehsteller mit variabler Haptik und
  • 7 ein Blockschaltbild für eine weitere Ausführungsform eines Drehstellers mit variabler Haptik.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehstellers 10 bestehend aus einer Handhabe 11, einer mit der Handhabe verbundenen Welle 12, die in einem Gehäuse 13 des Drehstellers 10 aufgenommen ist und einem drehfest an der Welle 12 befestigten Kodierelement 14, das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen 17 versehen ist. Das Kodierelement 14 ist hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei die Welle 12 die Mittelachse des Hohlzylinders bildet. Die rautenförmigen Ausnehmungen 17 sind periodisch wiederkehrend in die Mantelfläche des Kodierelements 14 eingebracht. Durch Drehung der Handhabe 11 dreht sich gleichzeitig die Welle 12 und damit das Kodierelement 14.
  • Der Drehsteller 10 weist weiterhin zwei Lichtschranken auf, durch deren Erfassungsbereich sich die Ausnehmungen 17 des Kodierelementes 14 bei Drehung der Handhabe 11 bewegen. In der Schnittdarstellung aus 1 sind von den Lichtschranken nur die beiden Lichtquellen 15 und 18 erkennbar, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel infrarotes Licht emittieren. Vor den Lichtquellen 15 und 18 sind Diffusoren 16 beziehungsweise 19 angeordnet, mittels derer der Strahlengang der Lichtschranken optimiert wird.
  • Optional verfügt der Drehsteller 10 über ein magnetorheologisches Bremselement, das aus einem drehfest mit der Welle 12 verbundenen Vorsprung 20 besteht, der in einer magnetorheologischen Flüssigkeit 21 gelagert ist. Durch Anlegen einer Spannung ist die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit 21 veränderbar. Durch Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit 21 ändert sich die Kraft, die benötigt wird, um den Vorsprung 20 durch die Flüssigkeit 21 zu bewegen. Da diese Kraft über die Handhabe 11 und die Welle 12 vom Bediener des Drehstellers 10 aufgebracht werden muss, lässt sich die zur Drehung der Handhabe 11 benötigte Kraft und somit die Haptik des Drehstellers 10 programmieren. Alternativ zu einem magnetorheologischen Bremselement wird ein elektromagnetisches Bremselement oder eine mechanische Reibbremse verwendet.
  • 2 zeigt eine andere Schnittdarstellung des aus 1 bekannten Drehstellers 10. Der Unterschied in den Schnittdarstellungen besteht darin, dass in 2 auch das Kodierelement 14 geschnitten ist. Dies erlaubt einen Blick in den Bereich innerhalb des Kodierelementes 14, in dem die Infrarotdetektoren 22 und 24 der beiden Lichtschranken angeordnet sind. Vor den Detektoren 22 und 24 sind Sammellinsen 23 beziehungsweise 25 angeordnet, die alles durch die Ausnehmungen 17 fallende Licht der Lichtquellen 15 beziehungsweise 18 auf die entsprechenden Detektoren 22 und 24 bündeln.
  • Die Detektoren 22 und 24 liefern analoge Ausgangsspannungen, die abhängig sind von der durch die Ausnehmungen 17 fallenden Lichtmenge. Durch Drehung des Kodierelementes 14 wird die auf den Detektor 22 beziehungsweise 24 fallende Lichtmenge der Lichtquelle 15 beziehungsweise 18 und damit die Amplitude der Ausgangsspannung moduliert. Dadurch, dass die Ausnehmungen 17 die gleiche Form aufweisen, wird durch Drehung der Handhabe 11 ein bezogen auf den Drehwinkel periodisches Ausgangssignal an den Detektoren 22 und 24 erzeugt. Die Anzahl der Perioden im Ausgangssignal bei einer vollen Umdrehung der Handhabe 11 entspricht dabei der Anzahl der Ausnehmungen 17 im Kodierelement 14.
  • Die beiden Lichtschranken sind so angeordnet, dass die analogen Ausgangssignale der Detektoren 22 und 24 eine unterschiedliche elektrische Phasenlage aufweisen.
  • Dies bedeutet, dass die von ihrem Verlauf identischen Ausgangssignale gegeneinander verschoben sind. Dadurch wird gewährleistet, dass der Drehwinkel und/oder die Drehrichtung der Handhabe 11 eindeutig ermittelt werden kann. Weist das Kodierelement beispielsweise 36 Ausnehmungen 17 auf, so wiederholt sich das Ausgangssignal der Detektoren 22 und 24 bei einer Drehung der Handhabe 11 um 10°.
  • Zur Erzielung eines phasenverschobenen Ausgangssignals ist der räumliche Abstand der Lichtschranken, bezogen auf die Welle 12, bei 36 symmetrischen Ausnehmungen 17 ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 5°. Dies liegt darin begründet, dass die Ausgangsspannung eines Detektors 22 oder 24 in jeder Periode mindestens ein Maximum und ein Minimum durchläuft. Die Lichtschranken sind so angeordnet, dass sich ihre Ausgangsspannungen nicht gleichzeitig in einem Extremum des Spannungsverlaufs befinden.
  • Bevorzugt sind die Ausgangssignale der Detektoren 22 und 24 elektrisch um 90° gegeneinander verschoben. Dies bedeutet, dass die Ausgangssignale bezogen auf den Drehwinkel der Handhabe 11 um ein Viertel desjenigen Winkels verschoben sind, mit dem sich die Ausnehmungen 17 im Kodierelement 14 wiederholen. Bei einem Kodierelement 14 mit 36 Ausnehmungen 17 beträgt der Abstand zwischen den Lichtschranken demnach 2,5°. Aufgrund der Periodizität der Ausnehmungen 17 kann zu diesem Abstand ein ganzzahliges Vielfaches des Abstandes der Ausnehmungen hinzuaddiert werden. Der Winkel zwischen den Lichtschranken kann demnach 2,5°, 12,5°, 22,5° und so weiter betragen.
  • In den 1 und 2 nicht dargestellt ist eine Auswerteelektronik, die aus den Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 24 der Lichtschranken anhand von hinterlegten Kennlinien den inkrementellen Drehwinkel und/oder die Drehrichtung der Handhabe 11 ermittelt.
  • 3 zeigt beispielhaft die Kennlinien der beiden Lichtschranken, die den Verlauf der Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 25 über den Drehwinkel der Handhabe 11 zeigen. Die Ausnehmungen 17 sind derart gestaltet, dass die Ausgangsspannungen einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Es sei wieder angenommen, dass das Kodierelement 14 wie im vorhergehenden Zahlenbeispiel 36 Ausnehmungen 17 aufweist. Damit entspricht eine Periode der Sinusspannung einer Drehung der Handhabe 11 um 10°. Die beiden Lichtschranken sind derart angeordnet, dass die Ausgangsspannungen ihrer Detektoren 22 und 24 um einen Drehwinkel von 182,5° gegeneinander verschoben sind. Aufgrund der Periodizität der Ausnehmungen 17 führt dies zu einer Verschiebung der relativen elektrischen Phasenlage der Ausgangsspannungen um 90°.
  • Zunächst befindet sich die Handhabe 11 in einer Drehstellung S1. Die Ausgangsspannung des Detektors 22 in dieser Drehstellung entspricht U2, die Ausgangsspannung des Detektors 24 der Spannung U1. Wird die Handhabe in die Position S2 gedreht, so fällt die Ausgangsspannung des Detektors 22 auf U1 und die Ausgangsspannung des Detektors 24 steigt auf U2. Aus den Kennlinien und den Spannungsänderungen der Detektoren 22 und 24 erkennt eine Auswerteelektronik, dass die Handhabe 11 um 2,5° gedreht wurde.
  • Wird die Handhabe 11 aus der Stellung S1 in die andere Richtung in Stellung S3 gedreht, so fällt die Ausgangsspannung des Detektors 22 ebenfalls auf U1, die Ausgangsspannung des Detektors 24 steigt jedoch nicht auf U2, sondern sinkt auf U0. Aus den Kennlinien und den Spannungsänderungen ermittelt die Auswerteelektronik, dass die Handhabe 11 wieder um 2,5° gedreht wurde, diesmal jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Bei einer entsprechend genauen Auswertung der Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 24 lassen sich beliebig kleine Drehwinkel der Handhabe 11 detektieren. Die absolute Drehstellung der Handhabe 11 ist durch Integration der inkrementellen Drehwinkel bestimmbar.
  • 4 zeigt ebenfalls die Kennlinien für zwei Lichtschranken in Form der Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 24 über dem Drehwinkel der Handhabe 11 bei einem Kodierelement 14 mit 36 Ausnehmungen 17. Diesmal ist die Form der Ausnehmungen 17 so gewählt, dass die Ausgangsspannungen einen dreieckförmigen Verlauf aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass keine vollständige Kennlinie in der Auswerteelektronik hinterlegt werden muß. Zwischenwinkel lassen sich durch Interpolation zwischen der minimalen und maximalen Ausgangsspannung der Detektoren 22 beziehungsweise 24 ermitteln. Die Bestimmung des inkrementellen Drehwinkels aus den Ausgangsspannungen der Lichtschranken erfolgt wie vorstehend anhand der Kennlinien in 3 beschrieben.
  • Prinzipiell können die Ausnehmungen 17 jede beliebige, auch eine asymmetrische Form annehmen. Die Auswerteelektronik enthält für die verwendete Form der Ausnehmungen 17 entsprechende Kennlinien der Ausgangsspannungen der Lichtschranken über dem Drehwinkel.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt eines Drehstellers 30. Dargestellt sind eine Welle 31 und ein mit der Welle 31 drehfest verbundenes Kodierelement 32, das wieder als Hohlzylinder ausgebildet ist. Im Unterschied zu dem Drehsteller 10 aus den 1 und 2 sind die Ausnehmungen jedoch nicht mitten in der Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet, sondern als dreieckförmige Ausnehmungen 33 an einem Ende des Hohlzylinders. Diese Ausgestaltungsform ermöglicht eine besonders einfache und kosteneffiziente Herstellung des Kodierelementes 32. Das Kodierelement 32 ist wiederum durch den Erfassungsbereich zweier Lichtschranken drehbar. Die erste Lichtschranke besteht aus einer Lichtquelle 34, einem vor der Lichtquelle angeordneten Diffusor 35 und einem Detektor 36. Die zweite Lichtschranke besteht aus einer Lichtquelle 37, einem Diffusor 38 und einem Detektor 39.
  • 6 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Drehstellers 40 mit programmierbarer Haptik. Der Drehsteller 40 wird über eine Handhabe 41 bedient, die drehfest mit einer Welle 42 verbunden ist. Die Welle 42 ist ebenfalls mit einem Winkelgeber 43 verbunden, der aus einem nicht dargestellten Kodierelement, mindestens einer nicht dargestellten Lichtschranke und einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteelektronik besteht. Der Winkelgeber 43 liefert einen inkrementellen Drehwinkel, wie es anhand der 1 bis 4 beschrieben wurde.
  • Durch eine Feedback-Elektronik 44 wird ein Steuersignal erzeugt, mittels dessen über eine Ansteuerelektronik 45 ein Aktor 46 betrieben wird. Bei dem Aktor 46 handelt es sich beispielsweise um eine mechanische Reibbremse, ein elektromagnetisches oder ein magnetorheologisches Bremselement. Mittels des Aktors 46 wird ein Bremsmoment erzeugt, das der Drehung der Handhabe 41 entgegensteht. Somit läßt sich eine Haptik erzeugen, die beispielsweise aus Rasten oder Anschlägen besteht.
  • Die Ansteuerelektronik 45 erzeugt aus dem Steuersignal der Feedback-Elektronik 44 ein Leistungssignal, das den Aktor 46 ansteuert. Bei der Ansteuerelektronik 45 handelt es sich im Wesentlichen um eine Verstärkerschaltung.
  • Die Feedback-Elektronik 44 erzeugt in Abhängigkeit des Drehwinkels und der Drehrichtung der Handhabe 41 ein Steuersignal zur Erzeugung eines Bremsmomentes durch den Aktor 46. Dabei ist die Zuordnung eines Bremsmomentes zu einem Drehwinkel und/oder einer Drehrichtung beliebig programmierbar. Insbesondere lassen sich Rasten erzeugen, deren Verteilung unabhängig ist von der Anzahl und der Form der Ausnehmungen im Kodierelement. Durch die hohe Winkelauflösung des Winkelgebers 43 ist eine große Anzahl von Rasten bei einer Umdrehung der Handhabe 41 realisierbar. Darüber hinaus läßt sich der Verlauf des Bremsmomentes innerhalb einer Rast beliebig gestalten.
  • In einer alternativen Ausgestaltungsform ist die Auswerteelektronik statt in den Winkelgeber 43 in die Feedback-Elektronik 44 integriert. Dadurch ist nur eine elektronisch Schaltung zur Auswertung der Ausgansspannungen der Lichtschranken und zur Erzeugung des Steuersignals für die Ansteuerelektronik notwendig.
  • 7 zeigt die Struktur einer alternativen Ausgestaltungsform eines Drehstellers 50. In Analogie zu dem Drehsteller 40 aus 6 ist eine Handhabe 51 über eine Welle 52 mit einem Winkelgeber 53 und einem Aktor 56 verbunden. Der Winkelgeber 53 stellt einer Feedback-Elektronik 54 den Drehwinkel und/oder die Drehrichtung der Handhabe 51 zur Verfügung. In Abhängigkeit dieser Daten erzeugt die Feedback-Elektronik 54 ein Steuersignal, das über die Ansteuerelektronik 55 an den Aktor 56 weitergeleitet wird, der ein entsprechendes Bremsmoment erzeugt, das der Drehung der Handhabe 51 entgegensteht. In einer alternativen Ausgestaltungsform ist die Auswerteelektronik statt in den Winkelgeber 53 in die Feedback-Elektronik 54 integriert. Dadurch ist nur eine elektronisch Schaltung zur Auswertung der Ausgansspannungen der Lichtschranken und zur Erzeugung des Steuersignals für die Ansteuerelektronik notwendig.
  • Darüber hinaus ist der Winkelgeber 53 direkt mit der Ansteuerelektronik 55 verbunden. Die Ansteuerelektronik 55 erhält vom Winkelgeber 53 die Ausgangsspannung des Detektors einer der Lichtschranken. Diese Ausgangsspannung wird also über die Ansteurelektronik 55 als Steuersignal für den Aktor 56 verwendet, das aufgebrachte Bremsmoment ist direkt abhängig von der Ausgangsspannung des Detektors der Lichtschranke. Somit lassen sich mittels des Aktors 56 ohne Zwischenschaltung der Feedback-Elektronik 54 Rasten erzeugen, wobei die Anzahl der Rasten der Anzahl der Ausnehmungen im Kodierelement entspricht. Mittels der Feedback-Elektronik 54 lässt sich das Bremsmoment zusätzlich beeinflussen, beispielsweise zur Erzeugung eines Anschlags oder einer exponierten Rast, wie einer Mittenrast.
  • Prinzipiell lässt sich durch Verwendung von mehr als zwei Lichtschranken das Auflösungsvermögen und die Zuverlässigkeit des Winkelgebers weiter erhöhen, beispielsweise indem ein Rauschen des Detektorsignals herausgemittelt wird. Die Phasenlagen der Ausgangssignale der zusätzlichen Lichtschranken ist dabei beliebig.
  • Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, einen inkrementellen Drehwinkel nicht durch Zählung diskreter Impulse zu ermitteln, sondern durch Auswertung der analogen Ausgangsspannung eines Winkelgebers eine hohe Winkelauflösung zu erzielen. Die Erzeugung einer amplitudenmodulierten Ausgangsspannung mittels einer Lichtschranke, in deren Erfassungsbereich sich ein Kodierelement mit Ausnehmungen dreht, ist daher nur beispielhaft zu verstehen. So ist ein analoges Ausgangssignal beispielsweise auch mittels eines magnetischen oder kapazitiven Drehwinkelsensors erzeugbar.

Claims (11)

  1. Drehsteller (10, 30, 40, 50) mit inkrementellem Drehwinkelgeber (43, 53) für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Handhabe (11, 41, 51), einer mit der Handhabe (11, 41, 51) verbundenen Welle (12, 31, 42, 52), die in einem Gehäuse (13) des Drehstellers (10, 30, 40, 50) aufgenommen ist, einem drehfest an der Welle (12, 31, 42, 52) befestigten Kodierelement (14, 32), das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen (17, 33) versehen ist, sowie mindestens einer Lichtschranke bestehend aus einer Lichtquelle (15, 18, 34, 37) und einem Photosensor (22, 24, 36, 39), wobei – die Lichtschranke mit dem Kodierelement (14, 32) derart zusammenwirkt, dass die auf den Photosensor (22, 24, 36, 39) treffende Lichtmenge abhängig ist von der Drehstellung des Kodierelementes (14, 32) in Bezug auf die Lichtschranke, – mittels des Photosensors (22, 24, 36, 39) eine von der auf den Photosensor (22, 24, 36, 39) einfallenden Lichtmenge abhängige analoge Ausgangsspannung erzeugbar ist und – mittels einer Auswerteelektronik dem Verlauf der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel des Drehstellers (10, 30, 40, 50) zuordenbar ist.
  2. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in der Auswerteelektronik hinterlegte Referenzkennlinie zur Zuordnung eines Drehwinkels zu einer Ausgangsspannung des Photosensors (22, 24, 36, 39).
  3. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei Lichtschranken, die derart angeordnet sind, dass die Ausgangsspannungen ihrer Photosensoren (22, 24, 36, 39) eine Phasenverschiebung aufweisen, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180 Grad ist.
  4. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kodierelement (14, 32) als Scheibe oder Kreisring ausgebildet ist und die Ausnehmungen (17, 33) auf einer Kreisbahn der Scheibe oder des Kreisrings angeordnet sind.
  5. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kodierelement (14, 32) als Hohlzylinder ausgebildet ist und die Ausnehmungen (17, 33) am Umfang des Hohlzylinders angeordnet sind.
  6. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen vor der Lichtquelle (15, 18, 34, 37) angeordneten Diffusor (16, 19, 35, 38).
  7. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein vor der Lichtquelle (15, 18, 34, 37) angeordnetes Mittel zur Parallelisierung der Lichtstrahlen.
  8. Drehsteller (10, 30, 40, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine vor dem Photosensor (22, 24, 36, 39) angeordnete Sammellinse (23, 25).
  9. Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen Welle, die in einem Gehäuse des Drehstellers aufgenommen ist, sowie einem magnetischen oder kapazitiven Drehwinkelgeber, wobei – mittels des magnetischen oder kapazitiven Drehwinkelgebers eine vom Drehwinkel der Welle abhängige analoge Ausgangsspannung erzeugbar ist und – mittels einer Auswerteelektronik dem Verlauf der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel des Drehstellers zuordenbar ist.
  10. Verfahren zur Bestimmung eines inkrementellen Drehwinkels eines Drehstellers (10, 30, 40, 50) mit den Verfahrensschritten – drehen eines direkt oder indirekt mit einer Handhabe (11, 41, 51) des Drehstellers (10, 30, 40, 50) verbundenen, mit periodischen Ausnehmungen (17, 33) versehenen Kodierelementes (14, 32) im Erfassungsbereich mindestens einer Lichtschranke – modulieren des von einem Photosensor (22, 24, 36, 39) der Lichtschranke empfangenen Lichts durch das Kodierelement (14, 32), – erzeugen einer analogen Ausgangsspannung im Photosensor (22, 24, 36, 39) in Abhängigkeit der Menge des empfangenen Lichts, sowie – Bestimmung des Drehwinkels durch Vergleich des Verlaufs der Ausgangsspannung des Photosensors (22, 24, 36, 39) mit einer hinterlegten Kennlinie.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Ausgangsspannung des Photosensors (22, 24, 36, 39) einer zweiten Lichtschranke die Drehrichtung der Handhabe (11, 41, 51) eindeutig bestimmt wird.
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