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Digitaler Positionsgeber
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Positionsgeber
nach der Gattung des Hauptanspruches.
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Aus der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 0 007 267 ist
bereits ein digitaler Positionsgeber zur Erfassung einer Longitudinalbewegung bekannt.
Bei diesem bekannten Positionsgeber ist eine Reihe von lichtaussendenden Elementen
einer Reihe von lichtempfindlichen Elementen zugeordnet, zwischen denen eine Blendenanordnung
mit Ausbrüchen in Form eines logischen Musters verschieblich angeordnet ist. Bei
Auslenkung dieser Blendenanordnung wird jeweils ein Teil der lichtaussendenden Elemente
verdeckt, so daß an den lichtempfindlichen Elementen ein der jeweiligen Stellung
zugeordnet es Bitmuster abnehmbar ist.
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Es ist weiterhin aus der DE-OS 27 46 445 ein Stellungsdetektor bekannt,
bei dem auf einer sich drehenden kreisförmigen Scheibe Kontaktbahnen in Form eines
logischen Musters aufgebracht sind, die über zwei Schleifer abtastbar sind, wobei
auf diese Weise ein den Endstellu-ngen. des Stellungsdetektors entsprechendes digitales
Signal an den Schleifer abnehmbar ist.
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Die bekannten Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß die jeweiligen
Markierungen mehrspurig aufgebracht sind, so daß sich insgesamt ein komplizierter
Aufbau des Sensors ergibt.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Positionsgeber mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß
eine einspurige Markierung Verwendung findet, wodurch der Aufbau des Gebers unkompliziert
wird und geringe bauliche Abmessungen erzielbar sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Positionsgebers möglich. So kann
der erfindungsgemäße Positionsgeber in vorteilhafter Weise zur Umsetzung von translatorischen
oder rotatorischen Bewegungen verwendet werden, wobei im letzteren Anwendungsfall
(Drehgeber) zweckmaßigerweise ein zyklischer Code für die Anordnung der Markierungen
Verwendung findet. Auf diese Weise ist es in vorteilhafter Weise möglich, Drehzahlen,
Winkelstellungen, Bezugsmarken oder dergleichen von drehenden Teilen,-beispielsweise
einer
Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu erfassen und it g
der so erhaltenen Parametern die Brennkraftmaschine zu steuern.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind zusätzliche
Aufnahmeelemente an einem bewegten Teil angeordnet, wodurch nicht nur das der jeweiligen
Position zugeordnete Bitmuster sondern auch noch zusätzliche Bitmuster erfaßbar
sind, die zur Funktionsprüfung des erfindungsgemäßen Positionsgebers ausgewertet
werden.
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Zeichnung Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Positionsgebers zur Erfassung translatorischer Bewegungen;
Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionsgebers zur
Erfassung rotatorischer Bewegungen; Figur 3 eine schematische Darstellung der Ermittlung
eines geeigneten Codes für die Markierungen des erfindungsgemäßen Positionsgebers
bei zwei Aufnahmelementen; Figur 4 eine weitere derartige schematische Darstellung
für vier Aufnahmeelemente.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist mit 10 ein Teil,
beispielsweise ein Maschinenteil und mit 11 ein anderes Teil bezeichnet, wobei die
beiden Teile 10, 11 in transversaler Richtung zueinander verschieblich angeordnet
sind, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Dabei befinden sich auf dem einen
Teil 10 Markierungen 12 und auf dem anderen Teil 11 diesen Markierungen 12 zugeordnete
Aufnahmeelemente 13, wobei die
Anzahl der Aufnahmeelemente 13 geringer
ist als die der Markierungen 12. Die Aufnahmeelemente 13 sind mit einer Dekodierschaltung
14 verbunden, die sich in oder an dem anderen Teil 11 befindet.
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Die Markierungen 12 sind als logische Markierungen ausgebildet, wie
dies in Figur 1 durch die schraffierten und nicht schraffierten Abschnitte angedeutet
ist. Dabei bedeutet etwa ein schraffierter Abschnitt eine logische 1 und ein nicht
schraffierter Abschnitt eine logische 0.
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Die in Figur 1 dargestellten Markierungen 12 weisen damit den logischen
Code 110011 auf. In dieser Konfiguration sind vier verschiedene Positionen des einen
Teils 10 gegenüber dem anderen Teil 11 möglich, in denen den drei Aufnahmeelementen
13 jeweils Markierungen 12 mit unterschiedlichem Bitmuster gege.nüberstehen. In
der in Figur 1 dargestellten Position ist dies das Bitmuster 100. Weiterhin ist
eine Position um einen Schritt nach links mit dem Bitmuster 110 sowie zwei Positionen
nach rechts mit den Bitmustern 001 und 011 möglich. Dies bedeutet, daß bei dem gewählten
Code der Markierungen 12 in jeder Position der Teile 10, 11 zueinander ein unterschiedliches
Bitmuster erkennbar wird. Dies wird durch geeignete Wahl des Codes der Markierung
12 erzielt, wie dies weiter unten zu den Figuren 3 und 4 im einzelnen erläutert
wird.
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Bei den erfindunsgemäßen Positionsgebern ist es möglich, für die Markierungen
12 und die Aufnahmelemente 13 geeignete Anordnungen zu verwenden, beispielsweise
optische Markierungen 12 und fotoelektrische Aufnahmeelemente 13 oder magnetische
Markierungen 12 und induktive Aufnahmeelemente 13 bzw. Hall-Elemente oder Reed-Schalter,
weiterhin ist es möglich, geeignete Markierungen 12 mit Hilfe
einer
ernsehkamera abzutasten und schließlich können die Markierungen 12 durch leitende/nichtleitende
Abschnitt realisiert werden, denen als Schleifer ausgebildete Aufnahmeelemente 13
gegenüberstehen. Diese Ausführungsformen für die Markierungen 12 und die Auftahteelemente
13 sind selbstverständlich nur beispielhaft genannt, es versteht sich von stlsst,
daß auch weitere, im Stand der Technik bekannte Ausführungsformen verwendet werden
können.
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Bei dem in Figur 2 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Positionsgebers ist wiederum ein Teil 20 einem anderen Teil 21
gegenüber angeordnet, wobei jedoch in diesem Falle das eine Teil 20 rotatorisch
bewegbar ist. Demzufolge sind die Markierungen 22 auf dem einen Teil 20 auf dessen
Umfang verteilt angebracht, während die zugehörigen Aufnahmeelemente 23 auf dem
anderen Teil 21 tangential angeordnet sind, d.h. das eine Teil 20 auf dessen Umfang
umfassen. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei 16 Markierungen
22 vier Aufnahmeelemente 23 zugeordnet, diese wie bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend
Figur 1 mit einer Dekodierschaltung 24 verbunden sind. Zusätzlich zu den genannten
vier Aufnahmeelementen 23 sind noch zwei weitere Aufnahmeelemente 231, 232 vorgesehen,
die mit einer Prüfschaltung 25 verbunden sind, die mit der Dekodierschaltung 24
in Wirkungsverbindung steht.
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Bei dem Positionsgeber entsprechend Figur 2 stehen wiederum Markierungen
22 Aufnahmeelementen 23 gegenüber und zwar in der dargestellten Position in der
Weise, daß an den Aufnahmeelementen 23 das Bitmuster 0011 anliegt, wenn wiederum
die nicht schraffierten Bereiche mit logisch 0 und die schraffierten Bereiche mit
logisch 1 gleichgesetzt werden. Dreht sich das Teil 20
um eine Position
in Uhrzeigerrichtung, liegt an den Aufnahmeelementen 23 das Bitmuster 0001 an. Bei
einer Drehung um eine Position in Gegenuhrzeigerrichtung wäre das Bitmuster 0111
abnehmbar. Wie weiter unten im einzelnen ausgeführt ist dabei der Code der Markierungen
22 so ausgestaltet, daß an den Aufnahmeelementen 23 in jeder der 16 Positionen des
Teiles 20 ein unterschiedliches Bitmuster anliegt, wobei der Code zyklisch gestaltet
ist, so daß keine Übergangsstellen entstehen und eine kontinuierliche Erfassung
der Drehposition des Teiles 20 möglich ist. Dabei ist durch die 16 Markierungen
22 und die zugehörigen vier Aufnahmeelemente 23 eine feinere Unterteilung möglich,
als dies bei dem in Figur 1 dargestellten Positionsgeber möglich ist, wobei jedoch
betont sei, daß die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Codes der Markierungen
12 :bzw. 22 und die Anzahl der zugehörigen Aufnahmeelemente 13 bzw. 23 nur beispielhaft
dargestellt sind. So können selbstver-stãndlich die Markierungen 22 des Drehgebers
gemäß Figur 2 auch in die Ebene abgewickelt werden, so daß ein Positionsgeber gemäß
Figur 1 mit entsprechend feinerer Auflösung entsteht.
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Durch die zusätzlichen Aufnahmeelemente 231, 232 des Positionsgebers
gemäß Figur 2 ist es möglich, nicht nur das Bitmuster zu erfassen, das jeweils an
den Aufnahmeelementen 23 anliegt sondern darüber hinaus im dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei weitere Bitmuster nämlich bei der eingezeichneten Position die Muster 0111
und 1111. Durch diese Erfassung benachbarter Bitmuster kann die Funktion des erfindungsgemäßen
Positionsgebers in der Prüfschaltung 25 überwacht we-rden. Würde nämlich erkannt,
daß etwa eines der benachbarten Bitmuster gleich dem erkannten Bitmuster ist,
läge
ein Fehler vor, da erfindungsgemäß nach dem gewälten Code der Markierungen nur unterschiedliche
Bitmuster roglich sind.
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Die Gestaltung eines geeigneten Codes für die Markierungen 12 bzw.
22 der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Position'sge'ber soll nun anhand der
Figuren 3 und 4 erläutert werden. Dabei ist in Figur 3 der Fall berücksichtigt,
daß zwei Aufnahmeelemente vorgesehen sind. In diesem Fall geht man von der zweistelligen
Digitalzahl GO aus. Man schiebt nun jeweils die Stellen nach links, wobei auf die
freiwerdende rechte Stelle alternativ die Zahlen 0 oder 1 eingesetzt werden. Schiebt
man, ausgehend von der Zahl 00 wiederum die Zahl 0 nach, ergibt sich wiederum CC,
wie dies durch den geschlossenen Pfeil angedeutet ist. Schiebt man die Zahl 1 nach,
ergibt'sich die Zahl 01. Von der Zahl 01 ausgehend ergeben sich in entsprechender
Weise entweder die Zahl 11 oder die Zahl 10. Von 11 gelangt man entweder wiederum
zu 11 oder zu 10 und von 10 gelangt man entweder zu 01 oder zu 00, wie dies durch
die entsprechenden Pfeile in Figur 3 bezeichnet ist. Ein geeigneter Code für die
Markierungen 12, 22 läßt sich nun in der Weise gewinnen, daß eine geschlossene Schleife
der Pfeile in Figur 3 durchlaufen wird, wie dies bei spielhaft durch die dick ausgezogenen
Pfeile dargestellt ist, die alle auftretenden Zahlen 00, 01, 11, 10 umfassen. Der
Code ergibt sich nun aus der jeweils rechten Stelle und zwar in der Form 0110 oder
in zyklischer Darstellung ... 011001100110 ..., wie dies in der vierten Zeile in
Figur 3 rechts dargestellt ist. Es können jedoch auch kleinere Schleifen durchlaufen
werden, etwa die Schleife der Zahlen 01, 10, was zum Code ... 101010 ... entsprechend
der ersten Zeile in Figur 3 rechts führt. Bei dieser kürzeren Schleife mit nur zwei
Zahlen sind jedoch
auch nur ei unterschiedliche Positicnen erkenrsar.
S-ntsprechend ergeben sich für Schleifen rit drei Digitalzahlen die in Zeile zwei
und drei der Figur 3 rechts dargesWellten Codes, bei denen drei unterschiedliche
Positionen unterscheidbar sind. Bei dem eingangs erläuterten und in Zeile 4 dargestellten
Code sind entsprechend vier unterschiediche Positionen unterscheidbar.
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In Figur 4 ist das der Figur 3 entsprechende D£gramm für eine dreistellige
Binärzahl, entsprechend drei yfnaheelementen dargestellt. nie Verknüpfungen der
einzelnen Binärzahlen zueinander ergeben sich wiederum in der Weise, daß die einzelnen
Zahlen um eine Stelle nach links geschoben werden und die jeweils freiwerdende Stelle
alternativ wiederum durch eine logische 0 oder 1 besetzt wird. Es ergeben sich dabei
eine Vielzahl von geschlossenen Schleifen, beispielsweise die dick ausgezogenen
Pfeile, die den Code ... 01110100 ... ergeben, wie dies in Figur 4 unten aufgetragen
ist. Bei diesem Code sind mit drei Aufnahmeelementen acht unterschiedliche Positionen
erkennbar.
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Die in Figur 3 und 4 dargestellten Diagramme lassen sjch auch für
mehrstellige Digitalzahlen realisieren, wobei sich beispielsweise ein Code der Form
0000111101100101 ergibt, wie er mit vier Aufnahmeelementen im Positionsgeber entsprechend
Figur 2 realisiert ist und die Unterscheidung von 16 verschiedenen Positionen gestattet.
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In allgemeiner Form läßt sich jedoch ein derartiger Code für die Markierungen
12, 22 auch mit Hilfe eines Zufallsgenerators erzeugen, wie er beispielsweise in
der Zeitschrift Electronics, 27. Mai 1066, Seite 107 beschrieben ist. Bei dem dort
beschriebenen Schieberegister mit linearer Bückführung werden beispielsweise zwei
Stellen eines
parallelen ausganges auf ein Exklusiv-@DER-Gatten
geführt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Schieberegisters verbunaen ist. Legt
man nun Taktimpulse an das Schieberegister, wird immer dann eine 0 in das Schieberegister
eingeschriee, wenn die Exklusiv-ODER-Bedingung nicht erfüllt St und eine 1 dann,
wenn sie erfüllt ist. Auf diese Weise ist es möglich, mi einem zehnstufigen Schieberegister
eine Zufalls-Bitfolge von 1023 Bitlängen zu erzeugen, d.h. eine Bitfolge, die in
der gewünschten Weise keine sich wiederholenden Bitmust-er aufweist. Zur erzeugung
eines zyklischen Codes für einen Drehgeber entsprechend Figur 2 kann dann von einer
mehrstelligen Binärzahl entsprechend Figur 3 oder 4 ausgegangen werden, wobei die
jeweils von rechts nachzuschiebene Ziffer durch den Zufalls-Bitfolge bestimmt ist.
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Bei jedem Schritt, d.h. jedem neuen Einschreiben einer Zahl von rechts
ist dabei zu prüfen, ob die gesamte Binärzahl bereits einmal vorliegt, und damit
der Zyklus geschlossen ist.