DE3829545A1 - Positionsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Positionsgeber mit einem bezüglich einer Abtastvorrichtung bewegbaren Codie­ rungsträger, auf dem in Form von Bereichen mit zwei unter­ schiedlichen physikalischen Eigenschaften binäre Informa­ tionen auf mehreren parallelen Spuren vorgesehen sind, wo­ durch jeder Position ein Codewort zugeordnet ist, und bei welchen die Informationen so codiert sind, daß sich bei Übergang von einer Position zu einer benachbarten Position der Binärwert bloß in einer Spur ändert.

Positionsgeber, die Codestreifen oder Codescheiben verwenden, sind bekannt. Die Abtastvorrichtung tastet hierbei die Spuren parallel ab und liefert ein Codewort, daß einer bestimmten Position entspricht. Je nach Ausbildung der Bereiche mit phy­ sikalisch unterschiedlichen Eigenschaften erfolgt im allge­ meinen eine elektrische oder optische Abtastung, z. B. durch Abtastung elektrisch leitender und nichtleitender Bereiche oder Abtastung lichtdurchlässiger bzw. nichtdurch­ lässiger Bereiche mittels Lichtquellen und Photodioden etc.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß der Begriff "Bereiche mit zwei unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften" im weitesten Sinne zu verstehen ist und beispielsweise auch Metallflächen mit zwei unterschiedlichen Potentialen oder unterschiedlichen elektrischen Signalen umfassen soll. In diesem Fall entstehen die "unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften" der Bereiche erst durch Anlegen unterschied­ licher Spannungen bzw. Signale.

Will man bei Weg- oder Winkelrückmeldern, hier allgemein Posi­ tionsgeber genannt, Fehlmeldungen bei Zwischenstellungen ver­ meiden, so muß eine Codierusng in sogenannten einschrittigen Codes erfolgen, wobei sich bei Übergang von einer Position zu einer benachbarten Position der Binärwert bloß einer Spur ändert. Wenn nämlich z. B. eine Codescheibe bezüglich der Ab­ tastvorrichtung, bei der es auch Grenzen hinsichtlich der Justiergenauigkeit gibt, zwischen zwei Positionen stehen bleibt, können auf einigen Spuren Binärwerte einer Position und auf einigen Spuren Binärwerte der benachbarten Position erfaßt werden. Wählt man die beschriebene Codierung, so kann dennoch nur eine der beiden benachbarten Positionen und nicht eine andere Position angezeigt werden. Solche Posi­ tionsgeber gehören zum Stand der Technik (vgl. Steinbuch, Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung, Springer Verlag, 1962, Seiten 73 und 761 oder EP-A2 02 12 128).

Es können aber auch andere Gründe für Fehlinformationen vor­ liegen, z. B. Ausfall einer Photodiode bei photoelektrischer Abtastung, Kontaktierungsfehler bei Abtastung über Schleif­ kontakte, Einstreuungen bei Abtastung durch Kapazitätsmessung etc. Hierbei kann es zu völlig falschen Positionsmeldungen kommen.

Eine optische Codierscheibe für sehr hohe Auflösung, bei welcher natürlich codierte Spuren und Gray-Codespuren ver­ wendet werden, ist beispielsweise aus der CH-PS 6 58 561 be­ kannt geworden. Hierbei dienen die Gray-Codespuren als Grob­ spuren und die übrigen Spuren als Feinspuren. Obwohl der Aufwand zur Auswertung der Signale der Abtastvorrichtung sehr groß ist, ist keine Fehlererkennung möglich oder vorgesehen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Positionsgebers, der es ermöglicht, daß die oben angesprochenen Fehler er­ kannt werden können, die Vorteile der Verwendung eines ein­ schrittigen Codes jedoch erhalten bleiben.

Es scheint zunächst naheliegend, einen der bekannten, redun­ danten und fehlererkennenden Codes zu verwenden. Bei solchen Codes muß der Hamming-Abstand in einem n-dimensionalen Raum (bei n-stelligen Codewörtern) zwischen zwei Codewörtern min­ destens 2 sein. Dieser Abstand läßt sich bequem in einem Karnaugh-Diagramm des Codes ablesen (vgl. hierzu Steinbuch a.a.O.).

Die Forderung nach Fehlererkennung steht jedoch im Widerspruch zur Forderung nach einem einschrittigen Code (z. B. einem Gray-Code), der sich im Karnaugh-Diagramm als "Schlange" darstellt, die sich an mehreren Stellen berührt, so daß der Hamming-Abstand von 2 nicht eingehalten ist.

Das Ziel der Erfindung läßt sich mit einem Positionsgeber der eingangs genannten Art erreichen, bei welchem erfin­ dungsgemäß bei Übergang von einer Position zu jeder anderen nicht benachbarten Postion die Binärwerte in mindestens zwei Spuren ändern.

Ein solcher Positionsgeber besitzt neben dem bereits erwähn­ ten Vorteil, der einschrittigen Codes zukommt, die Möglich­ keit der Fehlererkennung, was in vielen Anwendungsfällen von großer Bedeutung ist.

Eine weitere Erhöhung der Fehlersicherheit läßt sich errei­ chen, wenn in keiner Position die Binärwerte sämtlicher Spu­ ren gleich sind.

Insbesondere bei Anwendung kapazitiver Abtastverfahren emp­ fiehlt es sich, wenn die Bereiche mit der ersten bzw. zweiten physikalischen Eigenschaft über sämtliche Spuren des Codie­ rungsträgers jeweils eine zusammenhängende Fläche bilden. In diesem Fall ist je durchgehenden, z. B. aus einem Metall­ belag bestehenden Bereich bloß eine Kontaktierung erforder­ lich, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird.

Eine Variante der Erfindung mit kreisförmiger Codierscheibe und geschlossenen Spuren zur Angabe von Winkelpositionen zeichnet sich dadurch aus, daß die höchstwertigste Position der niederwärtigsten Position benachbart ist und sich diese beiden Positionen bloß um ein Bit unterscheiden.

Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 einen Winkelpositionsgeber nach dem Stand der Technik, Fig. 2 daß zu der Codierscheibe nach Fig. 1 gehörige Karnaugh- Diagramm, Fig. 3 ein Karnaugh-Diagramm eines für einen Positionsgeber nach der Erfindung anwendbaren Codes, Fig. 4 einen Codierungsträger für einen Positionsgeber nach der Erfindung, Fig. 5 und Fig. 6 zwei Beispiele von Codierungs­ scheiben für einen Positionsgeber nach der Erfindung und Fig. 7 in schematischer Darstellung Signalverlauf und Signalabtastung bei Verwendung eines Positionsgebers nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Winkelpositionsgeber nach dem Stand der Technik, der eine vierspurige Codierscheibe 1 aufweist. Auf dieser sind entsprechend dem hier angewandten Gray-Code Be­ reiche mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften vorgesehen, z. B. leitende und nicht-leitende Flächen. Eine Abtastvorrichtung 2 kann auf jeder der vier Spuren die Art des eben vorliegenden Bereiches feststellen und ein entspre­ chendes Signal an eine Auswerteschaltung 3 abgeben, welche die binären Signale (im vorliegenden Fall vier) beispiels­ weise in eine Dezimalzahl umwandelt. Im gezeigten Beispiel befindet sich die Position Null (0000) im Bereich der Ab­ tastvorrichtung, die nach dem Prinzip der optischen Abtastung arbeiten kann.

Mittels der gezeigten Codierscheibe 1 kann zwischen 16 Posi­ tionen, entsprechend 16 Codewörtern unterschieden werden. Die zu dem hier verwendeten Gray-Code gehörige Darstellung in einem Karnaugh-Diagramm ist in Fig. 2 zu sehen. Daraus geht hervor, daß nicht nur eine stellenweise, sondern eine durchgehende Berührung der "Codeschlange" vorliegt, so daß eine Fehlererkennung unmöglich ist.

Weiter ist sowohl Fig. 1 als auch Fig. 2 zu entnehmen, daß der höchste Wert (1000=15) neben dem niedrigsten Wert (0000=0) liegt, was bei Winkelpositionsgebern meist erforderlich ist. Für Positionsgeber, die Fehler erkennen sollen, sind somit Ausführungen nach dem Stand der Technik nicht geeignet. Hierzu kommt noch, daß im Störungsfall leicht alle Bits den Wert 0 oder 1 annehmen können, wodurch irri­ gerweise nicht gegebene Positionen (im Beispiel nach Fig. 1 und 2 die Positionen 0 bis 10) angezeigt würden.

Wie leicht gezeigt werden kann, würde die Einführung einer Paritätskontrolle durch ein zusätzliches Paritätsbit dem Gray-Code seine grundsätzliche Eigenschaft (einschrittig) nehmen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Positionsgeber so ausgebildet, daß die Codewörter des Codierungsträgers im Karnaugh-Diagramm eine Codeschlange bilden, die sich nirgend­ wo berührt (z. B. Fig. 3).

Tritt bei diesem Code ein falsches Bit auf, so wird es ent­ weder erkannt oder schlechtestenfalls wird dadurch ein Codewort entstehen, das dem benachbarten Zahlenwert entspricht. Der dabei entstehende Fehler kann daher maximal eine Einheit sein, was fast immer tolerierbar ist. Weiter sind die Codewörter 0000 und 1111 nicht zugelassen. Somit werden die Vorteile eines einschrittigen Codes, wie des Gray-Codes, mit den Vorteilen der Fehlererkennung kombiniert. Anders ausgedrückt, müssen sich die Binärwerte bei Übergang von einer Position zu jeder anderen, nicht be­ nachbarten Position mindestens in zwei Spuren ändern.

Ein Beispiel eines bei einem Positionsgeber nach der Erfin­ dung verwendbaren Codes mit acht Schritten und Fehlererken­ nung ist in dem Karnaugh-Diagramm nach Fig. 3 dargestellt. Man erkennt die geschlossene und sich nirgendwo berührende Codeschlange deutlich. Ein diesem Code entsprechender Codie­ rungsträger 4 für einen linearen Positionsgeber ist in Fig. 4 dargestellt.

Die Darstellung entsprechender Codes für mehr als 4 Bits in einem mehrdimensionalen Karnaugh-Diagramm wird naturgemäß unanschaulich. Außerdem konnte bisher keine geschlossene Darstellung der nach der Erfindung erforderlichen Codes ge­ funden werden. Es ist jedoch möglich, mit Hilfe verschiede­ ner Algorithmen und eines Rechners Codes zu finden, welche die Eigenschaften aufweisen müssen, daß

• a) benachbarte Positionen sich nur um ein Bit unterscheiden dürfen ("Codeschlange")
• b) sich die höchstwertige Position (Codewort) von der niederwertigsten Position nur um ein Bit unterscheiden darf (Codeschlange "geschlossen"), was nur für Winkel­ positionsgeber zwingend erforderlich ist
• c) bei Änderung eines beliebigen Bits in einem beliebigen Codewort (Position) kein anderes gültiges Codewort ent­ stehen darf, außer jenen beiden Codewörtern, die der nächsthöheren oder nächstniedrigen Position entsprechen ("nicht berührende" Codeschlange)
• d) Codewörter verboten sind, die nur aus gleichen Binärwerten bestehen (0000 . . . und 1111 . . . sind verboten).

Bei der Abfassung eines geeigneten Suchalgorithmus wird man darauf achten, ein möglichst schnelles Programm zu ent­ wickeln, da der Rechenaufwand mit steigender Wortlänge unge­ heuer ansteigt.

Die Eigenschaften b) und d) lassen sich in einem Programm durch einfaches Abfragen verwirklichen, die Abfrage auf "Berührung" gemäß c) ist etwas aufwendiger, läßt sich jedoch auch in nur 4 Programmzeilen ablegen (z. B. in der Programmier­ sprache C). Die Forderung a) wird durch eine entsprechend ge­ wählte Hierarchie der "for"-Schleifen automatisch erfüllt. Eine rekursive Programmierung, d. h. die Verwendung sich immer wieder selbst aufrufender Prozeduren, ist von Vorteil. Jeden­ falls läßt sich ein effizientes Programm erstellen, das nur wenige Zeilen Umfang hat.

Bei größerer Wortlänge wird die maximale Wortanzahl - ver­ glichen mit der Wortanzahl bei Paritätskontrolle - geringer, ein Nachteil, der in Hinblick auf die Möglichkeit der Fehler­ erkennung gerne in Kauf genommen wird. Die folgende Tabelle soll einen Überblick über praktisch errechnete Codestrukturen für den erfindungsgemäßen Positionsgeber ermöglichen. In der Spalte ganz rechts sind zum Vergleich Codes mit Paritätskon­ trolle angegeben.

Während die Rechenzeiten (bei einem verhältnismäßig leistungs­ starken Rechner) bis zu einer Wortlänge von 6 Bit unter einer Minute liegen, steigen sie bei größerer Wortlänge rasch an. Für eine 11-Bit-Wortlänge beträgt dann die Rechenzeit bereits mehr als drei Tage. Die obige Tabelle ist nicht erschöpfend, da bei größeren Wortlängen die Rechenzeit beschränkt wurde bzw. die Rechnung nach vorliegenden brauchbaren Ergebnissen abgebrochen wurde.

Eine für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Positionsgeber zur Anzeige von Winkeldarstellungen berechnete Codierscheibe ist in Fig. 5 dargestellt. Es handelt sich um eine 8-spurige (8-Bit) Codierscheibe mit einer Auflösung von 82 Schritten, entsprechend etwa 4,4°.

Bei elektrischer bzw. kapazitiver Abtastung des Codierungs­ trägers ist es oft zweckmäßig, einen oder beide Bereiche, welche die binären Zustände (0,1) definieren, als leitende Oberflächen auszubilden, die auf unterschiedlichem Potential liegen bzw. die verschiedene Signale führen. Zur Einspeisung der Signale oder Potentiale ist es dann zweckmäßig, wenn jeder der beiden Bereiche über sämtliche Spuren eine durch­ gehende Fläche bildet. Ein Beispiel für eine in diesem Sinne ausgebildete Codierungsscheibe, bei der auch die übrigen, weiter oben genannten Bedingungen erfüllt sind, ist in Fig. 6 dargestellt.

Der Verlust an Auflösung bei einer bestimmten Anzahl von Spu­ ren gegenüber einem Gray-Code ist durch die Fehlersicherung bedingt, die auch dort notwendig ist, wo z. B. längere Über­ tragungswege zwischen Abtasteinrichtung und Auswertschaltung vorliegen. Dies ist z. B. in Kraftfahrzeugen der Fall, wenn die Position bewegter Teile einem zentralen elektronischen Regler gemeldet werden soll und Einstreuungen auf Leitungen besonders leicht möglich sind. Die Auswertung der Signale der Abtastvorrichtung kann in einem solchen Fall in dem elek­ tronischen Regler vorgenommen werden, der üblicherweise lei­ stungsfähige Mikrorechner mit genügend Kapazität für Neben­ aufgaben enthält.

Eine derartige Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt. Auf einer Welle 6 sitzt eine Codierscheibe 7, der Spuren mittels einer Abtastvorrichtung 8 z. B. optoelektrisch abgetastet werden. In einer Aufbereitungseinrichtung 9, die jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, können die der codierten Position der Scheibe 7 entsprechenden Binärwerte z. B. durch Verstärkung und/oder Impulsformung zu besser übertragbaren Signalen geformt werden. Diese Signale werden über einen Übertragungskanal 10 zu einer Datenverarbeitungseinheit 11 geführt, in der bei Bedarf eine weitere Aufbereitungsein­ richtung 12 vorgesehen sein kann, welche die Signale in eine Form bringt, die von üblichen Rechnern bzw. Mikrorechnern problemlos verarbeitet werden kann. Beide Aufbereitungsein­ richtungen 9, 12 können bei bestimmten Abtastsystemen und/ oder einem kurzen Übertragungskanal entfallen.

Die Decodierung und Fehlererkennung kann mit Hilfe eines Mikrorechners sehr einfach erfolgen. In einem vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher 13 (z. B. ROM oder EPROM) sind die Codes in der Weise abgelegt, daß als Adressen alle möglichen Kombinationen der Binärwerte dienen, die von der Abtastvor­ richtung 8 geliefert werden. Auf dieser Adresse steht dann der entsprechende Positionswert in der gewünschten Darstellung. Alle Adressen, die "verbotenen" Binärwertkombi­ nationen entsprechen, also einen Fehler detektieren, sind mit einem Fehlerzeichen versehen. Im Karnaugh-Diagramm nach Fig. 3 sind alle jene Binärwertkombinationen "verboten", durch die die Codeschlange nicht hindurchgeht. Mit Pfeilen 14 sind symbolisch Störungen angedeutet, die an verschie­ denen Stellen auftreten und zu fehlerhaften Codeworten führen können.

Claims (4)

1. Positionsgeber mit einem bezüglich einer Abtastvorrich­ tung bewegbaren Codierungsträger, auf dem in Form von Bereichen mit zwei unterschiedlichen physikalischen Eigen­ schaften binäre Informationen auf mehreren parallelen Spuren vorgesehen sind, wodurch jeder Position ein Codewort zugeordnet ist, und bei welchem die Informationen so codiert sind, daß sich bei Übergang von einer Position zu einer be­ nachbarten Position der Binärwert bloß in einer Spur ändert, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Übergang von einer Po­ sition zu jeder anderen nicht benachbarten Position die Bi­ närwerte in mindestens zwei Spuren ändern.

2. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in keiner Position die Binärwerte sämtlicher Spuren gleich sind.

3. Positionsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bereiche mit der ersten bzw. zweiten physikalischen Eigenschaft über sämtliche Spuren des Codie­ rungsträgers jeweils eine zusammenhängende Fläche bilden.

4. Positionsgeber mit einer kreisförmigen Codierscheibe und geschlossenen Spuren zur Angabe von Winkelpositionen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die höchst­ wertigste Position der niederwärtigsten Position benachbart ist und sich die Binärwerte diese beiden Positionen bloß in einer Spur unterscheiden.