DE4041491A1 - Sensor zur erzeugung von elektrischen signalen, welche die stellung eines objekts wiedergeben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erzeugung von elektrischen Signalen, welche die Stellung eines Objekts wiedergeben, insbesondere die Winkelstellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, wobei Inkrementalgeber durch Abtastung von periodisch wiederkehrenden Markierungen Zählimpulse und eine Richtungsinformation erzeugen.

Zur Messung der Stellung eines Objekts, beispielsweise der Drehlage einer Welle, ist es bekannt, auf einer mit der Welle verbundenen Scheibe, sogenannte Codebahnen aufzubringen, die beispielsweise optisch oder magnetisch abgetastet werden und codierte Signale liefern, die der jeweiligen Winkelstellung entsprechen. Dabei beinhalten die entstehenden digitalen Signale jeweils einen Absolutwert der Winkelstellung. Je größer dabei die gewünschte Auflösung ist, umso mehr parallele Spuren sind erforderlich. So erfordert beispielsweise eine Auflösung von 48 Stellungen bereits sechs Binärstellen, also sechs Spuren, und sechs optische bzw. magnetische Abtastelemente.

Um eine hohe Auflösung bei einer geringen Anzahl von Spuren und Abtastelementen zu erzielen, sind sogenannte Inkrementalgeber bekanntgeworden, bei denen pro Stellungs-Inkrement ein Impuls erzeugt wird, der einem Zähler zugeführt wird. Zur Unterscheidung der Bewegungsrichtung ist es bei diesen Inkrementalgebern bekannt, zwei phasenverschobene Spuren anzuordnen, die mit je einem Abtastelement abgetastet werden. Eine einfache Auswertung ergibt dann die Zählimpulse und zusätzlich eine Richtungsinformation für den Zähler.

Bei diesen bekannten Inkrementalgebern macht sich jedoch das Fehlen einer Information über die absolute Stellung nachteilig bemerkbar. So liegt beispielsweise nach dem Einschalten einer mit einem derartigen Inkrementalgeber versehenen Einrichtung keine Information über die absolute Stellung vor, wenn das Objekt beim Einschalten eine beliebige Stellung aufweist. Außerdem können durch Zählfehler Fehler bezüglich der absoluten Stellung auftreten. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen in Kraftfahrzeugen können jedoch derartige Fehler nicht zugelassen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor zur Erzeugung von elektrischen Signalen, welche die Stellung eines Objekts wiedergeben, vorzuschlagen, bei welchem mit einer geringen Anzahl von Spuren und Abtastelementen eine hohe Auflösung möglich ist und bei dem in genügendem Ausmaß Informationen über die absolute Stellung erzeugt werden.

Der erfindungsgemäße Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Abtastung weiterer Markierungen vorgesehen sind, die bei Bewegung des Objekts serielle Signale erzeugen, welche einen Absolutwert der Stellung beinhalten.

Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht in geringen Abständen bei der Relativbewegung zwischen der Codebahn und dem Abtastelement die Gewinnung einer Information über den Absolutwert, womit ein vorhandener Inkrementalzähler korrigiert werden kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die periodisch wiederkehrenden Markierungen auf zwei Spuren aufgebracht sind, wobei die Markierungen auf der einen Spur um im wesentlichen eine halbe Markierungsbreite gegenüber den Markierungen auf der anderen Spur phasenverschoben sind und daß eine weitere Spur die den Absolutwert beinhaltenden Markierungen und Stützpunktmarkierungen umfaßt, welche den Wortanfang bzw. das Wortende der seriellen Signale kennzeichnen.

Bei Erreichen einer Stützpunktmarkierung gemäß dieser Weiterbildung wird der seriell codierte Absolutwert der Stellung bei der Stützpunktmarkierung zugeordnet. Je weiter die Stützpunkte auseinander liegen, umso mehr Binärstellen können zur Bildung des Zahlenwertes herangezogen werden, und umso genauer läßt sich der Absolutwert auflösen.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine einfache Trennung der Stützpunktmarkierungen und der den Absolutwert beinhaltenden Markierungen dadurch, daß die Stützpunktmarkierungen auf der weiteren Spur an Stellen aufgezeichnet sind, an welchen eine logische Verknüpfung der periodisch wiederkehrenden Markierungen einen ersten Wert ergeben, und daß die den Absolutwert beinhaltenden Markierungen auf der weiteren Spur an Stellen aufgezeichnet sind, an welchen eine logische Verknüpfung der periodisch wiederkehrenden Markierungen einen zweiten Wert ergibt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Inkrementalgeber bei Bewegung des Objekts zwei gegeneinander phasenverschobene Impulsreihen erzeugen, daß die Mittel zur Abtastung der weiteren Markierungen den Absolutwert beinhaltende Signale erzeugen, wenn eine logische Verknüpfung der Impulsreihen einen ersten Wert ergibt und daß die Mittel zur Abtastung der weiteren Markierungen Stützpunktimpulse erzeugen, wenn eine logische Verknüpfung der Impulsreihen einen zweiten Wert ergibt.

Eine einfache schaltungstechnische Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors wird dadurch ermöglicht, daß mit Ausgängen der Inkrementalgeber und der Mittel zur Abtastung weiterer Markierungen eine an sich bekannte Codierschaltung verbunden ist, welche aus den Impulsreihen Zählimpulse und eine Richtungsinformation ableitet, die einem Zähler zuführbar sind, und daß ferner die Impulsreihen und die von den Mitteln zur Abtastung weiterer Markierungen erzeugten Signale einer Logikschaltung zuführbar sind, welche unter Auswertung der Impulsreihen die Stützpunktimpulse von den den Absolutwert beinhaltenden Signalen trennt, und daß die den Absolutwert beinhaltenden Signale einem Seriell-Parallel-Wandler zuführbar sind, der von den Stützpunktimpulsen synchronisiert wird.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der bei dem erfindungsgemäßen Sensor erzeugten Impulse und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Auswerteschaltung für den erfindungsgemäßen Sensor.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Da Einrichtungen zur Abtastung von Codebahnen durch die bekannten Inkrementalgeber und Winkelcodierer hinreichend bekannt sind, wird auf eine Darstellung und Erläuterung dieser bekannten Einrichtungen verzichtet. Das beschriebene Ausführungsbeispiel geht von drei Spuren aus, die von je einem Abtastelement abgetastet werden. Unter der Voraussetzung, daß die Abtastelemente wie üblich in einer Reihe quer zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, ergeben sich die in Fig. 1 dargestellten Impulse, deren Lage der Anordnung der zugehörigen Markierungen entspricht.

Die Impulsreihen A und B entsprechen denjenigen der bekannten Inkrementalgeber und sind gegeneinander um etwa 90° phasenverschoben. Die Impulse einer dieser Impulsreihen können unmittelbar zur Bildung eines angenommenen Absolutwertes gezählt werden, während die Zählrichtung dadurch bestimmt wird, daß mit vorgegebenen Flanken einer der Impulsreihen der jeweilige logische Pegel der anderen Impulsreihen abgetastet wird. Ist beispielsweise während der Vorderflanken der Impulsreihe B der logische Pegel der Impulsreihe A gleich H, so liegt eine der Bewegungsrichtungen vor, während bei einer entgegengesetzten Bewegung die in Fig. 1 als Rückflanken dargestellten Flanken der Impulsreihe B Sprünge von L auf H darstellen - also Vorderflanken sind. Während dieser Flanken ist jedoch der Wert der Impulsreihe A gleich L, was als Information für die umgekehrte Bewegungsrichtung gewertet wird.

Auf einer dritten Spur ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor durch entsprechende Markierungen ein Codesignal C aufgebracht. Dieses enthält in serieller Form mehrere Impulse CA, welche die Binärstellen der absoluten Stellung darstellen - in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, also den Wert 1010. Dieser Wert gilt für eine Stellung, die durch eine Stützpunktmarkierung CS gegeben ist, welche gleichzeitig für die folgende Auswertung der Codesignale den Wortanfang markiert.

Zur Unterscheidung zwischen Impulsen CS, welche einen Stützpunkt markieren, und der Codierung CA des Absolutwertes ist vorgesehen, daß die Stützpunktmarkierungen CS an Stellen der dritten Spur aufgezeichnet werden, neben denen die Markierungen für die Signale A und B beide den Wert H aufweisen. Die Codesignale CA sind auf der dritten Spur an denjenigen Stellen aufgezeichnet, neben denen die Markierungen für die Signale A und B die Werte L einnehmen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde der Übersichtlichkeit halber ein Codesignal zur Markierung der absoluten Stellung von wenigen, nämlich vier Binärstellen dargestellt. Bei der praktischen Ausführung der Erfindung wird jedoch eine Optimierung der Zahl der Binärstellen vorgenommen. Das Ergebnis ist abhängig von der Anzahl der Inkremente, die den gesamten Verstellbereich bilden. Werden beispielsweise für den Stellbereich einer Drosselklappe von etwa 90° 128 Inkremente vorgesehen, entspricht ein Inkrement einer Winkeländerung von weniger als 1°.

Für die Darstellung der absoluten Stellung ist hierbei eine Zahl mit sieben Binärstellen erforderlich; das Codesignal C ist also sieben Impulse A bzw. B lang. Daraus ergibt sich ein Abstand der Stützpunkte von mindestens α = 90° · 7/128 = 4,92°. Dieser Winkel reicht bei vielen Anwendungen aus, um genügend häufig einen Absolutwert zu erhalten. Durch kleinere Inkremente läßt sich dieser Winkel verkleinern. Bei 256 Inkrementen ergibt sich beispielsweise α = 2,8°, bei 512 Inkrementen α = 1,6°.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gibt der Sensor 1 wie ein bekannter Inkrementalgeber die phasenverschobenen Impulsreihen A und B ab. Außerdem wird von einer dritten Spur das Codesignal C gelesen. Die Signale A, B und C werden einem an sich bekannten Encoder 2 zugeführt, der an seinen Ausgängen 3, 4 Zählimpulse und ein Richtungssignal abgibt. Die Zählimpulse werden in einem Zähler 5 gezählt, wobei entsprechend dem Richtungssignal der Zähler aufwärts oder abwärts zählt. Mit jedem Zählimpuls wird das m Bit breite Ausgangssignal des Zählers in ein Register 6 geladen, dessen Ausgang mit einem Prozessor 7 verbunden ist, der die Auswertung des Zählerstandes für Steuerungs- bzw. Regelzwecke, beispielsweise für einen Soll/Istwertvergleich, vornimmt.

An weiteren Ausgängen des Encoders stehen direkt die Signale A, B und C sowie die invertierten Signale und an. Eine erste Und-Schaltung 8 verknüpft die Signale A und B. Am Ausgang dieser Und-Schaltung stehen damit Impulse an, welche die in Fig. 1 dargestellten H-Fenster kennzeichnen.

In entsprechender Weise werden die Signale und mit einer weiteren Und-Schaltung 9 verknüpft, an deren Ausgang Impulse zur Kennzeichnung der L-Fenster anliegen. Eine weitere Und-Schaltung 10 verknüpft das Ausgangssignal der Und-Schaltung 8 mit dem Codesignal C, wodurch Impulse entstehen, die den Stützpunktmarkierungen entsprechen. Diese Impulse werden einer Schaltung 11 zur Steuerung der Register zugeführt, von welcher der Zähler 5 zurückgesetzt wird, so daß im Zähler 5 und im Register 6 lediglich die Zählimpulse gezählt bzw. gespeichert werden, die seit dem letzten Abtasten einer Stützpunktmarkierung erzeugt werden. Dadurch werden vorangegangene Zählfehler annulliert.

Das Ausgangssignal der Und-Schaltung 9, das die L-Fenster darstellt, wird einem weiteren Zähler 12 zugeführt, dessen Ausgänge mit einem Demultiplexer 13 verbunden sind. Die Richtung des Zählers ist ebenfalls mit Hilfe des Richtungssignals steuerbar. Die Ausgangssignale des Demul­ tiplexers 13 und das Codesignal C werden einem weiteren Register 14 zugeführt, das von der Schaltung 11 zur Steuerung der Register zurück­ gesetzt wird. Entsprechend dem aktuellen Wert des Zählers 12 steuert der Demultiplexer 13 jeweils eine Zelle des Registers 14 an, die mit dem aktuellen Wert des Codesignals C geladen wird. In dem Register 14 werden damit die einzelnen Binärstellen des seriellen Codesignals "gesammelt" und liegen dort als paralleles Codesignal vor.

Die Schaltung 11 zur Steuerung der Register gibt an den Takteingang eines weiteren Registers 15 einen Impuls zum Laden der im Register 14 stehenden Daten ab. Damit steht der jeweilige Wert des Codesignals zur Abfrage durch den Prozessor 7 bereit. Im Prozessor wird die genaue Stellung des zu messenden Objekts durch Addition der Inhalte der Register 15 und 6 berechnet.

Claims (5)

1. Sensor zur Erzeugung von elektrischen Signalen, welche die Stellung eines Objekts wiedergeben, insbesondere die Winkelstellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, wobei Inkrementalgeber durch Abtastung von periodisch wiederkehrenden Markierungen Zählimpulse und eine Richtungsinformation erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Abtastung weiterer Markierungen (C) vorgesehen sind, die bei Bewegung des Objekts serielle Signale erzeugen, welche einen Absolutwert der Stellung beinhalten.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch wiederkehrenden Markierungen (A, B) auf zwei Spuren aufgebracht sind, wobei die Markierungen (A) auf der einen Spur um im wesentlichen eine halbe Markierungsbreite gegenüber den Markierungen (B) auf der anderen Spur phasenverschoben sind und daß eine weitere Spur die den Absolutwert beinhaltenden Markierungen (CA) und Stützpunktmarkierungen (CS) umfaßt, welche den Wortanfang bzw. das Wortende der seriellen Signale kennzeichnen.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunktmarkierungen (CS) auf der weiteren Spur an Stellen aufgezeichnet sind, an welchen eine logische Verknüpfung der periodisch wiederkehrenden Markierungen (A, B) einen ersten Wert ergeben, und daß die den Absolutwert beinhaltenden Markierungen (CA) auf der weiteren Spur an Stellen aufgezeichnet sind, an welchen eine logische Verknüpfung der periodisch wiederkehrenden Markierungen (A, B) einen zweiten Wert ergibt.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementalgeber bei Bewegung des Objekts zwei gegeneinander phasenverschobene Impulsreihen (A, B) erzeugen, daß die Mittel zur Abtastung der weiteren Markierungen den Absolutwert beinhaltende Signale (CA) erzeugen, wenn eine logische Verknüpfung der Impulsreihen (A, B) einen ersten Wert ergibt und daß die Mittel zur Abtastung der weiteren Markierungen Stützpunktimpulse (CS) erzeugen, wenn eine logische Verknüpfung der Impulsreihen (A, B) einen zweiten Wert ergibt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausgängen der Inkrementalgeber und der Mittel zur Abtastung weiterer Markierungen eine an sich bekannte Codierschaltung (2) verbunden ist, welche aus den Impulsreihen (A, B) Zählimpulse und eine Richtungsinformation ableitet, die einem Zähler zuführbar sind, und daß ferner die Impulsreihen (A, B) und die von den Mitteln zur Abtastung weiterer Markierungen erzeugten Signale (C) einer Logikschaltung (8, 9, 10) zuführbar sind, welche unter Auswertung der Impulsreihen (A, B) die Stützpunktimpulse (CS) von den den Absolutwert beinhaltenden Signalen (CA) trennt, und daß die den Absolutwert beinhaltenden Signale (CA) einem Seriell-Parallel-Wandler (12, 13, 14) zuführbar sind, der von den Stützpunktimpulsen (CS) synchronisiert wird.