DE4243779A1 - Digitaler Winkelgeber - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem digitalen Winkelgeber nach der Gattung des Hauptanspruchs und einem zugehörigen Signal-Auswerteverfahren.

Bei verschiedenen Anwendungen, besonders im Zusammenhang mit der Positionserkennung von Winkelsensoren besteht das Bedürfnis, mög­ lichst gleich nach Meßbeginn die genaue Stellung des Meßobjektes zu kennen. Im Zusammenhang mit der Bestimmung des Drosselklappenwinkels einer Brennkraftmaschine werden deshalb Drosselklappenpotentiometer eingesetzt, die in jeder Position nach dem Einschalten sofort den gültigen Stellungswert in Form einer analogen Spannung ausgeben. Bei solchen Drosselklappenpotentiometern ändert sich der Widerstand und damit die abgegriffene Spannung in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe. Bei Drosselklappenpotentiometern können jedoch im Laufe der Zeit Altererscheinungen auftreten, die die Zuverlässigkeit der Messungen beeinträchtigen können.

Bei inkrementellen Winkelsensoren, die eine codierte Geberscheibe aufweisen, deren Lage sich in Abhängigkeit vom zu bestimmenden Winkel verändert und die mit Hilfe eines geeigneten Aufnehmers abge­ tastet wird, liegt das, den Winkel charakterisierendem Ausgangs­ signal nicht sofort nach dem Einschalten vor, sondern erst nachdem eine fuhr die Winkelstellungserkennung mindestens erforderliche Drehung der Scheibe bzw. der dazugehörigen Welle erfolgt ist, so daß eine genügende Anzahl von identifizierbaren Winkelmarken ausgewertet ist.

Ein Winkelsensor mit einer absoluten Codierung, der als optischer Sensor ausgebildet ist und mehrere Codespuren sowie mehrere Auf­ nehmer aufweist, ist aus der DE-OS 23 35 942 bekannt. Die Verwendung eines solchen Sensors zur Bestimmung des Drosselklappenwinkels einer Brennkraftmaschine ist jedoch nicht bekannt. Insbesondere ist der Herstellaufwand für eine 10 Bit breite Ausführung für diesen Ver­ wendungszweck zu hoch.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße digitale Winkelgeber mit der Merkmalskombina­ tion des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine zuverlässige Bestim­ mung des Drosselklappenwinkels möglich ist, die keine Alterungser­ scheinungen aufweist und bereits nach einer relativ geringen Bewe­ gung der Drosselklappe eine eindeutige Winkelbestimmung ermöglicht.

Ermöglicht wird dies, indem die Bewegung der Drosselklappe auf einen Sensor übertragen wird, der einen Codeträger mit einer Vielzahl gleichartiger Markierungen, die in gleichem Abstand voneinander an­ geordnet sind und eine Referenzmarkierung abtastet, wobei der Sensor wenigstens drei Aufnehmer umfaßt.

Bewegt sich der Codeträger in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe über die Aufnehmer (dessen Referenzmarke eine defi­ nierte Nullage festlegt), werden in Abhängigkeit von den Markierungen Sensorsausgangssignale erhalten, aus denen in einer nachfolgenden Auswerteschaltung der jeweilige Drosselklappenwinkel bestimmt werden kann.

Das zugehörige Auswerteverfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, mit einer Minimalanzahl von Referenzspuren eine absolute Winkelco­ dierung. Eine Verfeinerung des Winkelwertes bzw. Verbesserung der Auflösung läßt sich mit Hilfe eines inkrementelle Zählverfahren er­ zielen, dabei werden ausgehend von einem erkannten Referenzpunkt die Inkremente gezählt, womit direkt eine Winkelinformation erhalten wird. Bei jeder durch Auswertung der Referenzspur bzw. Referenzspu­ ren neu erkannten Referenzposition findet eine Korrektur der aus der Zählung der Inkremente erkannten Winkelstellung statt, es sind so an vielen Stellen Korrekturen möglich.

Als Sensor läßt sich in vorteilhafter Weise ein optischer Sensor einsetzen, dabei sind die Markierungen als lichtdurchlässige Stel­ len oder Durchbrüche auf einer Geberscheibe ausgebildet. Der Sensor selbst weist ein lichtemittierendes Element z. B. eine Leuchtdiode auf, das auf der einen Seite der Scheibe angeordnet ist, während auf der anderen Seite die Aufnehmer angeordnet sind, die in Abhängigkeit von der Helligkeit, also je nachdem ob zwischen der Leuchtdiode und dem Aufnehmer ein Durchbruch oder die lichtundurchlässige Geber­ scheibe liegt, Ausgangssignale abgegeben.

Besonders vorteilhaft ist ein Sensor mit drei Aufnehmern, wobei je­ weils zwei zur Abtastung der gleichartigen Markierungen vorgesehen sind und um einen Winkel, der dem halben Abstand der Markierungen voneinander, entspricht, gegeneinander verschoben sind.

Der dritte Aufnehmer tastet eine separate Spur auf dem Codeträger ab, die mit Hilfe von Referenzmarken eine definierte Nullage fest­ legen.

Wird jeder Aufnehmer darüber hinaus aus zwei Photodioden aufgebaut, läßt sich durch Vergleichsmessungen der von den beiden Photodioden gelieferten Signale eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit er­ zielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielbar, dabei sind ins­ besondere die für die Bestimmung der Drosselklappenposition ausge­ legten Dimensionierungen der Geberscheibe und eine Minimierung der Anzahl erforderlichen Aufnehmer zu erwähnen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung in den Fig. 1 und 4 dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Signalaufbereitungselektronik eines bekannten Sensors und in Fig. 3 ein zugehöriger Signalverlauf dargestellt. An ihre Ausgänge A, B und I ist ein Zähler als Teil der Auswerteelektronik anzuschließen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt, bei dem eine Codescheibe 10, die den Codeträger darstellt, von einem Sensor 11 abgetastet wird. Dabei dreht sich entweder die Codescheibe, beispielsweise in Abhängigkeit von der Drosselklappe 12 einer Brennkraftmaschine und der Sensor 11 ist feststehend oder die Codescheibe 10 ist feststehend und der Sensor 11 bewegt sich, dies kann bei anderen Anwendungsfällen als der Drosselklappe günstiger sein.

Der Sensor 11 umfaßt eine eigene Auswerteeinrichtung 13 und steht mit einem Steuergerät 27 der Brennkraftmaschine in Verbindung, die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet ist und geeignete Zählmittel 32 sowie Speichermittel 38 umfaßt. Dieser Auswerteein­ richtung 13 werden die Ausgangssignale des Sensors 11, die mit A, B und I bezeichnet sind, zugeführt, am Ausgang der Auswerteeinrichtung 13 entsteht ein Signal, das ein Maß für den Drosselklappenwin­ kel α darstellt.

Beim in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist die Codescheibe 10 eine erste Spur 14 auf mit einer Vielzahl gleichar­ tiger Marken 15, die alle voneinander den identischen Abstand d auf­ weisen und beispielsweise als Schlitze oder Durchbrüche ausgebildet sind. Eine zweite Spur 16, die die Referenzspur darstellt, weist eine einzige Marke 17 auf, die Begrenzungen dieser Marke 17 sind wählbaren Drosselklappenwinkeln zugeordnet, dabei ist die eine Seite dieser Marke beispielsweise einem Winkel von α = 10° zugeordnet, dies ist ein Winkel, der von der Drosselklappe 12 oft erreicht wird.

Der Sensor 11 weist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein licht­ emittierendes Element auf, das die beiden Spuren 14, 16 gleichmäßig mit Licht bestrahlt. Weiterhin weist der Sensor 11 wenigstens drei lichtempfindliche Elemente auf, beispielsweise Fotodioden, wobei die erste und die zweite Fotodiode der Spur 14 zugeordnet sind und die Signale A bzw. B liefern, während die dritte Fotodiode der Referenzspur 16 zugeordnet ist und das Signal I liefert.

Ein solcher Sensor 11, bei dem jeder Aufnehmer aus zwei Photodioden aufgebaut ist, wird von der Firma HP geliefert und ist beschrieben in einem Firmenprospekt mit der Bezeichnung "Three Channel Optical Incremental Encoder Modules". In Fig. 2 ist ein aus diesem Firmen­ prospekt entnommenes Blockdiagramm eines Sensors 12 dargestellt, wobei als lichtemittierendes Element eine Leuchtdiode 18 dient, die über einen Widerstand 19 zwischen Versorgungsspannung und Masse liegt. Das Licht dieser Leuchtdiode 18 wird mit Hilfe einer Linse 20 so umgeformt, daß parallele Lichtstrahlen senkrecht auf die Code­ scheibe 10 auftreffen.

Die Empfangsseite des Sensors 11 weist sechs Fotodioden 21 bis 26 auf, von denen jeweils zwei zur Differenzbildung vorgesehen sind und die Fotodioden 21 bis 24 die Spur 14 und die Fotodioden 25 und 26 die Spur 16 abtasten.

Die Signale der Fotodioden werden in einem Signalverarbeitungskreis 13 aufbereitet, in den Komparatoren 28, 29, 30 werden die Ver­ gleichswerte der einzelnen Signale A und , B und , I und gebil­ det und in einem weiteren nachgeschalteten und nicht dargestellten Signalauswerteschaltkreis weiterverarbeitet.

Im Sensor 11 werden intern insgesamt sechs Signale erzeugt, wobei jeweils zwei Signale für A, B und I erhalten werden, die miteinander verglichen werden, so daß letztendlich zur Hell/Dunkel-Erkennung immer die Differenzen zweier Signale A und , und B, und I, verwendet werden. Damit läßt sich eine altersbedingte Empfindlich­ keitsveränderung der Fotodioden kompensieren. Näheres zu diesem Sensor kann dem erwähnten Firmenprospekt entnommen werden.

Die gesamte Sensoranordnung kann auf einem einzigen integrierten Schaltkreis IC 13 aufgebaut werden.

Als Sensor 11 kann jedoch auch ein anderer z. B. magnetischer Sensor, der drei Signale A, B und I abgibt, eingesetzt werden. In einer einfachen Version genügt ein Sensor, der die beiden Spuren abtastet und nur die Signale A und I liefert. Mit ihm ist allerdings eine Drehrichtungserkennung nicht mehr möglich. (Beispiel: Kurbelwellen­ winkelerfassung).

Als Codescheibe 10 kann auch eine Scheibe mit magnetischen Markie­ rungen, die als zusätzliche Magnete oder als Schlitze in einer fer­ romagnetischen Scheibe oder als unterschiedliche Magnetisierungs­ bereiche ausgebildet sein können, eingesetzt werden, als Sensor kann dann entsprechend z. B. ein Hallsensor eingesetzt werden.

Wenn sich nach dem Einschalten der Brennkraftmaschine die Drossel­ klappe 12 aus ihrer Ruhelage bei α = 0 herausbewegt, laufen die ein­ zelnen Markierungen 15, 17 am Sensor 11 vorbei und erzeugen, die mit A, B und I bezeichneten Signale. Dabei ist zu erkennen, daß die Signale A und B gegeneinander um x _* 90°, mit x = 1, 3, 5, . . . bezogen auf die Periode des Signals verschoben sind, bzw. daß die Aufnehmer um diesen Betrag geometrisch versetzt sind. Das Referenzsignal I tritt in fester Zuordnung zu den Signalen A und B auf. In Fig. 3 ist der Verlauf der Signale A, B und I über den Winkel beispiel­ haft aufgetragen, dabei ist zu erkennen, daß die Signale abwechs­ lungsweise in einem "high",- und einem "low"-Zustand sind, je nachdem ob die Fotodioden gerade bestrahlt werden oder nicht.

In der Auswerteeinrichtung 13 werden aus den drei zur Verfügung stehenden Signalen A, B und I mit Hilfe eines Vor- Rückwärts-Zählers 32, der im Steuergerät oder in der Auswerteeinrichtung 13 vorhanden sein kann, Winkelbestimmungen durchgeführt.

Zur Nullpunkterkennung ist die Marke 17 vorgesehen, wobei immer dann, wenn in der Auswerteeinrichtung erkannt wird, daß ein Übergang von Hell nach Dunkel stattfindet, erkannt wird, daß der Drosselklap­ penwinkel α = 10° beträgt. Im Anschluß an diese Erkennung wird je nach Drehrichtung die Zahl der Markierungen 15 der Spur 14 aufsummiert oder abgezogen, so daß letztendlich immer der gerade aktuelle Dros­ selklappenwinkel α zur Verfügung steht. Es läuft also ein Auswerte­ verfahren ab, bei dem nach jeder Synchronisation durch Zählen der Inkremente eine Winkelbestimmung vorgenommen wird.

Der Winkel von α = 10°, der für den Übergang zwischen hell und dunkel festgelegt wurde, wurde gewählt, da dieser Winkel unmittelbar nach dem Einschalten der Brennkraftmaschine schnell überschritten wird. Je nach Motor kann dabei auch ein anderer Winkel als 10° ausgewählt werden.

Bei der Auswertung des Indexsignales I läßt sich sofort nach dem Einschalten der Anordnung bzw. der Brennkraftmaschine erkennen, ob sich die Drosselklappe 12 oberhalb oder unterhalb eines Winkels von 10° befindet, da z. B. unterhalb von 10° ein "high"-Signal vor­ liegt und oberhalb ein "low"-Signal. Daraus kann unmittelbar nach dem Einschalten zumindest erkannt werden, in welchem Bereich sich die Drosselklappe 12 befindet.

Befindet sich die Drosselklappe 12 beim Einschalten in geschlossenem Zustand, ist also der Drosselklappenwinkel α = 0°, kann unmittelbar nach dem Einschalten durch Zählen der registrierten Marken 14 der richtige Drosselklappenwinkel erkannt werden. Stellt sich beim Über­ schreiten von α = 10° heraus, daß dieser Winkel nicht korrekt war, die Drosselklappe also entgegen der Annahme nicht ganz geschlossen war, so ist nun eine Zählerkorrektur möglich und anschließend liegt der richtige Drosselklappenwinkel α vor.

Allein aus der Kenntnis, ob sich die Drosselklappe 12 unterhalb oder oberhalb von 10° befindet, ist ein Notlauf der Brennkraftmaschine möglich. Dieser Notlauf kann also auch aktiviert werden, wenn ein Teil des Sensors 12, der die Winkelmarken 14 abtastet, ausfällt.

Für die Auflösung des Gebersystems ist letztendlich die Zahl der Markierungen 15 bzw. Durchbrüche auf der Spur 14 pro Grad maßgeb­ lich, mit einer Auflösung von 0,125 Winkelgrad, entsprechend 800 Schritten pro 100° Drosselklappenwinkel α ergeben sich nicht ganz 10 Bit. (1024 Schritte) auf 100° ergeben eine Auflösung von 0,1952°.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt, bei dem der Sensor 11 aus insgesamt wenigstens sieben Auf­ nehmern bestehen muß, von denen jeweils einer den Spuren 35, 36, 37, 38 und 39 zugeordnet ist und der Spur 14 wiederum zwei um 90° gegen­ einander verschobene Aufnehmer zugeordnet sind.

Als Indexspur 16 wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 nicht eine einzige Spur gewählt, sondern es sind fünf Absolutspuren 35, 36, 37, 38, 39, die mit unterscheidbaren Bereichen ausgestattet sind. Dabei können verschiedene bekannte Codierungsarten eingesetzt werden. In Fig. 4 ist ein Binär-Code dargestellt, der so aufgebaut ist, daß die äußerste der Absolutspuren zur Hälfte als durchlässiger Bereich und zur Hälfte als nicht lichtdurchlässiger Bereich aufge­ baut ist, die zweitäußerste Spur abwechslungsweise als durchlässiger Bereich und nicht durchlässiger Bereich, und die weiter innen lie­ genden Spuren entsprechend aufgebaut sind.

Die Auswertung dieser Scheibe 10 erfolgt prinzipiell nach dem selben Schema wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, infolge der ein­ deutigen Codeabfolgen der einzelnen Absolutspuren läßt sich jedoch unmittelbar nach dem Einschalten eine eindeutige Winkellage fest­ stellen, die nach einer beginnenden Drehbewegung durch Auszählung der Inkremente noch verfeinert werden kann. Wieder kann bei jedem Signalwechsel eines der Aufnehmer von Spur 35 bis 39 der Winkel bis auf die Genauigkeit der feinen Spurteilung von Spur 14 korrigiert werden, falls vorher ein Fehler vorhanden gewesen sein sollte. Jeder Signalwechsel ergibt nämlich eine neue Referenzposition, die zur Fehlerkorrektur herangezogen werden kann.

Als geeignete Maße für einen Drosselklappenwinkelsensor ist ein Gesamtbereich der Codierung von 100° möglich, mit einer Länge von 3,125° für die innerste Markierung der Absolutspuren ergibt sich eine Auflösung, die eine zuverlässige Steuerung der Brennkraftma­ schine zuläßt.

Bei den in Fig. 1 bzw. 4 dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Betrachtungen zur Initialisierung bzw. zur Auflösung immer aus­ gehend von einem Drosselklappenwinkel von 0 Grad nach dem Start durchgeführt. Wird der erfindungsgemäße Geber jedoch bei einem Motorsteuerungssystem mit einem Drosselklappenansteller eingesetzt, in dem vor oder während des Starts grundsätzlich eine Drosselklap­ penöffnung ausgehend von 0 Grad bei geschlossener Drosselklappe auf 4 Grad durchfahren wird, so daß in jedem Fall ein 5-Bit-Inkrement (5 Bit entsprechen mit der gewählten Auflösung 3.125 Grad) durchfahren wird, so ist damit sichergestellt, daß der kor­ rekte Wert mit 10 Bit Genauigkeit vom Zeitpunkt des Motorstarts an zur Verfügung steht.

Wird der Geber so montiert, daß die Stellung bei geschlossener Dros­ selklappe, also in festem mechanischem Anschlag nicht wie beispiels­ weise in Fig. 1 gezeigt, 0 Grad beträgt, sondern 3 Grad, so wird bereits nach einer Bewegung von 0.125 Grad eine Initialisierung durchgeführt. Vor der Initialisierung ist die restliche Winkelun­ sicherheit gegeben durch einen Wert von 0.125 Grad ± Montagetoleranz.

Claims (13)

1. Digitaler Winkelgeber mit einem Codeträger, der eine erste Spur mit einer Vielzahl von gleichartigen Markierungen, die in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind und eine zweite Spur mit einer Referenzmarkierung aufweist, mit einem Sensor, der wenigstens zwei Aufnehmer umfaßt, die den einzelnen Spuren zugeordnet sind und mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung stehen, wobei entweder der Codeträger oder der Sensor gegenüber einer definierten Nullage be­ wegbar sind und der jeweils vorliegende Winkel bestimmt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bestimmende Winkel der Drossel­ klappenwinkel (α) einer Brennkraftmaschine ist, wobei die Drosselklap­ pe (12) mit dem bewegbaren Teil des Gebers in Verbindung steht.

2. Digitaler Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen Schlitze oder Durchbrüche sind und der Sensor (11) ein optischer Sensor ist, der ein lichtaussendendes Element (18) und wenigstens zwei lichtempfangende Aufnehmer (21-26) umfaßt, deren Ausgangssignal von der Beleuchtung abhängt.

3. Digitaler Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Aufnehmer vorgesehen sind, wobei einer der Spur (16) mit der Referenzmarkierung (17) zugeordnet ist und die beiden anderen der Spur (15) mit den gleichartigen Markierungen und gegeneinander versetzt sind.

4. Digitaler Winkelgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spuren mit den gleichartigen Markierungen gegenein­ ander um 90° bzw. d/2 versetzt sind.

5. Digitaler Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer aus je zwei lichtempfind­ lichen Dioden bestehen, daß die einzelnen Diodensignale miteinander verglichen werden zur Erzeugung eines Ausgangssignales pro Dioden­ paar.

6. Digitaler Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtaussendende Element, die licht­ empfangenden Aufnehmer und die Auswerteeinrichtung auf einem IC angeordnet sind.

7. Digitaler Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die zweite Spur aus mehreren Teilspuren besteht, wobei die Teilspuren abwechselnd aus lichtdurchlässigen und undurchlässigen Bereichen bestehen und jeder Teilspur wenigstens ein Aufnehmer zugeordnet ist.

8. Digitaler Winkelgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspuren spezielle Codes aufweisen, die einander so zuge­ ordnet sind, daß in jeder auswertbaren Winkelstellung ein eindeuti­ ger Code vorliegt.

9. Digitaler Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (27) wenigstens einen Vor-/Rückwärtszähler aufweist, der die gleichartigen Markie­ rungen zählt, zur Bestimmung des Drosselklappenwinkels.

10. Digitaler Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines Aufnehmers mit Hilfe des anderen Aufnehmers eine grobe Lageerkennung erfolgt und diese beim Betrieb einer Brennkraftmaschine zu einem Notlauf verwendet wird.

11. Auswerteverfahren für einen digitaler Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in digitaler, inkrementeller Weise für die aus den Aufnehmern der ersten Spur gewonnenen Signale angewandt wird, wobei ein oder mehre­ re Bezugspunkte aus den Signalen der Aufnehmer der Referenzspur dazu verwendet werden, eine definierte Nullage festzulegen oder zu korri­ gieren.

12. Auswerteverfahren für einen digitaler Winkelgeber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem erkannten Refe­ renzpunkt Inkremente gezählt werden, zur Ermittlung der Winkelstel­ lung.

13. Auswerteverfahren für einen digitaler Winkelgeber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder durch Auswertung der Refe­ renzspur oder Referenzspuren neu erkannten Winkelstellung die aus der Zählung der Inkremente gewonnene Winkelstellung korrigiert wird.