DE4320176A1 - Schaltanordnung zur Positionserfassung einer beweglichen Komponente in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Positionserfassung einer entlang einer vorgegebenen Bahn beweglichen Komponente in Kraftfahrzeugen nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schaltanordnungen enthalten insbesondere Digi­ talisierungsmittel, die elektrische Signale von Sensoren zur Positionserfassung in digitale Signale umwandeln. Die Auflösung der digitalen Signale richtet sich u. a. nach der Steilheit der von den Sensoren gelieferten elektri­ schen Signalverläufe. Bei gleichbleibend angenommener Di­ gitalisierungs-Auflösung ist die Auflösung des digitalen Signals umso besser, je größer die Steigung eines elek­ trischen Signalverlaufes ist.

Beispielsweise ist aus der DE 37 24 917 A1 bekannt, die vorgegebene Bahn der beweglichen Komponente in einen wichtigen und einen weniger wichtigen Stellbereich zu un­ terteilen, wobei der wichtigere Stellbereich wesentlich kleiner als der weniger wichtige Stellbereich ist. Jedem Stellbereich wird ein linearer, sich über einen maximal möglichen Meßbereich erstreckender elektrischer Signal­ verlauf eines Positions-Sensors zugeordnet. Dadurch weist der dem wichtigeren und kürzeren Stellbereich zugeordnete Signalverlauf eine wesentlich größere Steilheit auf als der dem weniger wichtigen und längeren Stellbereich zuge­ ordnete Signalverlauf. Da bei dieser bekannten Schaltungsanordnung nur ein Sensor verwendet wird, ist beim Übergang vom wichtigen zum weniger wichtigen Stell­ bereich eine Unstetigkeit im elektrischen Signalverlauf über der gesamten vorgegebenen Bahn bzw. dem gesamten ma­ ximal möglichen Meßbereich notwendig, der zu regelungs­ technischen Problemen, insbesondere bei Pendeln des Sen­ sorsignalwerts um die Unstetigkeitsstelle, führt.

Aus der DE 34 33 585 A1 ist eine Schaltanordnung zur Po­ sitionserfassung einer beweglichen Komponente bekannt, die mehrere ein elektrisches Signal abgebende Sensoren enthält, wobei jeder Sensor jeweils nur einem Bahnab­ schnitt zugeordnet ist. Durch diese Schaltanordnung wird zwar die Auflösung verbessert, jedoch liegt trotz Verwen­ dung mehrerer Sensoren keine Redundanz vor, da bei Aus­ fall eines Sensors die Position der beweglichen Kompo­ nente auf dem diesem Sensor zugeordneten Bahnabschnitt nicht erfaßt werden kann. Vielmehr lösen sich die Senso­ ren nacheinander ab, wodurch im wesentlichen mittels al­ ler Sensoren nur ein elektrischer Signalverlauf, der wie­ derum Unstetigkeitsstellen enthält, gebildet wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer Schaltanordnung zur Positionserfassung einer beweglichen Komponente sowohl die Auflösung zu verbessern, als auch redundante elektrische Sensorsignale zu schaffen sowie die Sensoren hinsichtlich ihrer elektrischen Signalverläufe derart auszubilden, daß keine regelungstechnischen Probleme auf­ treten und keine hohe Genauigkeitsanforderung an die Sen­ sor-Fertigung nötig ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Für die Schaltanordnung zur Positionserfassung sind zwei Sensoren und ein Steuergerät vorgesehen. Die Sensoren ge­ ben unabhängig voneinander entlang einer vorgegebener Bahn unterschiedliche elektrische Signale an das Steuer­ gerät ab. Das Steuergerät digitalisiert diese elektri­ schen Signale und wertet sie zur Positionserfassung aus. Erfindungsgemäß weisen die von den Sensoren abgegebenen elektrischen Signalverläufe entlang einer vorgegebenen Bahn keine Unstetigkeiten auf, sondern verlaufen stetig und monoton. Für höhere Redundanzanforderungen sind die Signalverläufe vorzugsweise streng monoton. Sind jedoch weniger wichtige Bahnabschnitte vorhanden, können hierfür auch konstant bleibende Signalverlaufabschnitte vorgese­ hen werden. Darüber hinaus weisen ein oder beide Signal­ verläufe für sich unterschiedliche Steigungen auf, wobei vorzugsweise für wichtige Bahnabschnitte eine größere Steigung vorgesehen ist, wie für weniger wichtige Bahnab­ schnitte.

Die Stetigkeit und Monotonie der Signalverläufe sorgen für eine sichere Positionserfassung, da insbesondere je­ der möglichen Position oder jedem Positionsbereich je­ weils nur ein elektrischer Signalwert zugeordnet ist. Darüber hinaus besteht bei kleinen Schwankungen um eine Position nicht die Gefahr von sich sprunghaft ändernden Signalwerten, die zu ständigen Regelvorgängen führen wür­ den. Mit der Wahlmöglichkeit unterschiedlicher Steigungen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Stetigkeit und Mono­ tonie der Signalverläufe ist darüber hinaus bei wichtigen Bahnabschnitten eine Erhöhung der Auflösung möglich. Mit der Verwendung von mehr als einem Sensor mit streng mono­ tonen Kennlinien kann darüber hinaus bei Ausfall eines Sensors weiterhin mit dem noch intakten Sensor die Posi­ tion entlang der gesamten vorgegebenen Bahn erfaßt wer­ den.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist der Ge­ genstand des Unteranspruchs 2.

Erfindungsgemäß sind die elektrischen Signalverläufe al­ ler Sensoren entweder monoton steigend oder monoton fallend. Mit dieser gleichgerichteten Monotonie aller Signalverläufe wird verhindert, daß sich Signalverläufe unter Ausnutzung des gesamten zur Verfügung stehenden Signalwertbereiches schneiden. Dadurch werden für jede Position von jedem Sensor jeweils unterschiedliche Sig­ nalwerte geliefert. Wären für eine Position gleiche Si­ gnalwerte der Sensoren möglich, würde beispielsweise bei Verwendung von Potentiometern als Sensoren in dieser Po­ sition kein Kurzschluß zwischen den beiden Schleifern er­ kannt werden. Somit erhöht die Erfindung nicht nur die Sicherheit zur korrekten Positionserfassung sondern auch zur Fehlererkennung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Unteranspruchs 3.

Die von den verschiedenen Sensoren gelieferten Signal­ werte werden beispielsweise abhängig von ihrer Bedeutung oder Aussagekraft gewichtet. Dazu kann im Steuergerät zu jedem Signalverlauf eines Sensors eine Ge­ wichtungskennlinie abgespeichert sein, die jedem Signal­ wert einen Gewichtungsfaktor zuordnet. So wird in be­ stimmten Bahnabschnitten der Signalwert eines Sensors ge­ genüber dem anderen Sensor höher priorisiert.

Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, beispielsweise bei weniger wichtigen Bahnabschnitten nur Signalwerte des Sensor auszuwerten, dessen Signalverlauf die größte Steilheit in diesem Bahnabschnitt aufweist, wodurch zwar auf Kosten der Redundanz, auf die jedoch bei weniger wichtigen Bahnabschnitten verzichtet werden kann, die Auflösung und damit die Genauigkeit der Positionser­ fassung bewirkt wird. Gleichzeitig kann gerade in einem weniger wichtigen Bahnabschnitt die Steilheit des anderen Sensors gegen Null gehen, wodurch mit diesem Sensor wie­ derum in wichtigen Signalabschnitten eine erhöhte Steil­ heit, und damit eine bessere Auflösung, erreicht werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Unteranspruchs 4.

Erfindungsgemäß werden die Signalwerte entweder für sich oder zusammen gleitend gewichtet.

Angewandt auf das Beispiel der Gewichtungskennlinie zu jedem Signalverlauf bedeutet gleitende Gewichtung einen ebenfalls stetigen und monotonen Verlauf dieser Gewich­ tungskennlinie.

Die Signalwerte können jedoch auch zusammen gleitend ge­ wichtet sein, indem beispielsweise eine für beide Signal­ verläufe gemeinsam gewichtete Sensorkennlinie nach einer vorgegebenen Rechenregel in Abhängigkeit von den bereits für sich gewichteten Signalwerten gebildet wird. Eine derartige vorgegebene Rechenregel kann beispielsweise folgende Formel sein:

(p1_*g1+p1_*g2)/(g1+g2),

wobei p1 und p2 die von den Sensoren aktuell erfaßten Signalwerte sowie g1 und g2 die diesen Signalwerten zuge­ ordneten Gewichtungsfaktoren sind. Zur Vereinfachung der Berechnung kann vorzugsweise g1+g2 gleich dem Wert 1 sein. Mittels einer derartigen vorgegebenen Rechenregel wird vorzugsweise auch die gemeinsam gewichtete Sensorkennlinie stetig und monoton verlaufen.

Mit einer gleitenden Gewichtung der Signalwerte kann bei­ spielsweise allein durch Auswertung der gemeinsam gewich­ teten Sensorkennlinie- bei fehlerfreiem Betrieb - die Po­ sition erfaßt werden und - bei fehlerhaftem Betrieb - ge­ rade in den wichtigen Bahnabschnitten ein Fehler sofort erkannt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 mögliche erfindungsgemäße stetige und monotone Signalverläufe zweier Sensoren entlang einer vorgegebenen Bahn

Fig. 2 mögliche erfindungsgemäße stetige und streng monotone Signalverläufe zweier Sensoren entlang einer vorgegebenen Bahn

Fig. 3 mögliche stetige und monotone Verläufe von zwei jeweils den Signalverläufen zweier Sensoren zu­ geordneten Gewichtungskennlinien

Fig. 4 mögliche Gewichtungskennlinien, wobei die Summe der Gewichtungswerte immer den Wert 1 ergeben

Fig. 5 eine sich aus Fig. 1 und Fig. 3 ergebende ge­ meinsam gewichtete Sensorkennlinie.

Die zur Positionserfassung verwendeten Sensoren sind bei­ spielsweise Potentiometer. Die vorgegebene Bahn, entlang derer sich eine Kraftfahrzeugkomponente bewegt, kann bei­ spielsweise gerade oder kreisringförmig sein. Derartige Positionserfassungen werden beispielsweise zur Erfassung des Drosselklappenöffnungswinkels, zur Erfassung eines Lenkwinkels oder auch zur Erfassung einer Sitzposition eingesetzt. Jedoch können die Art der Sensoren, die Form der vorgegebenen Bahn und auch der mögliche Einsatzbe­ reich dieser Schaltanordnung auf jede weitere beliebige bewegliche Komponente in einem Kraftfahrzeug oder auch anderen Vorrichtungen angewandt werden.

In Fig. 1 ist eine vorgegebene Bahn mit der Länge s dar­ gestellt, die sich aus den Bahnabschnitten AB mit der Länge s1, BC mit der Länge s2 und CD mit der Länge s3 zu­ sammensetzt. Auf der Ordinate ist die Spannung U als Bei­ spiel für ein elektrisches Signal, das von den Sensoren abgegeben wird aufgetragen. Der Bereich der möglichen Signalwerte liegt zwischen U_min und U_max. Die Werte zwi­ schen U_min und U_max werden durch einen hier nicht darge­ stellten Analog-Digitalwandler digitalisiert und ausge­ wertet.

Weiterhin ist ein elektrischer Signalverlauf P1 eines hier nicht dargestellten ersten Sensors strichpunktiert und ein elektrischer Signalverlauf P2 eines hier nicht dargestellten zweiten Sensors gestrichelt eingezeichnet. Sowohl der Signalverlauf P1 als auch der Signalverlauf P2 sind stetig und monoton steigend. Der Signalverlauf P2 ändert bei der Position B seine Steigung, der Signalver­ lauf P1 bei Position C.

Die Signalverläufe nach Fig. 1 der erfindungsgemäßen Schaltanordnung seien im folgenden am Beispiel einer Hin­ terradlenkwinkelverstellung näher erläutert:

Der Mitte der vorgegebenen Bahn s ist z. B. die Grundstel­ lung einer Hinterradlenkung, ein Verstellwinkel von 0°, zugeordnet. Empirisch wurde festgestellt, daß der am häu­ figsten verwendete und wichtigste Verstellbereich zwi­ schen Position B und C liegt. In den äußeren Randbe­ reichen zwischen Position A und B bzw. Position C und D, die demnach als weniger wichtige Bahnabschnitte einge­ stuft werden, wird zur Positionserfassung jeweils nur ein Sensor verwendet. Beispielsweise verharren die Signal­ werte des Signalverlaufs P2 zwischen Position A und B auf einem Wert, während nach dem Signalverlauf P1 mit dem er­ sten Sensor die Position bzw. der Verstellwinkel der Hin­ terräder zwar ausschließlich mit dem ersten Sensor jedoch bei höchstmöglicher Auflösung erfaßt wird. Da in dem we­ niger wichtigem Bahnabschnitt AB der Signalverlauf P2 konstant bleibt ist für den verbleibenden Bahnabschnitt BD eine höhere Auflösung möglich, als mit bereits stei­ gendem Signalverlauf auch zwischen A und B möglich wäre. Im wichtigem Abschnitt BC arbeiten beide Sensoren redun­ dant und zusätzlich mit höchstmöglicher Auflösung. Würde beispielsweise ein Sensor ausfallen, könnte im Bereich BC der andere Sensor weiterhin eine hochauflösende Positi­ onserfassung fortsetzen.

In Fig. 2 sind ebenfalls zwei Verläufe P1 und P2 eines ersten und zweiten Sensors dargestellt. Gleiche funktio­ nelle Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen be­ zeichnet. Fig. 2 unterscheidet sich bezüglich Fig. 1 darin, daß auch in den weniger wichtigen Bahnabschnitten AB und CD die Position mit beiden Sensoren eindeutig er­ faßbar ist, daß jedoch im mittleren wichtigen Bahnab­ schnitt BC die Steilheit der Verläufe etwas geringer ist als in Fig. 1. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Fig. 2 wird zum einen zwar die Auflösung im wichti­ gen Bahnabschnitt BC etwas verringert, dafür die Redun­ danz auch in den weniger wichtigen Abschnitten AB und CD beibehalten. Dadurch können bei Ausfall eines Sensors über der gesamten Bahn Ersatzwerte in Form der Signal­ werte des noch intakten Sensors verwendet werden. Damit wird nicht nur die Genauigkeit der Positionserfassung, sondern auch die Sicherheit und Verfügbarkeit eines Sys­ tems mit beweglichen Komponenten erhöht.

Abhängig von den Systemkomponenten wird man in einem Fall die Redundanz im anderen Fall die Auflösung bevorzugen.

Fig. 3 stellt zwei bahnabschnittsabhängige Gewichtungs­ kennlinien G1 und G2 dar. G1 ist dem Signalverlauf P1 des ersten Sensors und die Gewichtungskennlinie G2 ist dem Signalverlauf P2 des zweiten Sensors zugeordnet. Die Ge­ wichtungskennlinien sind stetig und monoton, wodurch die ihnen zugeordneten Signalverläufe gleitend gewichtet wer­ den, und sie enthalten Werte zwischen 0 und 1. Zur glei­ tenden Gewichtung werden vorzugsweise die Werte zwischen 0 und 1 als Gewichtungsfaktoren g1 und g2, die den Ge­ wichtungskennlinien G1 und G2 positionsbezogen entnommen werden, mit den positionsbezogenen Signalwerten p1 und p2 der Signalverläufe P1 und P2 multipliziert. Beispiels­ weise werden im Bahnabschnitt AB die Signalwerte p2 des zweiten Sensors völlig vernachlässigt während den Signal­ werten p1 des ersten Sensors volle Bedeutung zukommt. Im Bereich der Position B bis zur Mitte der Bahn steigt die Bedeutung bzw. die Gewichtung des zweiten Sensors von 0 auf das Maximum 1 an, wodurch in der Mitte des Bahnab­ schnitts s der erste und der zweite Sensor mit der Ma­ ximalgewichtung gleichgewichtet sind. Von der Mitte der Bahn s bis zur Position C bleibt die Gewichtung des zwei­ ten Sensors auf maximalem Wert während die Gewichtung des ersten Sensors von dem maximalen Wert 1 auf den minimalen Wert 0 abnimmt. Im Bahnabschnitt CD übernimmt der zweite Sensor im vollem Umfange die Positionserfassung, während der erste Sensor keinen Beitrag zur Positionserfassung liefert.

Fig. 4 zeigt, wie Fig. 3, zwei Gewichtungskennlinien G1 und G2, wobei die Summe der positionsbezogenen Kennlini­ enwerte, z. B. Gewichtungsfaktoren, g1 und g2 immer 1 ist.

Fig. 5 ist identisch mit Fig. 1 jedoch durch die gemein­ sam gewichtete Sensorkennlinie P_G ergänzt. Die fett eingetragene gemeinsam gewichtete Sensorkennlinie P_G er­ gibt sich aus der Formel:

(p1_*g1+p2_*g2)/(g1+g2), wobei

p1 die positionsbezogenen Signalwerte des Signalverlaufs P1, p2 die positionsbezogenen Signalwerte des Signalver­ laufs P2 sowie g1 und g2 die positionsbezogenen Gewich­ tungsfaktoren der Gewichtungskennlinien G1 und G2 sind.

Diese Formel angewandt auf jede Position von Fig. 3 und Fig. 1 ergibt die gemeinsam gewichtete Sensorkennlinie P_G in Fig. 5. Die positionsbezogenen Signalwerte der gemein­ sam gewichteten Sensorkennlinie P_G werden sowohl zur Po­ sitionserfassung als auch zur Fehlererkennung verwendet. Die gemeinsam gewichtete Sensorkennlinie P_G nach Fig. 5 ist stetig und streng monoton, wodurch zur genauen und sicheren Positionserfassung und Fehlererkennung jeder Po­ sition ein eigener Signalwert zugeordnet ist.

Mit dieser Erfindung sind trotz Erhöhung der Auflösung kostengünstige Herstellungsverfahren von Sensoren zur Po­ sitionserfassung möglich, da Herstellungstoleranzen auto­ matisch kompensiert werden.

Claims (4)

1. Schaltanordnung zur Positionserfassung einer ent­ lang einer vorgegebenen Bahn beweglichen Kompo­ nente in Kraftfahrzeugen mit zwei Sensoren zur Ab­ gabe von zueinander unterschiedlichen elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der aktuellen Posi­ tion der Komponente und mit einem Steuergerät zur Auswertung der elektrischen Signale, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrischen Signale stetige und monotone Signalverläufe (P1, P2) bilden und daß der Signalverlauf (P1, P2) eines Sensors in sich unterschiedliche Steigungen aufweist.

2. Schaltanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet daß die Monotonie aller Signalver­ läufe (P1, P2) gleichgerichtet ist.

3. Schaltanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet daß die Signalwerte der Si­ gnalverläufe (P1, P2) gewichtet sind.

4. Schaltanordnung nach Patentanspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalwerte gleitend gewich­ tet sind.