WO2006136120A1 - Drehkodierschalter - Google Patents

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Uwe Weiss
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    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
    • H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
    • H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
    • H03M1/285—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding of the unit Hamming distance type, e.g. Gray code

Definitions

  • the invention relates to a rotary encoder, as used for example for the function setting in relays or the like.
  • An object of the present invention is to enable a particularly secure function adjustment in relays or the like.
  • a rotary encoding switch with a number of switching stages is proposed, wherein the distances between the switching stages are not constant.
  • a basic idea of the 'invention is using non-constant distances between the setting of the rotary coding the percentage error in the setting of a certain setting value to reduce and thus increase the relative adjustment accuracy.
  • a complex and expensive adjustment is not required.
  • the intervals between the switching stages change continuously, in particular always become smaller. In other words, the distance from one switching stage to the next switching stage is reduced. This makes it possible to achieve a constant percentage error over the entire adjustable scale of the rotary encoder. It is particularly advantageous if the distances between the individual switching stages are reduced logarithmically. In other words, this results in a logarithmic division of the switching stages via the coding of the Drehkodierschalters. It is particularly advantageous if the distances decrease, starting with the switching stages which are assigned to low setting values, to the switching stages which are assigned to high setting values.
  • the coding disc is formed as a hub, as provided in a further preferred embodiment of the invention, a nearly continuous adjustment is possible, as is usual with resistance potentiometers.
  • a continuous "spin" of the rotary coding switch is made possible, giving the user a feeling that the resistance potentiometer is the same is used to a resist potentiometer.
  • a rotary encoding switch which has a high resolution, for example with sixty-four switching stages, as well as a Gray code as coding and a rotary disc designed as coding disc.
  • this Wheelkodierschalter is provided without mechanical detent positions, ie the user can set the desired value "steplessly.”
  • Such a rotary encoder combines in itself the most important features to realize a particularly user-friendly operation, but without a special design of the switching stages, such as - example, changing distances between the switching stages to be set.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a coding disc with Gray code
  • n 16
  • the individual switching stages have a constant distance from each other.
  • Figure 1 is based on such a conventional rotary encoder, wherein already 64 switching stages are used to provide better comparability with the inventive solution.
  • Rotary coding switches with 64 switching stages are not yet known.
  • the constant distance between the switching stages thus has the disadvantage that, due to the setting accuracy of +/- 4 ° at the lower setting mark (25A), a large percentage error occurs, while at the upper setting mark (100A) the percentage error is very small.
  • the invention therefore proposes a rotary coding switch which has a constant percentage error over the entire scale. This is achieved in that the distances of the switching stages at the lower setting mark (25A) are greater than the intervals of the switching stages at the upper setting mark (100A), where one can allow a larger Einstellwinkelschreib. In particular, the distances between the individual switching stages from the lower switching stage to the upper switching stage logarithmically smaller.
  • the percentage error at the lower index mark (25A) is 0% for such a rotary encoder and 2.4% at the upper index.
  • the largest error percentage is when the distance between one switching stage and the next switching stage is greater than 8 ° for the first time. In the example chosen, this would be the case at 42, 9A.
  • a turntable As encoder a turntable is used, which has a tap. In contrast to conventional resistance potentiometers, however, it is not resistance values but digital signals that are tapped.
  • the coding of the coding disc is effected by the use of conductive and non-conductive surfaces (shown in FIG. 3 as black and white bars), which are scanned with a corresponding number of sensors. In this case, a conductive area stands for the digital value "1 ⁇ " and a non-conductive area for the digital value "0".
  • a Gray code is used, cf. FIG. 3.
  • the Gray code is a coding method for the robust transmission of digital quantities. Its essential feature is that the Graycodes for two adjacent segments only differ by 1 bit. This reduces the maximum possible setting error.
  • the Gray code is suitable in particular for a circular arrangement as on the coding disk shown in FIG. 3, since only one point changes during the transition from the highest number to 0.
  • a table representing the Gray code for 64 switching stages is shown in FIG. 4.
  • the distance between the individual switching stages changes on the encoder disk. logarithmic.
  • the conductive and non-conductive areas at the lower switching stages are wider than the areas at the upper switching stages 61, 62, 63. This means at the same time that the distances change between the switching stages. Starting from the low switching stages to the higher switching stages, the distances between the individual switching stages are reduced.
  • a Drehkodierschalter can take over the function of a yorkspotentiometers, while maintaining the positive characteristics of the mattersspotentiometers (continuous rotation, relative adjustment accuracy), but without having to perform an expensive and complex adjustment.
  • the rotary encoder switch with detent positions. This is particularly useful if the rotary encoder switch is shock- In this case, the detents serve to prevent unintentional misalignment.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehkodierschalter, wie er bei­spielsweise für die Funktionseinstellung bei Relais oder der­gleichen zum Einsatz kommt. Um eine besonders sichere Funkti­onseinstellung bei Relais oder dergleichen zu ermöglichen wird ein Drehkodierschalter mit einer Anzahl von Schaltstufen vorgeschlagen, wobei die Abstände zwischen den Schaltstufen nicht konstant sind.

Description

Beschreibung
DrehkodierSchalter
Die Erfindung betrifft einen Drehkodierschalter, wie er beispielsweise für die Funktionseinstellung bei Relais oder dergleichen zum Einsatz kommt.
Für das Einstellen verschiedenster Parameter, wie z. B. Strom, Spannung oder Zeit, ist die Verwendung von Widerstandspotentiometern bekannt. Bei Widerstandspotentiometern wird eine analoge Widerstandsänderung abgegriffen, die bei Analogschaltungen direkt, beispielsweise zur Änderung der Verstärkung, verwendet werden kann. Bei digitalen Schaltungen wird die analoge Widerstandsänderung beispielsweise mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers eingelesen und anschließend verarbeitet. Zwar verfügt ein Widerstandspotentiometer theoretisch über eine unendlich feinstufige Einstellung. Tatsächlich ist jedoch bedingt durch ünlinearitäten, mechanische To- leranzen, Ableseungenauigkeiten usw. die Einstellung eines Wertes nur mit einer begrenzten Genauigkeit möglich. In der Regel ist bei Widerstandspotentiometern daher ein aufwendiger und teurer Abgleich der Einstellung notwendig.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders sichere Funktionseinstellung bei Relais oder dergleichen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Drehkodierschalter nach An- spruch 1 bzw. nach Anspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Drehkodierschalter mit einer Anzahl von Schaltstufen vorgeschlagen, wobei die Abstände zwischen den Schaltstufen nicht konstant sind.
Eine Grundidee der' Erfindung ist es, mit Hilfe nicht konstanter Abstände zwischen den Einstellpositionen des Drehkodierschalters den prozentualen Fehler bei der Einstellung eines bestimmten Einstellwertes zu verringern und somit die relative Einstellgenauigkeit zu erhöhen. Ein aufwendiger und teurer Abgleich ist nicht erforderlich. Mit anderen Worten wird es mit einem solchen Drehkodierschalter es erstmals ermöglicht, ein Widerstandspotentiometer durch eine andere technische Lösung zu ersetzen, bei der eine vergleichbare Einstellgenauigkeit ohne einen aufwendigen Abgleich erreicht wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Besonders vorteilhaft ist es danach, wenn die Abstände zwischen den Schaltstufen kontinuierlich ändern, insbesondere immer geringer werden. Mit anderen Worten verringert sich der Abstand von einer Schaltstufe zur nächsten Schaltstufe. Dadurch wird es möglich, einen konstanten prozentualen Fehler über die gesamte einstellbare Skala des Drehkodierschalters zu erreichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich dabei die Abstände zwischen den einzelnen Schaltstufen logarith- misch verringern. Anders ausgedrückt ergibt sich dann eine logarithmische Aufteilung der Schaltstufen über die Kodierscheibe des Drehkodierschalters. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Abstände verringern, beginnend bei den Schaltstufen, die niedrigen Einstellwerten zugeordnet sind, hin zu den Schaltstufen, die hohen Einstellwerten zugeordnet sind.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Schaltstufen werden die Abstände zwischen den Schaltstufen jedoch so klein (ins- besondere bei höheren Einstellwerten) , dass ein Binärcode mit „brake before make" nicht mehr realisiert werden kann. Das „brake before make" bedeutet, dass zunächst alle geschlossenen Schaltkontakte öffnen müssen, bevor die zu schließenden Schaltkontakte schließen dürfen. Ein „brake before make" ist jedoch aus Sicherheitsgründen notwendig, um unzulässige Zwischenstellungen zu vermeiden, die zu gefährlichen Einstellungen führen können. In derartigen Zwischenstellungen zwischen zwei Schaltstufen kann der Drehkodierschalter bewusst oder unbewusst hängen bleiben. Dies kann zu Fehlfunktionen führen. Abhilfe wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch geschaffen, dass ein Graycode als Kodierung verwendet wird. Dadurch ergibt sich beim Drehen von einer Position n zu einer nächsten Position n+1 oder n-1 jeweils eine Veränderung um 1 Bit, so dass es zu keinen gefährlichen Zwischenstellungen kommen kann.
Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn durch eine hohe Anzahl der Schaltstufen eine hohe Auflösung der Kodierung erreicht wird. Als besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang ein Drehkodierschalter mit vierundsechzig Schaltstufen erwiesen.
Ist die Kodierscheibe als Drehscheibe ausgebildet, so wie das in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, wird eine nahezu kontinuierliche Einstellung möglich, wie dies bei Widerstandspotentiometern üblich ist. Wird zudem auf feste mechanische Raststellungen verzichtet, so wird ein kontinuierliches „Durchdrehen" des Drehkodierschalters ermöglicht, was dem Benutzer ein Bediengefühl vermittelt, dass dem eines Widerstandspotentiometer gleich kommt. Der Benutzer kann mit anderen Worten den gewünschten Wert „stufenlos" einstellen, wie er das von einem Wider- Standspotentiometer gewohnt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Drehkodierschalter vorgeschlagen, der eine hohe Auflösung, beispielsweise mit vierundsechzig Schaltstufen, sowie einen Graycode als Kodierung und eine als Drehscheibe ausgebildete Kodierscheibe aufweist. Mit diesen Merkmalen werden die_be- reits oben beschriebenen Vorteile erzielt. Vorzugsweise ist dieser Drehkodierschalter ohne mechanische Raststellungen vorgesehen, d.h. der Benutzer kann auch hier den gewünschten Wert „stufenlos" einstellen. Ein solcher Drehkodierschalter vereint in sich die wichtigsten Merkmale zur Realisierung einer besonders benutzerfreundlichen Bedienung, ohne jedoch auf eine spezielle Ausgestaltung der Schaltstufen, wie beispiels- weise sich ändernde Abstände zwischen den Schaltstufen, festgelegt zu sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher beschrieben, das mit Hilfe der Figuren erläutert wird. Hierbei zeigen:
FIG 1 eine Darstellung der Einstellmarken sowie der prozentualen Fehler bei einem aus dem Stand der Tech- nik bekannten Drehkodierschalter,
FIG 2 eine Darstellung der Einstellmarken und der prozentualen Fehler bei einem erfindungsgemäßen Drehkodierschalter,
FIG 3 eine schematische Darstellung einer Kodierscheibe mit Graycode,
FIG 4 eine Tabelle mit Darstellung des Graycodes für vierundsechzig Stufen.
Aus dem Stand der Technik sind n-stufige Drehkodierschalter bekannt, beispielsweise mit n=16, die sich dadurch auszeichnen, dass die einzelnen Schaltstufen einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Im Beispiel der in FIG 1 dargestellten Abbildung wird von einem solchen herkömmlichen Drehkodierschalter ausgegangen, wobei bereits 64 Schaltstufen verwendet werden, um eine bessere Vergleichbarkeit mit der erfindungsgemäßen Lösung zu schaffen. Drehkodierschalter mit 64 Schaltstufen sind bisher noch nicht bekannt.
Bei einem 64-stufigen Drehkodierschalter mit kreisrunder Ko- dierscheibe beträgt der konstante Abstand zwischen jeder
Schaltstufe etwa 5,63°. Findet ein solcher Drehkodierschalter in einem Überlastrelais als Stromeinstellelement Verwendung, so wird eine Skala mit Strommarken und einem Einstellpfeil benötigt. Das Aufbringen der Skala und des Einstellpfeils auf den Drehkodierschalter ist stets mit Fertigungstoleranzen verbunden. Diese liegen erfahrungsgemäß im Bereich bis zu +/- Im Beispielfall (siehe FIG 1) verfügt ein Überlastrelais über einen Einstellbereich von 25A bis 100A. Der Einstellstrom würde dann von Schaltstufe zu Schaltstufe um (100A-25A) / (64- 1)= 1,19A ansteigen. Will der Anwender das Überlastrelais auf 25A einstellen, ist es denkbar, dass nicht die 25A-Marke eingestellt wird, sondern dass der Anwender eine Einstellung auf die (25A-1, 19A) -Marke vornimmt. Mit anderen Worten entspricht ein Einstellfehler von 1,19A bei einem Einstellwert von 25A (untere Einstellmarke) einem prozentualen Fehler von l,19A/25A*100%=4,8%. Bei der oberen Einstellmarke (100A) beträgt der Fehler jedoch nur 1, 19A/1OOA*1OO%=1, 19% . Der konstante Abstand zwischen den Schaltstufen hat also den Nachteil, dass aufgrund der Einstellgenauigkeit von +/-4° an der unteren Einstellmarke (25A) ein großer prozentualer Fehler auftritt, währenddessen an der oberen Einstellmarke (100A) der prozentuale Fehler sehr klein ist.
Erfindungsgemäß wird daher ein Drehkodierschalter vorgeschlagen, der einen konstanten prozentualen Fehler über die gesam- te Skala aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Abstände der Schaltstufen an der unteren Einstellmarke (25A) größer sind als die Abstände der Schaltstufen an der oberen Einstellmarke (100A) , wo man sich einen größeren Einstellwinkelfehler erlauben kann. Insbesondere werden die Abstände zwischen den einzelnen Schaltstufen von der unteren Schaltstufe bis hin zur oberen Schaltstufe logarithmisch immer kleiner. Wie in FIG 2 abgebildet, beträgt der prozentuale Fehler an der unteren Einstellmarke (25A) bei einem solchen Drehkodierschalter 0% und an der oberen Einstellmarke 2,4%. Am größten ist der prozentuale Fehler, wenn der Abstand zwischen einer Schaltstufe zur nächsten Schaltstufe das erste Mal größer als 8° wird. Im gewählten Beispiel wäre dies der Fall bei 42, 9A. Hier beträgt der prozentuale Fehler (42, 9A/41, 7A-1) *100%=2, 9% .
Durch den logarithmisch kleiner werdenden Abstand zwischen den Schaltstufen kann gegenüber einem Drehkodierschalter mit konstantem Abstand zwischen den Schaltstufen der maximale prozentuale Fehler erfindungsgemäß von 4,8% auf 2,9% reduziert werden.
Als Kodierscheibe wird eine Drehscheibe verwendet, die über einen Abgriff verfügt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Widerstandspotentiometern werden jedoch nicht Widerstandswerte, sondern digitale Signale abgegriffen. Die Kodierung der Kodierscheibe erfolgt durch die Verwendung leitender und nichtleitender Flächen (in FIG 3 als schwarze und weiße Balken dargestellt) , die mit einer entsprechenden Anzahl Sensoren abgetastet werden. Dabei steht eine leitende Fläche für den digitalen Wert „lλΛ und ein nicht leitende Fläche für den digitalen Wert „0".
Für die Kodierung der Kodierscheibe wird ein Graycode verwendet, vgl. FIG 3. Bei dem Graycode handelt es sich um ein Kodierungsverfahren zur robusten Übertragung digitaler Größen. Seine wesentliche Eigenschaft besteht darin, dass sich die Graycodes für zwei benachbarte Segmente nur um 1 Bit unter- scheiden. Dadurch verringert sich der maximal mögliche Einstellfehler. Der Graycode ist insbesondere für eine kreisförmige Anordnung wie auf der in FIG 3 dargestellten Kodierscheibe geeignet, da sich auch beim Übergang von der höchsten Zahl auf 0 lediglich eine Stelle ändert. Eine Tabelle, die den Graycode für 64 Schaltstufen darstellt, zeigt FIG 4.
Wie in FIG 3 verdeutlicht, ändert sich auf der KodierScheibe der Abstand zwischen den einzelnen Schaltstufen z.B. logarithmisch. Mit anderen Worten sind die leitenden bzw. nicht leitenden Flächen bei den unteren Schaltstufen (beispielsweise bei den Schaltstufen 0, 1, 2 usw.) breiter als die Flächen bei den oberen Schaltstufen 61, 62, 63. Dies bedeutet gleichzeitig, dass sich die Abstände zwischen den Schaltstufen verändern. Beginnend von den niedrigen Schaltstufen hin zu den höheren Schaltstufen verringern sich die Abstände zwischen den einzelnen Schaltstufen.
Dabei gilt allgemein für eine Kodierscheibe mit n Segmenten: H-I
360° = ]T aoa v=0
wobei CC0 den Winkel des Segments „0" und a die Basis für die Winkelberechnung darstellt. Für den Winkel des Segments „vλλ gilt:
av = CC0Ci
für n=[0.... (n-1) ] . Darüber hinaus gilt für Segment „vv
Figure imgf000009_0001
Für das in FIG 3 gezeigt Beispiel gilt dabei: n=64, αo=2°, a=l,0289.
Durch die Verwendung eines Drehkodierschalters ohne Rasthaken oder andere mechanische Rastelemente wird eine Bedienung des Drehkodierschalters ermöglicht, die der eines Widerstandspo- tentiometers entspricht. Durch die logarithmische Aufteilung der Schaltstufen wird gleichzeitig der Einstellfehler derart gering gehalten, dass eine hohe Einstellgenauigkeit ermöglicht wird. Da jedoch ausschließlich digitale Signale abgegriffen werden, ist ein Abgleich, wie er bei einem Wider- Standspotentiometer erforderlich ist, nicht notwendig.
Mit anderen Worten wird durch die Erfindung erreicht, dass ein Drehkodierschalter die Funktion eines Widerstandspotentiometers übernehmen kann, unter Beibehaltung der positiven Eigenschaften des Widerstandspotentiometers (kontinuierliches Drehen, relative Einstellungsgenauigkeit) , ohne jedoch einen teuren und aufwendigen Abgleich durchführen zu müssen.
Alternativ ist es selbstverständlich möglich, den Drehkodier- Schalter mit Raststellungen zu versehen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Drehkodierschalter Erschütterun- gen, Schwingungen oder sonstigen Vibrationen ausgesetzt ist, In diesem Fall dienen die Rasten dazu, ein unbeabsichtigtes Verstellen zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche
1. Drehkodierschalter mit einer Anzahl von Schaltstufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Schalt- stufen nicht konstant sind.
2. Drehkodierschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abstände zwischen den Schaltstufen kontinuierlich ändern.
3. Drehcodierschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abstände zwischen den Schaltstufen logarithmisch oder logarithmisch ähnlich ändern.
4. Drehcodierschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abstände zwischen den Schaltstufen verringern, beginnend von den Schaltstufen, denen niedrige Einstellwerte zugeordnet sind, hin zu den Schaltstufen, denen hohe Einstellwerte zugeordnet sind.
5. Drehkodierschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Graycode als Kodierung.
6. DrehkodierSchalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge- kennzeichnet durch vierundsechzig Schaltstufen.
7. Drehkodierschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine als Drehscheibe ausgebildete Kodierscheibe.
8. Drehkodierschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Fehlen mechanischer RastStellungen.
9. Drehkodierschalter - mit einer hohe Auflösung, beispielsweise mit vierundsechzig Schaltstufen,
- mit einem Graycode als Kodierung und
- mit einer als Drehscheibe ausgebildeten Kodierscheibe.
10. Drehkodierschalter nach Anspruch 9, ohne mechanische RastStellungen.
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