DE4217168C2 - Sensor zur Erzeugung von elektrischen Signalen, welche die Stellung eines Objektes wiedergeben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erzeugung von elektrischen Signalen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung der Stellung eines Objekts, beispielsweise der Drehlage einer Welle, 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 Inkrementalge­ bern 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 bei­ spielsweise nach dem Einschalten einer mit einem derartigen Inkrementalge­ ber versehenen Einrichtung keine Information über die absolute Stellung vor, wenn das Objekt beim Einschalten eine beliebige Stellung aufweist. Außer­ dem können durch Zählfehler Fehler bezüglich der absoluten Stellung auftre­ ten. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen in Kraftfahrzeugen können jedoch derartige Fehler nicht zugelassen werden.

Diese Nachteile werden bei dem Hauptpatent dadurch vermieden, daß Mittel zur Abtastung weiterer Markierungen vorgesehen sind, die bei Bewegung des Objekts serielle Signale erzeugen, welche einen Absolutwert der Stellung be­ inhalten. Bei einer Weiterbildung des Gegenstands des Hauptpatents umfaßt eine weitere Spur die den Absolutwert beinhaltenden Markierungen und Stützpunktmarkierungen, welche den Wortanfang bzw. das Wortende der se­ riellen Signale kennzeichnen.

Zur einfachen Trennung der Stützpunktmarkierungen und der den Absolutwert beinhaltenden Markierungen ist dabei vorgesehen, daß die Stützpunktmarkie­ rungen 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 Markierun­ gen auf der weiteren Spur an Stellen aufgezeichnet sind, an welchen eine lo­ gische Verknüpfung der periodisch wiederkehrenden Markierungen einen zweiten Wert ergibt.

Bei einer optischen Abtastung der Markierungen stellt sich das Problem, daß mit zunehmender Auflösung bei gleichbleibendem Durchmesser der Code­ scheibe die Schlitzbreite verringert werden muß und somit die Lichtintensität abnimmt. Die periodischen Markierungen können jedoch gleichzeitig mit Hilfe mehrerer Fenster zur Erhöhung der Lichtintensität abgetastet werden. Die den jeweiligen Absolutwert darstellende weitere Spur ist jedoch zwangsläufig un­ regelmäßig, wodurch eine gleichzeitige Abtastung mehrerer Fenster nicht möglich ist.

Bei dem Hauptpatent wird die weitere Spur pro Periode (Markierung und Zwi­ schenraum) zweimal abgetastet. Dieses bedingt, daß die physikalische Breite der Markierungen der weiteren Spur maximal der Breite einer der periodisch wiederkehrenden Markierungen entsprechen darf.

Gemäß der US-PS 4,736,187 ist ein Inkrementalgeber bekannt, bei welchem die weiteren Markierungen Start/Stop-Zeichen einer vorgegebenen Bitfolge und dazwischenliegende Datenworte bilden, die den Absolutwert der Stellung angeben und die vorgegebene Bitfolge nicht enthalten. Zur Auswertung sind zwei Schieberegister vorgesehen. Die Markierungen müssen vollständig in eines der beiden Schieberegister eingelesen werden, bevor der Auswertevorgang beginnt, was ein kompliziertes Auswerteverfahren zur Folge hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, der ein einfaches Auswerteverfahren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch wird eine einwandfreie Funktion des Sensors auch für den Fall der Richtungsumkehr erreicht.

Eine Identifizierung der Start/Stop-Zeichen erfolgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einfacher Weise dadurch, daß die seriellen Signale bitweise durch das Schieberegister getaktet werden, daß der Inhalt vorgegebener Speicherplätze des Schieberegisters mit der in einem Speicher abgelegten vorgegebenen Bitfolge verglichen wird und daß bei Übereinstimmung der Inhalt der weiteren Speicherplätze des Schieberegisters als Datenwort ausgewertet wird.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Weiterbildung besteht darin, daß ein Vergleich der vorgegebenen Bitfolge mit dem Inhalt vorgegebener Speicherplätze sowohl an einem als auch am anderen Ende des Schieberegisters erfolgt und daß in Abhängigkeit von der Richtungsinformation die vor oder nach dem Start/Stop- Zeichen liegenden Bits als Datenwort ausgewertet werden. Dadurch kann unabhängig von der jeweiligen Bewegungsrichtung zu einem frühstmöglichen Zeitpunkt das Start/Stop-Zeichen erkannt und eines der benachbarten Datenworte ausgewertet werden.

Da bei dieser Ausführungsform je nach Bewegungsrichtung das vor einem Start/Stop-Zeichen oder das hinter einem Start/Stop-Zeichen liegende Datenwort ausgewertet wird, ist weiterhin vorgesehen, daß ein aus dem Datenwort gewonnener Wert für die absolute Stellung um eine Korrekturgröße verändert wird, die davon abhängt, ob das vor oder das hinter einem Start/Stop-Zeichen liegende Datenwort ausgewertet wird.

Da die für das Start/Stop-Zeichen vorgesehene Bitfolge in dem Datenwort nicht vorkommen darf, ist bei vielen Anwendungsfällen eine binäre Codierung des Datenwortes nicht möglich. Um diesen Nachteil für eine weitere Verarbeitung auszuschließen, ist gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Datenwort mit Hilfe einer Codetabelle in einen binär codierten Wert für die absolute Stellung umgerechnet wird, daß der binär codierte Wert um die richtungsabhängige Korrekturgröße verändert und mit der durch die Zählimpulse gewonnenen Relativstellung kombiniert wird.

Die aus den Markierungen der weiteren Spur gewonnenen Informationen beinhalten die absolute Stellung mit einer geringeren Auflösung als die durch die Zählimpulse gewonnene Relativstellung. Um zu einer hochaufgelösten Absolutstellung zu gelangen, sind verschiedene Verfahren möglich. So kann beispielsweise die mit Hilfe der weiteren Spur gewonnene absolute Stellung mit Hilfe der Zählimpulse von einem Stützpunkt zum folgenden inkrementiert bzw. dekrementiert werden. Ist jedoch einmal eine Zuordnung zwischen dem Zähler für die Zählimpulse und der absoluten Stellung bzw. Position erfolgt, so sind danach zwei Informationen für die absolute Stellung vorhanden. Diese kann gemäß einer anderen Weiterbildung dadurch zu einer höheren Sicherheit genutzt werden, daß eine Plausibilitätsprüfung zwischen denen durch Zählung der Zählimpulse und denen durch Auswertung der Datenworte entstandenen Informationen erfolgt.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben.

In der Zeichnung ist das Ausführungsbeispiel anhand von Schaltungs- bzw. Funktionsgruppen dargestellt. Neben einer Realisierung mit Hilfe derartiger Baugruppen ist jedoch eine Realisierung mit Hilfe eines Mikrocomputers in vorteilhafter Weise möglich, wobei das für den Mikrocomputer erforderliche Programm die Funktionen der einzelnen Baugruppen beinhaltet.

Auf einer nicht dargestellten Codescheibe befinden sich drei Spuren A, B und C, wobei die Spuren A und B periodisch wiederkehrende Markierungen umfassen, die in der Zeichnung gestrichelt dargestellt sind. Diese sind um 1/4 Periode gegeneinander verschoben, wodurch in an sich bekannter Weise eine Richtungserkennung möglich ist. Die Markierungen der weiteren Spur C können in ähnlicher Form wie die Markierungen der Spuren A und B ausgeführt sein; sie sind jedoch im Hinblick auf die durch die Abtastung der Spur C erzeugten Signale in der Figur in Form von binären Werten (1 bzw. 0) dargestellt.

Zur Abtastung sind drei vorzugsweise optische Abtastelemente 1, 2, 3 vorgesehen, welche Signale erzeugen, die in der Zeichnung gleichlautend mit der jeweiligen Spur A, B, C bezeichnet sind. Die Signale A, B werden einerseits einer Schaltung 4 zur Richtungserkennung und zur Erzeugung von Steuerimpulsen und andererseits über eine Filterung und Signalverarbeitung 5 einem Inkrementzähler 6 zugeführt. In letzterem befindet sich jeweils die Relativposition mit hoher Auflösung.

Das Signal C wird der Schaltung 4 und einem Schieberegister 7 zugeleitet. Entsprechend der Anzahl der zu jeweils einer Absolutposition gehörenden Bits, nämlich vier Bits für das Start/Stop-Zeichen und sechs Bits für das Datenwort, ist das Schieberegister 7 für zehn Bit ausgelegt. Es erhält von der Schaltung 4 Impulse zur Steuerung und ein Signal UP/DOWN, das eine Verschiebung des Inhalts des Schieberegisters nach links oder rechts bewirkt. Dieses Signal wird von der mit Hilfe der Signale A und B erzeugten Richtungsinformation abgeleitet. Da ferner das Signal C dem Schieberegister 7 an beiden Enden zugeführt wird, ist die Reihenfolge der einzelnen Bits des Signals C im Schieberegister unabhängig von der Bewegungsrichtung.

Der Inhalt des Schieberegisters wird mit jedem Takt parallel gelesen, worauf in einer Schaltung 8 geprüft wird, ob die ersten vier oder die letzten vier Bits des Inhalts des Schieberegisters mit dem vorgegebenen Start/Stop-Zeichen übereinstimmen. Dazu ist das Start/Stop-Zeichen in der Schaltung 8 gespeichert. Außerdem wird die Schaltung 8 von der Schaltung 4 gesteuert.

Bei 9 werden zwei Fälle unterschieden, nämlich derjenige, bei welchem das Start/Stop-Zeichen dem Datenwort vorangeht oder derjenige, bei welchem das Start/Stop-Zeichen auf das Datenwort folgt. Ein Datenwort kennzeichnet eine bestimmte Absolutposition, beispielsweise die Absolutposition des vorangegangenen Start/Stop-Zeichens. Befindet sich jedoch im Schieberegister ein Datenwort zusammen mit dem folgenden Start/Stop-Zeichen, so ist dieses bei der späteren Bildung des Meßergebnisses zu berücksichtigen. Dazu wird ein Korrekturwert, im folgenden physikalsicher Offset genannt, für den Fall gebildet, daß das Datenwort nicht zu dem jeweils vorgegebenen Start/Stop-Bit gehört. In diesem Fall entspricht der physikalische Offset dem Abstand zweier Start/Stop-Zeichen.

Bei 10 wird das Datenwort von dem Start/Stop-Zeichen getrennt und einer Codetabelle 11 zugeführt, wodurch eine Umwandlung in binär codierte Werte der Position erfolgt. Hierzu wird bei 12 der physikalische Offset hinzuaddiert. Das Ergebnis wird als Absolutposition mit geringer Auflösung bei 13 zwischengespeichert.

Bei 14 erfolgt eine Kombination der Absolutposition mit geringer Auflösung und der Relativposition mit hoher Auflösung. Dabei wird eine Plausibilitätsprüfung zur Erhöhung der Fehlersicherheit durchgeführt. Bei 15 wird das digitale Ergebnis der Kombination bei 14 in ein pulsbreitenmoduliertes Signal umgewandelt, das bei 16 entnommen werden kann. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch eine digitale Ausgabe oder eine Ausgabe als analoges Signal möglich.

Claims (5)

1. Sensor zur Erzeugung von elektrischen Signalen, welche die Stellung eines Objektes wiedergeben, insbesondere die Winkelstellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, wobei Inkrementalgeber durch Abtastung von periodisch wiederkehrenden Markierungen Zählimpulse und eine Richtungsinformation erzeugen und Mittel zur Abtastung weiterer Markierungen vorgesehen sind, die bei Bewegung des Objektes serielle Signale erzeugen, welche einen Absolutwert der Stellung beinhalten, und daß die weiteren Markierungen Start/Stop-Zeichen einer vorgegebenen Bitfolge und dazwischenliegende Datenworte bilden, die den Absolutwert der Stellung angeben und die vorgegebene Bitfolge nicht enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die seriellen Signale beiden Enden eines Schieberegisters (7) zuführbar sind und daß in Abhängigkeit von der Richtungsinformation die seriellen Signale im Schieberegister (7) in der einen oder in der anderen Richtung geschoben werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seriellen Signale bitweise durch das Schieberegister (7) getaktet werden, daß der Inhalt vorgegebener Speicherplätze des Schieberregisters (7) mit der in einem Speicher vorgegebenen Bitfolge verglichen wird und daß bei Übereinstimmung der Inhalt der weiteren Speicherplätze des Schieberegisters (7) als Datenwort ausgewertet wird.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleich der vorgegebenen Bitfolge mit dem Inhalt vorgegebener Speicherplätze sowohl an einem als auch am anderen Ende des Schieberegisters (7) erfolgt und daß in Abhängigkeit von der Richtungsinformation die vor oder die nach dem Start/Stop-Zeichen liegenden Bits als Datenwort ausgewertet werden.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Datenwort gewonnener Wert für die absolute Stellung um eine Korrekturgröße verändert wird, die davon abhängt, ob das vor oder das hinter einem Start/Stop-Zeichen liegende Datenwort ausgewertet wird.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenwort mit Hilfe einer Codetabelle (11) in einen binär codierten Wert für die absolute Stellung umgerechnet wird, daß der binär codierte Wert um die richtungsabhängige Korrekturgröße verändert und mit der durch die Zählimpulse gewonnenen Relativstellung kombiniert wird.