DE19530904A1 - Vorrichtung zur Erfassung einer Position eines sich relativ zu einer Basis rotatorisch oder translatorisch bewegenden Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung ei­ ner Position eines sich relativ zu einer Basis rotato­ risch oder translatorisch bewegenden Objektes mit einer periodisch wiederkehrende Markierungen aufweisenden In­ krementalspur und einer Indexmarkierung zur Kennzeichnung eines Absolutwertes von dessen Position und einen Sensor, welcher zum Abtasten der Inkrementalspur ausgebildet ist.

Solche Vorrichtungen sind allgemein bekannt. Hierbei wird häufig die Position des Objektes durch Zählwerte aus den Sensoren der Inkrementalspur bestimmt, so daß von einem bekannten Ausgangswert die Position des Objektes festge­ stellt wird. Mit der Indexmarkierung läßt sich der Abso­ lutwert der Position feststellen und als Ausgangswert für die weitere Bestimmung der Position über die Zählwerte nutzen.

Bei einer Vorrichtung zur Erfassung des Stellwinkels und der Drehzahl eines Motors eines Kraftfahrzeuges ist auf dem Umfang der Schwungscheibe meist ein Zahnkranz ange­ ordnet, der von einem induktiven Sensor abgetastet wird. Um einen Ausgangswert zu erlangen, fehlen an einer Stelle zwei Zähne. Markierungen der Inkrementalspur und die In­ dexmarkierung sind somit auf einer einzigen Spur verei­ nigt. Die fehlenden zwei Zähne dienen der Markierung des Ausgangswertes, häufig des oberen Totpunktes eines Kol­ bens. Der genaue Stellwinkel wird dann über die Zählwerte bestimmt.

Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, durch eine stän­ dige Erfassung der Position des Objektes sehr viel Re­ chenleistung in Anspruch zu nehmen. Besonders nachteilig macht sich die Bestimmung der Position mit Zählwerten bei hohen Geschwindigkeiten des Objektes bemerkbar, da dann eine hohe Abtastrate erforderlich ist.

Bei der kombinierten Erfassung der Drehzahl und des Stellwinkels des Motors eines Kraftfahrzeuges fallen die obengenannten Nachteile besonders stark ins Gewicht, da der Motor gewöhnlich in einem großen Drehzahlbereich ar­ beitet. Weiterhin steht der Absolutwert der Position nur einmal während einer Umdrehung des Motors zur Verfügung. Gestiegene Anforderungen an den Motorrundlauf bei einem abgesenkten Leerlaufdrehzahlniveau erfordern eine wesent­ lich höhere Winkelauflösung des Sensorsystems.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie mehrere Absolutwerte der Position des Objektes mit einer verbesserten Genauigkeit erfaßt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere unterschiedliche Indexmarkierungen auf einer In­ dexspur angeordnet und von einem Sensor abtastbar sind und daß die Position des Objektes aus einem seriellen Code einer aus einem Vergleich der Signale der Sensoren der Inkrementalspur und der Indexspur zusammengesetzten logischen Spur bestimmbar ist.

Damit liegen die Absolutwerte der Position des Objektes auf der logischen Spur in digitalisierter Form vor, das heißt in einer zeitlichen Abfolge von Signalen mit den Werten "1" und "0", wodurch besonders viele voneinander verschiedene Indexmarkierungen auf der Indexspur vorhan­ den sein können. Ein solcher serieller Code ermöglicht eine sichere Bestimmung der exakten Position des Objek­ tes. Die Inkrementalspur legt allein durch ihre Abmessun­ gen eine Abtastperiode fest und erzeugt mit der Geschwin­ digkeit des Objektes eine Abtastfrequenz. Diese Abtast­ frequenz dient hierbei als Taktgeber für die zeitliche Abfolge der Signale der logischen Spur. Die Indexspur kann nun so viele Indexmarkierungen enthalten, wie an Ab­ solutwerten benötigt werden, so daß keine Bestimmung über Zählwerte erfolgt. Die Indexmarkierungen selbst können sich aus mehreren Markierungen mit unterschiedlichen Ab­ messungen zusammensetzen. Wichtig ist bei der Auswahl dieser Markierungen lediglich, daß sie in Verbindung mit den Markierungen der Inkrementalspur eine eigentümliche zeitliche Abfolge mit den Werten "0" und "1" auf der lo­ gischen Spur erzeugen. Die Zuordnung der einzelnen seri­ ellen Codes zu den Absolutwerten der Positionen läßt sich beispielsweise erstellen, wenn bei gleichzeitigen Low-Pe­ geln der Sensoren der Inkrementalspur und des Sensors der Indexspur die logische Spur eine "1" und ansonsten eine "0" hat.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird erreicht, wenn die Inkrementalspur von zwei um ein Viertel der Abtastperiode gegeneinander versetzten Senso­ ren abtastbar ist. Mit dem zweiten Sensor auf der Inkre­ mentalspur wird ohne Erhöhung der Abtastrate eine Verdop­ pelung der Werte der logischen Spur und damit auch eine große Steigerung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Absolutwerte der Position erzielt. Weiterhin läßt sich damit die Bewegungsrichtung des Objektes erkennen.

Liefert der Sensor ein zu schwaches Signal, beispiels­ weise wegen Verschmutzung bei optischen Markierungen, oder wegen Toleranzen in der Entfernung der Markierungen von dem Sensor, lassen sich etwaige Fehler einfach kom­ pensieren, wenn zwei Indexspuren, dessen Indexmarkierun­ gen komplementär zueinander angeordnet sind, von jeweils einem Sensor abtastbar sind. Dieser Kompensationseffekt rührt daher, daß beispielsweise optische Sensoren eine Spannung in Abhängigkeit von der einfallenden Lichtstärke liefern. Wenn die Lichtstärke durch Verschmutzung beider Sensoren abnimmt, läßt sich ein Schaltzeitpunkt noch im­ mer durch eine gleich große elektrische Spannung der Sen­ soren exakt festlegen. Es läßt sich dann aus den beiden komplementären Signalen ein digitales Signal gewinnen, welches wesentlich exakter einer Position des Objektes zuzuordnen ist als ein von einer Lichtstärke abhängiges analoges Signal.

Auch bei den Sensoren der Inkrementalspur lassen sich Fehler, die durch schwache Signale entstehen könnten, einfach kompensieren, wenn über der Inkrementalspur vier Sensoren, von denen jeder zum Abtasten eines Viertels der Abtastperiode ausgebildet ist, vorhanden sind. Jeweils zwei um eine halbe Abtastperiode versetzte Sensoren wer­ den dann zu einem Sensor zusammengefaßt. Durch diese An­ ordnung erzeugt jeder Sensor zwei komplementäre Signale. Weiterhin besitzen die Sensoren die Abmessung einer voll­ ständigen Abtastperiode, wodurch auch ein elektronischer Ausgleich von Montageungenauigkeiten ermöglicht wird.

Häufig ist es nicht notwendig, zu jedem Zeitpunkt die ex­ akte Position des Objektes zu ermitteln. Dann führt es zur Einsparung von Rechenleistung, wenn die Indexspuren jeweils Codebereiche mit komplementär zueinander ange­ ordneten Indexmarkierungen und Bereiche mit zueinander nicht komplementär angeordneten Indexmarkierungen haben. In den Codebereichen mit den komplementär zueinander an­ geordneten Indexmarkierungen ist somit eine exakte Be­ stimmung der Absolutposition des Objektes möglich. Die Bereiche mit nicht komplementären Indexmarkierungen kön­ nen als grob auf lösende Inkremente Zählsignale bei hohen Geschwindigkeiten des Objekts generieren.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, ne­ ben der Position des Objektes auch dessen Geschwindigkeit zu bestimmen. Dies kann dadurch geschehen, daß die Ge­ schwindigkeit aus den Werten der Inkrementalspur ermit­ telt wird. Hierfür ist der Aufwand besonders einfach, weil sich die Geschwindigkeit des Objektes proportional zu der Abtastfrequenz verhält. Diese Möglichkeit führt zu besonders genauen Werten, hat aber den Nachteil, bei ho­ hen Geschwindigkeiten eine hohe Abtastfrequenz zu erfor­ dern. Durch einen periodischen Wechsel von nicht komple­ mentären Bereich und komplementären Codebereich der In­ dexspuren läßt sich dieser Nachteil beseitigen. Damit wird aus den beiden Indexspuren eine neue logische Inkre­ mentalspur mit einer größeren Abtastperiode und damit ei­ ner geringeren Abtastfrequenz bei gleicher Geschwindig­ keit gewonnen. Diese neue logische Inkrementalspur wech­ selt dann zwischen den Zuständen "0" und "1" mit jedem Wechsel zwischen Bereich und Codebereich.

Häufig werden bei derartigen Vorrichtungen Sensoren ein­ gesetzt, die die Markierungen induktiv erfassen. Diese Sensoren haben den Vorteil relativ unempfindlich gegen Verschmutzung zu sein. Nachteilig wirkt sich bei mehreren Spuren der relativ hohe Fertigungsaufwand für die Markie­ rungen und die Sensoren aus. Sollen mehrere Spuren und Sensoren eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, wenn die Spuren zur Abtastung mit optischen Sensoren ausgebildet sind. Die Markierungen sind dann im günstigsten Fall eine Abfolge von Schlitzen und Stegen.

Die Erfindung eignet sich besonders für die Verwendung einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erfassung eines Stellwinkels und einer Drehzahl und zur Überwachung des Motorrundlaufs eines Mo­ tors eines Kraftfahrzeuges.

Bei Motoren von Kraftfahrzeugen sind dann nur auf einer Nocken- oder Kurbelwelle oder auf einer Schwungscheibe mehrere Spuren mit Markierungen anzuordnen. Gerade bei Motoren mit mehreren Zylindern ist es von Vorteil, wenn zur Bestimmung des Zündzeitpunktes und des Einspritzim­ pulses der Stellwinkel des Motors für jeden Zylinder se­ parat und exakt bestimmt wird. Damit kann der Motor ge­ startet werden, wenn der Zündzeitpunkt des ersten zu zün­ denden Zylinders feststeht. Im Vergleich zum Stand der Technik kann hierbei der Motor im günstigsten Fall eine Motorumdrehung früher gestartet werden. Die erfindungsge­ mäße Vorrichtung erlaubt auch eine Vielzahl von Indexmar­ kierungen, die für unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors verwendet werden können, ohne daß wie beim Stand der Technik Zählwerte gebildet werden müssen.

Die Drehzahl des Motors läßt sich je nach Anforderung an die Genauigkeit der Werte mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung auf drei Arten bestimmen. Es kann, beispiels­ weise für eine Anzeige der Drehzahl auf einem Drehzahl­ messer, eine bestimmte Indexmarkierung, die nur einmal pro Umdrehung auftritt, erfaßt werden. Die genaueste Me­ thode zur Bestimmung der Drehzahl stellt jedoch die Mes­ sung der Abtastfrequenz der Inkrementalspur dar. Da sie eine hohe Abtastfrequenz erfordert, ist sie hauptsächlich zur Erfassung von niedrigen Drehzahlen geeignet. Alterna­ tiv dazu läßt sich die Drehzahl auch durch einen periodi­ schen Wechsel von nicht komplementärem Bereich und kom­ plementärem Codebereich der Indexspuren bestimmen. Damit wird aus den beiden Indexspuren eine neue logische Inkre­ mentalspur mit einer größeren Abtastperiode und damit ei­ ner geringeren Abtastfrequenz bei gleicher Geschwindig­ keit erzeugt. Die Genauigkeit dieser Methode liegt damit zwischen den beiden anderen.

Da ein ungleichmäßiger Motorrundlauf darauf hindeutet, daß beispielsweise eine fehlerhafte Verbrennung vorliegt oder die Leerlaufdrehzahl zu niedrig ist, sollte er über­ wacht werden. Besonders wichtig ist diese Überwachung im niedrigen Drehzahlbereich. Im hohen Drehzahlbereich ist es jedoch wichtig, die Abtastfrequenz nicht zu groß wer­ den zu lassen. Ein derartiger Zielkonflikt ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung einfach zu lösen, wenn bei niedrigen Drehzahlen der Motorrundlauf durch Überwachung der Inkrementalspur erreicht wird. Bei hohen Drehzahlen kann dazu einfach auf den periodischen Wechsel von nicht komplementärem Bereich und komplementärem Codebereich der Indexspuren umgeschaltet werden. Dank der Erfindung er­ gibt sich auch im Bereich niedriger Drehzahlen eine deut­ lich höhere Winkelauflösung.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei da­ von in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung der Position eines translatorisch bewegenden Objektes mit einer Auswertung von Signalen,

Fig. 2 eine Darstellung einer Scheibe mit Markierungen für einen Motor eines Kraftfahrzeugs.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Streifens 1, auf dem drei Spuren mit Markierungen angeordnet sind. Die mittlere Spur ist eine Inkrementalspur 2 mit periodisch wiederkehrenden Markierungen 3. Die äußeren beiden Spuren sind Indexspuren 4, 5 mit Indexmarkierungen 6-11, die sich durch eine unterschiedliche Länge und durch unter­ schiedliche Abstände voneinander auszeichnen. Die Index­ spuren 4, 5 sind in einen Bereich 12, in denen beide nicht komplementäre Indexmarkierungen 6, 9 aufweisen, und in einen Codebereich 13 mit komplementär angeordneten In­ dexmarkierungen 6, 7, 10, 11 unterteilt. Über der In­ krementalspur 2 sind vier Sensoren 14-17 angeordnet, die jeweils zum Abtasten eines Viertels seiner Abtastpe­ riode 18 ausgebildet sind. Folglich decken die Sensoren 14-17 zusammen eine ganze Abtastperiode 18 ab. Über den Indexspuren 4, 5 befindet sich jeweils ein Sensor 19, 20 der gleichen Art wie ein Sensor 14-17 über der Inkre­ mentalspur 2. Die Sensoren 14-17, 19, 20 sind hier op­ tische Sensoren, die eine von einem Lichteinfall abhän­ gige Spannung liefern. Die periodisch wiederkehrenden Markierungen 3 und die Indexmarkierungen 6-11 bestehen aus Schlitzen und Stegen im Streifen 1, so daß Licht in Abhängigkeit von der Position des Streifens 1 auf die Sensoren 14-17, 19, 20 fällt.

Die Sensoren 14-17, 19, 20 selbst liefern ein analoges Spannungssignal 21-26, welches bei einem Vorbeibewegen an einer Markierung 3 bzw. einer Indexmarkierung 6-11 langsam auf einen maximalen Wert ansteigt, um anschlie­ ßend wieder abzufallen. Damit die Position der Markierung 3 bzw. einer Indexmarkierung 6-11 eindeutig bestimmt werden kann, werden grundsätzlich zueinander komplemen­ täre Spannungssignale 21, 22; 23, 24; 25, 26 ausgewertet. Im Codebereich 13 sind die Spannungssignale 21, 22 der Sensoren 19, 20 der Indexspuren 4, 5 komplementär zueinander. Bei der Inkrementalspur 2 liefern die jeweils um eine halbe Abtastperiode 18 versetzten Sensoren 14, 16; 15, 17 immer komplementäre Spannungssignale 23-26. Ein nicht dargestellter Digital-/Analog-Wandler erzeugt dann aus zwei komplementären Spannungssignalen 21-26 eine logische Spuren 27, 29, 30, indem er regelmäßig bei gleich großen Werten der komplementären Spannungssignale 21, 22; 23, 24; 25, 26 zwischen den Zuständen "0" und "1" wechselt. Beispielsweise wird damit aus den analogen Spannungssignalen 21, 22 der Sensoren 19, 20 der Indexmarkierungen 8-11 eine logische Spur 27 erzeugt. Um diese logische Spur 27 einer Position des Streifens 1 zuzuordnen, muß diese mit einer von der Geschwindigkeit des Streifens 1 abhängigen Taktfrequenz verknüpft werden. Dazu werden aus den vier analogen Spannungssignalen 23-26 der Sensoren 14-17 der Inkrementalspur 2 zwei wei­ tere logische Spuren 29, 30 gebildet. Diese logischen Spuren 29, 30 stellen eine direkte Funktion von Abtastpe­ riode 18 und Geschwindigkeit des Streifens 1 dar. Durch eine Verknüpfung der logischen Spur 27 der Indexspuren 4, 5 und der logischen Spuren 29, 30 der Inkrementalspur 2 entsteht letztlich eine weitere logische Spur 31, welche einen seriellen Code 32 beinhaltet, mit welchem die Posi­ tion des Streifens 1 eindeutig bestimmbar ist. Es würde auch genügen, aus der Inkrementalspur 2 nur eine logische Spur 29 zu erzeugen. Der Vorteil der beiden logischen Spuren 29, 30, die lediglich um ein Viertel der Abtastpe­ riode 18 versetzte Werte haben, liegt darin, daß dadurch ohne Erhöhung einer Abtastfrequenz eine Halbierung der Abtastperiode 18 ermöglicht wird. Dies führt zu einer ge­ naueren Bestimmung der Position des Streifens 1.

Um eine Geschwindigkeit des Streifens 1 anhand eines pe­ riodischen Wechsels der Codebereiche 13 und der nicht komplementären Bereiche 12 zu bestimmen, wird eine neue logische Spur 28 gebildet, welche immer bei einem Wechsel von nicht komplementärem Bereich 12 und Codebereich 13 ihren Zustand ändert. Diese logische Spur 28 verhält sich damit wie eine weitere Inkrementalspur.

In Fig. 2 sind auf einer Scheibe 33 drei Spuren aufge­ tragen, von denen die innere und die äußere jeweils eine Indexspur 34, 35 und die mittlere eine Inkrementalspur 36 darstellt. Diese Scheibe 33 eignet sich besonders für eine Erfassung von Drehzahl, Stellwinkel und Rundlauf ei­ nes Motors eines Kraftfahrzeuges. Die Spuren 34-36 werden mit Sensoren 14-17, 19, 20 wie in Fig. 1 abge­ tastet. Auch die Erzeugung von logischen Spuren und einem seriellen Code erfolgt wie in Fig. 1 beschrieben.

Deutlich ist an den Indexspuren 34, 35 ein periodischer Wechsel von Codebereichen 37, an denen die Indexmarkie­ rungen 38, 39 komplementär zueinander ausgebildet sind, und Leerlaufbereichen 40, an denen die Indexmarkierungen 41, 42 nicht komplementär zueinander ausgebildet sind, zu erkennen. In jedem der Codebereiche 37 haben die Index­ spuren 34, 35 eine andere Abfolge von Indexmarkierungen, so daß sie nach einem Abtasten eindeutig einem bestimmten Stellwinkel der Scheibe 33 zuzuordnen sind.

Die Drehzahl des Motors wird aus einer Abtastung der In­ krementalspur 36 hergeleitet. Alternativ dazu kann auch der periodische Wechsel zwischen den Codebereichen 37 und den Leerlaufbereichen 40 der Indexspuren 34, 35 erfaßt werden, da sich hieraus analog der Vorgehensweise aus Fig. 1 eine logische Inkrementalspur 28 erzeugen läßt.

Zur Bestimmung des Motorrundlaufes sind bei niedriger Drehzahl Schwankungen der Abtastfrequenz der Inkremental­ spur 36 heranzuziehen. Bei höherer Drehzahl wird zur Be­ stimmung des Motorrundlaufs die aus dem periodischen Wechsel der Codebereiche 37 und der nicht komplementären Bereiche 40 die in Fig. 1 hervorgegangene logische In­ krementalspur 28 herangezogen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erfassung einer Position eines sich relativ zu einer Basis rotatorisch oder translatorisch bewegenden Objektes mit einer periodisch wiederkehrende Markierungen aufweisenden Inkrementalspur und einer In­ dexmarkierung zur Kennzeichnung eines Absolutwertes von dessen Position und einen Sensor, welcher zum Abtasten der Inkrementalspur ausgebildet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere unterschiedliche Indexmarkierungen (6-11, 38, 39, 41, 42) auf einer Indexspur (4, 5, 34, 35) angeordnet und von einem Sensor (19-20) abtastbar sind und daß die Position des Objektes (Streifen 1, Scheibe 33) aus einem seriellen Code (32) einer aus einem Ver­ gleich der Signale (21-26) der Sensoren (14-17, 19, 20) der Inkrementalspur (2, 36) und der Indexspur (4, 5, 34, 35) zusammengesetzten logischen Spur (31) bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementalspur (2, 36) von zwei um ein Viertel der Abtastperiode (18) gegeneinander versetzten Sensoren (14-17) abtastbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Indexspuren (4, 5, 34, 35), dessen In­ dexmarkierungen (6-11, 38, 39, 41, 42) komplementär zu­ einander angeordnet sind, von jeweils einem Sensor (19, 20) abtastbar sind.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der Inkremen­ talspur (2, 36) vier Sensoren (14-17), von denen jeder zum Abtasten eines Viertels der Abtastperiode (18) ausge­ bildet ist, vorhanden sind.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Indexspuren (4, 5, 34, 35) jeweils Codebereiche (13, 37) mit komple­ mentär zueinander angeordneten Indexmarkierungen (6-11, 38, 39) und Bereiche (12, 40) mit zueinander nicht kom­ plementär angeordneten Indexmarkierungen (41, 42) haben.

6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen periodischen Wech­ sel von nicht komplementärem Bereich (12, 40) und komple­ mentärem Codebereich (13, 37) der Indexspuren (4, 5, 34, 35).

7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spuren (2, 4, 5, 34-36) zum Abtasten mit optischen Sensoren (14-17, 19, 20) ausgebildet sind.

8. Verwendung einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erfassung eines Stellwinkels und einer Drehzahl und zur Überwachung des Motorrundlaufs eines Motors eines Kraftfahrzeuges.