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Die
Erfindung betrifft eine 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 Indexspur mit Indexmarkierungen
zur Kennzeichnung eines Absolutwertes der Position des Objektes
und mit einem Sensor, welcher zum Abtasten der Inkrementalspur ausgebildet
ist, und einem Sensor, welcher zum Abtasten der Indexspur ausgebildet
ist.
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Eine
solche Vorrichtung ist aus der DE-4041491-A1 bekannt, wobei die
Indexmarkierungen bei Bewegung des Objektes serielle Signale erzeugen,
welche einen Absolutwert der Stellung des Objektes beinhalten.
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Weitere
Vorrichtungen zur Positionsbestimmung anhand von mit Markierungen
versehenen Messspuren sind außerdem
in der DE-4226683-A1, der
DE-69317499-T2 und der DE-3117554-C2 offenbart.
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Allgemein
sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Position des Objektes
durch Zählwerte
aus den Sensoren der Inkrementalspur bestimmt wird, so dass von
einem bekannten Ausgangswert die Position des Objektes festgestellt
wird. Mit der Indexmarkierung lässt
sich der Absolutwert der Position feststellen und als Ausgangswert
für die
weitere Bestimmung der Position über
die Zählwerte
nutzen.
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Bei
einer Vorrichtung zur Erfassung des Stellwinkels und der Drehzahl
eines Motors eines Kraftfahrzeuges ist auf dem Umfang der Schwungscheibe
meist ein Zahnkranz angeordnet, der von einem induktiven Sensor
abgetastet wird. Um einen Ausgangswert zu erlangen, fehlen an einer Stelle
zwei Zähne.
Markierungen der Inkrementalspur und die Indexmarkierung sind somit
auf einer einzigen Spur vereinigt. Die fehlenden zwei Zähne dienen
der Markierung des Ausgangswertes, häufig des oberen Totenpunktes
eines Kolbens. Der genaue Stellwinkel wird dann über die Zählwerte bestimmt.
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Diese
Vorrichtungen haben den Nachteil, durch eine ständige Erfassung der Position
des Objektes sehr viel Rechenleistung 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.
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Bei
der kombinierten Erfassung der Drehzahl und des Stellwinkels des
Motors eines Kraftfahrzeuges fallen die oben genannten Nachteile
besonders stark ins Gewicht, da der Motor gewöhnlich in einem großen Drehzahlbereich
arbeitet. 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 wesentlich höhere
Winkelauflösung
des Sensorsystems.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so zu gestalten, dass sie mehrere Absolutwerte der
Position des Objektes mit einer verbesserten Genauigkeit erfasst.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass zur Abtastung der Inkrementalspur ein weiterer Sensor vorgesehen
ist, wobei die beiden Sensoren zur Abtastung der Inkrementalspur um
eine halbe Abtastperiode versetzt sind und komplementäre Spannungssignale
erzeugen, dass eine weitere Indexspur mit Indexmarkierungen von
einem Sensor abgetastet wird, wobei die Indexmarkierungen der weiteren
Indexspur komplementär
zu den Indexmarkierungen der Indexspur angeordnet sind und die Sensoren
der beiden Indexspuren komplementäre Spannungssignale liefern,
dass aus den komplementären
Spannungssignalen der Inkrementalspur eine logische Spur und aus
den komplementären Spannungssignalen
der Indexspuren eine logische Spur erzeugt wird, und dass die Position
des Objektes aus einem seriellen Code bestimmbar ist, der in einer
weiteren logischen Spur enthalten ist, welche durch eine Verknüpfung der
logischen Spur der Indexspuren und der logischen Spur der Inkrementalspur
entsteht.
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Damit
liegen die Absolutwerte der Position des Objektes auf der weiteren
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 den Indexspuren vorhanden sein
können.
Ein solcher serieller Code ermöglicht eine
sichere Bestimmung der exakten Position des Objektes. Die Inkrementalspur
legt allein durch ihre Abmessungen eine Abtastperiode fest und erzeugt mit
der Geschwindigkeit des Objektes eine Abtastfrequenz. Diese Abtastfrequenz
dient hierbei als Taktgeber für
die zeitliche Abfolge der Signale der weiteren logischen Spur. Die
Indexspuren können
nun so viele Indexmarkierungen enthalten, wie an Absolutwerten benötigt werden,
so dass keine Bestimmung über
Zählwerte
erfolgt. Die Indexmarkierungen selbst können sich aus mehreren Markierungen
mit unterschiedlichen Abmessungen 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 weiteren logischen Spur erzeugen.
Die Zuordnung der einzelnen seriellen Codes zu den Absolutwerten
der Positionen lässt sich
beispielsweise erstellen, wenn bei gleichzeitigen Low-Pegeln der Sensoren
der Inkrementalspur und der Sensoren der Indexspuren die weitere
logische Spur eine "1" und ansonsten eine "0" hat.
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Aufgrund
der Verwendung von zwei Indexspuren, deren Indexmarkierungen komplementär zueinander
angeordnet und von jeweils einem Sensor abtastbar sind, lassen sich
etwaige Fehler einfach kompensieren. Diese können entstehen, wenn nur ein
Sen sor ein zu schwaches Signal liefert, beispielsweise wegen Verschmutzung
bei optischen Markierungen oder wegen Toleranzen in der Entfernung
der Markierungen von dem Sensor. Bei beispielsweise optischen Sensoren,
die eine Spannung in Abhängigkeit
von der einfallenden Lichtstärke
liefern, nimmt die Lichtstärke
durch Verschmutzung beider Sensoren ab. Ein Schaltzeitpunkt lässt sich
dann noch immer durch eine gleich große elektrische Spannung der
Sensoren exakt festlegen.
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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.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird erreicht,
wenn die Inkrementalspur von zwei um ein Viertel der Abtastperiode
gegeneinander versetzten Sensoren abtastbar ist. Mit dem zweiten
Sensor auf der Inkrementalspur wird ohne Erhöhung der Abtastrate eine Verdoppelung der
Werte der weiteren 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.
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Bei
den Sensoren der Inkrementalspur lassen sich Fehler, die durch schwache
Signale entstehen könnten,
auch 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 werden dann
zu einem Sensor zusammengefasst. Durch diese Anordnung erzeugt jeder
Sensor zwei komplementäre
Signale. Weiterhin besitzen die Sensoren die Abmessung einer vollständigen Abtastperiode, wodurch
auch ein elektronischer Ausgleich von Montageungenauigkeiten ermöglicht wird.
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Häufig ist
es nicht notwendig, zu jedem Zeitpunkt die exakte Position des Objektes
zu ermitteln. Dann führt
es zur Einsparung von Rechenleistung, wenn die Indexspuren jeweils
Codebereiche mit komplementär
zueinander angeordneten Indexmarkierungen und Bereiche mit zueinander
nicht komplementär
angeordneten Indexmarkierungen haben. In den Codebereichen mit den
komplementär
zueinander angeordneten Indexmarkierungen ist somit eine exakte
Bestimmung der Absolutposition des Objektes möglich. Die Bereiche mit nicht
komplementären Indexmarkierungen
können
als grob auflösende
Inkremente Zählsignale
bei hohen Geschwindigkeiten des Objekts generieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
neben der Position des Objektes auch dessen Geschwindigkeit zu bestimmen.
Dies kann dadurch geschehen, daß die
Geschwindigkeit aus den Werten der Inkrementalspur ermittelt 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 hohen Geschwindigkeiten
eine hohe Abtastfrequenz zu erfordern. Durch einen periodischen
Wechsel von nicht komplementärem
Bereich und komplementärem
Codebereich der Indexspuren läßt sich dieser
Nachteil beseitigen. Damit wird aus den beiden Indexspuren eine
neue logische Inkrementalspur mit einer größeren Abtastperiode und damit
einer geringeren Abtastfrequenz bei gleicher Geschwindigkeit gewonnen.
Diese neue logische Inkrementalspur wechselt dann zwischen den Zuständen "0" und "1" mit
jedem Wechsel zwischen Bereich und Codebereich.
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Häufig werden
bei derartigen Vorrichtungen Sensoren eingesetzt, 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 Markierungen 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.
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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 Motors eines Kraftfahrzeuges.
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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 Einspritzimpulses der Stellwinkel des Motors für jeden
Zylinder separat und exakt bestimmt wird. Damit kann der Motor gestartet werden,
wenn der Zündzeitpunkt
des ersten zu zündenden
Zylinders feststeht. Im Vergleich zum Stand der Technik kann hierbei
der Motor im günstigsten Fall
eine Motorumdrehung früher
gestartet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt auch
eine Vielzahl von Indexmarkierungen, die für unterschiedliche Betriebsbedingungen
des Motors verwendet werden können,
ohne daß wie
beim Stand der Technik Zählwerte
gebildet werden müssen.
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Die
Drehzahl des Motors läßt sich
je nach Anforderung an die Genauigkeit der Werte mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf drei Arten bestimmen. Es kann, beispielsweise für eine Anzeige
der Drehzahl auf einem Drehzahlmesser, eine bestimmte Indexmarkierung,
die nur einmal pro Umdrehung auftritt, erfaßt werden. Die genaueste Methode
zur Bestimmung der Drehzahl stellt jedoch die Messung der Abtastfrequenz
der Inkrementalspur dar. Da sie eine hohe Abtastfrequenz erfordert,
ist sie hauptsächlich zur
Erfassung von niedrigen Drehzahlen geeignet. Alternativ dazu läßt sich
die Drehzahl auch durch einen periodischen Wechsel von nicht komplementärem Bereich
und komplementärem
Codebereich der Indexspuren bestimmen. Damit wird aus den beiden Indexspuren
eine neue logische Inkrementalspur mit einer größeren Abtastperiode und damit
einer geringeren Abtastfrequenz bei gleicher Geschwindigkeit erzeugt.
Die Genauigkeit dieser Methode liegt damit zwischen den beiden anderen.
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Da
ein ungleichmäßiger Motorrundlauf
darauf hindeutet, daß beispielsweise
eine fehlerhafte Verbrennung vorliegt oder die Leerlaufdrehzahl
zu niedrig ist, sollte er überwacht
werden. Besonders wichtig ist diese Überwachung im niedrigen Drehzahlbereich.
Im hohen Drehzahlbereich ist es jedoch wichtig, die Abtastfrequenz
nicht zu groß werden
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
ergibt sich auch im Bereich niedriger Drehzahlen eine deutlich höhere Winkelauflösung.
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Die
Erfindung läßt zahlreiche
Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei davon
in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Diese zeigt in
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1 eine
Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung der Position eines translatorisch bewegenden Objektes
mit einer Auswertung von Signalen,
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2 eine
Darstellung einer Scheibe mit Markierungen für einen Motor eines Kraftfahrzeugs.
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Die 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 unterschiedliche
Abstände
voneinander auszeichnen. Die Indexspuren 4, 5 sind
in einen Bereich 12, in denen beide nicht komplementäre Indexmarkierungen 6, 9 aufweisen, und
in einen Codebereich 13 mit komplementär angeordneten Indexmarkierungen 6, 7, 10, 11 unterteilt. Über der
Inkrementalspur 2 sind vier Sensoren 14–17 angeordnet,
die jeweils zum Abtasten eines Viertels seiner Abtastperiode 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
Inkrementalspur 2. Die Sensoren 14–17, 19, 20 sind
hier optische Sensoren, die eine von einem Lichteinfall abhängige 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.
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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 anschließend 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 weitere logische Spuren 29, 30 gebildet.
Diese logischen Spuren 29, 30 stellen eine direkte
Funktion von Abtastperiode 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 Position 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 Abtastperiode 18 versetzte
Werte haben, liegt darin, daß dadurch
ohne Erhöhung
einer Abtastfrequenz eine Halbierung der Abtastperiode 18 ermöglicht wird.
Dies führt
zu einer genaueren Bestimmung der Position des Streifens 1.
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Um
eine Geschwindigkeit des Streifens 1 anhand eines periodischen
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.
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In 2 sind
auf einer Scheibe 33 drei Spuren aufgetragen, 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 eines Motors eines Kraftfahrzeuges.
Die Spuren 34–36 werden
mit Sensoren 14–17, 19, 20 wie
in 1 abgetastet. Auch die Erzeugung von logischen
Spuren und einem seriellen Code erfolgt wie in 1 beschrieben.
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Deutlich
ist an den Indexspuren 34, 35 ein periodischer
Wechsel von Codebereichen 37, an denen die Indexmarkierungen 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 Indexspuren 34, 35 eine andere Abfolge von
Indexmarkierungen, so daß sie
nach einem Abtasten eindeutig einem bestimmten Stellwinkel der Scheibe 33 zuzuordnen
sind.
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Die
Drehzahl des Motors wird aus einer Abtastung der Inkrementalspur 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 1 eine logische
Inkrementalspur 28 erzeugen läßt.
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Zur
Bestimmung des Motorrundlaufes sind bei niedriger Drehzahl Schwankungen
der Abtastfrequenz der Inkrementalspur 36 heranzuziehen.
Bei höherer
Drehzahl wird zur Bestimmung des Motorrundlaufs die aus dem periodischen
Wechsel der Codebereiche 37 und der nicht komplementären Bereiche 40 die
in 1 hervorgegangene logische Inkrementalspur 28 herangezogen.