DE19607421A1

DE19607421A1 - Einrichtung zur Erfassung der aktuellen Stellung von linear oder durch Drehung zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Stellelementen

Info

Publication number: DE19607421A1
Application number: DE1996107421
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl In Heimberger
Original assignee: Mannesmann VDO AG; Max Kammerer GmbH
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 1997-09-04

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erfassung der Stellung von linear oder durch Drehung zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Stellelementen in Regelstrecken mit elektronisch geregelten Stellgliedern.

Bei der elektronischen Steuerung von intermittierend arbeitenden Regelstrecken stellt die sichere Erkennung der aktuellen Stellung zwi schen ihren Endstellungen zu jedem Zeitpunkt das wesentliche Problem dar. Insbesondere beim Start nach längerer, das Löschen aller elek tronischen Speicher verursachender Unterbrechung ist die schnelle und fehlerfreie Erkennung der aktuellen Stellung der Regelstrecke, etwa der Stellung des automatisch geregelten Getriebes in einem Kraftfahrzeug von entscheidender Bedeutung für das ordnungsgemäße Anlaufen des An triebes. Bisher erfolgt die Erkennung der Stellung in derartigen Regel strecken, also etwa die Gangerkennung in Fahrzeugantrieben, ausschließ lich mittels mechanischen, einen erheblichen Aufwand verursachenden (Gestänge-)Anordnungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung einer Einrichtung zugrunde, mit deren Hilfe auf opto-elektrischem Wege die Stellung von elektronisch geregelten Regelstrecken zwischen ihren Endstellungen zu jedem Zeitpunkt als absoluter Istwert für die weitere Regelung erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den im Patentanspruch 1 wiedergegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die Erfindung ist erstmals eine praktisch keinen Platz in Anspruch nehmende und einen nur unwesentlichen konstruktiven Aufwand erfordernde optische Einrichtung zur Erfassung der aktuellen Stellung von linear oder durch Drehung zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Stellelementen in Regelstrecken mit elektronisch geregelten Stell gliedern geschaffen.

Weitere Einzelheiten der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung erläu tert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung am Beispiel eines Gangerkennungs-Schalters für Kraftfahrzeuge mit automatischem Getriebe,

Fig. 2 eine Sicht auf die transparente Scheibe,

Fig. 3 einen Schnitt nach A-A durch Fig. 2,

Fig. 4 die schematische Wiedergabe der Stellung der noniusartig verknüpften Sensoren nach Vollgrad-Schritten,

Fig. 5 die synchronisierte Wiedergabe des Erkennungsrasters,

Fig. 6 eine der Fig. 4 entsprechende Wiedergabe der Stellung der noniusartig verknüpften Sensoren nach Teilgrad-Schritten.

In der Zeichnung ist eine Einrichtung zur Erfassung der aktuellen Stellung eines durch Verschwenken zwischen zwei Endstellungen beweg baren, auf die Schaltwelle 1 wirkenden Wählhebels - nicht dargestellt - eines elektronisch geregelten Automatikgetriebes wiedergegeben. Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus dem die Schaltwelle 1 umgrei fenden stationären Gehäuse 2, in dem die die elektronische Auswer tungs-Schaltung enthaltende Leiterplatte 3 unverrückbar gehalten ist. Auf der Leiterplatte sind die Geber 5 und Sensoren 6 von fünf optischen Signalschranken-Elementen I, II, III, IV und V paarweise nebeneinander angeordnet, von denen die Sensoren in üblicher, im einzelnen nicht beschriebener Weise mit der Auswertelektronik verknüpft sind. Die Einrichtung enthält weiterhin eine transparente, über den Mitnehmer 4 drehfest mit der Welle 1 verbundene Steuerscheibe 7, die auf ihrer den Signalschranken-Elementen 5, 6 abgewendeten Seite - siehe auch die Fig. 2 und 3 - eine ihrer Zahl entsprechende Zahl von Prismenleisten A, B, C, D, E aufweist, deren sich über jeweils eines der Signalschran ken-Elemente erstreckenden Prismenflächen 8, 9 mit der Strahlachse 10 des optischen Signals einen den Signalstrahl durch zweimalige Totalreflexion vom Geber 5 zum Sensor 6 umlenkenden Winkel einschließen. Die Prismenleisten sind zum Zwecke der Bildung eines Codierungs-Rasters in Abschnitte mit sich von Stufe zu Stufe halbierender Länge, d. h. im Falle der dargestellten Anordnung mit sich um eine Mittelachse dre hender Steuerscheibe halbierendem Bogenmaß, geteilt. Zur Platzersparnis sowie zur Vereinfachung des Ausgleiches der sich aus der unterschied lichen Radiuslage ergebenden Unterschiede in bezug auf die relativen Bogenlängen der Prismenleisten sind vier der Prismenleisten A-D zu jeweils zwei und zwei auf demselben Radius angeordnet.

Es ist schließlich auf dem Bogen der Prismen-Leiste mit dem klein sten Codierungs-Raster neben dem zugeordneten Signalschranken-Element E ein weiteres Signal-Schranken-Element VI vorgesehen, das gegenüber dem zugeordneten Signal-Schranken-Element V eine um einen bestimmten Bruchteil, im Beispielsfalle um ein Zehntel des Rasters versetzte Lage hat. Beide Elemente sind über einen - nicht dargestellten - AD-Wandler miteinander verknüpft und ergeben gemeinsam eine noniusartige Meß-Ein richtung, mit deren Hilfe die Meßgenauigkeit auf einen Bruchteil des vorgegebenen Rasters erhöht werden kann.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung gestaltet sich - dargestellt anhand der Fig. 4 bis 6 - wie folgt:

Die erfindungsgemäße Anordnung ist eingerichtet auf die Ermittlung der Stellung des Wahlhebels des Automatikgetriebes innerhalb eines - siehe Fig. 4 - Schwenkwinkels von 60° mit einem Raster von 1°, von denen allerdings in der Regel lediglich ein sich um die Mittel-Achse erstreckender Bereich von etwa 45° tatsächlich relevant ist. Die Erfassung erfolgt ständig, wobei die Meßstrahlen 10 eines jeden der Geber in den Bereichen, in denen sie von einem Leistenabschnitt über deckt werden, durch zweimalige Totalreflexion zu dem jeweils zugeord neten Sensor (Plus- bzw. High-Stellung) umgelenkt, in den anderen Be reichen dagegen ohne Beaufschlagung des Sensors (Minus- bzw. Low-Stel lung) durchgelassen werden. Aufgrund der Totalreflexions-Bedingungen an der im übrigen transparenten Steuerscheibe ist darüberhinaus si chergestellt, daß auch unter Plus- bzw. High-Bedingungen - mit sehr geringem Streubereich - nur der in der Strahlachse liegende Kernstrahl umgelenkt wird und den zugeordneten Sensor erreicht, während außerhalb des Totalreflexions-Winkels auftreffende Streustrahlen ohne Beein trächtigung der benachbarten Sensoren durchgelassen werden.

Geht man auf diesem Hintergrund - siehe Fig. 4 - davon aus, daß sich der Wahlhebel in der durch den Pfeil gekennzeichneten Stellung befindet, so haben die Signalwert-Aufnehmer der Elemente A-I bis F-V die Werte +/+/+/-/- (+ = high; - = low), welche Figuration in dem Über deckungsbereich nur einmal, und zwar für den Winkel 44° vorkommt. Dies wird deutlich bei Betrachtung der Figurationen für die von dieser Stellung beidseitig um 1° abweichenden Schaltstellungen, die aus der Graphik Fig. 4 für den Winkel 45° mit +/-/+/-/- und für den Winkel 43° mit +/+/+/-/+ ablesbar sind. Aufgrund der Beaufschlagungs-Figuration für die bezeichneten fünf Sensoren kann daher von der Auswertelektronik ohne weiteres die genaue Stellung des Wahlhebels mit einer Meßgenauigkeit von +/- 1° ermittelt werden.

Eine um ein Vielfaches genauere Erfassung der aktuellen Wahlhe bel-Stellung wird jedoch durch die in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehene noniusartig um 1/10-Raster versetzte Anordnung eines wei teren Signal-Schranken-Elementes VI auf demselben Prismen-Leisten-Kreis wie Signalschranken-Element V und deren Verknüpfung über einen elektro nischen AD-Wandler ermöglicht.

In Fig. 5 ist die Figuration der Elemente V und VI bei einer Folge von fünf Vollgrad-Schritten schematisch wiedergegeben. Sie zeigen in der Stellung X die Werte + bzw. "H" für das Element V und - bzw. "L" für das VI. Bei Verschwenkung des Hebels um 1° in die Stellung X + 1 die Werte -/-, weiterhin in der Stellung X + 2 die Werte -/+, in der Stellung X + 3 die Werte +/+ und schließlich in der Stellung X + 4 wiederum wie in Stellung X die Werte +/-. Es sind bereits auf diese Weise innerhalb eines jeden durch Auswertung gemäß Fig. 4 erfaßten Vollgrad-Schrittes zusätzlich vier Zwischenstellungen ableitbar und auf diese Weise eine Erfassungsgenauigkeit von +/- 1/4-Grad erzielbar.

Eine weitere erhebliche Erhöhung der Erfassungsgenauigkeit kann durch AD-Wandlung der so gewonnenen Signale erzielt werden, die die Erfassung auch von Teilüberdeckungen des Sensors durch den Meßstrahl und deren Auswertung erlaubt. Eine derartige Teil-Schrittfolge ist schematisch in Fig. 6 wiedergegeben. Sie zeigt sechs Zwischenstellungen zwischen zwei um 1° versetzten Endstellungen, in denen beiden der Sensor VI nicht beaufschlagt wird (Low-Stellung), wohingegen der Sensor V aus der ursprünglichen High-Stellung (Stellung Y1) in ebenfalls Low-Stellung (Stellung Y6) überwechselt. In der Zeichnung sind die jeweils um 0,2° versetzten Zwischenstellungen dargestellt, wobei aus der Zeichnung deutlich erkennbar wird, daß sich auf dem Wege von Stel lung Y1 zu Y6 von Stufe zu Stufe eine sich um 20% erhöhende (Teil-)Überdeckung ergibt. Die im Einzelfalle tatsächlich erzielte Ge nauigkeit ist danach lediglich abhängig von der Justierung der Auswert elektronik. Geht man davon aus, daß die Auswertung mit Hilfe eines handelsüblichen AD-Wandlers mit 8-Bit-Auflösung erfolgt, so entsprechen jeweils 25,6 Digits am AD-Wandler der Verschwenkung um 1/10°, wobei bei einer derartigen Ausstattung im Extremfall Zwischenschritte von 1/256° erfaßt werden können.

Claims

1. Einrichtung zur Erfassung der aktuellen Stellung von linear oder durch Drehung zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Stellelementen in Regelstrecken mit elektronisch geregelten Stellgliedern, insbesondere zur Erkennung der Schaltstellung von elektronisch geregelten, mittels eines auf einer drehbaren Welle gelagerten Stellhebels betätigten Automatikgetrieben, gekennzeichnet durch eine beliebige Zahl von paar weise nebeneinander angeordneten, aus Geber und Sensor (5, 6) beste henden optischen Signalschranken-Elementen (I, II, III, IV, V) und eine mit den Bewegungen des Stellelementes (1) der Regelstrecke gekoppelte transparente Steuerscheibe (7), die auf ihrer den Signalschranken (5, 6) abgewendeten Seite eine ihrer Zahl entsprechende Zahl von Pris menstegen (A, B, C, D, E) aufweist, deren sich über jeweils eines der Signalschranken-Elemente erstreckenden Prismenflächen (8, 9) mit der Strahlachse (10) des optischen Signals einen den Signalstrahl durch zweimalige Totalreflexion vom Geber (5) zum Sensor (6) umlenkenden Winkel einschließen, und die zum Zwecke der Bildung eines Codie rungs-Rasters in Abschnitte unterschiedlicher Länge geteilt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Paare von Signalschranken-Elementen (I, II, III, IV, V) vorgesehen sind und die transparente Scheibe entsprechend mit fünf Prismenstegen (A, B, C, D, E) versehen ist, deren die Codierung bildende Rasterabschnitte eine sich von Stufe zu Stufe halbierende Länge aufweisen.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Signalschranken-Elemente (I, II, III, IV, V) und entsprechend die Prismenstege (A, B, C, D, E) zu mehreren linear hintereinander bzw. auf einem gemeinsamen Kreisbogen angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß unterhalb des Steges (E) mit dem kleinsten Codie rungs-Raster in einer um einen vorgegebenen Bruchteil, beispielsweise ein Zehntel, des Rasters versetzten Lage eine weitere Signalschranke (VI) vorgesehen ist, die mit der ersten Signalschranke (V) mittels eines AD-Wandlers zu einer noniusartigen Meß-Strecke verknüpft ist.