DE19607421A1 - Unit for detecting actual position of adjusting elements in regulation stretches - Google Patents

Abstract

The detection unit identifies the switch position between two end positions of the closed-loop controlled system. It is electronically regulated using a servo positioning unit located on a rotatable shaft. It has a required number of optical signal barrier elements (I-V), arranged in pairs close to each other consisting of a transmitter and a sensor (5,6). Also a transparent control wheel (7) is coupled with the movements of the adjusting elements (1) of the regulating section, which on its side away from the light barriers has a number of prism bars (A-E). The prism surfaces respectively extend over one of the signal barrier elements. The beam axis (10) of the optical signal, reflects at an angle the signal beam from the transmitter (5) to the sensor (6). Also for the purpose of forming a coding pattern the prism surfaces are divided in sections of a different length.

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.The invention relates to a device for detecting the Position linear or by rotation between two end positions movable control elements in controlled systems with electronically controlled Actuators.

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.In the electronic control of intermittent workers Control systems provide the reliable detection of the current position between the main problem at all times Especially when starting after a long time, deleting all elec Tronic memory-causing interruption is fast and error-free detection of the current position of the controlled system, such as the Position of the automatically controlled transmission in a motor vehicle crucial for the proper start-up of the operator driven. So far, the position has been recognized in such a rule stretch, i.e. the gear detection in vehicle drives, exclude Lich by means of mechanical, which causes considerable effort (Linkage) arrangements.

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.The present invention has for its object to provide a Facility based, with the help of opto-electrical means the Position of electronically controlled controlled systems between your  End positions at any time as an absolute actual value for the others Regulation can be detected.

Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den im Patentanspruch 1 wiedergegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved with an arrangement with the in claim 1 reproduced characteristics solved.

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.Due to the invention for the first time there is practically no space in Claiming and an insignificant design effort Required optical device for detecting the current position of linearly or by rotation between two end positions Control elements in controlled systems with electronically controlled actuators structure created.

Weitere Einzelheiten der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung erläu­ tert. Es zeigenFurther details of those characterized in the claims Invention are explained below with reference to the accompanying drawings tert. Show it

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung am Beispiel eines Gangerkennungs-Schalters für Kraftfahrzeuge mit automatischem Getriebe, Fig. 1 is a perspective view of a device according to the invention using the example of a speed detection switch for motor vehicles with an automatic gearbox,

Fig. 2 eine Sicht auf die transparente Scheibe, Fig. 2 is a view of the transparent plate,

Fig. 3 einen Schnitt nach A-A durch Fig. 2, Fig. 3 shows a section A-A through Fig. 2,

Fig. 4 die schematische Wiedergabe der Stellung der noniusartig verknüpften Sensoren nach Vollgrad-Schritten, Fig. 4 is a schematic representation of the position of the noniusartig associated sensors for full-degree increments,

Fig. 5 die synchronisierte Wiedergabe des Erkennungsrasters, Fig. 5, the synchronized playback of the detection raster,

Fig. 6 eine der Fig. 4 entsprechende Wiedergabe der Stellung der noniusartig verknüpften Sensoren nach Teilgrad-Schritten. FIG. 6 shows a representation of the position of the nonius-like sensors after partial degree steps corresponding to FIG. 4.

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.In the drawing, a device for detecting the current position of a movable by swiveling between two end positions, acting on the selector shaft 1 selector lever - not shown - an electronically controlled automatic transmission is shown. The device consists essentially of the switching shaft 1 umgrei fenden stationary housing 2 , in which the circuit board containing the electronic evaluation circuit 3 is held immovably. The sensors 5 and sensors 6 of five optical signal barrier elements I, II, III, IV and V are arranged in pairs next to one another on the printed circuit board, of which the sensors are linked to the evaluation electronics in a customary manner, not described in detail. The device further includes a transparent, via the carrier 4 in rotation with the shaft 1 connected to control panel 7 facing away on its signal barrier elements 5, 6 side - see also Figures 2 and 3 -. One of their number corresponding number of prism strips A , B, C, D, E, whose prism surfaces 8 , 9, each extending over one of the signal barrier elements, with the beam axis 10 of the optical signal enclose an angle deflecting the signal beam by two total reflections from the transmitter 5 to the sensor 6 . The prism bars are divided for the purpose of forming a coding grid in sections with halving length from level to level, that is, in the case of the arrangement shown with the control disc rotating in half around a central axis. In order to save space and to simplify the compensation of the differences resulting from the different radius position with respect to the relative arc lengths of the prism bars, four of the prism bars AD are arranged at two and two on the same radius.

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.It is finally on the arch of the prism bar with the small one Most coding grid next to the assigned signal barrier element E a further signal barrier element VI is provided, which compared to the assigned signal barrier element V a by a certain Fraction, in the example case a position offset by a tenth of the grid Has. Both elements are via an AD converter (not shown) linked together and together result in a vernier-like measuring on direction, with the help of which the measuring accuracy to a fraction of the predetermined grid can be increased.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung gestaltet sich - dargestellt anhand der Fig. 4 bis 6 - wie folgt:The mode of operation of the device according to the invention is shown as follows, illustrated with reference to FIGS.

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.The arrangement according to the invention is set up to determine the position of the selector lever of the automatic transmission within a — see FIG. 4 — swivel angle of 60 ° with a grid of 1 °, of which, however, as a rule only a region of around the central axis about 45 ° is actually relevant. The detection takes place continuously, with the measuring beams 10 of each of the sensors in the areas in which they are covered by a strip section being deflected by two total reflections to the respectively assigned sensor (plus or high position) in the other On the other hand, be allowed to pass through without exposure to the sensor (minus or low position). Due to the total reflection conditions on the otherwise transparent control disc it is also ensured that even under plus or high conditions - with a very small scattering range - only the core beam lying in the beam axis is deflected and reaches the assigned sensor, while outside the Total reflection angle impinging scattered rays are admitted without adversely affecting the neighboring sensors.

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.If one assumes on this background - see FIG. 4 - that the selector lever is in the position indicated by the arrow, the signal value pickups of the elements AI to FV have the values + / + / + / - / - ( + = high; - = low), which figuration occurs only once in the area of coverage, namely for the angle 44 °. This becomes clear when considering the figurations for the switching positions that deviate from this position by 1 ° on both sides, which from the graph in FIG. 4 for the angle 45 ° with + / - / + / - / - and for the angle 43 ° with + / + / + / - / + are readable. On the basis of the loading figuration for the designated five sensors, the evaluation electronics can therefore easily determine the exact position of the selector lever with a measuring accuracy of +/- 1 °.

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.A much more precise recording of the current option bel position is, however, in a further development of the invention intended nonius-like arrangement offset by 1/10 grid of a white teren signal barrier element VI on the same prism-ledge circle  like signal barrier element V and their linkage via an electro African AD converter enables.

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.In FIG. 5, the figuration of the elements V and VI at a sequence of five is shown full-degree steps schematically. In position X they show the values + or "H" for the element V and - or "L" for the VI. When the lever is pivoted 1 ° into position X + 1 the values - / -, furthermore in position X + 2 the values - / +, in position X + 3 the values + / + and finally in position X + 4 again the values +/- as in position X. In this way, four intermediate positions can already be derived in each full degree step detected by evaluation according to FIG. 4, and a detection accuracy of +/- 1/4 degrees can be achieved in this way.

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.A further considerable increase in the detection accuracy can be achieved by AD conversion of the signals obtained in this way, which also permits detection of partial overlaps of the sensor by the measuring beam and their evaluation. Such a partial step sequence is shown schematically in FIG. 6. It shows six intermediate positions between two end positions offset by 1 °, in both of which the sensor VI is not acted on (low position), whereas the sensor V from the original high position (position Y1) to the low position (position Y6) transferred. In the drawing, the intermediate positions offset by 0.2 ° are shown, whereby it can be clearly seen from the drawing that on the way from position Y1 to Y6 from step to step there is a 20% increasing (partial) coverage . The accuracy actually achieved in individual cases is only dependent on the adjustment of the evaluation electronics. If one assumes that the evaluation is carried out with the aid of a commercially available AD converter with 8-bit resolution, then 25.6 digits on the AD converter correspond to the pivoting by 1/10 °, intermediate steps in extreme cases with such a configuration of 1/256 ° can be detected.

Claims (4)

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.1.Device for detecting the current position of actuating elements which can be moved linearly or by rotation between two end positions in controlled systems with electronically controlled actuators, in particular for recognizing the switching position of electronically controlled automatic transmissions actuated by means of an actuating lever mounted on a rotatable shaft, characterized by any number of a pair of optical signal barrier elements (I, II, III, IV, V) arranged side by side and consisting of transmitter and sensor ( 5 , 6 ) and a transparent control disc ( 7 ) coupled with the movements of the control element ( 1 ) of the controlled system which, on its side facing away from the signal barriers ( 5 , 6 ), has a number of prism bars (A, B, C, D, E) corresponding to its number, the prism surfaces ( 8 , 9 ) of which extend over each of the signal barrier elements with the beam axis ( 10 ) of the optical signal, the signal beam by two deaths include alreflexion from the transmitter ( 5 ) to the sensor ( 6 ) deflecting angle, and which are divided into sections of different lengths for the purpose of forming a coding grid. 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.2. Device according to claim 1, characterized in that five  Pairs of signal barrier elements (I, II, III, IV, V) are provided and the transparent pane with five prism bars (A, B, C, D, E) is provided, the raster sections forming the coding have a length that is halved from level to level. 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.3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized records that the signal barrier elements (I, II, III, IV, V) and accordingly the prism bars (A, B, C, D, E) linearly to several are arranged one behind the other or on a common circular arc. 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.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized records that below the web (E) with the smallest codie ration grid in a predetermined fraction, for example a tenth of the grid offset another signal barrier (VI) is provided by means of the first signal barrier (V) an AD converter is linked to a vernier-like measuring section.