DE19638912A1 - Drehwinkelsensor mit CCD-Zeile und periodisch angesteuerter Lichtquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor, insbesondere Drehwinkelsensor mit CCD-Zeile. Ein derartiger Sensor ist in dem Application Brief der Firma Texas Instruments unter dem Titel "linear products TSL 214 integrated Opto-Sensor" in Verbindung mit den dort gezeigten Fig. 1 bis 5 beschrie­ ben worden. Einzelheiten zu dem integrierten Opto-Sensor TLS 215 wurden in der Produktbeschreibung von der Firma Texas Instruments in dem Kapitel 4.19 bis 4.28 und der Überschrift "TSZ 215, 128x1 integrated Opto-Sensor" unter der Nummer SOES 005A-Mai, 1993 veröffentlicht.

Die bekannte CCD-Zeile besitzt eine Reihe von nebeneinander angeordneten Sammelelementen, die Pixels genannt werden. Diese Pixels werden ausgehend von einem Ausgangszustand, in dem die Sammelelemente entleert sind, in Abhängigkeit von dem auf sie auftreffenden Lichtstrom aufgeladen. Die auf­ grund der auf die Pixels auftretenden Lichtverteilung unter­ schiedliche Ladung entspricht unterschiedlichen Spannungs­ werten an den Pixels. Zu einem vorbestimmten sich periodisch wiederholenden Zeitpunkt werden die Spannungen aller Pixel auf zugeordnete Speicherelemente eines Schieberegisters par­ allel übertragen, so daß die Spannungsverteilung auf den einzelnen Speicherelementen in dem Schieberegister dem den einzelnen zugehörigen Pixels zugeführten Lichtstrom ent­ spricht. Durch eine geeignete Elektronik werden danach die Sammelelemente (Pixels) auf ihren leeren Ausgangszustand zurückgeschaltet und durch die auftreffende Beleuchtung wie­ der aufgeladen, während gleichzeitig schrittweise die Span­ nungswerte aus den Speicherelementen des Schieberegisters seriell ausgelesen und die analogen Werte in digitale Werte umgesetzt werden. Es stehen also beispielsweise schließlich 64 bzw. 128 Digitalwerte zur Verfügung, welche den auf den zugehörigen Pixels während des vorangegangenen Zeit­ abschnitts aufgetroffenen Lichtstrom beschreiben. Mit Hilfe eines codierte Blendenöffnungen aufweisenden Trägers, bei dem die durchgelassene Lichtverteilung der Position des Trä­ gers gegenüber der CCD-Zeile entspricht, ist es also mög­ lich, aufgrund der gemessenen Licht- bzw. Spannungsvertei­ lung auf die augenblickliche Lage des Trägers beim Meßvor­ gang zu schließen. Das gilt in dem beschriebenen Anwendungs­ beispiel für den Drehwinkel einer codierten Scheibe, aber auch für die Beschreibung der Längsposition eines Trägers, wenn dort die lineare Position des Trägers mit Hilfe einer optisch durchlässigen Codierung beschrieben ist. Die Verwen­ dung derartig optisch durchlässiger Codierungen wurde be­ reits in der 195 32 903.1 beschrieben.

Der wesentliche Un­ terschied zu der beschriebenen Codierscheibe besteht darin, daß der die Scheibe durchdringende Lichtstrom nicht mit Hil­ fe einer CCD-Zeile, sondern mit Hilfe eines oder mehrerer Dioden gemessen wird. Die Erfindung geht daher aus von einem Positionssensor, insbesondere Drehwinkelsensor der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Nachtei­ lig bei einer derartigen Sensoreinrichtung ist es nun, daß sich während eines Abtastzeitraums der Lichtstromverteilung des durch die Codescheibe hindurchtretenden Lichtstroms, die Codescheibe bei entsprechend schneller Lenkraddrehung sich erheblich verschiebt. Das heißt, die Zuordnung einzelner lichtdurchlässiger Codierfelder auf der Codescheibe gegen­ über den angestrahlten Pixels verändert sich, so daß sich die Lichtstromverteilung des auftreffenden Lichts während eines Sammelzeitraums verändert. Als Folge davon ergeben sich unscharfe Grauwertübergänge, so daß die Abbildung der durch die Codescheibe bedingten Lichtverteilung auf der CCD-Zeile verwaschen ist. Um die unscharfen Grauwertübergänge zu reduzieren, kann man versuchen, die Zahl der Codeworte und damit die Codierung möglichst groß und grob zu halten. Eine grobe Codierung dient auch zur Reduzierung der Schmutzsensi­ bilität und zur einfachen Codescheibenherstellung.

Die vor­ liegende Erfindung hat sich in Verbesserung des bekannten Systems die Aufgabe gestellt, die Grauwertübergänge durch andere Maßnahmen stark zu verbessern und so die Empfindlich­ keit des Sensors zu erhöhen.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, die Dauer der Be­ leuchtung des Codierelementes, also bei einem Drehwinkelsen­ sor der Codierscheibe stark zu verkürzen. Damit wird das Codierelement nur kurzzeitig angestrahlt, etwa in der Form eines Strobokops. Nachteilig bei der Erfindung kann es dabei sein, daß der abgegebene Lichtstrom und damit die von den Sammelelementen aufgenommene Ladung vergleichsweise klein wird. Abhilfe läßt sich hier durch die Merkmalskombination nach Anspruch 2 schaffen. Dabei wird die Lichtquelle so be­ trieben, daß über die Gesamtdauer die Nennleistung erreicht wird. Es werden somit anders ausgedrückt durch die Licht­ quelle kurzzeitig starke Lichtmengen abgegeben. Um nun auch aufgrund des verkleinerten Lichtstroms die Lage des Codier­ elementes nach dem Aufladevorgang eindeutig bestimmen zu können, wird vorzugsweise der Einschaltzeitpunkt der Licht­ quelle mit dem Abtastzeitpunkt und dem Auslesetiming syn­ chronisiert.

Versuche haben ergeben, daß die zyklische Einschaltzeit ent­ sprechend den Merkmalen nach Anspruch 3 kleiner als 5% der Zykluszeit und noch besser kleiner als 1% der Zykluszeit sein sollte.

Um aufgabengemäß die Meßgenauigkeit des Sensors der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung noch wei­ ter zu verbessern, schlägt die Erfindung bei einem gattungs­ gemäßen Sensor die Merkmalskombination nach Anspruch 4 vor. Danach wird das Codierelement (d. h. bei einem Drehwinkelsen­ sor die Codierscheibe) mit Codierfeldern versehen, welche nur zwei Zuständen entsprechen. Das heißt, das Codierelement ist mit Codierfeldern versehen, die entweder lichtundurch­ lässig sind oder eine definierte Lichtdurchlässigkeit haben. Diese Lichtdurchlässigkeit entspricht den Zuständen 0 und 1 eines mehrschrittige Codes. Dabei ist die geometrische An­ ordnung derart getroffen, daß durch ein Codierfeld immer mehrere Speicherelemente (Pixel) abgedeckt werden oder durch Lichtstrom beaufschlagt werden. An sich wäre es auch denk­ bar, jedem Pixel ein eigenes Codierelement zuzuordnen. Der hier gemachte Vorschlag dient der größeren Sicherheit, um in Grenzfällen entscheiden zu können, ob ein hinreichender Lichtstrom zu einer Pixelgruppe geschickt wurde oder nicht. Damit wird die Entscheidung, ob ein lichtdurchlässiges oder undurchlässiges Codierfeld vorgelegen hat, sehr viel siche­ rer getroffen, als wenn nur ein einziges Pixel je Codierfeld vorgesehen ist. Weiterhin ist es so, daß mehrere Codierfel­ der (beispielsweise 12 Codierfelder) durch die CCD-Zeile abgetastet und von dem Sensor bewertet werden, wobei wieder jedem Codierfeld mehrere Pixel zugeordnet sind, beispiels­ weise zwischen 10 und 11 Pixel (das ergibt sich beispiels­ weise bei der Verwendung eines 12-schrittigen Maximalcodes und der Verwendung einer Codierzeile mit 128 Pixel). Die Verwendung einer größeren Anzahl von Pixel je Codierelement bzw. Codierschritt eines mehrschrittigen Codes hat die vor­ teilhafte Wirkung, daß sich ein lichtunterdrückendes Codier­ feld oder ein lichtstromdurchlassendes Codierfeld auch dann noch erkennen läßt, wenn die die Flanke des Abbildes bestim­ menden Pixelspannungen Zwischenwerte einnehmen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Rand eines Codier­ feldes ein Pixel beispielsweise nur teilweise abdeckt oder wenn Streustrahlungen an den Rändern des Codierfeldes die an den Pixeln ablesbaren Flanken verzerren.

Soweit der erfindungsgemäße Positionssensor zur Drehwinkel­ bestimmung insbesondere der Bestimmung des Drehwinkels eines Lenkrads verwendet wird, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Verwendung der Merkmalskombination nach An­ spruch 5. Im Prinzip kann somit das Codierelement aus einer Codierscheibe gebildet sein, auf dem ähnlich wie Tortenstüc­ ke einer Torte einander folgend in durch den Code vor­ geschriebener Reihenfolge lichtdurchlässige und licht­ undurchlässige Kreissektoren aneinandergrenzend angeordnet sind. Dabei können entsprechend der Merkmalskombination nach Anspruch 6 die Codierfelder auf einem Kreisring einander folgen, ähnlich wie wenn man aus den genannten Tortenstücken nur diejenigen Abschnitte herausschneidet, welche innerhalb des Kreisrings liegen. Für diesen Fall empfiehlt es sich, die CCD-Zeile tangential zum Kreisring auszurichten und oberhalb oder unterhalb der Codierscheibe über dem Kreisring anzuordnen. Da die Zeile im wesentlichen eine Gerade bildet, während der Kreissektor gekrümmt ist, hängt der von den durchlässigen Codierfeldern durchgelassene Lichtstrom auch von der Lage der zugeordneten Pixel auf der Zeile ab. Hier lassen sich allerdings entsprechende Korrekturen anbringen, die die regelmäßige Lichtstromverminderungen ausgleichen. Als Codierung empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 6. Danach wird ein Maximalcode gewählt. Dieser Maximalcode zeichnet sich da­ durch aus, daß die auf einem Kreisbogen angeordnete in sich geordnete Folge von Codierelementen zu sich nicht wiederho­ lenden codierten Werten (Worten führt. Anders ausgedrückt können beispielsweise auf einem Kreisring 180 Codierfelder untergebracht sein, wobei immer 12 hintereinanderfolgende Codeelemente ein zwölfschrittiges Codewort ergeben. Wird die Kreisscheibe um einen Winkel von 2°, also um ein Codeelement verschoben, so ergibt sich ein neues Codewort. Alle 180 mög­ lichen Codeworte sind voneinander unterschieden, wobei immer nur bei einander benachbarten Codierfeldern ein neuer erster Schritt hinzugefügt und der letzte Schritt weggelassen wird (bzw. umgekehrt bei entgegengesetzter Drehrichtung).

Um eine größere Redundanz zu erhalten, geht man entsprechend der Merkmalskombination nach Anspruch 8 von einem Maximalco­ de von 4.096 Codeworten aus, wobei nur ein vergleichsweise kurzer Abschnitt dieser Codewortfolge verwendet wird, die über 180 Codeworte reicht. An sich ist man frei, welchen Abschnitt mit 180 Codeworten man aus der Gesamtfolge von 4.096 Codeworten man herausschneidet und auf der Codescheibe kreisringförmig anlegt. Bevorzugt wird aber nach einer Stra­ tegie vorgegangen, welche durch die Merkmale nach Anspruch 9 beschrieben wird. Gemäß der Merkmalskombination nach An­ spruch 6 wird empfohlen, bei einer bestimmten Ausgestaltung des Codierfeldes die CCD-Zeile tangential zu einem Kreisring anzuordnen.

Eine andere Möglichkeit zur Anordnung der Codierzeile ist in der Merkmalskombination nach Anspruch 10 angegeben. Danach wird die Codierzeile radial angeordnet. Hierdurch ist es notwendig, daß auch die Schritte des von der Codierzeile jeweils ausgelesenen mehrschrittigen Codewortes in radialer Anordnung zueinander liegen. Eine derartige radiale Anord­ nung kann beispielsweise dann zweckmäßig sein, wenn der zur Verfügung stehende Umfang des Kreisrings vergleichsweise klein ist wie bei einer Mantelfläche eines Lenkstocks. Es müssen aber die radial angeordneten Codeworte nicht auf der Mantelfläche eines Hohlzylinders angeordnet sein, sie können auch radial auf einer Kreisscheibe verlaufen. In beiden Fäl­ len wird man vorzugsweise einen Gray-Code verwenden.

Um bei der Auswertung der gelesenen Codeworte Mikroprozesso­ ren verwenden zu können, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 11. Danach werden die ausgewerteten Codeworte durch ein Mikroprozessor ausgewertet, indem beispielsweise auf Fehler überprüft wird und aufgrund des gefundenen Codeworts der gemessene Winkel bestimmt wird.

Weiter oben wurde schon erläutert, daß ein Schritt eines mehrschrittiges Codes nicht durch ein einziges Pixel be­ stimmt ist, sondern praktisch die Kurvenkontur dieses Schrittes durch die Spannungen mehrerer Pixel umschrieben wird.

Während nun also bei Kenntnis des durch die 128 Pixel be­ stimmten Kurvenverlaufes das entsprechende (12-schrittige) Codewort gefunden und so der Winkelwert auf 2° genau grob bestimmt werden kann, empfiehlt sich zur Bestimmung des Win­ kels mit größerer Genauigkeit die Verwendung der Merkmals­ kombinationen nach Anspruch 12. Danach wird nicht nur das mehrschrittige Codewort allgemein bestimmt, sondern auch seine Lage gegenüber dem Anfang bzw. dem Ende der CCD-Zeile. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Vergrößerung der Ge­ nauigkeit, mit der der gerade gemessene Winkel bestimmt wer­ den kann. Stellt man nämlich fest, daß die Kante eines oder mehrerer Schritte z. B. um 1 Pixel gegenüber der Normalstel­ lung nach rechts oder links verschoben sind, so läßt sich hierdurch die gemessene Winkelstellung mit 10-facher Genau­ igkeit bestimmen, da etwa 10 Pixel einen Codierschritt be­ schreiben, der sich durch das Codierfeld ergibt. Dabei kann man mit unterschiedlichen Strategien vorgehen. So kann bei­ spielsweise die Verschiebung der Flanken oder die Verschie­ bung des Maximums eines oder mehrerer Codeschritte gegenüber einer Normallage bestimmt werden.

Mit entsprechenden Auswertealgorithmen (Software) läßt sich auch eine Auflösung im Sub-Pixelbereich erreichen. Zur Erhö­ hung der Genauigkeit kann auch der Kontrast zwischen der Wiedergabe lichtdurchlässiger gegenüber lichtundurchlässiger Codierfelder bestimmt werden. Durch Verschmutzung der Codefelder durch teilweises Zusetzen der lichtdurchlässigen Felder mit Schmutz kann hier eine Reduzierung der Differenz­ werte (Kontrast) ermittelt werden. Sinkt der Kontrast un­ terhalb einer bestimmten Schwelle, so kann das bedeuten, daß die Scheibe zu reinigen bzw. auszuwechseln ist. Die Merk­ malskombination nach Anspruch 13 schlägt darüber hinaus vor, die Sendeleistung der Lichtquelle durch Erhöhung der Sende­ leistung oder Verlängerung der Sendedauer anzupassen, so daß der gewünschte Kontrast wieder hergestellt wird.

Dieses Prinzip ist bei allen mit CCD-Zeile arbeitenden Sen­ soren anwendbar und stellt somit eine weitere unabhängige Lösung in der Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors dar. Bei der Auswertung der von der CCD-Zeile abgegebenen Analogwerte ist zum einen der jeweilige Analogwert in eine Digitalzahl umzuwandeln, welche den Amplitudenwert der Pi­ xelspannung beschreibt und weiterhin aufgrund der Digital­ zahlen der gemessene Drehwinkelwert zu berechnen mit all den zusätzlichen Berechnungen wie Fehlerkorrektur und ande­ ren Prüfschritten. Da die Umwandlung von Analog- in Digital­ wert parallel zur Berechnung des Winkelwertes geschehen kann, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Ver­ wendung der Merkmalskombination nach Anspruch 14. Diese Maß­ nahmen können für alle Sensoren der sich aus Anspruch 1 er­ gebenden Gattung angewendet werden. Ist also ein Digitalwert durch Umrechnung eines Analogwerts gebildet worden, so wird mittels eines Interrupts die Umrechnung des nächsten Wertes veranlaßt und daraufhin mit der Berechnung des Winkelwertes durch das Rechenwerk fortgefahren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer CCD-Zeile

Fig. 2 in symbolischer Darstellung den Aufbau eines erfin­ dungsgemäßen Drehwinkelsensors

Fig. 3 den Aufbau einer Codierscheibe für einen Drehwinkel­ sensor mit tangential ausgerichteter CCD-Zeile

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Maximalcode, wie er auf der Scheibe nach Fig. 3 angeordnet ist

Fig. 5 die digitalisierten Pixel-Spannungen

Fig. 6 die differenzierten Spannungswerte nach Fig. 5 und

Fig. 7 die Ausformung eines 12-schrittigen Codes, wobei die von den einzelnen Pixeln abgeleiteten Null- und 1-Werte jeweils gleich groß sind und die Kanten der Impulse durch die Wendepunkte der Impulssteigung nach Fig. 5 bestimmt sind.

Fig. 1 zeigt das Schema, wie es bereits im Zusammenhang mit den eingangs genannten Literaturstellen beschrieben ist. In Fig. 1 sind beispielsweise 16 lichtempfindliche Pixel 1 dar­ gestellt, die von einem Lichtstrom L beaufschlagt werden. Dabei ist die Verteilung des auf die einzelnen Pixel 1 auf­ treffenden Lichtstroms abhängig von der Codierung eines Co­ dierelementes, die im vorliegenden Beispiel als Codierschei­ be (siehe Fig. 2 und 3) ausgestaltet ist. Die Lichtvertei­ lung des Lichtstroms L hängt von dem augenblicklich gültigen Codewort auf der Codierscheibe ab, welches wiederum von dem Drehwinkel der Codierscheibe abhängt. In Abhängigkeit von der Verteilung des Lichtstroms L über den einzelnen Pixels 1 wird dort eine entsprechende Ladung gesammelt, die wiederum zu einer zugehörigen Spannung an dem Ausgang der Pixel führt. Nach einem vorgegebenen Zeitabschnitt wird über die Anschlüsse G und U das Gatter S geöffnet, so daß die Span­ nungswerte der einzelnen Pixel 1 zu den zugehörigen Spei­ cherpositionen 2 des Schieberegisters 3 parallel übertragen werden. Damit steht ein Abbild der Spannungswerte der Pixel in den zugehörigen Speicherpositionen des Schieberegisters 3. Anschließend werden die Pixel 1 z. B. durch Entladung in ihre Ausgangslage zurückgestellt und erneut dem Lichtstrom L ausgesetzt. Während dieser Beleuchtungszeit wird das Schie­ beregister 3 schrittweise seriell zur Auslesestufe V ausge­ lesen und steht an dem Ausgang A zur Verfügung (Fig. 2). Nachdem das Schieberegister entleert ist, können die sich inzwischen gebildeten Spannungswerte der Pixel 1 wiederum parallel in das Schieberegister 3 übertragen werden, wo sie dann wiederum seriell ausgelesen werden.

Fig. 2 zeigt in symbolischer Darstellung die Wirkungsweise des Sensors. Die in Abhängigkeit von dem Rechner 4 gepulste Infrarot-LED als Lichtquelle 5 strahlt ein Lichtband auf das Codierelement 6, welches als Codierscheibe ausgestaltet ist.

Die Codierscheibe weist sektorförmige lichtdurchlässige Fel­ der 7 und lichtundurchlässige Felder 8 auf, wobei 12 dieser nebeneinanderliegenden Felder jeweils ein 12-schrittiges Codewort ergeben. Der Code auf der Codierscheibe 6 ist ein Maximalcode, d. h. die einzelnen Codeworte entstehen durch ein 12 Schritte aufweisendes Fenster. Dreht sich die Codescheibe 6 um einen Schritt, so ergibt sich ein neues Codewort dadurch, daß ein neuer erster Schritt hinzugekommen ist und der letzte Schritt des vorangegangenen Wortes wegge­ lassen wurde. Keines der möglichen Codeworte auf der Scheibe wiederholt sich. Die Codierfelder 7, 8 sind entweder durch­ lässig oder undurchlässig, wobei mehrere Codierfelder glei­ cher Durchlässigkeit nebeneinander liegen können und so ei­ nen entsprechend großen Kreissektor ergeben. Das flächige Lichtbündel 9 trifft auf die Codierscheibe 6 auf und es wer­ den Teile des Lichtbündels durch entsprechende Codierfelder 7 durchgelassen, während andere Teile des Bündels nicht zu der CCD-Zeile 10 durchgelassen werden. Es ergibt sich somit eine Lichtverteilung L auf der CCD-Zeile 10, die auf die Pixelreihe 11 auftrifft und die Pixel entsprechend auflädt. Die Pixelspannungen werden dann wie schon im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, periodisch auf ein Schieberegister umgeladen und dann seriell über eine Auslesestufe V einem Analog-/Digitalwandler 12 zugeführt. Dieser Analog-/Digital­ wandler kann noch in die CCD-Zeile 10 integriert sein, wo­ durch sich ein sog. integrierter Opto-Sensor ergibt. Verwen­ dung des Mikro-Controller-internen A/D-Wandler ebenfalls möglich.

Der digitalisierte Ausgangswert 13 des Wandlers 12 wird dem Rechner 4 zugeführt, welcher wiederum den pulsweisen Betrieb der LED 5 als auch die Rückstellung der Pixelzeile 11 sowie der Ausspeicherung aus dem nicht im einzelnen dargestellten Schieberegister über Steuerleitungen 13,14 steuert. Aus den Digitalwerten am Ausgang 13 wird dann schließlich das ent­ sprechende Codewort im Rechner 4 erkannt und daraus wiederum der gemessene Drehwinkel der Codierscheibe 6 grob bestimmt. Feinwickelbestimmung durch Auswertung der Kanten (0-1-Über­ gänge) oder Schwerpunkte der 0- bzw. 1-Felder.

Fig. 3 zeigt die Codierscheibe 6 mit den einzelnen Codier­ feldern 7, 8, die 0- und 1-Werten entsprechen. Auf der der Lichtquelle 5 gegenüberliegenden Seite ist wie schon in Fig. 2 angedeutet, in tangentialer Richtung die CCD-Zeile 10 an­ geordnet und zwar derart, daß von ihr ein 12-schrittiger Code gelesen werden kann. Unterstellt man, daß die CCD-Zeile 10 mit 128 Pixel versehen ist und daß als Grobmessung mittels des 12-schrittigen Codes 180 unterschiedliche Winkelwerte beschrieben werden können, so entsprechen jedem Schritt des Codeworts etwas 10 Pixel. In Fig. 3 ist der verwendete Maxi­ malcode angedeutet, in dem die einzelnen Schritte, die wie­ derum Codierfeldern 7,8 entsprechen, mit 0 oder 1 bezeichnet wurden (0 entspricht undurchlässig, 1 entspricht durchläs­ sig). Wenn sich die Scheibe unterhalb der CCD-Zeile 10 dreht, erscheint über dem Beginn der Zeile ein neuer Schritt, während am Ende der Zeile der letzte Schritt keine Wirkung mehr auf die Zeile hat.

In Fig. 4 ist die Wirkung des Maximalcodes angedeutet. Dabei schiebt sich die Folge der Codierfelder 7, 8 beim Drehen der Codierscheibe 6 unter der Pixelzeile 11 nach rechts oder links je nach Drehrichtung der Codierscheibe 6. In der Zeichnung stellt sich dies als Verschiebung des Pixelfen­ sters nach rechts oder links in die Lage 11a oder 11b dar. Es ergeben sich somit entsprechende neue 12-schrittige Codeworte.

In Fig. 5 sind die digitalisierten Spannungswerte an der Ausgangsleitung 13 in Fig. 2 gezeigt, die den einzelnen 128 Pixeln entsprechen. Es zeigt sich deutlich eine Hüllkurve, aus der sich das augenblicklich gelesene Codewort ermitteln läßt, welches wiederum den gerade gemessenen Drehwinkel der Codierscheibe 6 beschreibt. Um das Codewort wiederzugewin­ nen, werden die nebeneinanderliegenden Spannungswerte diffe­ renziert (Fig. 6) und die Extremwerte der Differenzierungs­ kurve nach Fig. 6 bilden die Kantenpositionen für das ver­ arbeitete Codewort. In Fig. 7 wurde unter die umgeformten Pixelspannungen der jeweilige digitale Wert des 12-schritti­ gen Codeworts geschrieben. Das Codewort gibt auf 20 genau die Winkelstellung der Codierscheibe 6 an. Allerdings ist es möglich, den gemessenen Winkel noch erheblich genauer zu bestimmen, indem man die Verschiebung des Codeworts auf der Achse gegenüber einer Nullage berechnet. Wie aus Fig. 6 er­ sichtlich, ist das Codewort 7 ein Stück nach rechts verscho­ ben, da einem einzelnen Codierfeld 7, 8 etwa reichlich 10 Pixel entsprechen. Aus der Verschiebung des Codeworts in Fig. 7 gegenüber der Nullage läßt sich angeben, ob nun der tatsächliche Winkel der Codierscheibe etwas größer oder et­ was kleiner als der vorher grob bestimmte 2°-Wert ist. Hier­ durch lassen sich mögliche Auflösungen von etwa 0,1° errei­ chen, indem man die Verschiebung des Codeworts gegenüber der CCD-Zeile 10 berücksichtigt. Für die Erfindung wichtig ist auch, daß der verwendete Maximalcode nur ein Ausschnitt ei­ nes 4.096 umfassenden Codeworts ist, wobei der gewählte Aus­ schnitt 180 Codeworte umfaßt. Hierdurch ergibt sich ohne Berücksichtigung anderer Informationen eine hohe Wahrschein­ lichkeit, auftretende Fehler zu erkennen, nämlich eine Wahr­ scheinlichkeit von 96% (W = 4.096-180 : 4.096 = 0,96). Eine weitere Optimierung des Codes bis hin zur 100%igen Fehlererkennungswahrscheinlichkeit ist möglich durch Be­ rücksichtigung anderer Kriterien wie z. B. minimale Hamming- Distanz.

Übersicht Einleitung

Häufig werden bei digitalen Sensoren zur Lenk­ radwinkelbestimmung diskrete optische bzw. magnetische Bau­ elemente verwendet. Die erreichbare Auflösung ist im wesent­ lichen von der Anzahl und der Positioniergenauigkeit der verwendeten Sensoren, der mechanischen Randbedingungen sowie der Toleranzsituation abhängig und oftmals nicht aus­ reichend. Zur Erhöhung der Auflösung kann ein oben beschrie­ benes optisches Prinzip verwendet werden, das auf einer CCD (Charge-Coupled-Device)-Zeile basiert.

Bei einer CCD-Zeile handelt es sich um einen optischen Sen­ sor, der aus einer großen Zahl (z. B. 64, 128, 256, 1024, . . .), in einem Gehäuse linear angeordneter Sensorelemente besteht. Die der Grauwertinformation entsprechenden Sensor­ spannungen bzw. -ströme können mit Hilfe externer und be­ reits integrierter Elektronik ausgelesen werden. Infolge der hohen Pixelzahl ist eine Verarbeitung der Datensätze im Mi­ kroprozessor gemäß digitaler Bildverarbeitung möglich, wo­ durch u. a. eine sehr feine Winkelbestimmung erreicht werden kann.

Funktionsprinzip

Der gesamte Sensor besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle, einer codierten Scheibe (o. ä.), der CCD-Zeile und der Auswerteelektronik. Aus der codescheiben­ bedingten Grauwertverteilung auf dem optosensitiven Bereich der Zeile wird die Lenkradwinkelposition bestimmt.

Bei Verwendung einer Codescheibe kann die CCD-Zeile sowohl tangential wie auch radial zu dieser positioniert werden. Bei tangentialer Anordnung befindet sich der Code (z. B. Ma­ ximalcode) am Umfang der Codescheibe, bei radialer Montage ist der Code (z. B. Graycode) kreisringförmig in der Scheibe zu integrieren. Alternativ zur Nutzung einer Codescheibe kann zur Platzreduzierung die Codierung auf andere Komponen­ ten (z. B. Lenksäule; axiale und tangentiale Sensorposition möglich) aufgebracht werden. Abhängig von den Randbedingun­ gen bezüglich der Konstruktion, der Verschmutzungsproblema­ tik, etc. ist das Durchlicht- bzw. das Reflexionsprinzip zu bevorzugen.

Zur einfachen Fertigung und zur Verbesserung der Schmutzu­ nempfindlichkeit sind möglichst "grobe" Codestrukturen (brei­ te 0-1-Infos) zu verwenden. Bei Nutzung einer Codescheibe mit tangentialer Sensorposition kann der Absolutwinkel über den eigentlichen Code grob bestimmt werden. Eine feine Win­ kelauflösung wird erreicht, indem z. B. die Kanten der 0-1-Übergänge oder die Schwerpunkte der Hell- und Dunkelfelder ermittelt und ausgewertet werden.

Die Abtastdauer der Codierung mit der CCD-Zeile ist nicht beliebig zu verkürzen. Die sich dadurch bei schneller Lenk­ raddrehung auf der Zeile ergebenden unscharfen Grauwertüber­ gänge können verbessert werden, indem die Lichtquelle nicht im Dauerbetrieb sondern gepulst verwendet wird. Die Ein­ schaltzeitpunkte sind dabei mit dem Abtast- und Ausleseti­ ming zu synchronisieren (z. B. Ansteuerung der Lichtquelle mit dem Mikro-Controller).

Mit geeigneten Software-Algorithmen sind Toleranzen (z. B. Positionierungsgenauigkeit des Sensors, Radial- und Taumel­ bewegung der Codescheibe, Alterung der Lichtquelle, . . .) nicht vorhanden bzw. in gewissen Grenzen kompensierbar. Zu­ sätzlich sind Fehlererkennungsmechanismen integrierbar.

Die Abbildung zeigt ein mögliches Konzept der Auswertelek­ tronik. Hierbei werden die Grauwertinformationen der opti­ schen Sensoren der CCD-Zeile, gesteuert durch den Mikro-Con­ troller, sequentiell aus-, mit einem A/D-Converter digitali­ siert und anschließend in den Controller eingelesen. Bei schnellen Umsetzzeiten wird ein externer A/D-Wandler erfor­ derlich sein, bei geringeren Taktfrequenzen genügt der in dem Controller integrierte Converter. Der nach dem Auslese­ vorgang vollständig im Mikro-Controller zur Verfügung ste­ hende Datensatz wird anschließend mit entsprechender Softwa­ re ausgewertet. Ist die Verarbeitung der Grauwertinformation abgeschlossen, beginnt das Auslesen des nächsten Datensat­ zes.

Generell ist die Nutzung einer CCD-Zeile nicht nur in der Lenkwinkelsensor-Anwendung denkbar. Sie kann allgemein für lineare und rotatorische Positionserkennungen eingesetzt werden.

Wie erwähnt, wird zur Minimierung der für die Digitalisie­ rung erforderlichen Zeit ein schneller externer A/D-Wandler (ADU) benötigt (der im Mikrocontroller integrierte ADU ist relativ langsam). Zur Einsparung des kostenintensiven exter­ nen ADUs ist folgendes Verfahren möglich: Während der be­ reits im vorherigen Zyklus eingelesene Datensatz ausgewertet wird, wird dazu parallel die einzelnen Analogwerte des nächs­ ten Datensatzes im Mikrocontroller-internen A/D-Wandler "langsam" digitalisiert und gespeichert. D.h. nachdem ein Digitalisierungsprozeß abgeschlossen ist, wird durch einen Interrupt die Auswerteroutine des Datensatzes unterbrochen, der nun zur Verfügung stehende digitalisierte Wert gespei­ chert, die Wandlung des nächsten Analogwertes gestartet und mit der zuvor abgebrochenen Routine fortgefahren. Dies wird solange wiederholt, bis alle Analogwerte eines Datensatzes digitalisiert sind.

Claims (16)

1. Positionssensor, insbesondere Drehwinkelsensor zur Lenkwinkelmessung von Kraftfahrzeugen, bei dem der auf eine CCD-Zeile auftreffende Lichtstrom (L) einer Lichtquelle (5) durch ein Codierelement (6) in Abhän­ gigkeit von der Position des Codierelementes gesteuert wird und bei dem eine Auswerteeinrichtung (V,12,4) aufgrund der augenblicklichen Lichtverteilung auf der CCD-Zeile (11) die Position des Codierelements (6) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) in pulsweise eingeschaltet wird.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (5) mit der maximalen Nenn­ leistung für Impulsbetrieb betrieben wird.

3. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) zyklisch einge­ schaltet wird und die Einschaltzeit kleiner als 5% insbesondere 1% der Zykluszeit ist.

4. Positionssensor insbesondere Drehwinkelsensor zur Lenkwinkelmessung von Kraftfahrzeugen, bei dem der auf eine CCD-Zeile (11) auftreffende Lichtstrom (L) einer Lichtquelle (5) durch ein Codierelement (6) in Abhän­ gigkeit von der Position des Codierelements (6) ge­ steuert wird und bei dem durch eine Auswerteeinrich­ tung (V,12,4) aufgrund der augenblicklichen Lichtver­ teilung auf der CCD-Zeile (11) die Position des Co­ dierelementes (6) bestimmt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß das Codierelement (6) mit Codierfeldern (7, 8) versehen ist, die im wesentlichen lichtdurchlässig oder lichtundurchlässig sind, wobei mehrere derartiger Codierfelder (7, 8) abhängig von der Position des Co­ dierelements (6) die Verteilung des von der Lichtquel­ le (5) zu der CCD-Zeile (11) auf einzelne Pixel (1) fallenden Lichtstroms (L) bestimmen.

5. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Codierelement (6) eine Codierscheibe ist und die Codierfelder (7, 8) vor­ zugsweise im wesentlichen durch aneinandergrenzende Kreissektoren mit gleichem Sektorwinkel oder Abschnit­ te dieser Sektoren sind.

6. Positionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Codierfelder (6) einander folgend auf einem geschlossenen Ring angeordnet sind, der sich vorzugsweise auf einer Kreisscheibe befindet und die Codierzeile (11) tangential zu dem Ring ausgerichtet ist.

7. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Codierelement die Form einer Kreisscheibe (6) oder einer Mantelfläche eines Zylinders besitzt und daß die Codierfelder (7,8) einander folgend auf mehreren konzentrischen Kreisrin­ gen angeordnet sind und daß die CCD-Zeile (11) derart angeordnet ist, daß sie über mehrere Kreisringe reicht, wobei die von der CCD-Zeile abgetasteten Co­ dierwerte vorzugsweise einem Gray-Code entsprechen.

8. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässi­ gen und lichtundurchlässigen Codierfelder (6) in Form eines mehrschrittigen beispielsweise 12-schrittigen Maximalcodes angeordnet sind.

9. Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der verwendete Maximalcode aus einer Folge von z. B. 180 Codeworten mit jeweils 12 Schritten be­ steht, die aus einem längeren Maximalcode mit z. B. einem Zug von 4.096 Codeworten der gleichen Schritt­ zahl ausgeschnitten sind.

10. Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Codewortfolge aus dem Codewortzug nach folgender Reihenfolge von Vorgaben ausgewählt sind:

• a) die Codewortfolge muß wiederum einen in sich ge­ schlossenen Maximalcode ergeben,
• b) es sollen möglichst kurze Folgen von gleicharti­ gen lichtdurchlässigen bzw. lichtundurchlässigen Codefeldern erscheinen,
• c) es sollen möglichst viele Wechsel zwischen lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Codefeldern sich ergeben,
• d) es soll ein möglichst großer Hammingabstand be­ nachbarter Codeworte vorliegen.

11. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrich­ tung (V,12,4) die von der CCD-Zeile (11) abgegebenen Spannungsimpulse in entsprechende Digitalwerte umwan­ delt.

12. Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinrichtung den durch die Folge von Digitalwerten abgebildeten Kurvenverlauf nach die Kurve beschreibenden Merkmalen wie Kurvenflanken und/oder Extremwerten untersucht und danach die rela­ tive Lage des festgestellten Kurvenzugs gegenüber ei­ ner Normallage bestimmt (Grobwinkelbestimmung durch ermitteltes Codewort).

13. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrich­ tung (V,12,4) mit einer Regeleinrichtung versehen ist, welche bei einem Absinken der maximalen Amplituden­ werte der gemessenen Spannungen an der Pixelzeile bzw. der entsprechenden Digitalwerte adaptiv die Sendelei­ stung bzw. die Lichtstärke der Lichtquelle (5) erhöht.

14. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrich­ tung mit einem Mikrocontroller (4) versehen ist, daß der Mikrocontroller ein Rechenwerk und einen A-D-Wand­ ler aufweist, die zeitlich parallel arbeiten und daß nach der Umwandlung eines Analogwertes in ein Digital­ wert durch einen Interrupt die Berechnung des Kurven­ verlaufs und deren Auswertung unterbrochen, ein Befehl zum Umwandeln des nachfolgenden Analogwerts solange gegeben werden bis alle Pixelspannungen digitalisiert und danach die Berechnung des vorherigen Datensatzes zu Ende geführt sind.

15. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Codierelement (6) an der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist und die Codierung nach dem Reflexionsprinzip gebildet ist.

16. Positionssensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise das Druck­ lichtprinzip oder das Reflexlichtprinzip angewendet wird.