CN101293535B - 用于汽车方向盘转角的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了汽车方向盘转角的测量方法。汽车方向盘中的主旋转体在转动轴的转动带动下带动副旋转体旋转，主旋转体与副旋转体传动比为m∶n，主旋转体通过第一转角传感器获得主旋转体的相对转角θ₁，副旋转体通过第二转角传感器获得副旋转体的相对转角θ₂，由此获得实际截矩K，由实际截矩K获得理论截矩L，再由理论截矩L获得主旋转体的转动圈数P，将所述主旋转体的相对转角θ₁和副旋转体的相对转角θ₂输入微处理器，微处理器处理后输出主旋转体的m圈内绝对转角θ，即是由主旋转体转动圈数P和主旋转体相对转角θ₁获得主旋转体在m圈内绝对转角θ。这种汽车方向盘转角的测量方法能够消除由空程引起的系统误差，实现在小体积、简单结构内精确测量m圈内绝对转角θ。

Description

用于汽车方向盘转角的测量方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及用于汽车方向盘转角的测量方法。

背景技术

转角传感器用来检测一个转动的转角位置，在测量小于360°的转角可以达到很高的精度。高精度光电码盘能够做到20位以上，也就是1秒，若用细分则可以达到更高的分辨率。然而当测量的角度范围超过360°时就会遇到确定所转的圈数问题，增量式转角传感器可以在不降低精度的情况下可以测量多圈转角，然而增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题不能进行绝对的转角测量，存在数据丢失和断电后无法识别的问题，在要求较高的场合是不适用的。

一种显而易见的方法是将多圈转角通过齿轮减速或者蜗轮蜗杆结构减速将其变为单圈转动，这么做的缺点是机械传动所带来的空程误差会降低测量精度，尤其是在往复转动的装置当中，另一方面当将多圈转动变为单圈转动的时候，其精度会随减速比的增大而降低，而且也会增加装置的体积。

常用的方法是运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮，多组码盘)，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆，然而这需要较大体积、复杂而紧密的齿轮传动，在不是很多圈数的多圈测量中显得没有必要，而且增加精密传动机构会降低抗震动性能。

美国德尔福的专利US6519549，对德国罗伯特·博施公司的方法进行改进，减少了一个齿轮，通过测量主旋转体和副旋转体的位置来确定主旋转体的多圈绝对转角。

此专利与本发明最为接近，但是一方面这种技术是通过测定副旋转体的多圈转角再除以两轮的转数比来获得主旋转体的多圈绝对转角的，无法消除空程所带来的误差，另一方面，此专利并未给出齿轮转动圈数计算的数学表达式，而是通过假定具体参数进行分析的。

日本松下电器产业株式会社专利US6630823，利用齿轮传动将多圈转动转化为直线运动用来确定转动的圈数，同时测量单圈转动位置，从而确定多圈绝对转角，但是此装置有上下运动的部件，一方面存在长期磨损而导致精度降低甚至打滑的问题，另一方面，此装置在纵向上长度大，不符合汽车方向盘转角传感器扁平的要求，再者，此装置传动体较多，不利于长期使用的稳定性。

这些现有技术发明中，无法做到在较小的体积、尽量少的传动机构的情况下消除空程引起的误差从而准确地测量多圈绝对转角。

发明内容

发明目的：是针对现有的方向盘转角传感器长期使用存在因磨损和振动导致的空程误差，提出一种用于汽车方向盘转角的测量方法，可以满足传感器小体积、长期磨损和振动而不降低精度的要求。

本发明的技术方案是：一种用于汽车方向盘转角的测量方法，特别是：

汽车方向盘中的主旋转体在转动轴的转动带动下带动副旋转体旋转，所述主旋转体和所述副旋转体传动比为m∶n，其中m、n为互质的整数，即主旋转体转动m圈时，副旋转体转动n圈，一般选择m＜n；

主旋转体通过第一转角传感器获得主旋转体的相对转角θ₁，副旋转体通过第二转角传感器获得副旋转体的相对转角θ₂，由此获得实际截距K，由实际截距K获得理论截距L，再由理论截距L获得主旋转体的转动圈数P，将所述主旋转体的相对转角θ₁和副旋转体的相对转角θ₂输入微处理器，微处理器处理后输出主旋转体的m圈内绝对转角θ，即是由主旋转体转动圈数P和主旋转体相对转角θ₁获得主旋转体在m圈内绝对转角θ；该方法的流程如下：

设定主旋转体转动时带动副旋转体转动；

通过第一转角传感器和第二转角传感器分别测量主旋转体的相对转角θ₁和副旋转体的相对转角θ₂；

以主旋转体相对转角θ₁为横轴，副旋转体相对转角θ₂为纵轴建立坐标系XY，横轴坐标单位为e₁，纵轴坐标单位为e₂，θ₁的横轴坐标为a₁，θ₂的纵轴坐标为a₂，过坐标点(a₁，a₂)且斜率为1的直线与纵轴相交，获得实际截距K；

通过对实际截距K的处理，获得理论截距L；

通过对理论截距L的处理，获得主旋转体的转动圈数P；

通过转动圈数P获得主旋转体的m圈内绝对转角θ。

实际截距K＝(a₂-a₁)；

理论截距 $L=\mathrm{int}(K+\frac{1}{2});$

主旋转体的转动圈数P判断如下：转动圈数取从0到m-1之间的整数，当满足

为整数时，P是主旋转体的转动圈数。

主旋转体的m圈内绝对转角θ是：θ＝360°×P+θ₁。

主旋转体和副旋转体可以是相互啮合的齿轮、由传动带链接的轮组、由链条链接的齿轮。

发明的有益效果是：用于汽车方向盘转角的测量方法可以避免由空程带来的系统误差，而在现有技术US6519549无法避免空程带来的系统误差。

用于汽车方向盘转角的测量方法可以让副旋转体体积减小，而不带来系统误差，而在现有技术US6519549中，倘若其对应的旋转体也缩的很小，那么空程带来的系统误差将会很大。

用于汽车方向盘转角的测量方法给出了主旋转体的圈数判断的一般表达式，不需要知道传动比的具体数值。

用于汽车方向盘转角的测量方法对副旋转体的精度要求可以很低，如选择m∶n为4∶9，则精度要求为

即±90°。

本发明设计的用于汽车方向盘转角的测量方法，可以做到绝对转角的精确测量，其测量精度取决于主旋转体的单圈测量精度，其360°内的角度由主旋转体提供，而所转的圈数由主旋转体和副旋转体的相对位置比较得出，从而在获得圈数的同时不会降低传感器精度。该方法消除了因为空程引起的系统误差，长期磨损和振动导致的空隙不会引起测量精度的降低。

附图说明

图1为用于汽车方向盘转角的测量方法流程图。

图2为用于汽车方向盘转角测量系统结构示意图。

图3为用于汽车方向盘转角的测量方法原理图。

图4为汽车方向盘转角传感器的一个具体实施方案。

图5为传动比为4∶9的方向盘转角传感器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为用于汽车方向盘转角的测量方法流程图。该方法的步骤为：

开始(步骤100)；获得主旋转体1的相对转角θ₁(步骤110)和副旋转体2的相对转角θ₂(步骤120)；获得实际截距K(步骤130)；由实际截距K获得理论截距L(步骤140)；再由理论截距L获得主旋转体1的转动圈数P(步骤150)；由主旋转体1转动圈数P和主旋转体1相对转角θ₁获得主旋转体在m圈内绝对转角θ(步骤160)，然后输出主旋转体的m圈内绝对转角θ(步骤170)。

图2为汽车方向盘转角测量系统结构示意图。其中：转动轴是11，主旋转体是1，副旋转体是2，第一转角传感器是3，第二转角传感器是4，微处理器是5。

转动轴11与主旋转体1紧密连接在一起，以相同的角度旋转，并带动副旋转体2旋转，主旋转体1和副旋转体2的传动比为m∶n，即主旋转体1转动m圈时，副旋转体2转动n圈，一般选择m＜n；

第一转角传感器3和第二转角传感器4分别测量主旋转体1的相对转角θ₁和副旋转体2的相对转角θ₂，即一圈360°内的转角，将主旋转体1的相对转角θ₁和副旋转体2的相对转角θ₂输入到微处理器5中，微处理器5处理后输出主旋转体1的m圈内绝对转角θ。

图3为用于汽车方向盘转角的测量方法原理图。以主旋转体1的相对转角θ₁为横轴X，副旋转体2的相对转角θ₂为纵轴Y，横轴坐标单位选为

纵轴坐标单位选为

因为第一转角传感器3和第二转角传感器4只能检测单圈转角，所以在此坐标系内主旋转体1和副旋转体2的最大值分别为n和m。

当主旋转体1转动时，副旋转体2同时转动，传动比为m∶n，因为坐标单位的选择，主旋转体1的相对转角和副旋转体2相对转角在此坐标系内对应的就是斜率为1的一条条线段，这些线段不会超出由(0，0)，(n，0)，(0，m)，(n，m)四点组成的矩形，这些线段间距相同，且一共为m+n-1条，这些线段所处的直线表达式为y＝x+L。

将这些线段延长至于Y轴相交获得截距L的大小，那么交点从上到下为m-1，m-2，…2，1，0，-1，-2，…-(n-1)，一共是m+n-1个，且有相对应的Y轴截距L，称为理论截距，且L为m-1，m-2，…2，1，0，-1，-2，…-(n-1)。

在图1和图3中，实际截距的获得(步骤130)：当不存在误差的时候，主旋转体1的相对转角θ₁的横轴坐标a₁与副旋转体2的相对转角θ₂的纵轴坐标a₂所处的直线与Y轴相交于L，而实际测量的时候会存在误差，特别是副旋转体2由空程引起的系统误差，因而L一般不等于a₂-a₁，此时将K＝(a₂-a₁)称为实际截距。

由实际截距K计算理论截距L(步骤140)：

在实际截距和理论截距之间相差不超过的时候，计入坐标单位也就是的时候，可以认为实测值位于直线y＝x+L上，这样就可以用实际截距K来获得理论截距L，判定方法为：

$L=\mathrm{int}(K+\frac{1}{2})$

这样就可以由实测的主旋转体1和副旋转体2的相对转角判断出其所处直线的纵轴Y理论截距L。

主旋转体1转动圈数P(步骤150)：

在横轴X和纵轴Y上，副旋转体2转动一圈对应的是线段通过m个点，主旋转体1旋转一圈对应的是n个点，当主旋转体1的m圈内绝对转角落于P圈的时候，其圈数P与n的乘积减截距L应该是副旋转体2转动圈数的整数倍，即为整数，则判断方法为：

转动圈数取从0到m-1之间的整数，当满足为整数时，P即是主旋转体1的转动圈数。

主旋转体m圈内绝对转角θ的获得(步骤160)：由主旋转体1的转动圈数和主旋转体1的相对转角θ₁，确定主旋转体1的m-1圈内的m圈内绝对转角θ，表达式为θ＝360°×P+θ₁。

图4为汽车方向盘转角传感器的一个具体实施方案。其中：

主旋转体1和副旋转体2为两个相互啮合的齿轮，称为主旋转体1和副旋转体2，11为方向盘转动轴，3为主旋转体1相对转角传感器，4为副旋转体2相对转角传感器，5为方向盘转角微处理器。

方向盘转动轴11旋转的时候，带动主旋转体1和副旋转体2旋转，主旋转体1相对转角θ₁和副旋转体2相对转角θ₂被主旋转体1相对转角传感器3和副旋转体2相对转角传感器4测出，方向盘转角微处理器5对θ₁和θ₂进行处理，获得主旋转体1在4圈内的m圈内绝对转角θ，θ＝P×360°+θ₁，P为主旋转体1的转动圈数，为0、1、2、3。

汽车方向盘能在4圈以内旋转，选择传动比为4∶9，即m∶n＝4∶9，主旋转体旋转4圈，副旋转体旋转9圈。

图5为传动比为4∶9的方向盘转角传感器的原理图，坐标系横轴为主旋转体1的相对转角，坐标单位为

坐标系纵轴为副旋转体2的相对转角，坐标单位为

以主旋转体1相对转角θ₁＝60°，副旋转体2相对转角θ₂＝178°为例，计算主旋转体1的4圈内绝对转角θ。

实际截距K的获得：横轴坐标a₁＝60°/40°＝1.5；纵轴坐标a₂＝189°/90°＝2.01，按公式K＝(a₂-a₁)得到K＝2.01-1.5＝0.51；

理论截距L的获得： $L=\mathrm{int}(K+\frac{1}{2})=\mathrm{int}1.01=1$

圈数P判断：P必须满足

为整数，即

为整数，而P的取值范围为0、1、2、3，当且仅当P取值为1的时候，为整数，从而可判断主旋转体1所处的圈数P为1，所以此时主旋转体1的4圈内绝对转角为：θ＝360°×P+θ₁＝1×360°+60°＝420°。

对于主旋转体旋转相对转角θ₁＝60°而言，其实际截距K，理论截距L，转动圈数P，4圈内绝对转角θ与副旋转体相对转角θ₂的关系如下：

副旋转体相对转角θ<sub>2</sub>	实际截距K	理论截距L	转动圈数P	主旋转体4圈内绝对转角θ
					90°～180°	1.5～2.5	2	2	780°
180°～270°	0.5～1.5	1	1	420°
					270°～360°	-0.5～0.5	0	0	60°
0°～90°	-1.5～-0.5	-1	3	1140°

Claims (2)

1.一种用于汽车方向盘转角的测量方法，其特征在于：

汽车方向盘中的主旋转体(1)在转动轴(11)的转动带动下带动副旋转体(2)旋转，所述主旋转体(1)和所述副旋转体(2)传动比为m∶n，其中m、n为互质的整数，即所述主旋转体(1)转动m圈时，所述副旋转体(2)转动n圈，一般选择m＜n；

所述主旋转体(1)通过第一转角传感器(3)获得主旋转体(1)的相对转角θ₁，所述副旋转体(2)通过第二转角传感器(4)获得副旋转体(2)的相对转角θ₂，由此获得实际截距K，由实际截距K获得理论截距L，再由理论截距L获得主旋转体(1)的转动圈数P，将所述主旋转体(1)的相对转角θ₁和所述副旋转体(2)的相对转角θ₂输入微处理器(5)，所述微处理器(5)处理后输出主旋转体(1)的m圈内绝对转角θ，即是由所述主旋转体(1)转动圈数P和主旋转体(1)相对转角θ₁获得所述主旋转体(1)在m圈内绝对转角θ；该方法的流程如下：

设定主旋转体(1)转动时带动副旋转体(2)转动；

通过第一转角传感器(3)和第二转角传感器(4)分别测量主旋转体(1)的相对转角θ₁和副旋转体(2)的相对转角θ₂；

以主旋转体(1)相对转角为横轴，副旋转体(2)相对转角为纵轴建立直角坐标系XY，横轴坐标单位为e₁，

纵轴坐标单位为e₂，

θ₁的横轴坐标为a₁，θ₂的纵轴坐标为a₂，过坐标点(a₁，a₂)且斜率为1的直线与纵轴相交，获得实际截距K；

通过对实际截距K的处理，获得理论截距L；

通过对理论截距L的处理，获得主旋转体(1)的转动圈数P；

通过转动圈数P获得主旋转体(1)的m圈内绝对转角θ；

实际截距K＝(a₂-a₁)；

理论截距 $L=\mathrm{int}(K+\frac{1}{2});$

主旋转体的转动圈数P判断如下：转动圈数取从0到m-1之间的整数，当满足

为整数时，P是主旋转体的转动圈数；

主旋转体的m圈内绝对转角θ是：θ＝360°×P+θ₁。

2.根据权利要求1所述的一种用于汽车方向盘转角的测量方法，其特征是：所述主旋转体(1)和副旋转体(2)是相互啮合的齿轮，由传动带链接轮组并由链条链接的齿轮。

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