CN101356422B - 旋转角传感器及用于测定一个可旋转多个转圈的物体的绝对角度位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转角传感器用于测定一个可旋转多个转圈的物体的绝对角度位置，配有两个按磁性工作设计的测量元件，这两个测量元件各包含一个磁性的相对一个传感器元件旋转运动并由该物体驱动的探测元件，两个探测元件为测定由探测元件角位信息之差得出的差拍角以不同的传动比被驱动，该传动比如此设计，使得在可旋转物体的多个转圈上延伸的角位测量范围内包含多于一个差拍角周期，并且探测元件的绝对角度位置在各差拍角周期中不同，由此确定：探测元件的绝对角度位置在相继的差拍角周期中偏移一个传感器元件的测量范围的n分之一，n是角位测量范围内差拍角周期的数目。本发明还涉及一种测定方法用于测定一个可旋转多个转圈的物体的绝对角度位置。

Description

旋转角传感器及用于测定一个可旋转多个转圈的物体的绝对角度位置的方法
技术领域
本发明涉及一种旋转角传感器。此外，本发明还涉及一种测定方法，用于测定这样一种旋转角传感器的绝对角度位置。
背景技术
使用旋转角传感器的目的在于获得关于一个可旋转地被支承的物体例如一个轴的实际旋转角位的角位信息。采用这种旋转角传感器通常作为转向角传感器以用于掌握汽车的转向轴的旋转角位。已知作为转向角传感器的，例如有按光电子学工作原理设计的传感器，其中一个与转向轴有效相连地布置的编码盘承载着角位信息。该编码盘依径向四周围绕着转向轴，并需要一定的径向延伸，借以使必要的角位信息被转移到转向轴上。这一点特别适用于这类转向角传感器，利用这类传感器应能测定其在多个转圈上延伸的角位测量范围内的转向轴的绝对角度位置。除了这类转向角传感器之外，已知还有依磁学工作原理设计的传感器用作为绝对测量性的旋转角传感器。在这类已知的旋转角传感器上通过可旋转的物体例如转向轴可以驱动两个编码盘。这两个编码盘各自具有一个外齿环。编码盘的齿部啮合到一个具有一外齿环的转向轴传动轮中。编码盘各自具有一个磁性的探测元件，该探测元件的磁场取向是用于编码盘的旋转角位的一个尺度。这两个编码盘是以不同的传动比被为可旋转物体所配置的传动轮所驱动。在采用所谓的游标原理的条件下，便可测定可旋转物体在其经过多个转圈延伸的角位测量范围中的角位。两个编码盘具有一个较小的齿数，即小于为可旋转物体所配置的传动轮的齿数。传动比是如此设定的，使得两个编码盘在可旋转物体的经过多个转圈延伸的角位测定范围内n-次旋转360°，这里的n大于角位测量范围的转圈数。例如当一个编码盘在可旋转物体的预定的角位测量范围上9次完全旋转时，另一个编码盘则在同一个测量范围上10次围绕自己的轴线完全旋转。磁灵敏的传感器例如GMR-传感器、AMR-传感器或Hall-传感器用作为接收元件。两个测量元件的角位信息之差在整个测量范围上给出一个差拍角，该差拍角在角位测量范围的一端具有0值，而在旋转角传感器的角位测量范围的另一端则具有一个相当于其中一个测量元件的最大输出信息的值。在整个角位测量范围上延伸的差拍角具有一种稳定的升高。为了确定旋转角传感器处在编码盘的哪个转圈内，须将差拍角加以标度，并从该差拍角提取为编码盘所配置的测量元件的角位信息。差拍角的标度是如此设计的，使得在从标度的差拍角提取角位信息之后，产生各个水平延伸的曲线段，这些曲线段各自界定自身的一个水平段。每个水平段又确定该编码盘的一个转圈，从而依此方法便能获得为绝对角度位置测定所需的转圈信息。例如在EP 0877916A1中公开了这样一种旋转角传感器。
采用上述旋转角传感器时，当然测量元件的信号的干扰会导致可有效利用的测量范围的减小。
利用这样一种旋转角传感器所求得的可旋转物体例如转向轴的角位信息，在转向角传感器上通过车轮角位而在合理性范围内加以控制。车轮角位则是通过汽车的已转向的前轮的不同车轮转速而求得的。这种车轮角位测定的测量精确性在角位误差的数量级中，这种角位误差是错误选择一个相邻的转圈时产生的。这一情况导致在通过转向角传感器获得的角位信息的合理检查范围内进行误差角位测定。
通过DE 10343543B3已知一种旋转角传感器，用于测定一个可以旋转多个转圈的物体、例如汽车的转向轴的绝对角度位置，配有两个按磁性工作设计的测量元件，这两个测量元件各自包含一个磁性的、相对于一个传感器元件旋转运动的并由该物体驱动的探测元件，其中两个探测元件为了测定由探测元件的角位信息之差中得出的差拍角以不同的传动比被驱动，所述传动比是如此设计的，使得在可旋转物体的多个转圈上延伸的角位测量范围内包含多于一个差拍角周期，并且探测元件的绝对角度位置在各差拍角周期中都是不同的。这种传感器的测量范围包含若干个差拍角周期，依此，两个探测元件的循环周期是如此选择的，使得循环周期的最小公倍数正好等于汽车的一个预定的转向角。这一点导致用于两个探测元件的很不同的传动比，从而导致很不同的转速。
发明内容
本发明提出的旋转角传感器与上述已知的传感器相比，具有如下优点：可以为两个探测元件可选择很相似的传动比，从而可达到两个探测元件的比较低的转速。除了一种简化的结构之外，还能获得产生低噪声的结果，及可使用一种简单的和不易受干扰的分析方法。
上述优点依本发明是通过以下措施取得的：所述的旋转角传感器用于测定一个可以旋转多个转圈的物体、例如汽车的转向轴的绝对角度位置，配有两个按磁性工作设计的测量元件，这两个测量元件各自包含一个磁性的、相对于一个传感器元件可旋转运动的并由所述物体驱动的探测元件，其中两个探测元件为了测定由探测元件的角位信息之差中得出的差拍角以不同的传动比被驱动，所述传动比是如此设计的，使得在可旋转物体的多个转圈上延伸的角位测量范围内包含多于一个差拍角周期(Schwebungswinkelperiode)，并且探测元件的绝对角度位置在各差拍角周期中都是不同的，其中探测元件的绝对角度位置在相继的差拍角周期中按一传感元件的测量范围的n分之一加以移位，其中n是角位测量范围内的差拍角周期的数目。
按这种旋转角传感器，最好由编码盘承载的探测元件的不同传动比的传动装置是如此设计的，使得在多个转圈上延伸的角位测量范围内包含有多于一个差拍角周期，也就是说例如该差拍角周期在角位测量范围内多次地周期性地重复。角位测量范围分成为多个差拍角周期所产生的结果是：每个差拍角周期内的差拍角与在角位测量范围内所设定的差拍角周期数目相对应的增大，要大于在单一的在整个角位测量范围上延伸的差拍角。上述较大的增大直接导致的结果是：用于转圈测定的、经由标度的差拍角所形成的水平段的彼此的距离是相应较大的。即使在将转向角传感器的角位测量范围分成为两个相继的差拍角周期的情况下，上述之点也会导致每个差拍角周期中差拍角增大加倍。这种差拍角的较大增大会自动地导致角位测量范围的由于干扰信号影响之故而不可分析处理的边缘范围的减小，角位测量范围因此总体上说是较大的。
为了即使在角位测量范围内差拍角周期的至少部分地重复出现的情况下，能达到探测元件的转圈的可区别性，特做如下设定：在差拍角周期中探测元件的绝对角度位置是彼此不同的。其结果是：用于转圈测定的、直接相邻的各水平段的彼此的距离大于在合理性检查范围内为控制旋转角传感器的绝对角度位置测量所引用的车轮角位的可能容差。这样就可避免由于有缺陷的合理性检查而造成的角位测定误差。在一个具有两个差拍角周期的角位测量范围内，偏差例如达到180°，假定一个传感元件的测量范围为360°。这种角位移表示一种附加的信息，从这一信息中可以准确求得差拍角周期。
为了获得预定的角位测量范围内差拍角周期的构成，承载着探测元件的(作为齿轮设计的)编码盘各自具有不同的齿数，并经过不同的齿数由一个为可旋转的物体例如转向轴所配置的传动轮加以驱动。于此，有可能的是：两个编码盘直接地由传动轮加以传动；或者也有可能的是，一个编码盘由传动轮加以驱动，而第二个编码盘则由第一个编码盘加以驱动。两个被驱动的编码盘的传动比上的差别在采用本旋转角传感器的情况下大于采用已知旋转角传感器的情况下的差别。因此，就能够为可旋转的物体例如转向轴配置两个大小不同的、具有相应不同齿数的传动轮，分别有一个编码盘的齿环啮合到该两个传动轮中。在一个转向角传感器情况下，转向轴的直径典型地明显大于编码盘的直径，所以毫无问题地可以安置具有不同齿数的传动轮。在前面述及的设计的一个实施例中，做了如下设定：编码盘各自具有相等的齿数，而用作为可旋转物体的转向轴则支承两个各自具有不同齿数的传动轮，其中齿数之差在5-7个齿之间。在采用两个具有不同齿数的传动轮的情况下，编码盘本身也可以具有不同齿数。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。附图表示：
图1一个图表，表示从一个旋转角传感器的两个编码盘之一中获得的角位信息，一起示出在转向轴的角位测量范围上延伸的差拍角周期，还一起示出从这些曲线求得的关于该编码盘的转圈信息；
图2相当于图1的图表，示出一种传统的旋转角传感器；
图3本发明的一种旋转角传感器的两个各自承载着一个磁性探测元件的编码盘的位置示意图，第一个差拍角周期开始之际(左图)和与之相联的第二个差拍角周期开始之际(右图)。
具体实施方式
在图1和2中绘出具有多条分析曲线的分析图。为了能更好地体现出本发明相对于现有技术的一些优点，在图中所载信号都是以干扰信号重叠的。所得的信号也就指的是消失的传感器信号。
在图1的图表中，在X-轴线上绘出了在汽车的转向轴的多个转圈上延伸的角位范围。该角位范围在所示的实施例中为5个转圈(1800°)。用于求得转向轴的绝对转向角位的旋转角传感器是如此设计的，使得在该测量范围内，一个承载着一个磁性探测元件的编码盘9次旋转360°。为该探测元件所配置的传感器元件的输出信号在图1中给出居于下方的锯齿状构成的曲线。在每个转圈中都可清楚看出编码盘的角位。
该旋转角传感器还配有另一个编码盘。该另一个编码盘配有另一个磁性探测元件，可以直接地或间接地由转向轴以相应不同的传动比如此加以驱动，从而使得在角位测量范围内产生两个差拍角周期。依本实施例，配有另一个探测元件的编码盘在该角位测量范围上11次旋转360°。差拍角的形成是：将由一个编码盘的探测元件所发生的角位信息信号从另一个编码盘的角位信息信号中减去。在两个在所示实施例中所设定的差拍角周期中，差拍角具有一种稳定的增大。经由该差拍角可以获得用于转向轴的绝对角度位置测定所需的编码盘的圈数信息，其测量曲线见图1中所示。为此目的，将差拍角加以标度。然后，从所标度的差拍角中减去在探测时所获得的角位信息。由此得出在图1中所示的梯级形走向的曲线，其各个水平段在本实施形式的范围内均以“水平段”表示。这些水平段在每个差拍角周期中都是有所不同的，所以可准确测定编码盘的每个圈数。相邻的水平段的突起高度由于差拍角的增大之故，是足够高的，从而使得即使有缺陷的合理检查结果也不会使圈数结果成为太大问题，致使该圈数结果会迁移到一个直接相邻的水平段上。在图1所示的曲线图上，载入了所计算的角位信号，该信号作为连续升高的曲线在角位测量范围上延伸。由此可以看出：在探测元件的每个角位上，都可根据其圈数计算出用作为可旋转体的转向轴的一个确定的角位。
差拍角的标度是如此实现的，使得在减去在探测时所获得的角位信息之后水平段曲线的各个水平段具有一种水平延伸，因而在其长度上具有一个恒定的y-值。
按所示的实施例，两个承载着一个磁性探测元件的编码盘的绝对角按传感器元件的半个测量范围移位，这就导致标度的差拍角的曲线中的跃升和水平段-曲线中的跃升。一般地说，最好的做法是，根据差拍角的每个周期如此地设计两个编码盘的绝对角中的位移，使得它相当于传感器元件的测量范围的n分之一，此处的n相当于设定的角位测量范围内的差拍角周期的数目。直接与跃升点相连界的水平段界定出编码盘的同一个转圈。通过对编码盘的每个转圈的准确测定，同样可以针对转向轴所处的那个转圈准确配定轴向轴的角位。
为了表明依本发明提出的旋转角传感器所绘制的分析图表(图1)与相应依一种传统旋转角传感器所绘制的分析图表的区别，将后者绘示于图2中。在已知的旋转角传感器的分析图表上，可以明显看出：两个相邻的水平段之间的跃升高度显著地较小，这跃升高度仅及本发明所提出的实施例于图1中所示跃升高度的一半大。干扰距离明显小于本发明内容中的。
图3表示依本发明作为转向角传感器设计的旋转角传感器的、分别承载着一个磁性探测器例如一个磁铁的编码盘的绝对角度位置，即是在图3的左区段中在图1中所示左差拍角周期的初始位置上，和在图3的右部分中在其通过第一个差拍角周期后的位置上，从而在第二个差拍角周期的开始时直接在图1所示的跃升点之后。在两个差拍角周期中，两个编码盘的作为偏移所表示的绝对角度的移位为180°，亦即半个传感器元件测量范围。
本发明是参照一个实施例用两种测量元件加以说明的。为了提高运行安全性或者为了本系统的多重可用性，旋转角传感器也可具有两个以上的测量元件。

Claims (8)

1.一种旋转角传感器，用于测定一个可以旋转多个转圈的物体的绝对角度位置，配有两个按磁性工作设计的测量元件，这两个测量元件各自包含一个磁性的、相对于一个传感器元件旋转运动的并由该物体驱动的探测元件，其中两个探测元件为了测定由探测元件的角位信息之差中得出的差拍角以不同的传动比被驱动，所述传动比是如此设计的，使得在可旋转物体的多个转圈上延伸的角位测量范围内包含多于一个差拍角周期，并且探测元件的绝对角度位置在各差拍角周期中都是不同的，其特征在于：探测元件的绝对角度位置在相继的各差拍角周期中都偏移了一个传感器元件的测量范围的n分之一，此处的n就是角位测量范围内差拍角周期的数目。
2.按权利要求1所述的旋转角传感器，其特征在于：在角位测量范围内包含有两个或多个差拍角周期。
3.按权利要求1所述的旋转角传感器，其特征在于：探测元件分别是一个编码盘的一部分，该编码盘配有一个外齿环，该外齿环又与可旋转物体的传动轮有效相连。
4.按权利要求3所述的旋转角传感器，其特征在于：编码盘具有不同的齿数。
5.按权利要求3所述的旋转角传感器，其特征在于：可旋转的物体承载着一个配有外齿环的传动轮，编码盘的齿环啮合到该传动轮的外齿环中。
6.按权利要求3所述的旋转角传感器，其特征在于：可旋转的物体承载着两个各自配有一个具有不同齿数的外齿环的传动轮，分别有一个编码盘啮合到一个传动轮的齿部中。
7.按权利要求1至6中任一项所述的旋转角传感器，其特征在于：可旋转的物体是汽车的转向轴。
8.一种测定方法，用于测定一个可以旋转多个转圈的物体的绝对角度位置，利用两个依磁性工作而设计的测量元件，这两个测量元件各自包含一个磁性的、相对于一个传感器元件可旋转运动的并由所述物体驱动的探测元件，其中两个探测元件以不同的传动比被驱动，本方法包含对作为两个测量元件的输出信号的角位信息之差的差拍角的测定，其中在多个转圈上延伸的角位测量范围被分成为多于一个差拍角周期分段，所述差拍角周期分段各自包含一个差拍角周期，其特征在于：探测元件的绝对角度位置在相继的差拍角周期中按照一个传感器元件的测量范围的n分之一偏移，此处的n就是角位测量范围内的差拍角周期的数目。
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