CN102066877A - 检测旋转角度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测旋转部件上的旋转角度的装置，其具有换能器和传感器，检测作为可数字处理信号的物理变量，该变量是旋转部件的旋转角度变化的函数。该旋转部件包括至少一个具有较小圆周的行星轮，其联接在该部件的圆周处且通过该部件的旋转而旋转，优选地具有角度传感器，其经由轴向联接的内摆线齿轮驱动同样旋转的内摆线盘或内摆线齿轮，其圆周速度可通过内摆线齿轮降低，以使得旋转部件的速度和在转向轴多转上的绝对轮角度可被使用回转传感器系统确定。

Description

检测旋转角度的装置

技术领域

根据主权利要求的一般类型，本发明涉及一种装置，用于检测旋转部件的旋转角度，例如机动车中的变速箱设备或转向设备中的部件。

背景技术

在从DE 197 03 903 A1可知且根据引言所述方法用于检测旋转角度目的的转向角度传感器中，传感器被以一方式构造，即其以无接触方式检测转向轮的旋转角度，例如用霍尔传感器。对于机动车中的电子开环和闭环控制系统，转向轮的旋转速度和旋转角度的确定通常特别重要，以获得与转向轮位置有关或与转向轮的旋转角度中的变化有关的绝对实际信号。在该背景下，该已知的传感器专门测量可旋转转向轴和转向柱(该转向柱为车辆底盘的固定部件)之间的相对角度。

实际上从DE 100 60 287 A1中已知，当多个编码标记(code track)被用在旋转部件上时，不同编码被以一方式使用，即利用游标方法(Noniusmethod)或修正的游标方法，还可以考虑旋转部件的旋转速度确定旋转角度，确定执行的绝对旋转行程，例如在转向轮的情况中或在递升传动(step-uptransmission)的情况中。

DE 103 05 592 A1描述了在旋转部件上执行两次测量，其中角度变化分别被记录在旋转部件的各直径上。DE 195 06 938 A1和DE 197 39 823 A1描述了两个不同的齿轮，每个具有不同数量的齿，在旋转部件上检测回转，以使得利用游标方法或利用修正的游标方法还可以在这里通过考虑旋转部件的旋转速度确定旋转角度。

此外，EP 15748 A1和DE 102006015361 A1本身披露了被称为内摆线传动装置(hypocycloidal transmission)的装置，其中凸缘被设置有圆形齿，其例如与内摆线传动相关联，或其还被称为圆周滚动接触传动装置(circumferential rolling contact transmission)，例如用于车辆座椅上的接头机构。

发明内容

本发明基于一种用于检测旋转部件上的旋转角度的装置，其具有信号发生器和传感器，该传感器检测信号发生器产生的作为可被数字地评估的信号的物理变量的变化，该物理变量的变化作为旋转部件的旋转角度的变化的函数。根据本发明，为了形成可被应用在较小安装空间中的成本有效装置，提出旋转部件具有至少一个行星轮，其联接到所述旋转部件的圆周且由于旋转部件的旋转而旋转，且具有相对较小的圆周且具有角度传感器，该行星轮优选地经由轴向联接的内摆线传动装置驱动内摆线盘，该内摆线盘也旋转且其旋转速度可通过内摆线传动装置以一方式降低，该方式是旋转部件的每分钟转数(rpm)和绝对转向角度可被由此在转向轴的多转内通过旋转传感器确定。

本发明可有利地被用在机动车中的转向设备中，由此角度传感器被定位在旋转轴的圆周上，优选地作为转向轴的圆周上的转向角度传感器。

在本文中，根据本发明的装置可有利地被以一方式实施，该方式是内摆线传动装置包括内摆线盘，其轴向地联接到行星轮且其以相对于行星轮轴线平行的方式偏移预定绝对值E。旋转信号发生器和行星轮在这里是同心的，且行星轮具有一轮廓，该轮廓相对于其对称轴线偏移预定绝对值E且被联接到内摆线盘或驱动后者，其中内摆线盘具有用于旋转信号发生器的内凹部，由于轴线平行关系，在每种情况下，该凹部在改变区域中机械地联接到所述内摆线盘，该轴线被偏移绝对值E，且分别被内摆线盘驱动。

但是，替换地，旋转信号发生器还可以被以位置固定的方式安装在内摆线盘中，以使得所述选择信号发生器然后执行相对于传感器的翻滚运动。

根据第一实施例，旋转信号发生器在内摆线盘的内凹部中的机械联接是通过相应的齿轮结构执行。在第二实施例中，旋转信号发生器在内摆线盘的内凹部中的机械联接是通过补偿离合器执行，优选地为奥尔德姆离合器，在旋转信号发生器中具有径向支撑销，其对应于内摆线盘中的径向支撑沟槽，或反之亦然。根据第三实施例，旋转信号发生器在内摆线盘的内凹部中的机械联接通过至少一个驱动销执行，与该驱动销对应的是内摆线盘中的至少一个驱动细长孔，或反之亦然。

特别地，为了实现角度传感器中的高角度分辨率，旋转部件可具有至少一个其它行星轮，该行星轮联接到旋转部件的圆周，通过该旋转部件的旋转而旋转且具有角度传感器。但是，还可存在具有至少一个其它行星轮，其具有角度传感器但是其联接到该一个行星轮。

以进一步有利的方式，角度传感器和/或旋转传感器每个都包括也旋转的磁性信号发生器，和在每种情况下被相邻布置的磁传感器，优选为霍尔传感器、AMR传感器或GMR传感器。但是，其它物理传感器方法，例如光学方法也是可以的。这里的传感器还可以是评估电路的部件，该评估电路被安装在印刷电路板上，由此角度变量和/或旋转变量可被根据板上芯片(COB，chip-on-board)技术评估。

在这里所述的发明中，角度传感器和旋转传感器可由此被设置在行星轮下方，其可具有许多优点，例如在安装空间和角度分辨率方面。而且，在这里所述的发明中，内摆线齿轮的翻滚运动被再次转换为旋转传感器的信号发生器的旋转运动，或信号发生器被以位置固定的方式安装在内摆线盘中。这使得所述信号发生器也能被以高角度分辨率评估，例如利用角度磁体(angular magnet)，其被直径地(diametrically)磁化且具有两个霍尔集成电路，该两个霍尔集成电路相对于彼此旋转90度，或利用圆柱形磁体，其被直径地磁化且具有中心定位的两轴霍尔集成电路芯片。

在作为转向角度传感器的使用中，由此还可以使用传感器元件，除了可被用在较小的安装空间中的成本有效配置，其可被容易地促动和评估。这种传感器可在多个转向角度旋转上以约0.1°的较小角度分辨率检测绝对角度。而且，根据本发明的这种转向角度传感器还能在机动车起动后可被“正确通电(True Power On)”，甚至在电池放电或断开时，即初始角度为0°，其可利用机械旋转传感器系统。其它系统在“点火关闭”状态中消耗静态电流且必须在电池放电后重新初始化。

本发明可被容易地实施为简单的“低成本”设计或出于安全严格要求而被实施为相对昂贵的设计，该适应性主要通过电子元件而分别产生，例如，一个或多个微处理器，单或双霍尔集成电路，简单的总线协议(例如PWM或SENT)，或相对复杂的总线协议(例如CAN或Flexray)。

附图说明

参考附图对本发明的示例性实施例进行解释，在附图中：

图1示出了作为根据本发明的装置的转向角度传感器的示意性平面视图，其具有角度传感器和旋转传感器，该角度传感器和旋转传感器在每种情况下在一行星轮(satellite)上；

图2示出了根据图1的旋转传感器的详细视图作为分解视图，其具有内摆线传动装置；

图3示出了根据图2的内摆线传动装置的详细视图，其处于组装状态；

图4示出了具有位置固定的信号发生器的内摆线传动装置的实施例的详细视图，其处于组装状态；

图5是示出了解释内摆线传动装置的功能的基本视图；

图6示出了图表，其中可以看到对应于角度曲线和旋转曲线的传感器信号；

图7至9示出了内摆线传动装置中的机械联接的各个实施例；以及

图10示出了具有内摆线齿轮的实施例。

具体实施方式

图1示出了转向角度传感器1的配置，其具有转子2，该转子由车辆的转向轴(未示出)驱动，且具有外齿轮。转向角度传感器1由此检测转向轴的旋转角度，因为转向轴驱动该转子1，且后者经由外齿而驱动具有角度传感器系统(在此未示出)的行星轮3，该行星轮以相对于转向轴轴线平行的方式定位。

具有角度信号发生器的角度传感器系统由此被定位在行星轮3上，该角度传感器系统确定转向轴的准确角度，具有例如约0.1°的角度分辨率。角度信号发生器以位置固定的方式被定位在行星轮3上且与其同步旋转，且检测角度信号发生器(在此未示出)的旋转的角度传感器相对于角度信号发生器定位。

根据本发明的旋转传感器系统确定行星轮5的旋转，被定位在行星轮5上。由于被行星轮5驱动的且基于下面附图进行解释的内摆线传动装置，旋转传感器系统6的由该传动装置驱动的旋转信号发生器在转向轴的要被测量的整个角度范围(最大一转)内旋转。

具有旋转传感器系统的行星轮5优选地在整个转向角度范围内旋转通过最大一转，但是其可在转向轴的多转内旋转，在该情况下，可被评估的游标必须在角度传感器和旋转传感器的周期性信号之间被呈现，且其可通过电子评估而被计算。

例如，通常的转向轴具有四至六转的角度范围，其对应于1440°至2160°的角度范围。检测旋转传感器系统6的信号发生器的旋转的旋转传感器被相对于信号发生器定位。

根据一个示例性实施例(未示出)，行星轮3还可被省略，且角度传感器的功能则还可被利用行星轮5执行。

如图1所示，由转向轴驱动的转子2驱动旋转传感器系统6的行星轮5。行星轮5(其从图2和3可更清楚地看到)通过信号发生器7(例如圆柱形磁体)被可旋转地安装，且其可由此被壳体8可旋转地安装。而且，内摆线盘9和具有霍尔集成电路(Hall-ICs)的印刷电路板10作为传感器系统的传感器存在。

图4示出了信号发生器7以位置固定的方式安装在内摆线盘9中，且该信号发生器例如是圆柱形磁体，该磁体则执行相对于传感器系统(在此未示出)的翻滚运动(tumbling movement)。

图5在截面图中示出了内摆线盘9如何被相对于行星轮5的旋转轴线以距离E偏心地定位。该偏心地定位的内摆线盘9的旋转中心由此在具有半径E的圆形路径上绕行星轮5的旋转轴线旋转。内摆线盘9的圆柱体总是与静态中空圆柱体11接触，在这里其例如是环绕壳体8的轮廓。静态中空圆柱体11的对称轴相对于行星轮5的旋转中心是同心的。如果内摆线盘9和中空圆柱体11之间的机械摩擦足够大，内摆线盘9在中空圆柱体11上回转或滚动。此外，可看到具有印刷电路板10的传感器4。

内摆线盘9在行星轮5的回转期间旋转的角度由壳体8的相对较大的中空圆柱体11和内摆线盘9的相对较小的圆柱体的圆周长之间的差异产生。该差异还可受到内摆线盘9的直径D1和距离E这两个参数的影响。中空圆柱体11的直径D2和由此两个圆周长之间的差AU由该两个参数导出。

因此，内摆线盘9的旋转中心的圆形路径运动仍必须被转换为单纯旋转运动，以使得通过旋转传感器系统6上的传感器，可以进行准确角度检测。如上所述，旋转传感器系统6的信号发生器相对于行星轮5以同心方式可旋转地安装。这由此要求驱动，该驱动补偿圆形路径运动且在该驱动期间内摆线盘9驱动信号发生器7旋转。

由于D2＝D1+2*E，依据以下计算内摆线盘9的旋转角度δ：内摆线盘9的周长U1，

U1＝π*D1

静中空圆柱体的周长U2

U2＝π*D2，得到差

ΔU＝U1-U2＝2*π*E

下面的比则用于角度：

相当于

图6示出了在1800°角上的旋转信号的曲线12，该1800°角对应于五转，以及在这里相对于120°周期的信号的曲线13。

在这里存在多种补偿驱动，具体是根据图7的具有内齿20的齿轮内摆线传动装置，且在信号发生器上是通过外齿21。两个齿轮的齿数在这里是相同的。通过齿轮实施的该内摆线传动装置拖带信号发生器，允许信号发生器相对于内摆线盘9同步地旋转，且补偿内摆线盘的旋转中心的圆形路径运动。

在另一变式中，使用根据图8的补偿离合器22，例如被称为奥尔德姆离合器(Oldham)。通过该补偿离合器22，内摆线盘9的旋转被同步地传递给信号发生器。被隔90°定位在内摆线盘9上和信号发生器上的纵向支撑点也在这里补偿内摆线盘的旋转中心的圆形路径运动。

根据如图9的另一变式，驱动销24可被安装在信号发生器上，该驱动销24接合在内摆线盘9中的细长孔25中。驱动销24补偿内摆线盘9的翻滚运动，因为在细长孔25中沿径向方向具有游隙。沿切线方向，驱动销24被安装为不具有游隙，由此信号发生器被内摆线盘9驱动旋转。

在上述所有情况下，旋转的旋转信号发生器的信号被旋转传感器6检测，且绝对转向角度可与角度传感器4中的信号在评估单元中一起被计算。还应注意，这里，绝对转向角度还可被仅通过旋转传感器6计算，即不要角度传感器4，在该情况下，仅角度分辨率更大，约为0.5°，且角度准确度更低。附加角度传感器4改善了角度分辨率和计算的绝对转向角度的角度准确度。

图10示出了根据本发明的内摆线传动装置的另一示例性实施例，其具有印刷电路板10和霍尔集成电路12，其中，与根据图2和3的实施例相对照，具有内摆线齿轮30，该内摆线齿轮的外侧上还具有齿31，且以上述相同的方式对应于相应设计的壳体33中的内齿32，由此，以此方式，旋转的进一步降低(stepping down)也是可能的。根据该示例性实施例，内摆线齿轮30的齿比内齿32至少少一个齿。

Claims (12)

1.一种用于检测旋转部件上的旋转角度的装置，其具有信号发生器和传感器，所述传感器检测信号发生器产生的作为可被数字地评估的信号的物理变量的变化，该物理变量的变化作为旋转部件的旋转角度的变化的函数，其特征在于，旋转部件具有至少一个行星轮，该行星轮联接到所述旋转部件的圆周且由于旋转部件的旋转而旋转，且具有相对较小的圆周，优选地具有角度传感器，该行星轮经由轴向联接的内摆线传动装置驱动内摆线盘，该内摆线盘也旋转且其旋转速度可通过内摆线传动装置以一方式降低，该方式是旋转部件的每分钟转数和绝对转向角度可被由此在转向轴的多转内通过旋转传感器确定。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，内摆线传动装置包括内摆线盘，其轴向地联接到行星轮且其以相对于行星轮轴线平行的方式偏移预定绝对值(E)，其中，旋转信号发生器和行星轮是同心的，且行星轮具有一轮廓，该轮廓相对于其对称轴线偏移预定绝对值(E)且被联接到内摆线盘。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，旋转信号发生器以位置固定的方式安装在内摆线盘中，且内摆线盘被联接到静态中空圆柱体。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，旋转信号发生器在内摆线盘的内凹部中的机械联接通过相应齿轮结构执行。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，旋转信号发生器在内摆线盘的内凹部中的机械联接通过补偿离合器执行，优选地为奥尔德姆离合器，其具有偏移90°的至少两个纵向支撑销，且与此对应地，内摆线盘和旋转信号发生器每个都具有至少一个纵向支撑沟槽；或者，补偿离合器具有偏移90°的至少两个纵向支撑沟槽，与此对应地，内摆线盘和旋转信号发生器每个都具有至少一个纵向支撑销。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，盘通过信号发生器中的至少一个驱动销被机械地联接在内摆线盘的内凹部中，且与此对应的是内摆线盘中或信号发生器中具有至少一个驱动细长孔。

7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，旋转部件具有至少一个其它行星轮，其联接到该旋转部件的圆周，通过旋转部件的旋转而旋转且具有角度传感器。

8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，存在另一行星轮，其通过旋转部件的旋转而旋转且具有角度传感器，该角度传感器优选地经由内摆线齿轮联接到该一个行星轮。

9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，角度传感器和/或旋转传感器每个都包括也旋转的磁性信号发生器，和在每种情况下都相邻地布置的磁传感器。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，各磁性传感器优选地为霍尔传感器、AMR传感器或GMR传感器。

11.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，传感器是评估电路的部件，该评估电路被安装在印刷电路板上，由此可以根据板上芯片技术评估角度变量和/或旋转变量。

12.如前述权利要求任一项所述的装置的使用，其特征在于，该装置是机动车中的转向设备的部件。

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