CN102906553A - 用于确定旋转轴的扭矩和/或角速度的方法以及用于实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用两个发音轮(3，4)和传感器(5)能够可靠和准确计算轴的扭矩的方法。根据本发明，该方法包括互相关由一旋转或一旋转的1/6所产生的信号与随后的旋转或旋转的1/6所产生的信号的步骤。齿的两通道之间的时间长度(T，T1)通过利用最小二乘方插入法插入互相关函数来计算。

Description

用于确定旋转轴的扭矩和/或角速度的方法以及用于实施该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种确定旋转轴的扭矩和/或角速度的方法，以及用于实施根据本发明的确定方法的装置。本发明还涉及使用根据本发明的方法以计算该轴的扭矩或计算其角速度。本发明还涉及配备有根据本发明的装置的轴。

背景技术

当在一传动轴上应用扭矩时，其经受一扭转变形。对于已知的弹性模量，在常温下，扭转角与所传递的扭矩成比例。

现有技术认可使用此原理用于测量扭矩的不同方法。此种用于测量轴扭矩的方法描述在例如文献DE19817886中。

因此，测量扭矩的一种最简单方式是测量两个发音轮之间的相位移，其中每个发音轮皆安装在轴的端部。在此情况下，可变磁阻传感器记录表示每个轮角位置的信号。该在两个轮之间的角偏移量使得可获得由该轴所传送的扭矩。

然而，此测量方法并不十分准确，因为其对于轴的弯曲移动，以及外部干扰(温度、振动……)非常敏感。

为了限制扭矩测量的不准确性，另一种方法是将两个发音轮更靠近到一起，以限制由两个发音轮相对于传感器的相对运动所引起的错误。然而，在此情况下，不可能仅将两个轮更靠近到一起，因为这将导致该系统的灵敏度的净减小。因此第一个发音轮利用一不传递扭矩的基准套而被靠近第二个发音轮，其方式为第一发音轮与一远离和第二发音轮相连的点的点构成整体。在此情况下，该两个轮通常包括插入的齿，一单一的可变磁阻传感器记录一信号，该信号在每次一齿经过该传感器前时产生一脉冲。扭矩的计算于通常是由对通过该信号的下降沿的零的通道的探测，和在该信号的两连续下降沿之间通过的时间的测量而导出。

此方法当然可减小由于轮子的间距所造成的不准确。然而，通过实验发现，扭矩的计算受噪声的极大影响，因为此方法对外部干扰、电磁干扰以及噪声非常敏感。

扭矩测量的准确性和可靠性是首要重要的，因为该扭矩随后用于计算与轴相连的马达的动力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提出一种比现有技术中的方法更为准确的用于确定轴扭矩的方法。

本发明的另一个目的是提出一种用于确定经受少许对噪声和外部干扰敏感性的轴的扭矩的方法。

本发明的另一个目的是提出一种可靠的用于确定轴的扭矩的方法。

本发明的另一个目的是提出一种准确的几乎不受噪声影响的用于确定旋转轴的角速度的方法。

为此，本发明的第一方面涉及一种用于确定旋转轴的扭矩和/或旋转速度的方法，借助于：

-具有齿的一个或多个轮，每个轮与所述轴的一个点构成整体，

-一传感器，该传感器在每次一个齿通过其前面时能够产生一模拟信号的脉冲；

该方法包括以下步骤：

-在该传感器的帮助下产生第一和第二模拟信号，所述第二模拟信号相对于所述第一模拟信号在时间上偏移，所述第二模拟信号具有等于第一模拟信号的持续时间的持续时间；

-将所述第一和第二模拟信号转换为第一和第二数字信号；

-计算第一数字信号与第二数字信号的暂时互相关函数；

-在互相关函数的帮助下计算第一模拟信号的两个脉冲之间的持续时间。

根据本发明的方法尤其不寻常在于，例如轴的扭矩这样的参数的确定不再基于信号的单一点来进行，而是基于该整个信号来进行。与现有技术中的方法相反，不再仅使用通过零的模拟信号的通道的点，而是使用跨越旋转或跨越旋转一部分的整个信号。实际上，此信号的全部与随后旋转的信号或随后旋转一部分的信号相关，互相关函数使得两个脉冲之间的持续时间可被计算。

根据本发明的方法还有利地包括以下步骤：

-在两个脉冲之间的持续时间的帮助下计算轴的扭矩；或

-在两个脉冲之间的持续时间的帮助下计算轴的旋转速度。

当根据本发明的方法使得可确定轴的扭矩时，根据本发明的方法优选使用两个轮，指下文中的第一轮和第二轮，该第一轮与所述轴的第一点构成整体，该第二轮与所述轴的第二点构成整体，所述第一点远离所述第二点，使得第一轮和第二轮允许该轴的扭矩被记录。

所述第一轮和第二轮有利地设置为所述第一轮的齿与所述第二轮的齿轮流交替。

根据本发明的方法对于计算轴的扭矩来说非常有利。在轴配备有具有交替齿的两个轮的情况下，计算两脉冲之间持续时间的步骤优选为计算两个连续脉冲之间的持续时间的步骤。计算两脉冲之间持续时间的步骤因此对应于计算脉冲n与脉冲n+1之间持续时间的步骤。按自然法则地，此计算两个连续脉冲之间的持续时间的步骤因此对应于第一轮的第一齿与第二轮的第一齿之间的角度偏移。轴的扭矩于是被计算，因为仿射函数是已知的，其将扭矩与第一轮的第一齿与第二轮的第一齿之间的角度偏移相联系。

根据本发明的方法还可用于更准确地计算轴的旋转速度，如果必须的话。在轴配备有具有交替齿的两个轮的情况下，计算两脉冲之间持续时间的步骤因而优选为计算每个脉冲对应于相同轮的两个连续齿的通道的两个脉冲之间的持续时间的步骤。在此情况下，计算两脉冲之间持续时间的步骤因而对应于计算脉冲n与脉冲n+2之间持续时间的步骤。

根据本发明一优选实施例，计算两脉冲之间持续时间的步骤包含以下步骤：

-识别互相关函数的最大值；

-计算时间t1与t2，在所述时间t1与t2，互相关函数达到这些最大值；

-计算在这些时间t1与t2之间的持续时间。

当一个信号与时间上偏移的相同信号短暂相关联时，互相关函数的最大值在时间上与此信号的最大值一致。计算互相关函数发生最大值的瞬间t1与t2，使得发现在瞬间t1与t2，所考虑的模拟信号的脉冲发生。既然每个脉冲皆对应于传感器前齿的通过，则这使得齿的两次通过之间的持续时间可被计算。

此对瞬间t1与t2的计算，其中互相关函数在瞬间t1与t2为最大值，使得齿在传感器前的通过之间的持续时间可被非常准确地计算。而且，此计算由于互相关所实现的整合而经受非常小的对外部干扰和噪声的敏感度。

根据一非常优选实施例，计算互相关函数最大值的步骤通过插入互相关函数来执行。此计算方法非常准确。

根据一非常优选实施例，互相关函数的插入通过最小二乘方的抛物型插值法实现。

根据一非常优选实施例，互相关函数的插入仅经过瞬间t1与t2所期望的时间间隔而实施。

在轴旋转的过程中，齿的间距和因此两个所选齿的通道之间的持续时间被近似获得。因此，不需要将互相关函数插到其整体，因为这对于将执行此插入的计算机在计算方面是费事和复杂的。因此，仅围绕看上去精确确定的点插入互相关函数就足够了。

根据不同实施例：

-所述第一模拟信号和第二模拟信号各自具有等于轴的完全旋转的持续时间的持续时间，或者

-所述第一模拟信号和第二模拟信号各自具有等于所述轴的旋转的1/6持续时间的持续时间，

-所述第一模拟信号和第二模拟信号各自对应于由该传感器在该轴的两连续旋转过程中所产生的信号，

-所述第一模拟信号和第二模拟信号各自对应于由该传感器在该轴的旋转的两连续部分过程中所产生的信号，当所述轮包含六个等距齿时，所述轴的旋转的这些部分优选等于该轴的旋转的1/6。

本发明还涉及根据前述用于计算轴扭矩的权利要求中任何一项的方法的使用。

在此情况下，根据本发明的方法优选使用以下元件：

-第一和第二轮，所述第一轮与所述轴的第一点构成整体，所述第二轮与所述轴的第二点构成整体，所述轴的第二点远离所述轴的第一点，所述第一轮和第二轮各自设有齿，所述第一轮的齿相对于所述第二轮的齿交替设置；

-一传感器，该传感器能够将第一轮和第二轮的每个齿的通道转换为一模拟信号的脉冲；

该方法于是优选包括以下步骤：

-产生第一模拟信号，该第一模拟信号产生在所述轴的旋转或旋转的一部分过程中由在该传感器前的齿的通道所生成的脉冲；

-将所述第一模拟信号数字化为一第一数字信号；

-产生第二模拟信号，该第二模拟信号产生在所述轴的随后旋转或随后旋转的一部分过程中由在该传感器前的齿的通道所生成的脉冲；

-将所述第二模拟信号数字化为一第二数字信号；

-计算所述第一数字信号与第二数字信号的互相关函数；

-在该互相关函数的帮助下计算该第一模拟信号的两个连续脉冲之间的持续时间；

-基于所述第一模拟信号的两个连续脉冲之间的持续时间计算该轴的扭矩。

本发明还涉及根据前述用于计算轴的旋转速度的权利要求中任何一项所述的方法的使用。

根据另一方面，本发明还涉及一种用于实现根据本发明方法的装置，该装置包括：

-一个或多个具有齿的轮，每个轮与所述轴的一点构成整体；

-传感器，该传感器能够将在该传感器前的各齿的通道转换为一模拟信号的脉冲；

-模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器能够将来自该传感器的模拟信号转换为数字信号；

-计算机，该计算机能够：

计算来自所述转换器的两数字信号的互相关函数；

基于该互相关函数计算所述模拟信号的两个连续脉冲之间的持续时间。

所述装置有利地包括第一和第二轮。

所述第一轮的齿有利地与所述第二轮的齿交替设置。

所述模拟-数字转换器有利地在一取样频率fe操作。

所述计算机有利地在一等于该取样频率fe的工作频率计算所述互相关函数。

来自该传感器的所述模拟信号有利地为电子信号。

所述传感器有利地为可变磁阻传感器。

所述计算机有利地能够插入来自所述转换器的两数字信号的互相关函数，这优选通过使用最小二乘方的抛物型插值法进行。

本发明还涉及一种配备有根据本发明的装置的轴。

附图说明

通过参照附图阅读以下说明，本发明的其他特征和优点将呈现，其中：

图1为配备有根据本发明一实施例的装置的轴的透视图；

图2为图1中的轴和装置的截面图；

图3为使用图1中装置所获得的第一模拟信号的视图；

图4为使用图1中装置所获得的互相关函数的视图；

图5为由根据本发明一实施例的装置所使用的一计算单元的视图。

为了更清楚，相同或相似的元件在所有图中由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1和2表示配备有根据本发明一实施例的装置的轴1。装置2包括第一轮3和第二轮4。第一轮3和第二轮4优选为发音轮。第一轮3与轴1的第一点6构成整体。第二轮4与轴1的第二点7构成整体。第二轮4利用一不传递扭矩的套8连接到第二点7，使得第二轮4位于第一轮3的附近，但其与点7构成整体，该点7远离和第一轮3构成整体的点6。

第一轮3和第二轮4各自具有齿，分别为3a、3b、3c…和4a、4b、4c…，每个轮优选包括6个齿3a-3f和4a-4f。第一轮3的齿设置为它们与第二轮4的齿轮流交替。这样，齿3a位于齿4f与齿4a之间，齿3b位于齿4a与齿4b之间……。

根据本发明的该装置还包括设置在轮3、4上方的传感器5，其方式使得对该两轮的各齿的通道敏感。传感器5发射一模拟信号，该模拟信号在每次一齿经过该传感器前面时产生一脉冲。

传感器5优选为可变-磁阻传感器，该传感器在每次一齿经过它前面时产生一电脉冲。

装置2还包括一模拟-数字转换器9，该转换器能够将来自传感器5的模拟信号转换为具有一取样频率fe的数字信号。该数字信号优选储存为12或16比特。

装置2还包括一计算机10，该计算机具体能够：

-计算来自该转换器的两个数字信号的互相关函数；和

-基于该互相关函数计算该模拟信号的两个脉冲之间的持续时间。

现在将参照图3和4描述根据本发明一实施例的方法。

在第一步骤过程中，传感器5产生一第一模拟信号11，表示于图3中。在此例中，模拟信号11对应于在轴的旋转的1/6过程中由传感器5所产生的信号。然而，在不脱离本发明范围的情况下，可以设想记录在该轴的完整旋转过程中由该传感器所发出的模拟信号。

如图3中可见，第一模拟信号11在每次一齿经过该传感器前时产生一脉冲。这样，第一脉冲12对应于在传感器5前第一轮3的第一齿3a的通道。“第一齿”理解为意味着从根据本发明的方法开始的时刻起经过该传感器前的第一齿。此“第一齿”并不必须是绝对术语中经过该传感器前的第一齿。第二脉冲13对应于在传感器5前第二轮4的第一齿4a的通道。第三脉冲14对应于该传感器前第一轮3的第二齿3b的通道。

由于一个和相同轮的齿的间距是恒定的，因此对应于一个和相同轮的齿的两脉冲之间的持续时间的估计值使得该轴的旋转速度可以被获得。这样，脉冲12和14之间的持续时间T的估计值使得轴1的角速度可以被获得。

另一方面，第一轮3的齿和第四轮4的齿之间的间距取决于该轴的扭矩。因此，在对应于第一轮的第一齿3a的通道的脉冲12与对应于第二轮的第一齿4a的通道的脉冲13之间的持续时间T1的估计值使得可获得该轴的扭矩。

所述第一模拟信号随后被转换为第一数字信号。该第一模拟信号向第一数字信号的转换优选在高频进行，即在高于或等于100kHz，优选在等于200kHz的取样频率下进行。该第一数字信号随后被记录。

一第二模拟信号随后产生。此第二模拟信号具有等于该第一模拟信号持续时间的持续时间，但其在时间上偏移。因此，当该第一模拟信号对应于在该轴的完整旋转过程中由该传感器所发出的信号时，该第二模拟信号优选对应于在该轴的随后旋转过程中由该传感器所发出的信号。在本例中，由于该第一模拟信号对应于在该轴的旋转的1/6过程中由该传感器所发出的信号，因此该第二模拟信号将也对应于在该轴的旋转的1/6过程中由该传感器所发出的信号。在其过程中发生第二模拟信号的该轴的旋转的1/6可以是这样的该轴的旋转的1/6：其直接跟随在其过程中发生所述第一模拟信号的该轴的旋转的1/6，或者其可相对于在其中发生所述第一模拟信号的该轴的旋转的1/6偏移一个旋转或一个旋转的一部分。

这样，如果所述第一模拟信号为对应于该传感器前的齿3a、4a和3b的通道的信号，则所述第二模拟信号将能够或者对应于该传感器前的齿3a、4a和3b的下一个通道，或者对应于齿4b、3c、4c的通道。当所述轴在一恒定速度下旋转，并且其传送一恒定扭矩值时，所述第二模拟信号因此通常基本上与该第一模拟信号相同，除了其在时间上偏移。

该第二模拟信号随后被转换为第二数字信号。该第二模拟信号向第二数字信号的转换在如第一模拟信号转换为第一数字信号的相同取样频率下进行。该第二数字信号被记录。

根据本发明的方法于是包括在其过程中，优选在等于该模拟信号已被数字化的频率的取样频率下，第一数字信号和第二数字信号数字互相关的步骤。

这样，如果x(k)，其中k从1到n-m变化，表示第一数字信号，y(k)，其中k从1到n-m变化，表示第二数字信号，则第一和第二数字信号的暂时互相关函数对于各点m给出为：

其中：

-n表示各数字信号的总持续时间；

-x_m表示第一数字信号的平均值；

-y_m表示第二数字信号的平均值。

互相关函数I(m)对于属于间隔[0，n]的各点m于是被计算。如此获得的互相关函数I表示在图4中。

如图4中可见，互相关函数I在每次所述第一模拟信号分别产生脉冲12、13、14时具有最大值15、16、17。

至此，根据本发明的方法不管是用于计算轴的旋转速度还是计算其扭矩均是相同的。取决于根据本发明的方法是用于计算扭矩还是用于计算角速度，仅用于计算两脉冲之间持续时间的步骤不同，更准确说，仅在其间持续时间被计算的脉冲改变。

于是，当根据本发明的方法用来获得轴的扭矩时，计算两个连续脉冲之间的持续时间，即计算脉冲12与13之间的持续时间T1。

相反，如果根据本发明的方法用来获得轴的角速度，则计算脉冲12与14之间的持续时间T，所述脉冲为对应于属于一个和相同轮的两连续齿的两个脉冲。

现在将详细描述在两脉冲12和13之间的持续时间T1被计算以获得轴的扭矩的情况下计算两个脉冲之间持续时间的步骤。然而，当希望获得该轴的角速度时，可使用相同的计算步骤来计算脉冲12和14之间的持续时间。

这样，为计算脉冲12与13之间的持续时间T1，根据本发明的方法包括计算所述互相关函数的最大值15和16之间的持续时间T1的步骤。

根据本发明的一优选实施例，时间t1＝0时的I(t)对应于第一脉冲，即在该传感器前的第一轮的第一齿的通道。因此，获得时间T1，足以获得时间t2，在时间t2互相关函数到达最大值16，其对应于脉冲13，该脉冲13自身对应于该传感器前的第二轮的第一齿的通道。

获得时间t2，已知在该轴的旋转的1/12的级别的时间t4后该传感器前经过的第二轮的第一齿(每个轮实际上包括六个齿，第一轮与第二轮的齿被插入)。一个因此位于一位于t4周围的时间间隔[t4-Δt，t4+Δt]，其中一个是确保发现互相关函数的最大值16。

互相关函数I于是被插入，优选以最小二乘方的抛物型插值法，经过此间隔[t4-Δt，t4+Δt]。例如，寻求该g(t)＝a*t2+b*t+c形式的函数，其还接近经过此间隔的互相关函数I。由此获得的函数g(t)表示于图4中。于是寻求点t，在该点函数g(t)达到其最大值。

在本例中，对于t＝t2，函数g(t)达到其最大值。两个脉冲12和13之间的持续时间T1于是给出为：

T1＝t2-t1＝t2-0.

根据本发明的方法因此使得可在T1过程中非常精确地获得轴的扭矩，从而自动减小该信号的非高斯相位噪声，其不使用另外的滤波器做到这些。

此对扭矩的精确确定于是可获得由该轴所传递的动力。

图5表示一实现根据本发明方法的计算单元。此计算单元使得可计算由该轴所传递的系统的动力。

为此，该计算单元优选包括一允许模拟信号进入其进行过滤的第一低通滤波器24。滤波器24有利地还使得该信号被放大。所述计算单元还包括一模拟-数字转换器25，该转换器用于在取样频率fe将过滤后的信号转换为数字信号。

此计算单元还包括存储器27和28，使得可在两个连续旋转或连续旋转的两个部分的过程中，经过一个旋转或一个旋转的1/6储存该数字信号。

该计算单元还包括一处理器29，该处理器使所述数字信号可被互相关，同样第二处理器30使由处理器29获得的互相关函数可被插入。

本发明当然不限于在此所描述的实施例，特别是可设想使用插入互相关函数的其他方法。还可设想在模/数转换过程中使用其他取样频率。

而且，齿3a、3b和4a仅作为举例使用，也可使用其他齿。而且，还可设想在两个齿3a和4a(或3a和3b)的帮助下计算持续时间T(或T1)，随后在齿3a和4b(或3b和3c)的帮助下计算其并取所获得值的平均数。

Claims (8)

1.一种用于确定旋转轴(1)的扭矩和/或旋转速度的方法，借助于：

-具有齿(3a-3f，4a-4f)的一个或多个轮(3，4)，每个轮(3，4)与所述轴(1)的一个点(6，7)构成整体，

-传感器(5)，该传感器在每次一个齿(3a-3f，4a-4f)通过其前面时能够产生一模拟信号的脉冲(12，13，14)；

该方法包括以下步骤：

-在该传感器的帮助下产生第一和第二模拟信号，所述第二模拟信号相对于所述第一模拟信号在时间上偏移，所述第二模拟信号具有等于所述第一模拟信号的持续时间的持续时间；

-将所述第一和第二模拟信号转换为第一和第二数字信号；

-计算所述第一数字信号与所述第二数字信号的暂时互相关函数(I)；

-在所述互相关函数(I)的帮助下计算所述第一模拟信号的两个脉冲(12-13，12-14)之间的持续时间(T1，T)，计算两脉冲(12-13，12-14)之间持续时间的步骤包含以下步骤：

-识别所述互相关函数的最大值(15，16或15，17)；

-通过所述互相关函数的插入计算时间t1与t2，在所述时间t1与t2，所述互相关函数达到这些最大值，所述互相关函数的插入仅经过时间间隔([t4-Δt，t4+Δt])进行，其中所述时间t1与t2是所期望的；

-计算在这些时间t1与t2之间的持续时间(T1，T)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用第一轮(3)和第二轮(4)，所述第一轮(3)与所述轴(1)的一第一点(6)构成整体，所述第二轮(4)与所述轴(1)的一第二点(7)构成整体，所述第一点(6)远离所述第二点(7)，所述第一轮与第二轮设置为使得所述第一轮(3a-3f)的齿与所述第二轮的齿(4a，4f)交替设置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述互相关函数的插入采用最小二乘方通过抛物型插值法进行。

4.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述第一模拟信号与所述第二模拟信号各自具有一持续时间等于

-所述轴的完整旋转的持续时间，或

-所述轴的旋转的六分之一的持续时间。

5.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述第一模拟信号与所述第二模拟信号各自对应于在所述轴的两个连续旋转或所述轴的旋转的连续部分过程中由所述传感器所产生的信号。

6.一种用于实现根据权利要求1-5中任何一项所述方法的装置，其特征在于，该装置包括：

-具有齿(3a-3f，4a-4f)的一个或多个轮(3，4)，每个轮(3，4)与所述轴(1)的一个点(6，7)构成整体，

-传感器(5)，该传感器能够将每个齿(3a-3f，4a-4f)的通道转换为一模拟信号(11)的脉冲(12，13，14)；

-模拟-数字转换器(9，25)，该模拟-数字转换器能够将来自所述传感器(5)的所述模拟信号转换为数字信号；

-计算机(10，29，30)，该计算机能够：

计算来自所述模拟-数字转换器的两数字信号的互相关函数(I)；

基于所述互相关函数(I)计算所述模拟信号的两个脉冲(12，13，13)之间的持续时间(T1，T)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，其包括第一轮(3)和第二轮(4)，所述第一轮的齿(3a-3f)与所述第二轮的齿(4a-4f)交替设置。

8.一种配备有根据本发明6或7所述装置的轴(1)。

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