CN103359167A - 一种方向盘转动角度的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方向盘转动角度的测量方法，包括以下步骤：步骤1：分别获得第一从动齿轮的旋转角度α和第二从动齿轮的旋转角度β；步骤2：第一从动齿轮的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮的旋转角度β相减，得到差值ω；步骤3：对差值ω进行修正；步骤4：由修正后的差值ω、主动齿轮、第二从动齿轮和第一从动齿轮的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮旋转的绝对角度θ,绝对角度θ即为方向盘的旋转角度。本发明还提供一种相应的方向盘转动角度的测量装置。本发明的测量方法和装置能够实现多圈内精确测量方向盘旋转的绝对角度θ。

Description

一种方向盘转动角度的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种方向盘转动角度的测量方法和装置。

背景技术

随着消费者对汽车安全性能要求以及驾驶舒适性的要求的逐步提高，开发更加安全舒适的安全控制系统是汽车安全系统发展的必然趋势。主动安全系统也就进入了发展、普及的快车道，欧美国家法规已明确规定车辆必须匹配车身稳定系统。而诸如车身电子稳定系统(Electronic Stability Program，简称ESP)、弯道辅助照明系统(Adaptive Front-Lighting System,简称AFS)、防疲劳系统、辅助倒车系统等主动安全系统中均要使用方向盘转角传感器。所以，精准的方向盘转动角度输出直接影响ESP等主动安全系统对驾驶员行驶意图的判断，进而影响行车的安全。

传统的绝对值转角传感器基于电阻分压原理，通常使用导电塑料作为电阻器来分压。在电阻器的两端施加一直流电压，一个滑动接触点随着方向盘的转动在电阻器两端内运动，方向盘转动到2个端点位置时，滑动接触点刚好运动到电阻器两端。测量接触点和电阻器一端的电压即可求得方向盘的绝对转角位置。由于电阻分压式绝对值转角传感器是接触式传感器，其敏感元件发生频繁的机械接触。在相互运动过程中会产生磨损，影响了传感器的检测精度及使用寿命，因此，对材料选择要求比较苛刻，润滑剂的性能参数也是接触式传感器设计过程中必须考虑的问题。

新型绝对值转角传感器大多采用GMR原理，基于巨磁阻效应的磁感芯片配合上合适的磁路，可以感应出旋转范围在0到360度的绝对角位置。绝对值转角传感器的优点是在发动机点火时刻就可以立即得到方向盘的绝对转角位置。而单个GMR芯片在测量小于360°的转角可以达到很高的精度，但当测量的角度大于360°时就会遇到确定所转的圈数问题。现有技术的处理方法是通过第一GMR传感器获得小齿轮旋转的角度α，通过第二GMR传感器获得大齿轮旋转的角度β，再由微处理器根据α、β和大小齿轮转角关系图算出大齿轮旋转的圈数P，最后由转动的圈数P和大齿轮旋转的角度β算出主动齿轮旋转的角度θ。

上述技术发明中是利用单个齿轮的转动角度来计算方向盘转动的角度，对其结构设计的精度要求非常高，也容易造成对齿轮转动圈数的误判，增加了设计难度和成本。

发明内容

本发明为解决现有测量方法和装置对结构件精度要求高的技术问题，提供一种方向盘转动角度的测量方法和装置。

本发明提供一种方向盘转动角度的测量方法，包括以下步骤：步骤1：分别获得第一从动齿轮的旋转角度α和第二从动齿轮的旋转角度β；步骤2：第一从动齿轮的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮的旋转角度β相减，得到差值ω；步骤3：对差值ω进行修正；步骤4：由修正后的差值ω、主动齿轮、第二从动齿轮和第一从动齿轮的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮旋转的绝对角度θ, 绝对角度θ即为方向盘的旋转角度。

优选的，当主动齿轮带动中心固定有磁铁的第一从动齿轮和第二从动齿轮旋转时，磁铁上方的GMR传感器会感应到磁场的变化并输出相对应的从动齿轮的旋转角度α和β。

优选的，对于差值ω的修正方法如下：

当α > β时，ω = α – β；

当α < β时，ω = α -  β + 360。

优选的，主动齿轮的旋转角度θ计算公式：

θ=(ω+（T - 1）* 360)/(L *（1/N – 1/M）)；

其中，ω为修正后的第一从动齿轮的角度α和第二从动齿轮的β的差值；

L为主动齿轮的齿轮齿数，M为第二从动齿轮的齿轮齿数，N为第一从动齿轮的齿轮齿数；

T为校正参数，当ω> 0时，T = 1；当ω< 0时，T = 0。

优选的，其特征在于，L=42，M=28，N=26。

本发明还提供一种方向盘转动角度的测量装置，包括：主动齿轮，由方向盘的主转动轴带动旋转；第一从动齿轮，与所述主动齿轮啮合；第二从动齿轮，与所述主动齿轮啮合；第一GMR传感器，设置在第一从动齿轮上方，获取第一从动齿轮的旋转角度α；第二GMR传感器，设置在第二从动齿轮上方，获取第二从动齿轮的旋转角度β；和微处理器，布置在控制电路板上，对以上获取的第一从动齿轮的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮的旋转角度β相减，得到差值ω；再对差值ω进行修正；最后，由修正后的差值ω、主动齿轮、第二从动齿轮和第一从动齿轮的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮A旋转的绝对角度θ。

优选的，对于差值ω的修正方法如下：

当α > β时，ω = α – β；

当α < β时，ω = α -  β + 360。

优选的，主动齿轮的旋转角度θ计算公式：

θ=(ω+（T - 1）* 360)/(L *（1/N – 1/M）)；

其中，ω为修正后的第一从动齿轮的角度α和第二从动齿轮的β的差值；

L为主动齿轮的齿轮齿数，M为第二从动齿轮的齿轮齿数，N为第一从动齿轮的齿轮齿数；

T为校正参数，当ω> 0时，T = 1；当ω< 0时，T = 0。

优选的，其特征在于，L=42，M=28，N=26。

现有技术根据单个齿轮的数据来计算方向盘旋转角度,因齿轮间隙、齿与齿之间的啮合程度及相互之间的摩擦都将影响转动角度的测量精度，由此也增加了结构设计的难度及成本。而本发明根据两个齿轮的转动角度差,来计算方向盘转动角度，以上的不良因素因求差值而可以忽略。。本发明实现了多圈内精确测量方向盘旋转的绝对角度θ。

附图说明

图1为方向盘转动角度测量方法流程图。

图2为第一从动齿轮旋转角度和第二从动齿轮旋转角度的差值ω分布示意图。

图3为修正后的差值ω分布示意图。

图4为方向盘转动角度测量装置示意图。

图5为方向盘转角传感器硬件设计原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种方向盘转动角度的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：分别获得第一从动齿轮B的旋转角度α和第二从动齿轮C的旋转角度β。

具体的，利用第一GMR传感器获得第一从动齿轮B的旋转角度α，利用第二GMR传感器获得第二从动齿轮C的旋转角度β。主动齿轮A会带动中心固定有磁铁的第一从动齿轮B和第二从动齿轮C旋转，这时磁铁上方的GMR传感器会感应到磁场的变化并输出相对应的从动齿轮的旋转角度α和β。

步骤2：第一从动齿轮B的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮C的旋转角度β相减，得到差值ω。

具体的，由微处理器计算出α和β的差值ω。

步骤3：对差值ω进行修正。

经过对差值ω进行修正得到差值分布表，分别对应主动齿轮A绝对角度的正、负值域。

具体的，图2是理想的差值分布图，该图的横坐标是时间t，纵坐标是角度差值。差值分布图中的直线1和直线2分别是第一从动齿轮B的旋转角度α和第二从动齿轮C的旋转角度β的差值ω经过修正的图形。关于差值ω的修正方法如下：

当α > β时，ω = α – β；

当α < β时，ω = α -  β + 360。

步骤4：由修正后的差值ω、主动齿轮A、第二从动齿轮C和第一从动齿轮B的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮A旋转的绝对角度θ。

由于方向盘的主转动轴带动主动齿轮A旋转，所以绝对角度θ即为方向盘的旋转角度。

主动齿轮A、第二从动齿轮C与第一从动齿轮B的齿数比是可以确定的，依次为L：M：N，在具体实施中，齿轮齿数的确定可以遵循以下原则L > M > N，且L、M、N为互质的整数。

主动齿轮A的旋转角度θ计算可采用如下公式：

θ=(ω+（T - 1）* 360)/(L *（1/N – 1/M）)。

其中，θ为主动齿轮A的实测旋转角度；

ω为修正后的第一从动齿轮B的角度α和第二从动齿轮C的β的差值；

L为主动齿轮A的齿轮齿数，M为第二从动齿轮C的齿轮齿数，N为第一从动齿轮B的齿轮齿数；

T为校正参数，当ω> 0时，T = 1；当ω< 0时，T = 0。

修正之后的差值直线所在的值域分别为（0 – 90°）、（270°– 360°），在值域（270°- 360°）的差值ω-360，直线1便向下平移，形成一条过原点的直线4的一部分；同理，直线2向下平移后与平移后的直线1共同形成直线4。直线3为主动齿轮A的旋转角度θ，修正后的差值ω形成的直线4与主动齿轮A在+/-780°范围内的直线3是成比例的，由此便可以得到主动齿轮A的旋转角度θ计算公式：

θ=(ω+（T - 1）* 360)/(L *（1/N – 1/M）)。

其中，θ为主动齿轮A的旋转角度；

ω为修正后的第一从动齿轮B的角度α和第二从动齿轮C的β的差值；

L为主动齿轮A的齿轮齿数，M为第二从动齿轮C的齿轮齿数，N为第一从动齿轮B的齿轮齿数；

T为校正参数，当ω> 0时，T = 1；当ω< 0时，T = 0。

如图4所示，本发明实施例的一种方向盘转动角度的测量装置，包括：

主动齿轮A，由方向盘的主转动轴带动旋转；

第一从动齿轮B，与所述主动齿轮啮合；

第二从动齿轮C，与所述主动齿轮啮合；

第一GMR传感器，设置在第一从动齿轮B上方，获取第一从动齿轮B的旋转角度α；

第二GMR传感器，设置在第二从动齿轮C上方，获取第二从动齿轮C的旋转角度β；和

微处理器，布置在控制电路板上，对以上获取的第一从动齿轮B的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮C的旋转角度β相减，得到差值ω；再对差值ω进行修正；最后，由修正后的差值ω、主动齿轮A、第二从动齿轮C和第一从动齿轮B的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮A旋转的绝对角度θ。

如图5所示，方向盘转角传感器通过CAN收发器将绝对角度θ传输到CAN总线网络,以备ESP、ABS等系统的ECU(电子控制单元)使用。微处理器会定时将绝对角度θ通过CAN收发器发送给系统的ECU。

具体的，ECU主要有电源管理模块、微处理器模块、GMR模块及CAN收发器模块组成。电源模块采用低功耗、低压降、载流能力达150 mA的DC-DC芯片，在电源源端增加过流保护器件，保证各个功能模块的稳定工作。GMR传感器的灵敏度及中心感应点的确定尤为重要, 两颗GMR传感器采用了Melexis公司的型号为MLX90316感应芯片, 三轴霍尔芯片既可以感应垂直方向也可以感应平行于芯片表面的磁场强，绝对精确度可达0.1o,两个GMR传感器芯片的感应中心感应点分别与主动齿轮A与第二从动齿轮C的中心位置偏差小于±0.3 mm。SPI通讯电路的时钟信号进行倒角处理，有效控制传导骚扰和辐射骚扰,运用三线制SPI通讯电路。采集GMR发送的汽车方向盘角度信号,将数据传输到微处理器对角度信号进行滤波、补偿修正处理, 最后将处理后的绝对角度θ，通过转角传感器的CAN收发器传输到汽车CAN通讯总线网络，可以为ESP,AFS,辅助倒车系统等系统的ECU（电子控制单元）提供精确的实时方向盘转动角度。能够为主动安全系统对驾驶员行驶意图的判断提供精准的角度信息依据,从而达到主动保护和保证行车安全。

由GMR（巨磁阻）传感器获得的方向盘角度的初始信号通过SPI通讯传输到电子控制单元总成进行滤波运算处理，最终获得绝对角度θ，将绝对角度θ通过CAN收发器传输到汽车CAN总线网络，实现角度信号的采集、滤波、运算处理及发送过程。在此汽车方向盘转角传感器产品中，微处理器选用freescale公司、型号为MC9S08DZ60的8位单片机；两颗GMR传感器采用了Melexis公司的型号为MLX90316的；两个从动齿轮中心固定的圆形磁铁选用D6H2.5（直径6mm，高度2.5mm）的SmCo（钐钴）磁铁；优选的，3个齿轮的齿数分别采用主动齿轮A有42齿，第二从动齿轮C有28齿，第一从动齿轮B有26齿；我们设定方向盘转角传感器的测量范围为+/-780°。

本发明的有益效果是：该测量方法和装置实现了多圈内精确测量方向盘旋转的绝对角度θ，第一从动齿轮B的单圈测量精度和第二从动齿轮C的单圈测量精度共同决定了该方法的测量精度。该产品可以自动识别方向盘转动方向，而不需要额外的方向信号。

现有技术根据单个齿轮的数据来计算方向盘旋转角度,因齿轮间隙、齿与齿之间的啮合程度及相互之间的摩擦都将影响转动角度的测量精度，由此也增加了结构设计的难度及成本。而本发明根据两个齿轮的转动角度差,来计算方向盘转动角度，以上的不良因素因求差值而可以忽略，保证了差值的线性度。若两个从动齿轮工艺相同的话为更优选择，其转动方向一致，各自造成的误差通过求差值后误差极小，所得到的差值也是最为接近的真实值。

因温度环境、磁场环境等因素影响的误差，数据处理时对实测差值进行补偿修正，系统根据补偿修正后的差值，计算方向盘转动的角度及角速度，保证了所测得的方向盘转动角度的精确度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，是为了帮助理解本专利的精神和要点，但并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种方向盘转动角度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分别获得第一从动齿轮的旋转角度α和第二从动齿轮的旋转角度β；

步骤2：第一从动齿轮的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮的旋转角度β相减，得到差值ω；

步骤3：对差值ω进行修正；

步骤4：由修正后的差值ω、主动齿轮、第二从动齿轮和第一从动齿轮的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮旋转的绝对角度θ, 绝对角度θ即为方向盘的旋转角度。

2.如权利要求1所述的一种方向盘转动角度的测量方法，其特征在于，当主动齿轮带动中心固定有磁铁的第一从动齿轮和第二从动齿轮旋转时，磁铁上方的GMR传感器会感应到磁场的变化并输出相对应的从动齿轮的旋转角度α和β。

3.如权利要求1所述的一种方向盘转动角度的测量方法，其特征在于，对于差值ω的修正方法如下：

当α > β时，ω = α – β；

当α < β时，ω = α -  β + 360。

4.如权利要求1所述的一种方向盘转动角度的测量方法，其特征在于，主动齿轮的旋转角度θ计算公式：

θ=(ω+（T - 1）* 360)/(L *（1/N – 1/M）)；

其中，ω为修正后的第一从动齿轮的角度α和第二从动齿轮的β的差值；

L为主动齿轮的齿轮齿数，M为第二从动齿轮的齿轮齿数，N为第一从动齿轮的齿轮齿数；T为校正参数，当ω> 0时，T = 1；当ω< 0时，T = 0。

5.如权利要求1所述的一种方向盘转动角度的测量方法，其特征在于，L > M > N，且L、M、N为互质的整数。

6.如权利要求5所述的一种方向盘转动角度的测量方法，其特征在于，L=42，M=28，N=26。

7.一种方向盘转动角度的测量装置，其特征在于，包括：

主动齿轮，由方向盘的主转动轴带动旋转；

第一从动齿轮，与所述主动齿轮啮合；

第二从动齿轮，与所述主动齿轮啮合；

第一GMR传感器，设置在第一从动齿轮上方，获取第一从动齿轮的旋转角度α；

第二GMR传感器，设置在第二从动齿轮上方，获取第二从动齿轮的旋转角度β；和

微处理器，布置在控制电路板上，对以上获取的第一从动齿轮的旋转角度α和同时得到的第二从动齿轮的旋转角度β相减，得到差值ω；再对差值ω进行修正；最后，由修正后的差值ω、主动齿轮、第二从动齿轮和第一从动齿轮的齿轮齿数L、M和N，计算出主动齿轮A旋转的绝对角度θ。

8.如权利要求7所述的一种方向盘转动角度的测量装置，其特征在于，对于差值ω的修正方法如下：

当α > β时，ω = α – β；

当α < β时，ω = α -  β + 360。

9.如权利要求7所述的一种方向盘转动角度的测量装置，其特征在于，主动齿轮的旋转角度θ计算公式：

θ=(ω+（T - 1）* 360)/(L *（1/N – 1/M）)；

其中，ω为修正后的第一从动齿轮的角度α和第二从动齿轮的β的差值；

L为主动齿轮的齿轮齿数，M为第二从动齿轮的齿轮齿数，N为第一从动齿轮的齿轮齿数；

T为校正参数，当ω> 0时，T = 1；当ω< 0时，T = 0。

10.如权利要求7所述的一种方向盘转动角度的测量装置，其特征在于，L > M > N，且L、M、N为互质的整数。

11.如权利要求10所述的一种方向盘转动角度的测量装置，其特征在于，L=42，M=28，N=26。

Images