CN103486962B - 激发式转向感测装置及其感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是揭露一种激发式转向感测装置及其感测方法，其是与一方向盘的一转向柱上的至少一主动轮互动，转向感测装置更包含一处理器，其是产生一激发信号，并预设一信号角度对照表。主动轮分别与二被动轮接触，并随方向盘与转向柱转动时，带动二被动轮以相异速度转动。处理器连接二解角器，每一解角器分别与每一被动轮结合，二解角器接收激发信号，并依据每一被动轮的转动速度，输出二第一弦波信号至处理器中进行分析，以得到相异周期的二第二弦波信号，并由此与信号角度对照表取得方向盘转动的绝对角度值，达到多圈绝对角度感测功能。
Description
技术领域
本发明是有关一种感测技术，特别是关于一种激发式转向感测装置及其感测方法。
背景技术
由于汽车属于必须受到车辆驾驶控制的机电装置，尤其车辆的油门与转向更是必须受到车辆驾驶的控制。一般来说，油门、转向的控制分别是通过节汽阀、方向盘与车辆驾驶互动，亦即通过油门控制器、转向控制器或其他通过量测转向轴旋转而进行控制的控制器，车辆驾驶才可以直觉地控制车辆。传统上，当油门踏板被踏下、方向盘被转动时均会带动相关转轴的转动，若利用角度传感器量测此相关转轴的旋转角度后，就可得知油门踏板被踏下的幅度、方向盘被转动的幅度，进而通过控制特定微电脑实际控制或辅助驾驶操控车辆的运动姿态。所以角度传感器在车辆中所扮演的角色是相当重要的。
一般现有角度传感器包含接触式传感器、磁铁感应式传感器与解角器(resolver)，但其中接触式传感器在运作中常会磨损，磨损久了导致精准度不够必须淘汰，此外，还需配合角度解析程序进行运作，运作复杂度也高；磁铁感应式传感器则其组成需要磁铁，有材料来源以及可靠度的限制。至于现有的解角器，多用于马达转子电气角度侦测或单圈绝对角度感测，并较少有多圈绝对角度感测的应用。如在公开号201124699的台湾专利中，其是使用两个磁极数互为质数的解角器来实现角度解析，通过电气角度的差异变化与机械角度的对应关系来进行角度换算，进而得到真实的机械角度。但此专利仅能针对单圈进行机械角度感测，无法进行多圈绝对角度感测。再者，现有的角度传感器鲜有结合侦测力矩的功能，无法配合电动辅助转向系统的发展趋势。
因此，本发明是在针对上述的困扰，提出一种激发式转向感测装置及其感测方法，以解决现有所产生的问题。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种激发式转向感测装置及其感测方法，其利用主动轮带动两被动轮以相异速度进行转动，使两解角器产生两不同周期的弦波信号，以由此取得方向盘转动的多圈绝对角度、力矩方向及力矩值，并同时具备高稳定性、高精确性与高耐候性。
为达上述目的，本发明提供一种激发式转向感测装置，其包含二主动轮，主动轮设于一方向盘的一转向柱上，激发式转向感测装置更包含一处理器，其是产生一激发信号，并预设一信号角度对照表与一信号差异力矩对照表。二主动轮分别与二被动轮接触，主动轮随方向盘与转向柱转动时，带动二被动轮以相异速度转动。处理器连接二解角器，每一解角器分别与每一被动轮结合，二解角器接收激发信号，并依据每一被动轮的转动速度，输出二第一弦波信号至处理器中，处理器分析第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号，并由此与信号角度对照表、信号差异力矩对照表取得方向盘转动的第一绝对角度值、力矩方向与力矩值。
本发明亦提供一种激发式转向感测方法，其是利用二被动轮与二主动轮接触，主动轮设于一方向盘的一转向柱上。首先，主动轮随方向盘与转向柱转动，以带动二被动轮以相异速度转动。接着，接收一激发信号，并依据每一被动轮的转动速度，输出二第一弦波信号。再来，接收并分析二第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号，且由此与一信号角度对照表、一信号差异力矩对照表取得方向盘转动的第一绝对角度值、力矩方向与力矩值，并将其输出。
本发明利用主动轮带动两被动轮以相异速度进行转动，以轻易达到力矩与多圈绝对角度感测，并可同时应用于EPS系统上。
兹为使贵审查委员对本发明的结构特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后：
附图说明
图1为本发明的第一实施例的结构示意图。
图2为本发明的电路方块示意图。
图3(a)为本发明的第一弦波信号波形图。
图3(b)为本发明的第二弦波信号波形图。
图4为本发明的第一实施例的感测方法流程图。
图5为本发明的具有不同轮径的一主动轮与被动轮接触的结构示意图。
图6为本发明的作为主动轮的平面轮与被动轮接触的结构示意图。
图7为本发明的主动轮结构分解图。
图8为本发明的第二实施例的结构示意图。
图9为本发明的零力矩弦波信号与第二弦波信号波形图。
图10为本发明的零力矩弦波信号、第三弦波信号与第二弦波信号波形图。
图11为本发明的第二实施例的感测方法流程图。
图12为本发明的具有倾斜面的二主动轮与被动轮接触的结构示意图。
图13为本发明的具有直立面的二主动轮与被动轮接触的结构示意图。
图14为本发明的作为主动轮的二平面轮与被动轮接触的结构示意图。
附图标记说明：10-主动轮；12-转向柱；14-处理器；16-被动轮；18-解角器；20-定子；22-转子；24-微控制器；26-滤波放大器；28-第一放大器；30-第二放大器；32-输出单元；34-半轮体。
具体实施方式
因应车辆安全辅助系统的发展越来越先进，而所需搭载的车辆感测系统也越来越多，在未来主动式安全系统中，转向介入的安全系统也会越来越多，因此方向盘的角度信号则变为一重要的参数，故发展一个高可靠度、高稳定性以及高耐候性的绝对角度传感器则是必须的。
以下先介绍第一实施例，请参阅图1、图2、图3(a)与图3(b)。本发明的激发式转向感测装置包含至少一主动轮10，主动轮10设于一方向盘的一转向柱12上，在此主动轮10的数量以一为例。激发式转向感测装置更包含一处理器14，其是产生一激发信号，并预设一信号角度对照表。主动轮10分别与二被动轮16接触，主动轮10随方向盘与转向柱12转动时，是带动二被动轮16以相异速度转动。处理器14连接二解角器18，其可为相同规格，即相同磁极数。每一解角器18分别与每一被动轮16结合，使主动轮10、处理器14、二被动轮16与二解角器18为一模块化结构。二解角器18接收激发信号，并依据每一被动轮16的转动速度，输出二第一弦波信号至处理器14中，第一弦波信号的波形如图3(a)所示。处理器14分析二第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号，如图3(b)所示，并由此与信号角度对照表取得方向盘转动的第一绝对角度值。
二解角器18更包含至少一定子20与二转子22。定子20数量以一为例。定子20连接处理器14，二转子22位于定子20的一次侧与二次侧之间，且每一转子22分别与每一被动轮16结合，以随其转动，定子20接收激发信号，并与依据每一被动轮16的转动速度转动的二转子22产生电磁感应，以输出二第一弦波信号。
处理器14更包含一微控制器24，其预设信号角度对照表，并产生一脉冲宽度调变信号。微控制器24与二解角器18的定子20连接一滤波放大器26，其是接收脉冲宽度调变信号，并将其进行滤波及放大，以输出激发信号。微控制器24与二解角器18的共享定子20不但连接一第一放大器28，更同时连接一第二放大器30，第一放大器28与第二放大器30分别接收一第一弦波信号，并作信号增益转换，且输出至微控制器24中，以供其过滤二第一弦波信号的载波，得到二第二弦波信号，且微控制器24由此与信号角度对照表取得第一绝对角度值。处理器14的微控制器24更连接一输出单元32，以输出第一绝对角度值，此输出单元32可以为控制区域网络（CAN），亦或模拟输出模块、通用异步收发传输器(UART)、串列总线接口(SPI或I2C)等传输方式进行数据传输转换。
以下请继续参阅图1、图2与图4，并介绍第一实施例的感测方法。首先如步骤S10所示，主动轮10随方向盘与转向柱12转动，以带动二被动轮16以相异速度转动。接着，如步骤S12所示，二解角器18的定子20接收激发信号，并与依据每一被动轮16的转动速度转动的二转子22产生电磁感应，以输出二第一弦波信号。再来，如步骤S14所示，第一放大器28与第二放大器30分别接收一第一弦波信号，并将其作信号增益转换，输出至微控制器24中。然后，如步骤S16所示，微控制器24过滤二第一弦波信号的载波，得到二第二弦波信号。取得后，如步骤S18所示，微控制器24由二第二弦波信号与信号角度对照表取得第一绝对角度值。最后，如步骤S20所示，利用输出单元32输出第一绝对角度值，以应用于车辆转向系统。本发明仅利用两解角器，并结合两被动轮形成的减速机构，来实现绝对角度感测功能，其感测范围可通过减速机构的齿比设计来进行调整。本发明不需要复杂的结构或复杂的程序设计，亦不受限于材质来源，又不会磨损，因此具有高稳定性、高精确性与高耐候性。
在上述步骤S14与步骤S16，亦可利用处理器14直接接收并分析二第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号的步骤来取代。
在第一实施例中，主动轮10与二被动轮16皆为齿轮、摩擦轮或平面轮。主动轮10与二被动轮16皆为齿轮时，主动轮10与二被动轮16接触的齿面，具有不同齿轮数，使二被动轮16以相异速度转动，如图5所示，主动轮10的较大轮径对应的齿面，具有较多齿轮数；主动轮10的较小轮径对应的齿面，具有较少齿轮数。主动轮10与二被动轮16皆为摩擦轮时，通过每一被动轮16与主动轮10接触的轮径差异，使二被动轮16以相异速度转动。主动轮10与二被动轮16皆为平面轮时，如图6所示，每一被动轮16是位于主动轮10的不同轮径处，使二被动轮16以相异速度转动。
此外，如图7所示，为了提高主动轮10的安装便利性，可将主动轮10设计成可拆式结构，主动轮10具有二半轮体34，其是设于转向柱上，并互相结合，使转向柱位于二半轮体34之间。
针对未来市场竞争性的考量，电动辅助转向系统（EPS）乃是未来的趋势，故第二实施例整合力矩与绝对角度感测的功能，可提升其竞争能力。以下介绍本发明的第二实施例，请参阅图2、图8至图10。
第二实施例与第一实施例在结构上的差异仅在于第二实施例有二个主动轮10，且每一主动轮10分别与每一被动轮16接触。处理器14产生一激发信号，并预设一信号角度对照表与一信号差异力矩对照表。主动轮10随方向盘与转向柱12转动时，是带动二被动轮16以相异速度转动。处理器14连接二解角器18，其可为相同规格，即相同磁极数。每一解角器18分别与每一被动轮16结合，使主动轮10、处理器14、二被动轮16与二解角器18为一模块化结构。二解角器18接收激发信号，并依据每一被动轮16的转动速度，输出二第一弦波信号至处理器14中。处理器14先利用信号角度对照表取得一第二绝对角度值对应的的二零力矩弦波信号，并找出此与二第二弦波信号的差异，以由此与信号差异力矩对照表取得方向盘转动的力矩方向与力矩值。如图9所示，其中+、-符号代表力矩施加的方向，原有的二第二弦波信号在施加力矩后，其中一第二弦波信号会与一零力矩弦波信号B产生相位上的变化，其产生相位变化的第二弦波信号如弦波信号C或弦波信号D，其相位变化方向及大小与力矩施加的方向及大小相关，而另一第二弦波信号不因施加力矩而产生相位变化，与零力矩弦波信号A的位置相同。于图9中可知，施加力矩后，第二弦波信号C、D与零力矩弦波信号B有在电压及相位上的差异。
然后，如图10所示，处理器14根据力矩方向与力矩值移除二第二弦波信号中的力矩信息，以形成二第三弦波信号A、E。接着，处理器14由二第三弦波信号与信号角度对照表取得方向盘转动的第一绝对角度值，并储存第一绝对角度值，其中第二绝对角度值为预设值或最新已储存的第一绝对角度值。
二解角器18的构件及其作动与第一实施例相同，于此不再赘述。
处理器14更包含一微控制器24，其预设信号角度对照表与信号差异力矩对照表，并产生一脉冲宽度调变信号。微控制器24与二解角器18的定子20连接一滤波放大器26，其是接收脉冲宽度调变信号，并将其进行滤波及放大，以输出激发信号。微控制器24与二解角器18的定子20不但连接一第一放大器28，更同时连接一第二放大器30，第一放大器28与第二放大器30分别接收一第一弦波信号，并将其作信号增益转换，输出至微控制器24中，以供其过滤二第一弦波信号的载波，得到二第二弦波信号，且微控制器24先利用信号角度对照表取得第二绝对角度值对应的的二零力矩弦波信号，并找出此与二第二弦波信号的差异，以由此与信号差异力矩对照表取得方向盘转动的力矩方向与力矩值。然后，微控制器24根据力矩方向与力矩值移除二第二弦波信号中的力矩信息，以还原成无力矩信息的二第三弦波信号。接着，微控制器24由二第三弦波信号与信号角度对照表取得方向盘转动的第一绝对角度值，并将此储存。其中第二绝对角度值为预设值或最新已储存的第一绝对角度值。处理器14的微控制器24更连接一输出单元32，其是用以输出第一绝对角度值、力矩方向与力矩值，此输出单元32可以为控制区域网络（CAN），亦或模拟输出模块、通用异步收发传输器(UART)、串列总线接口(SPI或I2C)等传输方式进行数据传输转换。
以下请继续参阅图2、图8与图11，并介绍第二实施例的感测方法。首先如步骤S22所示，主动轮10随方向盘与转向柱12转动，以带动二被动轮16以相异速度转动。接着，如步骤S24所示，二解角器18的定子20接收激发信号，并与依据每一被动轮16的转动速度转动的二转子22产生电磁感应，以输出二第一弦波信号。再来，如步骤S26所示，第一放大器28与一第二放大器30分别接收一第一弦波信号，并将其作信号增益转换，输出至微控制器24中。然后，如步骤S28所示，微控制器24过滤二第一弦波信号的载波，得到二第二弦波信号。取得后，如步骤S30所示，微控制器24利用信号角度对照表取得作为第二绝对角度值的预设值对应的的二零力矩弦波信号。接着继续，如步骤S32所示，微控制器24找出二零力矩弦波信号与二第二弦波信号的差异，以由此与信号差异力矩对照表取得力矩方向与力矩值。然后，如步骤S34所示，微控制器24根据力矩方向与力矩值移除二第二弦波信号中的力矩信息，以还原成无力矩的二第三弦波信号。形成后，如步骤S36所示，微控制器24由二第三弦波信号与信号角度对照表取得第一绝对角度值，并将此储存。最后，如步骤S38所示，利用输出单元32输出第一绝对角度值、力矩方向与力矩值。步骤S38结束后，是回至步骤S24，且后来若欲进行步骤S30时，则第二绝对角度值不再是预设值，而为最新已储存的第一绝对角度值。
在上述步骤S26与步骤S28，亦可利用处理器14直接接收并分析二第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号的步骤来取代。此外，步骤S30至步骤S36，亦可利用处理器14直接由二第二弦波信号、信号角度对照表与信号差异力矩对照表取得方向盘转动的第一绝对角度值、力矩方向与力矩值来取代。
在第二实施例中，主动轮10与二被动轮16皆为齿轮、摩擦轮或平面轮。主动轮10与二被动轮16皆为齿轮时，主动轮10与二被动轮16接触的齿面，具有不同齿轮数，使二被动轮16以相异速度转动，如图12与图13所示，主动轮10的较大轮径对应的齿面，具有较多齿轮数；主动轮10的较小轮径对应的齿面，具有较少齿轮数。其中图12的主动轮10的齿面为倾斜面，图13的主动轮10的齿面为直立面。主动轮10与二被动轮16皆为摩擦轮时，通过每一被动轮16与主动轮10接触的轮径差异，使二被动轮16以相异速度转动。主动轮10与二被动轮16皆为平面轮时，如图14所示，每一被动轮16分别位于每一主动轮10的不同轮径处，使二被动轮16以相异速度转动。
综上所述，本发明利用主动轮带动两被动轮以相异速度进行转动，以轻易达到力矩与多圈绝对角度感测，并可同时应用于EPS系统上。
以上所述者，仅为本发明一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种激发式转向感测装置，其特征在于，包含：
至少一主动轮，所述主动轮设于一方向盘的一转向柱上；
一处理器，其是产生一激发信号，并预设一信号角度对照表；
二被动轮，分别与所述主动轮接触，所述主动轮随所述方向盘与所述转向柱转动时，是带动所述二被动轮以相异速度转动；以及
二解角器，连接所述处理器，每一所述解角器分别与每一所述被动轮结合，所述二解角器接收所述激发信号，并依据每一所述被动轮的转动速度，输出二第一弦波信号至所述处理器中，所述处理器分析所述二第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号，并由此与所述信号角度对照表取得所述方向盘转动的第一绝对角度值；
其中，所述至少一主动轮的数量为两个，且每一所述主动轮分别与每一所述被动轮接触时，所述处理器更预设一信号差异力矩对照表，所述处理器由所述二第二弦波信号、所述信号角度对照表与所述信号差异力矩对照表取得所述方向盘转动的所述第一绝对角度值、力矩方向与力矩值，所述处理器更利用所述信号角度对照表取得一第二绝对角度值对应的二零力矩弦波信号，并找出此与所述二第二弦波信号的差异，以由此与所述信号差异力矩对照表取得所述力矩方向与所述力矩值。
2.根据权利要求1所述的激发式转向感测装置，其特征在于，所述二解角器更包含：
至少一定子，连接所述处理器；以及
二转子，位于所述定子的一次侧与二次侧之间，且每一所述转子分别与每一所述被动轮结合，以随其转动，所述定子接收所述激发信号，并与依据每一所述被动轮的所述转动速度转动的所述二转子产生电磁感应，以输出所述二第一弦波信号。
3.根据权利要求1所述的激发式转向感测装置，其特征在于，所述处理器更包含：
一微控制器，预设所述信号角度对照表，并产生一脉冲宽度调变信号；
一滤波放大器，连接所述微控制器与所述二解角器，接收所述脉冲宽度调变信号，并将其进行滤波及放大，以输出所述激发信号；以及
一第一放大器与一第二放大器，所述第一放大器与所述第二放大器皆连接所述二解角器与所述微控制器，分别接收一所述第一弦波信号，并将其作信号增益转换，输出至所述微控制器中，以供其过滤所述二第一弦波信号的载波，得到所述二第二弦波信号，且所述微控制器由此与所述信号角度对照表取得所述第一绝对角度值。
4.根据权利要求1所述的激发式转向感测装置，其特征在于，所述处理器、所述主动轮、所述二被动轮与所述二解角器为一模块化结构，所述至少一主动轮具有二半轮体，其是设于所述转向柱上，并互相结合，所述转向柱位于所述二半轮体之间。
5.根据权利要求1所述的激发式转向感测装置，其特征在于，更包含一输出单元，其连接所述处理器，以输出所述第一绝对角度值，而所述输出单元为控制区域网络、模拟输出模块、通用异步收发传输器或串列总线接口。
6.根据权利要求1所述的激发式转向感测装置，其特征在于，所述处理器根据所述力矩方向与所述力矩值移除所述二第二弦波信号中的力矩信息，以还原成无力矩信息的二第三弦波信号，所述处理器由所述二第三弦波信号与所述信号角度对照表取得所述第一绝对角度值，并储存所述第一绝对角度值，且所述第二绝对角度值为预设值或最新已储存的所述第一绝对角度值。
7.根据权利要求1所述的激发式转向感测装置，其特征在于，所述主动轮与所述二被动轮皆为平面轮、摩擦轮或齿轮，所述主动轮与所述二被动轮皆为所述平面轮时，每一所述被动轮是位于所述主动轮的不同轮径处，使所述二被动轮以相异速度转动；所述主动轮与所述二被动轮皆为所述摩擦轮时，通过每一所述被动轮与所述主动轮接触的轮径差异，使所述二被动轮以相异速度转动；以及所述主动轮与所述二被动轮皆为所述齿轮时，所述主动轮与所述二被动轮接触的齿面，具有不同齿轮数，使所述二被动轮以相异速度转动。
8.一种激发式转向感测方法，其特征在于，其是利用二被动轮与至少一主动轮接触，所述主动轮设于一方向盘的一转向柱上，所述激发式转向感测方法包含下列步骤：
所述主动轮随所述方向盘与所述转向柱转动，以带动所述二被动轮以相异速度转动；
接收一激发信号，并依据每一所述被动轮的转动速度，输出二第一弦波信号；
接收并分析所述二第一弦波信号，以得到相异周期的二第二弦波信号；
由所述二第二弦波信号与一信号角度对照表取得所述方向盘转动的第一绝对角度值；以及
输出所述第一绝对角度值；
其中，所述主动轮的数量为两个，且每一所述主动轮分别与每一所述被动轮接触时，在由所述二第二弦波信号与所述信号角度对照表取得所述第一绝对角度值的步骤中，更由所述二第二弦波信号、所述信号角度对照表与一信号差异力矩对照表取得所述方向盘转动的所述第一绝对角度值、力矩方向与力矩值，在输出所述第一绝对角度值的步骤中，是输出所述第一绝对角度值、所述力矩方向与所述力矩值，在由所述二第二弦波信号、所述信号角度对照表与所述信号差异力矩对照表取得所述第一绝对角度值、所述力矩方向与所述力矩值的步骤中，更包含下列步骤：
利用所述信号角度对照表取得一第二绝对角度值对应的的二零力矩弦波信号；
找出所述二零力矩弦波信号与所述二第二弦波信号的差异，以由此与所述信号差异力矩对照表取得所述力矩方向与所述力矩值；
根据所述力矩方向与所述力矩值移除所述二第二弦波信号中的力矩信息，以形成二第三弦波信号；以及
由所述二第三弦波信号与所述信号角度对照表取得所述第一绝对角度值，并将此储存的。
9.根据权利要求8所述的激发式转向感测方法，其特征在于，在接收并分析所述二第一弦波信号，以得到所述二第二弦波信号的步骤，更包含下列步骤：
接收所述二第一弦波信号，并将其作信号增益转换；以及
过滤所述二第一弦波信号的载波，以得到所述二第二弦波信号。
10.根据权利要求8所述的激发式转向感测方法，其特征在于，所述第二绝对角度值为最新已储存的所述第一绝对角度值，或为预设值。
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