CN105074406B - 用于检测施加在轴上的转矩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测第一周期测量信号(50)和第二周期测量信号(54)之间的相位差(74)的方法，其中为确定施加在轴(6)上的转矩(28)，两个周期测量信号(70、72)以相对彼此的轴向间距描述了轴(6)的转动，所述方法包括：将第一周期测量信号(50)和模拟轴(6)的预先已知的转速的周期辅助信号(62)叠加为叠加信号(70)，以及基于叠加信号(70)和第二测量信号(54)确定相位差(74)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测施加在轴上的转矩的方法，以及一种执行所述方法的控制装置和一种具有所述控制装置的转矩传感器。
背景技术
由DE 10 2007 059 361 A1已知了一种转矩传感器，所述转矩传感器基于轴上的两个轴向相对彼此间隔开的且转动的编码器轮的相位确定施加在该轴上的转矩。
发明内容
本发明的任务是，改进已知的转矩传感器。
该任务通过独立权利要求所述的特征完成。优选的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面涉及一种用于检测第一周期测量信号和第二周期测量信号之间的相位差的方法，其中为确定施加在轴上的转矩，两个周期测量信号以相对彼此的轴向间距描述了轴的转动，所述方法包括步骤：
-将第一周期测量信号和模拟轴的预先已知的转速的周期辅助信号叠加为叠加信号，以及
-基于叠加信号和第二测量信号确定相位差。
所述方法的基本考虑在于，尤其是对于静止轴中的前述转矩传感器，只有当轴转动时才存在周期测量信号。然而在许多应用中、例如在转向直拉杆中希望的是，即使在轴不转动时——即，静止时——也检测作用于轴上的转矩。在此，所述方法的建议是，模拟轴的转动并将两个周期测量信号的至少一个与模拟转动的周期辅助信号叠加。通过这种方式可以即使在静止中，或者即使在轴的极缓慢的转动中也检测经过轴的轴向间距后的轴的相位并分析作用在轴上的转矩。
在改进方案中，所述方法包括步骤：将第二周期测量信号和模拟轴的另一个预先已知的转速的另一个周期辅助信号叠加为另一个叠加信号。通过这种方式在经过轴向间距之后在所述轴的两个点模拟所述转动。
在所述方法的特殊的改进方案中，所述周期辅助信号和所述另一个周期辅助信号相同，从而预先已知的转速和另一个预先已知的转速相同。通过这种方式，叠加信号和另一个叠加信号之间的相位差直接对应于第一测量信号和第二测量信号之间的相位差。
在另一个改进方案中，当轴的实际转速低于预定的值时，第一周期测量信号和周期叠加信号叠加。所述预定的值在此可以任意选择。例如可以如此选择所述预定的值，使得仅当轴静止或近似静止时才执行所述方法。
在另一个改进方案中，第一和第二周期测量信号相应地基于第一和第二转动磁场产生，所述第一和第二转动磁场分别相对于轴不可扭转地由所述轴发出。
在此可以任意产生辅助信号。例如辅助信号可以直接由辅助信号源发出，且与第一测量信号叠加。相应情况适用于第二测量信号和另一个辅助信号。然而在所述方法的改进方案中，也可以为了叠加第一周期测量信号和周期辅助信号而将第一转动磁场和产生周期辅助信号的周期辅助磁场叠加。
在所述方法的额外的改进方案中，轴的实际转速和轴的预先已知的转速相反/反向。通过这种方式确保了，轴的实际运动和模拟运动不会由于提高实际转速而相互抵消，且进而在轴的极快的运动下，模拟静止。
根据本发明的另一个方面，设置了一种执行前述方法的装置。
在所述装置的改进方案中，所述装置具有存储器和处理器。在此，形式为计算机程序的所述方法存储在存储器中且当计算机程序从存储器载入到处理器中时，处理器用于执行所述方法。
根据本发明的另一个方面，所述计算机程序包括程序编码段，以便当计算机程序在计算机或前述装置之一上执行时，执行所述方法之一的所有步骤。
根据本发明的另一个方面，所述计算机程序产品包括程序编码，所述程序编码存储在计算机可读的数据载体上且当其在数据处理设备上执行时，其执行所述方法之一。
根据本发明的另一个方面，用于基于第一周期测量信号和第二周期测量信号之间的相位差检测施加在轴上的转矩的转矩传感器包括所述的用于产生两个周期测量信号的装置之一以及用于基于两个测量信号之间的相位差确定转矩的分析设备。
所述转矩传感器可以用在任意应用情况中，例如用在车辆中以用于检测扭转轴、如转向轴处的转矩。
根据本发明的另一个方面，所述车辆包括所述转矩传感器。
附图说明
结合下面对实施例的说明使得本发明的上述特性、特征和优点以及它们的实现方式和方法变得更清楚明白，结合附图对所述实施例进行详细说明，其中：
图1示意性示出用于车辆的转向系统；
图2示意性示出图1中的车辆的转矩传感器；
图3示意性示出用于图2中转矩传感器的分析电路；
图4示出图3的分析电路中测量信号的实际图表。
具体实施方式
在附图中相同的技术元件具有相同的附图标记且仅描述一次。
参考图1，其示出用于未进一步示出的车辆的转向系统2。
转向系统2包括放置在轴6上的方向盘4，所述轴又布置为可以围绕转动轴线8转动。因此，方向盘4设置为，基于围绕转动轴线8的角位置10预定用于调节未进一步示出的车辆的转向机构12的转向角。为此，方向盘4例如由未进一步示出的车辆的驾驶员转动。
在该实施方案中，方向盘4的角位置10由驱动装置14检测，所述驱动装置则借助于驱动装置14中未进一步示出的马达驱动转向轴16，以便如此操纵所述转向机构12，即未进一步示出的车辆的车轮18根据通过角位置10表征的转向角以本领域技术人员已知的方式被转向。
为了能够根据方向盘4的角位置10通过驱动装置14使车轮18转向，必须检测角位置10。为此，例如可以使用在图2和3中示出的转向角传感器20。
参考图2，其示出用于图1中的转向系统2的转向角传感器20。
转向角传感器20具有第一编码器轮22，形式为螺杆24的与第一编码器轮22轴向且同心地连接的螺纹结构，以及与螺杆24轴向且同心地连接的第二编码器轮26，所述第二编码器轮与螺杆24处的第一编码器轮22轴向对置。
在该实施方案中，螺杆24由弹性材料形成且可以通过在编码器轮22、26上施加两个相反的转矩而弹性转动。轴6在转向角传感器20的位置处轴向断开为两个部分，其中在断开的轴6的第一部分上布置了第一编码器轮22以及在断开的轴6的第二部分上布置了第二编码器轮26。因此，如果轴6和方向盘4一起转动，则转向角传感器20一方面转移至角位置10中。转向角传感器20在转移至角位置10中的同时利用转矩28转动。
在该实施方案的框架中，角位置10和转矩28应该在测量技术上可检测。
为了检测角位置，螺杆24具有螺纹/旋圈30，传感器元件34的薄板32接合在所述螺纹中，从轴6的转动轴8观察，在薄板上径向放置了传感器磁体36。如果轴6以图1中示出的方式通过方向盘4的转动转移至角位置10中，则传感器元件34由于随着轴6一起转动的螺杆24轴向朝着轴6运动且处于取决于角位置10的轴向位置38中。传感器元件34能够以未进一步示出的方式轴向朝着轴6引导。
也就是说，当传感器元件34的轴位置38已知时，也已知了轴6的且进而方向盘4的角位置10。
为了检测轴位置38，在该实施方案中，分析电路40配设了第一磁阻测量传感器42，例如霍尔传感器，各向异性磁阻传感器或者千兆磁阻传感器(Gigamagnetoresitiv)，其中第一磁阻测量传感器42以本领域技术人员已知的方式发出与传感器元件34的传感器磁体36的轴向位置38线性相关的绝对信号。为此，分析电路40连同第一磁阻测量传感器42针对轴6的转动和传感器元件30的轴向运动而布置。例如可以由DE 10 2006 030 746A1得到关于利用磁阻测量传感器产生与传感器磁体的位置线性相关的信号的细节并因此为了简明在下文不再解释。
在第一编码器轮22周围/圆周上布置了磁体48，所述磁体的极沿第一编码器轮22的周向延伸。通过这种方式由第一编码器轮22通过磁体48发出径向延伸的磁场，所述磁场在第一编码器轮22的周向上的位置相关。在第一编码器轮22的径向上方布置了第二磁阻测量传感器46，所述第二磁阻测量传感器检测来自第一编码器轮22的径向延伸的磁场并输出在图3中示出的第一角信号50，所述第一角信号说明了第一编码器轮22的角位置。第一角信号50的产生与绝对信号44类似，且可以根据需要参考文献DE 10 2006 030 746 A1。
像在第一编码器轮22上一样在第二编码器轮26周围/圆周上布置了磁体48，所述磁体的极沿第二编码器轮26的周向延伸。通过这种方式也由第二编码器轮26通过磁体48发出径向延伸的磁场，所述磁场在第二编码器轮26的周向上的位置相关。在第二编码器轮26的径向上方布置了第三磁阻测量传感器52，所述第三磁阻测量传感器检测来自第二编码器轮26的径向延伸的磁场并输出第二角信号54，所述第二角信号说明了第二编码器轮26的角位置。第二角信号54的产生与第一角信号50和绝对信号44类似，且同样可以根据需要参考文献DE 10 2006 030 746 A1。
根据示出了图2的分析电路40的一部分56的电路图的图3，在下文应该详细说明转矩28的确定。
为此，螺杆24在该实施方案中设计为能扭转的。也就是说，通过施加转矩28，螺杆24能沿转矩28的方向扭转，由此在第一编码器轮22和第二编码器轮26之间出现相位差，这表示，第一编码器轮22具有与第二编码器轮26的角位置10不同的角位置10。这点被用于测量转矩28，因为转矩28以预定的方式取决于该相位差并进而取决于角位置10之间的差。
因此，为了确定相位差，首先利用图3中示出的分析电路40的部分56分析角信号50、54，并确定编码器轮22、26的角位置10。
如上所述，角信号50、54借助于磁阻测量传感器46、52产生，所述磁阻测量传感器以本身已知的方式通过编码器轮22、26的运动改变其电阻。该电阻改变在该实施方案中利用测量电桥58分析，所述测量电桥以本身已知的方式由电阻60构造。
因为编码器轮22、26的运动是转动，所以磁阻测量传感器46、52的电阻通过编码器轮22、26的角位置10周期性变化，从而通过电阻变化产生的角信号50、54也是周期测量信号。这些周期角信号50、54之间的相位差直接是寻求的、取决于转矩28的相位差。
然而，仅当周期角信号50、54的幅度足够大时，才能测量相位差。又仅当编码器轮22、26转动时，这些周期角信号50、54的幅度才足够大，换句话说，如果编码器轮22、26由于施加的转矩28伴随着其角位置10中确定的差而相对彼此静止，则不能仅基于角信号50、54检测转矩28，因为角信号的幅度未足够大到分析相位差。
为了解决该问题，在该实施方案的框架中，角信号50、54与相应的第一周期辅助信号62和第二周期辅助信号64叠加。这两个周期辅助信号62、64在该实施方案中由共同的辅助信号源66输出且可以例如通过开关68如此控制，即例如所述输出仅在低于轴6的确定的转速时进行。
角信号50、54和辅助信号62、64的叠加相应地导致了第一周期叠加信号70和第二叠加信号72，它们相应地施加在比较器74处。在该实施方案的框架中，所述辅助信号62、64具有一频率，所述频率模拟轴6虚拟地转动的转速。通过编码器轮22、26的不同的角位置10，如此基于角信号50、54对辅助信号62、64进行相位调制，即在叠加信号70、72中包含相位差74，从中可以得出施加在轴上的转矩28。因此在该实施方案的框架中仅需要确定该相位差74且由此例如基于之前确定的特征曲线75确定寻求的转矩28。
尽管相位差74可以直接由两个叠加信号70、72确定，但在该实施方案的框架中在比较器76中将叠加信号70、72转换为周期矩形信号78，所述周期矩形信号明显地简化了相应的确定设备80中的相位差74的确定。
参考图4，其示出在图3的分析电路40的一部分56中叠加信号70、72和所属的矩形信号78的时间图表82。在所述图表中，绘出时间86上的电压值84作为信号值。
像从图4可以看出的，矩形信号78基于开关点88产生，在所述开关点处叠加信号70、72更换其符号。为了不错误地产生该开关点88且导致错误的相位差74，叠加信号70、72的幅度90必须足够高。
为此存在辅助信号62、64，所述辅助信号在叠加信号70、72中产生信号补偿92，以便如此模拟比较器76，即对应于两个编码器轮22、26的角位置产生上述开关点88。
Claims (10)
1.一种用于检测第一周期测量信号(50)和第二周期测量信号(54)之间的相位差(74)的方法，其中为确定施加在轴(6)上的转矩(28)，两个周期测量信号(70、72)以相对彼此的轴向间距描述了轴(6)的转动，所述方法包括：
-将第一周期测量信号(50)和模拟所述轴(6)的预先已知的转速的周期辅助信号(62)叠加为叠加信号(70)，以及
-基于叠加信号(70)和第二测量信号(54)确定相位差(74)。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：将第二周期测量信号(54)和模拟所述轴(6)的另一个预先已知的转速的另一个周期辅助信号(64)叠加为另一个叠加信号(72)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述周期辅助信号(62)和所述另一个周期辅助信号(64)相同，从而所述预先已知的转速和所述另一个预先已知的转速相同。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中当轴(6)的实际转速低于预定的值时，将第一周期测量信号(50)和周期叠加信号(62)叠加。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其中第一和第二周期测量信号(50、54)相应地基于第一和第二转动磁场(48)产生，所述第一和第二转动磁场分别相对于轴(6)不可扭转地由所述轴发出。
6.根据权利要求5所述的方法，其中为了将第一周期测量信号(50)和周期辅助信号(62)叠加而将第一转动磁场(48)和产生周期辅助信号(62)的周期辅助磁场叠加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中第一周期测量信号(50)直接与周期辅助信号(62)叠加。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中轴(6)的实际转速和轴(6)的预先已知的转速相反。
9.一种设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置(56)。
10.一种用于基于第一周期测量信号(50)和第二周期测量信号(54)之间的相位差(74)检测施加在轴上的转矩(28)的转矩传感器(20)，所述转矩传感器包括根据权利要求9所述的用于产生两个周期测量信号(50、54)的装置(56)，以及用于基于两个测量信号(50、54)之间的相位差(74)确定转矩(28)的分析设备(40)。
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