CN105209850A - 扭矩感测器 - Google Patents

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Abstract

扭矩感测装置包括被配置为围绕旋转轴旋转的旋转部件以及被定位在旋转部件附近以在第一位置处感测旋转部件的瞬时角度位置的第一传感器。第二传感器被设置成邻近第一传感器径向向内的旋转部件以在第二位置感测旋转部件的瞬时角度位置。控制器可操作地耦接至第一传感器和第二传感器。控制器确定第一传感器生成的第一信号与第二传感器生成的第二信号之间的相对相移以计算与施加于旋转部件的扭矩成正比的输出。

Description

扭矩感测器
技术领域
本公开总体上涉及汽车应用，并且更具体地，涉及需要高精度的非接触式扭矩感测的应用。
背景技术
当前的发动机感测技术对于测量发动机的扭矩输出不具有可靠的、节约成本的、或直接的器件。车辆驾驶员经由风门踏板输入扭矩需求并且基于此在已被适当地校准的表中查找燃料数量和喷油正时(injectiontiming)。氧传感器基于连接到排气管的复式汽缸将平均值反馈到发动机控制器。基于喷油速率、喷油正时以及空气燃料比，可以计算出预期发动机扭矩输出。然而，实际扭矩可能因为混合准备变化、不平衡的汽缸、或者不完全燃烧而不同。
高精度的扭矩感测允许反馈每个汽缸的转矩输出，从而允许在运行中将下一燃烧周期优化至发动机的最高扭矩输出。此外，该直接反馈将会通过允许运行中点火正时和喷油正时改变以及允许发动机控制器利用代用和高辛烷燃料的燃烧性能的优点来提高燃料效率。用直接反馈扭矩感测器可以完成失火检测、气缸到气缸的平衡度、操纵性能改进、以及单独气缸调谐以提高发动机的使用期限的效率。
发明内容
在一个实施方式中，提供了一种扭矩感测装置，包括：被配置为围绕旋转轴旋转的旋转部件以及被设置为邻近于该旋转部件以在第一位置处感测该旋转部件的瞬时角度位置(instantaneousangularposition)的第一传感器。第二传感器被设置为邻近于该第一传感器径向向内的该旋转部件以在第二位置处感测该旋转部件的瞬时角度位置。控制器可操作耦接至该第一传感器和该第二传感器。该控制器确定由该第一传感器生成的第一信号与由该第二传感器生成的第二信号之间的相对相移，以计算与施加于该旋转部件的扭矩成正比的输出。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该旋转部件在扭矩传递的路径中并且由于所施加的扭矩呈现角偏转(angulardeflection)。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第一传感器被设置在该旋转部件的外周。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该旋转部件包括被布置在该第一位置处的多个齿。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第一传感器检测该旋转部件的多个齿的通过(passage)。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第二传感器被布置在该旋转部件的基准轮(referencewheel)处。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该基准轮包括多个基准齿(referenceteeth)。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第二传感器检测该旋转部件的该多个基准齿的通过。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，在该旋转部件每次旋转时，该控制器唯一地识别该多个齿和/或该多个基准齿中的至少一个齿。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该控制器计算该多个齿中的每个齿相对于该多个基准齿的唯一相移。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该控制器利用齿特定相移来确定齿特定补偿值以校正系统变量。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第一传感器和该第二传感器中至少一个是磁通门传感器(fluxgatesensor)。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第一传感器和该第二传感器中至少一个是感应桥式传感器、诸如光学编码器的光学传感器、基于激光器的传感器、可变磁阻磁性传感器、磁阻传感器或者霍尔效应传感器或者被配置为感测齿的其他合适的传感器。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该控制器包括基于该第一信号和该第二信号输出计算出的扭矩值的现场可编程门阵列。
在另一个实施方式中，一种确定施加于第一旋转部件的扭矩的方法，包括：通过布置在旋转部件处的第一传感器感测该旋转部件的第一部分的第一瞬时角度位置并且通过布置在该旋转部件处的第二传感器感测该旋转部件的第二部分的第二瞬时角度位置。计算该第一瞬时角度位置相对于该第二瞬时角度位置的相移。基于该相移计算施加于该旋转部件的扭矩。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该旋转部件在扭矩传递的路径中并且由于所施加的扭矩呈现角偏转。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第一传感器和该第二传感器中至少一个是磁通门传感器。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第一传感器和该第二传感器中至少一个是感应桥式传感器、诸如光学编码器的光学传感器、基于激光器的传感器、可变磁阻磁性传感器、磁阻传感器或者霍尔效应传感器或者被配置为感测齿的其他合适的传感器。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该旋转部件包括多个齿。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第二传感器被布置在该旋转部件的基准轮处，该基准轮包括多个基准齿。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该第二传感器检测该旋转部件的该多个基准齿的通过。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，在该旋转部件每次旋转时唯一地识别该多个齿和/或该多个基准齿中的至少一个齿。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中，该控制器计算该多个齿中的每个齿相对于该多个基准齿的唯一相移。
此外或可替换地，在该实施方式或者其他实施方式中该控制器利用齿特定相移来确定齿特定补偿值以校正系统变量。
根据结合附图的以下说明，这些和其他优势、方面以及特征将变得更加清晰可见。
附图说明
在说明书总结部分的权利要求书中清楚记载并且详细指出了该主题。根据结合附图的以下详细描述，上述及其它特征、方面、以及优点将显而易见，在附图中：
图1是根据示例性实施方式的扭矩感测装置的前视图；
图2是根据实施方式的扭矩感测装置的电路的示意图；
图3是根据示例性实施方式的扭矩感测装置的第一传感器的第一信号和第二传感器的第二信号的示意图；
图4是根据实施方式的扭矩感测装置的台式试验装置(benchtestsetup)的立体图；
图5是使用扭矩感测装置的实施方式测量扭矩的示意图；
图6是扭矩感测装置的实施方式的示意图；以及
图7是扭矩感测组件的实施方式的示意性视图。
具体实施方式
参考图1，示出了根据一个实施方式的扭矩感测装置20。在所示出的非限制性实施方式中，例如，扭矩感测装置20包括诸如用多个螺栓32安装至轴30的柔性板25，使得柔性板25被配置为围绕轴30的旋转轴旋转。在实施方式中，柔性板25是发动机的135齿状柔性板并且耦接至柔性板25的轴30是曲轴。第一传感器35围绕柔性板25的外周28设置。在实施方式中，至少一个磁体40可以被可选地类似设置成邻近柔性板25的外周28或者接近柔性板25的齿27，诸如相对的第一传感器35。至少一个第一磁体40可选地被配置为动态地磁化柔性板25的多个齿27，以允许通过第一传感器35检测齿27。第一传感器35可操作地耦接至诸如发动机控制单元的控制器50。
在实施方式中，可操作地耦接至控制器50并且被配置为提供校准的参考信号的第二传感器55被设置成接近柔性板25的中心或内毂(innerhub)。可替换地，基准轮60具有围绕其外周62设置的第二传感器55，被配置为与控制器50通信的第二传感器55可类似地在与柔性板25同轴的方位上耦接至轴30。基准轮60一般具有与柔性板25相同数量的或较少的齿65，诸如，60-2齿状基准轮60。基准轮60可以包括设置成邻近基准轮60的外周62的至少一个第二磁体70，或接近基准轮60的齿65，诸如，相对的第二传感器55。基准轮60示出了通过其直径、材料挺度、或连接点任一者的零扭矩。尽管示出的实施方式磁性地检测柔性板25和基准轮60的齿27、65，但配置为光学地或感应地检测齿27、65的传感器35、55在本公开内容的范围内。示例性第一传感器35和第二传感器55包括但不限于：磁通门磁力梯度仪、感应拾取器、电感电桥、诸如光学编码器的光学传感器、基于激光器的传感器、可变磁阻磁性传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器或者配置为感测齿27、65的任意其他合适的传感器。通过感测齿27、65，可以确定柔性板25和基准轮60的旋转和瞬时角度位置。
表现出柔性板25与基准轮60之间或者外周28与柔性板25的中心之间的瞬时角度位置的差值的柔性板25与基准轮60之间的相对偏转与扭矩成正比。控制器50包括电路100(参见图2)，其使用分别由第一传感器35和第二传感器55生成的第一信号和第二信号检测第一信号与第二信号之间的相移从而创造与施加扭矩成正比的高精度的输出。在实施方式中，柔性板25和/或基准轮60由基本平坦的非齿盘形成。虚拟齿可以使用诸如电磁体的磁体(未示出)形成在柔性板25和基准轮60上。通过将电气或机械脉冲提供至磁体，磁盘将迅速磁化并且消磁因此第一传感器35和第二传感器55会检测到齿的存在。通过在本文中所描述的任意磁性传感方法感测这些虚拟齿。在另一个实施方式中，可以诸如通过围绕磁盘的外周设置金属条在基本平坦的非齿盘上制作齿27、65。应当理解虽然柔性板25和基准轮60是通过附加装置彼此连接的分离部件，在一些实施方式中，柔性板25和基准轮60是相同整体的旋转部件的部分。例如，柔性板25可以是弯曲的外侧部分，而基准轮60是不弯曲或相对少量弯曲的旋转部件的内侧部分，以提供参考来测量基准轮25偏移。
在图2中示出的电路100表示扭矩感测装置20的检测和测量系统。在实施方式中，电路100用于检测和解释来自第一传感器35和第二传感器55的信号。虽然在公开的非限制性实施方式中示出并且描述了特定电路配置，执行相同功能并且在第一信号与第二信号之间产生相对相的指示符的其他电路配置在本公开内容的范围内。
在包括柔性板25和分离基准轮60的实施方式中，通过诸如用算法将基准轮60上的数量的齿65转换成与柔性板25相同数量的齿27来测量扭矩。用于转换基准轮60上的数量的齿65的该算法包括测量齿状基准轮60，计算比例因数以达到期望数量的齿，生成给出该数量的齿的脉冲串，并且周期性地将生成的脉冲串锚定至输入信号以确保准确的齿转换。该算法生成允许第一传感器35的第一信号和第二传感器55的第二信号的相对相位进行比较的有用的参考信号，从而致使扭矩测量。在实施方式中，信号在占空比上物理地偏移因此如在图3中示出的可以容易测量相位。
在实施方式中，算法可被配置为补偿由于柔性板25的温度导致的附加变形。当温度未知时，可以使用信号处理补偿算法，因为变形是温度和周围周期性的函数。这是相对于扭矩测量的时间标定固定的并且可以估计为与时间有关的扭矩信号隐含的恒定背景信号的共模信号。一旦确定变形，可以估计温度因此变形有效地用作表示柔性板25的温度的温度计。这将需要初始校准但将是能够传递的额外的信号。
通过第一传感器35和第二传感器55提供的信号可以进一步用作绝对位置编码器，因此可以确定轴30的停止位置，并且因此确定与轴30相关的发动机的停止位置。通过第一传感器35和第二传感器55生成的信号可以用于追踪发动机停止时柔性板25和基准轮60的齿27、65的位置。另一输入信号(诸如，凸轮传感器信号)将用于确定发动机循环内的柔性板25的位置。传统发动机每次发动机循环包括两个柔性板旋转。一旦校准，每个齿27、65在发动机停止时被记数并且被追踪，并且该信息将提供至控制器50因此曲轴30的绝对位置将是已知的。例如，该技术将提供对启停系统有用的信息。
现在参考图6，在实施方式中，利用例如在现场可编程门阵列(FPGA)中编程的一组数字函数确定柔性板25与基准轮60之间的相位。来自第一传感器35和第二传感器55的信号的数字化版本的信号被直接输入至FPGA，且不用将一个信号转换成与齿数目相同的其它信号。FPGA使用具有大约200MHz或以上的频率的高频时钟精确地计算第一信号与第二信号两者的周期以及第一信号与第二信号的边缘之间的延迟，从而使得测量精度能够超过5纳秒。来自第一传感器35和第二传感器55的信号以及与柔性板25和基准轮60的每一个中的数量的齿27、65有关的信息允许算法被编程到FPGA中以用高时间精度计算柔性板25和基准轮60的相位。FPGA也可识别柔性板25和基准轮60的每个旋转上的每个齿27、65，从而可以对扭矩感测装置20进行一个齿一个齿地校准。例如，校准用于消除或减小齿27、65之间的制造变化或磨损的影响。校准也可用于说明多旋转事件，诸如，每次循环需要两次旋转的四冲程发动机循环。
在一些实施方式中，如在图7中所示，用FPGA将传感器35、35整合至封装件中。例如，结合的FPGA/传感器封装件向发动机控制单元(ECU)输出扭矩值。
现在参考图4，在台式试验台上的旋转环境中检测扭矩感测装置20的效率。小直径轴30选择为具有发动机上的柔性板25的等量偏转，并且通过适配毂将柔性板25拧紧至轴30。在另一个实施方式中，诸如在发动机中，可能不存在小直径的轴并且柔性板可以邻近基准轮(例如，布置在基准轮上)。提供拉力的小液压发动机140引起轴30扭曲。设置扭矩感测器35并且测量扭矩。使用以每分钟30转(RPM)进行旋转的低速档电动机150旋转设备。在图5中示出该试验装置的结果，示出扭矩感测装置20的能力以测量柔性板25旋转时的瞬时扭矩事件。因此，扭矩感测装置20被配置为对扭矩波动做出响应并且检测诸如在四冲程发动机周期的压缩冲程过程中的负扭矩事件。可以通过调整磁体40、70相对于齿27、65的间隙和位置以及改变磁体40、70的强度优化柔性板25和/或基准轮60的磁化。在实施方式中，电路100可以包括在电路不饱和的情况下允许最大量磁化的自动增益电路。
扭矩感测装置20通常是为汽车工业中的使用而设，尤其是在配备有包含柔性板和转矩变换器的自动变速器的交通工具中。然而，该传感装置20的潜在应用延伸到汽车工业之外到需要高精度的扭矩感测的任何应用，包括但不限于工业过程、制造、以及自动操作。发动机中的扭矩感测装置20的包含物可能会致使取决于操作条件和使用燃料的燃料经济性有所改进。此外，扭矩感测装置20可能允许发动机参数最优化以充分利用代用燃料性能(即，辛烷值)的优势，因而改进发动机的效率。
虽然已仅结合有限的实施方式详细描述本发明，应当理解的是本发明不限于这种公开的实施方式。相反，可以修改本发明以结合任意数量的变动、改变、替代或在此之前未描述的等同布置，但与本发明的精神和范围相应。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施方式，应当理解本发明的方面可以仅包括描述的实施方式中的一些。因此，本发明被视为不受上述描述的限制，但仅受所附权利要求的范围的限制。

Claims (24)

1.一种扭矩感测装置，包括：
旋转部件，被配置为围绕旋转轴旋转；
第一传感器，被设置为邻近于所述旋转部件以在第一位置处感测所述旋转部件的瞬时角度位置；
第二传感器，被设置为邻近于所述第一传感器径向向内的所述旋转部件以在第二位置处感测所述旋转部件的瞬时角度位置；
控制器，能够操作耦接至所述第一传感器和所述第二传感器，其中，所述控制器确定由所述第一传感器生成的第一信号与由所述第二传感器生成的第二信号之间的相对相移，以计算与施加于所述旋转部件的扭矩成正比的输出。
2.根据权利要求1所述的扭矩感测装置，其中，所述旋转部件在扭矩传递的路径中并且由于所施加的扭矩呈现角偏转。
3.根据权利要求1所述的扭矩感测装置，其中，所述第一传感器被设置在所述旋转部件的外周。
4.根据权利要求1所述的扭矩感测装置，其中，所述旋转部件包括被布置在所述第一位置处的多个齿。
5.根据权利要求4所述的扭矩感测装置，其中，所述第一传感器检测所述旋转部件的多个齿的通过。
6.根据权利要求4所述的扭矩感测装置，其中，所述第二传感器被布置在所述旋转部件的基准轮处。
7.根据权利要求6所述的扭矩感测装置，其中，所述基准轮包括多个基准齿。
8.根据权利要求7所述的扭矩感测装置，其中，所述第二传感器检测所述旋转部件的所述多个基准齿的通过。
9.根据权利要求7所述的扭矩感测装置，其中，在所述旋转部件每次旋转时，所述控制器唯一地识别所述多个齿和/或所述多个基准齿中的至少一个齿。
10.根据权利要求7所述的扭矩感测装置，其中，所述控制器计算所述多个齿中的每个齿相对于所述多个基准齿的唯一相移。
11.根据权利要求10所述的扭矩感测装置，其中，所述控制器利用齿特定相移来确定齿特定补偿值以校正系统变量。
12.根据权利要求1所述的扭矩感测装置，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中至少一个是磁通门传感器。
13.根据权利要求1所述的扭矩感测装置，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中至少一个是感应桥式传感器、诸如光学编码器的光学传感器、基于激光器的传感器、可变磁阻磁性传感器、磁阻传感器或者霍尔效应传感器。
14.根据权利要求1所述的扭矩感测装置，其中，所述控制器包括基于所述第一信号和所述第二信号输出计算出的扭矩值的现场可编程门阵列。
15.一种确定施加于第一旋转部件的扭矩的方法，包括：
通过布置在旋转部件处的第一传感器感测所述旋转部件的第一部分的第一瞬时角度位置；
通过布置在所述旋转部件处的第二传感器感测所述旋转部件的第二部分的第二瞬时角度位置；
计算所述第一瞬时角度位置相对于所述第二瞬时角度位置的相移；并且
基于所述相移计算施加于所述旋转部件的扭矩。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述旋转部件在扭矩传递的路径中并且由于所施加的扭矩呈现角偏转。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中至少一个是磁通门传感器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中至少一个是感应桥式传感器、诸如光学编码器的光学传感器、基于激光器的传感器、可变磁阻磁性传感器、磁阻传感器或者霍尔效应传感器。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述旋转部件包括多个齿。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二传感器被布置在所述旋转部件的基准轮处，所述基准轮包括多个基准齿。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二传感器检测所述旋转部件的所述多个基准齿的通过。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括在所述旋转部件每次旋转时唯一地识别所述多个齿和/或所述多个基准齿中的至少一个齿。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，控制器计算所述多个齿中的每个齿相对于所述多个基准齿的唯一相移。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述控制器利用齿特定相移来确定齿特定补偿值以校正系统变量。
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