CN105882748B - 手轮位置检测系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于检测车辆手轮位置的手轮位置检测系统。该系统包括：电机轴，其包括具有第一磁体和第一多个齿的第一齿轮；具有第二磁体和第二多个齿的第二齿轮，所述第二多个齿与第一多个齿啮合接合；以及具有第三磁体和第三多个齿的第三齿轮，所述第三多个齿与第一多个齿啮合接合。该系统还包括至少一个磁性传感器，可操作地与第一磁体，第二磁体，和第三磁体关联。所述至少一个磁性传感器配置用于检测所述第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的位置。

Description

手轮位置检测系统
技术领域
本发明涉及一种转向系统，更具体的，涉及一种用于检测手轮位置的转向系统。
背景技术
在电动助力转向(EPS)系统中，期望提供手轮的绝对位置。该位置例如可以用于使得手轮跟随转向输入回到中心。该回到中心的功能模拟由于传统手动转向系统的正后倾角引起的自动校准扭矩，并且使得车辆能够被驾驶者更舒适的控制。为了确定该中心，需要使用手轮绝对位置信息。
然而，已知的用于确定手轮绝对角度的系统会重置或者丢失它们的位置(相对于零位)，如果例如给系统的供电断开和手轮被移动。相应的，期望提供一个在电力损耗后确定手轮绝对位置的系统。
发明内容
本发明一方面是，提供一种用于检测车辆手轮位置的系统。该系统包括：电机轴，其包括具有第一磁体和第一多个齿的第一齿轮；具有第二磁体和第二多个齿的第二齿轮，所述第二多个齿与第一多个齿啮合接合；以及具有第三磁体和第三多个齿的第三齿轮，所述第三多个齿与所述第一多个齿啮合接合。系统还包括至少一个磁性传感器，其可操作地与第一磁体，第二磁体和第三次体相关联。该至少一个磁性传感器配置用于检测所述第一齿轮，第二齿轮以及第三齿轮的位置。
本发明的另一个方面是提供一种转向系统。该转向系统包括：连接到手轮的输入轴；连接到输入轴的转向辅助电机，所述转向辅助电机包括电机轴；以及与转向辅助电机关联操作的位置传感器组件。该位置传感器组件包括具有第一多个齿的第一齿轮，所述第一齿轮与电机轴连接；具有第二多个齿的第二齿轮；以及具有第三多个齿的第三齿轮。所述位置传感器组件还包括与第一齿轮，第二齿轮以及第三齿轮关联操作的传感器，所述传感器配置用于检测所述第一齿轮，第二齿轮以及第三齿轮的位置。
本发明的另一个方面是提供一种确定车辆手轮的绝对旋转位置的方法。该方法包括：监测与转向辅助电机轴连接的第一齿轮的旋转位置，所述第一齿轮具有第一多个齿；监测第二齿轮的旋转位置，所述第二齿轮具有与第一多个齿啮合接合的第二多个齿；以及监测第三齿轮的旋转位置，第三齿轮具有与所述第一多个齿啮合接合的第三多个齿。所述方法还包括基于第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的旋转位置确定车辆手轮的绝对旋转位置。
从如下结合附图的说明中，这些以及其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书后附的权利要求书中被特别指出并被明确要求。从如下结合附图进行的详细说明中，本发明的前述以及其他的特征和优点将变得明显，其中：
图1为车辆的示例性转向系统的示意图；以及
图2为示例性位置传感器组件的示意图，其可与图1中所示的转向系统一起使用。
具体实施方式
参考附图，其中将参考具体的实施例对本发明进行说明，但本发明并不限于此，车辆10的示例性实施例包括转向系统12和控制系统14，如图1中所示。
提供转向系统12以按照期望的方向转向车辆10，该转向系统大体上包括手轮20，上转向杆22，万向节24，下转向杆26，蜗杆齿轮28，蜗杆30，齿轮箱34，转向机构36，拉杆38，40，转向节42，44以及道路车轮46，48。
在一个示例性实施例中，转向系统12为电动转向系统，其使用齿条和小齿轮转向机构36，其包含带齿的齿条(没有示出)和小齿轮(没有示出)，位于齿轮箱34下方。操作过程中，当手轮20被车辆操作者转动时，上转向杆22连接到下转向杆26，并且转动小齿轮。小齿轮的转动使得带齿的齿条移动，从而移动拉杆38，40。拉杆38，40反过来使相应的转向节42，44移动，从而旋转相应的道路车轮46，48。
需要注意的是，车辆手轮20具有两个预定的转向行程限制。第一预定转向行程限制为全顺时针转向行程限制。第二预定转向行程限制为全逆时针转向行程限制。第一和第二预定转向行程限制可以采用角度或者弧度量化。例如，手轮20可以在第一和第二预定转向行程限制之间旋转5个满圈(或者接近1800°)。
提供控制系统14来辅助控制转向系统12并确定车辆手轮20的绝对旋转位置。控制系统14包括柱扭矩传感器50，控制器52，电机控制电路54，位置传感器组件56以及转向辅助电机58。
提供转向杆扭矩传感器50从而产生表示由车辆操作者施加到车辆手轮20和上转向杆22上的扭矩量的信号。一个示例性实施例中，扭矩传感器50包括扭条(没有示出)，其基于扭条的扭转量向控制器52输出可变电阻。可替换地，对本领域技术人员可以利用已知的其他类型的扭矩传感器。
提供控制器52从而产生控制信号，由电机控制电路54接收该控制信号以控制转向辅助电机58的操作。控制器52还配置用于确定手轮20的绝对旋转位置，如下更详细的说明。控制器52与扭矩传感器50、电机控制电路54，以及位置传感器组件56电连接。正如这里所使用的，术语控制器指的是专用集成电路(ASIC)，电子电路，处理器(分散的，专用的或者群组的)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器，组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其他适当组件。
提供电机控制电路54以从控制器52接收指令性扭矩控制信号，并且产生电流用于控制转向辅助电机58的操作。电机58配置用于驱动蜗杆30，其可操作地与蜗杆齿轮28连接，用于使下转向杆26、转向机构36、转向拉杆38，40、以及转向节42，44朝向其中道路车轮46，48具有期望的前道路车轮角的操作位置移动。
参考附图2，提供位置传感器组件56以产生表示转向辅助电机58的转子或轴60(附图1)的相对旋转或角度位置的信号，其进一步指示手轮20的相对旋转位置。位置传感器组件56可操作地与控制器52通信。
在示例性实施例中，转向辅助电机58包括轴60，且电机控制电路54包括用于控制电机58的操作的电机控制器电路板62。位置传感器组件56包括第一齿轮64，第二齿轮66，和第三齿轮68，它们分别包括并且在所示实施例中被连接到第一圆盘磁体70，第二圆盘磁体72，以及第三圆盘磁体74。磁体70，72，74可为任意适当类型的磁体，其能使位置传感器组件56按照这里所述的起作用。磁体70，72，74分别可操作地与第一磁性传感器76，第二磁性传感器78，和第三磁性传感器80相关联。然而，组件56可以有任意数量的磁性传感器，使得组件能够如这里所述的起作用。
第一齿轮64与电机轴60相连，用于围绕轴线“A”旋转，并且包括多个第一齿轮齿82。第二齿轮66包括与第一齿轮齿82啮合接合的多个第二齿轮齿84，并且配置成用于围绕轴线“B”旋转。第三齿轮68包括第一齿轮齿82啮合接合的多个第三齿轮齿86，并且配置成用于围绕轴线“C”旋转。
磁场传感器76，78，80被提供用于分别检测磁体70，72，74的位置(例如，角度位置)，这有助于确定齿轮64，66，68的位置(例如，角度位置)。磁性传感器可以是任意类型的用于检测磁体70，72，74的角度位置的传感器，例如，霍尔效应传感器。控制器52与磁性传感器76，78，80通信。可替换地，本领域技术人员已知的其他类型位置传感器也可以使用(例如，光学传感器)。
示例性实施例中，第一齿轮64为八齿齿轮，第二齿轮66为九齿齿轮，并且第三齿轮68为十一齿齿轮。然而，齿轮64，66，68可以具有任意其他的齿轮比，使得位置传感器组件56能按照这里所述的起作用。在一个实施例中，齿轮64，66，68不具有相同数量的齿。在另外的一些实施例中，可使用其他齿轮机构例如，带齿的带或者内环齿轮。
如所注意的是，示例性实施例分别针对齿轮64，66，68包括八个，九个和十一个齿。齿轮比是选定的，从相对于组件的设计行程(即，在第一和第二预定转向行程限制之间)三个齿轮64，66，68的角度周期性重复不会匹配超过一次。九齿(9T)正齿轮66和八齿(8T)齿轮64在电机轴60的每九转重复一次，并且十一齿(11T)正齿轮68和8T齿轮64在电机轴60的每11转重复一次。三个齿轮的组合在电机轴60的每9*11＝99转重复一次(即，每35，640°)，超过了组件的设计行程。因此，对于任意三个传感器读数(0-360度)，仅有一个对应的总电机角度。在给定的电机与手轮比以及初始的标定设置情况下，可以计算手轮绝对位置。
操作过程中，在启动控制器52时的初始化之后，可以由一个或多个传感器76，78，80基于电机与手轮比计算手轮的绝对角度。进一步，如果初始化之后存在电机传感器失效，传感器76，78，80中的两个可以用于计算或者确认电机位置从而为跛行-回家模式提供转向辅助。
控制器52可包括一个或多个算法，以根据第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的位置的函数来计算手轮绝对角度。一个实施例中，算法执行如下步骤来确定电机58的角度，且因此计算手轮的绝对角度。在步骤100，控制器52读取每个传感器76，78，80的角度位置。在步骤102，8T齿轮64倒转(例如，数学意义上的)回到零度。步骤104，9T齿轮66和11T齿轮68的角度从倒转计算，使用针对每个齿轮66，68计算的指数。例如，9T齿轮66具有9个可能的位置，具有从0到8的指数，并且11T齿轮68具有11个可能的位置，具有从0到10的指数。在步骤106，电机转数从齿轮66，68的齿轮指数(gear index)中计算得到。
在步骤108，电机转数和倒转角度用于计算绝对电机位置。在步骤110，绝对手轮位置基于绝对电机位置计算(例如，将绝对电机角度除以已知的电机和手轮之间的机械比)。
在一个示例的计算中，齿轮64，66，68在如下位置开始：8T齿轮64处于20度，9T齿轮66处于218度，并且11T齿轮68处于342度。电机58(以及8T齿轮64)倒转20度到零度，这使9T齿轮66旋转回到200度(218-20*8/9)和使11T齿轮68回到327度(342-20*8/11)。计算9T齿轮66的齿轮指数为5(200/(360/9))，并且11T齿轮68的齿轮指数计算为10(327/(360/11))。然后通过方程式计算电机转数(参见如下的方程式1示例)或者由查询表(参见如下表1)确定。
mod(mod(4*B，X)+C*D，X))＝Y 方程式1
其中A为9T齿轮66的齿轮指数，B为表1每行之间的偏差，X为对设计可能的总转数，C为11T齿轮68的齿轮指数，D为表1每列之间的偏差，并且Y为电机轴(或者8T齿轮64)的转数。示例性的解如下：
mod(mod(5*44，99)+10*18，99))＝4
表1
相应的，绝对电机位置被计算为1460度((4圈)*360+(20°倒转)＝1460°)。4圈是从方程式1中计算出来的或者从表1中读出的。早先减去的20°倒转现在被加回来以获得最终的绝对电机角度1460°。如果电机与手轮比为25∶1，那么最终的绝对手轮值将会是大约58.4°。
这里说明的是用于计算转向系统的绝对手轮角度的系统和方法。该系统包括三个齿轮，每一个都具有一个磁体和相关的磁性传感器用于确定齿轮的角度位置。三个齿轮具有不同的轮齿比，从而经过车辆手轮的最大转数仅会发生唯一一个独特的角度组成。因此，即使系统掉电，也能计算绝对手轮角度。
尽管本发明已经结合仅有限数量的实施例进行详细说明，还应理解的是本发明并不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改以结合任意数量的此前未描述的变形，变换，替换或者等同配置，它们是符合本发明精神和范围的。另外，尽管已经描述了本发明的不同实施例，可以理解的是本发明的范围仅包括所述实施例中的一些。相应地，本发明不应被认为受限于前述说明。

Claims (13)

1.一种用于检测手轮位置的系统，该系统包括：
电机轴，包括第一齿轮，该第一齿轮具有第一磁体和第一多个齿；
第二齿轮，具有第二磁体和第二多个齿，所述第二多个齿与第一多个齿啮合接合；
第三齿轮，具有第三磁体和第三多个齿，所述第三多个齿与第一多个齿啮合接合；以及
至少一个磁性传感器，其与第一磁体，第二磁体，和第三磁体操作关联，所述至少一个磁性传感器配置用于检测所述第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的位置，
其中第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的齿轮比被选定为使得第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的角度周期性重复在所述手轮的全顺时针转向行程限制和全逆时针转向行程限制之间不会匹配超过一次，
其中所述系统还包括控制器，其与所述至少一个磁性传感器信号通信，所述控制器配置用于基于来自所述至少一个磁性传感器的信号确定车辆手轮的绝对旋转位置，其中所述控制器被布置用于：读取所述至少一个磁性传感器中每一个的角度位置，使第一齿轮倒转回到零度并使用针对第二齿轮和第三齿轮计算的指数从所述倒转计算第二齿轮和第三齿轮的角度，从第二齿轮和第三齿轮的齿轮指数计算电机转数，基于所述电机转数和所述倒转角度计算绝对电机位置，以及基于所述绝对电机位置计算所述车辆手轮的绝对旋转位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个磁性传感器包括与所述第一磁体操作关联的第一磁性传感器，与第二磁体操作关联的第二磁性传感器，以及与第三磁体操作关联的第三磁性传感器。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括电路板，其中所述至少一个磁性传感器与所述电路板连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一多个齿，第二多个齿和第三多个齿中每一个的齿数相互是不同的。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一多个齿包括8个齿，所述第二多个齿包括9个齿，所述第三多个齿包括11个齿。
6.一种转向系统，包括：
与手轮连接的输入轴；
转向辅助电机，其与所述输入轴连接，所述转向辅助电机包括电机轴；以及
位置传感器组件，其操作地与所述转向辅助电机关联，所述位置传感器组件包括：
具有第一多个齿的第一齿轮，所述第一齿轮与电机轴连接；
具有第二多个齿的第二齿轮；
具有第三多个齿的第三齿轮；以及
与第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮操作关联的传感器，所述传感器配置用于检测第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的位置，
其中第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的齿轮比被选定为使得第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的角度周期性重复在所述位置传感器组件的设计行程上不会匹配超过一次，
其中所述转向系统进一步包括与传感器信号通信的控制器，所述控制器配置用于基于第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的位置确定车辆手轮的绝对旋转位置，其中所述控制器被布置用于：读取所述传感器的角度位置，使第一齿轮倒转回到零度并使用针对第二齿轮和第三齿轮计算的指数从所述倒转计算第二齿轮和第三齿轮的角度，从第二齿轮和第三齿轮的齿轮指数计算电机转数，基于所述电机转数和所述倒转角度计算绝对电机位置，以及基于所述绝对电机位置计算所述车辆手轮的绝对旋转位置。
7.根据权利要求6所述的转向系统，还包括与第一齿轮连接的第一磁体，与第二齿轮连接的第二磁体，以及与第三齿轮连接的第三磁体。
8.根据权利要求7所述的转向系统，其中所述传感器为至少一个磁性传感器，其配置用于检测第一磁体，第二磁体和第三磁体的位置。
9.根据权利要求8所述的转向系统，所述控制器还被配置用于根据来自所述至少一个磁性传感器的信号确定第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的旋转位置。
10.根据权利要求8所述的转向系统，还包括电路板，其中至少一个磁性传感器与电路板连接。
11.根据权利要求8所述的转向系统，其中所述至少一个磁性传感器包括与第一磁体操作关联的第一磁性传感器，与第二磁体操作关联的第二磁性传感器以及与第三磁体操作关联的第三磁性传感器。
12.一种确定车辆手轮绝对旋转位置的方法，所述方法包括：
监测与转向辅助电机轴连接的第一齿轮的旋转位置，所述第一齿轮具有第一多个齿；
监测具有第二多个齿的第二齿轮的旋转位置，所述第二多个齿与第一多个齿啮合接合；
监测具有第三多个齿的第三齿轮的旋转位置，所述第三多个齿与第一多个齿啮合接合；
基于第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的旋转位置确定车辆手轮的绝对旋转位置；以及
使第一齿轮倒转回到零度并使用针对第二齿轮和第三齿轮计算的指数从所述倒转计算第二齿轮和第三齿轮的角度，从第二齿轮和第三齿轮的齿轮指数计算电机转数，基于所述电机转数和所述倒转角度计算绝对电机位置，以及基于所述绝对电机位置计算所述车辆手轮的绝对旋转位置，
其中第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的齿轮比被选定为使得第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的角度周期性重复在所述手轮的全顺时针转向行程限制和全逆时针转向行程限制之间不会匹配超过一次。
13.一种用于检测手轮位置的系统，所述系统包括：
电机轴，其包括具有第一多个齿的第一齿轮；
具有第二多个齿的第二齿轮，所述第二多个齿与所述第一多个齿啮合接合；
具有第三多个齿的第三齿轮，所述第三多个齿与第一多个齿或第二多个齿中的一个啮合接合；
至少一个传感器，其与第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮操作关联，所述至少一个传感器配置用于检测第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮的位置；以及
控制器，其与所述至少一个传感器信号通信，所述控制器配置用于确定作为第一齿轮，第二齿轮和第三齿轮位置的函数的所述手轮的绝对旋转位置，
其中第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的齿轮比被选定为使得第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的角度周期性重复在所述手轮的全顺时针转向行程限制和全逆时针转向行程限制之间不会匹配超过一次，
其中所述控制器被布置用于：读取所述至少一个传感器中每一个的角度位置，使第一齿轮倒转回到零度并使用针对第二齿轮和第三齿轮计算的指数从所述倒转计算第二齿轮和第三齿轮的角度，从第二齿轮和第三齿轮的齿轮指数计算电机转数，基于所述电机转数和所述倒转角度计算绝对电机位置，以及基于所述绝对电机位置计算车辆手轮的绝对旋转位置。
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