CN106794867A - 电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

一种电动助力转向装置，包括：组合的角位置和转矩传感器组件，其包括在使用中操作地连接至车辆的转向盘的上柱轴、在使用中操作地连接至车辆的车轮的下柱轴、使上柱轴和下柱轴互连的扭力杆；第一和第二转矩信号产生器件，其每一个根据扭力杆的角偏转产生第一转矩信号；绝对位置信号产生器件，其在使用中产生指示上柱轴的角位置的上柱绝对位置信号；电动机，其连接至转矩传感器组件的下柱轴；以及由电动机承载的电动机位置传感器，其根据电动机转子的角位置提供电动机位置信号。所述装置还包括虚拟转矩信号产生器件，其在使用中适于从电动机位置信号和由处理器件产生的绝对角位置信号的组合产生第三转矩信号。

Description

电动助力转向系统

技术领域

本发明涉及对电动助力转向系统的改进。

背景技术

在典型的电动助力转向系统中，电动机(比如三相直流电动机)连接至转向机构的一部分，特别地连接至转向轴，所述转向轴将车辆的转向盘连接至车轮。传感器(比如转矩传感器)产生指示由驾驶员施加至转向盘上的转矩的信号，并且该信号被馈送到微处理器中。微处理器使用该信号以产生用于电动机的控制信号，所述控制信号指示电动机所需的转矩或电流。这些控制信号在微处理器中被转化成用于电动机的每一相的电压波形，这些电压波形进而被从微处理器传输至电动机侧桥驱动器。

电动机侧桥驱动器将控制信号(其通常为低电平电压波形)转化成施加至电动机侧的桥的各相上的更高电平的电压驱动信号。典型的桥包括一组开关，所述一组开关根据从桥驱动器电路施加至开关的高电平电压驱动信号选择性地将来自电源的电流施加至电动机的各相。通过控制开关，能够相对于电动机的转子位置控制电动机中的电流，从而允许控制由电动机产生的转矩。电动机在使用中因此导致将辅助转矩施加至转向系统，所述辅助转矩帮助或有助于驾驶员转动转向盘。由于该转矩影响转矩传感器的输出，因此这形成了一种闭环控制，该闭环控制允许准确控制电动机转矩。

转矩传感器通常包括扭力杆和两个角位置传感器，所述两个角位置传感器中的一个角位置传感器提供表示转向系统在扭力杆的一侧上的角位置的输出信号，而另一个角位置传感器提供表示转向系统在扭力杆的另一侧上的角位置的输出信号。当没有施加转矩时，两个输出信号将是对准的，但是当施加了转矩时，扭力杆扭动，导致两个角位置传感器运动成不对准。该输出信号的相对变化提供了对所需转矩的测量。

为了在发生故障的情况下提供额外的安全裕度，通常使用双通道转矩传感器，其产生两个信息通道，每个通道各自提供转矩测量。在使用中，由每个通道显示的转矩用另一个通道的转矩进行校验，如果它们是一致的，则能够认为转矩值是可靠的。如果它们不一致，则一个或两个通道可能发生了故障且能够建立一错误标记。通常来说，当该情况发生时，电动机不施加辅助转矩。

尽管双通道转矩传感器给予了增大的安全度，但是在一个通道发生故障的情况下，即使另一个通道未发生故障，也不可能继续安全地施加辅助转矩，这部分是因为可能不能够辨别哪个通道有故障、哪个通道是可靠的，并且还因为没有办法提供保护以使那个仍然良好的通道随后不发生故障。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种电动助力转向装置，所述电力助力转向装置改进了在检测到故障时与现有系统有关的问题。

根据第一方面，本发明提供了一种电动助力转向装置，包括：

组合的角位置和转矩传感器组件，所述组合的角位置和转矩传感器组件包括：上柱轴，所述上柱轴在使用中操作地连接至车辆的转向盘；下柱轴，所述下柱轴在使用中操作地连接至车辆的车轮；扭力杆，所述扭力杆使上柱轴和下柱轴互连；

第一转矩信号产生器件，所述第一转矩信号产生器件根据扭力杆的角偏转产生第一转矩信号；

第二转矩信号产生器件，所述第二转矩信号产生器件根据扭力杆的角偏转产生第一转矩信号；

绝对位置信号产生器件，所述绝对位置信号产生器件在使用中产生指示上柱轴的角位置的上柱绝对位置信号；

电动机，所述电动机连接至转矩传感器组件的下柱轴，使得电动机的角位置的变化产生输出轴的角位置的相应变化，且相对角位置不受由扭力杆承载的扭转的影响；以及

由电动机承载的电动机位置传感器，所述电动机位置传感器根据电动机转子的角位置提供电动机位置信号；

其特征在于，所述装置还包括虚拟转矩信号产生器件，所述虚拟转矩信号产生器件在使用中适于从电动机位置信号和由处理器件产生的绝对角位置信号的组合确定第三转矩信号。

所述装置可以包括上柱角位置感测器件，所述上柱角位置感测器件产生依赖于上柱轴的角位置的至少一个输出信号；

下柱位置感测器件，所述下柱位置感测器件产生依赖于下柱轴的角位置的至少一个输出信号；以及

处理器件，所述处理器件从来自上柱传感器和下柱传感器的输出信号产生第一转矩信号，并且从来自上柱传感器和下柱传感器的输出信号产生独立的第二转矩信号。

绝对位置信号产生器件可以包括次要角位置传感器(典型地，其独立于在上述段落中提及的上柱角位置传感器)，所述次要角位置传感器附接至上柱并且产生一绝对位置信号，所述绝对位置信号在超过上柱的一转的范围内是唯一的，优选地在超过3转或更多转的范围内是唯一的。所述绝对位置信号应该在附接至转向装置的转向盘的旋转的整个范围内是唯一的。

传感器可以通过齿轮连接至上转向柱，所述齿轮可以相对于上柱轴逐步增加或逐步降低传感器的旋转。

产生器件可以观测角位置传感器的输出，以产生角位置信号。

替代地，绝对位置信号产生器件可以布置成使用来自上柱位置传感器和下柱位置传感器中的一者的输出信号中的一个输出信号连同次要角位置传感器的输出来产生独立的上柱绝对角位置信号。这可以包括使用差值处理，在所述差值处理中，通过查找来自两个传感器的具有不同相位的信号之间的差值来算出角度。

绝对位置产生器件与第一转矩信号产生器件和/或与第二转矩信号产生器件可以共享一个或多个传感器。

所述装置可以包括交叉校验器件，所述交叉校验器件布置成将第一转矩信号和第二转矩信号与第三转矩信号进行交叉校验，以校验转矩传感器的完好性。

交叉校验器件可以形成处理器件的一部分，且虚拟转矩信号产生器件还可以形成处理器件的一部分。处理器件可以包括一个或多个分离的信号处理单元，每个信号处理单元包括集成电路。

因此，本发明提供了一种装置，在所述装置中，从电动机位置传感器连同来自转矩传感器的角位置信息一起产生第三转矩信号，并且第三转矩信号能够在两个转矩通道没有给出相同的转矩值的故障的情况下被用于核实转矩传感器的一个或两个转矩通道的功能。这可以允许所述装置在仅有两个通道的现有装置需要关停时继续起作用。

用于产生转矩信号的上角位置感测器件中的每一个均包括两个角位置传感器，所述两个角位置传感器中的每一个均适于产生输出信号中的一个，所述输出信号中的每一个均独立于另一个。因此，每个感测器件将提供两个信号通道1和2，从而允许产生独立的第一转矩信号和第二转矩信号。

更具体地，上角位置感测器件的角位置传感器中的每一个可以包括携带附接至轴的调制轨道的旋转式感测元件和检测器、或普通的旋转式感测元件可以与两个检测器一起使用，使得所述两个通道完全独立但是共享物理转子。类似的布置可以提供用于下角位置感测器件的传感器中的每一个传感器。

上柱传感器和下柱传感器中的每一个均具有较高的分辨率(精细角度传感器)且可以产生周期重复的信号，所述周期小于相应的上轴和下轴的一转，使得在输出信号自身上，每个输出信号不指示上轴和下轴的任意一者的绝对位置。信号可以以20度或以40度重复，或者一个信号以20度重复而另一个信号以40度重复。一个或多个上柱传感器可以以20度重复而一个或多个下柱传感器以40度重复。当然，可以在本发明的范围内使用其它角度的重复。

处理器件可以处理每个通道的上信号和下信号，以通过使用差值处理来产生转矩信号，在差值处理中，两个信号的相对相位被确定且转矩从所述两个信号值之间的差值中得出。在通道的每个输出信号在重复之前线性变化的情况下，转矩的增大将导致通道的表示在扭力杆上的转矩的两个输出信号之间的相位漂移。

在上柱传感器和下柱传感器的输出信号中的每一个在超过轴的一个完整旋转上不提供柱绝对位置测量值的情况下，所述装置还可以包括次要上柱传感器，所述次要上柱传感器产生依赖于输入轴的位置的输出信号，处理器件可以通过组合该传感器的输出与上柱传感器和下柱传感器中的一者的输出来产生上柱绝对角位置信号。该另外的次要上柱角位置传感器可以是上柱位置感测器件的一部分。

该次要传感器可以包括组合的转矩和位置传感器的一部分。

因此，所述组合的转矩和角位置传感器包括总共五个传感器：上柱感测器件包括两个上柱传感器和一个次要传感器，下柱感测器件包括两个下柱传感器。

处理器件可以输出以下信号：转矩通道1、转矩通道2、来自上传感器的精细角度信号(或来自如下所述的下传感器和上传感器的上虚拟角度)和粗糙角度信号。

处理器件可以适于通过组合次要传感器的输出和下柱轴传感器输出信号中的一个输出信号来产生用于上柱的绝对角位置信号；且在组合之前或组合期间，处理器可以修正下柱轴传感器的输出信号，以移除扭力杆的由处理器产生的转矩信号所指示的任何扭转的影响。

需要进行修正，以将下传感器的参考系带至上柱传感器的参考系中，从而允许虚拟的上信号与粗糙角度信号组合，以产生上柱绝对角度信号。如果在产生绝对位置信号中来自上柱感测器件的输出信号和下柱轴传感器不起作用，则将不需要修正。

系统可以包括电动机控制器，所述电动机控制器接收转矩信号中的至少一个并且导致电动机产生辅助转矩。电动机控制器还可以接收由处理器产生的绝对位置信号。

本领域技术人员将理解的是，通过使用术语“连接的”，我们指的是直接接触或间接连接的部件，所述间接连接例如通过中间部件，比如位于电动机和输出轴之间的齿轮箱来实现。

电动机位置传感器可以包括比如旋转式编码器的物理位置传感器。替代地，电动机位置传感器可以包括虚拟位置传感器，在所述虚拟位置传感器中，转子的位置通过监测电动机的一个或多个参数(比如一个或多个电动机相中的电动机电流以及电动机感应系数)来确定。

第三转矩信号可以通过产生虚拟转矩信号来产生，并且为了这样做，处理器件可以包括：下柱绝对位置确定器件，所述下柱绝对位置确定器件从电动机位置确定下柱的绝对位置；和

虚拟转矩确定器件，所述虚拟转矩确定器件比较上柱绝对位置信号和下柱绝对位置信号以确定扭力杆的偏转并由此确定转矩。

虚拟转矩可以从扭力杆的角偏转来确定。

第一角位置信号和另外的角位置信号(其在设置有另外的上柱传感器时，来自该另外的上柱传感器)可以随着上柱轴转动而周期性地重复，信号在多次旋转中偏移成异相位，以使得能够在多于一转的情况下确定绝对位置测量值。

为了确定下轴的绝对角位置，要求处理器件能够在与柱轴相同的参考系中确定电动机的绝对位置。

电动机位置传感器可以产生一数值，该数值在电气旋转的每360度中从最小增大到最大，之后针对每个完整的电气旋转一遍又一遍地重复。

为了有助于进一步处理，可以形成解卷绕的电动机位置信号。在接通时，这被初始化为从电动机位置传感器读到的初始值。在每一随后的软件迭代中，当前的电动机位置信号和之前的电动机位置信号之间的差值被累加到解卷绕的电动机位置信号。当形成了当前的电动机位置信号和之前的电动机位置信号之间的差值时，任何大于180度或者小于-180度的差值表示电动机位置信号已经被卷绕。所述差值被添加或减去360度以将该差值带回至+/-180度的范围。该修正的差值被用于更新解卷绕的电动机位置信号。

为了将该重复的信号转化成在上柱轴参考系中的绝对位置信号，处理器件可以额外地对该信号添加增量偏移值，该增量偏移值表示在上柱处于零度且没有转矩施加在扭力杆上时的时刻处电动机在一个电气旋转中的角位置。

另外，处理器件还可以将该信号施加至电动机基位置值，所述电动机基位置值表示电动机从笔直向前的位置进行了多少个电动机电气旋转，笔直向前的位置典型地具有对应于上轴也处于零度且扭力杆不承载转矩时的零值。

在下柱绝对位置在上柱参考系中进行确定的情况下，需要这些偏移值中的两者，没有这些偏移值，不能够进行下柱绝对位置和上柱位置之间的比较。

增量偏移可以存储在存储器中且可以保持为在系统切换至进行位置测量的状态时的接通期间使用。

电动机基位置值不能被存储以在接通时使用，因为电动机基位置值可以在系统被断开且不进行测量时变化。

处理器件可以适于在接通时通过比较来自位置传感器的电动机位置和上柱绝对位置来确定最有可能的中心候选值以确定电动机基位置值，从而选择更高的候选值和更低的候选值，并且在随后的转向系统的无动力运动期间从每个候选值产生扭力杆偏转值并且排除在转向系统运动时的时间范围内给出不可信的扭力杆偏转值的候选值，直至仅剩下一个可信的候选值，其中，所述更高的候选值比中心候选值高一个电动机卷绕，所述更低的候选值比中心候选值低一个电动机卷绕。

在接通时，三个候选值中的任一个都是可信的。然而，在使用中，除了一个以外的全部候选值将产生具有物理上不可能存在的值的扭力杆偏转信号，因为扭力杆的物理偏转由止动器限制。

当然，如果在接通时已知转矩传感器是工作的，则无需采取该方法。在那种情况下，扭力杆中的转矩将是可信的，且能够在观测电动机位置时采用，以给出电动机基偏移的简单计算。

转矩传感器和电动机位置传感器可以每者均包括分离的处理单元，每个处理单元具有其自己的集成电路和计时器。申请人已经意识到的是，这能够导致在捕捉位置信号中的小的计时误差，计时误差能够给出在由转矩传感器产生的转矩信号和虚拟转矩信号之间的不可接受的误差。

为了补偿该情况，每个处理单元可以将时间标识施加至信号，以指示信号值对应的精确时间。在需要对来自两个处理单元的信号进行组合的任何处理期间可以施加修正，以补偿时间标识中的任何不同。这有效地使得信号能够被调整，以将信号带至在时间上精确的相同参考系中。

读者将理解的是，在本发明范围内的至少一种布置中，在用于形成转矩通道中的一个转矩通道的部件和用于产生绝对角位置信号的部件之间存在一些共性。这能够导致共同的故障模式，在所述故障模式中，能够产生转矩信号的故障，转矩信号的故障导致绝对位置信号的故障。

因此，装置可以布置成在来自次要上轴角位置传感器的输出信号和虚拟上柱位置信号之间执行交叉校验，在两个信号不随着转向盘的旋转而以期望的方式相对于彼此变化的情况下产生错误信号。在没有错误的系统中，虚拟的柱位置信号和次要位置传感器输出信号两者将在转向盘被转动时追随彼此。在实际中，虚拟的柱位置信号和次要位置传感器输出信号将由于传感器转子的惰转或其它效应而相对于彼此变化，并且该变化将是恒定的，且能够获悉系统的特征。

因此，处理器件可以适于在装置接通之后的初始获悉相位期间获悉角位置的期望变化。

获悉的变化可以存储在存储器中。一组特征可以获悉用于使转向盘沿着一个方向转动，一组不同的特征可以获悉用于使转向盘沿着另一方向变化。

存储的数据可以包括对应于转向系统的一组角位置(例如，100 个等距间隔开的角位置)中的每一个角位置的偏移值。一组可以存储用于在第一方向上的运动，而另一组用于在另一方向上的运动。

在至少一种布置中，次要角位置传感器可以具有不良分辨率(粗糙信号)。

在另一精细布置中，输出信号的每个值可以用精确的时间标识标记，所述精确的时间标识指示在所述值为正确时的时间。该时间标识可以绑定到时钟信号，所述时钟信号驱动每个产生信号的处理器。

所述装置还可以布置成使得当任意两个信号被组合时，两个信号的时间根据相应的时间标识对准，使得与信号的时间差值有关的任何差值被降低。

通过修正信号以确保信号在时间上是对准的，能够提高处理过的信号(比如转矩或电动机位置)的精确性。

附图说明

现在将参照附图，以示例的方式描述仅仅一个包含根据本发明的特征的转向系统的实施例，其中：

图1是落入本发明的范围内的电动助力转向系统的一部分的总图；

图2是图1的系统的电路的关键部分的框图；

图3示出了在图1的系统中使用的组合的转矩和角位置传感器的关键部件；

图4是图3的传感器的机械布置的总图；

图5更详细地示出了图4的传感器的感测电子器件的一个布置；

图6(a)至(b)示出了图3的传感器的输出信号的变化；

图7(a)是示出了向处理单元的输入、被馈送至电动机控制器的来自处理单元的转矩输出、和可以在处理单元中执行的处理阶段的系统图；图7(b)更详细地示出了可以执行以产生虚拟的上柱转矩和两个转矩通道信号的子阶段；

图8(a)至(c)示出了扭力杆的扭转对上下轴的相对位置的影响；

图9示出了(a)电动机位置传感器输出的变化，(b)下柱位置的相应变化(在该示例中取为包括零角度的名义增量偏移的零值)，和(c)电动机基位置值的变化；和

图10示出了当转向轴5由于传感器转子的惰转等而转动时角位置传感器输出之间的变化；和

图11示出了通过观测40度和296度角度信号之间的差值所产生的0-1480度的信号的产生。

具体实施方式

如图1所示，电动助力转向系统1位于转向盘和车轮之间的转向装置内。该系统包括电动机2，电动机2具有输出轴3，输出轴3通过齿轮箱4连接至下转向柱轴上，齿轮箱4通常包括与齿轮配合的涡轮。下轴间接地通过齿条-齿轮或其它连接件连接至车辆的车轮。上转向柱轴支撑转向盘，并且将上轴连接至下轴的是转矩传感器6。转矩传感器包括连接上轴和下轴的扭力杆，扭力杆设计成响应于在驾驶员转动转向盘时施加在扭力杆上的转矩而扭转已知的量。通过在上轴和下轴上提供止动器而将最大扭转限制在+-5度。

转矩传感器检测扭力杆的扭转，并且将该扭转转化成至少一个转矩信号，尽管将在一个优选实施例中可见的，转矩传感器产生了两个转矩信号通道，并且这些转矩信号中的一个被馈送到设置在微处理器芯片中的电动机驱动电路的控制器7中。控制器产生电动机的相电压，该相电压被施加至与电动机的每一相相关联的电动机侧桥的开关，以使电动机产生辅助驾驶员的转矩。这通常与测量的转矩成比例，使得当驾驶员施加更高的转矩时，电动机提供更高的辅助量以帮助转动转向盘。

如图2所示，控制器包括微处理器8，微处理器接收转矩信号和流入电动机的电流i(在每一相中的电流、或者进入电动机或从电动机出来的总电流)的测量值。微处理器还从连接至电动机的电动机转子角位置传感器接收电动机转子位置的测量值，或者微处理器在内部从电流信号计算该电动机转子位置。转子位置与电流一起允许控制器确定将被施加的转矩。来自转矩传感器的转矩的测量值被控制器所使用，以确定电动机需要多大的转矩。还有，这在本技术领域是众所周知的，并且在本技术领域已经提出了许多不同的控制策略和电动机相电压波形，以实现所需的转矩。

微处理器8的输出将通常是一组电动机相电压波形，通常为表示由控制器所需以实现期望的电动机电流以及因此实现电动机转矩的相电压的PWM波形。这些是低电平信号，并且被从控制器馈送至电动机侧桥电路9的输入部。电动机侧桥电路9的功能是将低电平信号转化成用于电动机侧桥10的开关的更高电平的驱动信号。以三相电动机为例，每一相将通过高压开关连接至正电源且通过低压开关接地，三相中的仅一相将根据由PWM开关波形所限定的样式在任意给定的时间处进行连接。

图3更加详细地示出了示例性转矩传感器组件，图4和图5仍然更加详细地示出了传感器的部件。在其最通用的形式中，转矩传感器能够是产生两个转矩通道和一个上柱位置信号的任何布置。理想地，所述两个转矩通道以及所述上柱位置信号应当彼此独立。

在该示例中，传感器选择为包括组合的双通道转矩和单通道上柱位置传感器，其具有组合在单个集成单元中的总共五个传感器11、12、13、14和15，所述单个集成单元具有共用的预处理单元，该预处理单元从来自传感器的原始内部信号产生传感器输出信号。传感器中的三个位于上柱轴5a上，两个位于下柱轴5b上，所述两个轴通过扭力杆18连接，扭力杆18随着施加在轴5上的转矩而扭转。

所述五个传感器包括：

-两个精细角度上柱角位置传感器13、14，其附接至扭力杆的上柱轴端部且每个传感器产生独立的角位置信号(通道1信号和通道2信号)，这两个精细角度上柱角位置传感器一起形成上柱感测器件的一部分；

-两个精细角度下柱角位置传感器11、12，其附接至扭力杆的最靠近电动机的下柱轴端部且每个传感器产生独立的角位置信号(通道1信号和通道2信号)，这两个精细角度下柱角位置传感器一起形成下柱感测器件；和

-次要上柱位置传感器15，其产生低分辨率的角位置信号且其能够被视作上柱感测器件的附加部分。

处理器17使用减法原理来检测扭力杆的扭转，从上轴的位置减去下轴的位置(或者反之)来确定用于扭力杆的角偏转值。这被进行两次，一次用于上通道和下通道1的信号，另一次用于上通道和下通道2的信号，以给出两个独立的转矩测量值或转矩通道。

如上所述，扭力杆18设计成沿着每个方向响应于最大期望转矩而围绕中心位置扭转通过最大+/-5度。一旦已经达到该范围，通过在上柱轴和下柱轴上的止动器的内接合来防止进一步的扭转，以保护扭力杆不被损坏且在扭力杆失效的情况下给出牢固连接。

每个角位置感测器件包括相应的金属转子19、20，金属转子包括平坦的金属盘，金属盘具有多个等距隔开的径向臂，径向臂形成在金属盘周围延伸的切口19a的环形轨迹。因此，总共存在两个盘，一个盘在下轴上，一个盘在上轴上。在附图的图4和图5中示出了示例性传感器组件的相关部分。

每个切口的角宽度等于每个切口之间的角间隔。下轴转子的切口的间隔是40度，而上轴的为20度(在图5的示例性转子和定子中，通过使线圈的径向臂之间间隔X度来设定角度，该角度对于上传感器和下传感器来说将是不同的)。角度的不同是由于特定的传感器组件以不同的方法制造时的物理约束所导致的，这对该描述的实施例来说是独特的。实际上，假如它们周期性地均为40度或更多度，则这将是优选的。

每个转子19、20与定子支撑部件21配合，定子支撑部件包括印刷电路板以形成两个角位置传感器。板21承载感测器件的工作部分，其包括两个励磁线圈和两组接收线圈，一个励磁线圈和一组接收线圈形成两个传感器中的一个传感器。每个传感器的励磁线圈形成LC电路的一部分且产生磁场。该磁场在金属转子中诱导出电流，进而转子产生其自己的磁场，该转子的磁场联接回在印刷电路板上的那个传感器的相应接收线圈。在三个接收器中的每个接收器中的诱导电压根据转子位置而变化，且传感器组件的预处理单元将三个信号转化成传感器的输出信号，该输出信号随转子位置线性地变化。当转子旋转时，角位置信号中的每一个将周期地线性变化，其中，对于下转子来说周期为40度，对于上转子来说周期为20度。因此，输出信号在上轴等的一个完整旋转期间重复许多次，它们自身在上轴的整个运动范围(其通常在转向盘的锁定到锁定的3至4转之间)内不提供轴的绝对位置的指示。

图6(a)和(b)示出了来自上传感器输出信号和下传感器输出信号的输出信号在没有施加转矩的情况下在转向轴的一个完整旋转中的变化。如能够看见的那样，每个输出信号在重复之前线性地变化20或40度。如果施加了转矩，则这些斜坡信号的相对相位将变化，并且其被用于确定转矩(扭力杆的最大扭转显著小于20度，因此在能够检测到的斜坡之间将总是存在明确的相位变化)。两个传感器的该形式的差值测量在本领域是众所周知的，因此在这里将不再解释。

上传感器输出信号和下传感输出信号被馈送到处理器件19(在图2中示出且在图7(a)中更详细地示出)中，处理器件输出被馈送至电动机控制器8的转矩信号。

在使用中，如图7a所示，处理器件19(通常为由微处理器和包含编程指令的相关存储器形成的单个处理器)将在第一阶段19a中比较来自上角位置信号和下角位置信号的用于通道1的输出信号，以产生第一(通道1)转矩信号T1，并且对通道2信号进行相同处理以产生通道2转矩信号T2，通道2转矩信号T2独立于通道1。在正常操作中，这些将提供相同的转矩值。

另外，处理器产生表示上轴的绝对位置的绝对角位置信号19b。这不能利用通道1或通道2角位置信号在通道1或通道2角位置信号自身上产生，因为它们以远远小于上柱轴的一转的周期重复。为了得到绝对位置信号，处理器因此还使用来自次要上柱轴位置传感器的输出信号。在图7(b)中更加详细地示出了形成于阶段19a内的该处理。

该次要传感器通过齿轮连接至上柱轴。这能够在图3中看到。该传感器15具有比上柱传感器或下柱传感器小的多的周期，并且在该示例中输出了线性变化的信号，该线性变化的信号在上轴每旋转296度时重复。这在图6(c)中示出。它包括具有北极和南极的单个磁铁，该磁铁转动经过单个霍尔效应传感器，从而给出斜坡波形，该斜坡波形一个周期变化296度。该信号是“粗糙”信号，因为对于数字信号中的给定水平的二进制位来说，它必须覆盖从0至296的所有值。通过对比，对于20度的传感器来说，它是“精细”信号，因为在数字信号中的二进制位必须覆盖小范围的角度，例如，对于数字信号中的给定数量的二进制位来说大于十倍的角分辨率。

为了得到柱的绝对位置，处理器可以处理次要传感器输出信号的值(每296度重复一次)和20度或40度传感器的值。在该示例中，处理器利用来自下柱传感器的通道1信号的修正形式处理信号值，通道1信号被修正以移除扭力杆的扭转的影响，以形成每旋转40度重复一次的“虚拟上柱位置信号”。该对比使得能够产生每1480度(因为这是在次要传感器的值和虚拟上柱信号的值成对之前的旋转角度)重复一次的用于上柱的唯一角位置信号。这在图11中示出。

“虚拟上柱位置信号”是下轴角位置传感器的输出的修正形式。下轴角位置由处理器考虑扭转扭力杆的转矩的影响而被修正或者被补偿。“虚拟上柱位置信号”每40度重复一次，而上角位置传感器每20度重复一次。该转换是必要的，使得组合的信号具有适当的范围且在重复之前能够覆盖所需的3转或更多转的转向盘锁定(即，计算非唯一的角位置值)。

注意到的是，这里使用“虚拟”上柱位置信号是针对20度传感器在上柱上而40度传感器在下柱上的该实施例而言的。如果它们正好相反，则将能够组合次要传感器值和上柱传感器通道1或通道2的值。如此的话，使用20度传感器将不会在典型的3至4转锁定至锁定上给出所需的唯一绝对位置信号，因为信号对将在上柱轴的很小转动(小于所需的3至4转锁定至锁定)之后给出非唯一的值。

处理器件19(当如上所述正确地起作用时)使用共同产生了通道1的转矩信号的一些传感器信息产生上柱绝对位置信号和两个转矩信号(通道1和通道2)。

控制器8仅需要两个转矩信号中的一个来起作用，即，控制器8需要有效的转矩信号。因此，在将通道中的一个传到控制器之前，组合的转矩和角位置传感器的处理器在阶段19c校验它们是否一致。如果它们匹配，则两个转矩信号的平均值被馈送至控制器9。如果它们匹配，则认为值是正确的。

如果校验阶段19c发现两个转矩信号不匹配，且不匹配超出了一可接受的安全量，则在该阶段还对两个转矩通道与第三“虚拟”转矩信号T3进行校验，所述第三“虚拟”转矩信号T3使用电动机位置传感器20产生，如现在将描述的那样。如果第三信号匹配转矩通道T1或T2中的一个，那么那个转矩通道被馈送至控制器8，因为那个转矩通道被认为是可靠的。如果第三信号不匹配通道1转矩或通道2转矩中的任一个，则在诊断输出19d处标记错误且停止辅助装置。

除了组合的转矩和位置传感器之外，装置因此包括具有其自己的处理器21的电动机位置传感器20。电动机位置传感器20在结构上与转矩传感器的位置传感器中的一个类似，具有转子和定子。转子和定子形成具有金属编码器盘的增量式编码器，所述金属编码器盘限定在整转上的编码器区域，其类似于附接至电动机转子的转矩传感器的编码器区域。传感器还包括与索引轨道配合的三个霍尔效应传感器，每个霍尔效应传感器产生与其它两个霍尔效应传感器的信号具有120度异相位的信号。霍尔传感器1将0-120度的电角度读为1而将所有其它角度读为0。霍尔传感器2将120-240度的电角度读为1而将所有其它角度读为0。霍尔传感器3将240-0度的角度读为1而将所有其它角度读为0。

增量式编码器具有两个彼此具有90度异相位的传感器，以给出A和B通道。当转子旋转通过一个完整的电动机旋转时，A通道和B通道中的每一个将在0和1值之间变化，以给出如图9所示的重复波形。提供两个通道允许通过观察每个信号的边缘以何种顺序产生以及它们是上升边缘还是下降边缘来确定旋转的方向。增量式编码器随着转子的旋转而累加，直至转子已经经过了一个完全的旋转，此时计数器被重置为0且计数重复，或者所述方向改变且计数器倒着计数。

电动机2每机械旋转具有四个电气旋转，因此增量式编码器的一个周期(360度的电气周期)等于电动机转子的90度机械旋转。电动机输出轴随转子旋转且通过齿轮箱连接至下柱轴，所述齿轮箱对于下柱轴的完整的一转具有(电动机的)20.5转的比值。因此，电动机位置信号的每个周期将对应于下柱轴旋转4.39度。这在图9(a)示出。

电动机传感器的输出被处理单元在阶段19e中转化成位置的测量值，所述测量值由处理单元19使用如下方程表示在上柱轴参考系中：

虚拟的下柱绝对位置＝电动机基偏移+解卷绕的电动机位置信号值增量偏移；

其中：

电动机增量偏移是在(虚拟补偿后的)上柱角度传感器读为零度(且不存在扭力杆偏转)时的(卷绕的)电动机电气位置的值；

电动机基偏移具有指示上柱在接通时偏离零度多少个完整的电气转数的值。

电动机增量值和基值需要将电动机位置信号置于与由组合的转矩和位置传感器的处理器所产生的上柱绝对位置信号相同的参考系中。

增量偏移值能够变化，直到电动机位置传感器卷绕一圈(一个完整的电动机转子电气旋转)，这意味着增量偏移值在该示例中将取0至4.39度之间的值。实际值依赖于电动机位置传感器在组装期间如何与转向柱下轴对准且实际值在使用中将不变化。类似地，计数器中的每个增量(基值)将对应于从中心零位置旋转离开的4.39度。

现在将解释处理器件产生第三虚拟转矩信号的方法，特别地，处理器件如何计算电动机基位置值的方法。这应当结合图7(a)阅读，图7(a)示出了由处理器件19实施的处理阶段。

如上文描述的那样，假定计数值(电动机基位置)是可靠的且电动机的增量偏移在制造期间是已知的，则在阶段19e中从电动机位置信号20产生虚拟的下柱位置信号。稍后解释在操作期间(比如在接通之后当它们不可靠时)确定这些的过程，但是现在假定它们是已知的。

从虚拟的下柱位置信号能够确定下柱轴在上柱轴参考系中的位置。上柱轴的绝对位置是已经知道的，因为它由处理器单元19产生，作为两个转矩通道的产生的一部分。所述两个信号然后在阶段19f比较，以确定所述两个信号之间的差值。该差值指示扭力杆的扭转的量。利用扭力杆特性的知识(即，对于给定的转矩来说，扭力杆扭转多少)来处理该差值，使得能够通过处理器来确定扭力杆中的转矩，以形成虚拟转矩通道T3。

注意的是，尽管虚拟的下转向柱轴位置信号能够从电动机位置传感器产生，但是不能够产生准确的虚拟上柱位置信号，因为转矩是未知的且因此由于扭力杆的扭转而在下轴和上轴之间产生的偏移的影响是未知的。然而，如果依赖于通道1转矩T1或者通道2转矩T2以实施向上柱参考系的转换，则能够对扭转做出良好的估计。

本领域技术人员将理解的是，虚拟转矩的产生依赖于能够在相同的参考系中表达电动机转子的角位置和上柱轴的角位置。除了确定这些信号之间的关系的施加至扭力杆的实际转矩(其它的是信号捕捉的相对计时和电动机输出轴和下柱轴之间的任何齿轮箱余隙或柔量)之外，存在两个主要的因素：增量偏移和电动机基位置。

确定增量偏移

增量偏移通常将存储在永久性存储器中并且能够在制造之后以及在每次接通而重新使用时获悉。增量偏移将不变化。处理器件能够获悉偏移的一种方法是在处理器件已知在扭力杆上存在零转矩且在上柱轴笔直向前(即，处于零位置)时查找电动机位置信号。该校验能够在任意时间做出，只要转矩传感器是工作的，即：两个转矩通道均给出相同的读数。

替代地，装置可以获取修正用于扭力杆偏转的上柱角度(因此现在为下柱角度)和解卷绕的电动机角度之间的差值。然后，装置可以考虑该角度在除以4.39度之后的余数。该余数是电动机增量偏移。该方法具有能够连续操作的优势。由于在车辆中不存在确保的各单元的对准，因此可能的是，在一些车辆中，如果转向齿轮将行程限制到传感器输出的1480度的总范围的大约1080度，则上柱角度将永远不会读为零度。

确定电动机基位置

不像增量偏移(其由于在电动机和下柱轴之间的固定角度关系而仅仅被获悉一次)那样，电动机基位置在接通时通常将是未知的。这是因为当系统被切断且不获悉或监测传感器信号时，转向可以被转动通过任意角度，这将导致电动机转子旋转通过一个或多个完整的转数。在接通时，能够从电动机位置传感器来直接确定电动机转子的相对角度，但是电动机基位置将是未知的，因为计数器的值未被更新，因此将是不可靠的。

在接通之后和提供任何辅助转矩之前(在跛行回家模式期间)的使用系统期间，获悉电动机基位置的处理因此在处理器件中提供。

初始时，在接通之后，通过从上柱角度减去下柱角度(修正用于电动机增量偏移的电动机角度)并且将结果四舍五入至最接近的电动机旋转(4.39度)来产生电动机基偏移的估计值。

另外，选择比该估计值少卷绕一圈的电动机基偏移并且获取了比该中心估计值多卷绕一圈的电动机基偏移。在接通时存在由扭力杆承载的大量级转矩的情况下，这些电动机基偏移中的每一个均是可信的电动机基偏移值，因为扭力杆的偏转可能已经诱导了最多一个额外的电动机旋转(一个电动机旋转为上轴旋转的4.39度，且允许的扭力杆旋转的最大值为5度，其小于2*4.39度)。

能够参照图8来理解对三个估计值的需求，图8示出了可以在扭力杆中存在从0到+-5度之间的未知量级的扭转α。在0度扭转的情况下，在图8(a)中示出的两个标记将如示出的那样在一直线上，且中心估计值将被证明是正确的。在正5度扭转的情况下，中心估计值将偏差5度或1转(当四舍五入时)，因为电动机将比由中心估计值所建议的数值多转1圈。在负4度扭转的情况下，中心估计值将再次偏差，因为电动机将少转一圈。

接下来，随着车辆被驱动，根据所述三个电动机基位置值中的每一个来计算扭力杆的偏转。在扭力杆的转矩的极限处，这些估计的电动机基位置值中的两个将给出扭力杆扭转的不可能的量，并且因此能够被排除。

下面陈述在接通时系统在三个可能情形(零转矩、大的正转矩和大的负转矩)中的每一个情形中的行为。

在接通时的零转矩或低转矩

在该情况中，中心值是正确的值，尽管中心值在初始时是未知的。使用全部的三个电动机基值来计算扭力杆偏转。当施加了大的正转矩时，计算的扭力杆偏转的值(或者计算的第三虚拟转矩值)将落入中心值的可信范围内、但落入用于最大的电动机基位置值的可信范围之外。该最大值因此能够排除为用于接通的可信值。类似地，当施加大的负转矩时，第三扭力杆偏转将停留在中心值的可接受范围内，但是低电动机基位置值将给出一扭力杆偏转，该扭力杆偏转在可接受范围之外并且能够被消除，仅留下中心值作为正确的值。然后，该正确的值被用作电动机基位置值且系统被从跛行回家模式中带出，以施加辅助转矩。

在接通期间在扭力杆上施加正转矩

以类似的方式，如果在接通期间存在正转矩且负(或小的正)转矩被施加到扭力杆，那么首先，最小估计值将给定一扭力杆偏转，该扭力杆偏转位于可允许的范围之外且能够被消除。当更大的负转矩被施加时，中心估计值将被消除。

在接通期间在扭力杆上施加负转矩

以类似的方式，如果在接通期间存在负转矩且正转矩被施加至扭力杆，那么首先最大的估计值及中心估计值将给定一扭力杆偏转，该扭力杆偏转位于可允许的范围之外且能够被消除。

申请人还意识到的是，系统中任何小的计时误差都能够导致转矩估计值的大误差。这在由两个不同的处理器提供信号的情况下(如一个负责发动机位置传感器处理，且另一个负责转矩传感器处理的情况那样)是个特别的问题。为了减轻该问题，时间标识被施加至在每个处理单元中产生的每个位置信号值上。然后，当来自不同单元的信号被组合时，能够施加修正，以将它们准确地带至相同的时帧内，从而允许任何误差的量级被降低到可接受的边界范围内。

为了改进由各种处理器产生的信号的精度，由传感器产生的原始信号的每个采样值(例如角位置传感器输出信号和电动机位置信号)被给予一时间标识。该时间标识表示样本被捕获时的精确时刻。在数字系统中，每个输出信号将包括一连串的离散值，每个离散值表示在给定时刻处的测量参数的状态。准确计时将依赖于用于产生信号的处理器的时钟，并且在使用两个或更多个处理器的情况下，时钟的边界可能没有精确地对准或者可能在分离了一个或多个时钟周期时捕获样本。

当比较信号时，由处理器观测分配给每个值的时间标识。然后，在两个时间标识之间的差值由处理器件确定并且被乘以从历史位置测量值确定的柱速度的测量值或估计值。这产生一修正值，该修正值能够被添加至测量的信号，以有效地将更早的信号(具有最早时间标识的信号)插值到最新的信号帧中。该方法假设速度在那个时间是恒定的，这在大部分情况下是合理的。信号从而是“时间对准”的，因此它们在时间上对应于准确的相同时刻。

通过使信号在时间上对准，能够实现产生的信号精度的有用提高。

角度信号的交叉校验

在该特定实施例中，通过依赖于不存在误差的通道1下角度信号和上角度信号(因为需要这些来产生虚拟的上柱角度信号)来产生虚拟转矩。在转矩通道2已经失效的情况下，我们终止于两个转矩通道的一个通道(我们的仍然良好的通道)和虚拟转矩信号两者均依赖于正确地起作用的相同部件的情况。这是一种潜在的共同失效模式。在(例如)上柱角度信号中的失效能够导致转矩通道中的一个和虚拟转矩信号两者具有相同量的误差。虚拟转矩诊断将不检测该失效。为了防止该失效模式，我们在虚拟上柱角度信号上引入了独立的校验。该校验使用独立的(粗糙角度)信息以检测共同模式失效。

因此，由校验单元做出校验，在校验单元中，两个绝对的角位置信号从40度的精细角度传感器和粗糙角度传感器产生，然后比较所述两个绝对的角位置信号。

这些信号中的第一信号使用用于分辨率的精细角度传感器产生，而粗糙角度传感器的值指示存在40度精细角度传感器的哪些“重复”(通过观察两个传感器的输出之间的相对相位)。例如，在70度的绝对位置的情况中，精细角度传感器将读为“30度”，而粗糙角度传感器读为70度，这使得处理器能够确定精细角度传感器重复了一次并且给出30+40度＝70度的位置。

第二绝对位置通过使用粗糙角度传感器以确定分辨率和精细角度传感器以确定转向进行了多少次重复(即，粗糙角度传感器的多个转)来算出。例如，在70度的情况下，粗糙角度传感器将读取70度，且与精细角度传感器的交叉校验将显示粗糙角度传感器处于其第一转上，从而给出70+0＝70度的角度。

假如在任一传感器中存在错误，则两个绝对位置值将不一致，且将由校验单元标记错误。

校验单元还可以执行对虚拟的上柱角位置值的变化和上柱位置信号中的一个或者两个的输出在轴5的角度中的变化的校验。申请人已经意识到的是，当轴旋转时，由于比如转子惰转等事情，在每个传感器相对于另一传感器的输出中将存在一些变化。两个传感器之间的这些角度变化在组件的使用期间将是恒定的，并且能够在转向装置旋转时监测且存储在存储器中。如果传感器之间的角位置变化不以期望的方式变化，则校验单元可以标记一错误。由于在轴旋转的情况下，在使用转向系统期间存在许多示例，因此易于在校验单元中有规律地执行该校验。

图10示出了角度针对旋转的正方向和负方向两者的典型变化。两者由于比如传感器中的余隙的影响而不同。这些差值可以存储在校验单元的存储器中。替代地，不是绝对的差值，而是角度的变化值可以被存储，例如，误差对于1度的正旋转来说增大X，然后对于下一角度来说降低Y，诸如此类。还有，校验单元将寻找期望的变化模式。

当然，可以在校验单元的外部实施校验，例如，校验单元是单独的处理单元或者在组合的转矩和角位置传感器组件自身内。

Claims (17)

1.一种电动助力转向装置，包括：

组合的角位置和转矩传感器组件，所述组合的角位置和转矩传感器组件包括：上柱轴，所述上柱轴在使用中操作地连接至车辆的转向盘；下柱轴，所述下柱轴在使用中操作地连接至车辆的车轮；扭力杆，所述扭力杆使上柱轴和下柱轴互连；

第一转矩信号产生器件，所述第一转矩信号产生器件根据扭力杆的角偏转产生第一转矩信号；

第二转矩信号产生器件，所述第二转矩信号产生器件根据扭力杆的角偏转产生第一转矩信号；

绝对位置信号产生器件，所述绝对位置信号产生器件在使用中产生指示上柱轴的角位置的上柱绝对位置信号；

电动机，所述电动机连接至所述组合的角位置和转矩传感器组件的下柱轴，使得电动机的角位置的变化产生输出轴的角位置的相应变化，且相对的角位置不受由扭力杆承载的扭转的影响；以及

由电动机承载的电动机位置传感器，所述电动机位置传感器根据电动机转子的角位置提供电动机位置信号；

其特征在于，所述装置还包括虚拟转矩信号产生器件，所述虚拟转矩信号产生器件在使用中适于从电动机位置信号和由处理器件产生的绝对角位置信号的组合确定第三转矩信号。

2.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括上柱角位置感测器件，所述上柱角位置感测器件产生依赖于上柱轴的角位置的至少一个输出信号；

下柱位置感测器件，所述下柱位置感测器件产生依赖于下柱轴的角位置的至少一个输出信号；以及

处理器件，所述处理器件从来自上柱传感器和下柱传感器的输出信号产生第一转矩信号，并且从来自上柱传感器和下柱传感器的输出信号产生独立的第二转矩信号。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述绝对位置信号产生器件包括次要角位置传感器，所述次要角位置传感器附接至上柱并且产生一绝对位置信号，所述绝对位置信号在上柱的角旋转范围内是唯一的、优选地在超过上柱的一转的范围内是唯一的、最优选的在超过3转或更多转的范围内是唯一的。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述次要角位置传感器通过齿轮连接至上转向柱，所述齿轮可以相对于上柱轴逐步增加或逐步降低传感器的旋转。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的装置，其中，所述绝对位置信号产生器件布置成使用来自上柱位置传感器和下柱位置传感器中的一者的输出信号中的一个输出信号连同所述另外的角位置传感器的输出来产生独立的上柱绝对角位置信号，这可以包括使用差值处理，在所述差值处理中，通过查找来自两个传感器的具有不同相位的信号之间的差值来算出角度。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述处理器件适于通过组合次要传感器的输出和下柱轴传感器输出信号中的一个输出信号来产生用于上柱的绝对角位置信号；且在组合之前或组合期间，处理器可以修正下柱轴传感器的输出信号，以消除扭力杆的由处理器产生的转矩信号所指示的任何扭转的影响。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述绝对位置信号产生器件与第一转矩信号产生器件和/或与第二转矩信号产生器件共享一个或多个传感器。

8.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，所述装置还包括交叉校验器件，所述交叉校验器件布置成将第一转矩信号和第二转矩信号与第三转矩信号进行交叉校验，以校验所述组合的角位置和转矩传感器的完好性。

9.根据引用权利要求2的前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，上柱角位置感测器件中的一个包括两个角位置传感器，所述两个角位置传感器中的每一个均适于产生输出信号中的一个，所述输出信号中的每一个均独立于另一个。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，上柱传感器和下柱传感器中的每一个均具有较高的分辨率且产生以一定周期重复的信号，所述周期小于相应的上轴和下轴的一转，使得每个输出信号自身不指示上轴和下轴的任意一者的绝对位置，并且其中，处理器件处理每个通道的上信号和下信号，以通过使用差值处理来产生转矩信号，在差值处理中，两个信号的相对相位被确定且转矩从所述两个信号值之间的差值中得出。

11.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述组合的转矩和角位置传感器组件包括五个传感器：上柱感测器件包括两个上柱传感器和一个次要传感器，下柱感测器件包括两个下柱传感器。

12.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，所述装置还包括电动机控制器，所述电动机控制器接收转矩信号中的至少一个并且导致电动机产生辅助转矩。

13.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述处理器件包括：

下柱绝对位置确定器件，所述下柱绝对位置确定器件从电动机位置确定下柱的绝对位置；和

虚拟转矩确定器件，所述虚拟转矩确定器件比较上柱绝对位置信号和下柱绝对位置信号以确定扭力杆的偏转并由此确定转矩。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，电动机位置传感器产生在每360度的电气旋转中其值从最小增大到最大的信号，并且其中，处理器件将该重复信号转化成在上柱轴参考系中的绝对位置信号，所述绝对位置信号包括在上柱处于零度且没有转矩施加在扭力杆上时的时刻处指示电动机在一个电气旋转中的角位置的增量偏移值。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，处理器件在使用中还产生电动机基位置值，所述电动机基位置值表示电动机从笔直向前的位置进行了多少个电动机电气旋转，所述笔直向前的位置通常具有对应于上柱也处于零度且扭力杆不承载转矩时的零值。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述增量偏移值存储在存储器中且保持为在系统切换至做出位置测量的状态时的接通期间使用。

17.根据权利要求14或15所述的装置，其中，处理器件适于在接通时通过比较来自位置传感器的电动机位置和绝对上柱位置来确定电动机基位置值，以确定最有可能的中心候选值，从而选择更高的候选值和更低的候选值，所述更高的候选值高于中心候选值一个电动机基位置值，所述更低的候选值低于中心候选值一个电动机位置值，并且在随后的转向系统的无动力运动期间从每个候选值产生扭力杆偏转值并且排除在转向系统运动时的时间范围内给出不可信的扭力杆偏转值的候选值，直至仅剩下一个可信的候选值。