CN111670137B - 基于游标原理的转向角度传感器的运行期稳定性监测 - Google Patents

基于游标原理的转向角度传感器的运行期稳定性监测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定机动车辆的转向轴(3)的角度
Figure DDA0002612678250000011
的计算的不稳定性的风险的方法，其中，第一齿轮(11)固定至转向轴(3)，该第一齿轮(11)与其他至少两个较小齿轮(13、14)配合，其中，第一齿轮的齿数为n，第一较小齿轮(13)的齿数为m，并且第二较小齿轮(14)的齿数为m+1，其中，所述两个较小齿轮(13、14)的角度Θ和ψ被确定，并且转向轴(3)的角度位置
Figure DDA0002612678250000012
通过对等式φ求值来计算，其中，Ω为传感器范围的角度，并且整数k由K给出，其中，不稳定性的风险通过根据t＝k计算稳定性裕度t来确定。
Figure DDA0002612678250000013
Figure DDA0002612678250000014
Figure DDA0002612678250000015

Description

基于游标原理的转向角度传感器的运行期稳定性监测
技术领域
本发明涉及根据用于确定机动车辆的转向轴的角度的计算的不稳定性的风险的方法、用于通过该方法检测角度位置的装置以及机动车辆的具有这种装置的机电式动力转向系统。
背景技术
在机电式动力转向机构中，转向轴连接至用于由驾驶员操作的方向盘。转向轴经由小齿轮联接至转向齿条。转向横拉杆连接至转向齿条并且连接至机动车辆的被转向车轮。转向轴的旋转借助于以抗扭矩的方式连接至转向轴的小齿轮引起转向齿条的轴向移位。通过驱动电动马达向转向机构施加辅助力。在机电式动力转向机构中，多圈方向盘角度传感器可以包括多于一个的齿轮。第一齿轮安装在转向柱上，该第一齿轮具有向外指向的第一齿部，该第一齿部代表转向角度。一个或两个较小齿轮在第一齿轮的齿部上旋转。在使用两个较小齿轮的情况下，这两个较小齿轮具有高于1的齿轮比，并且这两个较小齿轮相差一个或更多个齿，使得一个齿轮比另一个齿轮转动得快。在这两个小齿轮的每个齿轮中，均布置有两极永磁体，从而为角度传感器提供磁信号。利用这种游标原理(Noniusprinciple)，可以在方向盘的被限定的转动范围内确定明确的转向角度。
US 5,930,905公开了一种用于利用游标原理测量车辆中的方向盘的角度位置的传感器结构和计算方法。具有n个齿的齿轮附接至转向轴。具有m和m+1个齿的另外两个齿轮与该齿轮联接、固定就位。该传感器在两个绝对角度传感器的帮助下测量这两个齿轮的角度，并通过软件解决方案计算转向轴角度。计算算法的输出很好地抑制了副齿轮角度误差，但是当超过了临界副齿轮角度误差极限时，计算的输出变得不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种对计算输出的稳定性的监测进行改进的软件解决方案。
该目的通过以下各者来实现：具有权利要求1的特征的用于确定机动车辆的转向轴的角度的计算的不稳定性的风险的方法；用于通过该方法检测角度位置的装置；以及机动车辆的具有这种装置的机电式动力转向系统。
因此，提供了一种用于确定机动车辆的转向轴的角度φ的计算的不稳定性的风险的方法，其中，第一齿轮固定至转向轴，该第一齿轮与其他至少两个较小齿轮配合，其中，第一齿轮的齿数为n，第一较小齿轮的齿数为m，并且第二较小齿轮的齿数为m+1，其中，所述两个较小齿轮的角度θ和ψ被确定，并且转向轴的角度位置φ通过对以下等式求值来计算：
Figure GDA0003657722680000021
其中，Ω为传感器范围的角度并且整数k由下式给出：
Figure GDA0003657722680000022
其中，通过根据下式计算稳定性裕度t来确定不稳定性的风险：
Figure GDA0003657722680000023
监测稳定性裕度允许检测不同的传感器误差，使得可以避免不稳定性。
优选地，根据下式来设定用于t的阈值thr：
Figure GDA0003657722680000024
其中，超过阈值thr指示转向轴角度φ的计算是不稳定的。阈值提供了用以决定是否存在不稳定情形的简单方法。在超过阈值的情况下发出警告是有利的。
在优选实施方式中，阈值thr在0.3至0.45之间，特别地等于0.4。
进一步有利的是，分析t的对称性，并且如果检测到预定阈值thra范围内的不对称性，则使用以下值对所述两个较小齿轮的角度测量的结果进行精细调节：
Figure GDA0003657722680000031
Figure GDA0003657722680000032
其中，接着通过下式来计算转向轴角度φ：
Figure GDA0003657722680000033
在优选实施方式中，阈值thra在0.1至0.2之间，特别地等于0.15。
这样，计算误差可以通过较小齿轮角度测量结果的重新校准而固定。优选地，将经精细调节的值保存在非易失性存储器中，使得所述值可以在系统重启之后被读出。
在优选实施方式中，在较小齿轮的传感器的校准丢失的情况下，执行自校准，其中，在第一步骤中，基于系统启动后的第一传感器读数来计算t，并且将较小齿轮角度传感器校准成具有常规的零输出，其中，较小齿轮角度偏差由下式计算：
Figure GDA0003657722680000034
Figure GDA0003657722680000035
并且所述较小齿轮角度偏差作为常数被应用在旋转角度φ的计算中。
优选的是m＝14并且n＝44。此外，Ω可以为360°。
提供了一种用于通过先前描述的方法检测角度位置的装置，其中，角度θ和ψ借助于传感器来检测，并且转向轴角度φ通过求值电路来确定。优选地，角度θ和ψ各自借助于一个传感器来检测。
此外，一种电动转向设备，该电动转向设备用于通过将由电动马达产生的支承扭矩赋予转向机构来辅助机动车辆转向，该电动转向设备包括：转向柱，该转向柱具有通过扭杆连结的上转向轴和下转向轴；以及如前所述的用于检测上转向轴的角度位置的装置。优选地，检测第一较小齿轮和第二较小齿轮的角度位置的传感器为GMR角度传感器，所述GMR角度传感器扫描与较小齿轮连接的磁体。
附图说明
将参照附图对本发明的优选实施方式进行描述。
图1：是机动车辆的具有多圈方向盘角度传感器的机电式动力转向系统的示意图；
图2：是具有两个副齿轮的多圈方向盘角度传感器的图示；
图3：是转向控制器的示意图；以及
图4：是由多圈方向盘角度传感器测量的信号图。
具体实施方式
图1是电动转向系统1的示意图。方向盘2固定至上转向轴3，驾驶员的转向运动经由扭杆传递至下转向轴4。下转向轴4经由齿条及小齿轮机构5联接至齿条6。上转向轴3和下转向轴4的伴随转向操作而发生的旋转通过齿条及小齿轮机构5被转换成带齿的齿条6的往复线性运动。齿条6的线性运动改变被转向车轮7的转向角度。为了提供转向辅助，可以将电动马达8安装至齿条6的侧部。转向辅助通过将来自马达8的辅助扭矩传递至齿条6来提供。转向控制器9接收代表车辆状态和由车辆操作者施加至方向盘的扭矩的信号，并且确定发送至马达控制器的目标马达扭矩。
根据图1的电动转向系统1配备有多圈方向盘角度传感器10。多圈方向盘角度传感器10的操作在图2中说明。
角度传感器10包括第一齿轮11，该第一齿轮11具有向外指向的第一齿部12，该第一齿部12具有n个齿。第一齿轮11固定至转向轴。两个较小齿轮13、14在第一齿轮的齿部12上旋转。副齿轮13、14绕齿轮轴线旋转，其中，齿轮轴线平行于转向轴轴线并且相对于转向轴轴线移位。这些较小齿轮13、14具有高于1的齿轮比并且它们相差一个或更多个齿，使得一个齿轮比另一个齿轮转动得快。在所示的示例中，齿轮13、14具有m和m+1个齿。利用这种所谓的游标原理，可以在转向轴或方向盘的例如四整圈内确定明确的转向角度φ。在优选实施方式中，m＝14且n＝44。所述两个较小齿轮的角度ψ和Θ在两个周期性角度传感器的帮助下进行测量。这些角度传感器的周期性将由Ω标识。通常Ω为360°，但是其他角度值也可以。
如图3中所示，通过转向控制器9以及包括电动马达8和马达控制器81的动力辅助致动器80提供电动辅助。示例中的转向控制器9接收代表车辆速度v和由车辆操作者施加至方向盘2的扭矩TTS的信号15。控制器9响应于车辆速度v、操作者扭矩TTS和转子位置信号ω来确定目标马达扭矩Td并将信号提供至马达控制器81，其中，马达电流I1经由PWM(脉冲宽度调制)计算。
计算绝对方向盘角度φ以影响转向操作所需的辅助。
旋转角度φ的计算根据US 5,930,905中提出的方法进行；在第一步骤中，计算表达式：
Figure GDA0003657722680000051
其中，角度ψ和Θ已经预先测量。在步骤二中，接着计算角度φ，其中，运用下式：
Figure GDA0003657722680000052
在步骤三中检查先前检测到的角度φ是否为负。如果是这种情况，则在步骤四中加上完整的角度周期。
软件连续监测计算的k值。稳定性裕度t被限定为k的被四舍五入的小数部分：
Figure GDA0003657722680000053
其中，t在(-0.5…0.5)的范围内。
对于每个传感器读数，均会计算稳定性裕度t。计算t在传感器范围Ω内的最小值和最大值。理想的无误差传感器在完整的传感器范围Ω内具有t＝0.0。当t接近0.5并且环绕-0.5时或者当t接近-0.5并且环绕0.5时，输出不稳定性发生。在不精确的传感器校准的情况下，t变得关于0.0不对称，从而导致次优的稳定性裕度。
不稳定性的风险通过设定阈值例如0.4来确定：
Figure GDA0003657722680000061
如果超过该阈值，则出现不稳定性并发出警告。稳定性阈值是逐段可变的常数。提出的阈值提供了用以监测方向盘角度计算的稳定性的简单方法。稳定性裕度的增加、预先指示的各种传感器误差可以被检测到，使得可以避免不稳定性。
如果转向在至少一个副齿轮旋转的转向范围内执行，则分析t的对称性。如果检测到预设阈值范围内的不对称性，则通过下式确定精细调节的传感器校准值：
Figure GDA0003657722680000062
Figure GDA0003657722680000063
然后由下式计算角度φ：
Figure GDA0003657722680000064
将经精细调节的值保存在非易失性存储器中，使得可以在下次系统启动时使用这些值。这样，副齿轮角度在运行期自调整，使得t理想地对称并且使稳定性阈值尽可能最大化。
此外，在线下传感器校准丢失的情况下，执行自校准。在第一步骤中，基于系统启动后的第一传感器读数来计算t。将副齿轮角度传感器校准成具有常规的零输出。计算初始副齿轮角度偏差：
Figure GDA0003657722680000065
Figure GDA0003657722680000066
并且将所述偏差作为常数应用在旋转角度φ的计算中。
图4示出了测量到的传感器输出不稳定性的示例。转向轴的角度φ的角度误差相对于参考角度来绘制。从上至下，前两条线100、101代表在第一副齿轮的0°偏差的情况下在传感器范围内计算的角度误差。计算的该角度误差关于0.0对称。接下来的两条线102、103代表在第一副齿轮的6°偏差的情况下在传感器范围内计算的角度误差。计算的该角度误差相对于0.0是高度不对称的。底部的线104示出了在第一副齿轮的12°的偏差的情况下计算的角度误差。

Claims (13)

1.一种用于确定机动车辆的转向轴(3)的角度φ的计算的不稳定性的风险的方法，其中，第一齿轮(11)固定至所述转向轴(3)，所述第一齿轮(11)与其他至少两个较小齿轮(13、14)配合，其中，所述第一齿轮的齿数为n，第一较小齿轮(13)的齿数为m，并且第二较小齿轮(14)的齿数为m+1，其中，所述第一较小齿轮(13)的角度ψ以及所述第二较小齿轮(14)的角度θ被确定，并且所述转向轴(3)的旋转角度φ通过对以下等式求值来计算：
Figure FDA0003657722670000011
其中，Ω为传感器范围的角度并且整数k由下式给出：
Figure FDA0003657722670000012
其特征在于，通过根据下式计算稳定性裕度t来确定不稳定性的风险：
Figure FDA0003657722670000013
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下式设定用于t的阈值thr：
Figure FDA0003657722670000014
其中，超过所述阈值thr指示转向轴的旋转角度φ的计算是不稳定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阈值thr在0.3至0.45之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阈值thr为0.4。
5.根据前述权利要求2-4中的一项所述的方法，其特征在于，对t的对称性进行分析，并且如果检测到预定阈值thra范围内的不对称性，则使用以下值对所述两个较小齿轮(13、14)的角度测量结果进行精细调节：
Figure FDA0003657722670000021
Figure FDA0003657722670000022
其中，接着通过下式计算所述转向轴的旋转角度φ：
Figure FDA0003657722670000023
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将经精细调节的值保存在非易失性存储器中，使得所述值能够在系统重启后被查询。
7.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述较小齿轮的传感器的校准丢失的情况下，执行自校准，其中，在第一步骤中，基于系统启动后的第一传感器读数来计算t，并且将较小齿轮角度传感器校准成具有常规的零输出，其中，较小齿轮角度偏差由下式计算：
Figure FDA0003657722670000024
Figure FDA0003657722670000025
并且所述较小齿轮角度偏差作为常数被应用在旋转角度φ的计算中。
8.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，m＝14并且n＝44。
9.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，Ω＝360°。
10.一种用于通过根据权利要求1所述的方法检测角度位置的装置(10)，其中，所述角度θ和ψ借助于传感器检测，并且转向轴的旋转角度φ通过求值电路来确定。
11.根据权利要求10所述的装置(10)，其特征在于，所述角度θ和ψ各自借助于一个传感器来检测。
12.一种电动转向设备(1)，所述电动转向设备(1)用于通过将由电动马达(8)产生的支承扭矩赋予转向机构来辅助机动车辆转向，所述电动转向设备(1)包括：转向柱，所述转向柱具有通过扭杆连结的上转向轴(3)和下转向轴(4)；以及根据权利要求10或11所述的装置(10)。
13.根据权利要求12所述的电动转向设备(1)，其特征在于，检测所述第一较小齿轮和所述第二较小齿轮的角度的传感器为GMR角度传感器，所述GMR角度传感器扫描与所述较小齿轮连接的磁体。
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