CN112740000A - 用于机动车辆转向系统的感应角度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量引入到机动车辆的上转向轴(3)中的扭矩的扭矩传感器单元(11)，其中，上转向轴(3)可以经由扭力杆(12)连接至下转向轴(4)，其中，扭矩传感器单元(11)具有两个感应传感器(13、14)，其中，第一感应传感器(13)可以连接至上转向轴(3)以测量上轴向轴(3)的旋转位置，并且第二感应传感器(14)可以连接至下转向轴(4)以测量下转向轴(4)的旋转位置，并且其中，评估单元被设计成处理两个感应传感器(13、14)的信号，并且由此通过两个转向轴(3、4)的旋转位置之间的角度差来计算扭矩。

Description

用于机动车辆转向系统的感应角度传感器
本发明涉及具有权利要求1的前序部分的特征的扭矩传感器单元，用于具有该扭矩传感器单元的机动车辆的机电动力转向系统，以及具有权利要求14的前序部分的特征的用于确定引入到机动车辆转向系统的上转向轴中的扭矩的方法。
扭矩传感器用于机动车辆中，以测量由驾驶员引入到方向盘中的扭矩。目前使用的扭矩传感器是磁性传感器，磁性传感器的测量可能会很容易被外部磁场干扰。未来的机动车辆将完全或部分地以电的方式进行操作，并且在一定程度上现在的机动车辆已经完全或部分地以电的方式进行操作，这可能会由于传导高电流且经常位于转向系统附近的线缆而导致高度受外部场影响的测量值。此外，目前使用的磁性传感器具有较低水平的精度。
因此，本发明的目的是指定一种下述扭矩传感器：该扭矩传感器具有提高的精度并降低了现有的磁干扰场对扭矩值的确定的影响。
该目的通过具有权利要求1的特征的扭矩传感器单元以及具有权利要求14的特征的用于确定扭矩的方法来实现。
因此，提供了一种用于测量引入到机动车辆的上转向轴中的扭矩的扭矩传感器单元，其中，上转向轴可以经由扭力杆连接至下转向轴，其中，扭矩传感器单元具有两个感应传感器，其中，第一感应传感器可以连接至上转向轴以测量上轴向轴的旋转位置，并且第二感应传感器可以连接至下转向轴以测量下转向轴的旋转位置，并且其中，评估单元被设计成处理两个感应传感器的信号，并且由此借助存在于两个转向轴的旋转位置之间的角度差来计算扭矩。扭矩传感器所基于的感应传感器系统是具有较短行程的非接触式传感器技术，该传感器技术允许在存在灰尘、污垢、油和湿气的情况下成本有效且高分辨率地感测到导电物体，这使传感器非常可靠。
感应传感器优选地在每种情况下具有承载板和电路板，承载板可以以旋转固定的方式连接至对应的转向轴，电路板在空间上相对于承载板固定，其中，在承载板上布置有至少一个导电轨道，并且在电路板上布置有感测装置，该感测装置具有两个线圈，所述两个线圈是谐振电路的一部分，并且其中，感测装置被设计成感测所述至少一个导电轨道，以在对应的转向轴的旋转运动期间产生与角度相关的传感器信号。
优选的是，所述至少一个导电轨道自身是闭合的并且围绕承载板的中心点延伸。
所述至少一个导电轨道优选地具有波形图案，该波形图案允许在转向轴的整个回转中确定绝对角度。
在一个实施方式中，每个传感器设置有单个导电轨道，所述轨道由两个对应的线圈感测，其中，两个线圈相对于彼此成90度的角度布置。在这种情况下，感测装置优选地具有电子控制单元，该电子控制单元配置成借助于CORDIC算法确定转向轴的旋转角度。
如果电路板相对于转向轴的中心非对称地布置，则是有利的，因为这种改进方案允许特别紧凑的设计。
优选的是，所述至少一个导电轨道由铜形成。
还可以设置的是，所述两个线圈配置成彼此独立使用。例如，这允许对相应的转向轴的转数进行计数或对扇形面进行检测。
在一个优选的实施方式中，第一感应传感器的线圈在纵向方向上位于感测装置的一个侧部上，并且第二感应传感器的线圈位于另一侧部上。因此，可以确保感应传感器检测具有尽可能小的干扰的信号。此处，如果在每种情况下，在感测装置的背离线圈的侧部设置下述电磁屏蔽件则是有利的：所述屏蔽件确保相应的感测装置的线圈仅读出指定的轨道。另外，可以设置的是，所述两个感应传感器的感测装置在周向方向上优选地位于扭力杆的相反侧部上，以使干扰进一步最小化。
另外，提供了一种用于机动车辆的机电动力转向系统，该系统包括：连接至方向盘的上转向轴、经由扭力杆连接至上转向轴的下转向轴、上述扭矩传感器单元以及用于根据扭矩传感器单元测得的扭矩辅助由驾驶员引入到方向盘中的转向运动的电动马达。
此外，提供了一种用于确定引入到机动车辆转向系统的上转向轴中的扭矩的方法，其中，上转向轴经由扭力杆连接至下转向轴，并且第一感应传感器连接至上转向轴以测量上转向轴的旋转位置，并且第二感应传感器连接至下转向轴以测量下转向轴的旋转位置，其中，该方法包括以下步骤：
·借助于第一感应传感器测量上转向轴的绝对旋转位置；
·借助于第二感应传感器测量下转向轴的绝对旋转位置；
·计算两个绝对旋转位置之间的角度差；以及
·借助于等式TSTW＝c*δ确定引入到上转向轴中的扭矩，其中，c是扭力杆的劲度系数，并且δ是角度差。
感应传感器在每种情况下优选地具有承载板和电路板，承载板以旋转固定的方式连接至对应的转向轴，电路板在空间上相对于承载板固定，其中，在承载板上布置有至少一个导电轨道，并且在电路板上布置有感测装置，该感测装置具有两个线圈，所述两个线圈是谐振电路的一部分，其中，线圈感测至少一个导电轨道，所述至少一个导电轨道与对应的转向轴一起旋转、围绕相应的转向轴延伸并且自身是闭合的，从而检测谐振电路的谐振频率的变化。
优选的是，所述至少一个导电轨道具有波形图案，该波形图案允许在转向轴的整个回转中确定绝对角度。
在一个有利的实施方式中，在每种情况下设置有单个导电轨道，该单个导电轨道由两个线圈感测，其中，所述两个线圈相对于彼此成90度的角度布置，并且对应的转向轴的旋转角度借助于CORDIC算法根据两个线圈的信号来确定。
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细地说明。在此处的所有附图中，相同或功能相同的部件具有相同的附图标记。在附图中：
图1：示出了机电式机动车辆转向系统的示意图，以及
图2：示出了具有感应扭矩传感器的机动车辆的转向系统的示意图。
图1是具有方向盘2的机电式机动车辆动力转向系统1的示意图，该方向盘2以旋转固定的方式联接至上转向轴3。驾驶员将对应的扭矩作为转向指令经由方向盘2引入到转向轴3中。然后，该扭矩经由上转向轴3和下转向轴4传递至转向小齿轮5。小齿轮5以已知的方式与带齿齿条6的带齿部段啮合。带齿齿条6安装成能够沿其纵向轴线的方向在转向壳体中移位。带齿齿条6在其自由端部处经由球窝接头(未示出)连接至横拉杆7。横拉杆7本身以已知的方式借助于短轴各自连接至机动车辆的一个转向轮8。方向盘2的旋转经由转向轴3和小齿轮5的连接而导致带齿齿条6的纵向移位，并且因此导致转向轮8的枢转。转向轮8经由底层表面80受到抵抗转向运动的反作用力。因此，为了使转向轮8枢转，需要一定的力，从而在方向盘2处需要对应的扭矩。设置有伺服单元10的电动马达9以在该转向运动期间辅助驾驶员。上转向轴3和下转向轴4经由扭力杆(未示出)以旋转弹性的方式彼此联接。扭矩传感器单元11感测上转向轴3相对于下转向轴4的旋转，作为手动施加至转向轴3或方向盘2的扭矩的量度。伺服单元10根据由扭矩传感器单元11测得的扭矩为驾驶员提供转向辅助。伺服单元10在此处可以作为动力辅助装置10、100、101联接至转向轴3、转向小齿轮5或带齿齿条6。相应的动力辅助装置10、100、101将附加扭矩输入到转向轴3、转向小齿轮5和/或输入到带齿齿条6中，由此在转向作业期间辅助驾驶员。图1中图示的三种不同的动力辅助装置10、100、101示出了用于其布置的替代性位置。通常，这些示出的位置中的仅一个位置配装有动力辅助装置。
图2图示了具有扭矩传感器单元11的转向系统。扭矩传感器单元11布置在上转向轴3与下转向轴4之间，上转向轴3连接至方向盘2，下转向轴4经由扭力杆12以旋转弹性的方式连接至上转向轴3。扭矩传感器单元11具有第一感应传感器13和第二感应传感器14，其中，第一感应传感器13测量上转向轴3的旋转角度，并且第二感应传感器14测量下转向轴4的旋转角度。
第一感应传感器13具有第一承载板15和第一静止感测装置16，第一承载板15以旋转固定的方式连接至上转向轴3，第一静止感测装置16与第一承载板15相关联并且布置在第一电路板18上，该第一电路板18连接至第一电子控制单元17。第一承载板15具有由优选为铜的导电材料制成的轨道19。轨道19自身是闭合的并且不具有起点和终点。轨道19的图案优选为具有围绕第一承载板15的中心点延伸的弯曲三角形形状的波形图案。该波形图案具有波峰和波谷并且周期性地重复。轨道19的图案并非相对于上转向轴3同心地形成。因此，轨道19的图案被实施成使得可以在轴的整个回转中确定绝对角度。
第一感测装置16的两个线圈80、81布置在第一电路板18上。第一电路板18优选地实施为PCB(印刷电路板)并且具有所有电子部件，特别是具有评估电路和线圈80、81。具有线圈80、81的第一电路板18直接位于第一铜轨道19的下方。第一电路板18未相对于上转向轴3的中央轴线同心地布置。
上转向轴3的旋转角度由第一感应传感器13评估，在第一感应传感器13中，第一承载板15上的铜轨道19被监测。第一线圈80、81是谐振电路的一部分。线圈80、81产生高频率磁场。如果轨道19在磁场中移动，则感应电流由于电磁感应而开始流动。谐振电路的谐振频率基于互感耦合而变化。如果有色金属物体、比如说例如铜轨道接近，则谐振电路的谐振频率增加。因此，如果铜轨道19远离线圈80、81，则互感耦合改变。第一传感器13监测导电轨道19相对于第一承载板15和/或旋转的上转向轴3的运动，并且因此计算绝对角度位置。两个线圈80、81在其相对于彼此成90°布置时足以计算角度。在上述三角形图案的情况下，两个线圈80、81的输出是正弦信号和余弦信号。根据行业标准，角度的计算基于坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法。该算法允许在几乎仅使用高速运算、比如对二次幂进行加法和乘法的情况下有效地计算基本三角函数和双曲线函数。
第二感应传感器14具有与第一感应传感器13相同的部件以及相同的运行方法。第二感应传感器14的部件通过对第一感应传感器13的附图标记加省字符来标识。
在这种情况下，第一感测装置16和第二感测装置16’布置在第一承载板15和第二承载板15’内。因此，感测装置的线圈80、81、80’、81’在纵向方向上位于感测装置16、16’或电子控制单元17、17’的相反侧部上。在电子控制单元17、17’的相应的另一侧部上设置有电磁屏蔽件20、20’，电磁屏蔽件20、20’确保相应的感测装置的线圈80、81、80’、81’仅读取指定的轨道19、19’，并且在该过程中不受干扰。因此，感测装置16、16’在周向方向上也优选地位于扭力杆12的相反侧部上。
根据两个感应传感器13、14测得的角度之间的角度差来计算作用在上转向轴3上的扭矩：
TSTW＝c*δ，其中，c是扭力杆的劲度系数，并且δ是角度差。
可以使用各自具有两个线圈的多个电路板，以允许高冗余度以及电子误差补偿(对机械误差的误差校正)的能力。线圈对可以成对布置在共用的PCB上或多个单独的PCB上。
两个感应传感器13、14可以彼此独立地用于例如计数转向轴的转数或检测扇形面。然而，两个感应传感器13、14也可以一起用于例如具有减速传动机构的转向角度传感器中，其根据游标原理运行。

Claims (17)

1.一种用于测量引入到机动车辆的上转向轴(3)中的扭矩的扭矩传感器单元(11)，其中，所述上转向轴(3)能够经由扭力杆(12)连接至下转向轴(4)，其特征在于，所述扭矩传感器单元(11)具有两个感应传感器(13、14)，其中，第一感应传感器(13)能够连接至所述上转向轴(3)以测量所述上轴向轴(3)的旋转位置，并且第二感应传感器(14)能够连接至所述下转向轴(4)以测量所述下转向轴(4)的旋转位置，并且其中，评估单元被设计成处理所述两个感应传感器(13、14)的信号，并且借助于两个转向轴(3、4)的所述旋转位置之间的角度差来计算所述扭矩。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器单元，其特征在于，感应传感器(13、14)在每种情况下具有承载板(15、15’)和电路板(18、18’)，所述承载板(15、15’)能够以旋转固定的方式连接至对应的所述转向轴(3、4)，所述电路板(18、18’)在空间上相对于所述承载板(15、15’)固定，其中，在所述承载板(15、15’)上布置有至少一个导电轨道(19、19’)，并且在所述电路板(18、18’)上布置有感测装置(16、16’)，所述感测装置(16、16’)具有两个线圈(80、81、80’、81’)，所述两个线圈(80、81、80’、81’)是谐振电路的一部分，并且其中，所述感测装置(16、16’)被设计成感测所述至少一个导电轨道(19、19’)，以在对应的所述转向轴(3、4)的旋转运动期间产生与角度相关的传感器信号。
3.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述至少一个导电轨道(19、19’)自身是闭合的并且围绕所述承载板(15、15’)的中心点延伸。
4.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述至少一个导电轨道(19、19’)具有波形图案，所述波形图案允许在所述转向轴的整个回转中确定绝对角度。
5.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，设置有单个导电轨道(19、19’)，所述单个导电轨道(19、19’)由所述两个线圈(80、81、80’、81’)感测，其中，所述两个线圈(80、81、80’、81’)相对于彼此成90度的角度布置。
6.根据权利要求5所述的扭矩传感器单元，其特征在于，相应的感测装置(16、16’)在每种情况下具有电子控制单元(17、17’)，所述电子控制单元(17、17’)配置成借助于CORDIC算法确定对应的所述转向轴(3、4)的旋转角度。
7.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，相应的电路板(18、18’)相对于对应的所述转向轴(3、4)的中心非对称地布置。
8.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述至少一个导电轨道(19、19’)由铜形成。
9.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述两个线圈(80、81、80’、81’)各自配置成彼此独立使用。
10.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述第一感应传感器(13、14)的所述线圈(80、81、80’、81’)在纵向方向上位于所述感测装置(16、16’)的一个侧部上，并且所述第二感应传感器(13、14)的所述线圈(80、81、80’、81’)位于另一侧部上。
11.根据权利要求10所述的扭矩传感器单元，其特征在于，在所述感测装置(16、16’)的背离所述线圈(80、81、80’、81’)的侧部上设置有电磁屏蔽件(20、20’)，所述电磁屏蔽件(20、20’)确保相应的所述感测装置(16、16’)的所述线圈(80、81、80’、81’)仅读取指定的轨道(19、19’)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述两个感应传感器(13、14)的所述感测装置(16、16’)在周向方向上优选地位于所述扭力杆(12)的相反侧部上。
13.一种用于机动车辆的机电动力转向系统，所述系统包括：上转向轴(3)，所述上转向轴(3)连接至方向盘(2)；以及下转向轴(4)，所述下转向轴(4)经由扭力杆(12)连接至所述上转向轴(3)；根据权利要求1至12中的一项所述的扭矩传感器单元(11)；以及电动马达(9)，所述电动马达(9)用于根据所述扭矩传感器单元(11)测得的扭矩辅助由驾驶员引入到所述方向盘(2)中的转向运动。
14.一种用于确定引入到机动车辆转向系统的上转向轴(3)中的扭矩的方法，其中，所述上转向轴(3)经由扭力杆(12)连接至下转向轴(4)，并且第一感应传感器(13)连接至所述上转向轴(3)以测量所述上转向轴(3)的旋转位置，并且第二感应传感器(14)连接至所述下转向轴(4)以测量所述下转向轴(4)的旋转位置，并且其中，所述方法包括以下步骤：
·借助于所述第一感应传感器(13)测量所述上转向轴(3)的绝对旋转位置；
·借助于所述第二感应传感器(14)测量所述下转向轴(4)的绝对旋转位置；
·计算两个绝对旋转位置之间的角度差；以及
·借助于等式TSTW＝c*δ确定引入到所述上转向轴(3)中的扭矩，其中，c是所述扭力杆(12)的劲度系数，并且δ是所述角度差。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，感应传感器(13、14)在每种情况下具有承载板(15、15’)和电路板(18、18’)，所述承载板(15、15’)以旋转固定的方式连接至对应的转向轴(3、4)，所述电路板(18、18’)在空间上相对于所述承载板(15、15’)固定，其中，在所述承载板(15、15’)上布置有至少一个导电轨道(19、19’)，并且在所述电路板(18、18’)上布置有感测装置(16、16’)，所述感测装置(16、16’)具有两个线圈(80、81、80’、81’)，所述两个线圈(80、81、80’、81’)是谐振电路的一部分，其中，所述线圈(80、81、80’、81’)感测至少一个导电轨道(19、19’)，所述至少一个导电轨道(19、19’)与对应的所述转向轴(3、4)一起旋转、围绕相应的所述转向轴(3、4)延伸并且自身是闭合的，从而检测所述谐振电路的谐振频率的变化。
16.权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述至少一个导电轨道(19、19’)具有波形图案，所述波形图案允许在所述转向轴的整个回转中确定绝对角度。
17.根据前述权利要求14至16中的一项所述的方法，其特征在于，在每种情况下设置有单个导电轨道(19、19’)，所述单个导电轨道(19、19’)由两个线圈(80、81、80’、81’)感测，其中，所述两个线圈(80、81、80’、81’)相对于彼此成90度的角度布置，并且对应的所述转向轴(3、4)的旋转角度借助于CORDIC算法根据所述两个线圈的信号来确定。
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