CN112867662A - 用于机动车辆转向系统的具有两极磁体的角度传感器 - Google Patents

用于机动车辆转向系统的具有两极磁体的角度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对机动车辆的转向轴(3、4)的旋转位置的旋转角度进行测量的角度传感器单元(12)，该角度传感器单元具有以共旋转的方式连接至转向轴(3、4)的一个端部的两极磁体(15)，并且该两极磁体具有相对于磁性轴线(14)相反的两个极(15)，其中，磁性轴线(14)对应于转向轴(3、4)的旋转轴线。角度传感器单元还具有分配给磁体(13)的与磁场方向相关的两个磁场传感器(16、17)，其中，所述两个磁场传感器(16、17)布置成使其灵敏的传感器表面平行于磁体(13)的外表面(18)并且所述两个磁场传感器与磁体(13)相距两个不同距离(A、B)，并且磁场传感器(16、17)的中心位于磁性轴线(14)上，并且角度传感器单元具有评估单元，该评估单元设定成通过使用来自所述两个磁场传感器(16、17)的信号和源自磁体(13)的磁场的并且分别存在于所述两个磁场传感器(16、17)的区域中的磁通密度而确定旋转角度。

Description

用于机动车辆转向系统的具有两极磁体的角度传感器
本发明涉及具有权利要求1的前序部分的特征的角度传感器单元、涉及用于具有该角度传感器单元的机动车辆的机电式动力转向系统和线控转向系统、并且涉及具有权利要求9的前序部分的特征的用于对机动车辆的以可旋转的方式安装的转向轴的旋转位置的校正旋转角度进行确定的方法。
角度传感器用于机动车辆中，尤其用以测量方向盘的转向角度。目前使用的角度传感器是磁性传感器，磁性传感器的测量可能非常容易被外部磁场扰乱。机动车辆将来会部分或全部地通过电力运行，并且在一定程度上已经如此，而这会由于经常位于转向系统附近的高电流传导电缆而导致高度受外部场影响的测量。因此，作用在磁性传感器上的这种干扰会对转向感应和转向的鲁棒性产生不利影响。
本发明的目的是提供一种在对旋转角度值的确定上具有提高的精确度并使存在的磁干扰场的影响减小的角度传感器单元。
该目的通过具有权利要求1的特征的角度传感器单元和具有权利要求9的特征的用于对机动车辆转向系统的电动马达的转子轴的旋转位置的旋转角度进行确定的方法来实现。
因此，提供了一种用于对机动车辆的转向轴的旋转位置的旋转角度进行测量的角度传感器单元，该角度传感器单元具有两极磁体，该两极磁体可以以抗扭矩的方式连接至转向轴的一个端部，并且该两极磁体具有两个极，所述两个极相对于磁性轴线彼此相反，其中，该磁性轴线对应于转向轴的旋转轴线。角度传感器单元还具有与磁场方向相关的两个磁场传感器，所述两个磁场传感器被分配给磁体，其中，所述两个磁场传感器布置成使所述两个磁场传感器的灵敏的传感器面平行于磁体的外部面，并且所述两个磁场传感器与磁体相距两个不同的距离，并且磁场传感器的中心位于磁性轴线上。此外，角度传感器单元具有评估单元，该评估单元配置成基于所述两个磁场传感器的信号和源自磁体的磁场的分别存在于所述两个磁场传感器的区域中的磁通密度来确定旋转角度。磁场的在所述两个传感器的区域中的通量密度可以借助于已知的几何学来计算。与磁场方向相关的所述两个传感器允许通过差分测量来消除泄漏场干扰，并因此可以确定无干扰旋转角度，这是因为假定干扰场在所述两个传感器的区域内中是均匀的。磁场传感器之间的距离优选地在1mm与5mm之间。可以假设的是，外部磁干扰场在该区域中是近似相同的。
磁场传感器优选地是AMR、GMR或TMR。
在一个优选实施方式中，磁场传感器布置在电路板的相反侧部上。
两极磁体优选地是永磁体。
评估单元优选地配置成通过形成所述两个磁场传感器的信号之间的差来独立于外部磁干扰场而确定旋转角度。
此外，提供了一种用于机动车辆的机电式动力转向系统，该机电式动力转向系统包括：转向轴，该转向轴安装成能够绕转向轴旋转轴线旋转并且可以采取各种旋转位置；电动马达，该电动马达用于辅助转向运动；以及如上所述的角度传感器单元。
上述角度传感器单元还可以在用于机动车辆的线控转向系统中使用，该线控转向系统具有：转向致动器，该转向致动器作用在转向轮上并且根据驾驶者的转向请求而被电子地控制；反馈致动器，该反馈致动器将道路的反作用力传递至方向盘；控制单元，该控制单元对反馈致动器和转向致动器进行致动。
此外，提供一种用于利用角度传感器单元对机动车辆的以旋转的方式安装的转向轴的旋转位置的校正旋转角度进行确定的方法，该角度传感器单元具有两极磁体，该两极磁体以抗扭矩的方式连接至转向轴的一个端部，并且该两极磁体具有两个极，所述两个极相对于磁性轴线彼此相反，其中，磁性轴线对应于转向轴的旋转轴线，并且角度传感器单元还包括：与磁场方向相关的两个磁场传感器，所述两个磁场传感器被分配给磁体；以及评估单元，该评估单元配置成借助于所述两个磁场传感器的信号而确定旋转角度，其中，所述两个磁场传感器布置成使所述两个磁场传感器的灵敏的传感器面平行于磁体的外部面，并且所述两个磁场传感器与磁体相距两个不同的距离，并且磁场传感器的中心位于磁性轴线上，并且该方法包括以下步骤：
·借助于第一磁场传感器以正弦信号和余弦信号的形式测量第一磁场方向，
·借助于第二磁场传感器以正弦信号和余弦信号的形式测量第二磁场方向，
·确定源自磁体的磁场的在第一磁场传感器的区域中的第一磁通密度，
·确定源自磁体的磁场的在第二磁场传感器的区域中的第二磁通密度，
·形成分别测得的正弦信号之间的以及余弦信号之间的经过加权的差，其中，该加权是借助于第一磁通密度和第二磁通密度进行的，以及
·借助于反正切函数根据独立于外部磁干扰场的差信号而确定无干扰旋转角度。
这种反正切确定可以例如基于查找表、CORDIC(坐标旋转数字计算机)算法或类似的实现方式来实现。该方法提供了上述优点。
该方法还可以提供以下步骤：
·借助于反正切函数根据相应传感器的信号确定旋转角度，
·基于由传感器的信号所确定的旋转角度对校正旋转角度进行检查。
优选地，在检查期间进行合理性检查，仅当所述角度显得合理时，才将校正旋转角度传递至马达控制器。
第一磁通密度和第二磁通密度优选地被计算。
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细的解释。在此处的所有附图中，相同的以及功能上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，
图2：示出了根据本发明的具有两极磁体和两个传感器的转向角度传感器的示意图，
图3：示出了所述两个传感器的区域中的磁场分量的示意图，以及
图4：示出了与借助于图2中的旋转角度传感器计算旋转角度有关的框图。
图1示意性地图示了具有方向盘2的机电式机动车辆动力转向系统1，方向盘2以抗扭矩的方式联接至转向轴3。驾驶者将相应的扭矩作为转向指令经由方向盘2施加到转向轴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以已知的方式与转向齿条6的带齿部段啮合。转向齿条6在转向壳体中安装成能够在转向齿条6的纵向轴线的方向上移位。转向齿条6在其自由端部处经由球窝接头(未图示)连接至拉杆7。拉杆7自身使用短轴以已知的方式连接至机动车辆的每一个转向轮8。方向盘2的旋转通过转向轴3和小齿轮5的连接而引起转向齿条6的纵向移位并因此引起转向轮8的枢转。转向轮8经由下层表面80受到抵消转向运动的反作用力。为了使轮8枢转，因此需要能够在方向盘2处实现所需的相应扭矩的力。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)以在旋转方面弹性的方式彼此连接。扭矩传感器单元11感测上转向轴3相对于下转向轴4的旋转来作为对手动施加至转向轴3或方向盘2的扭矩的量度。扭矩传感器单元11包括转向角度传感器单元12。伺服单元10根据由扭矩传感器单元11测得的扭矩向驾驶者提供转向辅助。伺服单元10在此可以作为动力转向装置10、100、101而联接至转向轴3、转向小齿轮5或转向齿条6。相应的动力转向系统10、100、101将辅助扭矩输入到转向轴3、转向小齿轮5和/或转向齿条6中，由此在转向工作期间辅助驾驶者。在图1中图示的三个不同的动力转向装置10、100、101示出了就其布置而言的替代位置。通常，所示位置中的仅一个位置被分配给动力转向系统。
图2是转向角度传感器单元12的示意图。两极磁体13布置在轴(未图示)的一个端部处并且以抗扭矩的方式连接至该轴。该轴绕旋转轴线旋转。两极磁体13呈永磁体布置并且以立方体或板的形式实施并且具有两个极15(一对极)，所述两个极15相对于与磁性轴线14对应的旋转轴线在直径上彼此相反。
设置有两个与磁场方向相关的传感器16、17，传感器16、17测量磁场的方向。这些传感器优选地是AMR、GMR、TMR传感器等。所述两个传感器16、17的区域中的源自两极磁体13的磁场的磁通密度被确定、优选地被计算。第一传感器16布置成与磁体13的外部面18相距距离A，特别地，第一传感器16布置成使得第一传感器16的中心也位于磁性轴线14上。第二传感器布置成与磁体13的外部面18相距距离B，并且第二传感器的中心也位于磁性轴线14上。所述两个传感器16、17在此优选地布置在电路板19的相反侧部上，并且在所述两个传感器16、17的灵敏的传感器面之间具有距离C。传感器16、17借助于SMD技术定位在电路板上。传感器面在此平行于磁体13的外部面18定向。所述两个传感器16、17在垂直于旋转轴线14的平面中测量彼此垂直的磁场分量。通过磁体13绕旋转轴线14的相对旋转，传感器16、17经历磁场的方向的变化并且产生与磁场相对于传感器16、17的当前相对方向成比例的相应的输出信号。对角度的确定是基于测得的正弦信号和余弦信号借助于反正切函数进行的。由于不同的距离A、B，由永磁体13产生的磁场的磁通密度对于所述两个传感器16、17而言是不同的，但是磁通的方向是相同。永磁体的磁场强度20随距离的减小在图2中于右侧边缘处以示意性的方式示出为归于一点的三角形。如果例如由于转向系统附近的高电流传导电缆而存在磁干扰场，则可以通过形成所述两个传感器16、17的信号之间的差来形成无干扰信号。这是因为，可以假设灵敏的传感器面之间的距离C短到使得外部磁干扰场在所述两个传感器的区域中是相同的。图2中还示意性地图示了干扰场21的恒定磁场强度。
图3示出了磁场矢量160、170的示意图，磁场矢量160、170由所述两个传感器16、17测得并且还作为源自永磁体的磁场的场矢量161、171和干扰磁场的场矢量22的相加而存在。磁场矢量160、170的长度是通过由磁体14产生的磁场的存在于传感器的区域中的通量密度得出的，所述通量密度是已知的。无干扰信号23如在图4中被详细图示的那样计算。因此，所述两个传感器16、17的正弦信号162、172和余弦信号163、173各自以加权的方式彼此相减182、183，以得到无干扰信号。所述两个传感器16、17提供仅一个方向单位矢量。所述一个方向单位矢量的长度必须与无干扰磁场在传感器的区域中的通量密度相适应。因此，传感器16、17的信号在相减之前借助于关于通量密度的信息而被加权。随后，使用反正弦函数24借助于无干扰正弦信号182和余弦信号183来计算校正旋转角度25。此外，根据两个独立传感器的信号分别确定旋转角度26、27以便进行交叉检查28。如果无干扰校正旋转角度25在交叉检查中显得是合理的，则将该无干扰校正旋转角度25传输至电动马达的马达控制器29。如果不是这种情况，则也可以将常规地确定的旋转角度26、27用于马达控制器。在机电式动力转向系统的情况下，借助于电动马达提供的动力转向系统根据旋转角度来确定。然而，还可以实现的是将该转向角度传感器单元用于线控转向系统中。

Claims (12)

1.一种用于对机动车辆的转向轴(3、4)的旋转位置的旋转角度进行测量的角度传感器单元(12)，所述角度传感器单元(12)具有：
-两极磁体(15)，所述两极磁体(15)能够以抗扭矩的方式连接至所述转向轴(3、4)的一个端部，并且所述两极磁体(15)具有两个极(15)，所述两个极(15)相对于磁性轴线(14)彼此相反，其中，所述磁性轴线(14)对应于所述转向轴(3、4)的旋转轴线，
-与磁场方向相关的两个磁场传感器(16、17)，所述两个磁场传感器(16、17)被分配给所述磁体(13)，
其特征在于，所述两个磁场传感器(16、17)布置成使得所述两个磁场传感器(16、17)的灵敏的传感器面平行于所述磁体(13)的外部面(18)，并且所述两个磁场传感器(16、17)布置成与所述磁体(13)相距两个不同的距离(A、B)，并且所述磁场传感器(16、17)的中心位于所述磁性轴线(14)上，并且，所述角度传感器单元具有评估单元，所述评估单元配置成基于所述两个磁场传感器(16、17)的信号以及源自所述磁体(13)的磁场的分别存在于所述两个磁场传感器(16、17)的区域中的磁通密度而确定旋转角度。
2.根据权利要求1所述的角度传感器单元，其特征在于，所述磁场传感器(16、17)之间的距离在1mm与5mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的角度传感器单元，其特征在于，所述磁场传感器(16、17)是AMR、GMR或TMR。
4.根据前述权利要求中的一项所述的角度传感器单元，其特征在于，所述磁场传感器(16、17)布置在电路板(19)的相反侧部上。
5.根据前述权利要求中的一项所述的角度传感器单元，其特征在于，所述两极磁体(13)是永磁体。
6.根据前述权利要求中的一项所述的角度传感器单元，其特征在于，所述评估单元配置成独立于外部磁干扰场通过形成所述两个磁场传感器(16、17)的借助于源自所述磁体(13)的磁场的通量密度而被加权的所述信号之间的差来确定旋转角度。
7.一种用于机动车辆的机电式动力转向系统，所述机电式动力转向系统包括：转向轴(3、4)，所述转向轴(3、4)安装成能够绕转向轴旋转轴线旋转并且能够采取各种旋转位置；电动马达(9)，所述电动马达(9)用于辅助转向运动；以及根据权利要求1至6中的一项所述的角度传感器单元(12)。
8.一种用于机动车辆的线控转向系统，所述线控转向系统具有：转向致动器，所述转向致动器作用在转向轮上并且根据驾驶者的转向请求而被电子地控制；反馈致动器，所述反馈致动器将道路的反作用力传递至转向装置；控制单元，所述控制单元控制所述反馈致动器和所述转向致动器；以及根据权利要求1至6中的一项所述的角度传感器单元(12)。
9.一种用于利用角度传感器单元(12)对机动车辆的以旋转的方式安装的转向轴(3、4)的旋转位置的校正旋转角度进行确定的方法，所述角度传感器单元(12)具有：
-两极磁体(13)，所述两极磁体(13)能够以抗扭矩的方式连接至所述转向轴(3、4)的一个端部，并且所述两极磁体(13)具有两个极(15)，所述两个极(15)相对于磁性轴线(14)彼此相反，其中，所述磁性轴线(14)对应于所述转向轴(3、4)的旋转轴线，
-与磁场方向相关的两个磁场传感器(16、17)，所述两个磁场传感器(16、17)被分配给所述磁体(13)，以及
-评估单元，所述评估单元配置成借助于所述两个磁场传感器(16、17)的信号而确定旋转角度，
其特征在于，所述两个磁场传感器(16、17)布置成使得所述两个磁场传感器(16、17)的灵敏的传感器面平行于所述磁体(13)的外部面，并且所述两个磁场传感器(16、17)布置成与所述磁体(13)相距两个不同的距离，并且所述磁场传感器(16、17)的中心位于所述磁性轴线(14)上，并且所述方法包括以下步骤：
·借助于第一磁场传感器(16)以正弦信号和余弦信号的形式测量第一磁场方向(182)，
·借助于第二磁场传感器(17)以正弦信号和余弦信号的形式测量第二磁场方向(183)，
·确定源自所述磁体的磁场的在所述第一磁场传感器(16)的区域中的第一磁通密度，
·确定源自所述磁体的磁场的在所述第二磁场传感器(16)的区域中的第二磁通密度，
·形成分别测得的正弦信号之间的以及余弦信号之间的经过加权的差(182、183)，其中，所述加权是借助于所述第一磁通密度和所述第二磁通密度进行的，以及
·借助于反正切函数(24)根据独立于外部磁干扰场的差信号(182、183)而确定无干扰旋转角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，提供以下步骤：
·借助于反正切函数(24)根据相应传感器的信号(162、163、172、173)确定旋转角度，
·基于由所述传感器的所述信号所确定的所述旋转角度对所述校正旋转角度进行检查。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，提供以下另外的步骤：
·如果所述校正旋转角度在所述检查期间显得是合理的，则在马达控制器(29)中使用所述校正旋转角度。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的方法，其特征在于，所述第一磁通密度和所述第二磁通密度被计算。
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