CN114981619A - 离合器致动器、用于检测旋转部件的角度位置的检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测能够绕旋转轴线旋转的旋转部件(24)的角度位置(a)的方法(100)，涉及一种用于通过这种方法检测能够绕旋转轴线旋转的旋转部件(24)的角度位置(a)的检测系统，以及涉及一种包括这种检测系统的离合器致动器(10)。

Description

离合器致动器、用于检测旋转部件的角度位置的检测系统及 方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于检测旋转部件的角度位置的方法。此外，本发明涉及检测系统和离合器致动器。
背景技术
例如从WO 2018/219388 A1已知一种用于检测旋转部件的角度位置的方法。其中描述了一种用于检测可以绕旋转轴线旋转的旋转部件的角度位置的方法，在该方法中，旋转部件的角度位置由径向地布置在距旋转轴线一定距离处的传感器系统获取。固定地且同心地布置在旋转部件上的磁性环产生磁场，该磁场相对于传感器系统改变并且由传感器系统检测，其中，由传感器系统获取的信号关于角度位置进行评估。由传感器获取的信号关于磁场的幅度信息进行评估，并且根据幅度信息确定校正参数，借助于该参数来确定从传感器的信号获取的角度位置的角度误差。然后使用该角度误差来校正根据传感器发出的信号确定的角度位置。
发明内容
本发明的目的是更快速且更精确地检测角度位置。角度位置应该能够以尽可能少的计算工作量来确定。
这些目的中的至少一个目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。因此，可以更精确地确定相应的传感器信号的实际最高幅度，并且因此可以减少角度位置的计算中的误差。可以用尽可能少的计算能力更精确、更快速地检测角度位置。
传感器单元和旋转部件可以布置在车辆中。旋转部件和旋转元件可以是能够同心旋转的。传感器单元可以设计为角度传感器。
传感器元件可以是霍尔传感器。
旋转元件可以是磁性环。旋转元件可以是永磁体。旋转元件可以在直径上被磁化。
第一传感器信号和/或第二传感器信号可以是周期性信号。第一传感器信号可以是正弦信号，并且第二传感器信号可以是余弦信号。第一传感器信号可以在第一测量位置处检测，并且第二传感器信号可以在绕旋转轴线垂直于第一测量位置的第二测量位置处检测。
根据以下关系式，第一传感器信号的最高幅度
Figure BDA0003752348530000021
是第一传感器信号的幅度A1的最大值：
Figure BDA0003752348530000022
根据下式，第二传感器信号的最高幅度
Figure BDA0003752348530000023
对应地是第二传感器信号的幅度A2的最大值：
Figure BDA0003752348530000024
为了计算每种情况下的最高幅度，可以考虑传感器信号在若干次旋转中的幅度。特别地，如果在这次旋转期间检测到的指定传感器信号的幅度大于先前检测到的该传感器信号的最高幅度，则可以在每次旋转之后调整相应的最高幅度。
优选地使用最大-最小方法来检测相应的最高幅度。这样可以尽可能地减少计算工作量。然而，该方法容易受到影响传感器信号的噪声的影响。传感器信号和幅度以及因此最高幅度可能叠加噪声值N。
噪声值N可以使用以下线性关系式利用传感器单元的温度T和概率函数g来计算：
N＝f(T)·g(i) (3)
特别是在进行中的测量期间获得的测量点的数目m与例如对应于线端测量中的测量点的数目的角度离散c的测量点比率i被如下定义：
Figure BDA0003752348530000025
测量点的数目m可以根据传感器元件的旋转速度n和采样频率fs如下计算：
Figure BDA0003752348530000026
假设噪声值对概率函数g的非线性相关性，可以通过以下关系式进行更精确的计算：
N＝f(T)·[a·g(i)2+b·g(i)+d] (6)
例如，在传感器单元投入操作之前，必须确定参数a、b和d。这种关系可以存储在查找表中，并且在操作期间从查找表检索。
假设为白噪声，概率函数g被如下定义：
Figure BDA0003752348530000031
例如，通过在操作期间计算的根据(4)取决于测量点的数目m的比率i以及特别地在最初、例如在线端确定中创建的映射i与g(i)之间的关系的查找表，可以通过操作期间的可能的线性插值来确定各自的相关联的值g(i)。
如果适用于以下关系式f(T)，则是有利的：
f(T)＝f(Tr)·[1+a1·(T-Tr)+a2·(T-Tr)2] (8)
其中，参考温度Tr和先前确定的值f(Tr)以及参数a1和a2被预先定义。
在本发明的优选实施方式中，在噪声检测步骤中计算噪声值，并且在操作期间根据需要进行调整。这意味着可以考虑不断变化的环境影响，并且可以进行更精确的计算。
在本发明的具体实施方式中，在幅度确定步骤中，相应的传感器信号的最高幅度被确定为相关联的传感器信号的最大幅度与最小幅度之间的距离的一半。例如在每次旋转时，相应的幅度A通过下式利用相应的传感器信号的最大幅度Smax和最小幅度Smin进行计算：
Figure BDA0003752348530000032
考虑到噪声值，可以优选地应用以下关系式来计算幅度：
Figure BDA0003752348530000033
在本发明的另一具体实施方式中，在幅度确定步骤中确定并校正相应的最高幅度的可能的幅度误差。特别是在第一传感器信号与第二传感器信号之间的比较中偏离最高幅度的情况下，可以匹配最高幅度。
在本发明的优选实施方式中，噪声值作为测量点的数目m的函数被计算。该计算优选地根据(6)进行。
特别地，在本发明的优选实施方式中，测量点的数目m为至少2000。这可以降低传感器信号的标准偏差。
在本发明的具体实施方式中，噪声值作为传感器单元的温度T的函数被计算。
在本发明的优选实施方式中，旋转部件是电动马达的转子或者是以旋转固定的方式连接至转子的部件。通过更精确地检测到的角度位置，可以以更加针对性的方式控制电动马达。
此外，为了实现上述目的中的至少一个目的，用于检测旋转部件的角度位置的检测系统通过具有上述特征中的至少一个特征的方法来实现。检测系统包括评估单元和传感器单元，传感器单元具有固定的传感器元件和旋转元件，该旋转元件可以相对于传感器元件旋转并且与旋转部件共同旋转。
此外，为了实现上述目的中的至少一个目的，提出了一种用于离合器致动的离合器致动器，该离合器致动器具有这样的检测系统。离合器致动器可以致动车辆中的电动离合器。离合器致动器可以是模块化离合器致动器，或者简称为MCA。离合器致动器可以包括转子和主轴。转子可以执行旋转运动，该旋转运动经由行星滚子螺杆驱动器——缩写为PWG——转换成主轴的线性运动。主轴的线性运动可以致动离合器。
本发明的其他优点和有利实施方式由对视图和附图的描述得到。
附图说明
下面参照附图对本发明进行详细描述。具体地：
图1：示出了穿过本发明的具体实施方式中的具有传感器单元的离合器致动器的空间横截面。
图2：示出了本发明的另一具体实施方式中的传感器单元的第一传感器信号和第二传感器信号。
图3：示出了幅度偏差对角度位置的影响。
图4：示出了噪声对本发明的具体实施方式中的传感器单元的传感器信号的影响。
图5：示出了用于在本发明的具体实施方式中检测角度位置的方法。
图6：示出了本发明的具体实施方式中的方法与常规方法的精确度的比较。
图7：示出了本发明的另一具体实施方式中的优化方法与常规方法的精确度的比较。
图8：示出了作为幅度比的函数的角度误差的曲线图。
具体实施方式
图1示出了穿过本发明的具体实施方式中的具有传感器单元12的离合器致动器10的空间横截面。离合器致动器10是模块化离合器致动器、即所谓的MCA，其包括主轴14和具有可旋转转子18的电动马达16。主轴14执行线性运动以致动离合器，并且经由行星滚子螺杆驱动器20——缩写为PWG——通过机电驱动的转子18的旋转运动而移动。
传感器单元12布置成检测转子18的角度位置并且具有被实施为磁性环26的旋转元件22，磁性环不可旋转地连接至被实施为转子18的旋转部件24。磁性环26特别地为永磁体，并且在直径上被磁化。传感器单元12还具有传感器元件28，该传感器元件被设计为磁性传感器，特别地被设计为霍尔传感器。传感器元件28在与旋转元件22轴向相距一定距离处安装在电路板30上，并且使得从旋转元件22发出的磁场能够被检测到。
从旋转元件22发出的磁场对传感器元件28的影响使得可以检测旋转部件24的角度位置，因为磁性环26的直径上的磁化使磁场作为转子18的角度位置的函数而改变。
图2示出了本发明的另一具体实施方式中的传感器单元的第一传感器信号和第二传感器信号。第一传感器信号S1是正弦信号，并且第二传感器信号S2是90°相移的余弦信号。第一传感器信号S1出现在传感器元件上的第一测量位置处，并且第二传感器信号S2出现在传感器元件上的第二测量位置处，该第二测量位置绕旋转轴线垂直于第一测量位置。第一传感器信号S1与第二传感器信号S2之间的相移是由于第一测量位置和第二测量位置彼此垂直的位置。
与第一传感器信号S1相比，绘制了理想的第一传感器信号
Figure BDA0003752348530000063
的曲线图。第一传感器信号S1相对于理想的第一传感器信号
Figure BDA0003752348530000064
经受幅度偏移，这使幅度减小。其原因可能是衰减、干扰效应和/或测量误差。
图3示出了幅度偏移对角度位置的影响。第一传感器信号S1被示出为在Y轴上的投影，并且第二传感器信号S2被示出为在x轴上的投影。基于图2中的图示，第一传感器信号S1由于幅度偏移而减小，从而导致椭圆形而不是作为理想化的第一传感器信号和第二传感器信号的情况的圆形。这会导致在检测角度位置α时出现角度误差。由于第一传感器信号的幅度A1与第二传感器信号的幅度A2之间的幅度偏移而引起的角度误差∈可以如下计算：
Figure BDA0003752348530000061
与
Figure BDA0003752348530000062
然而，第一传感器信号和第二传感器信号的实际幅度的知识对于检测角度位置是至关重要的。这是因为可以经由atan2函数使用幅度作为第一传感器信号和第二传感器信号的函数来计算角度位置。
在这种情况下，第一传感器信号和第二传感器信号的幅度可以优选地使用最大-最小方法来确定，其中，计算能力可以保持得尽可能低。一旦对应的较高的值被确定，则在旋转元件的旋转期间记录的第一传感器信号和第二传感器信号的幅度在传感器单元的操作期间被存储和校正。然而，该方法容易受到噪声的影响。
图4示出了噪声对本发明的具体实施方式中的传感器单元的传感器信号的影响。实线与作为角度位置α的函数的传感器信号S的理想曲线相对应，该传感器信号可以是第一传感器信号或第二传感器信号，并且虚线示出了传感器信号S的受噪声影响的值的带宽。
噪声可以用概率函数g来描述。如果假设噪声是白噪声，则可以用正态分布来表示。由于噪声，假设了最大预期噪声值N。
传感器信号的理想的最大幅度
Figure BDA0003752348530000071
偏离了传感器信号的测量的最大幅度Smax。因此，传感器信号的理想的最小幅度
Figure BDA0003752348530000072
偏离了传感器信号的测量的最小幅度Smin。
图5示出了用于在本发明的具体实施方式中检测角度位置α的方法100。由传感器单元12输出的第一传感器信号S1和第二传感器信号S2被输出至评估单元32。在幅度确定步骤AM中，评估单元32确定第一传感器信号S1和第二传感器信号S2的相应的最高幅度。在评估步骤AW中，评估单元32使用将第一传感器信号S1和第二传感器信号S2以及所确定的最高幅度
Figure BDA0003752348530000073
作为输入的atan2函数来确定角度位置α。
在监测步骤
Figure BDA0003752348530000074
中，将第一传感器信号的最高幅度
Figure BDA0003752348530000075
和第二传感器信号的最高幅度
Figure BDA0003752348530000076
分别计算为在旋转元件的至少一次旋转中确定的相应的传感器信号的最大值。第一传感器信号的最高幅度
Figure BDA0003752348530000077
是第一传感器信号的幅度A1的最大值，并且可以通过(1)来计算。
相应地，下面根据(2)进行计算，第二传感器信号的最高幅度
Figure BDA0003752348530000078
是第二传感器信号的幅度A2的最大值。
例如在每次旋转时，相应的幅度A根据(9)利用相应的传感器信号的最大幅度Smax和最小幅度Smin来计算。
在信号检测步骤SE中，评估单元32基于传感器元件的测量点的数目m计算相应的传感器信号。测量点的数目m可以根据(5)通过传感器元件的旋转速度n和采样频率fs来计算。
在幅度确定步骤AM之前的噪声检测步骤RE中，计算叠加在对应的第一传感器信号S1和/或第二传感器信号S2上的噪声值N并且将该噪声值传递至幅度确定步骤AM，其中，根据(10)考虑噪声值。
因此，可以更精确地确定相应的传感器信号的幅度以及最高幅度，并且因此可以减少角度位置α的计算中的误差。可以用尽可能少的计算能力更准确、更快速地检测角度位置α。
例如，至少在每次旋转中计算并考虑噪声值N。噪声值N可以通过根据(3)的关系式利用传感器单元的温度T、概率函数g以及测量点比率i来计算，测量点比率可以通过(5)来计算。
例如在调试之前，如果关系式f(T)由(8)描述，则是有利的，其中，参考温度Tr和先前确定的值f(Tr)以及参数a1和a2被预先定义。
可以使用(6)来执行对假设的噪声值N的非线性分布的更精确的计算。
例如，在传感器单元被调试之前，必须确定参数a、b和c。这种关系可以存储在查找表中，并且在操作期间从查找表检索。
假设为白噪声，概率函数g是正态分布并且可以经由(7)进行计算。
图6示出了本发明的具体实施方式中的方法与常规方法的精确度的比较。曲线102表示作为测量点的数目m的函数的常规方法的精确度曲线，并且曲线104表示本发明的具体实施方式中的方法的精确度曲线。
与曲线102相比，在测量点的数目m为400以上时，曲线104精确得多，并且随着测量点的数目m的增加而收敛。与此相反，常规方法的不精确度随着测量点的数目m的增加而增加。
在本发明的具体实施方式的方法中，假设噪声值N对概率函数g(i)的线性相关性。例如，通过在操作期间计算的根据(4)取决于测量点的数目m的比率i以及特别地在最初、例如在线端确定中创建的映射i与g(i)之间的关系的查找表，可以通过操作期间的可能的线性插值来确定各自的相关联的值g(i)。
图7示出了本发明的另一具体实施方式中的方法与常规方法的精确度的比较。在曲线106中，假设噪声值N与概率函数g(i)之间的根据(6)的非线性相关性。
与常规方法的曲线102的形状相比以及与具有假设的线性相关性的方法相比，精确度可以进一步提高。
图8示出了作为幅度比γ的函数的角度误差∈的曲线图。角度误差∈根据(12)绘制为幅度比γ的函数。在实践中，角度误差∈应当小于±0.25％，这意味着根据(11)幅度差不得超过0.5％。该要求可以在测量点的数目m为2000的情况下实现。如果采样频率fs是20kHz，则旋转速度n因此应当低于600rpm。
附图标记列表
10 离合器执行器
12 传感器单元
14 主轴
16 电动马达
18 转子
20 行星滚子螺杆驱动器
22 旋转元件
24 旋转部件
26 磁性环
28 传感器元件
30 电路板
32 评估单元
100 方法
102 曲线
104 曲线
106 曲线
A1 第一传感器信号的幅度
Figure BDA0003752348530000091
第一传感器信号的最高幅度
A2 第二传感器信号的幅度
Figure BDA0003752348530000092
第二传感器信号的最高幅度
α 角度位置
c 角度离散
∈ 角度误差
fs 采样频率
g 概率函数
γ 幅度比
i 测量点比率
m 测量点的数目
n 旋转速度
N 噪声值
S1 第一传感器信号
Figure BDA0003752348530000101
理想的第一传感器信号
S2 第二传感器信号
Figure BDA0003752348530000102
理想的第二传感器信号
S 传感器信号
Figure BDA0003752348530000103
理想的最大幅度
Smax 最大幅度
Figure BDA0003752348530000104
理想的最小幅度
Smin 最小幅度
T 温度
AM 幅度确定步骤
AW 评估步骤
Figure BDA0003752348530000105
监测步骤
RE 噪声检测步骤
SE 信号获取步骤。

Claims (10)

1.一种用于经由传感器单元(12)检测能够绕旋转轴线旋转的旋转部件(24)的角度位置(α)的方法(100)，所述传感器单元具有：
固定的传感器元件(28)，以及
旋转元件(22)，所述旋转元件能够相对于所述传感器元件旋转并且与所述旋转部件(24)共同旋转，其中，
所述传感器元件(28)至少将取决于所述角度位置(α)的第一传感器信号(S1)和相对于所述第一传感器信号相移90°的第二传感器信号(S2)输出至评估单元(32)，
在幅度确定步骤(AM)中，所述评估单元确定所述第一传感器信号(S1)和所述第二传感器信号(S2)的相应的最高幅度
Figure FDA0003752348520000011
以及
在评估步骤(AW)中，所述评估单元将所述第一传感器信号(S1)和所述第二传感器信号(52)作为自变量传递给atan2函数，所述atan2函数根据这些以及所确定的最高幅度
Figure FDA0003752348520000012
输出所述角度位置(α)，
其特征在于，
所述评估单元(32)包括在所述幅度确定步骤(AM)之前的噪声检测步骤(RE)，在所述噪声检测步骤中，计算由于噪声而叠加在对应的信号上的噪声值(N)，其中，
在所述幅度确定步骤(AM)中，对应的传感器信号(S1、S2)通过所述噪声值(N)进行校正，并且所述第一传感器信号(S1)和所述第二传感器信号(S2)的最高幅度
Figure FDA0003752348520000013
在每种情况下被确定为在所述旋转元件(22)的多次旋转中检测到的相应的所述传感器信号(S1、S2)的幅度(A1、A2)的最大值。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，在所述噪声检测步骤(RE)中，对叠加在所述传感器信号(S1、S2)上的所述噪声值(N)进行计算并且在操作期间根据需要进行调整。
3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，在所述幅度确定步骤(AM)中，将相应的所述传感器信号(S1、S2)的最高幅度
Figure FDA0003752348520000021
确定为相关联的所述传感器信号(S1、S2)的最大幅度(Smax)与最小幅度(Smin)之间的距离的一半。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，在所述幅度确定步骤(AM)中，确定并校正相应的所述最高幅度
Figure FDA0003752348520000022
Figure FDA0003752348520000023
中的可能的幅度误差。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，将所述噪声值(N)作为测量点的数目m的函数进行计算。
6.根据权利要求5所述的方法(100)，其特征在于，所述测量点的数目m为至少2000。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，将所述噪声值(N)作为所述传感器单元(12)的温度T的函数进行计算。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述旋转部件(24)是电动马达(16)的转子(18)或者是以旋转固定的方式连接至所述转子(18)的部件。
9.一种用于借助于根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)检测旋转部件(24)的角度位置(α)的检测系统，并且所述检测系统具有评估单元(32)和传感器单元(12)，所述传感器单元包括固定的传感器元件(28)和能够相对于所述传感器元件旋转并与所述旋转部件共同旋转的旋转元件(22)。
10.一种用于离合器致动的离合器致动器(10)，所述离合器致动器具有根据权利要求9所述的检测系统。
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