CN1175999A - 检测可转动物体之转角的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于检测一个可转动物体的转角,特别是一个可转动多于360°之物体转角的方法和装置。这个可转动物体与至少两个另外可转动物体配合作用,例如齿轮,它们的转角位置借助两个传感器检测。根据这样检测的转角位置确定所述可转动物体的转角位置。为了能够清楚地判断,必需的是,所有三个可转动的物体或齿轮具有可预先确定的函数。本方法和装置可以例如用于检测一个机动车的控制转角。

Description

检测可转动物体之转角的方法和装置

现有技术

本发明涉及一个方法和一个装置，其用于检测一个可转动物体的转角，特别是一个可转动多于360°物体的转角，属于独立权利要求前序部分的技术领域。

在不同的应用场合，特别在借助所述装置应该检测一个可转动的转角位置时，产生的需求是，在装置正在运行的同时要识别轴的精确位置。这一要求最好是借助模拟的转角传感器例如电位器来实现，它们可在任何位置并在接通以后立即发出电压形式的有效转角位置值。

如果这种装置用于检测转角时的转角范围大于360°，则产生的问题是，不能确定该转轴处于哪一转数中。但是为了评估大于360°的转角区域，可以应用增量式发送器，其中，转角位置通过脉冲的向前及向后的数目加以检测。然而，应用这种增量式发送器，不能进行绝对的转角测量，因为，它仅仅可以计算出经过一个接收器的增量值。

为了一个转角测量能够用于大于360°的转角区域，在此时还未公开的德国专利申请DE-P4409892就一个机动车的控制转角之检测作了建议，借助于个行星式回转传动装置将控制转角的确定扩展至±720°的区域。其中，这个行星式回转传动装置关于它的齿数如此确定，即，对于控制轴和要扫描的发送器盘之间的转换比可精确地产生一个数值4。亦即该要扫描的发送器盘只要转动一次，此时，控制转角就改变±720°。通过将一编码置于发送器盘上和借助一个适当的接收器进行扫描就可以在接通该装置后立即检测出该发送器盘的位置，依此，就能够立即进行一个控制轮转角的确定。

这个公知的用于大于360°转角范围的转角检测装置具有的缺陷是，必需一个精确尺寸的星行式回转传动装置并另外需要一个昂贵的绝对值发送系统。

本发明优点

本发明方法和装置用于检测一个可转动物体的转角，特别是一个可转动多于360°之物体的转角，其优点是，即使在多个回转数情况下也能实现一个完全普通绝对的转角检测，同时，不需要一个昂贵的行星传动装置。通过应用两个检测不同转角的传感器就可减少测量误差。这种测量原理可以应用所有的转角传感器类型如光学的，磁性的，电容式的，感应式，或阻抗式传感器，以及任何接触式和非接触的传感器。

这些优点是如此实现的，即，要检测其转角位置的轴设有一个齿轮或一个齿环，其与两个另外的齿轮相配合作用，这两个另外齿轮的转角位置各借助一个传感器被连续地检测，其中，所述要检测的转角根据该两个测出的转角并以适当的方式计算得出。

特别有利的是，该转角区域和转角精度通过适当地选择所述单个齿轮或齿环的转角标志或齿之数目就可以自由地校正。齿轮的配置可以如此地选择，即应获得所希望的优点。为此，齿轮可以设置在一个平面内或不同的平面内。

本发明另外的优点，可以通过从属权利要求中给定的措施实现。同时，特别有利的是，过大的测量误差和一个单独传感器的故障都可识别出来。这是通过与最后数值的比较识别的，这些数值的传感器在给定情况下是有缺陷的，并且还可以有利的方式实现用一单独传感器的紧急运行。在应用一个8位模拟数字转换器以及一个按照本发明原理工作的控制转角传感器时就可以实现一个理论上控制转角小于0.1°的分辨率。

附图

本发明的实施例描述在附图中并在以后的说明中作详细解释。

图1表明一个第一种配置，借助它，一个可转动大于360°的轴之角度可被检测；

图2表明一个控制转角传感器的实施例，其中，图2a是齿轮配置的俯视图和图2b是检测控制转角包括所属的传感器以及评估电路的整体配置图；

图3表明本发明方法的一个流程图；

说明

在图1中用10表明一个轴及一个可转动的物体，它的转角应该被测量。在这个轴10上安置一个齿轮11，它具有n个齿。两个另外的齿轮12和13具有m和m+1齿并与齿轮11是定位地连接。它们的转角ψ和θ借助两个周期性的转角传感器14、15来测量。这种测量可以接触式或非接触式实现。该转角传感器的周期可以用Ω表示。一般说来，该Ω可计为180°或360°，但是它也可以是另外的转角数值。

该转角传感器与一个电子评估电路16相连接，其中，可运行为了确定该轴一转角所必需的计算。

作为先决条件亦即转角传感器14、15是所谓的绝对传感器，它们在检测轴10之转角位置的装置被接通以后可立即提供齿轮12和13之在接通时所处的转角ψ和θ。根据这个转角就可以立即清楚地确定轴10的转角。因为此时，齿轮11的转角标记或齿17的数目和齿轮13、12的转角标记或齿18、19的数目是已知的。

按照应被检测的转角可能是多么大，以选定单个齿轮的齿17、18、19之齿数。对于一个转角检测区域为＝3600°和两个转角传感器14、15的测量区域Ω为360°以及一个必要的精度为1°的情况，齿轮11的齿数必须是n＝87，而齿数m必须是29。用这样的齿轮就可以如此地描述转角区域3600°，亦即在这个转角区域内对于转角θ和ψ可实现清楚的对应配置。在接通本发明装置以后，转角的计算就可以按照一个程序进行，如可以从图3获知的那样：在评估电路16中并在第一步S1中该表达式的下一个整数就可算出， $k=\frac{(m+1)\·\mathrm{\θ}-m\·\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\Ω}}---\left(1\right)$

其中，转角θ和ψ是在先测出的。作为步骤S2，该转角可被算出，同时适合于：

在步骤S3中作检验，该在先检测的转角是否为负的。如果是这种情况，则在步骤S4中，完整的转角周期被相加，它适合于：

然后，这样获得的转角’作为实际的测量值M采用。如果在步骤S3中被识别为相反的结果，亦即不是小于0，那么，在步骤S2中检测的转角就作为测知的转角M而发出。

在测量值M发出以后，就根据在步骤S1中下一个测知的θ和ψ开始确定下一个转角。

该单个的转角传感器14、15的测量误差E，按照以比例m/n形式的公式(2)就可以转换成转角的误差，因此，通过适当的选择转换比m/n，该测量精度就可以校正。如果，单个传感器的测量误差即使如此大，即在按照公式(1)整数化时计算出一个错误的整数K，那么，该检测的转角就是不连续改变的，而是以突跃方式改变一数量：

这一点可以如此地进行控制，即，K数值的变化按照公式(1)被追踪。在从ψ和/或θ通过Ω向0和反之作连续地过度时，该K数值可以设定为仅仅是整数的±m和±(m+1)之变化。如果记载的是一个另外的突跃，则这就指示一个过大的测量误差或一个有缺陷的单个传感器。在按照图3的程序中并在步骤S1中检测的依次排列的数值K可以相互进行比较并在不可信的变化情况下，可以识别出一个错误。然后，一个错误显示A就可以从评估电路16发出。

为了获得正确的K数值，该单个传感器14，15的转角误差就必须小于 $\mathrm{\δ}=\±\frac{\mathrm{0,5}\·\mathrm{\Ω}}{2m+1}---\left(5\right)$ 依此，对于转角的最大转角误差可从如下的公式中得出：

该单个传感器之较大的转角误差可导致一个的突跳，它可以通过一个不允许的K变化加以确定。

由两个转角ψ和θ计算转角的方案可以如下方式解释：

基于齿数，在转角和两个转角ψ及θ之间的关系式适于：(mod为系数)(7)

当两个转角按照转角Ω重复时，就必须只应用在用Ω作除法时的余数。由(7)和(8)的返运转表示为：

(9)或

i和j是整数，它们首先是未知数，因为例如在一个转角ψ介于0°和Ω之间情况下就不知道ψ转过Ω多少次？

但是，当(9)和(10)必须提供同的转角ψ时，则适于(9)＝(10)，这样导致关系式为： $m\·i-(m+1)\·j=\frac{(m+1)\mathrm{\θ}-m\·\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\Ω}}---\left(11\right)$ 该(11)式的左侧是一个整数，因此，这右边的侧式也肯定是整数： $k=\frac{(m+1)\·\mathrm{\θ}-m\·\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\Ω}}---\left(12\right)$

当转角θ和ψ是缺陷值时，(原理上和统计规律的测量缺陷，数字化处理的)，则(12)式原则上就不是整数。但是如果人们选择这个表达式的下一个整数的话，则该转角的缺陷就可以很明显地减小。

然后该公式(11)表示为：

m·i-(m+1)·j＝k    (13)

这就是一个适于两个未知数i和j的公式，但是，此时，i和j肯定是整数，这样，(13)式具有分散的解(所谓的双元模拟问题diophantisches Problem)。而人们为了评估所需要的单一解也就可以容易地找到了：

i＝j＝-k            (14)

利用这些值，就可以作为(9)和(10)的平均值而被计算出来(依此，可能的测量误差就可以再次被减少)。

这样计算的既可以采纳正值，也可以采纳负值。为了获得一个连续的描述，在负值时，该整个系统的完整周期就必须被加上：

在图2a和2b中描述了一个按照本发明要求的用于测量一个机动车控制轴之转角的装置。为此目的，必需一个最好无接触的传感器，它可以最大检测控制轴之4个控制轮回转。

其转角应该被确定的控制轴h与在图1中用10标明的轴相一致。对于齿轮以及所记录的转角θ和适用于图1的关系式。另外，在齿轮18和19上置有磁体20和21，它的磁化强度位于齿轮平面中。借助两个作为AMR(亦即各向异性的磁阻式)传感器标志的转角传感器22、23就可以测量转角ψ和，而传感器22，23和图1中的传感器14，15相一致。一个组装控制转角传感器的实施例可从图2b中获知。在这个实施例中，三个齿轮11，12，13位于一个平面中。在齿轮12和13上安置磁体21和20，借助这些磁体以及两个AMR-转角传感器22，23就可以检测转角θ和ψ绝对值。用于处理该AMR-传感器之输出信号的评估电路被描述为混合电路24。该转角ψ和的确定是通过磁场曲线的识别实现的，该磁场曲线是由磁体20和21形成的。

若不用AMR传感器，也可以应用另外的转角传感器，例如霍尔基转角传感器，光学传感器，电感传感器，电容传感器或电阻式传感器。按照所应用的传感器类型，所需要的是，以适当的方式配置齿轮。若不用齿轮，还可以应用编码盘，其上设置适当的编码系统。

为了在控制转角时必需的转角检测能够适于4个完整的回转，则可以选择n＝69和m＝23，这样可以获得一个总周期为1440°，亦即正好4个回转。

Claims (8)

1、用于测量一个可转动物体的，特别是一个可转过多于360°物体之转角的方法，该物体具有一定数量的相同形式的转角标记或齿，并与至少两个另外可转动的物体配合作用，而这两个物体具有另外数量的相同形式的转角标志或齿，其特征在于：

该两个另外可转动物体的转角θ，ψ被测出；由转角θ和ψ并考虑占有的几何比例求出转角位置。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于：

在第一步骤中，整数k被求出；其中，齿轮(12)之齿数乘以转角θ和齿轮(13)之齿数乘以转角ψ之间的差值就可产生；这个差值除以转角Ω；在第二步骤中，根据迷个K值并通过公式(2)的计算就可确定要检测的转角，即

然后，在一个负转角时，要加以完整的转角周期。

3、按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

对可信变化的K数值进行监视；在K值为不信的变化时，一个缺陷被识别出。

4、借助权利要求1，2或3的方法，检测转角位置的装置，其特征在于：

该转动的物体是齿轮；一个齿轮的齿数是n，第二齿轮的齿数是m；第三个齿轮的齿数是m+1；其中，齿数n和m是不同的，借助传感器(14，15)检测转角θ和ψ；转角在评估电路(16)中被求出。

5、按权利要求4所述的装置，其特征在于：

该转角θ和ψ是各借助一个作为绝对值发送器工作的传感器检测的。

6、按前述权利要求之一所述的装置，其特征在于：

要检测的转角是一机动车的控制转角；第一齿轮与控制轴相连接并与其一起转动。

7、按权利要求5所述的装置，其特征在于：

用于检测第二和第三齿轮之转角位置的传感器是AMR-转角传感器，其扫描与齿轮相连接的磁体。

8、按权利要求6所述的装置，其特征在于：

借助一个评估电路，根据转角ψ和θ以确定转角，该评估电路是混合电路的结构，其中，这两个AMR-转角传感器是这个混合电路的组成构件。

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