CN1860347A - 用于确定相位信号的质量量度的方法和电路装置 - Google Patents

Abstract

建议了用于分析相位信号以便确定线性或旋转运动的部件的角度或位移的方法和电路装置，在该方法中分析多个(N)相位测量值(α)，这些相位测量值(α)通过借助分别所分配的传感器来扫描在线性或旋转运动的部件上的至少一个相位传感器装置而生成。通过以下方式来实现质量量度(R)的确定，即在利用矩阵(M1)对所述相位测量值(α)进行变换之后生成矢量(T)，并且紧接着生成关于该矢量(T)的量化运算(V)的结果。由该矢量(T)和量化运算(V)的结果之差(t)在利用另一个矩阵(M4)进行变换之后生成另一个矢量(X)，该另一个矢量(X)的分量(x_j)被施加系数(C_j)和(D_j)并且从中推导出质量量度(R)。

Description

用于确定相位信号的质量量度的方法和电路装置

技术领域

本发明涉及按照独立权利要求的前序部分的、尤其是在检测轴的运动或转角或转矩时用于确定相位信号的质量量度的方法和电路装置。

背景技术

例如为了检测在转向轮转动期间作用于汽车转向轮轴的转矩，必须测量在转向轮的两个转动方向上的很小的角度变化。在此情况下，可以应用增量角度传感器，这些增量角度传感器基于对以光学、磁性方式或此外如通过转动那样所生成的并且利用合适的装置所探测到的信号的分析给角度分配相位测量值。为了放大单值范围，可以查看至少一个其它的具有另一相位斜率的测量通道。即在这里出现多个相位测量值。可以根据这些相位测量值确定要测量的变量、诸如转角、角度差或到目标的距离。

为了分析这种相位测量值，在多于两个相位信号的情况下，例如建议在DE 101 42 449 A1中所说明的方法。在那里，由数量为N的多值的、受干扰的相位信号生成高度精确的、稳健的并且明确的相位测量值或角度测量值。为此，此外还借助线性变换方法通过计算改变所测量的相位值，并且利用预先给定的加权来进行分析。

该方法例如在光学角度传感器中得到应用，在该光学角度传感器中在圆柱体上设置(aufbringen)有N个平行的迹线(Spuren)。相位信息的n_i个周期位于N个迹线(i＝1...N)中的每一个上，该相位信息例如在光学情况下通过n_i个周期的明暗过渡来代表。在这里也可以实现诸如磁性或容性的其它传感器原理。例如在位移传感器的情况下，也可以将传感器的迹线设置在平面上来代替设置在圆柱体上。

此外从DE 195 06 938 A1中公开了，可以通过单次或甚至于多次应用传统的或修改了的游标法来分析相位信号。

此外，为了确定角度差，从DE 101 42 448 A1中同样公开了，加权地累加相位测量值，并且然后由此确定整数和非整数分量。非整数分量与轴上的增量值传感器的两个迹线组之间的角度差成正比，使得可以通过与连接在迹线组之间的扭棒的弹簧比率相乘来确定轴的转矩。

除此之外，就本身来看，从DE 100 34 733 A1中公开了，在初始化阶段中，将预先给定的偏移值加到相位测量值加上，并且由此又进行偏移值的匹配。就本身来看，还从DE 199 15 968 A1中公开了一种用于两个正交传感器信号的偏移补偿的迭代近似法。

按照前序部分所述的方法例如可以与如在前面提及的DE 101 42448 A1中所说明的相应传感器装置一起作为所谓的扭矩角度传感器(TAS)被用在汽车的转向轴上，在该扭矩角度传感器(TAS)中应同时输出转向角和转向力矩。

发明内容

利用开始时提及的按照前序部分所述的、用于检测例如旋转机械部件的转角和/或转矩的方法，可以通过借助分别所分配的传感器来扫描旋转部件上的至少一个相位传感器来分析相位测量值。根据本发明有利地通过以下方式来执行相位信号的质量量度的确定，即在利用预先给定的矩阵对相位测量值进行变换之后，生成矢量并且生成关于该矢量的量化运算的结果，以及然后由该矢量和量化运算的结果之差在利用另一个矩阵进行变换之后生成另一个矢量。然后由该另一个矢量的分量形成数值上的最小值，并且从中推导出质量量度。

特别有利地，可以按以下关系式来确定质量量度：

R·e_max＝min_j＝1 nx|D_j±x_j·C_j|

其中变量C_j和D_j是可以从相位信号中推导出的系数。在此，也可以简单地将施加系数C_j和D_j和利用另一个矩阵对矢量进行变换组合在一个方法步骤中。

本发明方法可以有利地利用一种电路装置来实现，该电路装置由电子电路形成，并且具有用于处理相位信号的线性映射模块和量化模块。利用另一个线性映射模块，可以由第一线性映射模块的输出端上的矢量和量化模块的输出端上的量化运算的结果之差生成另一个矢量，该另一个矢量可在其它的模块中被施加系数。

因此，利用本发明方法和电路装置可以有利地确定用于评价各个相位测量值之间的关系的可标定的质量量度。然后可以借助该量度来识别传感器系统的干扰和错误测量。因此，本发明能够实现对整个传感器系统的监控，因为迄今不能对整个系统进行这种评价。例如传感器头由于所谓的倾斜角而相对于传感器迹线的歪斜引起质量量度的显著下降。此外，利用本发明，以电子电路中的软件和/或硬件的微小的花费实现了用于确定质量量度的方法和电路装置，因为对于质量量度的计算来说首先不需要绝对角度值的计算。

附图说明

借助附图来阐述用于执行本发明方法的电路装置的实施例。

图1展示了用于通过分析相位信号来检测轴的转角的电路装置以及用于确定质量量度的装置的示意性视图，以及

图2展示了相位信号在变换和量化到二维空间中之后的示图。

具体实施方式

在图1中展示了用于通过分析相位信号α来检测轴的转角的电路装置的框图，这些相位信号α例如在旋转部件的轴上取得，该轴的转角Φ和该轴的角度差可以利用相应的传感器装置来确定。原则上，从在说明书引言中作为现有技术提及的DE 101 42 448 A1中公开了这种装置。从同样在说明书引言中提及的DE 101 42 449 A1中公开了，在具有N个相位信号的角度传感器的情况下对于相位信号α_I来说以下等式适用：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2\\ {\mathrm{\α}}_3\\ {\mathrm{\α}}_N\end{array}\right)\underset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{mod}}[\mathrm{\Φ}\·\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\\ n_3\\ n_N\end{array}\right)]---\left(1\right)$

变量Φ在这里是在测量任务中所寻找的绝对角度，其中相同的关系式也适用于线性位移传感器。在此情况下以理想的测量值为前提，即原则上不存在测量误差。然后借助光学信号发生器的信号的四维相位分析(N＝4)来实现本发明方法的描述。于是由此可以借助其它的模块来确定角度Φ_m，并且必要时确定轴的转矩。

详细地，在这里按照图1存在：用于利用矩阵 M ₁将相位信号 α变换为矢量 T的线性映射模块M1和用于产生量化运算 V的量化模块V。在此之后是用于利用矩阵 M ₃进行变换的另一个线性映射模块M3，并且在考虑到相位信号 α的加权模块W的输出信号的情况下跟随着同样从现有技术中公开的利用mod 2¹⁶模块的运算，以便获得角度Φ。

用于计算本发明质量量度R的出发点是相位值本身，或者是按照以下等式(2)的、矢量 T和 V之差 t的确定，其中矢量 T和 V按照现有技术DE 101 42 449 A1在这里通常的电路装置中原则上可供作为多维相位分析的中间值使用。

t＝ T- V＝ T-quant( T)    (2)

借助按照图1的矩阵M4，在线性映射模块M4中将该N-1维差 t映射为矢量 X：

X＝ M ₄· t              (3)

矩阵M4由

$n_x=\left(\frac{N}{N-2}\right)=\frac{N!}{2\·(N-2)!}---\left(4\right)$

行组成。然后在模块C中将矢量 X的分量x_j与系数C_j相乘。此后将其它的n_x个系数D_j与该结果相加或相减。于是在模块R中，由如此获得的2n_x个值形成数值上的最小值。该最小值具有以下值：

R·e_max＝min_j＝1 nx|D_j＝x_j·C_j|    (5)

值e_max是在所有N个相位值中同时允许的误差；e_max取决于维数和周期数n_j的特殊选择。例如对于N＝4维来说，原则上可以从图1中所示的信号流图中获取前面提及的变量的计算流程。其它维数N的电路装置基本上是相同的，仅仅信号线路的所说明的数量发生变化。

在具有N＝3个相位信号的数值实例中，例如假设以下值：n₁＝3，n₂＝4以及n₃＝5。起点是按照等式(2)的值。在此情况下，矩阵 M ₁和 M ₄为：

${\underset{\‾}{M}}_1=\left(\begin{array}{ccc}1& -2& 1\\ -1& -1& 2\end{array}\right),{\underset{\‾}{M}}_4=\left(\begin{array}{cc}-2& 1\\ -1& 2\\ 2& 1\end{array}\right)$

并且分别具有j＝1...3的系数C_j或D_j于是具有以下值：

$C_1=\frac{1}{7},C_2=\frac{1}{8},C_3=\frac{1}{9},D_1=\frac{1}{7},D_2=\frac{1}{8},D_3=\frac{1}{6}$

因此，对于按照等式(1)的理想的相位信号来说，R＝1和

R·e_max＝45°

适用。

如果例如将所有相位信号α_i作为反相模式移动180°，则得出R＝0的质量量度。

利用上述方法所计算的质量量度R说明，从当前的相位测量值出发，还可以允许多少噪声或哪些测量误差，以便可以确保所希望的功能。在图2中，在N＝3维的实例中，在变换到二维的t空间中之后，在作为矢量 t的t空间中示出相位测量值的范围边界BG。这里利用范围RB来界定正确结果的噪声的可能的位置。

在此情况下，噪声典型地涉及值e_max。即在按照关系式(1)的理想相位值的情况下R＝1适用，并且当前的测量值因此位于矢量 t的起点。如果当前的测量值恰好位于按照图1的量化单元V的范围边界BG上，质量量度R则取它的最小值R＝0。

Claims (4)

1.用于分析相位信号以便确定线性或旋转运动的部件的角度或位移的方法，其中，

-分析多个(N)相位测量值( α)，这些相位测量值( α)通过借助分别所分配的传感器来扫描在所述线性或旋转运动的部件上的至少一个相位传感器装置而生成，并且其中

-将所述相位测量值( α)借助线性变换通过计算变换到新的范围内，

其特征在于，

-通过以下方式来实现质量量度(R)的确定，即在利用矩阵( M ₁)对所述相位测量值(α)进行变换之后生成矢量( T)，并且紧接着生成关于所述矢量( T)的量化运算( V)的结果，

-由所述矢量( T)和所述量化运算( V)的结果之差( t)在利用另一个矩阵( M ₄)进行变换之后生成另一个矢量( X)，并且

-由所述另一个矢量( X)的分量(x_j)形成数值上的最小值，并且从中推导出所述质量量度(R)。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，

-按照以下关系式来确定所述质量量度(R)：

R·e_max＝min_j＝1 nx|D_j±x_j·C_j|，

-其中变量(C_j)和(D_j)是可以从所述相位信号中推导出的系数。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，

-将施加所述系数(C_j)和(D_j)和利用所述另一个矩阵( M ₄)对所述矢量( X)进行变换组合在一个方法步骤中。

4.用于执行按照以上权利要求之一的方法的电路装置，其特征在于，

-电子电路配备有用于利用矩阵( M ₁)来处理相位信号(α)的线性映射模块(M1)和量化模块(V)，以及

-可以利用线性映射模块(M4)由所述线性映射模块(M1)的输出端上的矢量( T)和所述量化模块(V)的输出端上的量化运算( V)的结果之差( t)生成另一个矢量( X)，该另一个矢量( X)可以在其它模块(C，D)中被施加系数(C_j)和(D_j)。