ES2223918T3 - Procedimiento para la auto-calibracionn de un angulo de torsion registrado por un medidor de angulos y del par de torsion. - Google Patents
Procedimiento para la auto-calibracionn de un angulo de torsion registrado por un medidor de angulos y del par de torsion.Info
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Abstract
Procedimiento para la auto-calibración de un ángulo de torsión, medido por un medidor de ángulos y del par de torsión, en un eje (3) en el que están dispuestos dos discos (1a, 1b) de código con un elemento (9) de torsión en medio, estando asociados a los dos discos (1a, 1b) de código elementos (5) sensores que registran las codificaciones (2) de los discos (1a, 1b) de código de acuerdo con un ángulo de giro del eje (3) y emiten señales eléctricas a una unidad (10) de evaluación, y determinando la unidad (10) de evaluación un ángulo de giro y / o el par de torsión que actúa en el eje (3) a partir de las señales eléctricas, caracterizado porque, para la determinación del par de torsión en una etapa de calibración con ambos discos (1a, 1b) de código, se mide un número predeterminado de ángulos (¿1, ¿2) de giro a lo largo de un giro del eje (3) hasta 360, no actuando ningún par de torsión en el eje (3), porque en cada medición se forman un ángulo de referencia o promedio (m) y un valor (d) diferencial a partir de los dos ángulos (¿1, ¿2) de giro medidos y se almacenan como error (d(m)) del ángulo de torsión, porque durante una utilización posterior, en el caso de un par (M) de torsión que existe previamente en el eje (3), se miden los dos ángulos (¿1, ¿2) instantáneos de giro mediante el medidor de ángulos y del par de torsión, porque a partir de los dos ángulos (¿1, ¿2) instantáneos de giro se forman el ángulo de referencia o promedio (m) y el ángulo (d) diferencial, porque se busca el error (d(m)) del ángulo de torsión almacenado en relación con el ángulo de referencia o promedio (m), y porque el ángulo diferencial instantáneo se corrige con ayuda del error (d(m)) del ángulo de torsión almacenado y se emite como ángulo de torsión real.
Description
Procedimiento para la
auto-calibración de un ángulo de torsión registrado
por un medidor de ángulos y del par de torsión.
La invención parte de un procedimiento para la
auto-calibración de un ángulo de giro medido por un
medidor de ángulos y del par de torsión (torque angle sensor, TAS)
según el tipo genérico de la reivindicación principal. Ya se conocen
medidores de ángulos y del par de torsión para la determinación de
un ángulo de giro y un ángulo de torsión en un eje. Por ejemplo, en
el documento DE 198 35 694 A1, que forma el tipo genérico, se
describió una disposición de sensores, en la que en un eje rotatorio
están dispuestos dos sensores angulares. Entre los dos sensores
angulares está instalado un elemento de torsión, de tal manera que
los dos sensores angulares pueden medir un ángulo de giro del
elemento de torsión en el caso de un par de torsión que actúa en el
eje. Luego puede determinarse el par de torsión a partir del ángulo
de torsión. En el caso de muchos sistemas, por ejemplo, en el sector
automovilístico, es necesario utilizar un elemento de torsión (barra
de torsión) muy rígido. Así, por ejemplo, en el caso de sistemas de
dirección, el ángulo de giro no debe ser mayor de 3º normalmente.
Entonces, en el caso de los pares de torsión relativamente pequeños
que se presentan en la barra de dirección, se obtiene sólo un ángulo
de torsión pequeño que además tiene que medirse de forma exacta. Una
medición exacta es necesaria para poder emplear, por ejemplo, la
señal del transductor angular para el control de un servomotor.
Por el contrario, el procedimiento según la
invención para la auto-calibración de un ángulo de
torsión medido por un sensor angular y del par de torsión con las
características significativas de la reivindicación principal tiene
la ventaja de que no sólo pueden medirse ángulos de torsión
pequeños. Más bien, es posible medir o calcular el ángulo de torsión
con gran precisión. Se considera especialmente ventajoso, que de
acuerdo con el procedimiento según la invención, es posible una
calibración del sensor después de que éste esté ya montado. Otra
ventaja también consiste en que puede prescindirse de un sensor de
referencia externo. Estas ventajas también posibilitan,
especialmente en un caso de reparación, una capacidad de sustitución
fácil del sensor y, con ello, reducción de costes. Además se
considera especialmente ventajoso que gracias a la
auto-calibración del dispositivo también pueden
eliminarse posteriormente por medio de cálculos tolerancias de
fabricación y montaje, de tal manera que gracias a ello también se
aumenta la exactitud del sensor.
Gracias a las medidas expuestas en las
reivindicaciones dependientes son posibles perfeccionamientos y
mejoras ventajosos del procedimiento para la
auto-calibración indicado en la reivindicación
principal. Así, el par de torsión que se presenta puede determinarse
de manera sencilla mediante un cálculo de multiplicación
sencillo.
También se considera especialmente ventajoso que
las codificaciones puedan leerse sin contacto, de forma óptica o
magnética. Gracias a esto, el dispositivo funciona sin ruido y sin
desgaste. Además, una codificación magnética ofrece la ventaja de la
insensibilidad a la suciedad no magnética.
Por el contrario, ventajosamente, las marcas
ópticas pueden aplicarse, por ejemplo, con un código de barras con
codificaciones periódicas directamente en el eje, de tal manera que
su fabricación es especialmente económica.
Los elementos sensores magnetorresistentes,
sensores GMR (Giant Magnetoresistance, magnetorresistencia gigante)
o sensores AMR (magnetorresistencia anisótropa) o sensores de efecto
Hall suministran señales sinusoidales y cosenoidales durante la
exploración de la pista codificada, las cuales también pueden
evaluarse fácilmente, por ejemplo, en combinación con un
procedimiento con nonio.
Además también es apropiado que puedan tenerse en
cuenta valores intermedios mediante una sencilla interpolación,
puesto que las magnitudes angulares medidas y calculadas, así como
sus diferencias se almacenan en una tabla de valores a la que puede
accederse fácilmente.
De esta manera pueden determinarse de forma muy
precisa, por ejemplo, en el caso de una barra de dirección de un
automóvil, no sólo el ángulo de la dirección, sino también el par de
torsión que actúa sobre la barra de dirección. Entonces, con ayuda
de estos valores puede controlarse o regularse un servomotor.
En el dibujo se muestra un ejemplo de realización
de la invención y se explica detalladamente en la descripción
subsiguiente.
La figura 1 muestra la estructura esquemática de
un dispositivo de medición de ángulos y del par de torsión (TAS,
torque / angle sensor),
la figura 2 muestra un desarrollo el
procedimiento,
la figura 3 muestra un primer diagrama con curvas
de error angular,
la figura 4 muestra un segundo diagrama con
curvas de error angular y la figura 5 muestra un tercer diagrama con
curvas de error angular.
La figura 1 muestra la estructura esquemática de
un dispositivo de medición de ángulos y del par de torsión (llamado
TAS), tal como se conoce básicamente en gran medida. En un eje 3
están dispuestos de forma axial dos discos 1a, 1b de código,
presentando cada disco 1a, 1b de código codificaciones 2 que están
dispuestas de forma periódica. Las codificaciones 2 están
dispuestas, por ejemplo, como códigos de barras que pueden
detectarse de forma óptica, campos distinguibles o similares. En una
forma de realización alternativa también pueden preverse pistas de
código magnéticas, alternándose campos contiguos con polos norte y
sur. En un disco 1a, 1b de código están dispuestas al menos dos
pistas de código, de manera que cada disco 1a, 1b de código puede
detectar un ángulo de giro del eje 3, por ejemplo, con un
procedimiento con nonio conocido per se. La detección tiene
lugar con elementos 5 sensores dispuestos de forma correspondiente,
estando asociado cada elemento 5 sensor en cada caso sólo a una
pista de código y suministra señales eléctricas correspondientes a
una unidad 10 de evaluación. La unidad 10 de evaluación está
dispuesta preferiblemente sobre una placa 4 de circuitos impresos
junto con los elementos 5 sensores y está fijada de forma resistente
a la torsión respecto al eje 3. El número de codificaciones 2 de las
dos pistas de código asociadas es diferente, de manera que con el
procedimiento con nonio conocido puede conseguirse una resolución
angular mayor. En el caso de la codificación óptica, los elementos 5
sensores están configurados como componentes sensibles a la luz. En
el caso de los sensores 5 del campo magnético se utilizan
preferiblemente sensores GMR o AMR o sensores de efecto Hall. Estos
elementos sensores suministran una señal sinusoidal y cosenoidal que
posibilita una determinación del ángulo mediante una formación de un
arco tangente.
Entre los dos discos 1a, 1b de código está
dispuesto un elemento 9 de torsión, de tal manera que durante el
giro del eje 3 con un cierto par M de torsión se miden diferentes
ángulos de giro en los dos discos 1a, 1b de código. A modo de
ejemplo, este dispositivo está dispuesto en un eje de dirección de
un automóvil, de tal manera que en el caso de que el eje de
dirección (barra de dirección) gire puede determinarse, con los
elementos 5 sensores, el par de torsión que actúa a partir de la
diferencia angular de los dos discos 1a, 1b de código.
Basándose en las figuras subsiguientes se explica
detalladamente el modo de funcionamiento del procedimiento para la
auto-calibración. Para ello, la figura 2 muestra, en
una representación esquemática, un desarrollo del procedimiento para
la auto-calibración. El trasfondo de la invención es
que la determinación de un ángulo de torsión en el eje 3 tiene que
llevarse a acabo con gran precisión puesto que, por ejemplo, en un
eje de dirección el ángulo de torsión que se presenta realmente no
puede sobrepasar normalmente los 3º. Por consiguiente, con el
dispositivo tienen que medirse ángulos muy pequeños que además
tienen que determinarse también con gran precisión para cumplir los
requisitos de exactitud exigidos. En este sentido, también hay que
tener en cuenta que los errores sistemáticos que pueden presentarse
en la fabricación también tienen que corregirse y tenerse en cuenta
en el caso del procedimiento para la
auto-calibración.
Debido a las posibilidades de error citadas
anteriormente, los elementos 5 sensores también registran diferentes
ángulos de giro medidos de forma absoluta en los dos discos 1a, 1b
de código cuando no actúan ningún par M de torsión en el eje 3. Si,
en este caso, ya se hubieran formado los ángulos diferenciales de
los dos discos 1a, 1b de código, entonces, éstos simularían un
ángulo de torsión que no existe. Este error del ángulo de torsión se
determina en una primera etapa durante la calibración de los
elementos 5 sensores, que tiene lugar preferiblemente tras el
montaje, de tal manera que se compensan las tolerancias de error y
de montaje que existían anteriormente.
Por tanto, en la primera etapa de calibración, en
el caso de un par de torsión M=0, el eje 3 se gira en etapas
angulares más o menos pequeñas con un número suficiente de etapas y,
además, se determina y almacena en cada caso el valor de medición
suministrado por los dos discos 1a, 1b de código para el ángulo de
giro. En este caso, cada disco 1a, 1b de código suministra un ángulo
de giro absoluto que se determina con uno de los procedimientos con
nonios conocidos (posición 21, 22) gracias a las dos pistas de
código de cada disco 1a, 1b de código. En la unidad 10 de evaluación
se determina la diferencia \varphid angular de \varphi'1 y
\varphi'2 (posición 23 o 24) a partir de estos dos ángulos
\varphi'1 o \varphi'2 (posición 23 o 24). La diferencia se
calcula como error \varphid del ángulo de torsión según la
fórmula:
\varphi
d=\varphi '1 - \varphi '2=f1(\varphi) -
f2(\varphi)
En este caso
\varphi '1
=\varphi
+f1(\varphi)
es el ángulo absoluto medido para
el disco 1a de código
y
\varphi
'2=\varphi
+f2(\varphi)
para el segundo disco de código.
\varphi representa el ángulo real. En este caso, la función
f1(\varphi) corresponde al error del ángulo absoluto medido
del disco 1a de código y, de forma análoga, f2(\varphi) es
el error del ángulo absoluto medido en el disco 1b de
código.
Además, el promedio \varphim de los dos ángulos
\varphi'1 y \varphi'2 se calcula según la fórmula
\varphi
m=\frac{\varphi'_{1}+\varphi'_{2}}{2}=\varphi
+\frac{f_{1}(\varphi)+f_{2}(\varphi)}{2}
Preferiblemente, los valores \varphim, o un
ángulo de referencia correspondiente, y \varphid se almacenan en
forma de una tabla de valores. La figura 3 muestra en un primer
diagrama un ejemplo de las funciones f1(\varphi) y
f2(\varphi) de errores medidas de los dos discos 1a, 1b de
código. Aquí existe una excentricidad de 0,13 mm en el disco 1a de
código superior o de 0,01 mm en el disco 1b de código inferior. Por
tanto, la curva f1 de la figura 3 muestra un error angular grande,
mientras que la curva f2 muestra un error mucho menor. Por
consiguiente, la diferencia de estas dos curvas representa el error
del ángulo de torsión que puede modificarse en función del ángulo de
giro medido. Esta diferencia se almacena, junto con el ángulo
absoluto, en la unidad 10 de evaluación con un número suficiente de
puntos de apoyo. Los valores intermedios para el error del ángulo de
torsión pueden determinarse por interpolación.
En la figura 2 se muestra simbólicamente la
auto-calibración en la posición 25.
Se supone, por ejemplo, que el dispositivo se ha
montado en una barra de dirección de un automóvil y que se ha
calibrado tal como se ha escrito anteriormente. Debido al movimiento
del volante, durante el funcionamiento se presentan pares M de
torsión en el eje 3 de dirección, que conducen a diferentes valores
angulares de los dos discos 1a, 1b de código. El ángulo de torsión
real es \Delta \varphi.
A modo de ejemplo, en el disco 1a de código
superior se mide el ángulo
\varphi'1=\varphi + \Delta
\varphi +f1(\varphi + \Delta
\varphi),
y en el disco 1b de código inferior
el
ángulo
\varphi'2=\varphi +
f2(\varphi).
Ahora, el procedimiento de la autocorrección se
lleva a cabo de tal manera que del ángulo \varphi'1 superior
medido se sustrae la mitad de la diferencia del ángulo de error, por
consiguiente, \varphid(\varphi'1)/2 y en el caso del
ángulo \varphi'2 inferior se suma según las fórmulas:
\varphi
1^{k}=\varphi'1 - \varphi d(\varphi
m)/2
\varphi
2^{k}=\varphi'2 - \varphi d( \varphi
m)/2
En este caso, el índice k debe designar el ángulo
\varphi'i corregido. Los valores intermedios no almacenados se
determinan por interpolación.
La figura 4 muestra en un segundo diagrama que
las dos curvas \varphi1^{k} - \varphi o \varphi2^{k} -
\varphi de error angular han conducido tras la
auto-calibración a un error sincrónico, de manera
que el error \varphi1^{k} - \varphi2^{k} diferencial oscila
alrededor de la línea de 0º. La amplitud de las curvas de error está
reducida a la mitad respecto a la figura 3.
Los ángulos \varphii^{k} corregidos tienen la
propiedad de que son igual de grandes en el caso del ángulo 0º de
torsión real, es decir, cuando no actúa ningún par de torsión en el
eje 3 de dirección. Por el contrario, si actúa un par de torsión
determinado en el eje 3 de dirección, entonces se obtiene un ángulo
\Delta \varphi de torsión finito que puede calcularse de la
siguiente manera:
\varphi1^{k}=\varphi
+\Delta\varphi +f1(\varphi +\Delta\varphi) - \varphi d(\varphi
m)/2
\varphi2^{k}=\varphi +
f2(\varphi) +\varphi d(\varphi
m)/2
Aproximadamente, como diferencia para el ángulo
\varphii^{k} corregido se obtiene
\varphi 1^{k}-
\varphi
2^{k}=\Delta\varphi
En este caso se ha supuesto que las desviaciones
de las curvas de error son despreciablemente pequeñas.
La figura 5 muestra un tercer diagrama con curvas
de error angular, habiéndose aplicado en este caso un par M de
torsión en el eje 3 de dirección y habiéndose medido en este caso,
por ejemplo, un ángulo de torsión de -2º. Ahora, la curva
característica superior muestra los errores angulares, que pueden
presentarse en el caso de los correspondientes ángulos \varphi
absolutos, para el disco 1a de código superior con los ángulos de
error
\varphi1^{k} -
\varphi
De forma correspondiente, en la curva inferior
del diagrama de la figura 5 está trazada la curva de error
\varphi 2^{k}
-
\varphi
para el disco 1b de código. La
curva que se encuentra más abajo en la zona de la línea de -2,0º
corresponde al ángulo de torsión que se presenta, el cual puede
medirse con un error <1% en este ejemplo de
realización.
Claims (10)
1. Procedimiento para la
auto-calibración de un ángulo de torsión, medido por
un medidor de ángulos y del par de torsión, en un eje (3) en el que
están dispuestos dos discos (1a, 1b) de código con un elemento (9)
de torsión en medio, estando asociados a los dos discos (1a, 1b) de
código elementos (5) sensores que registran las codificaciones (2)
de los discos (1a, 1b) de código de acuerdo con un ángulo de giro
del eje (3) y emiten señales eléctricas a una unidad (10) de
evaluación, y determinando la unidad (10) de evaluación un ángulo de
giro y / o el par de torsión que actúa en el eje (3) a partir de las
señales eléctricas, caracterizado porque, para la
determinación del par de torsión en una etapa de calibración con
ambos discos (1a, 1b) de código, se mide un número predeterminado de
ángulos (\varphi'_{1}, \varphi'_{2}) de giro a lo largo de
un giro del eje (3) hasta 360º, no actuando ningún par de torsión en
el eje (3), porque en cada medición se forman un ángulo de
referencia o promedio (\varphim) y un valor (\varphid)
diferencial a partir de los dos ángulos (\varphi'1, \varphi'2)
de giro medidos y se almacenan como error
(\varphid(\varphim)) del ángulo de torsión, porque
durante una utilización posterior, en el caso de un par (M) de
torsión que existe previamente en el eje (3), se miden los dos
ángulos (\varphi'1, \varphi'2) instantáneos de giro mediante el
medidor de ángulos y del par de torsión, porque a partir de los dos
ángulos (\varphi'1, \varphi'2) instantáneos de giro se forman el
ángulo de referencia o promedio (\varphim) y el ángulo
(\varphid) diferencial, porque se busca el error
(\varphid(\varphim)) del ángulo de torsión almacenado en
relación con el ángulo de referencia o promedio (\varphim), y
porque el ángulo diferencial instantáneo se corrige con ayuda del
error (\varphid(\varphim)) del ángulo de torsión
almacenado y se emite como ángulo de torsión real.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque para la determinación del par de torsión
el ángulo de torsión real se multiplica por las constantes de
torsión del elemento (9) de torsión.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque las codificaciones (2) pueden leerse sin
contacto, preferiblemente de forma óptica o magnética.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque las codificaciones (2) presentan un
código de barras con un patrón recurrente de forma periódica.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
codificaciones (2) magnéticas pueden leerse por un elemento (5)
sensor magnetorresistente, preferiblemente por un sensor GMR, AMR o
sensor de efecto Hall.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
mediciones de los ángulos (\varphi'1, \varphi'2) de giro se
llevan a cabo con un procedimiento con nonio.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
medición de los ángulos (\varphi'1, \varphi'2) de giro tiene
lugar con una velocidad de giro del eje (3) aproximadamente
constante.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el error
(\varphid(\varphim)) del ángulo de torsión respecto a un
ángulo (\varphim) de giro medio se interpola entre dos valores
almacenados en una tabla de valores.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el eje (3)
es parte de un eje de dirección de un automóvil.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque los ángulos (\varphi1^{k},
\varphi2^{k}) de giro corregidos y / o el par de torsión se
utilizan para el control de un servomotor.
Applications Claiming Priority (2)
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