ES2309947T3

ES2309947T3 - Procedimiento y disposicion de circuito para registrar y compensar un angulo de inclinacion durante la deteccion de un movimiento o de un angulo de giro.

Info

Publication number: ES2309947T3
Application number: ES06707743T
Authority: ES
Inventors: Axel Wenzler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2008-12-16
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: JP2008533476A; EP1861681A1; DE502006001549D1; AU2006224701B2; KR20070110876A; AU2006224701A1; KR101006338B1; EP1861681B1; DE102005011576A1; EP1861681B9; WO2006097373A1

Abstract

Procedimiento para registrar el movimiento o el ángulo de giro en piezas constructivas mecánicas desplazadas, en el que - se valoran valores de medición de fase, que se generan mediante la exploración de varias trazas de fase (2, 3, 4, 5) mediante una disposición sensorial, - dispuestas unas sobre otras mediante sensores, instalados unos sobre otros igualmente en perpendicular a la dirección de movimiento y subordinados en cada caso a las trazas. - se lleva a cabo una determinación y compensación de un ángulo de inclinación (gamma) como posición oblicua de la disposición sensorial perpendicularmente a la dirección de movimiento de la pieza constructiva y del error de medición (DeltaAlfai) causado por medio de esto mediante un factor de compensación (Q, q), que se establece con los siguientes pasos de procedimiento: - se transforman los valores de medición de fase (Alfai) de todas las trazas de fase (2, 3, 4, 5) con ayuda de una matriz (M) m x 4, en cada caso con registros de números enteros en m señales S según la ecuación (Ver fórmula) - de las señales (S) se valora la parte sin números enteros s mediante la ecuación (6) s = S - (S) redondas como señal independiente de la posición angular absoluta, - se determina un factor de corrección k mediante una valoración de fase multidimensional y un vector (C) dependiente de las frecuencias prefijadas, y a partir de los valores (k) y (s) se establece el valor de compensación (Q).

Description

Procedimiento y disposición de circuito para registrar y compensar un ángulo de inclinación durante la detección de un movimiento o de un ángulo de giro.

Estado de la técnica

La invención se refiere a un procedimiento y a una disposición de circuito para registrar y compensar un ángulo de inclinación durante la detección de un movimiento o de un ángulo de giro con una disposición sensorial, en especial sobe ejes o árboles, según el género de la reivindicación principal.

Por ejemplo es necesario medir, para registrar el par de giro que actúa sobre un eje de volante de un vehículo de motor durante el giro del volante, variaciones angulares muy pequeñas en ambos sentidos de giro del volante. Aquí pueden utilizarse transductores angulares que valoran una posición angular a causa de la valoración de señales ópticas, magnéticas o de otro tipo como las generadas por el giro y detectadas con medios apropiados. Para aumentar la precisión de medición y en especial para medir el par de giro a causa de una torsión sobre el árbol giratorio se valoran varios valores de medición de este tipo de valores de medición que se producen normalmente de forma periódica, de tal modo que aquí se obtienen varios valores de medición de fase, de los que debe determinarse la magnitud a medir, por ejemplo el ángulo de giro o una diferencia angular.

Para valorar estos valores de medición de fase se propone, en el caso de más de dos señales de fase, por ejemplo un procedimiento descrito en el documento DE 101 42 449 A1. Aquí se transforman por cálculo los valores de fase medidos mediante un procedimiento de transformación lineal y se valoran con una ponderación prefijada. Aquí se describe de este modo un procedimiento que genera, a partir de N valores de medición de fase ambiguos, posiblemente también perturbados, un valor de medición de fase altamente preciso, robusto y claro. El procedimiento se aplica por ejemplo en el caso de un sensor angular óptico, en el que se aplican N trazas paralelas sobre un cilindro. Sobre cada una de las N trazas (i=1...N) se encuentran n_{i} periodos de una información de fase, que por ejemplo en el caso óptico se representa mediante n_{i} periodos de transiciones claro-oscuro. Aquí también son posibles otros principios sensoriales, por ejemplo magnéticos o capacitivos. Las trazas del sensor también pueden estar aplicadas en lugar de sobre un cilindro sobre un plano, por ejemplo en el caso de un sensor de recorrido.

En el caso de un sensor angular óptico descrito anteriormente con N trazas paralelas situadas unas sobre otras en dirección axial, sobre el perímetro de un cilindro, puede producirse que la cabeza sensora o el dispositivo de lectura presente en esta dirección axial una posición oblicua respecto a las trazas sensoriales. Este ángulo de la posición oblicua recibe el nombre de ángulo de inclinación, como se describe por ejemplo en el documento DE 102 47 319 A1, y conduce por un lado a errores en el ángulo de giro calculado y se reduce asimismo sobre todo, sin embargo, la robustez del procedimiento de valoración. A partir de una determinada magnitud de esta posición oblicua se hace incluso imposible una valoración sin compensación del ángulo de inclinación.

Asimismo se conoce del documento DE 102 47 321 A1 que, por ejemplo en un procedimiento para compensación de offset, en una disposición sensorial comparable pueda compensarse un ángulo de inclinación generado fijamente durante la instalación. Si se modifica el ángulo de inclinación durante el funcionamiento o durante la vida útil, por ejemplo a causa de influencias térmicas o mecánicas, es después necesaria una determinación del ángulo de inclinación y dado el caso una compensación.

En el documento DE 102 47 319 se describe, como se ha citado, un método para compensar el ángulo de inclinación antes citado, en donde para determinar el ángulo de inclinación se utiliza aquí un procedimiento que determina el ángulo de inclinación según el método del error cuadrático mínimo. Este procedimiento, aunque tiene muchas características favorables, sólo puede utilizarse con ángulo de inclinación relativamente pequeños.

Visto por sí mismo es además habitual que se elijan los códigos de fase de las dos trazas exteriores idénticas sobre un cilindro rotatorio. Un ángulo de inclinación puede determinarse después directamente mediante la comparación de las señales de fase detectadas correspondientes; aquí no se utilizan informaciones procedentes de las trazas centrales. Aquí existe sin embargo el inconveniente de que es necesaria una mayor complejidad a causa de la traza de código adicional, que sólo sirve para determinar el ángulo de inclinación. También este procedimiento sólo puede utilizarse con ángulos de inclinación relativamente pequeños, de tal modo que en muchos casos aplicativos de la disposición sensorial antes descrita con ángulos de inclinación relativamente grandes, no pueden usarse los procedimientos conocidos citados para determinar el ángulo de inclinación.

Ventajas de la invención

Con el procedimiento del género expuesto citado al comienzo para registrar el movimiento o el ángulo de giro en piezas constructivas mecánicas desplazadas pueden valorarse valores de medición de fase, que se generan mediante la exploración de varias trazas de fase dispuestas unas sobre otras mediante sensores, instalados unos sobre otros igualmente en perpendicular a la dirección de movimiento y subordinados en cada caso a las trazas. Los valores de medición de fase pueden transformarse por cálculo, por ejemplo mediante una transformación lineal de un vector a partir de n valores de medición de fase, en un espacio dimensional N-1.

Con la invención puede llevarse a cabo de forma ventajosa una determinación del ángulo de inclinación como posición oblicua de la disposición sensorial perpendicularmente a la dirección de movimiento de la pieza constructiva y una compensación del error de medición por ello causado, mediante un factor de compensación con los siguientes pasos de procedimiento.

Se transforman los valores de medición de fase de todas las trazas de fase con ayuda de una llamada matriz m x N, en cada caso con registros de números enteros en m señales, según la ecuación (4) indicada para la descripción del ejemplo de ejecución. Una operación matricial comparable se describe en profundidad en el documento DE 101 42 449 A1 citado al comienzo. A partir de estas señales se establece conforme a la invención la parte sin números enteros s mediante redondeo y substracción, de forma correspondiente a la ecuación (6).

Las señales s así establecidas se comportan como señales de fase de forma correspondiente a las señales utilizadas según el documento DE 101 42 449 A1. De este modo se determina conforme a la invención un factor de corrección k mediante otra valoración de fase multidimensional y un vector c dependiente de las frecuencias prefijadas. A partir de los valores para k y s puede establecerse después el valor de compensación Q o q * d_{0}. En la realidad las señales s contienen con frecuencia mucho ruido ya que, aunque son independientes de la posición angular, pueden promediarse a través de varias mediciones. Para el promediado puede usarse por ejemplo el procedimiento de promediado iterativo que se describe en el citado documento DE 1012 47 321 A1, en donde la media aritmética puede desviarse del valor medio verdadero a causa de la operación no lineal según la ecuación (6).

El valor de compensación puede establecerse, sin embargo, de forma ventajosa según el método del error cuadrático mínimo de la ecuación (10).

Por último puede establecerse después a partir del valor de compensación un error de medición sistemático según la ecuación (1) y, mediante la extracción del error de medición desde el valor de medición de fase, llevarse a cabo la compensación.

Con la invención es posible de forma ventajosa la determinación de un ángulo de inclinación en la disposición sensorial antes citada, en la que la determinación puede realizarse de forma fiable incluso con mayores rotaciones (ángulo de inclinación); normalmente en un factor de 5 a 10 mayor que en el procedimiento conocido del documento DE 102 47 319 A1. El ángulo de inclinación determinado es muy preciso y la disposición trabaja también con valores de medición de fase con ruido todavía de forma muy fiable.

El procedimiento conforme a la invención y la disposición de circuito propuesta aprovechan toda la información disponible, es decir, en especial los valores de medición de fase también de las trazas interiores del transmisor de fase, para una determinación clara y precisa del ángulo de inclinación. Para aumentar ulteriormente la precisión y la robustez puede llevarse a cabo una promediado también a través de varias mediciones. Esto se hace posible por medio de que los valores de medición de fase pueden transformarse con un paso de transformación en señales, que son independientes de la posición angular absoluta del respectivo sensor.

La compensación del error y la igualación se realizan igual que en el documento DE 102 47 319 A1 citado al comienzo, puramente por cálculo; de este modo no se necesita ninguna intervención mecánica en la disposición sensorial. Pueden ahorrarse medidas mecánicas complicadas y caras así como modos de proceder especiales durante la producción y el ensamblaje, que sirven para reducir el margen de posibles ángulos de inclinación, de tal modo que aquí pueden ahorrarse costes.

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Dibujo

Se explica con base en el dibujo un ejemplo de ejecución de una disposición sensorial para llevar a cabo el procedimiento conforme a la invención. Aquí muestran:

la figura 1 una disposición de principio de trazas de fase ópticas sobre un cilindro en un árbol,

la figura 2 la disposición de cuatro trazas de fase ejecutadas dispuestas unas sobre otras en detalle, con la orientación nominal y real de un sensor óptico y

la figura 3 un esquema de conexiones en bloques de un ejemplo de ejecución de una disposición de circuito para llevar a cabo el procedimiento.

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Descripción del ejemplo de ejecución

En la figura 1 se muestra en una vista esquemática un eje 1 como elemento constructivo rotatorio, cuyo ángulo de giro \Phi puede establecerse a partir de trazas de fase 2, 3 4 y 5 desde campos claros-oscuros como transmisores de señales ópticos, sobre un cilindro sensorial 6 con una disposición sensorial óptica adecuada en el lado opuesto, durante un giro conforme a la figura 7. La disposición sensorial óptica se conoce con ello en principio del documento DE 101 42 449 A1, citado en la introducción descriptiva como estado de la técnica.

La descripción del procedimiento conforme a la invención se realiza con base en una valoración de fase multidimensional de las señales de la disposición sensorial, en donde en la figura 2 se muestran las trazas de fase 2 a 5 como un desarrollo. Por cada rotación del cilindro sensorial 6, en las trazas aisladas 2 a 5 del transmisor de fase los transmisores de señales ópticos recorrerán n_{1}, n_{2}, n_{3}, n_{4} periodos.

La orientación nominal 8 de la cabeza lectora de la disposición sensorial no representada aquí se ha dibujado en la figura 2 a trazos y la posición de instalación real como orientación real con trazo continuo como línea 9. El ángulo de inclinación \gamma puede reconocerse aquí como posición oblicua de la cabeza sensora partiendo del punto de giro inferior D de su posición de instalación a una distancia d_{4} desde la traza inferior 5 del transmisor de fase, en donde las otras distancias a las trazas 5 a 2 del transmisor de fase están marcadas entre sí con d_{0}.

La cabeza lectora mide en cada una de las trazas 2 a 5 del transmisor de fase un ángulo de fase \alpha, a valorar con base en una disposición de circuito según la figura 3, entre las transiciones de claro/oscuro, en donde en el caso de que el cilindro sensorial 6 siga girando en la traza i (con n=1...i) un periodo, es decir una pareja negro-blanco, el ángulo de fase \alpha correspondiente recorre un margen de 0 a 2 \pi. En la siguiente descripción del procedimiento se contemplan sin embargo ángulos de fase normalizados, es decir, que recorren un margen de 0 a 1 en lugar de 0 a 2 \pi.

A partir de los ángulos de fase periódicos y con ello ambiguos de las trazas 2 a 5 del transmisor de fase puede establecerse con ayuda del algoritmo descrito en el estado de la técnica citado al comienzo DE 101 42 449 A1, la posición angular clara de un transmisor de fase o sensor cilíndrico o la posición respectiva en el caso de un transmisor de recorrido lineal.

Si la cabeza lectora muestra por ejemplo un ángulo de inclinación \gamma con el punto D como punto de giro conocido, se aplica para los errores de medición \Delta\alpha_{i} con ello causados del ángulo de fase \alpha_{i}:

(1)\Delta\alpha_{i} = q * d_{i} * n_{i} mod1

Aquí d_{i} designa la distancia respectiva de la traza i al punto de giro D, es decir, la traza 4 con la distancia d_{4}, etc.

A continuación se describe el procedimiento para las cuatro trazas de fase 2 a 5, que puede transferirse fácilmente a otro número de trazas. Para la disposición representada en la figura 2 se aplica después la siguiente ecuación:

1

El factor q debe determinarse de aquí en adelante a partir de valores de medición del ángulo de fase \alpha; depende además del ángulo de inclinación \gamma y de la geometría sensorial. Para el caso de un cilindro con el radio R como portador de las trazas 2 a 5 del transmisor de fase se aplica por ejemplo:

2

El procedimiento conforme a la invención tiene sin embargo el objetivo de determinar el factor q a partir de los valores de medición \alpha_{i}. Después pueden determinarse según la ecuación (1) los errores de medición sistemáticos \Delta\alpha_{i} y calcularse a partir de los valores medidos. En la figura 3 se muestra para esto un esquema de conexiones en bloques con los pasos de procedimiento aislados necesarios para esto, para materializar una disposición de circuito.

En el primer paso del procedimiento se transforman los valores de medición \alpha_{i} con ayuda de una operación matricial M conforme al bloque 10 de la figura 3 en m señales S:

3

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La matriz M es con ello una llamada matriz m x N con registros de números enteros y la característica:

4

Según el documento DE 101 42 449 A1 citado anteriormente, el primer paso conocido de este modo por sí mismo es el cálculo del producto matricial B * A, es decir un cálculo del ángulo inequívoco del cilindro 6 mediante la multiplicación del vector de los valores de medición ambiguos \alpha_{i} con una matriz A y a continuación con una matriz B. La matriz M puede contener con ello partes del producto matricial B * A.

De las señales S según la ecuación (4) se contempla a continuación la parte sin números enteros s con

(6)s = S - (S) redondas

Conforme al bloque 11 de la figura 3. Para las señales s se aplica a continuación:

(7)s = C * q * d_{0} - k

con un vector desconocido k con números enteros y un vector C con

5

que siempre tiene registros de números enteros. Las señales s según la ecuación (7) son de este modo independientes de la posición angular absoluta del sensor óptico.

A continuación se pretende mostrar ahora un ejemplo numérico con frecuencias prefijadas. Para las frecuencias

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6

puede utilizarse la siguiente matriz M:

7

Aquí es m = 3 y el vector C da con ello como resultado

8

De la ecuación (7) se deduce que las señales s se comportan exactamente igual que las señales de fase con las frecuencias C. Esto quiere decir que, para determinar el valor buscado q puede utilizarse por ejemplo el procedimiento descrito en el documento DE 101 42 449 A1 para valorar las señales de fase. Este envía después el vector k de números enteros en la ecuación (7).

De este modo la ecuación (7) describe m ecuaciones para el valor buscado Q como valor de compensación para el error provocado por el ángulo de inclinación \gamma.

(9)Q = q * d_{0}

A partir de las m ecuaciones citadas anteriormente para el valor buscado Q puede determinarse después, con el método del error cuadrático mínimo, un valor óptimo para Q:

9

Con los valores s_{i}, k_{i} y C_{i} se designan con ello las componentes de los vectores s, k y C.

El valor Q según la ecuación (10) puede utilizarse de este modo para compensar el error del ángulo de inclinación, en donde en caso necesario puede calcularse el propio ángulo de inclinación \gamma a través de la ecuación (3). Normalmente, sin embargo, es suficiente el conocimiento del producto Q = q * d_{0} de la ecuación (9). Con frecuencia es también suficiente que para el valor Q se contemple sólo una pequeña parte del margen de inequivocación (-0,5 a 0,5), de tal modo que la determinación del valor k a partir de los valores para s (ecuación (7)) puede simplificarse.

De la figura 3 puede deducirse que para calcular el valor Q en el bloque 12 puede utilizarse la valoración de fase multidimensional (m-dimensional) conforme al bloque 13 para determinar el valor k y los valores para s según la ecuación (6).

En muchos casos aplicativos las señales s tienen con frecuencia mucho ruido. Debido a que son sin embargo independientes de la posición angular del cilindro de señal 6 (figura 1), pueden ponderarse evidentemente a través de varias mediciones. Para la ponderación puede usarse aquí por ejemplo conforme al bloque 14 un procedimiento de ponderación iterativo conocido por sí mismo, en donde la media aritmética puede diferir sin embargo, a causa de la operación no lineal según la ecuación (6), del verdadero valor medio.

Claims

1. Procedimiento para registrar el movimiento o el ángulo de giro en piezas constructivas mecánicas desplazadas, en el que

-: se valoran valores de medición de fase, que se generan mediante la exploración de varias trazas de fase (2, 3, 4, 5) mediante una disposición sensorial,

-: dispuestas unas sobre otras mediante sensores, instalados unos sobre otros igualmente en perpendicular a la dirección de movimiento y subordinados en cada caso a las trazas.

-: se lleva a cabo una determinación y compensación de un ángulo de inclinación (\gamma) como posición oblicua de la disposición sensorial perpendicularmente a la dirección de movimiento de la pieza constructiva y del error de medición (\Delta\alpha_{i}) causado por medio de esto mediante un factor de compensación (Q, q), que se establece con los siguientes pasos de procedimiento:

-: se transforman los valores de medición de fase (\alpha_{i}) de todas las trazas de fase (2, 3, 4, 5) con ayuda de una matriz (M) m x 4, en cada caso con registros de números enteros en m señales S según la ecuación

10

-: de las señales (S) se valora la parte sin números enteros s mediante la ecuación (6) s = S - (S) redondas como señal independiente de la posición angular absoluta,

-: se determina un factor de corrección k mediante una valoración de fase multidimensional y un vector (C) dependiente de las frecuencias prefijadas, y a partir de los valores (k) y (s) se establece el valor de compensación (Q).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque

-: el valor de compensación (Q) se establece según el método del error cuadrático mínimo, a partir de la ecuación

11

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque

-: se promedian las señales (s).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

-: a partir del valor de compensación (Q, q) se establece un error de medición sistemático (\Delta\alpha_{i}) según la ecuación (1) \Delta\alpha_{i} = q * d_{i} * n_{i}, con la distancia (d_{i}) al punto de giro (D) del ángulo de inclinación (\gamma), y se lleva a cabo la compensación mediante la extracción del error de medición (\Delta\alpha_{i}) del valor de medición de fase (\alpha_{i}).

5. Disposición de circuito para llevar a cabo el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque

-: para establecer y compensar un ángulo de inclinación (\gamma) está situada enfrente de un cilindro de señal (6) rotatorio dotado de trazas de transmisor de fase (2 a 5) una disposición sensorial, con la que a partir de los valores de medición de fase (\alpha_{i}) medidos de las trazas de transmisor de fase (2 a 5) con módulos (10, 11, 12, 13, 14), para la valoración de señales de fase, puede establecerse una señal de compensación (Q) para el error de ángulo de inclinación.