JP4473547B2 - 動き、回転角度および／またはトルクを検出するためのセンサ装置のオフセット補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、センサ装置を用いて動きまたは回転角度を検出するため、殊に軸またはシャフトの動きまたは回転角度またはトルクを検出するための方法に関する。

例えば、自動車のステアリングホイール軸に作用するトルクをステアリングホイールの回転の期間に検出するために、ステアリングホイールの両方の回転方向における非常に小さな角度変化が測定されなければならない。この場合インクリメンタル角度発生器が使用可能である。インクリメンタル角度発生器は、光学、磁気またはその他の方法により、回転によって生成されかつ適当な手段によって検出されたパルスの評価に基づいて角度位置を評価する。測定精度を高めかつ殊に、回転する軸のねじりに基づいてトルクを測定するために、この種のインクリメンタルな、通常は周期的に現れる多数の測定値が評価されるので、ここでは複数の位相測定値が発生し、これら測定値から測定すべき量、例えば回転角度、角度差または目標までの距離を突き止めることができるようになっている。

この方法では例えば、シリンダにＮ個の平行なトラックが付けられている光学式角度センサが使用される。Ｎ個のトラックのそれぞれに（ｉ＝１…Ｎ）、ｎ_ｉ個の周期の位相情報が存在している。位相情報は例えば光学的な例ではｎ_ｉ個の周期の明暗移行によって表される。別のセンサ原理、例えば磁気的または容量的な原理もここでは可能である。センサのトラックはシリンダに１平面上に取り付けられていてもよい。距離センサなどがその例である。

この種の位相測定値を評価するために、２個より多くの位相信号がある場合例えばＤＥ１０１４２４４９Ａ１に記載の方法が提案される。ここでは測定された位相値が線形の変換法を用いて計算上変形されかつ前以て決められている重みを以て評価される。更にＤＥ１９５０６９３８Ａ１から、位相信号が古典的なまたは変形されたバーニヤ法を１回または複数回使用して評価することができることが公知である。

更に角度差を求めるために、ＤＥ１０１４２４４８Ａ１から、位相測定値を加重累算しかつそこから整数部分および非整数部分を求めることも同様に公知である。非整数部分はシャフトに設けられているインクリメンタル値発生器の２つのトラック群間の角度差に比例しているので、トラック群間で切り換えられるトーションバーのばね定数を掛けるとシャフトにおけるトルクが突き止められる。

冒頭に述べた形式の方法は例えば、上に挙げたＤＥ１０１４２４４８Ａ１に記載されているように、車両のステアリングシャフトの相応のセンサ装置、いわゆるトルク・アングル・センサ（Torque-Angle-Sensor＝ＴＡＳ）であるセンサ装置によって使用することができる。ここでは同時に舵角およびステアリングモーメントが出力されるようになっている。この目的のために、トーションエレメントの両側に種々異なっている位相情報を有する複数の光学的または磁気的なトラックが取り付けられている。これら位相情報は光学的または磁気的に検出されかつ相応の、ここでは電気的な位相信号に変換される。トーションエレメントのそれぞれの側に複数のトラックが取り付けられていれば、１つの側における位相情報がそれぞれ例えば上に述べた多次元のバーニヤ評価法を用いて１つの多義的な位相信号にまとめられる。２つのこのようにして生じた位相信号から、従来技術から公知の方法を用いて舵角と、トルクに比例する差角度が直接突き止められる。

しかし実際には位相信号は位相オフセットを有している。位相オフセットは例えば、機械的な組み込み許容偏差、個々の位相トラック相互のずれまたは理想的でないトーションエレメントが原因で生じる。このような位相オフセットは非常に大きくなり、ひいては評価のロバスト性および正確さが低減されるまたはちゃんとした評価が不可能になることすらある。
ＤＥ１０１４２４４９Ａ１ ＤＥ１９５０６９３８Ａ１ ＤＥ１０１４２４４８Ａ１

運動、例えば回転する機械的な構成部材の運動、例えば回転角度および／またはトルクを検出するための方法であって、線形、殊に回転運動する構成部材の少なくとも１つの位相発生器、例えばそのトラックの走査によってそれぞれに配属されているセンサを用いて発生される位相測定値を評価しかつ該位相測定値を線形の変換を用いて計算により新しい領域に変換するという形式の方法を、位相信号のオフセット値が最適に突き止められるようにする、すなわち評価のロバスト性が改善されるようにすることである。

この課題は、少なくとも１つの位相発生器の位相オフセットの特定を反復的な近似法によって行うことによって解決される。

ここで計算ステップとして実施されるのは、前以て決められているオフセット値による初期化、オフセット値の、これまでのオフセット値に対する加算、Ｔ領域への変換、変換された値の分数部分の特定、これまでに求められた分数部分からの平均値形成、オフセット値の逆算、オフセット値の整合および前以て決められている数の反復または前以て決められている打ち切り基準が実現されるまでのオフセット値の加算の繰り返し続行である。

従って本発明の方法により有利にも、後で記述する実施例に基づいて説明する、最初は分かっていない位相オフセットの特定が、センサ装置、例えばシャフトの回転角度またはトルク測定のためのセンサ装置がオフセット値の、入力信号への加算後に角度および角度差に対する正しい値を供給するということを目的として実施されることができるようになっている。

本発明によれば、位相エラーに対するセンサ装置の最大限可能なロバスト性が実現される。

有利には反復は、変換された値の分数部分の分布が変換領域の零点の周りにくるまでの間、実施することができる。第１の反復において求められた平均値が前以て決められている値（例えば１／１６）より小さい場合には、平均値に固定値（例えば０．２５）を加算するようにすることもできる。それから絶対的なオフセット値を突き止めるために、既知の角度または位相値を計算するための機械的な構成部材の位置情報を用いる必要があるだけである。

次に本発明を図示の実施例に付き図面を用いて詳細に説明する。

図１には、軸１が回転する構成部品として斜視図にて略示されている。軸の回転角Φおよび角度差Φ−δはセンサ装置によって求められるようになっている。センサ装置は基本的に、従来技術として明細書の冒頭部分に挙げたＤＥ１０１４２４４８Ａ１から公知である。

本発明の方法の説明を次に、光学的な信号発生器２ないし５および６ないし９からの信号の４次元の位相評価（Ｎ＝４）に基づいて行う。センサモジュール１０および１１，ここでは例えば光学的な位相検出器（optical sampling and phase determination）によって位相信号α_１ないしα_４およびα_５ないしα_８が求められる。それからこれらの信号から、それぞれの位相オフセットα_０を考慮して計算モジュール１２および１３、ここでは例えば４次元のバーニヤ計算モジュール（4-dimensional nonius processing）においてそれぞれ新しい位相信号β_１およびβ_２を計算することができる。それからここから、別の計算モジュール１４、例えば変形されたバーニヤ計算モジュール（modif. nonius processing）を用いてシャフトまたは軸１の角度位置Φ_ｍおよびトルクδ_ｍを求めることができる。

しかしこの方法は簡単な仕方で、一層多くの次元または少ない次元Ｎに対しても使用することができ、その際図２には新しい位相信号βの値を求めるための、位相信号αのＮ次元の位相評価に対する信号の流れが一般的に示されている。このために実施される数学的な演算を次に図３ないし図５を参照して説明する。

実際には通例、正規化された角度および位相信号が考察され、すなわち信号は、０ないし２πの角度または位相値に相応する、０ないし１の値領域を有している。図２の量子化ユニット２０によってそれ自体公知の数学的な方法で、Ｔ空間への変換後に実数値の位相信号に整数の格子点が割り当てられ、その際図３には数字３０で格子点が例として示されている。ここでは、量子化前のＴ空間における測定点３１の平均値が格子点にくるとき、センサ装置の最大可能なロバスト性が実現される。

計算の考察に対する出発点はここでは、ここではそれぞれ４つの位相測定値を有するＰ個のベクトルα _ｋのセットとしたい。これら測定値は変換Ｍ _１を用いて３×４行列として上に述べたＴ領域に変換される。

Ｔ＝Ｍ _１＊α （１）
次に、
ｔ＝Ｔ−ｒｏｕｎｄ（Ｔ _１） （２）
を有する分数部分ｔが考察され、そこからそれぞれの次元において平均値が形成される：

次にこれら平均値から出発してオフセット値が突き止められて、分数部分ｔ _ｍｅａｎの新たな計算の際にこのオフセットを考慮して平均値０が生じるようにされる。

行列Ｍ _１を用いた変換は射影を表しているので、値ｔ _ｍｅａｎからオフセット値を逆算する際にすべてのオフセット値を求めることはできず、ここでは３つの値しか突き止められない。このことは数学的に特性
ｒａｎｋ（Ｍ _１）＝３ （４）
によって表される。すなわち例えばオフセット値α_０１，α_０２，α_０３は式

式（２）における非線形性に基づいて、オフセット計算は反復的に行わなければならない。その際出発点は相応の測定値を有するＰ個のベクトルα _ｋのセットである。その際Ｐは実施される測定の数を表している。反復の実施は次のステップにおいて行われる：
１． オフセットα _０を０で初期化する
α _０＝０ （６）
２． オフセットを加算する
α′ _ｋ＝α _ｋ＋α _０，ｋ＝１，…，Ｐ （７）
３． Ｔ領域へ変換しかつ分数部分を突き止めかつ平均値を形成する

４． オフセット値を逆算する

５． オフセット値を整合する
α _{０，ｎｅｕ}＝α _{０，ａｌｔ}＋Δα _０ （１０）
６． 所望の数の反復ないし打ち切り基準が実現されるまで、ステップ２にジャンプして反復を続行する。

このようにして突き止められたオフセット値が使用されると、ｔ値がＴの分数部分として図３に示されているように零点の周りに配置されている。図３にはオフセット補償前のｔ値の分布が例示されている。提案されたオフセット特定およびその前に説明したオフセット値の加算によって、図３に示されている測定点から成る雲３１が格子点３０の周りの原点に移動する。このようにして突き止められたオフセット値が位相エラーに対するセンサ装置の最大限可能なロバスト性を保証する。

センサ装置のオフセットを完全に突き止めるためにはまだ、位置情報、例えばセンサ装置の組み込み位置が必要である。それまでに突き止められたオフセット値α_０１，α_０２およびα_０３によって、既知の角度または位相値βに対する角度または位相β_ｍを計算することができる。差
β_０＝β−β_ｍ （１１）
は、評価の終了時に加算されるべき角度または位相オフセットである。しかしβ_０の特定の際の精度を高めるために、この値が複数の測定にわたって求められると有利である。

求められたオフセット値α_０１，α_０２およびα_０３並びにβ_０によって、図４のブロックに示されているように、装置が全体として補償されるようになっている。このことから次式

を用いて装置の入力側を逆算することが可能である。その際ｎ_ｉに対する値は多次元の評価の際使用される周期数であるので、図５の装置が生じる。

図１に原理が示されているような多段階の装置では、方法を複数回使用することができる。その場合絶対角度の補償のために全部で僅か１つの角度情報、例えば零点位置だけが必要であり、その際この使用例の場合にも、すべてのオフセット値を式（１２）に応じて入力側に対して逆算すると有意味である。

上述したステップ１ないし６を反復する際に不安定な点におけるよどみを妨げるために、反復を例えば次にようにして拡張することができる。すなわち、第１の反復において求められた平均値が前以て決められている値（例えば１／１６）より小さい場合には、平均値に固定値（例えば０．２５）を加算するようにしてもよい。これに対して択一選択的なのは分散を突き止めることで行われるようになっている。

本発明は殊に、光学的なトルク・アングル・センサ（Torque-Angle-Sensor＝ＴＡＳ）の位相信号のオフセット値を最適な方法で突き止めるのに適している。

軸またはシャフトの回転角度または角度差を検出するためのセンサ装置の概略を示す図。

Ｎ次元の位相評価に対する信号の流れを示す図。

位相測定値の変換結果の分布を示す図。

求められたオフセット値を考慮する可能性を示す信号線図。

求められたオフセット値を考慮する別の可能性を示す信号線図。

符号の説明

１ 軸またはシャフト
２〜９ 光学的な信号発生器
１０，１１ センサモジュール
１２，１３，１４ 計算モジュール
２０ 量子化ユニット
３０ 整数の格子点
３１ 測定点

Claims (4)

1. 運動する機械的な構成部材の運動、回転角度および／またはトルクを検出するための方法であって、
   線形または回転運動する構成部材の少なくとも１つの位相発生器トラックの走査によってそれぞれに配属されているセンサを用いて発生される位相測定値を評価しかつ
   該位相測定値を線形の変換を用いて計算により新しい領域に変換する
   という形式の方法において、
   少なくとも１つの位相発生器トラックの位相オフセットの特定を反復的な近似法によって行い、ここで次のステップが実施される：
   前以て決められている値でオフセット値（α _０）を初期化し、
   オフセット値（α _０）を位相測定値（α _ｋ）に加算し（α′ _ｋ＝α _ｋ＋α _０）、
   射影を表す変換行列（Ｍ _１）を位相測定値（α′ _ｋ）に乗算することによりＴ領域（Ｔ _ｋ）に変換し（Ｔ _ｋ＝Ｍ _１＊α′ _ｋ）、
   変換された値の分数部分（ｔ _ｋ）を特定し（ｔ _ｋ＝Ｔ _ｋ−ｒｏｕｎｄ（Ｔ _ｋ））、
   これまでに求められた分数部分（ｔ _ｋ）から平均値を形成し（ｔ _ｍｅａｎ）、
   前記射影のために求められないオフセット値に対応する要素を０と仮定して、前記変換行列（Ｍ _１）の近似逆行列（−［Ｍ ^~ _１］^−１）と平均値（ｔ _ｍｅａｎ）とを乗算することによりオフセット値を逆算し（Δα _０）、
   該オフセット値を整合し（α _{０，ｎｅｕ}＝α _{０，ａｌｔ}＋Δα _０）かつ
   前以て決められている数の反復または前以て決められている打ち切り基準が実現されるまでオフセット値（α _０）の加算を繰り返す際に近似法を実施する
   ことを特徴とする方法。
2. 変換された値の分数部分（ｔ _ｋ）の分布が零点の周りにくるまで反復を実施する
   請求項１記載の方法。
3. 第１の反復において求められた平均値（ｔ _ｍｅａｎ）が前以て決められている値より小さい場合には、平均値（ｔ _ｍｅａｎ）に固定値を加算する
   請求項１または２記載の方法。
4. 絶対的なオフセット値を完全に特定するために、既知の角度または位相値を計算するための機械的な構成部材の位置情報を用いる
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

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