JP4988133B2 - 角度測定装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載の角度測定装置並びに請求項５の上位概念に記載の対応する方法に関する。
【０００２】
自動車産業における高精度でかつ同時にロバストである角度測定システムに対する要求は絶えず高まっている。角度測定システムに対する現在の使用分野はとりわけ、走行ダイナミック調整、例えばＥＳＰ、および電気的に支援される操舵システムである。長期的に見て、ステア・バイ・ワイヤへの移行は角度測定システムに対する要求を一層高めることになるだろうし、その場合開発に伴って同時に精度要求が高められることになる。
【０００３】
磁気センサは無接触でかつロバストな測定原理に基づいて自動車において最もよく使用されている。磁気センサによって実現されている角度測定システムは、それ自体磁化されているかまたは強磁性材料から成っておりかつ走査検出するセンサを通り過ぎる際に発生器磁石の磁界を歪ませる発生器ホイールの走査検出に基づいているので、製造時許容偏差がシステムの精度を制限している。特別問題なのは、離心性、磁極または歯のピッチエラー、並びに磁界振幅（Feldamplitude）の不均質性である。更に、走査検出するセンサは任意に正確に位置決めされず、その結果さらに付加的な位置決めの許容偏差が存在している。
【０００４】
角度測定の従来の方法は例えばＤＥ−Ｐ１９５３４９９５号から公知である。まだ公開されていない刊行物ＤＥ−Ｐ１９９５８５９８．９号には例えば、それぞれ異なっている数の磁極対を有するマルチ磁極ホイールが使用されかつ相応に配置されているセンサによって得られるセンサ信号が評価されるバーニャ法が記載されている。しかしここでも上述した許容偏差に基づいた角度エラーが発生することになる。
【０００５】
従って本発明の課題は、許容偏差に基づいた角度エラーが低減される角度測定装置および方法を提供することである。
【０００６】
この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成を有する装置並びに請求項５の特徴部分に記載の構成を有する方法によって解決される。
【０００７】
本発明により複数のセンサを設けかつ個々のセンサ信号に基づいて得られる信号を平均化することにより、上に述べた許容偏差が測定精度に及ぼす作用を非常に有効な仕方で低減することができる。
【０００８】
本発明の装置ないし本発明の方法の有利な形態は従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明の装置の有利な実施形態によれば、３つのセンサが設けられており、該センサは少なくとも１つの発生器ホイールの周りに分配して配置されている。相互に１２０°の角度で配置されている３つのセンサは、できるだけ少ない数のセンサと装置の機能有用性との間の理想的な妥協的解決を計るものである。更に、製造時許容偏差を鑑みても対称性により得られる利点が生じる。しかし本発明の方法は２つのセンサが使用される場合にも満足できる仕方で機能することを強調しておきたい。精度を一層高めるために、２つより多くの数のセンサを使用可能である。
【００１０】
有利には、１つの共通の回転軸線を中心に回転可能な、相互に回動不能に配置されている２つの発生器ホイールが設けられており、ここで発生器ホイールは種々異なっている数の発生器セグメントを有している。本発明によれば、磁気的または非磁気的な測定原理を利用する任意の発生器ホイールが使用可能である。例えば、マルチ磁極ホイールの場合、発生器セグメントは磁極対として実現されており、かつ強磁性の歯車の場合歯として実現されている。
【００１１】
この場合第１の発生器ホイールがｎ個のセグメントを有しておりかつ第２の発生器ホイールがｎ＋１個のセグメントを有していると有利である。ｎは例えば２４とすることができ、その際要求すべき精度に相応して別の値を選択することも可能である。２つの異なっている発生器ホイールを有するこの形式の形態により、得られたセンサ信号の特別信頼できる評価を可能にするいわゆるバーニャ法が可能になる。
【００１２】
有利にはセンサはホールセンサとして実現されている。この形式のホールセンサは安価に入手できかつ実際にロバストでしかも信頼できることが認められている。
【００１３】
本発明の装置の別の有利な形態によれば、少なくとも１つの発生器ホイールはマルチ磁極ホイールとして実現されている。
【００１４】
本発明の方法の特別有利な形態によれば、得られたサイン波信号またはコサイン波信号またはアークタンジェント信号の平均化の前および／または後に、オーバトーン補正が実施される。この形式のオーバトーン補正は例えば、得られたサイン波信号またはコサイン波信号の級数展開、例えばフーリエ級数展開に基づいて実施することができる。
【００１５】
更に、アークタンジェント平均化には、平均化すべきそれぞれのアークタンジェント信号の位相および値領域を整合するためのオフセット補正および／またはモジュロ除算、および／またはこのようにして変形されたアークタンジェント信号のアークタンジェント信号からの算術平均の形成が含まれている。
【００１６】
有利には算術平均の形成は平均化すべきアークタンジェント信号のジャンプ個所を計算上考慮して行われる。
【００１７】
次に本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。図面には
図１は、発明の詳細な説明に従って実施可能である角度測定を説明するための線図を示し、
図２は、本発明の方法によって実現可能である、角度測定におけるエラー低減を説明するための線図を示し、
図３は、本発明の装置の第１の有利な実施例を示し、
図４は、矩形波関数のフーリエ合成を示すための波形を示し、
図５は、サインおよびコサイン平均化が行われかつ２つのセンサないしセンサエレメントのずれが０．２５ｍｍである場合の角度エラーを説明する波形を示し、
図６は、位相整合および引き続くアークタンジェント平均化によるセンサずれの計算技術による処理を説明する波形を示し、
図７は、アークタンジェント平均化が行われた後であってかつ付加的に先行してオーバトーン補正が行われている、２つのセンサないしセンサエレメントのずれがそれぞれ極端にも１ｍｍである場合の角度エラーを説明する波形を示している。
【００１８】
以下の図の説明は磁気的なマルチ磁極ホイールの走査検出の特別な実施例に関している。しかしこの方法は非磁気的なまたは磁気的な測定原理を有する別の発生器ホイールにも有利に使用可能である。以下に説明する測定値および測定エラーは例えば、外径が３０．８ｍｍであってｎ＝２４およびｎ＝２５である磁極対を有する磁極ホイールに関している。
【００１９】
まず、本発明が基礎としている測定原理を図１に基づいて説明する。
【００２０】
ステアリングカラムはねじりロッドによって実現されている。ねじりロッドに対して同心的に、３つのマルチ磁極ホイールが設けられている。ステアリングカラムの上側部分が長手軸線を中心に下側部分に関して回転すると、マルチ磁極ホイールのうちの１つ１３ａは他の残りのマルチ磁極ホイール１３ｂおよび１３ｃに関して角度的にずれてくる。マルチ磁極ホイールの隣にはセンサが配置されている。センサは３つのセンサエレメント１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有しており、これらは３つのマルチ磁極ホイール１３ａ，１３ｂ，１３ｃに配属されている。個々のマルチ磁極ホイールとこれらに配属されているセンサエレメントとの間の相互作用に基づいて、３角信号が発生され、これらからねじりロッド１１の角度位置を導出可能である。この場合マルチ磁極ホイール１３ａに関して測定された角度位置が、他の２つのマルチ磁極ホイール１３ｂおよび１３ｃを用いて求められる角度位置に対する参照として用いられる。このことを次に図１に基づいて説明する。図１には、マルチ磁極ホイール１３ｂ，１３ｃが回転してセンサエレメント１２ｂないし１２ｃを通過する際に生じる信号が示されている。
【００２１】

【００２２】
しかしこのように配置されているセンサエレメントのコサイン形状ないしサイン形状の信号は位置決めないし製造時許容偏差に依存している。このことをまず図２に基づいて説明したい。図２の上にはホールセンサ（例えばセンサエレメント１２ｂまたは１２ｃ）によって測定される、普通だが、ピッチおよび偏角エラーに最適化されているマルチ磁極ホイールの磁界が角度の関数として示されている。同じセンサエレメントかまたは付加的なセンサエレメントが供給する位相がずれている信号と一緒に、図１を参照して既に説明したように、回転角ないし磁極対に関する位置を突き止めることができる。しかし位置特定の際のエラーは磁極ホイールの回転角、ひいては全体のセンサシステムにも影響してくる。
【００２３】
図２の上に示されているサイン形状のセンサ信号は既にピッチエラーおよび振幅エラーに関して最適化されている発生器ホイールからのものであるにも拘わらず、離心性が包絡線として認められる。この離心性は角度エラーに変換されて、最も不都合な場合には（約１００°の角度において）、±０．４°にもなる。第２の重要なエラー源も既に高周波変調として認められる。すなわちマルチ磁極ホイールの発生器磁界はセンサ−磁極ホイール距離が短くなるに従って大きくなる矩形部分を有している。この矩形部分は理想的なサイン形状の発生器磁界とは周期的に偏差する形に表れている（このために図４も参照）。
【００２４】
そこで、発生器ホイールの離心性に基づいてその回転軸線に関して発生する効果を低減するために本発明によれば、発生器ホイールの周りに複数のセンサないしセンサエレメントを配置しかつ個々のセンサ信号の算術平均を形成することが提案される。図３では、１２０°の角度距離を以てマルチ磁極ホイール２３に関して同心的に配置されている３つのセンサ１２１，１２２，１２３が読み取れる。更に、図３には、センサ１２４，１２５，１２６が配属されている別のマルチ磁極ホイール２４が図示されている。マルチ磁極ホイール２４はマルチ磁極ホイール２３とは、異なった数のマルチ磁極を有しているという点で相異している。マルチ磁極ホイール２３，２４はマルチ磁極の数が違うということをよく分かるようにするためにだけ並べて示されている。これらは同軸的に上下に配置されているものとする。それぞれのセンサはこの場合、相互に固定の位相関係にあるサインおよびコサイン信号を生成する複数のセンサエレメントを有することができることを述べておく。それぞれのセンサによって得られる信号は評価装置に供給可能である。
【００２５】
そこで有利には本発明の方法の第１の有利な実施形態によれば、それぞれの発生器ホイールに対して得られる３つのサイン信号並びに３つのコサイン信号は算術的に平均化され、その際この平均化されたサインおよびコサイン信号に基づいて、相応するアークタンジェント信号が生成される。以下の説明は個別発生器ホイールによって得られる信号に関している。図１を参照して説明したように、２つまたは複数の発生器ホイールの信号の組み合わせは勿論、付加的な手段として可能である。発生器ホイールに対して３つのこの形式で求められたアークタンジェント信号が平均化される場合、図２の真ん中に示されている±０．４°というエラーは、図２の下、曲線Ａに示されているように、±０．０４°に低減される。従って、生データからアークタンジェント法により得られた本来の角度エラーは係数１０だけ低減することができる。
【００２６】
更に、センサの、マルチ磁極ホイールからの距離が僅かであればあるほど、生成されるセンサ信号の、サイン波からの偏差は大きくなり矩形関数の方に近付く。この矩形関数は、図４に図示されているように、フーリエ級数として示される：ａ_１ｓｉｎ（ｃｘ）＋ａ_３ｓｉｎ（３ｃｘ）＋ａ_５ｓｉｎ（５ｃｘ）＋…。その際パラメータｃは磁極の数によって固定的に前以て決められている。フーリエ係数ａ_１、すなわちオーバトーンは測定信号の整合によって容易に突き止められる。図２の下、曲線Ｂに図示されているように、エラーを±０．０２°に低減するために、１ないし２つのオーバトーンで十分である。更に、この方法によって、磁歪センサの使用の場合に障害となる異方性効果が補償される。
【００２７】
これまで、センサはそれぞれの発生器ホイールの周りに非常に精確かつコントロールされて配置されることを前提として説明してきた。しかし現実の状況では製造時の許容偏差が考慮されなければならない。この形式の製造時許容偏差は例えば、センサエレメントがそのケーシングに真ん中に配置されていないことが原因である可能性がある。このような場合にも説明したオーバトーン低減は機能するが、図５に示されているように、平均化機能は著しく劣化する。ここには、センサが０．２５ｍｍだけずれている場合、±０．１５°の角度エラーが生じることが示されている。このような効果に対する主な理由は、それぞれのセンサ、例えば図３に図示されているセンサ１２１，１２２，１２３がもはや、発生器磁場の同じ相を測定していないという点に求められる。そこでこの形式の効果を補償するために、ここまで説明した手法に対して択一的または付加的に適用可能である、本発明の方法の別の有利な実施例を図６に基づいて説明する。ここでは、それぞれ個々のセンサ、例えば図４のセンサ１２１，１２２，１２３に対して、それぞれ得られたサインおよびコサイン信号からアークタンジェント信号が生成されることから出発している。しかしセンサ間のずれに基づいて、これらは、図６（１）に図示されているように任意の位相を有している。後の平均化に対して位相を合わせるために、まずアークタンジェントのオフセットが減算される。このことは図６（２）に示されている。引き続いてモジュロ除算が実施され、すなわちオフセットの減算によって負になる関数領域が、図６（３）に示されているように、アークタンジェント関数のそれぞれにピークに付けられる（すなわち、負の関数値に値１が付け加えられる）。図６（３）の部分的に点線でかつ部分的に実線で示されている生起信号は相互に一致している位相および値領域を有している。それから、３つのセンサ１２１，１２２，１２３のそれぞれに対して得られる変形されたアークタンジェント信号によって平均化が行われる。
【００２８】
図６（４）の２つのアークタンジェント信号に対して略示されているこの平均化の際に、変形されたアークタンジェント信号の算術平均が形成される。アークタンジェント信号α_１およびα_２が平均化されるものとして出発している。この場合特別に、時間間隔ｘの始め（関数α_１）および終わり（関数α_２）に発生するジャンプ個所が考慮されるべきである。この時間間隔にある関数値を単純に加算すると不満足な結果を招来することになる。というのは、例えば個所Ｘ_１での関数値を加算すると平均化される関数値はα_２の関数値を下回る可能性があるからである。この困難性は次の手法により回避される：測定値が値領域の値領域の上側四分の一および下側四分の一にある領域では、すなわち時間時間Ｘでは、下側の測定値に１を加算しかつその後に初めて算術平均値を形成する。有利には引き続いてこの場合も、測定値がここでも正しいインターバル〔０；１〕内にあるように、モジュロ除算が行われる。択一的に、ジャンプ個所を識別するために、標準偏差を考察することもできる。
【００２９】
離心性を取り除くための上に説明した平均化に類似して、上に説明したアークタンジェント平均化のそれぞれにおいても、−それぞれのセンサエレメントに対する第１ステップとして−同じく既に説明したオーバトーン補正を行うことができる。センサエレメントにそれぞれ１ｍｍという極端なずれがあるものとすればともかく、この方法によって、図７の曲線Ｃに示されているように、０．０４°の精度が実現される。オーバトーン補正なしだと、図７の曲線Ｄを用いて示されているように、０．０６°のエラーが生じる。
【００３０】
全体として、例えば図１の信号α（φ）に相応するアークタンジェント信号が得られるが、この信号は図１の信号に比べて極めてエラーを受けていないしもしくは著しく僅かしかエラーを伴っていない。同じように、信号β（φ）に相応する第２のアークタンジェント信号を得た後、例えば説明したバーニャ法を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明の詳細な説明に従って実施可能である角度測定を説明するための線図である。
【図２】 本発明の方法によって実現可能である、角度測定におけるエラー低減を説明するための線図である。
【図３】 本発明の装置の第１の有利な実施例を示す。
【図４】 矩形波関数のフーリエ合成を示すための波形を示す。
【図５】 サインおよびコサイン平均化が行われかつ２つのセンサないしセンサエレメントのずれが０．２５ｍｍである場合の角度エラーを説明する波形を示す。
【図６】 位相整合および引き続くアークタンジェント平均化によるセンサずれの計算技術による処理を説明する波形を示す。
【図７】 アークタンジェント平均化が行われた後であってかつ付加的に先行してオーバトーン補正が行われている、２つのセンサないしセンサエレメントのずれがそれぞれ極端にも１ｍｍである場合の角度エラーを説明する波形を示す。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの発生器ホイール（２３，２４）と、少なくとも１つの評価装置と、少なくとも１つのセンサエレメントを有している、該発生器ホイール（２３，２４）と協働する少なくとも１つのセンサ（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６）とを備えている角度測定装置であって、
   発生器ホイールおよびセンサの協働により、測定すべき角度に対応付けることができる、サイン波信号およびコサイン波信号から成る対が得られるようになっている形式のものにおいて、
   １つの共通の回転軸線を中心に回転可能な、相互に回動不能に配置されている２つの発生器ホイール（２３，２４）が設けられており、ここで該発生器ホイール（２３，２４）は種々異なっている数の発生器セグメントを有しておりかつそれぞれ３つのセンサ（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６）がそれぞれの発生器ホイール（２３，２４）の周りに分配して配置されており、該センサのサイン波信号およびコサイン波信号は、平均化されたサイン波信号および平均化されたコサイン波信号を得るために、および、それぞれ平均化されたまたは平均化されないサイン波信号またはコサイン波信号からアークタンジェント状の信号を形成した後平均化されたアークタンジェント状の信号を得るために前記評価装置を用いて計算技術的に相互に関連付けられ、前記発生器ホイール（２３，２４）の平均化された２つのアークタンジェント状の信号からバーニア法によって回転角の値が求められ、アークタンジェント平均化には、平均化すべきそれぞれのアークタンジェント信号の位相および値領域を整合するためのオフセット補正およびモジュロ除算の少なくとも一方と、このようにして変形されたアークタンジェント信号からの算術平均の算出とが含まれている
   ことを特徴とする装置。
2. 第１の発生器ホイール（２３）はｎ個のセグメントを有しておりかつ第２の発生器ホイール（２４）はｎ＋１個のセグメントを有している
   請求項１記載の装置。
3. センサ（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６）はホールセンサとして実現されている
   請求項１または２記載の装置。
4. 少なくとも１つの発生器ホイール（２３，２４）はマルチ磁極ホイールとして実現されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 測定すべき角度に対応付けることができる、サイン波信号およびコサイン波信号から成る少なくとも１つの対に基づいて角度測定する方法であって、該サイン波信号およびコサイン波信号は少なくとも１つの発生器ホイール（２３，２４）と少なくとも１つのセンサ（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６）との相互作用によって生成されるという形式の方法において、
   １つの共通の回転軸線を中心に相互に回動不能に配置されている２つの発生器ホイール（２３，２４）を使用し、該発生器ホイールにはそれぞれ３つのセンサ（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６）が配属されており、ここで発生器ホイール（２３，２４）は異なっている数の発生器セグメントを有しておりかつそれぞれの発生器ホイール（２３，２４）の周りにそれぞれ３つのセンサ（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６）が分配して配置されており、該センサはそれぞれサイン波信号ないしコサイン波信号を供給し、ここでサイン波信号およびコサイン波信号から成る少なくとも２つの対を獲得しかつそれぞれの対のサイン波信号およびコサイン波信号を、平均化されたサイン波信号および平均化されたコサイン波信号を得るために、および、それぞれ平均化されたまたは平均化されないサイン波信号またはコサイン波信号からアークタンジェント状の信号を形成した後平均化されたアークタンジェント状の信号を得るために計算技術的に相互に関連付け、アークタンジェント平均化には、平均化すべきそれぞれのアークタンジェント信号の位相および値領域を整合するためのオフセット補正およびモジュロ除算の少なくとも一方と、このようにして変形されたアークタンジェント信号からの算術平均の算出とが含まれている
   ことを特徴とする方法。
6. 得られた信号のオーバトーン補正を該信号の平均化の前と後のいずれかまたは両方に実施し、ここでセンサの出力信号をフーリエ級数で展開しかつオーバトーンに相応するフーリエ係数を突き止めかつ信号処理の際に考慮する
   請求項５記載の方法。
7. 算術平均の形成を平均化すべきアークタンジェント信号のジャンプ個所を計算上考慮して行う
   請求項５または６記載の方法。

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