JP5336085B2 - センサの温度ドリフトを適応的に補正する方法及びシステム - Google Patents
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Description
本発明は、機械設備のセンサ、好適にはモータ/エンジンによって駆動されるシャフト用に設計されたトルクセンサの温度ドリフトを、プロセス、生産ライン、又は車両において適応的に補正する方法及びシステムに関する。
具体的には、本発明は自動車のパワートレインのトルクセンサのオフセット変化を最小化する補正システムに関する。
車両の排気ガスによる交通公害の増大、更に低い排気ガス規制値を設定する法案の提出、低燃費性を求める消費者の要求、及び変速機の動作の円滑さの向上により、エンジン及び変速機の効率の向上に対する切迫した需要がある。モータスポーツの分野においても競争が激化しており、レーシングカーのエンジン及びこれらのエンジンのドライブトレインに最高の技術を適用することが極めて重要となっている。
内燃機関用の電子制御システムは、種々のエンジン動作条件を判定する多数のセンサ及びシステムを含む。これらの多くは過酷な条件下で動作し、幅広い動作環境に曝されるので、センサに対する要求は、耐久性、長期安定性、及び広い温度範囲での動作能の点で非常に大きい。自動車用に想定される通常の温度範囲は−40℃〜+150℃である。この温度範囲においては、センサはその寿命全体を通じて安定した出力信号を生成しなければならない。
別の解決法は、温度較正ステップを生産に追加し、センサの温度特性をセンサ又は電子機器の調整により補正することである。この操作は個々のセンサ各々に対して生産時に行なう必要があるので、部品に余分のコストが付加される。
この用途においてセンサオフセットを較正するための簡易な方法は、ドライブトレインが外れているとき、ギアシフトの間にセンサの値をゼロリセットすることである。この手法の限界は、ゼロリセットが特定の温度レベルでしか有効でないことである。温度が変化すると、新規のゼロリセット/較正を行わなければならない。
本発明の目的は、上記の問題を解決し、計算されたオフセット値を使用してセンサ信号値の温度依存性を効率的に補正することにより、センサ信号の値を改善する方法とシステムを提供することである。
本発明の別の重要な目的は、このような自動車部品を低コストで提供することである。
本発明は、対象の用途において、シャフト又はドライブトレイン及びセンサの負荷状態が既知である動作ポイントであって、自然に発生する動作ポイントを使用する。これらの動作ポイントのセンサデータはメモリ/データベースに保存され、センサ特性のモデルを更新するために使用される。容易に利用できるこのような動作ポイントは、ドライブトレインが外れており、且つセンサが無負荷であること又は無負荷に近いことが判明している場合のギアシフトの間に発生する。
温度信号は、センサ励起/供給ユニットから、センサの電気特性の変化を測定することにより取得することが好ましいが、外部温度センサから取得するか、又は監視システムから他の手段により取得することもできる。ドライブトレイン又はセンサが無負荷である時点に関する情報は、幾つかの異なる方法により取得することができる。自動変速機又は自動マニュアル変速機の場合、信号は、ドライブトレインが外れているときに監視システムから取得することができる。マニュアル変速機の場合、信号はクラッチペダル及び/又はシフトレバーのスイッチ位置に基づいて取得することができる。この信号は、トルク信号の特定の特性をモニタリングすることにより取得することもできる。
本発明の最も重要な特徴は、ドライブトレインが無負荷のとき/ドライブトレインが外れているとき、少なくとも2つの動作ポイントを使用して、センサオフセットの温度依存性のモデルを決定/更新することである。
本発明の更に別の重要な特徴は、センサ信号の特性を解析することにより、外れているドライブトレインのトリガー信号を取得することである。
本発明の他の目的、特徴、及び利点は、添付図面と関連して考察され、且つ従属請求項のいずれかによって規定される以下の詳細な記述により明らかになる。
本発明についての理解を深めるために、添付図面を参照する。
本発明の好適な実施形態は、図1に示すように、車両のドライブトレイン2に位置するトルクセンサ1から構成される。トルクセンサ1は、励起ユニット4、A/D変換器5、計算又は処理ユニット6、及びメモリ7から構成される電子ユニット3に電気的に接続される。
電子ユニット3は、図示しないギアボックス制御ユニットに接続され、ギアボックス制御ユニットはドライブトレイン2の機械クラッチ17を制御/操作する。機械クラッチ17が外れると、ドライブトレイン2の状態が無負荷であることが検出される。これは、後述する他の手段によって行なうこともできる。
図2の復調ユニット10は、励起信号4aと同期させた信号5aをフィルタリングし、間引きする。復調ユニットはまた、更にフィタリング及び処理を行なって復調された信号10aのノイズ及び安定性を向上させる。
監視システム14、例えばギアボックス制御ユニットによって、ドライブトレイン2が無負荷状態であることが判明すると、センサ信号データ/値、及び温度信号データ/値が収集されてメモリ7に保存される。少なくとも2つの異なる温度レベルで収集されるゼロ負荷状態のデータによってデータベースが形成され、このデータベースを使用してセンサモデルが繰り返し更新される。図1中、ゼロ負荷状態は、監視システム14からのトリガー信号14aとして示されている。
多数の異なる温度レベルについてモニタリングし、収集したデータに基づいて、センサオフセットの温度ドリフトを表わすパラメータ9a、9b、9cを計算する。特に線形化ユニット12及び出力補正ユニット13においてセンサ信号を更に処理し、センサ1の感度/利得ドリフトの可能な補正、結果として得られた出力信号13aの出力レベルのフィルタリング、及び/又は適応化を行なう。本発明によって使用される本用途における一の特定動作ポイントは、ドライブトレイン2が無負荷であるときのギアシフトの間に発生する。
フローの第1部分はセンサからの信号値を測定するステップから成る。つまり、センサの2次信号はねじれ負荷を示すデジタル信号に変換されている。このステップは、A/D変換を行なうステップ、及び更にデジタル領域又はアナログ領域とすることができる信号を復調するステップを含むことができる。フローの第2ステップは、温度値を求めるステップを含み、このステップは、好適な実施形態では、センサの1次回路のインピーダンスの変化を測定することにより行なわれる。インピーダンスと温度との関係が判明することにより、温度値を求めることができる。第3ステップでは、温度値を使用して、この特定温度におけるセンサの温度オフセットを計算する。この計算は、温度と、電子ユニットのデータベースに保存されるセンサオフセットとの関係に基づいて行なわれる。第4ステップでは、センサオフセットの計算値を使用してセンサの出力信号を補正することにより、温度が補正された出力信号を得る。フローの連続部分の第5ステップ及び最終ステップでは、ドライブトレインの状態を検出する。
好適には、センサ信号及び温度信号の両方を、一般的な方法を使用してフィルタリングすることにより、信号のノイズレベル、トルクリップル、トルク振動、又はその他の外乱を小さくする。システムに既知の共振が発生する場合、当該共振を低減又は除去するフィルタを設計することができる。
データペアはメモリに保存され、異なる温度でのセンサオフセットの変化を表わすデータベースを形成する。ギアシフトが新たに行なわれるたびに、又はそれ以外の場合でデータが収集されるたびに、新規のデータペアがデータベースに保存される。新規のデータペアがデータベースに保存される前に、トルク信号を安定させる制御を行なうことができる。所定の安定基準が満たされない場合、データペアは拒否される。
ギアシフトがクラッチ17を使用することなく行なわれるシステムでは、ギアシフトは、第1ギアが解除された後で、新たなギアが係合する前に、ギアボックス15がニュートラルポジションになるように設計することができる。これにより、ドライブトレインが無負荷である動作ポイントであって、ゼロ負荷でのセンサ出力の読み取りを行なうことができる動作ポイントが生じる。この方式は、普通、トルクの低下を全く起こさずにギアをシフトさせる自動ギアボックスにも適用することができる。ギアシフトが低い負荷で行なわれる特定の場合では、ニュートラルギアによりギアボックスを意図的に作動させることにより、ドライブトレインが無負荷である動作ポイントであって、ゼロ負荷でのセンサ出力の読み取りを行なうことができる動作ポイントを生成することができる。
センサ出力のオフセットは動作範囲全体の精度に影響を与えるが、この影響は低負荷で最も顕著である。図4では、センサ信号のオフセットは曲線の部分cにゼロからの偏差として明瞭に観察される。
車両の季節的変動全体を通じて多数の異なる動作ポイントで温度サンプルを採取することにより、動作範囲全体のセンサ性能のモデルを構築することができる。
図8は、連続する温度範囲のゼロ負荷におけるセンサ出力の測定値を、センサの高次線形モデルと共に示している。
S0=k0+k1TS (1)
上の式におけるパラメータは次のような意味を有する。
S0:センサに計算されたセンサオフセット
k0、k1:モデル化パラメータ
TS:センサ温度
パラメータk0、k1は、図6、7、及び8にも示すように、等式(1)の要素を、ドライブトレインが外れているときに収集されるセンサ信号及び温度信号のデータペアに併せて、最適化すること又は最も良く一致させることにより決定される。センサオフセットS0と温度TSとの間に更に複雑な関係をモデル化することに注目する場合、相対的に高次の項を式に付け加えることにより幾つかのパラメータkiを求めることができる。これにより、図8の破線によって示されるセンサオフセットと温度との非線形関係を表わすことができる。
ギアシフトが行われるたびに、又は他の場合でドライブトレインが無負荷であることが判明するたびに、パラメータkiの計算を繰り返すことにより、等式(1)に従うセンサモデルが継続的に維持され、それによりセンサの経時変化のような長期的な変化が補正される。好ましくは、古いデータはデータベースから移すか、又は重み関数によって減らし、よってセンサモデルが確実にセンサの現在の特性を表わすようにする。
ZP=UP/IP (2)
上の式におけるパラメータは次のような意味を有する。
ZP:センサの1次回路のインピーダンス
UP:センサの1次回路の励起電圧
IP:センサの1次回路の励起電流
1次回路のインピーダンスは、センサ1の1次巻き線の抵抗ドリフトから生じる温度、及びシャフトの温度依存性リランクタンス、シャフトの抵抗ドリフト、銅パターン、温度依存性透磁率、及び表面の残留応力の関数であるので、センサ1の温度を表わす式は1次回路のインピーダンスに基づいて導出することができ、この最も簡単な形は、次の等式による線形関係である。
TS=kT(ZP−Z0) (3)
上の式におけるパラメータは次のような意味を有する。
TS:計算されたセンサの温度
kT:温度係数
ZP:センサの1次回路のインピーダンス
Z0:ゼロ/較正温度でのインピーダンス
供給電圧及び供給電流は、センサ1の励起ユニット4において、図1に示すように直接測定することができる。しかしながら、励起ユニット4とセンサ1の間の接続線のケーブル抵抗及びコンタクト抵抗の影響を最小にするため、電圧測定をセンサ1に出来る限り近い位置で、4線式配線でのインピーダンス測定により行なうことが好ましい。4線式の測定では、電圧は一対のリードを通して測定され、この一対のリードは、図9に示すように電流を供給する一対のリードとは別個である。電圧を測定するためのリード対に電流は全く又は殆ど流れない。
更に、1次回路の特性は、インピーダンスの逆数又は励起電圧と励起電流との他の組み合わせによって表わすこともできる。
しかしながら、確かな理由により、温度及び負荷の両方による影響を受けるインピーダンス表示を用いて作業することが好ましい。このような表示の一例は、インピーダンスの振幅である。このような場合、温度信号の性能は、線形化又は補正によって大きく向上させることができ、これにより、図1の信号10a又は信号13aに基づいて負荷の影響が無くなるか、又は最小化される。
変速機のトルクがゼロであることを検出する別の方法では、更に伝達トルク信号を処理し、クラッチが外れている間のトルクの変化を追跡する。図5に示すように、部分bにおけるトルクの減少が部分cで横ばいになるとき、非常に急激な変化がトルク信号の勾配に生じる。この遷移は、トルク信号の微分を観察することにより、又は勾配の変化及び2つのフェーズの間の急激な変化を検出する他の手段を使用することにより、容易に検出することができる。
ドライブトレインのトルクがゼロであることを検出する更に別の手段は、ギアボックスを作動させなくても使用することができる。エンジン及びドライブトレインをゼロ負荷に近い状態で、負の負荷から正の負荷に、又は正の負荷から負の負荷にシフトするように作動させると、ドライブトレインがバックラッシュを受ける部分、又はドライブトレインの遊びを、トルク信号の中に、トルクの変化が横ばいになるフェーズとして検出することができる。この様子は、ドライブトレインに遊びが生じるか、又はドライブトレインが変速機のバックラッシュを受けるときの、トルク信号の平坦部分として明瞭に観察される。
上記複数の方法は、それらのいずれかを単独で、複数の方法を組み合わせて、又はギアボックス制御ユニットからのトリガー信号と組み合わせて使用することにより、変速機のゼロ負荷の状態を検出することができる。
従って、本発明は、製鉄所又は製紙工場等の機械設備又はプロセスラインにおける力センサの温度ドリフトの適応的補正にも適用できる。このような設備の力センサを使用して、例えば鋼板又はペーパーウェブのロール荷重、又はウェブ張力を測定することができる。センサがこれらの用途において無負荷になる場合の自然発生動作ポイントの一例は、シート又はウェブがプロセスラインから出た後、且つ新規シート又はペーパーウェブがプロセスラインに入る前に発生する。
Claims (15)
- シャフト又はドライブトレインのトルク、或いは機械設備の力を作動中に測定するセンサの温度ドリフトを適応的に補正する方法であって、
−センサ信号を繰り返し測定して関連する温度を求め、
−温度の関数として、測定データ及びセンサオフセットのモデルに基づいてオフセット値を計算し、
−前記計算されたオフセット値を使用して測定信号値を補正し、
−センサが無負荷状態又は無負荷に近い状態になる時点を検出し、センサが無負荷状態又は無負荷に近い状態である場合、センサ信号値及び関連する温度値の内、所定の安定基準を満たすセンサ信号値及び関連する温度値のみをメモリに保存して、前記保存されたセンサ信号値及び関連する温度値に基づいて前記センサオフセットのモデルを更新する
ことを特徴とする方法。 - 更に、
−制御ユニット又は制御システムからの信号に基づいてセンサが無負荷になる時点を検出する
ことを特徴とする、請求項1記載の方法。 - 更に、
−スイッチの位置に基づいてセンサが無負荷になる時点を検出する
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。 - 更に、
−センサ信号の特性をモニタリングすることによってセンサが無負荷になる時点を検出する
ことを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−トルクの変化/遷移、及び/又はトルクの勾配をモニタリングすることによってセンサが無負荷になる時点を検出する
ことを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−トルク信号のリップル成分の変化をモニタリングすることによってセンサが無負荷になる時点を検出する
ことを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−変速機のトルクの変化が横ばいになる時点をモニタリングすることによってセンサが無負荷になる時点を検出する
ことを特徴とする、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−センサの1次回路の特性に基づいて温度信号を求める
ことを特徴とする、請求項1ないし7のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−センサの1次回路の電流、電圧、及び/又はインピーダンス、或いはこれらの組み合わせに基づいて温度信号を求める
ことを特徴とする、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−外部温度センサからの温度信号を使用する
ことを特徴とする、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の方法。 - 更に、
−データをフィルタリングして、ノイズ、トルクリップル、及び/又はトルク振動のような信号への外乱を小さくする
ことを特徴とする、請求項1ないし10のいずれか一項に記載の方法。 - シャフト又はドライブトレインのトルク、又は機械設備の力を作動中に測定するセンサの温度ドリフトを適応的に補正するシステムであって、
−センサトルク及び関連する温度を測定する手段(1)、
−温度の関数として、測定データ及びセンサモデルに基づいてセンサのオフセット値を計算する手段(6、7)、
−前記計算されたオフセット値を使用してセンサ信号値を補正する手段(6、7)、
−センサ(1)及び/又はドライブトレイン(2)が無負荷になる時点を検出し、無負荷である場合、前記測定データの内、所定の安定基準を満たす測定データのみをメモリ(7)に保存する手段(6、7)、及び
−前記保存されたデータに基づいて前記センサモデルを更新してセンサ信号のオフセットを最小にする手段(6、7)
を有することを特徴とするシステム。 - 請求項1ないし11のいずれか一項に記載の方法のステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
- 請求項13記載のコンピュータプログラムの少なくとも一部分を含むコンピュータで読み取り可能な媒体。
- インターネット又はイントラネットのようなネットワークを通して少なくとも部分的に提供される、請求項13記載のコンピュータプログラム。
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