JP7147066B2 - 車輪の回転周波数を特定する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輪に対応付けられたセンサホイールと当該センサホイールに対応付けられたセンサエレメントとを有する回転数センサにより、特に自動車の車輪の回転周波数を特定する方法であって、センサホイールは、その周にわたって均等に相互に間隔を置いて分散配置されたインパルス発生器を有し、当該インパルス発生器のエッジが、センサホイールの回転周波数を特定するためにセンサエレメントによって検出される、方法に関する。

さらに、本発明は、規定通りに使用される際に、上述した方法を実施する制御装置を備えた装置に関する。

従来技術
自動車の安全ブレーキシステムにおいては、例えば、車輪のロック又はこれに類するものを識別して防止し得るように、自動車の１つ又は複数の車輪の回転数又は回転周波数が監視される。ＡＢＳシステム又はＥＳＰシステムの制御装置においては、回転周波数が回転数センサを用いて測定される。当該回転数センサは、車輪に結合されたセンサホイールと、車体に固定されてセンサホイールに対応付けられたセンサエレメントとを有する。センサホイールは、周にわたって均等に分散配置された複数のインパルス発生器を有しており、当該複数のインパルス発生器は、センサホイールから放射方向において例えば歯状に突出し、及び／又は、磁極として構成されている。インパルス発生器は、相互に間隔を置いて配置されているので、センサエレメントによって各インパルス発生器の２つのエッジを検出することができる。この場合、センサホイールは、センサエレメントによって光学的に及び／又は電磁的に走査することができる。回転周波数を特定するために、固定の測定インターバルによって検出されるエッジの数が、制御装置によって測定された、先行の測定インターバルとその時点の測定インターバルとにおいてそれぞれ最後に検出されたエッジ間の時間差に対して参照される。

ただし、製造技術的にセンサホイールが偏心性を有することにより、検出されたエッジ間の時間差に対して正弦状にモデル化される分割誤差が作用することがある。ここで、振幅及び位相は、個々のセンサホイールに依存するが、速度には依存しない。また、センサホイールの静的な不平衡も、車輪周期性の放射方向力を発生させる場合に偏心作用を発生させ得るが、この放射方向力は、車輪の支持部の機械系に関して動的な回転半径の車輪周期性の変調を生じさせるものであり、正弦状にモデル化される分割誤差と同様に作用する。しかし、製造技術的な偏心性とは異なり、この場合、典型的には、回転速度に依存した振幅及び位相の変化も生じる。

発明の開示
請求項１の特徴を有する本発明に係る方法は、偏心性に起因する角度周期性の変調が時間的に等間隔の周波数信号において直接的に補償されるという利点を有する。ここでは、そもそも回転数センサの信号処理に通常用いられる信号が専ら利用されるので、当該方法は、わずかなコストで実現可能であり、また、小さいリソースしか必要としない。本発明に係る方法は、センサエレメントの出力信号の偏心性に起因する変調を補償するために最適化フィルタが使用され、最適化フィルタの変調パラメータは、連続的な最小２乗法によって調整されることを特徴とする。

好ましくは、このために、センサ信号の検出された回転周波数から、短時間平均値が計算される。当該短時間平均値は、変調の決定及び補償のための有利な基礎として用いられる。

特に、短時間平均値は、ＰＴ１フィルタを用いて算定される。これにより、特に、調整可能なフィルタ係数による、簡単かつ時間的に近接した算定が保証される。

また、好ましくは、短時間平均値に依存して変調がモデル化されるように構成される。即ち、短時間平均値が併せて考慮され、これにより、重み付けを伴う考慮の表示が可能となる。

特に、変調は、実際の車輪回転数に依存してモデル化される。即ち、これにより、モデル化された変調の回転速度が考慮される。

また、好ましくは、変調パラメータを決定するために、検出された回転周波数と、変調の重畳としての回転周波数の短時間平均値及び最小化すべき残留ノイズとの偏差がモデル化されるように構成される。

好適には、変調パラメータを決定する際に、さらに、特に、回転周波数の実際の変動（Varianz）に依存して、設定可能な補正係数も考慮される。よって、回転周波数が不安定となって、このために回転周波数に変動が生じる場合、当該変動が補償されるように、補正係数が、有利に調整される。

また、好ましくは、最適化フィルタが、１つ又は複数の周波数選択性フィルタの上流又は下流に接続されるように構成される。これにより、最適化フィルタが既存のフィルタ構造に容易に関連付けられる。有利には、周波数選択性フィルタの減衰特性への要求は、最適化フィルタによって生じる残留ノイズによって決定され、これにより、処理される回転数信号が、残留リップル又は測定ダイナミクスの点において改善される。

また、好ましくは、設定可能な回転周波数が下方超過された際に方法が終了し、総てのパラメータがリセットされるように構成される。例えば、自動車の最低速度、例えば１ｋｍ／ｈを下回ったことを示唆する設定可能な回転周波数が下方超過されると、方法の総てのパラメータ又は変数がリセットされ、これにより、方法は、回転方向の変化、回転角度センサの静止状態パルス及び回転開始角度に対してロバストとなる。

請求項１０の特徴を有する本発明に係る装置は、規定通りに使用される際に、本発明に係る方法を実施するように専用に構成された制御装置が設けられていることを特徴とする。これにより、既に述べた利点が得られる。

さらなる利点並びに好ましい特徴及び特徴の組合せは、特に上述した事項及び特許請求の範囲から得られる。以下に、本発明を図面に則して詳細に説明する。

自動車用の回転数センサを示す簡略化された図である。 回転周波数を特定する方法を信号処理フローの形式において示す図である。

図１には、自動車用の回転数センサ１が、簡略化された図において示されている。回転数センサ１は、センサエレメント３に対応付けられたセンサホイール２を有する。ここで、センサエレメント３は、放射方向においてセンサホイール２の外周に対応付けられており、ハウジングに固定されて配置されている。センサホイール２は、軸、例えば、自動車の駆動車輪の軸に回転固定に結合されている。センサホイール２は、その周にわたって分散されて相互に均等に間隔を置いて配置された複数のインパルス発生器４を有する。当該インパルス発生器４は、この実施例においては、放射方向において突出する円環セグメント又は歯として構成されており、これらの円環セグメント又は歯は、それぞれ周方向において２つのエッジ５によって画定されている。代替的に、インパルス発生器４は、例えば、磁極マルチホイールの磁極、軸方向歯及び／又はアパーチャダイヤフラムとして構成される。この場合、センサホイール２は、特に、１つ又は複数の永久磁石によって形成された複数の極対Ｎ_Ｐを有する極ホイールである。特に、車輪又はセンサホイール２の瞬時の回転周波数ｆは、制御装置、特にＡＢＳ制御装置／ＥＳＰ制御装置によって時点ｎ^＊ΔＴにおいて特定されるが、この特定は、例えば、ΔＴ＝５ｍｓの固定の測定インターバルΔＴによりセンサエレメント３によって検出されたセンサホイール２又はインパルス発生器４のエッジ５の数ｅを、制御装置によって測定された先行の測定インターバルとその時点の測定インターバルとによりそれぞれ最後に検出されたエッジ間の時間差ｔ（ｎ）－ｔ（ｎ－１）に対して参照することによって行われる。この実施例においては、測定インターバルΔＴ内において６個のエッジ５＿１乃至５＿６がセンサエレメント３によって検出され、ここで、センサホイール２は、図平面において時計回りに矢印の方向６へ回転している。

理論的には、この場合、センサホイール２上におけるインパルス発生器の規則的な配置による（理想的には）角度的に等間隔でのセンサエレメントの走査から、パターンΔＴによる時間的に等間隔での走査への移行が制御装置において起こる。こうした走査又はサブサンプリングの係数は、速度依存性である。車輪がより高速に回転するにつれて、時間インターバルΔＴにおいてより多数のエッジｅが検出され、よって、より多数のエッジｅにわたって平均化が行われる。

時間的に等間隔の回転周波数から、センサホイール２の周にわたって、かつ、インパルス発生器対Ｎ_Ｐの数により、回転速度が特定され、その時間導関数から回転加速度が特定される。

製造技術的に、エンコーダホイールの構造的な偏心性、即ち、インパルス発生器４を角度的に等間隔に分散させた仮想中心に対するセンサホイールの重心のずれが生じることがある。回転速度が一定の場合にセンサエレメント３によって検出／測定されたエッジ５（角度的に等間隔の信号）間の時間差から、当該偏心性は、１次近似としては、周期Ｎ_Ｐで正弦状にモデル化される分割誤差と同様に作用する。ここでの重畳の振幅及び位相は、個々のセンサホイール２に依存するが、回転速度には依存しない。

センサホイール２の静的な不平衡によって、他の偏心性も生じ得る。当該不平衡は、車輪周期性の放射方向力を発生させ、当該放射方向力は、車輪サスペンションの機械系を介して動的な回転半径に車輪周期性の変調を生じさせ、信号において周期Ｎ_Ｐで正弦状にモデル化される分割誤差と同様に作用する。この場合、機械系の共振挙動に基づき、振幅及び位相の変化量が回転速度に依存して生じる。

以下に説明する方法により、時間的に等間隔の周波数信号における偏心性に起因する変調が有利に補償される。ここでは、補償のために、連続的な最小２乗法によって調整される変調パラメータを有する最適化フィルタが使用される。

有利には、当該最適化フィルタが周波数選択性フィルタに加えて使用され、特に最適化フィルタは、周波数選択性フィルタの上流に接続される。有利には、周波数選択性フィルタの減衰特性への要求が残留ノイズのみに決定される。これにより、処理される回転数信号が、残留リップル又は測定ダイナミクスの点において改善される。有利な方法により、信号処理のために通常は既に利用されている信号が専ら使用されるので、角度的に等間隔の信号における補償に比較して、著しく小さい構成コスト及びリソースコストしか必要とされない。

有利な方法を、図２に示したフローチャート又は信号流チャートを用いて説明する。

本発明によれば、車輪周波数ｆ（ｎ）から、例えば値０．１の調整可能なフィルタ係数ｃ_１におけるＰＴ１フィルタリングにより、先ず、その短時間平均値ｆ_Ｍ（ｎ）、即ち、
ｆ_Ｍ（ｎ）＝ｆ_Ｍ（ｎ－１）＋ｃ_１・（ｆ（ｎ）－ｆ_Ｍ（ｎ－１））
が計算される。

偏心性に起因する車輪周期性の変調ｇ（ｎ）は、ｆ_Ｍにより重み付けされる重畳として、

のようにモデル化され、ここで、Ａ_Ｒ及びＡ_Ｉは、さらに推定すべき変調パラメータであり、ｓ（ｎ）は、エッジ数の累積によって定められる瞬時の車輪角度、即ち、

を表している。

ここでは、総てのエッジの連続検出と一定の車輪回転方向とが仮定される。好適には、方法は、最低速度（例えば、１ｋｍ／ｈ）を下回る場合に停止され、総ての変数がリセットされて、これにより、回転方向の変化、センサの静止状態パルス、及び、Ａ_ＲとＡ_Ｉとの間の分配に作用する車輪開始角度に対して、当該方法はロバストとなる。

ｇ（ｎ）についてのモデルアプローチは、Ａ_Ｒ及びＡ_Ｉが適当に推定される場合に、周期Ｎ_Ｐにおける正弦状の変調が、補正周波数信号
ｆ_ｃｏｒｒ（ｎ）＝ｆ（ｎ）－ｇ（ｎ）
において補償されるように、選定される（最適化フィルタアプローチ）。実行時間におけるＡ_Ｒ及びＡ_Ｉの推定は、上述したように、最小２乗法を用いて、瞬時の車輪周波数ｆ（ｎ）と、変調ｇ（ｎ）の重畳としての車輪周波数の短時間平均値ｆ_Ｍ（ｎ）及び最小化すべき残留ノイズとの偏差をモデル化することにより、

のように行われ、又は、行列表記において、

であって、ここで、最小２乗解

となるように行われる。

好適には、行列反転において生じる、ｎにより増加していく総和が、その短時間平均値によって置換される。特にリソース節約となる特徴として、当該短時間平均値は、ＰＴ１フィルタリングされた平均値によって近似され、これにより、その後、推定が

へと低減可能となり、ここで、再帰的にフィルタリングされる総和量と調整可能なパラメータｃ（例えば、ｃ＝０．４）とにより、

となる。

方法の他の特徴においては、パラメータｃは、瞬時の変動ｆ（ｎ）に依存して選定され、これにより、変動が大きい場合の総和量の調整速度が低下する。

代替的に、真の移動平均値としての総和量は、例えば、Ｓ１（ｎ）につき、

の形式において、例えば、Ｌ＝８により算定される（Ｓ２乃至Ｓ５にも、同様のことが当てはまる）。

他の最適化特徴においては、測定インターバルの終了までの積算から算定される車輪角度ｓ（ｎ）が、測定インターバルの平均車輪角度ｓ_Ｍ（ｎ）

によって置換される。

好適には、総てのフィルタパラメータを（上述したごとく）、予測される信号ダイナミクスに比較して群遅延時間が小さくなるように選定することができる。この場合、調整は、場合により重畳する車輪不平衡の速度依存性の振幅と位相との変化量に追従し、上述した方法によってこれも補償することができる。

Claims (7)

1. 車輪に対応付けられたセンサホイール（２）と前記センサホイール（２）に対応付けられたセンサエレメント（３）とを有する回転数センサ（１）により、特に自動車の車輪の回転周波数を特定する方法であって、
   前記センサホイール（２）は、その周にわたって均等に相互に間隔を置いて分散配置されたインパルス発生器（４）を有し、前記インパルス発生器（４）のエッジ（５）が、前記センサホイール（２）の回転周波数を特定するために前記センサエレメント（３）によって検出される、方法において、
   時間的に等間隔の周波数信号における偏心性に起因する変調を補償するために最適化フィルタが使用され、
   前記最適化フィルタの変調パラメータは、連続的な最小２乗法によって調整され、
   検出された回転周波数から短時間平均値が計算され、
   前記短時間平均値に依存して、変調がモデル化され、
   前記変調パラメータを決定するために、実際に検出された回転周波数と、変調の重畳としての回転周波数の短時間平均値及び最小化すべき残留ノイズとの偏差がモデル化される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記短時間平均値は、ＰＴ１フィルタを用いて算定される、請求項１に記載の方法。
3. 実際の車輪回転数に依存して、変調が算定される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記変調パラメータを決定する際に、特に、回転周波数の実際の変動に依存して、設定可能な補正係数が考慮される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記最適化フィルタは、１つ又は複数の周波数選択性フィルタの上流又は下流に接続される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記方法は、設定可能な回転周波数が下方超過された際に終了し、総てのパラメータがリセットされる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 車輪に対応付けられたセンサホイール（２）と前記センサホイール（２）に対応付けられたセンサエレメント（３）とを有する回転数センサ（１）により、特に自動車の車輪の回転周波数を特定する装置であって、
   前記センサホイール（２）は、その周にわたって均等に又は相互に間隔を置いて分散配置されたインパルス発生器（４）を有し、前記インパルス発生器（４）のエッジ（５）が、回転周波数を特定するために前記センサエレメント（３）によって検出可能である、装置において、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成された制御装置が設けられている
   ことを特徴とする装置。

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