JP7629026B2 - 車輪の回転周波数を決定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輪に付属するセンサホイールとセンサホイールに付属するセンサ素子とを備えた回転数センサによって、特に自動車の車輪の回転周波数を決定する方法に関し、センサホイールはその円周にわたって均等に相互間隔をおいて配分されて配置されたパルス発生器を有し、該パルス発生器はたとえばセンサホイールから径方向に突出するとともに、そのエッジがセンサホイールの回転周波数を決定するためにセンサ素子によって周方向で検出される。

さらに本発明は、用途に即した使用時に上に説明した方法を実施する制御装置を備えた装置に関する。

自動車の安全ブレーキシステムでは、たとえば車輪のロックなどを認識して防止できるようにするために、自動車の１つまたは複数の車輪の回転数ないし回転周波数が監視される。ＡＢＳシステムやＥＳＰシステムの制御装置では、回転数センサを利用して回転周波数が決定される。回転数センサは、車輪と連結されたセンサホイールと、センサホイールに付属する、ボディに固定されたセンサ素子とを有している。センサホイールは、たとえばセンサホイールから歯状に径方向に突出する、および／または磁極として構成される、円周にわたって均等に配分されて配置された多数のパルス発生器を有している。それぞれのパルス発生器は相互に間隔をおいて配置され、それにより、センサ素子によって各々のパルス発生器のうち２つのエッジを検出可能である。このときセンサホイールをセンサ素子によって光学式および／または電磁式に走査することができる。回転周波数の決定のために、規定された測定インターバルを通じて検知されたエッジの数が、前回の測定インターバルおよび今回の測定インターバルのそれぞれ最後に検知されたエッジの間の、制御装置によって測定される時間差に関連づけられる。

しかしながら製造技術上、センサホイールが偏心性を有している可能性があり、そのため、検知されたそれぞれのエッジの間の時間差に対して、正弦波形にモデル化されるピッチ誤差が影響を及ぼす。このとき振幅と位相位置は個別のセンサホイールに依存するが、速度依存的ではない。センサホイールの静的アンバランスも偏心性の影響につながる可能性があり、それは、当該アンバランスがホイール周期的な径方向力を引き起こし、この径方向力がホイールの支承部の機械系統を介して動的負荷半径のホイール周期的な変調につながって、正弦波形にモデル化されるピッチ誤差と同じ影響を及ぼすときである。ただしこの場合には製造技術上の偏心性とは異なり、典型的には、回転速度に依存して振幅と位相位置の変化も生じる。

さらに、出願人のまだ公開されていない特許文献１より、偏心性によって引き起こされる変調を補償するために最適フィルタが利用され、シーケンシャルな最小二乗法によって最適フィルタの変調パラメータが適合化される方法が知られている。この方法は比較的緩慢な挙動につながり、そのため、定常動作のときに補償信号の速度依存的な位相遅れが生じる可能性があり、アンバランス共振領域の動的通過の際に過補償が生じる可能性がある。

ドイツ特許出願第１０２０１８２２１７１３号明細書

請求項１の構成要件を有する本発明による方法は、上に挙げた欠点が克服され、時間等間隔に走査される周波数信号で偏心性またはホイールアンバランスによって引き起こされる回転周期的な変調の変調パラメータを判定するための改良された方法が創出されるという利点を有する。このことは本発明によると、偏心性によって引き起こされる回転周波数の変調を補償するためにセンサホイールがセグメントに区分され、各々のセグメントについて検出された信号パルスのパルス周波数が判定されて平均化され、平均化されたパルス周波数に依存して回転周波数を修正するための変調パラメータが決定されることによって実現される。本件においてセグメントとは、特に、角度によって定義または限定されるセグメント、すなわち角度セグメントであると理解される。したがってセンサホイールの所定の（角度）セグメントについて、パルス発生器によって生成される、ないしはセンサ素子によって検出される、検出された信号パルスからもたらされるパルス周波数がそれぞれ判定される。さらに、これらのパルス周波数が時間にわたって平均化される。平均化されたパルス周波数からセンサホイールの偏心性を推定することができ、それにより、これらのパルス周波数を変調パラメータの決定のために援用することができる。

本発明の好ましい発展例では、それぞれのセグメントのパルス周波数を平均化するために、それぞれのセグメントについて設定可能な時間帯にわたって、またはセンサホイールの設定可能な回転数にわたって、パルス周波数が複数回検出されてから平均化される。単純算術平均化によってパルス周波数がアルゴリズムで平均化されるのが特別に好ましく、その代替または追加として、重みづけあるいは幾何学平均法を適用可能である。

本発明の好ましい実施形態では、センサホイールが等しい大きさのセグメントに区分される。４つの等しい大きさのセグメント（四分円）にセンサホイールが区分されるのが特別に好ましく、それにより、セグメントのうちそれぞれ２つが直径上で向かい合うように、センサホイールの対称な分割が成立する。その代替として、センサホイールが異なる大きさのセグメントに区分され、たとえば４つの異なる大きさのセグメントに区分され、そのうちたとえばそれぞれ２つが等しい大きさを有する。原則として、これよりも少ない数のセグメント、たとえば３つのセグメント、あるいは４つより多いセグメントも可能である。

本発明の好ましい発展例では、互いに直径上で向かい合うセグメントの平均化されたパルス周波数から偏心性のないパルス周波数が判定される。すなわち、向かい合うセグメントのパルス周波数の平均値または平均化されたパルス周波数は、偏心性がないとみなされるという想定がなされる。

隣接するセグメントの、すなわち回転方向で互いに連続するセグメントの、平均化されたパルス周波数から、偏心性を含むパルス周波数が判定されるのが好ましい。このとき特に、瞬時の偏心性のないパルス周波数の、ならびに偏心性を含むパルス周波数の、良好な見積りを可能にする線形加速度が想定される。

さらに、平均化された偏心性を含むパルス周波数と偏心性のないパルス周波数との比率から、変調パラメータが決定されることが意図されるのが好ましい。特に、偏心性を含む平均セグメント周波数と偏心性のない平均セグメント周波数との比率から、ないしは平均化されたパルス周波数の比率から、そのつど１つのセグメントを離れるときにセグメント交互的に変調パラメータが見積られる。

変調パラメータは、センサホイールの偏心性の値と位相位置を記述するのが好ましい。その代替として、変調パラメータは複素値の振幅Ａ_Ｒ＋ｉＡ_Ｉを記述する。

さらに、特にＰＴ１フィルタによって、変調パラメータが平滑化フィルタリングを施されることが意図されるのが好ましい。それにより、特に、変調パラメータが回転のたびに複数回、全面的に新たに見積られるのではなく、前回の見積りが利用されて今回の評価により適合化されることが実現される。

請求項１０の構成要件を有する本発明による装置は、用途に即した使用時に本発明による方法を実施するために制御装置が特別にセットアップされることを特徴とする。それにより、すでに上に挙げた利点がもたらされる。

次に、図面を参照しながら本発明を詳しく説明する。

自動車のための回転数センサを示す簡略化した図である。 回転数センサを作動させる好ましい方法を説明するための模式的なモデルである。 計算モデルを示す簡略化した図である。 計算モデルを示す簡略化した図である。 計算モデルを示す幾何学的な図である。

図１は、自動車のための回転数センサ１を簡略化した図面で示している。回転数センサ１は、センサ素子３が付属するセンサホイール２を有している。ここではセンサ素子３は径方向にセンサホイール２の外側円周に付属しており、ハウジング固定されて配置されている。センサホイール２は、たとえば自動車の駆動輪のシャフトと回転不能に連結される。センサホイール２は、その円周にわたって配分されて互いに均等に間隔をおいて配置された複数のパルス発生器４を有している。これらは本実施例では、それぞれ周方向で２つのエッジ５によって区切られる、径方向に突出する円環セグメントまたは歯として構成されている。その代替としてパルス発生器４は、たとえば磁気的な多極ホイールの磁極、軸方向の歯、および／または穴付き板として構成される。本例ではセンサホイール２は、特に１つまたは複数の永久磁石によって形成される多数の磁極対Ｎ_Ｐを有する磁極ホイールである。ホイールないしセンサホイール２の瞬時の回転周波数ｆは、特に制御装置によって、特にＡＢＳ／ＥＳＰ制御装置によって、時点ｎ^＊ΔＴのとき、規定された測定インターバルΔＴでたとえばΔＴ＝５ｍｓをもってセンサ素子３により検知されるセンサホイール２ないしパルス発生器４のエッジ５の数ｅが、前回および今回の測定インターバルのそれぞれ最後に検知されたエッジの間の、制御装置により測定される時間差ｔ（ｎ）－ｔ（ｎ－１）に関連づけられることによって決定される。本実施例では、測定インターバルΔＴの内部で６つのエッジ５＿１から５＿６がセンサ素子３によって検出され、このときセンサホイール２は矢印６で示す時計回りに紙面で回転する。

以下に説明する、図２に簡略化して示す形態の計算モデルにより、時間等間隔の周波数信号で偏心性によって引き起こされる悪影響ないし変調が補償されるという利点がある。

これに関して図２は、特に回転数センサの制御装置によって、または回転数センサに付属する制御装置によって実行されるモデルを簡略化して示している。

センサ素子３により、パルス発生器４のエッジおよび回転速度からもたらされるパルス周波数ｆが判定され、次いで、これがエンコーダホイール極数Ｎ_Ｐを通じて角周波数にスケーリングされる：

まだ公開されていない特許文献１より、アンバランスまたは偏心性によって生成される変調を、その複素値の振幅Ａ_Ｒ＋ｉＡ_Ｉの見積り後にモデル１２によって、または代替的にその値と位相位置によって、補償することがすでに知られている。そのために、前掲の特許出願に記載されているとおり、次の修正信号ｇ（ｎ）が利用される：

ここでパラメータｆ_Ｍは時間的に平均化されたパルス周波数を表し、ｓ（ｎ）は、エッジ数の積算によって決定される瞬時のホイール角を表す：

それに対して、図２に簡略化して示す方法ないしモデルによって、測定された周波数信号が、測定の時点でのホイール角に応じてセグメントないし角セグメントに、特にセンサホイール２の四分円に、割り当てられて、セグメントを離れたときに変調パラメータのうちのそれぞれ１つが、セグメントごとに計算された周波数平均値の関係から判定される。それにより、時間的に平均化された周波数を必要としない、それに伴って速度変化に対して動的に反応する、わずかな位相ずれしか生じず、それによって変調の補償が改善される。それと同時にアルゴリズムのコストが削減される。

図３Ａおよび図３Ｂを参照して、図２に示すモデルについて詳しく検討する。瞬時のパルス周波数は、本例ではホイール角度依存的であると理解される。ホイール角周波数で回転するポインタ７は、その長さがパルス周波数ｆを反映するとともに、その角度位置がホイール角度位置を反映し、一定の速度と同心的なセンサホイール２のもとでは、図３Ａに示すように、座標原点８に対して同心的な円を描く。このように、ポインタ７はホイール角非依存的に同一の長さを有する。

しかし、図３Ｂに示すようにセンサホイールに偏心性がある場合、円の中心点は座標原点８から変位し、その結果、ホイール角に応じてポインタ７の長さが変わり、それに伴って測定されるパルス周波数ｆが回転周期的に変調する。加速運動のとき、ポインタは円形の螺旋を描く。偏心性は、原点８からの螺旋中心点の変位によって特徴づけられる。

エッジ数を積算することで、上ですでに説明したとおり、瞬時のホイール角ｓ（ｎ）が計算される。測定された瞬時のパルス周波数は次式、

から求められ、それぞれセグメントＩ～ＩＶに割り当てられる。このとき割当は、次の表に示すように行われるのが好ましい：

それにより、複素平面における複素ポインタをｃｏｓ ｓ（ｎ）＋Ｉ ｓｉｎ ｓ（ｎ）と表すと、セグメント平均値は正の実部の軸、正の虚部の軸、負の実部の軸、ないし負の虚部の軸に位置することになる。このことは、適合化された変調パラメータに対するセグメントの割当を簡易化する。本実施例では、等しい大きさの４つの（角）セグメントＩ～ＩＶ（四分円）にセンサホイールが分割されるのに対して、別の実施例では、セグメントがそれぞれ異なる大きさであることが意図され、あるいは、異なる数のセグメントが存在し、ただし少なくとも３つが存在することが意図され、ただし、これらは変調パラメータへの割当の際に重みづけを必要とする。

パルス周波数の平均のホイール角度への割当が行われるのが好ましく、すなわち、時間インターバルｎの終了時における上記のホイール角度計算が次のように修正される：

各々のセグメントを通過するたびに測定される瞬時のパルス周波数ｆ１～ｆ４が平均化されるのが好ましい。そのために、アルゴリズムを特別に簡易に具体化することができる算術平均が行われ、その代替として別の重みづけや、たとえば幾何学平均も可能である。たとえばセグメントＫ（Ｋ＝１～４）が時点ｎ_Ａ，．．．，ｎ_Ｅで通過され、その場合には、時点ｎ_Ｅで平均の周波数ｆ_ｋ（ｎ_ｅ）がセグメントｋについて形成される：

向かい合うセグメント１，３および２，４のパルス周波数の平均値は、偏心性がないものと想定することができる。上に挙げた一定の回転速度での割当のもとでは、（ｆ１＋ｆ３）／２と（ｆ２＋ｆ４）／２は、いずれも偏心性のないパルス周波数の良好な見積りである。

半分のホイール回転の内部で通常は十分に近似される線形加速度の想定のもとで、隣接するセグメントのパルス周波数の平均値は、偏心性のない瞬時のパルス周波数の良好な見積りとなり、偏心性を含む瞬時周波数ｆ_Ｋに、偏心性のないパルス周波数（ｆ_ｋ－１＋ｆ_ｋ＋１）／２を割り当てることができる。

変調パラメータＡ_ＲおよびＡ_Ｉは、好ましくはセグメント交互的にそのつど１つのセグメントから離れるときに、平均化された偏心性を含むパルス周波数と偏心性のないパルス周波数との比率から見積られる。

このとき、直近に測定された平均化されたパルス周波数がそのつど利用される。上で示したとおり評価が４分の１回転だけ遅延されるのが好ましく、それにより、たとえばセグメントＩＶを離れたときには、直近に通過されたセグメントＩＩ，ＩＩＩおよびＩＶの平均化されたパルス周波数が利用される。

この方法は、図４に示すように幾何学的に説明することができる。原点８を中心としてプロットされている瞬時のパルス周波数が、４つのセグメントＩ～ＩＶのうちの１つに割り当てられる。セグメントＩ～ＩＶは、図４では一点鎖線と二重矢印によって表示されている。各々のセグメントＩ～ＩＶについて、平均化されたパルス周波数ｆ_１～ｆ_４が判定される。破線で示されているように、向かい合うセグメントの平均化されたそれぞれのパルス周波数の間の割線の二等分線は、近似的に、偏心性のないパルス周波数を表す円半径の長さを有する。割線二等分線の直交線から、パルス周波数円の中心点９を決定することができる。円半径に関する原点８と円中心点９との変位が、振幅と位相ないし実部と虚部における見積られるべき変調パラメータに相当する。

上に説明した評価に、図２に示すようにフィルタ１０による平滑化フィルタリングがさらに後続するのが好ましく、たとえばＰＴ１フィルタが新たな評価のそれぞれ３０％の割合をもって後続し、それにより、センサホイール２が１回転するたびに変調パラメータをそのつど２回完全に新たに見積らなくてすむ。その代わりに、前回の見積りが評価によって適合化されるという利点がある。このように、見積られた変調パラメータおよび瞬時測定されたパルス周波数からモデル１１によって修正信号ｇが計算され、それにより、修正された信号ｆ_ｃｏｒｒ（ｎ）＝ｆ（ｎ）－ｇ（ｎ）で回転周期的な変調が補償される。

そして、このように変調されて修正された信号から、速度ｖと加速度ａを簡易な従来式の方式で決定することができる。

１ 回転数センサ
２ センサホイール
３ センサ素子
４ パルス発生器
５ エッジ
１０ ＰＴ１フィルタ
Ｉ～ＩＶ セグメント
ｆ_１～ｆ_４ パルス周波数

Claims (6)

1. 車輪に付属するセンサホイール（２）と前記センサホイール（２）に付属するセンサ素子（３）とを備えた回転数センサ（１）によって、前記車輪の回転周波数を決定する方法であって、前記センサホイール（２）はその円周にわたって均等に相互間隔をおいて配分されて配置されたパルス発生器（４）を有し、該パルス発生器のエッジ（５）が前記センサホイール（２）の回転周波数を決定するために前記センサ素子（３）によって検出される、方法において、偏心性によって引き起こされる回転周波数の変調を補償するために前記センサホイール（２）がセグメント（Ｉ～ＩＶ）に区分され、各々の前記セグメント（Ｉ～ＩＶ）において検出された信号パルスのパルス周波数（ｆ１～ｆ４）が平均化され、平均化されたパルス周波数（ｆ１～ｆ４）に依存して回転周波数を修正するための変調パラメータ（ＡＲ，ＡＩ）が決定され、
   互いに直径上で向かい合うセグメント（Ｉ，ＩＩＩ；ＩＩ，ＩＶ）の平均化されたパルス周波数から偏心性のないパルス周波数（ｆ１～ｆ４）が判定され、
   隣接するセグメント（Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ）の平均化されたパルス周波数から偏心性を含むパルス周波数が判定され、
   平均化された偏心性を含むパルス周波数と偏心性のないパルス周波数との比率から前記変調パラメータ（ＡＲ，ＡＩ）が決定されることを特徴とする方法。
2. それぞれの前記セグメント（Ｉ～ＩＶ）のパルス周波数（ｆ１～ｆ４）を平均化するために、それぞれの前記セグメント（Ｉ～ＩＶ）について設定可能な時間帯にわたって、または前記センサホイールの設定された回転数にわたって、パルス周波数（ｆ１～ｆ４）が複数回検出されてから平均化されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記センサホイール（２）が等しい大きさの、または異なる大きさのセグメント（Ｉ～ＩＶ）に区分されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記センサホイール（２）が少なくとも３つのセグメント（Ｉ～ＩＶ）に区分されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記変調パラメータ（ＡＲ，ＡＩ）は前記センサホイールの偏心性の値および位相位置を記述することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法を実施するためにセットアップされた制御装置を有することを特徴とする自動車の車輪の回転周波数を決定する装置。

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