KR101022549B1 - 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법 및 조향각 산출 방법 - Google Patents

조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법 및 조향각 산출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법 및 조향각 산출 방법에 관한 것으로, 조향각을 더욱 정확하게 감지할 수 있는 기어비를 설정할 수 있고, 기어 설계가 용이하며 기어에 대한 설계 자유도가 향상될 수 있는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법을 제공하고, 단순하고 검증 가능한 연산 방식을 통해 조향각을 산출하여 조향각 감지 성능을 향상시키고 조향각 산출을 용이하게 수행할 수 있는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법을 제공한다.
조향각, 조향각 센서, 스티어링 각도, 기어비

Description

조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법 및 조향각 산출 방법{Computing Method for Gear ratio and Absolute Steering Angle of Steering Angle Sensing System}
본 발명은 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법 및 조향각 산출 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 조향각을 더욱 정확하게 감지할 수 있는 기어비를 설정할 수 있고, 기어 설계가 용이하며 기어에 대한 설계 자유도가 향상될 수 있는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법과, 단순하고 검증 가능한 연산 방식을 통해 조향각을 산출하여 조향각 감지 성능을 향상시키고 조향각 산출을 용이하게 수행할 수 있는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에 필수적으로 적용되는 조향장치는 자동차의 경로 및 진행방향을 운전자의 요구에 따라 전환하는 장치로서, 스티어링 휠(Steering wheel)과, 스티어링 샤프트(Steering shaft)와, 조향각 감지 장치를 포함한다. 운전자에 의해 조작되는 스티어링 휠은 스티어링 샤프트와 연결되어 스티어링 휠의 회전력이 스티어링 휠에 연동되는 스티어링 샤프트에 전달된다. 조향각 감지 장치는 스티어링 샤프트에 연결되어 스티어링 휠의 회전 각도를 감지하여 운전자의 조향 의도(각 도, 각속도)에 대한 데이터를 ECU와 같은 제어 장치로 전달한다.
최근 차량에는 차량 제어 장치의 전장화를 통하여 보다 정밀하고 안정적인 운행 조작을 이룰 수 있는 다양한 안전 장치, 예를 들어 차량 동적 제어(vehicle dynamic control) 또는 트랙션 제어 시스템(traction control system)과 같은 다양한 안전 장치가 구현되고 있는데, 이와 같은 안전 장치를 구현하기 위한 성능 확보를 위해서는 안전 장치의 실행 여부를 판단하기 위해 사용되는 입력 데이터의 정밀성 및 신뢰성이 요구되고 있다. 이러한 점에서 조향각 감지 장치 또한 더욱 고도의 정밀성이 요구되고 있으며, 이에 따라 최근에는 비접촉식 고정밀 조향각 감지 장치가 다양하게 개발되고 있다.
비접촉식 고정밀 조향각 감지 장치의 검출 방식으로는 크게 AMR 센서를 사용한 마그네틱 방식과, 바코드 또는 IRED 등을 사용하는 광학식 방법이 있는데, 일반적으로 가장 널리 사용되는 방법은 자기장을 이용한 마그네틱 방식이다. 마그네틱 방식은 일반적으로 서로 다른 기어비를 갖는 2개의 기어에 마그넷을 삽입하고 기어 회전에 따른 자기장 변화에 의해 발생하는 센서 출력을 이용하여 전체 조향 각도 범위에 대한 절대각을 계산하는 방식으로 구성된다.
따라서, 이러한 방식의 조향각 감지 장치에서는 기어비 설정 및 센서 출력을 통한 절대각 계산 알고리즘이 성능에 매우 중요한 영향을 미치게 된다. 하지만, 종래 기술에 따른 조향각 감지 장치의 경우 기어비 설정 방법이 복잡하고 제한적이며, 이러한 기어비에 의해 불필요한 조향각 범위까지 측정하게 되므로 각도 계산시 정밀도가 상대적으로 낮다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 스티어링 휠의 전체 회전 각도에 더욱 근접한 각도 범위 내에서 조향각을 감지할 수 있도록 기어비를 설정할 수 있고 이에 따라 더욱 정밀한 조향각 감지가 가능하며, 또한 별도의 제약 조건이나 복잡한 알고리즘을 통하지 않고 단순한 알고리즘을 통해 기어비를 설정할 수 있으므로, 조향각 감지 장치의 기어 설계가 용이하고 기어에 대한 설계 자유도가 향상될 수 있는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 단순하고 검증 가능한 연산 방식을 통해 조향각을 산출하기 때문에, 정밀하게 조향각을 감지하여 조향각 감지 장치의 성능을 향상시킬 수 있고, 연산 알고리즘이 단순하여 조향각 산출을 용이하게 수행할 수 있는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은, 스티어링 샤프트와 일체로 회전하는 메인 기어와, 상기 메인 기어에 맞물림되어 연동하며 자성체가 결합된 제 1 및 제 2 서브 기어와, 상기 제 1 및 제 2 서브 기어에 의한 자기 신호를 각각 감지하는 제 1 및 제 2 감지 센서를 포함하는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법에 있어서, 상기 제 1 서브 기어에 의한 출력 파형 1주기에 해당하는 상기 메인 기어의 회전 각도인 제 1 서브 각 도(T1)와, 상기 제 2 서브 기어에 의한 출력 파형 1주기에 해당하는 상기 메인 기어의 회전 각도인 제 2 서브 각도(T2)와, 상기 제 1 서브 각도(T1)과 상기 제 2 서브 각도(T2)의 차이값인 서브 각도 차이값(DT)을 산출하는 매개 산출 단계; 및 상기 메인 기어, 제 1 서브 기어 및 제 2 서브 기어에 대한 각각의 기어비는 (360) : (상기 제 1 서브 각도(T1)의 2배) : (상기 제 2 서브 각도(T2)의 2배)의 비율을 만족하는 정수배로 각각 설정하는 설정 단계를 포함하고, 상기 매개 산출 단계는 상기 메인 기어의 전체 회전 각도인 메인 각도(TM)를 상기 제 1 서브 각도(T1)로 나눈 값에 상기 서브 각도 차이값(DT)을 곱한 값이 상기 제 1 서브 각도(T1)보다 작거나 같아야 하는 제 1 조건을 만족하고, 상기 메인 각도(TM)를 상기 제 2 서브 각도(T2)로 나눈 값에 상기 서브 각도 차이값(DT)을 곱한 값이 상기 제 2 서브 각도(T2)보다 작거나 같아야 하는 제 2 조건을 동시에 만족하는 값을 시행 착오 방법을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법을 제공한다.
이때, 상기 매개 산출 단계는 상기 제 1 서브 각도(T1) 및 제 2 서브 각도(T2)가 상기 제 1 및 제 2 조건을 만족하는 다수개의 값 중 최소값으로 선택될 수 있다.
또한, 상기 매개 산출 단계는 상기 서브 각도 차이값(DT)이 기어의 오차를 고려한 허용값보다 더 크도록 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 방법으로 기어비가 설정되어 상호 결합된 메인 기어, 제 1 서브 기어 및 제 2 서브 기어에 대해, 상기 메인 기어가 기준 위치로 회 전한 상태에서 상기 제 1 및 제 2 감지 센서에 의해 각각 감지되는 자기 신호를 연산하여 기준 위치에 대한 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)를 설정하는 오프셋 설정 단계; 상기 메인 기어가 기준 위치로부터 회전한 상태에서 상기 제 1 및 제 2 감지 센서에 의해 각각 감지되는 자기 신호를 연산하여 현재 위치에 대한 제 1 및 제 2 연산 각도(P1,P2)를 측정하는 연산 각도 측정 단계; 상기 제 1 오프셋 각도(S1)와 제 1 연산 각도(P1)에 따라 현재 위치에 대해 설정될 수 있는 다수개의 제 1 절대 각도(C1)를 산출하는 제 1 각도 산출 단계; 상기 제 2 오프셋 각도(S2)와 제 2 연산 각도(P2)에 따라 현재 위치에 대해 설정될 수 있는 다수개의 제 2 절대 각도(C2)를 산출하는 제 2 각도 산출 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 각도 산출 단계를 통해 각각 대응되게 산출되어 서로 쌍을 이루는 제 1 및 제 2 절대 각도 중 서로 차이가 가장 작은 한 쌍의 제 1 및 제 2 절대 각도의 평균값 또는 둘 중 어느 하나의 값을 조향각으로 출력하는 조향각 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법을 제공한다.
이때, 상기 제 1 절대 각도는 상기 제 1 오프셋 각도와 제 1 연산 각도의 차이값에 상기 제 1 서브 각도(T1)의 정수배(-n,-(n-1),..-1,0,1,..,(n+1),n)를 더하여 순차적으로 얻어진 값의 절대값 중 상기 메인 각도(TM)의 절반보다 작은 값으로 한정할 수 있다.
또한, 상기 제 2 절대 각도는 상기 제 2 오프셋 각도와 제 2 연산 각도의 차이값에 상기 제 2 서브 각도(T2)의 정수배(-n,-(n-1),..-1,0,1,..,(n+1),n)를 더하여 순차적으로 얻어진 값의 절대값 중 상기 메인 각도(TM)의 절반보다 작은 값으로 한정할 수 있다.
또한, 상기 조향각 출력 단계에서 조향각으로 출력되는 한 쌍의 상기 제 1 및 제 2 절대 각도의 차이는 상기 서브 각도 차이값(DT)의 절반보다 작은 경우에만 조향각으로 출력되도록 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래 기술과 달리 스티어링 휠의 전체 회전 각도에 더욱 근접한 각도 범위 내에서 조향각을 감지할 수 있도록 기어비를 설정할 수 있으므로, 더욱 정밀한 조향각 감지가 가능하며, 또한 별도의 기어 설계에 대한 제약 조건이나 복잡한 알고리즘을 통하지 않고 단순한 알고리즘을 통해 기어비를 설정할 수 있으므로, 조향각 감지 장치의 메인 기어 및 서브 기어의 설계가 용이하고 기어에 대한 설계 자유도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 단순하고 검증 가능한 연산 방식을 통해 조향각을 산출할 수 있도록 함으로써, 조향각을 정밀하게 감지하여 조향각 감지 장치의 성능을 향상시킬 수 있고, 연산 알고리즘이 단순하여 조향각 산출을 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 구조를 개략적으로 도시한 분해사시도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 구조를 저면에서 도시한 저면도이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치(100)는 중앙이 스티어링 컬럼(미도시) 및 후술하는 메인기어(150)가 출입할 수 있게 개구부(111)를 마련하여 본체(110)를 형성한다. 그리고 본체(110)의 일측을 연장하여 일정크기의 공간부(112)를 갖게 형성한다. 또한, 상기 개구부(111)를 제외한 본체(110)를 덮을 수 있는 커버(110')를 별도로 형성한다.
상기 개구부(111)에는 스티어링 컬럼과 직접 또는 간접 결합하여 회동하는 메인기어(150)가 위치한다. 여기서, 상기 메인기어(150)는 스티어링 컬럼에 고정되어 롤 커넥터(미도시)의 내부에서 회동 가능하게 설치되는 슬리브(미도시)에 메인기어(150)가 일체로 형성된다.
상기 본체(110) 일측의 공간부(112)에는 상기 메인기어(150)와 맞물려 회전하는 제 1 및 제 2 서브기어(120, 120')가 이격되게 설치된다. 그리고 상기 제 1 및 제 2 서브기어(120, 120')는 상기 메인기어(150)고 맞물리기 위해 내측 개구부(111)로 일부 노출된다. 또한, 상기 제 1 서브기어(120)와 제 2 서브기어(120')는 직경을 다르게 하거나 잇수를 다르게 하여 메인기어(150)의 회전에 제 1 서브기어(120)과 제 2 서브기어(120')의 회전비가 다르게 설치된다.
또한, 상기 제 1 서브기어(120)와 제 2 서브기어(120')의 하부에 제 1 및 제 2 자성체(121, 121')가 각각 설치된다. 여기서 상기 제 1 및 제 2 자성체(121, 121')의 설치 위치는 축(122, 122')에 설치되거나 서브기어(120, 120')의 저면 또는 상면에 설치된다.
상기 서브기어(120, 120')의 하부에는 서브기어(120, 120')에 설치되는 자성체(121, 121')의 자기력변화를 감지하는 제 1 및 제 2 감지 센서(130, 130')가 마련된다. 여기서 상기 제 1 및 제 2 감지 센서(130, 130')는 자기력변화를 감지하는 자기센서이며, 그 종류로는 AMR(Anisotropic Magneto Resistive) 센서, GMR(Giant Magneto Resistance) 센서 또는 홀(HALL) 센서 중에 어느 하나가 제공된다.
상기 감지 센서(130)는 도 1c에 도시한 바와 같이 상기 연동기어(120, 120')의 하부에 이격되게 각각 설치되어 자기력의 변화를 감지한다. 제 1 및 제 2 서브기어(120, 120')와 제 1 및 제 2 감지 센서(130, 130')의 사이에는 상기 제 1 및 제 2 서브기어(120, 120')의 축(122, 122')을 고정 및 유격방지하기 위한 두 개의 축홀(141, 141')을 형성한 홀더(140)를 마련하여 고정한다.
다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 조향 장치용 조향각 감지 장치의 동작에 대하여 개략적으로 설명한다. 이때, 감지 장치의 동작은 스티어링 휠(미 도시)의 양측 회전이 동일한 경로로 동작하므로 여기서는 스티어링 휠을 시계방향으로 회전하는 것만을 예시로 설명한다.
사용자가 자동차 내의 스티어링 휠을 시계방향으로 회전하면, 스티어링 휠과 동일하게 회동하는 스티어링 컬럼이 시계방향으로 회전하고, 스티어링 컬럼과 고정된 슬리브 및 슬리브에 설치된 메인기어(150)가 시계방향으로 회전한다.
이후 메인기어(150)의 회전으로 메인기어(150)와 맞물리는 2개의 제 1 및 제 2 서브기어(120, 120')가 반시계 방향으로 회전하며 또한 제 1 및 제 2 서브기어(120, 120')의 하부에 설치된 제 1 및 제 2 자성체(121, 121')도 함께 회전하게 된다. 이후 회전되는 제 1 및 제 2 자성체(121, 121')의 자기력 변화를 감지하는 제 1 및 제 2 감지 센서(130, 130')가 자기력의 변화를 감지하고, 자기력의 변화에 따른 신호를 출력한다. 이러한 신호는 별도의 알고리즘를 통해 연산되어 절대각도인 조향각으로 산출되며, 이와 같이 산출된 조향각 신호가 ECU와 같은 제어부로 인가되는 방식으로 차량 제어 시스템에 필요한 입력값으로 제공된다.
다음으로 이러한 동작 및 구성을 갖는 조향각 감지 장치에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법에 대해 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어비 설정 방법을 단계별로 도시한 동작 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기어비 설정 방법은 매개 산출 단계를 통해 제 1 서브 기어(120)에 의한 출력 파형 1주기에 해당하는 메인 기어(150)의 회전 각도 인 제 1 서브 각도(T1)와, 제 2 서브 기어(120')에 의한 출력 파형 1주기에 해당하는 메인 기어(150)의 회전 각도인 제 2 서브 각도(T2)와, 제 1 서브 각도(T1)와 제 2 서브 각도(T2)의 차이값인 서브 각도 차이값(DT)을 산출하고, 이를 이용하여 메인 기어(150)와 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')의 기어비를 계산하는 방식으로 진행된다.
즉, 전술한 바와 같이 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')가 회전하게 되면 이와 함께 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')에 결합된 자성체(121,121')가 동시에 회전하게 되므로, 이러한 자성체(121,121')의 자기력 변화에 따른 신호가 제 1 및 제 2 감지 센서(130,130')에 의해 감지되는데, 이와 같이 감지되어 출력되는 출력 파형은 전술한 마그네틱 방식의 AMR 센서가 적용된 경우 일반적으로 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')가 각각 180°회전하는 경우 1주기의 출력 파형이 발생되며, 이때 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')의 기어수가 상이하므로 각각 서로 다른 메인 기어(150)의 회전 각도를 이용하여 기어비를 계산한다.
이와 같이 제 1 서브 각도(T1), 제 2 서브 각도(T2) 및 서브 각도 차이값(DT)을 산출하는 방법은, 각각의 값이 아래의 제 1 조건 및 제 2 조건을 모두 만족하는 값이 되도록 시행 착오 방법(trial and error method)을 통해 산출하는 방식으로 진행된다.
제 1 조건: (TM/T1)*DT =< T1
제 2 조건: (TM/T2)*DT =< T2
여기서, TM 은 메인 기어의 전체 회전 각도(즉, 스티어링 휠의 전체 회전 각 도)이고, DT = │T1-T2│ 이다.
즉, 메인 기어의 전체 회전 각도(즉, 스티어링 휠의 전체 회전 각도)를 메인 각도(TM)라고 할 때, 메인 각도(TM)를 제 1 서브 각도(T1)로 나눈 값에 서브 각도 차이값(DT)을 곱한 값이 제 1 서브 각도(T1)보다 작거나 같아야 하는 제 1 조건을 만족하고, 메인 각도(TM)를 제 2 서브 각도(T2)로 나눈 값에 서브 각도 차이값(DT)을 곱한 값이 제 2 서브 각도(T2)보다 작거나 같아야 하는 제 2 조건을 동시에 만족하는 값을 시행 착오 방식을 통해 산출한다(E1).
이때, 이러한 2개의 조건을 만족하는 제 1 서브 각도(T1), 제 2 서브 각도 및 서브 각도 차이값(DT)은 무수히 많은 값을 가지게 되는데, 이 중에서 제 1 서브 각도(T1) 및 제 2 서브 각도(T2)는 가장 작은 최소값으로 선택하는 것이 바람직하며(E2), 이에 따라 조향각 측정 장치의 정밀도가 더욱 높아진다. 이는 1 주기의 신호가 표현하는 각도가 작을수록 더 높은 정밀성을 갖기 때문이다. 또한, 서브 각도 차이값(DT)은 제 1 서브 각도(T1)와 제 2 서브 각도(T2)의 기어수의 차이에 의해 발생하는 것이지만 이외에도 기어의 백래쉬 등과 같은 기어의 오차에 의해서도 발생하므로, 적어도 이를 고려한 설계 허용값보다는 더 크게 선택되는 것이 바람직할 것이다(E2).
이러한 매개 산출 단계를 통해 산출된 제 1 서브 각도(T1)와 제 2 서브 각도(T2)를 통해 메인 기어(150), 제 1 서브 기어(120) 및 제 2 서브 기어(120')의 기어비를 설정한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 메인 기어(150), 제 1 서브 기어(120) 및 제 2 서브 기어(120')에 대한 각각의 기어비는 (360):(제 1 서브 각 도(T1)의 2배):(제 2 서브 각도(T2)의 2배)의 비율을 만족하는 정수배로 각각 설정할 수 있다. 다시 말해서, 다음과 같은 수식을 만족하는 정수로 각각의 기어수를 설정할 수 있다.
(메인 기어의 기어수):(제 1 서브 기어의 기어수):(제 2 서브 기어의 기어수) = (360):(2*T1):(2*T2)
이와 같은 방식에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법은 메인 기어의 전체 회전 각도를 고려하여 기어비를 설정하기 때문에, 종래 기술과 달리 스티어링 휠의 전체 회전 각도에 더욱 근접한 범위 내에서 조향각을 감지할 수 있도록 기어비가 설정되고 이에 따라 더욱 정밀한 조향각 감지가 가능하게 될 것이다. 또한, 별도의 제약 조건이나 복잡한 알고리즘을 통하지 않고 단순한 알고리즘을 통해 기어비를 설정할 수 있으므로, 조향각 감지 장치의 메인 기어 및 서브 기어를 설계하는데 더욱 용이하고 기어에 대한 설계 자유도가 향상될 수 있을 것이다.
다음으로, 이와 같은 방법으로 기어비가 설정된 조향각 감지 장치에 대한 조향각 산출 방법을 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서의 출력 파형을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서에 의해 감지된 오프셋 각도의 위치를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서에 의해 감지된 연산 각도의 위치를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 감 지 센서에 의해 감지된 절대 각도의 위치를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 산출 방법을 단계별로 도시한 동작 흐름도이다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 감지 센서에 의해 발생되는 출력 파형을 살펴보면, 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')와 함께 회전하는 자성체(121,121')에 의한 자기력선 변화에 따라 제 1 및 제 2 감지 센서(130,130')에는 도 3에 도시된 바와 같이 90°위상차를 갖는 SIN파(α), COS파(β) 신호가 각각 동시에 발생되고, 제 1 및 제 2 감지 센서(130,130')에 의해 감지된 SIN파(α), COS파(β) 신호는 연산부(미도시)를 통해 ARCTAN 함수를 이용한 연산식으로 연산되어 선형적인 ARCTAN파(α/β)로 변환 출력된다.
이러한 출력 파형을 갖는 조향각 감지 장치에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 산출 방법은 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)를 설정하는 오프셋 설정 단계(F1), 연산 각도(P1)를 측정하는 연산 각도 측정 단계(F2), 제 1 절대 각도(C1)를 산출하는 제 1 각도 산출 단계(F3), 제 2 절대 각도(C2)를 산출하는 제 2 각도 산출 단계(F3), 조향각을 출력하는 조향각 출력 단계(F4,F5)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 산출 방법은 전술한 기어비 설정 방법을 통해 기어비가 설정된 조향각 감지 장치에 대해 적용하는 것이 더욱 정밀도가 향상되어 바람직하지만, 이외에도 다른 기어비를 갖는 조향각 감지 장치에도 적용 가능할 것이다.
오프셋 설정 단계(F1)에서는 메인 기어(150)와 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')가 서로 맞물림되도록 결합된 상태에서 메인 기어(150)의 특정 회전 위치를 임의로 선택하여 기준 위치로 설정하고, 이러한 기준 위치로 메인 기어(150)가 회전한 상태에서 제 1 및 제 2 감지 센서(130,130')에 의해 각각 감지되는 자기 신호를 연산하여 기준 위치에 대한 회전 각도, 즉 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)를 설정한다. 즉, 제 1 감지 센서(130)와 제 2 감지 센서(130')에 의해 각각 측정된 기준 위치에서의 출력값을 통해 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)를 각각 설정하며, 이때, 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)는 도 4에 도시된 바와 같이 서브 기어의 특성상 서로 다르게 나타날 수 있다.
연산 각도 측정 단계(F2)에서는 메인 기어(150)가 기준 위치로부터 일정 구간 회전한 상태에서 제 1 및 제 2 감지 센서(130,130')에 의해 각각 감지되는 자기 신호를 연산하여 현재 위치에 대한 회전 각도, 즉 제 1 및 제 2 연산 각도(P1,P2)를 측정한다. 이러한 연산 각도 측정 방식을 좀 더 자세히 살펴보면, 전술한 바와 같이 제 1 및 제 2 서브 기어(120,120')의 회전에 따라 발생되는 출력 파형은 ARCTAN파(α/β)로 선형적으로 발생되며, 도 5에 도시된 바와 같이 1주기 마다 -π부터 π까지의 값을 갖는다. 이러한 선형적인 출력 파형을 통해 나타난 값을 통해 현재 위치에서의 회전 각도를 측정하기 위해서는 특정 연산 과정을 거쳐야 하는데, 이러한 연산 과정은 본 발명의 일 실시예에 따라 다음 수식으로 수행될 수 있다.
P1 = ((ARCTAN(α/β)+π)/2π)*T1
P2 = ((ARCTAN(α/β)+π)/2π)*T2
여기서, T1은 제 1 서브 각도, T2는 제 2 서브 각도이다.
이러한 수식에 의한 연산 과정을 통해 현재 위치에서 제 1 및 제 2 감지 센 서(130,130')에 의한 제 1 및 제 2 연산 각도(P1,P2)를 각각 측정할 수 있으며, 이와 같이 측정된 제 1 및 제 2 연산 각도(P1,P2)는 각각 제 1 서브 각도(T1), 제 2 서브 각도(T2)보다 작은 값으로 계산되어 나타난다. 한편, 이러한 수식 연산 과정 이외에도 SIN파(α), COS파(β) 신호에 따라 미리 연산된 값을 데이터 베이스화한 테이블을 이용하여 현재 위치에서의 연산 각도를 측정할 수도 있다. 또한, 이와 동일한 방법을 통해 전술한 기준 위치에서의 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)를 측정할 수도 있을 것이다.
다음으로, 제 1 각도 산출 단계(F3)에서는 오프셋 설정 단계와 연산 각도 측정 단계를 통해 얻어진 제 1 오프셋 각도(S1)와 제 1 연산 각도(P1)에 따라 현재 위치에서 설정될 수 있는 다수개의 제 1 절대 각도(C1)를 산출하고, 제 2 각도 산출 단계(F3)에서는 제 2 오프셋 각도(S2)와 제 2 연산 각도(P2)에 따라 현재 위치에서 설정될 수 있는 다수개의 제 2 절대 각도(C2)를 산출한다.
예를 들어 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 서브 각도(T1)가 90°인 경우, 제 1 감지 센서(130)의 출력 파형인 ARCTAN파(α/β)를 통해 측정된 제 1 연산 각도(P1)는 메인 기어(150)가 제 1 서브 각도(T1) 만큼, 여기서는 90°만큼 회전할 때마다 동일한 값으로 나타나게 된다. 즉, 제 1 감지 센서(130)에 의해 측정된 제 1 연산 각도(P1)는 메인 기어(150)가 회전하는 전체 회전 구간에서 다수개 나타나기 때문에, 연산 각도 측정 단계를 통해 측정된 제 1 연산 각도(P1)는 메인 기어(150)에 대한 실제 회전각을 나타낼 수 없다. 따라서, 제 1 각도 산출 단계에서는 하나의 제 1 연산 각도(P1)에 따라 설정될 수 있는 다수개의 제 1 절대 각 도(C1)를 산출한다. 마찬가지 원리로 제 2 각도 산출 단계에서도 하나의 제 2 연산 각도(P2)에 따라 설정될 수 있는 다수개의 제 2 절대 각도(C2)를 산출한다.
이때, 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)를 산출하는 방법은 다양하게 수행될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따라 우선 제 1 절대 각도(C1)를 산출하는 방법에 대해 살펴보면, 먼저 현재 위치에 대한 제 1 연산 각도(P1)에 기준 위치에서의 오프셋 정도를 반영하기 위해 제 1 연산 각도(P1)에서 제 1 오프셋 각도(S1)를 뺀 차이값을 구한다. 이러한 차이값에 제 1 서브 각도(T1)의 정수배(-n,-(n-1),..-1,0,1,..,(n-1),n)를 더하여 순차적으로 값을 구하는데, 이는 전술한 바와 같이 메인 기어(150)가 제 1 서브 각도(T1) 만큼 회전할 때마다 제 1 감지 센서(130)에서 동일한 값이 출력되기 때문이다. 이때, n 값의 범위는 (TM/T1)≤2n 을 만족하는 정수값이다. 이와 같이 순차적으로 얻어진 값은 좌우 회전이 반영된 값이므로 이에 대한 절대값이 메인 기어(150)의 전체 회전 각도인 메인 각도(TM)의 절반보다 작은 값만을 선택하는 방식으로 제 1 절대 각도(C1)를 산출한다. 한편, 이와 마찬가지 방식으로 제 2 절대 각도(C2) 또한 구할 수 있을 것이다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112009039710317-pat00001
이때, n 값의 범위는 (TM/T1)≤2n 을 만족하는 정수이고, m 값의 범위는 (TM/T2)≤2m 을 만족하는 정수이다.
이와 같은 과정을 통해 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)가 산출되면, 이러한 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)는 수식을 통해서도 알 수 있는 바와 같이 서로 쌍을 이루며 대응되게 산출된다. 즉, 연산 과정에서 서로 n,m 값이 동일한 것끼리 쌍을 이루게 된다.
다음으로 조향각 설정 단계(F4,F5)에서는 쌍을 이루는 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2) 중 서로 차이가 가장 작은 한 쌍의 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)의 평균값 또는 둘 중 어느 하나를 선택하여 조향각으로 설정한다.
도 6을 예로 들어 좀 더 자세히 살펴보면, 도 6의 (a)는 제 1 서브 각도(T1)가 90°일 때 제 1 감지 센서(130)에 의해 산출되는 제 1 절대 각도(C1)의 예를 도시한 것이고, 도 6의 (b)는 제 2 서브 각도(T2)가 80°일 때 제 2 감지 센서(130')에 의해 산출되는 제 2 절대 각도(C2)의 예를 도시한 것이다. 도 6의 (a)와 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 1 감지 센서(130)와 제 2 감지 센서(130')를 통해 얻어진 각각의 특정값(X1,X2), 예를 들면 오프셋 각도와 연산 각도의 차이값에 대한 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)는 제 1 및 제 2 서브 각도(T1,T2)의 주기 마다 반복적으로 다수개 서로 쌍을 이루며 존재한다. 이러한 쌍을 이루는 다수개의 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2) 중 약 250°에서 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)는 서로 거의 동일한 값을 나타내게 된다. 이는 메인 기어(150)의 전체 회전 각도에서 유일한 값이며, 250°이외의 지점에서는 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)의 차이는 상대적으로 더욱 커지게 된다. 즉, 메인 기어(150)의 전체 회전 각도인 메인 각도(TM) 구간 내에서 서로 쌍을 이루는 다수개의 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)는 단 하나 의 지점에서 매우 근접한 값을 나타내게 되고, 이 값이 메인 기어(150)의 절대 회전각, 즉 조향각을 나타내는 것이다.
이때, 서로 가장 차이가 작은 제 1 및 제 2 절대 각도(C1,C2)는 서로 동일한 값으로 나타날 수도 있지만, 기어의 오차 또는 센서 특성 등의 이유로 서로 미세한 차이를 나타낼 수 있기 때문에, 이 경우 제 1 절대 각도(C1) 또는 제 2 절대 각도(C2) 중 어느 하나의 값을 스티어링 휠에 대한 조향각으로 출력하거나 또는 이 값의 평균을 조향각으로 출력할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 산출 방법은 이와 같은 연산 방식을 통해 조향각을 산출하기 때문에, 정밀하게 조향각을 감지하여 조향각 감지 장치의 성능을 향상시킬 수 있고, 연산 알고리즘이 단순하여 조향각 산출이 용이하게 수행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 구조를 개략적으로 도시한 분해사시도,
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 구조를 저면에서 도시한 저면도,
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 감지 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어비 설정 방법을 단계별로 도시한 동작 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서의 출력 파형을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서에 의해 감지된 오프셋 각도의 위치를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서에 의해 감지된 연산 각도의 위치를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 감지 센서에 의해 감지된 절대 각도의 위치를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 산출 방법을 단계별로 도시한 동작 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
120: 제 1 서브 기어 120': 제 2 서브 기어
130: 제 1 감지 센서 130': 제 2 감지 센서
150: 메인 기어 T1: 제 1 서브 각도
T2: 제 2 서브 각도 TM: 메인 각도
S1,S2: 제 1 및 제 2 오프셋 각도 P1,P2: 제 1 및 제 2 연산 각도
C1,C2: 제 1 및 제 2 절대 각도

Claims (7)

  1. 스티어링 샤프트와 일체로 회전하는 메인 기어와, 상기 메인 기어에 맞물림되어 연동하며 자성체가 결합된 제 1 및 제 2 서브 기어와, 상기 제 1 및 제 2 서브 기어에 의한 자기 신호를 각각 감지하는 제 1 및 제 2 감지 센서를 포함하는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법에 있어서,
    상기 제 1 서브 기어에 의한 출력 파형 1주기에 해당하는 상기 메인 기어의 회전 각도인 제 1 서브 각도(T1)와, 상기 제 2 서브 기어에 의한 출력 파형 1주기에 해당하는 상기 메인 기어의 회전 각도인 제 2 서브 각도(T2)와, 상기 제 1 서브 각도(T1)과 상기 제 2 서브 각도(T2)의 차이값인 서브 각도 차이값(DT)을 산출하는 매개 산출 단계; 및
    상기 메인 기어, 제 1 서브 기어 및 제 2 서브 기어에 대한 각각의 기어비는 (360) : (상기 제 1 서브 각도(T1)의 2배) : (상기 제 2 서브 각도(T2)의 2배)의 비율을 만족하는 정수배로 각각 설정하는 설정 단계
    를 포함하고, 상기 매개 산출 단계는
    상기 메인 기어의 전체 회전 각도인 메인 각도(TM)를 상기 제 1 서브 각도(T1)로 나눈 값에 상기 서브 각도 차이값(DT)을 곱한 값이 상기 제 1 서브 각도(T1)보다 작거나 같아야 하는 제 1 조건을 만족하고, 상기 메인 각도(TM)를 상기 제 2 서브 각도(T2)로 나눈 값에 상기 서브 각도 차이값(DT)을 곱한 값이 상기 제 2 서브 각도(T2)보다 작거나 같아야 하는 제 2 조건을 동시에 만족하는 값을 시행 착오 방법을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매개 산출 단계는 상기 제 1 서브 각도(T1) 및 제 2 서브 각도(T2)가 상기 제 1 및 제 2 조건을 만족하는 다수개의 값 중 최소값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 매개 산출 단계는 상기 서브 각도 차이값(DT)이 기어의 오차를 고려한 허용값보다 더 크도록 선택되는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 기어비 설정 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 방법으로 기어비가 설정되어 상호 결합된 메인 기어, 제 1 서브 기어 및 제 2 서브 기어에 대해, 상기 메인 기어가 기준 위치로 회전한 상태에서 상기 제 1 및 제 2 감지 센서에 의해 각각 감지되는 자기 신호를 연산하여 기준 위치에 대한 제 1 및 제 2 오프셋 각도(S1,S2)를 설정하 는 오프셋 설정 단계;
    상기 메인 기어가 기준 위치로부터 회전한 상태에서 상기 제 1 및 제 2 감지 센서에 의해 각각 감지되는 자기 신호를 연산하여 현재 위치에 대한 제 1 및 제 2 연산 각도(P1,P2)를 측정하는 연산 각도 측정 단계;
    상기 제 1 오프셋 각도(S1)와 제 1 연산 각도(P1)에 따라 현재 위치에 대해 설정될 수 있는 다수개의 제 1 절대 각도(C1)를 산출하는 제 1 각도 산출 단계;
    상기 제 2 오프셋 각도(S2)와 제 2 연산 각도(P2)에 따라 현재 위치에 대해 설정될 수 있는 다수개의 제 2 절대 각도(C2)를 산출하는 제 2 각도 산출 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 각도 산출 단계를 통해 각각 대응되게 산출되어 서로 쌍을 이루는 제 1 및 제 2 절대 각도 중 서로 차이가 가장 작은 한 쌍의 제 1 및 제 2 절대 각도의 평균값 또는 둘 중 어느 하나의 값을 조향각으로 출력하는 조향각 출력 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 절대 각도는 상기 제 1 오프셋 각도와 제 1 연산 각도의 차이값에 상기 제 1 서브 각도(T1)의 정수배(-n,-(n-1),..-1,0,1,..,(n-1),n)를 더하여 순차적으로 얻어진 값의 절대값 중 상기 메인 각도(TM)의 절반보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 절대 각도는 상기 제 2 오프셋 각도와 제 2 연산 각도의 차이값에 상기 제 2 서브 각도(T2)의 정수배(-m,-(m-1),..-1,0,1,..,(m-1),m)를 더하여 순차적으로 얻어진 값의 절대값 중 상기 메인 각도(TM)의 절반보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 조향각 출력 단계에서 조향각으로 출력되는 한 쌍의 상기 제 1 및 제 2 절대 각도의 차이는 상기 서브 각도 차이값(DT)의 절반보다 작은 경우에만 조향각으로 출력되는 것을 특징으로 하는 조향각 감지 장치의 조향각 산출 방법.
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