KR101765403B1 - 회전각을 결정하는 센서 시스템, 조향 제어 시스템, 및 방법 - Google Patents

회전각을 결정하는 센서 시스템, 조향 제어 시스템, 및 방법 Download PDF

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Abstract

센서 시스템은, 고정자(ST) 내부에서 회전가능하게 배치되는 회전가능한 축(AX), 동시-회전 및 길이방향으로 시프트 가능(shiftable)하기 위해 상기 회전가능한 축(AX)에 장착되는 원형 자석(ring magnet, RM), 및 상기 회전가능한 축(AX)의 회전 이동을 상기 원형 자석(RM)의 길이방향 이동으로 변환하기 위한 시프팅 수단(shifting means, SM)을 포함하는 배치로 사용될 것이다. 상기 센서 시스템은 다차원 자기장 세기를 검출하기 위한 적어도 두 개의 센서 소자들(HS1, HS2)로서, 각각은 적어도 두 개의 공간 차원들에 대한 각각의 센서 값들을 제공하는 적어도 두 개의 센서 소자들(HS1, HS2)과, 평가 회로(evaluation circuit, EV)를 포함하도록 구성된다. 상기 센서 소자들(HS1, HS2)은 서로 이격되어 배치된다. 상기 평가 회로(EV)는 상기 센서 소자들 중 적어도 하나의 센서 값들에 기초하여 상대 회전각(RR)을 결정하고, 센서 소자들(HS1, HS2) 둘 다의 센서 값들에 기초하여 길이방향 위치 정보(LP)를 결정하고, 및 상대 회전각(RR)과 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 절대 회전각(AR)을 결정하도록 구성된다.

Description

회전각을 결정하는 센서 시스템, 조향 제어 시스템, 및 방법 {SENSOR SYSTEM, STEERING CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING A ROTATION ANGLE}
본 발명은 회전가능한 축을 포함하는 배치를 가지고 사용되는 센서 시스템, 이러한 센서 시스템을 가지는 차량에 대한 조향 제어 시스템, 및 절대 회전각(absolute rotation angle)을 결정하는 방법에 관한 것이다.
다양한 응용에서, 자기장 밀도(magnetic field intensity)는 하나의 완전한 회전 범위 내에서의 회전가능한 객체의 회전을 결정하기 위해 평가된다. 몇몇 응용에서는, 하나의 완전한 회전보다 크게, 즉, 360°보다 크게 회전하는 객체에 대한 절대 회전각을 결정하는 것이 기대된다. 예를 들어, 이러한 응용은 예를 들어 -720°에서 +720°의 범위에서 회전가능할 수 있는 조향 휠(steering wheel)의 회전각의 결정을 포함한다.
해결하기 위한 목적은 멀티-턴(multi-turn) 회전가능한 시스템의 절대 회전각을 결정하기 위한 효율적인 개념을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립항들의 주제로 달성된다. 발전된 것들과 실시예들은 종속항들에 정의된다.
상기 효율적인 개념은 회전가능한 축의 절대 회전각이 적어도 두 단계들로 결정된다는 착안에 기반한다. 하나의 단계에서, 상기 회전가능한 축의 상대 회전각은 상기 회전가능한 축으로 회전하는 양극 원형 마그네틱(bipolar ring magnetic)의 자기장을 평가함으로써 결정된다.
또 다른 단계에서, 상기 축의 회전 이동은 상기 축을 따른 상기 원형 자석의 길이방향 이동으로 변형되고, 상기 원형 자석의 길이방향 위치는, 서로 이격되어 배치되고 바람직하게는 상기 축을 따르는 제1 및 제2 센서 소자를 가진 상기 원형 자석의 자기장을 평가함으로써 결정된다. 상기 회전 이동의 상기 길이방향 이동으로의 변형은 각각의 시프팅 수단(shifting means)에 의해 수행될 수 있다. 상기 절대 회전각은 상기 상대 회전각과 상기 길이방향 위치로부터 계산된다. 그 결과, 상기 상대 회전각과 상기 길이방향 위치 정보로부터 도출된 상기 절대 회전각은 하나의 완전한 회전보다 큰 범위를 포함한다. 이러한 이유로, 상기 효율적인 개념은 적은 기계적 및 전자적 노력으로 달성된다.
효율적인 개념의 일 실시예에 따르면, 센서 시스템은, 고정자(stator) 내부에서 회전가능하게 배치된 회전가능한 축, 동시회전 및 길이방향으로 시프트 가능하기 위해 상기 회전가능한 축에 장착되는 원형 자석(ring magnet), 및 상기 회전가능한 축의 회전 이동을 상기 원형 자석의 길이방향 이동으로 변환하기 위한 시프팅 수단(shifting means)을 포함하는 배치로 사용될 것이다. 상기 센서 시스템은, 각각 다차원 자기장 세기를 검출하기 위하고 각각 적어도 두 개의 공간 차원(spatial dimensions)에 대한 각각의 센서 값들을 제공하도록 구성된, 제1 센서 소자과 제2 센서 소자를 포함한다. 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자는 서로 이격되어 배치되고, 예를 들면, 상기 회전가능한 축을 따르거나 평행하다. 상기 센서 시스템은 평가 회로를 더 포함한다. 상기 평가 회로는, 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자의 적어도 하나의 센서 값들에 기초하여 상기 회전가능한 축과 관련한 상대 회전각을 결정하고, 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자 모두의 센서 값들에 기초하여 상기 회전가능한 축에 대한 상기 원형 자석의 길이방향 위치 정보를 결정하고, 및 상기 상대 회전각과 상기 길이방향 위치 정보에 기초하여 상기 회전가능한 축과 관련한 절대 회전각을 결정하도록 구성된다. 이에 따라, 상기 절대 회전각은 하나의 완전한 회전보다 큰 범위를 포함한다.
상기 제1 및 제2 센서 소자는 상기 원형 자석에 직접적인 부근, 예를 들어 상기 고정자 내부에 배치될 것이다. 상기 센서 소자들은 개별적인 칩들(chips) 상에 단일 센서 소자들로서 제공될 수 있지만, 공통 집적회로 상에서 결합될 수도 있다. 상기 평가 회로도 이러한 집적회로 상에 배치될 수 있으며, 예를 들면, 상기 고정자에, 또는 상기 고정자 외부에 배치될 수 있다.
상기 센서 시스템의 하나의 구현 양상에서, 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자 각각은 제1 공간 차원과 관련한 제1 센서 값과 제2 공간 차원과 관련한 제2 센서 값을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 두 개의 공간 차원들은 직교 좌표계의 이차원들이다. 바람직하게, 상기 제1 공간 차원과 상기 제2 공간 차원은 각각 상기 원형 자석의 회전 축에 직교하고, 서로간에 직교한다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 공간 차원은 상기 원형 자석의 상기 회전축과 함께 직교 좌표계에 걸치고 있고, 바람직하게는 상기 회전가능한 축의 상기 회전축과 동일하다.
게다가, 상기 제1 공간 차원은 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자의 공통 표면에 직교할 수 있다.
상기 센서 시스템의 다양한 실시예들에서, 상기 평가 회로는 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자의 상기 제1 센서 값들 사이의 비율에 기초하여 상기 길이방향 위치 정보를 결정하도록 구성된다. 이 비율은 상기 회전가능한 축을 따른 상기 원형 자석의 길이방향 이동 동안 변화하고, 그 결과, 각 비율 값이 상기 회전가능한 축에 대한 상기 원형 자석의 길이방향 위치에 대응한다.
나아가, 상기 센서 시스템의 다양한 실시예들에 따르면, 상기 평가 회로는 다음의 것들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 상대 회전각을 결정하도록 구성된다.
상기 제1 센서 소자의 제2 센서 값과 상기 제1 센서 소자의 상기 제1 센서 값 간의 비율; 상기 제2 센서 소자의 상기 제2 센서 값과 상기 제2 센서 소자의 상기 제1 센서 값 간의 비율; 상기 제1 및 제2 센서 소자의 상기 제2 센서 값들의 합과 상기 제1 및 상기 제2 센서 소자의 상기 제1 센서 값들의 합 간의 비율.
이에 따라, 상기 세 개의 경우들 각각에 있어서, 상기 제2 공간 차원을 따른 자계 강도(magnetic intensity)와 상기 제1 공간 차원을 따른 자계 강도 간의 비율은 상기 상대 회전각을 결정하기 위해 평가된다. 오직 하나의 센서 소자의 센서 신호들을 사용하는 것이 여전히 사용가능한 결과를 내놓는 반면, 센서 소자들 둘 모두의 센서 값들의 사용이 더 정확한 결과를 내놓는다는 것이 분명하다.
상기 센서 시스템의 다양한 실시예들에 따르면, 상기 평가 회로는 아크탄젠트 함수(arctangent function)에 기초하여 상기 길이방향 위치 정보 및/또는 상기 상대 회전각을 결정하도록 구성된다.
상기 센서 시스템의 하나의 특정한 구현 양상에 따르면, 상기 평가 회로는 상기 길이방향 위치 정보에 기초하여 오프셋 각도(offset angle)를 결정하고 상기 오프셋 각도와 상기 상대 회전각을 더하여 상기 절대 회전각을 결정하도록 구성된다.
예를 들어, 상기 평가 회로는 룩업 테이블(lookup table)을 써서 상기 길이방향 위치 정보에 기초한 상기 오프셋 각도를 결정하도록 구성된다. 상기 룩업 테이블은 상기 길이방향 위치 정보를 각각의 오프셋 각도들과 연관지을 수 있고, 동일한 오프셋 각도는 굉장히 많은 상이하지만 근접한 길이방향 위치 정보가 되돌려질 수 있다. 상기 평가 회로는 상기 길이방향 위치 정보를 각각 특정 오프셋 값과 연관된 복수의 값 범위들과 비교함으로써 상기 오프셋 각도를 결정하도록 추가로 구성될 수 있다. 상기 오프셋 각도들은 가산 상수(additive constant)를 가지고 또는 가산 상수 없이 360°의 배수일 수 있다.
상기 센서 시스템의 다양한 실시예들에서, 상기 센서 시스템은 상기 고정자, 상기 원형 자석, 및 상기 시프팅 수단을 더 포함한다. 이에 따라, 이러한 센서 시스템은 결과적인 배치가 적은 노력으로 달성되도록 회전가능한 축에 장착될 수 있다.
게다가, 상기 센서 시스템은 상기 회전가능한 축을 포함할 수 있고, 상기 시프팅 수단은 길이방향 슬롯(longitudinal slot)을 포함하고 상기 축은 상기 슬롯과 상호작용하기 위한 키(key)를 포함하거나, 상기 축은 길이방향 슬롯을 포함하고 상기 시프팅 수단은 상기 슬롯과 상호작용하기 위한 키를 포함한다. 두 경우 모두에 있어서, 원형 자석과 회전가능한 축 간의 공동 회전은 상기 슬롯-키 연결에 의해 달성된다. 게다가, 상기 회전가능한 축에 따른 상기 원형 자석의 길이방향 이동이 보장되도록 상기 키가 상기 슬롯 내에서 이동가능하다.
예를 들어, 상기 시프팅 수단은 상기 고정자의 내부 쓰레드(thread)와 상호작용하는 외부 쓰레드(outer thread)를 포함하고, 그 결과, 상기 시프팅 수단의 회전 이동이 상기 시프팅 수단의 추가적인 길이방향 이동으로 변환된다. 다시 말해서, 상기 시프팅 수단은 상기 고정자 내에서 회전하고, 동시에 길이방향 이동을 실행한다.
상기 기재된 상기 센서 시스템의 다양한 실시예들은 멀티-턴 회전가능한 축의 절대 회전각이, 예를 들어, 조향 휠의 축 등을 가지고, 결정될 필요가 있을 때에도 사용될 수 있다. 특히, 정확한 절대 회전각은 이전의 위치를 미리 저장할 필요 없이 상기 센서 시스템 상에 전력을 공급할 때 결정될 수 있다. 이에 따라, 상기 센서 시스템은 보안 및 안전 필수적인 응용들에서 사용될 수도 있다.
예를 들어, 차량에 대한 조향 제어 시스템에는 상기 기재된 실시예들 중 하나에 따른 센서 시스템이 제공된다.
상기 기재된 효율적인 개념은 절대 회전각을 결정하기 위한 방법에서 사용될 수도 있다. 이러한 방법은, 고정자 내에서 회전가능하게 배치되는 회전가능한 축, 동시회전 및 길이방향으로 시프트 가능하기 위해 상기 회전가능한 축에 장착되는 원형 자석, 상기 회전가능한 축의 회전 이동을 상기 원형 자석의 길이방향 이동으로 변환하기 위한 시프팅 수단, 및 서로 이격되게 배치되어 각각 다차원 자기장 세기를 검출하기 위한 제1 센서 소자와 제2 센서 소자를 포함하는 배치로 사용될 것이다.
상기 방법의 실시예는 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자를 써서 적어도 두 개의 공간 차원들에 대한 각각의 센서 값들을 생성하는 것을 포함한다. 상기 회전가능한 축에 관련된 상대 회전각은 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자 중 적어도 하나의 센서 값들에 기초하여 결정된다. 상기 원형 자석의 길이방향 위치 정보는 상기 제1 센서 소자와 상기 제2 센서 소자 둘 다의 센서 값들에 기초하여 상기 회전가능한 축에 대해 결정된다. 상기 회전가능한 축에 관련된 절대 회전각은 상기 상대 회전각과 상기 길이방향 위치 정보에 기초하여 결정되고, 상기 절대 회전각은 하나의 완전한 회전보다 큰 범위를 포함한다.
상기 방법의 실시예에서, 상기 절대 회전각은 상기 길이방향 위치 정보에 기초하여 오프셋 각도를 결정하는 것과, 상기 오프셋 각도와 상기 상대 회전각을 더하여 상기 절대 회전각을 결정하는 것에 의해 결정된다.
상기 방법의 추가적 실시예들은 상기 기재된 상기 센서 시스템의 다양한 실시예들로부터 명확해진다.
아래의 본문은 도면을 참조한 모범적인 실시예들을 사용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 동일한 부품들 또는 다양한 그림에서 유사한 기능을 갖는 부품들에 대해 동일한 참조들이 사용되었다. 이에 따라, 하나의 그림 내의 부품들의 설명은 다음의 도면들에서 반복되지 않는다.
도 1은 회전가능한 축을 갖는 센서 시스템의 모범적인 실시예를 나타낸다.
도 2는 선 A-A'를 따르는 도 1의 실시예의 횡단면도를 나타낸다.
도 3은 선 B-B'를 따르는 도 1의 실시예의 횡단면도를 나타낸다.
도 4는 센서 소자들을 갖는 집적 회로(integrated circuit)의 실시예를 나타낸다.
도 5는 길이방향 위치 정보와 상대 회전각을 갖는 신호도(signal diagram)를 나타낸다.
도 6은 센서 시스템의 실시예의 블록도를 나타낸다.
도 7은 센서 시스템의 추가적 실시예의 횡단면도를 나타낸다.
도 1은 회전 가능한 축(AX)을 갖는 센서 시스템의 실시예를 나타낸다. 상기 회전 가능한 축(AX)은 고정자(stator, ST) 내에서 회전가능하게 배치된다. 상기 축(AX)에 대한 베어링(bearing)은 상기 고정자(ST) 내부 또는 어딘가에 배치될 수 있지만, 더 나은 개관(overview)의 이유로 도 1의 그림에서 생략되었다. 상기 센서 시스템은 상기 고정자(ST)의 내부 쓰레드(inner thread, IT)에 체결되는 외부 쓰레드(outer thread, OT)를 갖는 시프팅 수단(shifting means, SM)을 더 포함한다. 상기 시프팅 수단(SM)은 상기 축(AX)에 고정적으로 장착된 키(key, KY)와 상호작용하거나 상기 축(AX)의 일부가 되는 길이방향 슬롯(SL)을 가진다. 원형 자석(ring magnet, RM)은 상기 시프팅 수단(SM)에 고정적으로 장착되고, 그 결과, 상기 원형 자석(RM)은 상기 시프팅 수단(SM)과 함께 회전한다. 제1 센서 소자(HS1)와 제2 센서 소자(HS2)는 상기 원형 자석(RM) 아래에 상기 고정자(ST)와 함께 고정적으로 배치된다. 상기 원형 자석(RM)은 각각 문자들 N과 S에 의해 상기 그림에서 표시된 북 및 남극을 갖는 양극 자석(bipolar magnet)이다. 평가 회로(EV)는 상기 제1 및 제2 센서 소자(HS1, HS2)에 연결된다.
상기 제1 및 상기 제2 센서 소자는 각각 다차원 자기장 세기를 검출하기 위해 구성되고, 각각 적어도 두 개의 공간 차원에 대한 각각의 센서 값들을 제공한다. 도 1에서 보여지는 것처럼, 상기 센서 소자들(HS1, HS2)은 서로 이격되어 배치되고, 특히 상기 회전가능한 축(AX)의 회전축에 기본적으로 평행하다.
상기 센서 소자들(HS1, HS2)은 바람직하게는 홀센서 원칙(Hall sensor principle)에 기초하고, 상이한 공간 방향들의 둘 또는 세 개의 자기장 성분들을 검출할 수 있고, 검출된 자기장은 특히 상기 원형 자석(RM)에 의해 생성된다.
도 2를 참조하면, 도 1의 실시예의 선 A-A'를 따르는 횡단면도가 나타난다. 이러한 시각에서, 상기 축(AX) 상의 키(KY)는 상기 시프팅 수단(SM)의 슬롯(SL)에 감합(fits)하고, 그 결과, 상기 시프팅 수단(SM)이 상기 축(AX)과 동시-회전하는 것으로 보여질 수 있다. 나아가, 상기 고정자(ST)의 내부 쓰레드(IT)와 상기 시프팅 수단(SM)의 외부 쓰레드(OT)는, 상기 축(AX) 또는 상기 시프팅 수단(SM)의 회전이 각각 상기 축(AX)을 따른 상기 시프팅 수단(SM)의 길이방향 이동을 생성하도록 상호작용한다. 축(AX)과 시프팅 수단(SM) 간의 상기 슬롯-키 연결이 상기 길이방향 이동을 방해하지 않는 한, 이러한 길이방향 이동은 가능하다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 시프팅 수단(SM)의 길이방향 이동은 상기 센싱 부품들(HS1, HS2) 위에서의 상기 원형 자석(RM)의 이동을 제공한다. 예를 들어, 상기 원형 자석(RM)이 오른쪽으로 이동되면, 상기 제1 센서 소자(HS1) 위의 자기장 세기는 감소하고, 반면에 상기 제2 센서 소자(HS2)에 대해서는 증가한다. 유사하게, 상기 원형 자석(RM)이 왼쪽으로 이동하면, 상기 제1 센서 소자(HS1) 위의 자기장 세기는 증가하고, 반면에 상기 제2 센서 소자(HS2) 위는 감소한다. 상기 자기장 세기들의 비율은, 도 5와 함께 더 상세히 설명될 길이방향 위치 정보(LP)를 결정하는 데 사용될 수 있다.
선택적인 실시예에서, 슬롯은 상기 축(AX) 내부에 제공될 수 있고, 키는 상기 시프팅 수단(SM)의 내측 상에 제공될 수 있고, 상기 축(AX)과 상기 시프팅 수단(SM)의 회전 이동은 상기 시프팅 수단(SM)의 길이방향 이동으로 변환되는 결과도 발생할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 선 B-B'를 따르는 도 1의 실시예의 횡단면도가 나타난다. 상기 시프팅 수단(SM)에 고정적으로 장착된 상기 원형 자석(RM)은 상기 센서 소자들(HS1, HS2) 위에서 상기 축(AX)과 회전한다. 상기 센서 소자들 중 하나가 이러한 시각에서 다른 하나에 의해 감춰진다는 것은 분명하다. 도 3의 그림에서, 3개의 공간 차원 x, y, z는 각각의 화살표들과 원으로 표시된다. 특히, x-차원은 상기 그림 내에 들어가서 상기 축(AX)의 회전축에 평행하다. 상기 y-차원은 오른쪽을 가리키고, 반면에 상기 z-차원은 상기 그림의 위를 가리킨다. 동시에, 상기 3개의 차원들 x, y, z는 직교 좌표계에 걸치고 있다.
상대 회전각을 결정하는 것에 대해, 예를 들어, 상기 자기장의 z-성분과 y-성분이 사용될 수 있다. 특히, 상기 상대 회전각은 상기 y-성분에 관련된 센서 값과 상기 z-성분에 관련된 센서 값 비율의 아크탄젠트 함수를 써서 계산될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 길이방향 위치 정보는 상기 제1 및 제2 센서 소자(HS1, HS2) 둘 다의 z-성분들 간의 비율에 기초하여 결정될 수 있다.
도 4는 서로 이격되어 배치되고 바람직하게는 상기 회전가능한 축(AX) 또는 x-성분에 평행한 선을 따르는 제1 및 제2 센서 소자(HS1, HS2) 둘 다를 포함하는 집적 회로(IC)의 모범적인 실시예를 나타낸다. 상기 센서 소자들(HS1, HS2) 각각은 3차원 자기장의 검출을 허용하는 여러 개의 홀센서 소자들로 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 센서 소자(HS1)는, 각각 자기장의 x-성분을 검출하기 위하고, 각각 수직 홀센서 소자에 의해 형성되는 센서 소자들(VX11, VX12, VX13, VX14)을 포함한다. 유사하게, 상기 제1 센서 소자(HS1)는 자기장의 y-성분을 센싱하기 위한 수직 홀센서 소자들(VY11, VY12, VY13, VY14)을 포함한다. 상기 센서 소자(HS1)는 자기장의 z-성분을 검출하기 위한 측방 홀센서 소자들(HZ11, HZ12, HZ13, HZ14)을 더 포함한다. 같은 방식으로, 상기 제2 센서 소자(HS2)는, 자기장의 x-성분을 센싱하기 위한 대응하는 수직 홀센서 소자들(VX21, VX22, VX23, VX24), 자기장의 y-성분을 센싱하기 위한 대응하는 수직 홀센서 소자들(VY21, VY22, VY23, VY24), 및 자기장의 z-성분을 센싱하기 위한 대응하는 측방 홀센서 소자들(HZ21, HZ22, HZ23, HZ24)을 포함한다.
상기 센서 시스템의 다양한 실시예에서, 오직 y-성분과 z-성분에 대한 홀센서 소자들만이 존재하도록 상기 수직 홀 센서 소자들 VX11 내지 VX24가 버려질 수 있음이 강조되어야 한다. 상기 집적 회로(IC) 상에 추가적인 회로들과 배선이 존재할 수 있지만, 더 나은 개관의 이유로 버려진다.
상기 평가 회로(EV) 내의 상기 축(AX)의 상대 회전각(RR)을 계산하기 위한 하나의 모범적인 방식은 공식
Figure 112015033077954-pct00001
을 사용하는 것이다.
여기서, ATAN2는 각각의 인수들(arguments)의 부호를 고려한 상기 아크탄젠트 함수의 잘 알려진 변형이고, PY1은 상기 y-성분에 대응하는 상기 제1 센서 소자(HS1)로부터의 센서 값이고, PY2는 상기 y-성분에 대응하는 상기 제2 센서 소자(HS2)의 센서 값이고, PZ1은 상기 z-성분에 대응하는 상기 제1 센서 소자(HS1)의 센서 값이고, PZ2는 상기 z-성분에 대응하는 상기 제2 센서 소자(HS2)의 센서 값이다.
다른 실시예들에서, 상기 수식은 센서 소자들(HS1, HS2) 둘 다의 센서 값들의 합을 형성하지 않고 오직 상기 제1 센서 소자(HS1) 또는 오직 상기 제2 센서 소자(HS2)의 센서 값을 사용하여 수정될 수 있다. 어쨌든, 상기 수식 (1)은 -180°와 +180° 사이의 상대 회전각을 산출한다.
선형 위치 정보(LP)는 상기 기재된 수식 (1)의 표기들(notations)를 가지고, 공식
Figure 112015033077954-pct00002
에 따라 계산될 수 있다.
도 5는 상기 회전가능한 축(AX)의 여러 번의 회전 후의 상기 선형 위치 정보(LP)와 상기 상대 회전각(RR)의 모범적인 도표를 나타낸다. 상기 상대 회전각은 -180°에서 +180°의 제한된 회전 각도를 주기적으로 반복하는 것으로 보여질 수 있다. 상기 선형 위치 정보(LP)는 기본적으로 상이한 범위 내의 블록-방식의(block-wise) 상수이거나 거의 상수이다. 그러나, 이웃한 값들은 그들의 절대값이 상이하다.
따라서, 상기 선형 위치 정보의 절대값 또는 절대값의 범위로부터, 이는 상기 시프팅 수단(SM) 또는 상기 원형 자석(RM)의 절대 길이방향 위치로 제각기 공제될 수 있다. 그 결과, 각각의 길이방향 위치는 오프셋 각도(R0)와 관련될 수 있다. 예를 들어, 제일 왼쪽의 블록 또는 값 범위는 오프셋 각도(R0) 720°와 관련되고, 다음 값 범위는 오프셋 각도(R0) -720°와 관련된 가장 오른쪽 값 범위까지 오프셋 각도(R0) 360°와 관련된다. 대응하는 오프셋 각도(R0)는, 룩업 테이블(LUT)을 써서 및/또는 상기 길이방향 위치 정보(LP)를 각각 특정 오프셋 값과 관련된 복수의 값 범위들과 비교하여 결정될 수 있다. 결과적인 절대 회전각은, 절대 회전각이 되는 AR을 가지고 공식
Figure 112015033077954-pct00003
에 따라 계산될 수 있다.
도 6은 상기 센서 소자들(HS1, HS2)에 연결된 평가 회로(EV)의 모범적인 실시예를 나타낸다. 다수의 센서 신호들은, 예를 들어 자기장의 다른 성분들과 관련된 상기 센서 소자들(HS1, HS2)로부터 제공될 수 있다.
상기 평가 회로(EV)는, 예를 들어 수식 (1)에 따라 상기 상대 회전각(RR)을 결정하기 위한 상기 제1 센서 소자(HS1) 및/또는 상기 제2 센서 소자(HS2)에 연결된 제1 평가 블록(EV1)을 포함한다.
상기 평가 회로(EV)는 상기 제1 및 상기 제2 센서 소자(HS1, HS2) 둘 다에 연결된 제2 평가 블록(EV2)을 더 포함한다. 상기 제2 평가 블록(EV2)은, 예를 들어 수식 (2)에 따라 상기 선형 위치 정보(LP)를 결정하도록 구성된다. 앞서 언급된 것처럼, 상기 선형 위치 정보(LP)는 수식 (3)dp 따라 상기 상대 회전각(RR)에 더해지는 상기 오프셋 각도(R0)를 제공하는 룩업 테이블(LUT)에 제공될 수 있다.
상기 평가 회로(EV)는, 예를 들어 상기 집적 회로(IC) 상에 상기 센서 소자들(HS1, HS2)과 통합될 수 있다. 그러나, 상기 평가 회로(EV)는, 예를 들어 제어기의 일부나 그와 유사한 것들로서 상기 센서 소자들로부터 떨어져 위치될 수도 있다.
상기 기재된 실시예들 중 하나에 따른 센서 시스템은 차량에 대한 조향 제어 시스템과 함께 사용될 수 있고, 여기서, 예를 들어 상기 회전 축(AX)은 차량의 조향 축(steering shaft)이다. 그러나, 상기 센서 시스템은 이러한 응용으로 한정되지 않지만, 절대 회전각이 결정될 필요가 있는 소정의 회전 축과 함께 사용될 수 있다. 위치 정보의 어떠한 중간 기억영역도 상기 기재된 실시예들에 따라 필요하지 않다.
몇몇 응용들에서, 예를 들어 자동차용에서, 완전한 시스템의 충분한 실패(full failure)를 방지하기 위해서 과잉 개념(redundancy concept)을 제공할 필요가 있다. 도 7은, 도 1과 함께 도 3의 실시예에 기초한 이러한 과잉 개념을 가진 센서 시스템의 모범적인 실시예를 나타낸다. 도 7의 실시예에서, 센서 소자들(HS1', HS2')의 제2 집합이 센서 소자들(HS1, HS2)의 집합에 대해 회전된 위치에 제공된다.
두 집합 모두 동등하게 구성될 수 있으며, 그 결과, 각 집합 단독으로 상기 절대 회전각이 결정될 수 있다. 동일한 결과를 제공하기 위해서 상기 집합들 각각에 대한 교정(calibration)이 필요할 수 있다. 상기 각각의 센서 신호들의 평가는 동일한 평가 회로에서 수행될 수 있다. 특히, 센서 소자들의 집합들 모두는 각각 평가되고, 예를 들어, 서로 비교될 수 있다. 상기 평가 결과 간의 편차가 동작 도중에 발생하면, 상기 집합들 중 하나의 실패가 추정될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 토크 센서(torque sensor)는 작은 형상 계수(form factor)를 가지고 센서 유닛을 이루기 위해 상기 센서 소자들(HS1, HS2)과 통합될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 고정자(stator, ST) 내부에서 회전가능하게 배치된 회전가능한 축(AX), 동시-회전(co-rotation) 및 길이방향으로 시프트 가능하게(shiftable) 상기 회전가능한 축(AX)에 장착되는 원형 자석(ring magnet, RM), 및 상기 회전가능한 축(AX)의 회전 이동을 상기 원형 자석(RM)의 길이방향 이동으로 변환하기 위한 시프팅 수단(shifting means, SM)을 포함하는 배치로 사용되는 센서 시스템으로서, 상기 센서 시스템은,
    - 각각 다차원 자기장 세기를 검출하기 위하고, 각각 적어도 두 개의 공간 차원들(x, y, z)에 대한 각각의 센서 값들(PX1, PX2, PY1, PY2, PZ1, PZ2)을 제공하도록 구성되는 제1 센서 소자(HS1) 및 제2 센서 소자(HS2)로서, 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2)는 서로 이격되어 배치되는, 상기 제1 센서 소자(HS1) 및 상기 제2 센서 소자(HS2); 및
    - 평가 회로(evaluation circuit, EV)로서, 상기 평가 회로(EV)는,
    -- 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2) 중 적어도 하나의 상기 센서 값들(PX1, PX2, PY1, PY2, PZ1, PZ2)에 기초하여 상기 회전가능한 축(AX)에 관련된 상대 회전각(relative rotation angle, RR)을 결정하고,
    -- 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2) 둘 다의 상기 센서 값들(PX1, PX2, PY1, PY2, PZ1, PZ2)에 기초하여 상기 회전가능한 축(AX)에 대한 상기 원형 자석(RM)의 길이방향 위치 정보(LP)를 결정하고, 및
    -- 상기 상대 회전각(RR)과 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 상기 회전가능한 축(AX)에 관련된 절대 회전각(AR)을 결정하는 것으로서, 상기 절대 회전각(AR)은 하나의 완전한 회전보다 큰 범위를 포함하는, 상기 절대 회전각(AR)을 결정하도록 구성되는, 상기 평가 회로를 포함하며,
    상기 평가 회로(EV)는 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 오프셋 각도(offset angle, R0)를 결정하고, 상기 평가 회로(EV)는 룩업-테이블(lookup-table)을 써서, 또는 상기 길이방향 위치 정보(LP)를 각각 특정 오프셋 값과 관련된 복수의 값 범위들과 비교하는 것에 의한 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 상기 오프셋 각도(R0)를 결정하도록 구성되는, 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2)는 제1 공간 차원(z)과 관련된 제1 센서 값(PZ1, PZ2)과 제2 공간 차원(y)과 관련된 제2 센서 값(PY1, PY2)을 제공하도록 구성되는, 센서 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 공간 차원(z)과 상기 제2 공간 차원(y)은 상기 원형 자석(RM)의 회전 축에 각각 직교하고, 서로에 대해 직교하는, 센서 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 공간 차원(z)은 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2)의 공통 표면(common surface plane)에 직교하는, 센서 시스템.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 회로(EV)는 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2)의 상기 제1 센서 값들(PZ1, PZ2) 사이의 비율에 기초하여 상기 길이방향 위치 정보(LP)를 결정하도록 구성되는, 센서 시스템.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 회로(EV)는 적어도
    - 상기 제1 센서 소자(HS1)의 상기 제2 센서 값(PY1)과 상기 제1 센서 소자(HS1)의 상기 제1 센서 값(PZ1) 사이의 비율;
    - 상기 제2 센서 소자(HS2)의 상기 제2 센서 값(PY2)과 상기 제2 센서 소자(HS2)의 상기 제1 센서 값(PZ2) 사이의 비율;
    - 상기 제1 및 제2 센서 소자(HS1, HS2)의 상기 제2 센서 값들(PY1, PY2)의 합과 상기 제1 및 제2 센서 소자(HS1, HS2)의 상기 제1 센서 값들(PZ1, PZ2)의 합 사이의 비율 중 하나에 기초하여 상기 상대 회전각(RR)을 결정하도록 구성되는, 센서 시스템.
  7. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 회로(EV)는 아크탄젠트 함수(arctangent function)에 기초하여 상기 길이방향 위치 정보(LP) 및/또는 상기 상대 회전각(RR)을 결정하도록 구성되는, 센서 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 회로(EV)는 상기 오프셋 각도(R0)와 상기 상대 회전각(RR)을 더하여 상기 절대 회전각(AR)을 결정하도록 구성되는, 센서 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자(ST), 상기 원형 자석(RM), 및 상기 시프팅 수단(SM)을 더 포함하는, 센서 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 회전가능한 축(AX)을 더 포함하고,
    - 상기 시프팅 수단(SM)은 길이방향 슬롯(SL)을 포함하고, 상기 축은 상기 슬롯과 상호작용하는 키(key, KY)를 포함하고, 또는
    - 상기 축은 길이방향 슬롯(SL)을 포함하고, 상기 시프팅 수단(SM)은 상기 슬롯과 상호작용하는 키(KY)를 포함하는, 센서 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 시프팅 수단(SM)은 상기 고정자(ST)의 내부 쓰레드(inner thread, IT)와 상호작용하는 외부 쓰레드(outer thread, OT)를 포함하고, 그 결과, 상기 시프팅 수단(SM)의 회전 이동이 상기 시프팅 수단(SM)의 추가적인 길이방향 이동으로 변환되는, 센서 시스템.
  13. 제 10 항에 따른 센서 시스템을 구비한 차량에 대한 조향 제어 시스템(steering control system).
  14. 절대 회전각을 결정하는 방법으로서, 상기 방법은, 고정자(ST) 내부에서 회전가능하게 배치되는 회전가능한 축(AX), 동시-회전 및 길이방향으로 시프트 가능하게 상기 회전가능한 축(AX)에 장착되는 원형 자석(RM), 및 상기 회전가능한 축(AX)의 회전 이동을 상기 원형 자석(RM)의 길이방향 이동으로 변환하기 위한 시프팅 수단(shifting means, SM), 및 서로 이격되게 배치되어 각각 다차원 자기장 세기를 검출하는 제1 센서 소자(HS1)와 제2 센서 소자(HS2)를 포함하는 배치를 가지고 사용되고, 상기 방법은,
    - 상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2)를 써서 적어도 두 개의 공간 차원들(x, y, z)에 대한 각각의 센서 값들(PX1, PX2, PY1, PY2, PZ1, PZ2)을 생성하는 단계;
    상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2) 중 적어도 하나의 상기 센서 값들(PX1, PX2, PY1, PY2, PZ1, PZ2)에 기초하여 상기 회전가능한 축(AX)과 관련된 상대 회전각(RR)을 결정하는 단계;
    상기 제1 센서 소자(HS1)와 상기 제2 센서 소자(HS2) 둘 다의 상기 센서 값들(PX1, PX2, PY1, PY2, PZ1, PZ2)에 기초하여 상기 회전가능한 축(AX)에 대한 상기 원형 자석(RM)의 길이방향 위치 정보(LP)를 결정하는 단계; 및
    상기 상대 회전각(RR)과 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 상기 회전가능한 축(AX)과 관련된 절대 회전각(AR)을 결정하는 단계로서, 상기 절대 회전각(AR)은 하나의 완전한 회전보다 큰 범위를 포함하는 상기 절대 회전각(AR)을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 절대 회전각(AR)을 결정하는 단계는 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 오프셋 각도(offset angle, R0)를 결정하고, 룩업-테이블(lookup-table)을 써서, 또는 상기 길이방향 위치 정보(LP)를 각각 특정 오프셋 값과 관련된 복수의 값 범위들과 비교하는 것에 의한 상기 길이방향 위치 정보(LP)에 기초하여 상기 오프셋 각도(R0)를 결정하는, 절대 회전각을 결정하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 절대 회전각(AR)을 결정하는 단계는, 상기 오프셋 각도(R0)와 상기 상대 회전각(RR)을 더하여 상기 절대 회전각(AR)을 결정하는 것을 포함하는, 절대 회전각을 결정하는 방법.
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