TW201135235A - Process and device to determine a rotation direction and/or a rotating speed of a rotatable body - Google Patents

Description

201135235 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種測定一可旋轉體的旋轉方向及/或旋 轉速度的系統、裝置與方法。 【先前技術】 在許多裝置—特別是在汽車領域—須將一旋轉體 的旋轉速度（包括其旋轉方向）檢出。舉例而言，對一種自動 輪始壓力控制系統（TPMS)須檢出數個輪胎的輪胎壓力值， 其中最初在檢出之測量值與一輪胎間並無關聯。要將有壓 力損失的輪胎辨識，係在根據旋轉方向或旋轉速度的檢出 作分析的範圍中達成。 一種測定一輪胎的旋轉速度與旋轉角度的可能方式， 係在輪胎上設二個速度感測器，並分析該感測器的加速度 信號走勢’這些信號走勢一般被干擾信號重疊。 德專利DE 10 2007 046 308 A1提到將一可旋轉體的旋 轉方向及/或旋轉速度利用一種微調（N〇nius，英：Vernik) 方法根據相位置測定，該相位置由該可旋轉體的一正弦 (Sinus)及一餘弦（Cosinus)信號測定。 【發明内容】 本發明的目的在提供一種根據上述重疊的感測器信號 測定輪子的旋轉方向及/旋轉速度的裝置與方法。 此目的係利用申請專利範圍第丨項的方法及申請專利 201135235 範圍第7項的裝置達成，實施的可能方式見於附屬項中。 要根據一可旋轉體的二個角度信號走勢測定該可旋轉 體的旋轉方向及/或旋轉速度，係從各角度信號走勢接收 多數的值，將這些值作處理並利用一微調方法根據所接收 的值測定該可旋轉體的旋轉方向及/或旋轉速度。在此， 依本發明’將角度信號走勢從這些接收的值濾掉，以測定 重疊到該角度信號走勢上的干擾信號走勢。然後對特定的 干擾信號走勢測定一趨近函數，然後將接收的值減掉該趨 近函數的相關值，並根據該減去的值測定可旋轉體的旋轉 方向及/或旋轉速度。 如此，即使當干擾信號為角度信號的許多倍，也能可 靠地測定該可旋轉體的旋轉方向及/或旋轉速度。此外可 將趨近函數測定成使得即使時間上非悝定的干擾信號也能 充分準確地趨近。 角 號，因 提南’ 旋轉角 度及/ 此 值濾掉 該角度 干擾值 由一預 度信號可包含該可旋轉 此所測定的旋轉方向及 且可較簡單地根據所接 度’根據此相對旋轉角 或旋轉方向。 角度信號可根據這些值 。即使當該可旋轉體以 信號仍呈對稱分佈，因 的形式從所接收的值求 定數目之接收值作出， 體的一正弦信號及一餘弦信 /或旋轉速度的相對準確性 受地值測定可旋轉體的相對 度可測定可旋轉體的旋轉速 的一算術平均值從所接受的 不均勻的旋轉速度旋轉時， 此匕可呈對冑分佈之統計式 出要得到算術平均值，可 因此該算術平均值可利用一 201135235 種移動平均值（gleitender Durchschniu ’英：m〇ving average) 的習知方法經濟地測定β 此趨近函數可呈與測量時間點有關的線性方程式的形 式測定，此趨近函數的係數可利用一些公式測定，這些公 式有利地分割成數部分，使恆定的項目（Term)可當作常數， 以在接收這些值之前已測定這些係數。用此方式，隨後的 處理功夫可減到最小。此外這些公式設定成使該趨近函數 最佳地依「最小誤差平方法」（Methode der kleiimen Fehlerquadrate，英：meth〇d 〇f 加 smallest 6而叫以叫 趨近該接收的值》 此外本發明包含一種將一可繞一旋轉軸旋轉的可旋轉 體的旋轉方向及/或旋轉迷度測定的裝置。此裝置可為-汽車的自動輪胎壓力控制系統的一部分。在此，除了角度 L 5虎走勢外’還可將汽車的數個輪胎的輪胎壓力值檢出。 根據加速度值可測定一輪胎之旋轉方向，因此一輪胎壓力 值可彳㉟月。的建位置(例如在車及右邊或左邊)作關聯。 本發明纽配合圖式詳細說明。 【實施方式】 圖1的不圖中的車子（100)的一車體（110)上的-輪子 (12〇)。車子(1〇〇)只顯示-小部分。輪子(120)可設在車體 (110)的任-部分；前面、後面、左邊、右邊。目中不詳示 輪胎及輪子（12G)其他構件。在輪子⑽）上，加速度感測器 (S1)及（S2)„x在輪子_旋轉軸（M)外感測器⑻）(S2) 6 201135235 各測定從旋轉軸（Μ)朝外的加速度的大小。一股離心加速度 Fz〔它和輪子（120)的旋轉速度有關，且從旋轉軸（Μ)朝外〕 及一股朝向下的重力加速度Fg作用到二感測器（S1)(S2)上。 感測器（S 1)位在一位置，在此位置該二加速度Fz及Fg 互相夾成一 90°的角度，因此由感測器（s 1)測定的加速度值 只和離心加速度Fz有關。而感測器（S2)繞旋轉軸Μ相對於 感測器（S 1)設成錯開一角度α=90。。對於圖示之感測器（S2) 的位置，在感測器（S2)上該離心加速度Fz與重力加速度Fg 的方向一致’因此由感測器（S 2)測定的加速度值等於Fg與 F z的和。 在連續轉的輪子（120)上，感測器（S1)及（S2)以習知方式 接收正弦波形的加速度信號，這二個信號間有角度α的相 位移動。〇:=90。時，感測器（S2)的信號走勢也可稱「餘弦形」。 由感測器（S 1)及（S2)接收的值相當於重力加速度Fg與離心 加速度Fz的重疊。離心力速度Fz與各感測器（si)(S2)距旋 轉軸（M)的距離以及輪子（120)的旋轉速度有關，且可由於不 同的誤差來源，例如感測器（S1)(S2)的系列變化 (Serienstreiumg)或感測器（S1)(S2)安裝時的幾何不準確性 所致，即使輪子（1 2 0)的旋轉速度均勻，但對感測器（s 1) (s 2) 仍可有不同。 輪子（120)的旋轉速度可變動，例如在車子（HQ)加速或 刹車時，車子（120)在轉彎時’輪子（12〇)的旋轉速度也變， 因為轉彎曲線外側的輪子（120)在彎入曲線時加速而從曲線 驶出時則剎止，離心加速度Fz可達動力加速度Fg的一千 201135235 倍之多’且在輪子（m)轉許分之—圈之内，其變化就可大 於重力加速度Fg的1〇〇%，離子加速度Fz 一般和輪子（12〇) 的旋轉頻率或旋轉速度的平方成比例改變。 在變更實施例中，可選用非9〇。的角度當作在一實 2例中，感測器（S1)(S2)夾成〇。的角度，且如有必要，可整 合在一感測器中。在此，感測器（S1)及（S2)可測定沿不同方 向作用的加速度，例如相對於輪子（12〇)的徑向或切向。在 此上述的基本性質保持不變，其中該二感測器（Si)(s2)接 收角度仏號的走勢，這些走勢被一較大之隨時間改變的干 擾信號重疊。 感測器（S1)與（S2)用一般方式利用一種受電池支持的 電流供應源操作，因此基於電流消耗的理由，感測器（si)(S2) 之測里的頻繁度須保持报小。在一輪胎壓力控制系統中， 4車體（1 1 〇)的任何輪胎可個別地或共同地作監視。 圖2顯示圖1中之用於測定車體（11〇)的輪子的旋轉方 向及/或旋轉速度的測定裝置（2〇〇)的示意圖，它具有感測 益（31)(32)和連接部（21〇)。連接部（21〇)(它可選擇性地建構 成無線或有線方式）將感測器（s 1)(S2)與一類比數位轉換器 (220)連接。此類比數位轉換器（22〇)將由感測器（si)(s2)提 供的類比值轉換成數位值，並提供此數位值給一連接的處 理裝置（230)。舉例而言，處理裝置（23〇)為一般的數位式微 電腦或因用途而異的積體電路（ASIC)。 處理裝置（230)包含一濾波裝置（24〇)、一趨近裝置 (250)、及一減法裝置（26〇)與一組合裝置（27〇);該濾波裝置 8 201135235 (240)與該類比數位轉換器(22〇)及趨近裝置(25〇)連 外，趨近裝置（250)更與減法襄置（26〇)連接，而減法裝置（ 與組合裝置（270)連接。組合裝置（27〇)與一輸出端⑽）連 接。輪子(120)的旋轉方向及/或旋轉速度的資料在此輸出 端（290)輸出。一記憶體（28〇)與類比數位轉換器（2扣）、遽波 裝置（240)、趨近裝置（25〇)及減法裝置（26〇)連接。記:體 (280)包含儲存位置關存預定數目的類比數 值。…未顯示-流程控制手段，它預設個別= (220)(230)...(280)的時間性控制。 〃信號走勢〔它們被感測器（S1)及（S2)接收〕的處理作業 係在裝置(220)〜(260)各用相關方式達成，但是係用相分別 地作。因此之故，這些裝置（22〇)、（23〇) (26〇)各用一條虛 線分成二部分，且這些裝置互相的連線及與組合裝置 的連線係對各部分用分別的方式圖示。^下只說明由感 測器（S1)提供的角度信號走勢的處理；而由感測器㈣提供 的角度信號走勢的處理係用相關的方式作。 此類比數位轉換器（220)接收由感測器（S1)提供的角度 #號走勢的值，並將這些值儲存在記憶體（28〇)中。在此， 依一種環狀記憶體（Ringspeicher)的方式，一個新進來的值 將記憶體（280)中所含之最舊的值蓋寫⑽，英·

Write〇Ver)過去。濾波裝置（24〇)將感測器（S1)的角度走勢從 該η個含在記憶體（28〇)中的值濾掉（呈統計學方式之對稱分 佈的值的形式）’以測定重疊到角度旋轉走勢的干擾信號。 此干擾信號相當於在感測器（S丨）的離心加速度的走勢。趨近 201135235

此方程式趨近該干擾 在另外的實施例中也可使用其他趨近

的旋轉方向及/或旋轉速度。 圖3顯不一坐標圖（3〇〇)，它顯示圖2的裝置的各種不 同乜號^ 水平方向係為時間t的坐標，其中時間點顯 不感測器（S1)(S2)之圖1中所示的位置。垂直方向分別為圖 示的信號的信號波幅。 k號走勢（3 10)顯示一個由圖}及圖2中的感測器（s i) 產生的信號的時間性走勢。信號走勢包含一正弦形成分（它 由重力加速度Fg造成）及一直線成分〔它由圖1的輪子（丨2〇) 之線性上升的離心加速度造成〕。 一信號走勢（320)顯示圖1及圖2的感測器（S2)產生的 信號的相關的時間性走勢。此信號走勢（320)的一正弦形成 分相對於圖1中的信號走勢（3 10)的正弦形成分移動了一角 度α=90°，因此也可稱為餘弦形信號走勢（320)。 一信號走勢（330)顯示孤立的信號走勢（3 10)的線性成 分。一信號走勢（340)以相關方式顯示該信號走勢（320)的線 性成分。信號走勢（330)及（340)的不同的起始值及波距 (Steigung，英：pitch)可明顯看出，信號走勢（330)相當於圖 201135235 1及圖2中感測器（s 1)的離心加速度Fz的一走勢，而信號 走勢（340)相當於圖1及圖2中感測器（S2)的離心加速度Fz 的走勢。 一1§观疋労（350)顯示信號走勢（310)的正弦形成分，而 一信號走勢（360)顯示信號走勢（32〇)的餘弦形成分。圖中可 看出，信號走勢（350)及（360)大致有相同的頻率和振幅，但 在圖1中有〇;=90。的相位移動角度。 一信號走勢（370)顯示信號走勢（35〇)與（36〇)的商數的 反正切（tan·1)值，它相當於圖i的輪子（12〇)的旋轉角度泠。 信號（310)相當於信號走勢（33〇)和（35〇)的重疊。信號走 勢（350)為正弦形，因此對零圖（t軸）成對稱。正弦走勢 為直線形，起始值為e〇，波距為el。在時間點【之信號走 勢（330)的值利用該線性方程式咖心測定。為了測定 及el的值’故依最小誤差平方的方法進行。因此參數e〇 及e 1可依以下方式測定 η el = ^(π* — to) · — wa)

N (方程式1 ) (方程式2) — wq — el · /α (方程式3) 值，而ta為所 其中wa所接收的值…和u的算術平均 接收的巧的測量時間點的算術平均值： wa = λ v. ^ % η (方程式4) η Σ" 如今 (方程式5) 11 201135235 因此k號走勢（350)的正弦形信號呈信號走勢（3丨〇)中的 信號走勢（330)的對稱性統計學式的干擾的形式被檢出並 藉著產生一算術平均值而從信號走勢（3丨〇)除去。留下的信 號走勢（330)呈線性方程式形式（具有係數e〇及el)趨近。根 據此線性方程式，可對一時間點tl設以信號走勢（33〇)的一 值。將此值從接收之信號走勢（3 10)的相關值減去，可求出 信號走勢（350)之在測量時間點ti的有效值。 要作所予之貫施（Implementierung)，時間點ti的間隔一 般預設成固定。如此’方程式（2)及（5)的值就可在一設計階 段（Entwurfsphase，英：design phase)中已測定並當作常數 實施。如此’當車子（110)在操作時。當測定輪子（12〇)的旋 轉方向及/或旋轉速度時，計算功夫可減少。 一種相關的處理（包含另一線性方程式的參數eo、e丨的 測疋）係在彳§號走勢（340)及（360)處理。如此用信號走勢（350) 及（360)的測定值’可測定該指示輪子（1 20)的旋轉角度φ的 信號走勢（370)。在圖示的情形，信號走勢（3 5〇)及（3 60)相當 於輪子（120)的旋轉角度洽的正弦及餘弦信號，因此利用習 知的關係：tan⑽，該信號走勢（370)相當於旋轉角度φ。 信號走勢（3 70)的一單獨的角度φ可利用反正切運算（tan-i) 由信號走勢（350)及（360)的值的商數測定。但此角度並不反 映出輪子（120)轉整圈的情形，而只是一圈的一部分。 由信號走勢（370) ’根據微調方法（例如DE 10 2007 046 308 A1所述）測定輪子（120)的旋轉方向及/或旋轉速度。有 一系列之習知的不同的微調方法。它們適合測定旋轉方向 12 201135235 及紅轉速度。在典之微調方法中，由各二個旋轉角度 產生一差，如果此差小於〇 ,則加上。在一變更的微調 方法中，由各二個旋轉角度，藉著權重式（gewichtet，英： weighed)加法及另外將—與角度範圍有關的常數相加而測 定所要測量的量的值。 圖4顯示用於測定係數⑶及el的處理系統（4〇〇)的示 思圖’如上文在圖3中所述者’圖示的處理只關於圖1及 圖2的感測器（S1)之圖3中的信號走勢（31〇)。感測器 的彳5唬走勢（320)的處理也係用相當的方式進行。舉例而 言，此處理系統（400)可用離散（diskret)方式或呈因用途而異 的積體電路（ASIC)形式實施。 由感測器（S 1)產生的值w由左寫入一系列的n個狀態記 憶體（ζ)中，當一新的值進入，則所有位在狀態記憶體（ζ)中 的值就各進一步移位到右邊的相鄰的狀態記憶體中。在圖 中最右邊的狀態記憶體右邊沒有相鄰的狀態記憶體，因此 存在中的值簡單地被所接收的值蓋寫過去。對於η個先後 相隨的測量時間點，在該η個狀態記憶體ζ中儲存η個值： wl〜wn。這些值wl〜wn在一累加元件（41〇)相加結果在 一乘法元件（gl)中利用η除。在隨後的小數點元件 (Dezimierungsghed) (420)中，將此測定信號的測量頻繁度 或脈波速度（Taktrate)減少。這種減少作用係在節省繁複的 计算步驟’且在該處理系統（400)的一變更實施例中也可省 卻。在小數點元件（420)的輸出端有—值wa，它相當於在狀 態記憶體Z中所接收的值w 1〜wn的算術平均值。 13 201135235 堵存在狀癌δ己憶體Z中的單獨的值w 1〜wn在減法元 件（430)中減去所測定之平均值^。此結果值各在乘法元件 (g3)中與因數（tl —⑷相乘。在此，η和為相關值的時間 點而ta為0玄n個時間點的平均值。由於這些測量時間點 ti都是等間隔，故ta同樣地可在設計（Entwurf)階段當作常 數測定。乘法的個別結果在-累加元件中互作相加， 並提供給一乘法元件（g4)。 乘法元件（g4)將由累加元件（440)提供的值與一預定因 數（1/N)相乘，其中N對應於方程式2測定。由於測量時間 點Π係等間隔者，故N也可當作常數測定。乘法元件（g4) 的結果提供給一小點點元件（450),它對應於上述小數點元 件（420)的方式工作且同樣對圖示的處理不一定不可或缺 者小數點元件（450)的輸出值相當於係數e丨。對e 1所測定 的值在乘法元件（g2)中與測量時間點的平均值以相乘，然 後在-減法元件（460)中從wa減去，如此得到係數⑼。 用圖示的方式可根據信號走勢（310)的值w測定一線性 方程式的係數e〇及el，以將信號走勢（330)建立模型 (M〇deUierung，英·· m〇deHng)。所測定之係數e〇及η的 進一步處理可如上述進行。 圖5顯示根據圖！及圖2的感測器（si)(s2)的測量值測 定圖1中輪子（12G)的旋轉方向及/或旋轉速度的方法的一 示意流程圖（500)。在-步驟（5〇5)中，該方法（5〇〇)係在起始 狀態。此處係關於前述步驟的預備’特別是此數可預定在 程序（500)時不改變的項目（T叫，例如方式3及5的值， 201135235 一如上文在圖3說明中所述者。 然後在方法步驟（5 10)(520)(530)及（540)中將感測器（s i ) 的信號作處理。在步驟（510)中將信號走勢（31〇)的值檢出， 在步驟（520)中將角度信號（350)濾掉。而在步驟（53〇)測定係 數e0及el以趨近信號走勢（33〇) ^然後在步驟（54〇)中提 供角度信號（350)的值〔呈信號走勢（31〇)之接收值與趨近函 數的相關值的差的形式〕。 在步驟（5 10)(520)(530)(540)中作處理的同時，平行地方 法步驟（5 10)(520)(530)(540)中將感測器（S2)的值作相關的 處理。 最後在一步驟（550)中，根據一微調方法依據感測器 (S1)(S2)之角度信號之由步驟（54〇)及（545)所提供的值測定 輪子（120)的旋轉方向及/或旋轉速度。 【圖式簡單說明】 圖1係具有輪子的車子； 圖2係用在圖i的車子中的一測定裝置的示意圖； 圖3係圖2的裝置的在一時間中的信號走勢圖； 圖4係圖2的裝置的一部分的示意圖； 圖5係在圖丨的車子上的測定方法的示意流程圖。 【主要元件符號說明】 (100) 車子 (110) 車體 15 201135235 (120) 輪子 (200) 測定裝置 (210) 連接部 (220) 類比數位轉換器 (230) 處理裝置 (240) 濾波裝置 (250) 趨近裝置 (260) 減法裝置 (270) 組合裝置 (280) 記憶體 (290) 輸出端 (300) 坐標圖 (310) 信號走勢 (320) 信號走勢 (330) 信號走勢 (340) 信號走勢 (350) 信號走勢 (360) 信號走勢 (370) 信號走勢 (400) 處理系統 (410) 累加元件 (420) 小數點元件 (440) 累加元件 (450) 小數點元件 16 201135235 (460) 減法元件 (500) 流程圖 (505) 步驟 (510) 步驟 (520) 步驟 (530) 步驟 (540) 步驟 (550) 步驟 (Μ) 旋轉軸 (SI) 加速度感測器 (S2) 加速度感測器 (gl) 乘法元件 (g2) 乘法元件 (g3) 乘法元件 (g4) 乘法元件 Fz 離心加速度 Fg 重力加速度 a 角度 17

Claims (1)

1. 201135235 七、申請專利範圍： 1 · 一種測定可旋轉體（1 20)的旋轉方向及/或旋轉速度 的方法’根據該可旋轉體（120)的二個角度信號走勢 (3 10)(320)測定，包含： —一將角度信號走勢（3 10)(320)的值接收（5 10)(5 15); --利用一微調方法由接收的值將該可旋轉體（120)的旋轉 方向及/或旋轉速度檢出（550)，其特徵在：利用以下步 驟求出該旋轉方向及/或旋轉速度； 將角度信號走勢從接收的值濾掉（520)(525)，俾對該二 個角度仏號走勢各測定一重疊之干擾信號走勢 (330)(340)； ——對該二個一定的信號走勢（330)(340)測定一趨近函數 (530)(535)； 將接收的值減去該趨近函數的相關值（540)(545); 將根據該減去的值求出該可旋轉體（120)的旋轉方向及 /或旋轉速度。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中： 該角度信號走勢（310)(320)包含該可旋轉體（12〇)的一 正弦信號（3 50)及一餘弦信號（36〇)。 3.如申請專利範圍第丨或第2項之方法，其中： 則疋省接收之值的一算術平均值並根據所測定的 算術平均值（wa)將該角度信號走勢（35〇)(36〇)濾掉。 4·如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中： 測定該趨近函數（53G)(535)，#作—與測量時間點⑴有 201135235 關的線性方程式。 . 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中： 該線性方程式包含一常數成分e0及一個與該測量時間 點呈線性相依的成分e 1 x t，其中 η [("—to) · (vv1/ — Wq\ el = ^--- 其中且 / = 1 e0 = wa-el· ta 其中wa為接收值的一算術平均值，而ta為接收值的測 量時間點的算術平均值。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中： 在接收該值之前測定ta與N當作常數。 7. —測定一可旋轉體（120)的旋轉方向及/或旋轉速度 的裝置（200)，根據該可旋轉體（12〇)的二個角度信號走勢 (310)(320)測定，包含： 接收裝置（220)以接收該角度信號走勢（3 10)(320)的 值，及 處理裝置（230)以利用一 Nonius方法根據所接收的值 求出該可旋轉體（120)的旋轉方向及/或旋轉速度，其 特徵在：該處理裝置（230)包含以下元件： 個濾波裝置（240)以將該角度信號走勢（3 1 0)(320)從 該接收的值濾掉，俾對各角度信號走勢（3 10)(320)測定 一重疊的干擾信號走勢（330)(340); ---趨近裝置（250)(400)以對該二測定之干擾信號走勢 19 201135235 (330)(340)測定一趨近函數； 減法裝置（260)以將該接收的值減去該趨近函數的相 關的值； 組合裝置（270) ’以根據該由減法裝置（26〇)得到的差 值測定該可旋轉體的旋轉方向及/或旋轉速度。 8_如申請專利範圍第7項之裝置，其中·· 有一記憶體（280)以將預定數目（n)的接收值週期循環地 儲存。 9·如申請專利範圍第7或第8項之裝置，其中： 有個加速度感測器（S 1) (S 2)設在該可旋轉體（1 2 〇)上 在可旋轉體（120)的一旋轉軸外且與該旋轉軸夾成一 個大於0度的角度。 10.如申請專利範圍第7項之裝置，其中： 6亥可紋轉體（120)包含一輪胎，且該處理裝置（230)設計 成根據該可旋轉的旋轉方向及/或旋轉速度測定輪胎建入 在一汽車（105)上的建位位置。 八、圖式： (如次頁） 20