TW201350374A - 激發式轉向感測裝置及其感測方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種激發式轉向感測裝置及其感測方法，其係與一方向盤之一轉向柱上的至少一主動輪互動，轉向感測裝置更包含一處理器，其係產生一激發訊號，並預設一訊號角度對照表。主動輪分別與二被動輪接觸，並隨方向盤與轉向柱轉動時，帶動二被動輪以相異速度轉動。處理器連接二解角器，每一解角器分別與每一被動輪結合，二解角器接收激發訊號，並依據每一被動輪之轉動速度，輸出二第一弦波訊號至處理器中進行分析，以得到相異週期之二第二弦波訊號，並藉此與訊號角度對照表取得方向盤轉動之絕對角度值，達到多圈絕對角度感測功能。

Description

激發式轉向感測裝置及其感測方法

本發明係有關一種感測技術，特別是關於一種激發式轉向感測裝置及其感測方法。

由於汽車屬於必須受到車輛駕駛控制的機電裝置，尤其車輛的油門與轉向更是必須受到車輛駕駛的控制。一般來說，油門、轉向的控制分別是透過節汽閥、方向盤與車輛駕駛互動，亦即透過油門控制器、轉向控制器或其他藉著量測轉向軸旋轉而進行控制的控制器，車輛駕駛才可以直覺地控制車輛。傳統上，當油門踏板被踏下、方向盤被轉動時均會帶動相關轉軸的轉動，若利用角度感測器量測此相關轉軸的旋轉角度後，就可得知油門踏板被踏下的幅度、方向盤被轉動的幅度，進而透過控制特定微電腦實際控制或輔助駕駛操控車輛的運動姿態。所以角度感測器在車輛中所扮演的角色是相當重要的。

一般習知角度感測器包含接觸式感測器、磁鐵感應式感測器與解角器(resolver)，但其中接觸式感測器在運作中常會磨損，磨損久了導致精準度不夠必須淘汰，此外，還需配合角度解析程式進行運作，運作複雜度也高；磁鐵感應式感測器則其組成需要磁鐵，有材料來源以及可靠度的限制。至於現有的解角器，多用於馬達轉子電氣角度偵測或單圈絕對角度感測，並無多圈絕對角度感測之應用。如在公開號201124699之台灣專利中，其係使用兩個磁極數互為質數的解角器來實現角度解析，透過電氣角度之差異變化與機械角度之對應關係來進行角度換算，進而得到真實的機械角度。 但此專利僅能針對單圈進行機械角度感測，無法進行多圈絕對角度感測。再者，現有的角度感測器鮮有結合偵測力矩之功能，無法配合電動輔助轉向系統之發展趨勢。

因此，本發明係在針對上述之困擾，提出一種激發式轉向感測裝置及其感測方法，以解決習知所產生之問題。

本發明之主要目的，在於提供一種激發式轉向感測裝置及其感測方法，其利用主動輪帶動兩被動輪以相異速度進行轉動，使兩解角器產生兩不同週期之弦波訊號，以藉此取得方向盤轉動之多圈絕對角度、力矩方向及力矩值，並同時具備高穩定性、高精確性與高耐候性。

為達上述目的，本發明提供一種激發式轉向感測裝置，其係包含二主動輪，主動輪設於一方向盤之一轉向柱上，激發式轉向感測裝置更包含一處理器，其係產生一激發訊號，並預設一訊號角度對照表與一訊號差異力矩對照表。二主動輪分別與二被動輪接觸，主動輪隨方向盤與轉向柱轉動時，帶動二被動輪以相異速度轉動。處理器連接二解角器，每一解角器分別與每一被動輪結合，二解角器接收激發訊號，並依據每一被動輪之轉動速度，輸出二第一弦波訊號至處理器中，處理器分析第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號，並藉此與訊號角度對照表、訊號差異力矩對照表取得方向盤轉動之第一絕對角度值、力矩方向與力矩值。

本發明亦提供一種激發式轉向感測方法，其係利用二被動輪與二主動輪接觸，主動輪設於一方向盤之一轉向柱上。首先，主動輪隨方向盤與轉向柱轉動，以帶動二被動輪以相異速度轉動。接著，接收一激發訊號，並 依據每一被動輪之轉動速度，輸出二第一弦波訊號。再來，接收並分析二第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號，且藉此與一訊號角度對照表、一訊號差異力矩對照表取得方向盤轉動之第一絕對角度值、力矩方向與力矩值，並將其輸出。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

因應車輛安全輔助系統的發展越來越先進，而所需搭載的車輛感測系統也越來越多，在未來主動式安全系統中，轉向介入的安全系統也會越來越多，因此方向盤的角度訊號則變為一重要的參數，故發展一個高可靠度、高穩定性以及高耐候性的絕對角度感測器則是必須的。

以下先介紹第一實施例，請參閱第1圖、第2圖、第3(a)圖與第3(b)圖。本發明之激發式轉向感測裝置係包含至少一主動輪10，主動輪10設於一方向盤之一轉向柱12上，在此主動輪10之數量以一為例。激發式轉向感測裝置更包含一處理器14，其係產生一激發訊號，並預設一訊號角度對照表。主動輪10分別與二被動輪16接觸，主動輪10隨方向盤與轉向柱12轉動時，係帶動二被動輪16以相異速度轉動。處理器14連接二解角器18，其係可為相同規格，即相同磁極數。每一解角器18分別與每一被動輪16結合，使主動輪10、處理器14、二被動輪16與二解角器18為一模組化結構。二解角器18接收激發訊號，並依據每一被動輪16之轉動速度，輸出二第一弦波訊號至處理器14中，第一弦波訊號之波形如第3(a)圖所示。處理器14分析二第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號，如第3(b) 圖所示，並藉此與訊號角度對照表取得方向盤轉動之第一絕對角度值。

二解角器18更包含至少一定子20與二轉子22。定子20數量以一為例。定子20連接處理器14，二轉子22位於定子20之一次側與二次側之間，且每一轉子22分別與每一被動輪16結合，以隨其轉動，定子20接收激發訊號，並與依據每一被動輪16之轉動速度轉動之二轉子22產生電磁感應，以輸出二第一弦波訊號。

處理器14更包含一微控制器24，其預設訊號角度對照表，並產生一脈衝寬度調變訊號。微控制器24與二解角器18之定子20連接一濾波放大器26，其係接收脈衝寬度調變訊號，並將其進行濾波及放大，以輸出激發訊號。微控制器24與二解角器18之共用定子20不但連接一第一放大器28，更同時連接一第二放大器30，第一放大器28與第二放大器30分別接收一第一弦波訊號，並作訊號增益轉換，且輸出至微控制器24中，以供其過濾二第一弦波訊號之載波，得到二第二弦波訊號，且微控制器24藉此與訊號角度對照表取得第一絕對角度值。處理器14之微控制器24更連接一輸出單元32，以輸出第一絕對角度值，此輸出單元32係可以為控制區域網路(CAN)，亦或類比輸出模組、通用非同步收發傳輸器(UART)、串列匯流排介面(SPI或I²C)等傳輸方式進行資料傳輸轉換。

以下請繼續參閱第1圖、第2圖與第4圖，並介紹第一實施例之感測方法。首先如步驟S10所示，主動輪10隨方向盤與轉向柱12轉動，以帶動二被動輪16以相異速度轉動。接著，如步驟S12所示，二解角器18之定子20接收激發訊號，並與依據每一被動輪16之轉動速度轉動之二轉子22產生電磁感應，以輸出二第一弦波訊號。再來，如步驟S14所示，第一 放大器28與第二放大器30分別接收一第一弦波訊號，並將其作訊號增益轉換，輸出至微控制器24中。然後，如步驟S16所示，微控制器24過濾二第一弦波訊號之載波，得到二第二弦波訊號。取得後，如步驟S18所示，微控制器24藉二第二弦波訊號與訊號角度對照表取得第一絕對角度值。最後，如步驟S20所示，利用輸出單元32輸出第一絕對角度值，以應用於車輛轉向系統。本發明僅利用兩解角器，並結合兩被動輪形成之減速機構，來實現絕對角度感測功能，其感測範圍可透過減速機構之齒比設計來進行調整。本發明不需要複雜的結構或複雜的程式設計，亦不受限於材質來源，又不會磨損，因此具有高穩定性、高精確性與高耐候性。

在上述步驟S14與步驟S16，亦可利用處理器14直接接收並分析二第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號之步驟來取代。

在第一實施例中，主動輪10與二被動輪16皆為齒輪、摩擦輪或平面輪。主動輪10與二被動輪16皆為齒輪時，主動輪10與二被動輪16接觸之齒面，具有不同齒輪數，使二被動輪16以相異速度轉動，如第5圖所示，主動輪10之較大輪徑對應之齒面，具有較多齒輪數；主動輪10之較小輪徑對應之齒面，具有較少齒輪數。主動輪10與二被動輪16皆為摩擦輪時，透過每一被動輪16與主動輪10接觸之輪徑差異，使二被動輪16以相異速度轉動。主動輪10與二被動輪16皆為平面輪時，如第6圖所示，每一被動輪16係位於主動輪10之不同輪徑處，使二被動輪16以相異速度轉動。

此外，如第7圖所示，為了提高主動輪10之安裝便利性，可將主動輪10設計成可拆式結構，主動輪10具有二半輪體34，其係設於轉向柱上，並互相結合，使轉向柱位於二半輪體34之間。

針對未來市場競爭性的考量，電動輔助轉向系統(EPS)乃是未來的趨勢，故第二實施例整合力矩與絕對角度感測之功能，可提升其競爭能力。以下介紹本發明之第二實施例，請參閱第2圖、第8圖至第10圖。

第二實施例與第一實施例在結構上的差異僅在於第二實施例有二個主動輪10，且每一主動輪10分別與每一被動輪16接觸。處理器14產生一激發訊號，並預設一訊號角度對照表與一訊號差異力矩對照表。主動輪10隨方向盤與轉向柱12轉動時，係帶動二被動輪16以相異速度轉動。處理器14連接二解角器18，其係可為相同規格，即相同磁極數。每一解角器18分別與每一被動輪16結合，使主動輪10、處理器14、二被動輪16與二解角器18為一模組化結構。二解角器18接收激發訊號，並依據每一被動輪16之轉動速度，輸出二第一弦波訊號至處理器14中。處理器14先利用訊號角度對照表取得一第二絕對角度值對應之的二零力矩弦波訊號，並找出此與二第二弦波訊號之差異，以藉此與訊號差異力矩對照表取得方向盤轉動之力矩方向與力矩值。如第9圖所示，其中+、-符號代表力矩施加的方向，原有的二第二弦波訊號在施加力矩後，其中一第二弦波訊號會與一零力矩弦波訊號B產生相位上的變化，其產生相位變化之第二弦波訊號如弦波訊號C或弦波訊號D，其相位變化方向及大小與力矩施加的方向及大小相關，而另一第二弦波訊號不因施加力矩而產生相位變化，與零力矩弦波訊號A之位置相同。於第9圖中可知，施加力矩後，第二弦波訊號C、D與零力矩弦波訊號B有在電壓及相位上的差異。

然後，如第10圖所示，處理器14根據力矩方向與力矩值移除二第二弦波訊號中的力矩資訊，以形成二第三弦波訊號A、E。接著，處理器14 藉二第三弦波訊號與訊號角度對照表取得方向盤轉動之第一絕對角度值，並將此儲存之，其中第二絕對角度值為預設值或最新已儲存之第一絕對角度值。

二解角器18之構件及其作動與第一實施例相同，於此不再贅述。

處理器14更包含一微控制器24，其預設訊號角度對照表與訊號差異力矩對照表，並產生一脈衝寬度調變訊號。微控制器24與二解角器18之定子20連接一濾波放大器26，其係接收脈衝寬度調變訊號，並將其進行濾波及放大，以輸出激發訊號。微控制器24與二解角器18之定子20不但連接一第一放大器28，更同時連接一第二放大器30，第一放大器28與第二放大器30分別接收一第一弦波訊號，並將其作訊號增益轉換，輸出至微控制器24中，以供其過濾二第一弦波訊號之載波，得到二第二弦波訊號，且微控制器24先利用訊號角度對照表取得第二絕對角度值對應之的二零力矩弦波訊號，並找出此與二第二弦波訊號之差異，以藉此與訊號差異力矩對照表取得方向盤轉動之力矩方向與力矩值。然後，微控制器24根據力矩方向與力矩值移除二第二弦波訊號中的力矩資訊，以還原成無力矩資訊之二第三弦波訊號。接著，微控制器24藉二第三弦波訊號與訊號角度對照表取得方向盤轉動之第一絕對角度值，並將此儲存之。其中第二絕對角度值為預設值或最新已儲存之第一絕對角度值。處理器14之微控制器24更連接一輸出單元32，其係用以輸出第一絕對角度值、力矩方向與力矩值，此輸出單元32係可以為控制區域網路(CAN)，亦或類比輸出模組、通用非同步收發傳輸器(UART)、串列匯流排介面(SPI或I²C)等傳輸方式進行資料傳輸轉換。

以下請繼續參閱第2圖、第8圖與第11圖，並介紹第二實施例之感測方法。首先如步驟S22所示，主動輪10隨方向盤與轉向柱12轉動，以帶動二被動輪16以相異速度轉動。接著，如步驟S24所示，二解角器18之定子20接收激發訊號，並與依據每一被動輪16之轉動速度轉動之二轉子22產生電磁感應，以輸出二第一弦波訊號。再來，如步驟S26所示，第一放大器28與一第二放大器30分別接收一第一弦波訊號，並將其作訊號增益轉換，輸出至微控制器24中。然後，如步驟S28所示，微控制器24過濾二第一弦波訊號之載波，得到二第二弦波訊號。取得後，如步驟S30所示，微控制器24利用訊號角度對照表取得作為第二絕對角度值之預設值對應之的二零力矩弦波訊號。接著繼續，如步驟S32所示，微控制器24找出二零力矩弦波訊號與二第二弦波訊號之差異，以藉此與訊號差異力矩對照表取得力矩方向與力矩值。然後，如步驟S34所示，微控制器24根據力矩方向與力矩值移除二第二弦波訊號中的力矩資訊，以還原成無力矩之二第三弦波訊號。形成後，如步驟S36所示，微控制器24藉二第三弦波訊號與訊號角度對照表取得第一絕對角度值，並將此儲存之。最後，如步驟S38所示，利用輸出單元32輸出第一絕對角度值、力矩方向與力矩值。步驟S38結束後，係回至步驟S24，且之後若欲進行步驟S30時，則第二絕對角度值不再是預設值，而為最新已儲存之第一絕對角度值。

在上述步驟S26與步驟S28，亦可利用處理器14直接接收並分析二第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號之步驟來取代。此外，步驟S30至步驟S36，亦可利用處理器14直接藉二第二弦波訊號、訊號角度對照表與訊號差異力矩對照表取得方向盤轉動之第一絕對角度值、力矩方 向與力矩值來取代。

在第二實施例中，主動輪10與二被動輪16皆為齒輪、摩擦輪或平面輪。主動輪10與二被動輪16皆為齒輪時，主動輪10與二被動輪16接觸之齒面，具有不同齒輪數，使二被動輪16以相異速度轉動，如第12圖與第13圖所示，主動輪10之較大輪徑對應之齒面，具有較多齒輪數；主動輪10之較小輪徑對應之齒面，具有較少齒輪數。其中第12圖之主動輪10之齒面為傾斜面，第13圖之主動輪10之齒面為直立面。主動輪10與二被動輪16皆為摩擦輪時，透過每一被動輪16與主動輪10接觸之輪徑差異，使二被動輪16以相異速度轉動。主動輪10與二被動輪16皆為平面輪時，如第14圖所示，每一被動輪16係分別位於每一主動輪10之不同輪徑處，使二被動輪16以相異速度轉動。

綜上所述，本發明利用主動輪帶動兩被動輪以相異速度進行轉動，以輕易達到力矩與多圈絕對角度感測，並可同時應用於EPS系統上。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧主動輪

12‧‧‧轉向柱

14‧‧‧處理器

16‧‧‧被動輪

18‧‧‧解角器

20‧‧‧定子

22‧‧‧轉子

24‧‧‧微控制器

26‧‧‧濾波放大器

28‧‧‧第一放大器

30‧‧‧第二放大器

32‧‧‧輸出單元

34‧‧‧半輪體

第1圖為本發明之第一實施例之結構示意圖。

第2圖為本發明之電路方塊示意圖。

第3(a)圖為本發明之第一弦波訊號波形圖。

第3(b)圖為本發明之第二弦波訊號波形圖。

第4圖為本發明之第一實施例之感測方法流程圖。

第5圖為本發明之具有不同輪徑之一主動輪與被動輪接觸之結構示意圖。

第6圖為本發明之作為主動輪之平面輪與被動輪接觸之結構示意圖。

第7圖為本發明之主動輪結構分解圖。

第8圖為本發明之第二實施例之結構示意圖。

第9圖為本發明之零力矩弦波訊號與第二弦波訊號波形圖。

第10圖為本發明之零力矩弦波訊號、第一弦波訊號與第二弦波訊號波形圖。

第11圖為本發明之第二實施例之感測方法流程圖。

第12圖為本發明之具有傾斜面之二主動輪與被動輪接觸之結構示意圖。

第13圖為本發明之具有直立面之二主動輪與被動輪接觸之結構示意圖。

第14圖為本發明之作為主動輪之二平面輪與被動輪接觸之結構示意圖。

10‧‧‧主動輪

12‧‧‧轉向柱

14‧‧‧處理器

16‧‧‧被動輪

20‧‧‧定子

22‧‧‧轉子

Claims (15)

1. 一種激發式轉向感測裝置，包含：至少一主動輪，該主動輪設於一方向盤之一轉向柱上；一處理器，其係產生一激發訊號，並預設一訊號角度對照表；二被動輪，分別與該主動輪接觸，該主動輪隨該方向盤與該轉向柱轉動時，係帶動該二被動輪以相異速度轉動；以及二解角器，連接該處理器，每一該解角器分別與每一該被動輪結合，該二解角器接收該激發訊號，並依據每一該被動輪之轉動速度，輸出二第一弦波訊號至該處理器中，該處理器分析該二第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號，並藉此與該訊號角度對照表取得該方向盤轉動之第一絕對角度值。
2. 如請求項1所述之激發式轉向感測裝置，其中該二解角器更包含：至少一定子，連接該處理器；以及二轉子，位於該定子之一次側與二次側之間，且每一該轉子分別與每一該被動輪結合，以隨其轉動，該定子接收該激發訊號，並與依據每一該被動輪之該轉動速度轉動之該二轉子產生電磁感應，以輸出該二第一弦波訊號。
3. 如請求項1所述之激發式轉向感測裝置，其中該處理器更包含：一微控制器，預設該訊號角度對照表，並產生一脈衝寬度調變訊號；一濾波放大器，連接該微控制器與該二解角器，接收該脈衝寬度調變訊號，並將其進行濾波及放大，以輸出該激發訊號；以及一第一放大器與一第二放大器，該第一放大器與該第二放大器皆連接該 二解角器與該微控制器，分別接收一該第一弦波訊號，並將其作訊號增益轉換，輸出至該微控制器中，以供其過濾該二第一弦波訊號之載波，得到該二第二弦波訊號，且該微控制器藉此與該訊號角度對照表取得該第一絕對角度值。
4. 如請求項1所述之激發式轉向感測裝置，其中該處理器、該主動輪、該二被動輪與該二解角器為一模組化結構，該至少一主動輪具有二半輪體，其係設於該轉向柱上，並互相結合，該轉向柱位於該二半輪體之間。
5. 如請求項1所述之激發式轉向感測裝置，更包含一輸出單元，其係連接該處理器，以輸出該第一絕對角度值，而該輸出單元為控制區域網路(CAN)、類比輸出模組、通用非同步收發傳輸器(UART)或串列匯流排介面(SPI或I²C)。
6. 如請求項1所述之激發式轉向感測裝置，其中該至少一主動輪之數量為二，且每一該主動輪分別與每一該被動輪接觸時，該處理器更預設一訊號差異力矩對照表，該處理器藉該二第二弦波訊號、該訊號角度對照表與該訊號差異力矩對照表取得該方向盤轉動之該第一絕對角度值、力矩方向與力矩值。
7. 如請求項6所述之激發式轉向感測裝置，其中該處理器更利用該訊號角度對照表取得一第二絕對角度值對應之的二零力矩弦波訊號，並找出此與該二第二弦波訊號之差異，以藉此與該訊號差異力矩對照表取得該力矩方向與該力矩值。
8. 如請求項6所述之激發式轉向感測裝置，其中該處理器根據該力矩方向與該力矩值移除該二第二弦波訊號中的力矩資訊，以還原成無力矩資訊 之二第三弦波訊號，該處理器藉該二第三弦波訊號與該訊號角度對照表取得該第一絕對角度值，並將此儲存之，且該第二絕對角度值為預設值或最新已儲存之該第一絕對角度值。
9. 如請求項1或項6所述之激發式轉向感測裝置，其中該主動輪與該二被動輪皆為平面輪、摩擦輪或齒輪，該主動輪與該二被動輪皆為該平面輪時，每一該被動輪係位於該主動輪之不同輪徑處，使該二被動輪以相異速度轉動；該主動輪與該二被動輪皆為該摩擦輪時，透過每一該被動輪與該主動輪接觸之輪徑差異，使該二被動輪以相異速度轉動；以及該主動輪與該二被動輪皆為該齒輪時，該主動輪與該二被動輪接觸之齒面，具有不同齒輪數，使該二被動輪以相異速度轉動。
10. 一種激發式轉向感測方法，其係利用二被動輪與至少一主動輪接觸，該主動輪設於一方向盤之一轉向柱上，該激發式轉向感測方法包含下列步驟：該主動輪隨該方向盤與該轉向柱轉動，以帶動該二被動輪以相異速度轉動；接收一激發訊號，並依據每一該被動輪之轉動速度，輸出二第一弦波訊號；接收並分析該二第一弦波訊號，以得到相異週期之二第二弦波訊號；藉該二第二弦波訊號與一訊號角度對照表取得該方向盤轉動之第一絕對角度值；以及輸出該第一絕對角度值。
11. 如請求項10所述之激發式轉向感測方法，其中在接收並分析該二第一弦 波訊號，以得到該二第二弦波訊號之步驟，更包含下列步驟：接收該二第一弦波訊號，並將其作訊號增益轉換；以及過濾該二第一弦波訊號之載波，以得到該二第二弦波訊號。
12. 如請求項10所述之激發式轉向感測方法，其中該主動輪之數量為二，且每一該主動輪分別與每一該被動輪接觸時，在藉該二第二弦波訊號與該訊號角度對照表取得該第一絕對角度值之步驟中，更藉該二第二弦波訊號、該訊號角度對照表與一訊號差異力矩對照表取得該方向盤轉動之該第一絕對角度值、力矩方向與力矩值。
13. 如請求項12所述之激發式轉向感測方法，其中在輸出該第一絕對角度值之步驟中，係輸出該第一絕對角度值、該力矩方向與該力矩值。
14. 如請求項13所述之激發式轉向感測方法，其中在藉該二第二弦波訊號、該訊號角度對照表與該訊號差異力矩對照表取得該第一絕對角度值、該力矩方向與該力矩值之步驟中，更包含下列步驟：利用該訊號角度對照表取得一第二絕對角度值對應之的二零力矩弦波訊號；找出該二零力矩弦波訊號與該二第二弦波訊號之差異，以藉此與該訊號差異力矩對照表取得該力矩方向與該力矩值；根據該力矩方向與該力矩值移除該二第二弦波訊號中的力矩資訊，以形成二第三弦波訊號；以及藉該二第三弦波訊號與該訊號角度對照表取得該第一絕對角度值，並將此儲存之。
15. 如請求項14所述之激發式轉向感測方法，其中該第二絕對角度值為最新 已儲存之該第一絕對角度值，或為預設值。