ES2224174T3 - Sensor de angulo de direccion con medicion del valor absoluto. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN SENSOR DE ANGULO DE DIRECCION PARA VEHICULOS AUTOMOVILES. EL OBJETIVO DE LA INVENCION ES PODER MEDIR EL VALOR ABSOLUTO DE LA POSICION ANGULAR DEL VOLANTE DENTRO DE UN ANGULO DE ROTACION RELATIVAMENTE PEQUEÑO. A TAL EFECTO, LA INVENCION PROPONE QUE EL SENSOR TENGA DOS PISTAS CIRCULARES PREFERIBLEMENTE CONCENTRICAS (1, 2), DONDE UNA (1) DE LAS CUALES DETERMINE EL MOVIMIENTO ROTATIVO RELATIVO DEL VOLANTE MIENTRAS LA OTRA (2) INDICA EL VALOR ABSOLUTO DE LA POSICION ANGULAR. LA INVENCION TIENE VENTAJAS ADICIONALES REFERENTES A DOS POSIBILIDADES DIFERENTES DE CODIFICACION.

Description

Sensor de ángulo de dirección con medición del valor absoluto.

La invención concierne a un sensor de ángulo de dirección con las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Cada vez más los vehículos motorizados van equipados con elementos auxiliares que deben corregir o impedir durante la marcha un comportamiento erróneo de la persona que conduce. Así por ejemplo están previstas medidas que impiden un bloqueo de las ruedas frenadas. Otras medidas adicionales consisten en poner en acción medios auxiliares cuando un vehículo amenaza con salirse de la pista o carril debido a la marcha por una curva muy cerrada. Para poder prever los momentos correctores que mantengan al vehículo dentro de la pista o carril durante esa denominada regulación del momento de derrape, por regla general es necesario conocer el arco que el conductor quisiera recorrer con el vehículo. Esto sucede con el auxilio de un sensor de ángulo de dirección. Además hay que tener en cuenta que al conectar el sistema, esto es, al hacer la conexión de la corriente de alimentación con ayuda de la llave de contacto, todavía no se conoce la posición angular de las ruedas. Por consiguiente al conectar el sistema no basta sumar o restar los correspondientes cambios incrementales de ángulo para conocer la posición angular real de las ruedas. Antes bien, hay que medir constantemente el valor absoluto para poder suministrar a la regulación una información inequívoca acerca de la posición angular real de las ruedas.

Es conocido que los llamados sensores angulares de dirección incrementales que por regla general están construidos con dos sensores, no pueden suministrar ellos solos un ángulo de dirección absoluto. Tan solo mediante un tercer sensor adicional (sensor del punto cero) se puede indicar un ángulo de dirección absoluto después de una rotación de al menos 360 grados del marcador circular de exploración (disco de exploración). Por lo tanto esto se traduce en que sobre esa pista absoluta está prevista una marca que establece el punto de origen y a partir del cual ya se puede calcular el valor absoluto medido.

La señal de referencia así obtenida solamente se confirma después de una nueva rotación de 360 grados. También, para el caso de que el ángulo de giro del volante sea mucho mayor que el ángulo de giro de la rueda asignada, el procedimiento de medida descrito para la medición del valor absoluto de la posición de las ruedas no es suficiente para algunos usos en el vehículo.

Por el documento de NTIS TECH NOTES, febrero 1990, SPRINGFIELD, VA USA, página 161, "Rapidly-Indexing Incremental-Angle Encoder" (XP00010387.2) se conoce un dispositivo que presenta un sensor de ángulo de giro. Para ello están previstas dos pistas de codificación concéntricas, en donde una de las pistas de codificación se muestra con franjas claras y oscuras distribuidas de forma regular (pista incremental), mientras que la otra pista de codificación posee franjas claras y oscuras cuya anchura crece constantemente a partir de una posición cero del dispositivo (pista absoluta). Si se utiliza un dispositivo de este tipo como sensor de ángulo de dirección, entonces los ángulos de dirección con velocidades elevadas durante las cuales el desvío de la dirección es relativamente pequeño, solamente se pueden determinar de un modo no suficientemente bueno puesto que el desvío de la dirección en determinadas circunstancias no es lo suficientemente grande para barrer un intervalo absoluto.

La invención tiene por tanto como tarea principal preparar un sensor con el cual, de una forma y manera sencilla, también se puedan detectar desviaciones muy pequeñas con altas velocidades.

Esta tarea queda resuelta con un sensor de ángulo de dirección que presenta las características de la reivindicación 1.

Con el sensor de ángulo de dirección acorde con la invención se determina por tanto, como en el estado de la técnica, el valor absoluto del ángulo de dirección con la ayuda de tan solo dos pistas de información. A este respecto, la primera pista sirve para poder medir los valores absolutos reconocibles sobre la segunda pista. Para la regulación del momento de derrape, lo cual es importante sobre todo con altas velocidades, en donde en este rango de velocidad el ángulo de dirección consignado por el conductor es más bien pequeño, se puede indicar con rapidez el ángulo absoluto del volante. Puesto que los dientes individuales sobre la segunda pista (pista absoluta) tienen que tener las diferentes anchuras de diente correspondientes con el ya medido valor absoluto del ángulo, se colocan los dientes con pequeña anchura en la zona de la pista absoluta que está situada en las proximidades del valor cero absoluto de esta pista.

Para conseguir una mayor resolución en la medición de los valores incrementales medidos sobre la primera pista es recomendable la combinación de características de la reivindicación 2 como desarrollo ventajoso de la invención. Después se mide la primera pista (pista incremental) mediante dos sensores que exploran sobre la primera pista los flancos uniformemente espaciados de los dientes que preferiblemente tienen forma de rectángulo. Para ello, los dientes y los vanos que les corresponden tienen la misma anchura. Si se muestra la separación de dos flancos crecientes con 360 grados y con ello la separación de dos flancos sucesivos con 180 grados, entonces, de acuerdo con la reivindicación 2, los dos sensores se disponen uno tras otro con una separación de 90 grados. De este modo es posible generar, mediante los dos sensores alineados sobre la primera pista, dos señales desplazadas 90 grados de las cuales una señal presenta un salto de fase de 180 grados en dirección inversa a la rotación, mediante lo cual también se puede detectar inequívocamente la dirección de giro.

Según un desarrollo ventajoso de la invención, para la determinación del valor absoluto es suficiente con un único detector que explore la segunda pista, mediante el cual se detecta el valor absoluto. Ciertamente por motivos de una mayor seguridad y de una mayor exactitud puede ser recomendable de acuerdo con la reivindicación 4 prever aún un cuarto detector que explore la segunda pista.

Para la especificación concreta del valor absoluto del ángulo de dirección es recomendable un dispositivo de evaluación de acuerdo con las características de la reivindicación 5. En principio con ayuda de los dientes presentes en la primera pista, se mide la separación entre flancos sobre la segunda pista. De forma recíproca es importante para la invención que la separación de los flancos que aparecen uno detrás de otro sobre la segunda pista tenga una referencia inequívoca del ángulo de dirección que se está midiendo con respecto al valor absoluto. Con ello y dicho de otra forma, la anchura de un diente sobre la segunda pista es una medida del ángulo de dirección que adoptan las ruedas en el momento de la medición de ese diente.

Para poder exponer de forma sencilla el valor angular concreto basado en la anchura de diente medida es recomendable como desarrollo de la invención la combinación de características según la reivindicación 6. Para ello la anchura de diente sirve como valor de entrada en una tabla cuyo respectivo valor de salida expresa el valor angular.

En vez de medir exclusivamente la anchura de un diente sobre la pista absoluta en donde la duración de la medición tiene diferente extensión según la anchura de diente, la combinación de características según la reivindicación 8 presenta un sensor mejorado ventajosamente en el que la longitud de arco medida de la segunda pista para la determinación del valor absoluto siempre es igual de larga. Dicho de otra forma, mediante la pista incremental se predefine la anchura de una muestra de bit sobre la pista absoluta, en donde mediante los dientes individuales sobre la pista 1 incremental se establece la posición de los bits individuales sobre la pista 2 codificada. Por consiguiente, la pista incremental determina en qué puntos de la pista codificada se ha de captar el valor de la amplitud allí medido como valor en forma de bit de un código.

Para conseguir también aquí una conversión sencilla del valor codificado medido, en un valor angular concreto, es recomendable como una mejora la combinación de características de la reivindicación 9.

Para obtener una secuencia particularmente densa de valores absolutos con un procedimiento de este tipo se recomienda, como una mejora de la invención, la combinación de características de la reivindicación 10. Esta medida consiste en principio en que con independencia del punto de inicio ninguna secuencia de bits (por ejemplo cada 8 bits) sobre la segunda pista se asemeja a las otras. Este procedimiento es en sí conocido (codificación PWM), pero sin embargo, en unión con el presente sensor se ha demostrado como especialmente adecuado y efectivo.

La combinación de características según la reivindicación 11 se ha demostrado como especialmente ventajosa para la codificación de los bits de acuerdo con la reivindicación 8 y siguientes reivindicaciones. Mediante el empleo de dos sensores frente a la primera pista se puede dividir la anchura de dos dientes incluyendo los vanos correspondientes en ocho tramos de tiempo a los cuales se asignan 8 bits de un código de 8 bits sobre la segunda pista. Por consiguiente se produce un diseño mecánico muy sencillo de las pistas de los sensores.

Mediante la combinación de características según la reivindicación 12 se produce una construcción mecánica especialmente sencilla. En este caso las pistas son dos salientes circulares provistos con dientes dispuestos concéntricos entre sí. Un diseño de este tipo exige solamente un pequeño espacio y es relativamente fácil de fabricar con técnicas de fundición, por ejemplo en plástico. De esta forma permite el alojamiento adicional del muelle espiral en la carcasa del sensor, que por lo tanto está ampliamente apantallado frente a las influencias del entorno. Como detectores han dado buen resultado los detectores ópticos en los cuales un diodo luminoso enfrente de un detector es tapado por los dientes de la pista que está rotando o queda al descubierto por los vanos entre dientes. Los cambios de luminosidad que se producen de este modo son medidos por un receptor óptico. Pero también es posible usar detectores magnéticos (sondas de Hall) o también otros sensores.

Las pequeñas dimensiones del sensor acorde con la invención permiten en otra mejora ventajosa de la invención que éste se pueda instalar en la carcasa de un conmutador colocado en la columna de dirección del vehículo, en donde por ejemplo puede rodear la columna de dirección del vehículo y a su vez ser rodeado por el conmutador colocado en la columna de dirección del vehículo.

A continuación se exponen dos ejemplos de ejecución de la invención con ayuda de los dibujos.

A este respecto se muestran:

Figura 1 en forma esquemática la vista en planta de dos pistas dispuestas concéntricas entre sí del sensor;

Figura 2 las señales eléctricas suministradas por los detectores alineados sobre las pistas;

Figura 3 el desarrollo de las dos pistas sobre un plano con relación a un primer ejemplo de ejecución;

Figura 4 la evaluación de los impulsos generados por la exploración de las pistas en un primer ejemplo de ejecución; y

Figura 5 la evaluación de los impulsos obtenidos por la exploración de las pistas en un segundo ejemplo de ejecución.

La figura 1 muestra la vista en planta en forma esquemática sobre las dos pistas concéntricas entre sí, en la que la primera pista (pista incremental) está en el interior y está rodeada con una separación por la segunda pista.

Con ayuda de la pareja de detectores 4 y 5 se explora la primera pista 1 mientras que con ayuda de un tercer detector se explora la segunda pista 2 (pista de valor absoluto). La primera pista tiene el radio R1, mientras que la segunda pista posee el radio R2, de manera que las dos pistas discurren a la misma distancia entre sí. En sí es posible explorar la pista 1 incremental con tan solo un único detector. De la figura 2 se desprende que los dientes 7 rectangulares a los que siguen sendos vanos 8 uniformes, se exploran con ventaja con ayuda de dos detectores. Si se hace corresponder con la secuencia periódica de vano y diente respectivamente un ángulo de 360 grados, entonces a cada diente le corresponde un ángulo de 180 grados y a cada vano un ángulo de 180 grados puesto que diente y vano tienen la misma anchura. Si ahora se hace corresponder a la separación de flancos de un diente o de un vano un ángulo de 4 veces "a" entonces el ángulo "a" mide 45 grados. Los dos detectores 4 y 5 se disponen ahora a una separación de 90 grados o sea 2 veces "a" frente a la pista 1. De este modo es posible generar en los detectores 4, 5 dos señales decaladas 90 grados entre sí, tal como está representado en la figura 2 mediante los dos trazados superiores de la señal. Una de las señales presenta durante la inversión de la dirección de giro un desplazamiento de fase de 180 grados, mediante lo cual se puede detectar de forma inequívoca la dirección de giro. Por motivos de la técnica de medición los flancos de la pista codificada a la salida del detector 6 están desplazados un ángulo "a" frente a los flancos de las dos pistas incrementales (detector 4 y 5).

De la figura 3 se desprende que los dientes 9 de la pista codificada (detector 6) se diferencian entre sí en su longitud. Como resultado de ello cada anchura de diente aparece tan solo una única vez sobre la totalidad del trazado de la pista 2, con lo cual, tomando como base la anchura de diente se puede elaborar una información acerca del valor absoluto de la posición de la pista frente de los detectores fijos. La posición de la pista codificada, como ya se ha explicado más arriba, es un dato para la posición angular de las ruedas o sea del ángulo de dirección. Puesto que principalmente y en particular a altas velocidades se necesitan ángulos de dirección que están en el entorno de 0 grados, allí las anchuras de diente de la pista 2 son las más pequeñas, con lo que en este caso se puede elaborar con relativa rapidez una información acerca del valor absoluto del ángulo de dirección.

La figura 4 expone como se pueden medir las anchuras de los dientes individuales sobre la pista 2 codificada. Como se desprende de la figura 4, por ejemplo al comienzo de un diente 20 se comprueba que se ha alcanzado el final de un diente 30 y aparece un cambio de flanco. A continuación durante el paso de los dientes 21, 22, 23 y 24 no se verifica ningún cambio de flanco. Tan solo durante la aparición del diente 25 sobre la pista 1 incremental se comprueba un cambio de flanco de la pista 2 codificada. Por consiguiente se puede elaborar la información de que el diente o el correspondiente vano en la pista codificada tiene que ser mayor que la duración de cuatro dientes en la pista incremental. Pero en teoría, el diente codificado medido también puede ser casi tan ancho como seis dientes incrementales.

Una vez que se ha determinado la longitud del diente en cuestión en la pista codificada bajo la consideración de las tolerancias, el resultado se introduce en una tabla no representada en el dibujo, de la cual se puede entonces obtener el valor absoluto del ángulo de dirección. En la figura 3 están presentadas las diversas anchuras de los dientes o de los vanos en la pista 2 codificada. En el ejemplo de ejecución según la figura 3, la pista 2 codificada posee nueve dientes, mientras que la pista incremental presenta 180 dientes. La tabla puede ser una tabla ROM en el microprocesador de evaluación del sensor.

Por consiguiente se muestra que mediante el uso del segundo sensor 5 en unión con la pista 2 de información, ya después de un movimiento de giro
de < 30 grados como máximo, se puede determinar el sector en funcionamiento, por lo que se puede especificar muy pronto el valor absoluto del ángulo de dirección.

El modo de funcionamiento es por tanto como sigue: Tras la conexión de la llave de contacto se cuentan los impulsos incrementales y se obtiene la dirección de giro. Adicionalmente con ayuda de la secuencia de impulsos en la pista 1 se mide el tramo de claros y oscuros de la otra pista de información y con ayuda de la longitud del tramo medido de claros y oscuros se obtiene el valor angular absoluto. Por consiguiente, después de un tiempo muy breve tras la acción de "arrancar" se dispone de un ángulo de dirección absoluto exacto y la evaluación se guarda en la unidad denominada ECU, es decir en el microprocesador conectado.

Con respecto a la exactitud de la medición hay que decir que en la zona donde está situado el punto cero grados del volante se disponen los tramos más cortos posible de la pista codificada (pista 2). En esa zona tiene lugar la sincronización más rápida y el error absoluto más pequeño posible. El máximo movimiento posible del volante sin una información inequívoca acerca del momentáneo ángulo de dirección absoluto alcanza 30 grados. Mediante los correspondientes algoritmos de software se puede sin embargo obtener antes de eso una estimación acerca del posible ángulo de dirección absoluto.

La secuencia de códigos propuesta en el primer ejemplo de ejecución se compone de los siguientes secuencias de claros y oscuros: 36, 27, 34, 53, 26, 45, 23, 43, 15, 17, 22, 41, 16, 13, 31, 33, 62, 51, 21, 42, 14, 44, 24, 12, 25, 54, 32, 35. En esta serie de números solamente aparece cada pareja de números una sola vez. Por consiguiente es una ordenación inequívoca en la secuencia de números y posición angular que es posible no solo en el giro a la derecha o a la izquierda sino también al sobrepasar un periodo de claros y oscuros o de oscuros y claros.

Como aún se describirá mas abajo, mediante una codificación PWM (codificación por modulación de amplitud de los pulsos) se puede conseguir dentro del volumen de la pista de información, que el movimiento de giro mínimo para la determinación del sector permanezca constante. Esto se explicará con la ayuda de un segundo ejemplo de ejecución.

A continuación se describe con ayuda de la figura 5 un segundo ejemplo de ejecución. Este ejemplo de ejecución se distingue porque el movimiento de giro mínimo para la determinación del respectivo ángulo absoluto permanece constante. Para ello, en principio se prefija un determinado número de dientes en la pista 1, en donde durante el paso de esos dientes sobre la primera pista se evalúan los cambios de claros y oscuros en la pista 2 codificada (pista absoluta). El trazado de claros y oscuros en la pista codificada corresponde por lo tanto a una determinada codificación. Dicho de otra forma: durante cada paso de un diente sobre la primera pista se comprueba si la pista 2 en ese momento es clara u oscura. A la claridad se le asigna el valor digital 1 y a la oscuridad el valor digital 0. De esta forma se produce un número codificado de una longitud de 8 bits que se queda como válido momentáneamente para el valor absoluto del ángulo de dirección. Mediante selección de dígitos adecuados se puede forzar que con independencia de en qué diente sobre la pista incremental se comience con la evaluación del correspondiente dígito (8 bits de longitud) sobre la pista 2 siempre se produce otro dígito. Con este dígito se puede extraer el valor absoluto del ángulo de dirección de la ya mencionada memoria ROM, que se ha conseguido después de la evaluación del número. Por consiguiente, tras la conexión de la llave de contacto se cuentan los impulsos incrementales y se obtiene la dirección de giro. Adicionalmente se registran los cambios de claridad a oscuridad sobre la pista 2 codificada y a través de tablas ROM se descodifican en el microprocesador de evaluación, con lo cual se establece el valor absoluto del ángulo de dirección. También en este caso se dispone por consiguiente de un ángulo de dirección absoluto exacto inmediatamente después de la conexión de la llave de contacto. Durante el servicio continuo, al final de una sincronización se determina el ángulo de dirección a través del número de incrementos y adicionalmente se verifica continuamente con la información de la pista absoluta. El sensor es por tanto en cierto modo redundante o sea seguro por sí mismo. Tras un movimiento del volante de 16 grados siempre queda fijado un ángulo de dirección absoluto inequívoco. Como secuencia de codificación se elige con ventaja una denominada secuencia máxima. La resolución alcanza 8 bits. Una secuencia completa se compone de 180 bits, en la que respectivamente solamente aparecen 8 bits consecutivos una vez en la totalidad del contenido. Otro aumento en la exactitud se puede conseguir mediante la utilización de un segundo detector sobre la pista de información. Esto vale para los dos ejemplos de ejecución. En los dos ejemplos de ejecución también se puede suprimir por tanto el suministro de una corriente de reposo y son posibles no solo unidades de detección ópticas sino también magnéticas.

Claims (12)

1. Sensor de ángulo de dirección para la determinación del valor absoluto de un ángulo de dirección, con una primera pista (1) con dientes equidistantes, mediante la cual se puede establecer la dimensión de un movimiento angular relativo, y con una segunda pista (2) que sirve para la determinación de la posición angular absoluta del volante y que la segunda pista (2) presenta en su anchura dientes separados entre sí y que cada diente con una determinada anchura de diente aparece solamente una única vez, en donde las dos pistas (1 y 2) giratorias con respecto a un marco son de atribución espacial fija con el volante cuyo valor absoluto de posición angular de giro debe ser establecido, caracterizado porque en la segunda pista (2) los dientes con las anchuras de diente más pequeñas están dispuestos a ambos lados del punto cero del volante.

2. Sensor de ángulo de dirección según la reivindicación 1, caracterizado porque para la medición del movimiento angular relativo de la primera pista (1) están previstos dos detectores (4, 5) firmemente anclados al bastidor, que están dispuestos a una separación de 90 grados del ciclo de 360 grados de dientes y vanos, y suministran a los detectores (4, 5) trenes de impulsos decalados 90 grados entre sí.

3. Sensor de ángulo de dirección según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto un tercer detector (6) que explora la segunda pista (2).

4. Sensor de ángulo de dirección según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto un cuarto detector que explora la segunda pista (2).

5. Sensor de ángulo de dirección según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque un dispositivo de evaluación del sensor cuenta el número de flancos de uno o de los dos trenes de impulsos (20 a 25) que fueron suministrados (Fig. 4) por los detectores (4, 5) de la primera pista (1) entre dos flancos medidos de la segunda pista (2).

6. Sensor de ángulo de dirección según la reivindicación 5, caracterizado porque el número de los flancos (20 a 25) medidos se presenta en una tabla como señal de entrada y porque la correspondiente señal de salida de la tabla indica el valor absoluto del ángulo de dirección.

7. Sensor de ángulo de dirección según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque a los valores absolutos crecientes del ángulo de dirección corresponden igualmente mayores separaciones de flancos de la segunda pista (2).

8. Sensor de ángulo de dirección según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto un dispositivo de evaluación que por encima de un número predeterminado de flancos de uno o de los dos trenes de impulsos de la primera pista (1) establece respectivamente el valor de la amplitud de la segunda pista (2) que a la vez aparece, y esa muestra codificada de bits de la segunda pista (2) así establecida se asigna al valor absoluto del ángulo de dirección.

9. Sensor de ángulo de dirección según la reivindicación 8, caracterizado porque la muestra de bits se presenta como señal de entrada en una tabla que como señal de salida suministra una señal que corresponde al valor absoluto del ángulo de dirección, de preferencia en forma de un valor digital.

10. Sensor de ángulo de dirección según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque cada uno de los valores codificados que se pueden leer en la segunda pista (2), compuestos de un número predeterminado de bits, se diferencia de los restantes valores codificados que se pueden leer en la segunda pista (2).

11. Sensor de ángulo de dirección según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque durante dos periodos de dientes de la primera pista (1) se asignan 8 bits de un código de 8 bits sobre la segunda pista (2).

12. Sensor de ángulo de dirección según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera y la segunda pista (1, 2) son anillos circulares cerrados sobre sí mismos, dispuestos concéntricos y provistos de dientes rectangulares, que están fijados sobre una placa base con su canto opuesto a los dientes.