JP4478336B2 - 回転体の角度位置を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１乃至は４の上位概念記載の回転体の、とりわけ３６０°より大きく回転可能な回転体の角度位置を測定するための方法及び装置に関する。
【０００２】
様々な装置、とりわけ回転可能なシャフトの角度位置をもとめるための装置において、この装置の始動のすぐ後でシャフトの正確な位置を知る必要がある。この要求はアナログ角度センサ、例えばポテンショメータによって最も良く実現される。これらのアナログ角度センサは各位置においてスイッチオンの後ですぐに有効な角度位置値の電圧の形式で送出する。
【０００３】
３６０°よりも大きい角度領域に対する角度測定のためのこのような装置が使用される場合、シャフトが何回目の回転にあるかがもはや検出できないという問題が生じる。しかし、３６０°よりも大きい角度領域の評価のためには、インクリメンタル発信器が使用され、このインクリメンタル発信器においては角度位置がパルスのアップカウント及びダウンカウントによってもとめられる。しかし、このようなインクリメンタル発信器によって絶対角度測定は実施できない。なぜなら、センサの傍らを通過するインクリメントだけしかカウントできないからである。
【０００４】
ＤＥ-ＯＳ１９５０６９３８から、幾つかの同一形状の角度マーク乃至は歯を有する回転体の角度位置の検出のための装置が公知である。この装置は、さらに別の個数の同一形状の角度マーク乃至は歯を有する少なくとも２つの他の回転体を有する。この場合、これらの２つの他の回転体の回転角度がもとめられ、これら回転角度から前者の回転体の角度位置が決定される。この場合、使用される回転体は歯車であり、測定すべき回転体はｎ個の歯を有し、２つの他の歯車はｍ乃至はｍ＋１個の歯を有する。
【０００５】
本発明の課題は、回転体の、とりわけ３６０°よりも大きく回転可能な回転体の角度の測定がとりわけ簡単に行われる装置乃至は方法を提供することである。
【０００６】
上記課題は請求項１の特徴部分記載の構成を有する装置ならびに請求項４の特徴部分記載の構成を有する方法によって解決される。
【０００７】
本発明では、回転体の、例えばハンドルの角度位置の検出が非常に簡単かつエラートレラントなやり方で可能である。とりわけ回転体と共働するより多くの他の回転体を使用することによって、従来の公知のシステムに比べてより高いエラートレランス度乃至はより良好な角度分解能が生ずる。
【０００８】
有利には他の回転体の角度Θ、Ψは周期角度センサを用いてもとめられ、第１の回転体の角度αは評価回路においてこれらの角度Θ、Ψならびにそれぞれの角度マークの個数ｎ、ｎ_ｉ、ｎ_ｊを考慮することによってもとめられる。このような周期角度センサを使用することによって、角度Θ、Ψのコンピュータによる評価が角度マークのそれぞれの個数を考慮することにおいて非常に簡単に構成される。なぜなら、この評価は三角関数を用いて行われるからである。
【０００９】
本発明の装置の有利な実施形態によれば、角度センサはペア毎に絶対値発信器として作動し、とりわけＡＭＲ角度センサとして構成されており、このＡＭＲ角度センサは他の回転体と結合されたマグネットを走査する。このようなＡＭＲ角度センサは比較的安価に入手可能であり、実際に非常にロバストでありかつ信頼できる。
【００１０】
本発明の有利な実施形態を添付した図面に基づいて詳しく説明する。
【００１１】
図１は３６０°よりも大きく回転可能な回転可能なシャフトの角度を検出できる本発明の装置の第１の有利な実施形態の概略図を示す。
【００１２】
図２はハンドル角度センサの実施例であり、図２ａは平面図における歯車の装置を示し、図２ｂは斜視図における所属のセンサならびに評価回路を含むハンドル角度を検出するための装置全体を示す。
【００１３】
図３は本発明の方法の有利な実施形態のフローチャートを示す。
【００１４】
図１では軸１０が示されている。この軸１０の回転角度αを測定しなければならない。この軸１０にはｎ個の歯を有する歯車１１が取り付けられている。４つの他の歯車１２、１３、１４、１５は固定式に歯車１１と結合されている。歯車１２〜１５の歯の個数に対しては関係式（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１（１≦ｉ＜ｊ≦４）が成り立つ。すなわち、個々の歯車の歯の数はペア毎に互いに素である。例として次のような歯の数とする。すなわち、歯車１１の歯の数：１００、歯車１２の歯の数ｎ_１：２９、歯車１３の歯の数ｎ_２：３１、歯車１４の歯の数ｎ_３：３７及び歯車１５の歯の数ｎ_４：４１とする。
【００１５】
歯車１２、１３、１４、１５にはそれぞれ周期角度センサ２２、２３、２４乃至は２５が割り当てられる。角度センサとして例えばホール効果又は磁気抵抗効果を利用する光電式の又は非接触式の電磁センサが使用できる。角度センサ２２、２３、２４、２５は正弦波状の乃至は余弦波状の出力信号を供給すると仮定する（周期性は、３６０°又は３６０°の整数の約数である）。
【００１６】
角度センサ２２、２３、２４、２５は電子評価回路２６に接続されており、この電子評価回路２６では軸角度αを決定するために必要な計算が実施される。
【００１７】
歯車１２、１３、１４、１５の歯の数が互いに素である場合には、各センサペア（２２，２３；２２，２４；２２，２５；２３，２４；２３，２５；２４，２５）は絶対角度の所定の領域の内で、すなわち歯車１１の±２回の完全な回転に亘る領域の内で絶対センサを形成する。
【００１８】
例として歯車１２、１３乃至はこれらの歯車１２、１３に割り当てられたセンサ２２、２３を考える。歯車１１の角度乃至は角度位置αが２つのセンサ２２、２３の出力信号によって一意的に決定されることが示されねばならない。すなわち、４つの値 sin (ｎ/ｎ₁)*α、cos (ｎ/ｎ₁)*α、sin (ｎ/ｎ₂)*α、cos (ｎ/ｎ₂)*αが既知の場合に角度αが計算されうることが示されねばならない。
【００１９】
ここで、
sin (ｎ/ｎ₁)*α＝sin (ｎ/ｎ₁)*β
sin (ｎ/ｎ₂)*α＝sin (ｎ/ｎ₂)*β
cos (ｎ/ｎ₁)*α＝cos (ｎ/ｎ₁)*β
cos (ｎ/ｎ₂)*α＝cos (ｎ/ｎ₂)*β
であるα≠βが存在すると仮定する。
【００２０】
それゆえ、
(ｎ/ｎ₁)*β＝(ｎ/ｎ₁)*α＋ｋ_１・３６０° かつ
(ｎ/ｎ₂)*β＝(ｎ/ｎ₂)*α＋ｋ_２・３６０°
である値ｋ_１及びｋ_２が存在する。
【００２１】
従って、関係式ｎ_１・ｋ_１＝ｎ_２・ｋ_２が成り立つ。さらに（ｎ_１,ｎ_２）＝１であるので、ｋ_２≧ｎ_１及びｋ_１≧ｎ_２が成り立つ。
【００２２】
ここで角度センサが±２回の回転の領域において絶対角度を検出することができる場合には、値ｎ、ｎ_１、ｎ_２はｎ_１・ｎ_２≧４・ｎであるように選択され、この結果、関係式｜β−α｜≧４・３６０°が得られる。従って、角度αは±２回の回転の領域内で一意的に決定される。従って、歯車乃至はセンサペア１１，１３乃至は２２、２３は絶対センサを形成する。
【００２３】
角度センサ２２、２３、２４、２５がペア毎にいわゆる絶対センサであるとの前提の下に、これらの角度センサは、シャフト１０の角度位置の検出のための装置のスイッチオンの直後に、このスイッチオンの場合にこれらのセンサにそれぞれ割り当てられた歯車の回転角度を供給する（図では歯車１２及び１３の回転角度Ψ及びΘだけが図示されている）。歯車１１の歯の数ｎ及び歯車１２、１３の歯の数ｎ_１、ｎ_２が知られると即座に、以下に示されるように、これらの角度から一意的にシャフト１０の角度αが決定される。
【００２４】
ここで再び（例として）歯車１２、１３及びこれらの歯車に割り当てられたセンサ２２、２３をペアとして考える。任意の他の歯車ペア乃至はセンサペアを回転角度αの検出に使用できる。既に示したように、検出すべき角度α大きさに相応して、個々の歯車の歯の数ｎ、ｎ_１、ｎ_２が選択される。次に、さらに一般的有効性を限定することなく、数学的な表現の簡略化のために、ｎ_１＞ｎ_２ならびにｎ_１＝ｎ_２＋１であると仮定する。ここに示される計算はアナログ的なやり方でｎ_１＞ｎ_２＋１である任意の他の互いに素の数値ペアｎ_１、ｎ_２に対して適用できる。回転角度αの計算は本発明の装置のスイッチオンの後で例えば図３から読み取れるような方法に従って行われる。評価回路２６において第１のステップＳ１で式
【００２５】
【数１】

【００２６】
の最も近傍の整数が計算される。ただしここで角度Θ及びΨは予め測定されたものである。ステップＳ２として次いで角度αが計算される。この場合、次式が成り立つ。
【００２７】
【数２】

【００２８】
ステップＳ３において、もとめた値αが負であるかどうか検査する。負である場合にはステップＳ４において全角度周期が加算され、次式が成り立つ：
【００２９】
【数３】

【００３０】
こうして得られた角度α′は次いで実際の測定値αＭとして供給される。これに対して、ステップＳ３においてαが０より小さくないと識別される場合、ステップＳ２でもとめられた角度が測定された角度αＭとして出力される。
【００３１】
測定値αＭの出力の後で、ステップＳ１において次の測定された角度Θ及びΨから次の角度決定が開始される。
【００３２】
個々の角度センサ２２、２３の測定エラーＥは式（２）に従って比ｎ_２/ｎにおいて角度αのエラーに伝達されてしまう。このため、伝達比ｎ_２/ｎの適切な選択によって測定精度が調整される。もっとも、式（１）による丸めにおいて誤った整数ｋが算出されるほどに個々のセンサの測定エラーが大きい場合には、もとめられた値αは連続的には変化せず、跳躍的に値
【００３３】
【数４】

【００３４】
だけ変化する。これは、ｋに対する値の変化を式（１）に従って追うことによってとらえられる。Ωに亘るΨ及び/又はΘの０への連続的な移行及びその逆において、ｋの値は±ｎ_１及び±ｎ_２の整数の変化のみを受け入れる。他の跳躍が記録される場合には、これは大きすぎる測定エラー又は個別センサの故障を示す。よって、図３の方法においてステップＳ１で次々ともとめられるｋに対する値は互いに比較され、妥当ではない変化の場合にはエラーが識別される。エラー指示Ａ（図１参照）はこの場合評価回路２６により出力される。特に有利なのは、このような妥当性検査がここに図示された実施例において異なるセンサペアに対して実施され、さらに互いに比較されることである。
【００３５】
ｋに対する適正な値を得るためには、個別センサ２２、２３の角度エラーが
【００３６】
【数５】

【００３７】
より小さくなければならない。これによって角度αに対する最大角度エラーは
【００３８】
【数６】

【００３９】
によって与えられる。これよりも大きな個別センサの角度エラーは、ｋの許容されない変化によって検出されるαの跳躍をもたらす。
【００４０】
回転角度αを角度Ψ及びΘから算出する方法は次のように説明される。
【００４１】
歯の数に基づいて角度αと２つの角度Ψ及びΘとの関係は
【００４２】
【数７】

【００４３】
である。２つの角度は角度Ω毎に繰り返されるので、Ωによる除算の際の余りだけを使用しなくてはならない。
【００４４】
（７）及び（８）から次式が得られる：
【００４５】
【数８】

【００４６】
ここでｉ及びｊは最初は未知の整数である。なぜなら、例えば０°とΩとの間の角度Ψの場合には、何回ΨがΩに亘って回転したかは分からないからである。
【００４７】
しかし、（９）及び（１０）が同一の角度αを送出しなくてはならないので、（９）＝（１０）が成り立つ。これは次式：
【００４８】
【数９】

【００４９】
をもたらす。
【００５０】
（１１）の左辺は整数であるので、右辺も整数でなくてはならない：
【００５１】
【数１０】

【００５２】
角度Ψ及びΘにはエラーが付着しているので（原理的かつ統計的な測定エラー、デジタル化）、（１２）は通常は整数ではないだろう。しかし、この値の最も近傍の整数を選択すると、角度のエラーは非常に大幅に低減される。
【００５３】
よって、式（１１）は
ｎ_１・ｉ−ｎ_２・ｊ＝ｋ （１３）
である。これは２つの未知数ｉ及びｊに対する方程式である。しかし、ｉ及びｊは整数でなくてはならないので、（１３）は離散的な解（いわゆるディオファントス問題）である。評価のために必要な唯一の解は例として図示されたケースｎ_１＝ｎ_２＋１においては容易に見出される：
ｉ＝ｊ＝−ｋ （１４）
これらの値によってαは（９）と（１０）との平均値として算出される。これによって場合によってはあり得る測定エラーは改めて減少される。
【００５４】
【数１１】

【００５５】
このように算出された角度αは正の値も負の値もとりうる。連続的な表現を得るためには、負の値において既に式（３）との関連において説明したように、システム全体の全周期が加算される。
【００５６】
図２ａ及び２ｂには自動車のハンドル軸Ｌの角度を測定するための本発明の装置が図示されている。この目的のために、できるだけ無接触式センサが必要である。このセンサは大抵の場合４回のハンドル回転乃至はハンドル軸の４回の回転を検出できる。ハンドル軸Ｌは歯車１１によって形成され、この歯車１１は図１に図示された装置のように、４つの歯車と共働する。簡略化のために、２つの歯車だけを、すなわち歯車１２、１３を詳しく図示する。
【００５７】
角度αを検出しなくてはならないハンドル軸Ｌは図１の１０で示されるシャフトに相応する。歯車ならびに記入された角度Ψ及びΘには図１の関連が妥当する。さらに、歯車１２及び１３にはマグネット３０、３１が存在し、これらマグネット３０及び３１の磁化は歯車面に存在する。ＡＭＲ（すなわち異方性磁気抵抗（anisotrope magnetoresistive））センサとして形成された２つの角度センサ２２、２３によって角度Ψ及びΘが測定される。ハンドル角度センサの組み立てのための例が図２ｂから見て取れる。この例では３つの歯車１１、１２、１３が１つの平面にある。歯車１２及び１３にはマグネット３０、３１が配置されている。これらのマグネットならびに２つのＡＭＲ角度センサ２２、２３によって角度Ψ及びΘが絶対的に検出される。ＡＭＲセンサの出力信号を処理する評価回路はハイブリッド回路２４として図示されている。角度Ψ及びΘの決定は、マグネット３０、３１に起因する磁界経過の識別によって行われる。
【００５８】
ＡＭＲセンサの代わりに他の角度センサ、例えばホール効果に基づく角度センサ、光学的センサ、誘導性センサ、容量性センサ又は抵抗性センサも使用できる。使用されるセンサタイプに応じて、歯車を適当なやり方で適合させる必要がある。歯車の代わりに、適当なコードシステムが設けられているコードディスク（Codescheibe）も使用される。
【００５９】
角度測定のためのここに図示された装置は非常に有利なエラートレランス特性を有することを付け加えておく。例えば、４つの歯車１２、１３、１４、１５の使用の際には、既述のように、６つの歯車ペア乃至はセンサペアが得られる。これによって３つの連続するセンサエラーが検出され、２つの連続するセンサエラーが訂正されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ３６０°よりも大きく回転可能な回転可能なシャフトの角度を検出できる本発明の装置の第１の有利な実施形態の概略図を示す。
【図２】 ハンドル角度センサの実施例であり、２ａは平面図における歯車の装置を示し、２ｂは斜視図における所属のセンサならびに評価回路を含むハンドル角度を検出するための装置全体を示す。
【図３】 本発明の方法の有利な実施形態のフローチャートを示す。
【符号の説明】
１０ 軸
１１ 歯車
１２、１３、１４、１５ 歯車
２２、２３、２４、２５ 角度センサ
２６ 評価回路
Ｌ ハンドル軸
Ａ エラー指示
３０、３１ マグネット
２４ ハイブリッド回路

Claims (3)

1. 第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置であって、
   前記第１の回転体（１０、Ｌ）は個数ｎの同一形状の角度マーク乃至は歯（１１）を有し、さらに少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）を有し、
   該少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）はそれぞれｎ _ｉ 個（ｉ＝１,...,Ｎ）の同一形状の角度マーク乃至は歯を有し、
   これら少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度マークは前記第１の回転体（１０）の前記角度マーク（１１）と共働し、
   前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度位置Θ、Ψをもとめることによって前記第１の回転体（１０）の角度位置αが決定可能である、第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置において、
   前記少なくとも２つの他の回転体が２つ（１２、１３；１２、１４；１２、１５；１３、１４；１３、１５；１４、１５）の場合には｜ｎ_ｉ−ｎ_ｊ｜＞１、かつ（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１、またはｎ_ｉ,ｎ_ｊは互いに素であることが成り立ち、
   前記少なくとも２つの他の回転体が２つを越えてより多い場合には（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１が成り立ち、ただしここで１≦ｉ＜ｊ≦Ｎであり、Ｎは前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の全個数であり、
   前記角度Θ、Ψは角度センサ（２２、２３、２４、２５）を用いてもとめられ、
   角度αは評価回路（１６）において前記角度Θ、Ψならびに角度マークの個数ｎ、ｎ _ｉ 、ｎ _ｊ を考慮することによってもとめられ、
   前記角度センサ（２２、２３、２４、２５）はペア毎に絶対値発信器として作動し、
   該絶対値発信器は、前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）と結合されたマグネット（３０、３１）を走査することを特徴とする、第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置。
2. 前記角度センサ（２２、２３、２４、２５）は、ＡＭＲ角度センサとして構成されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 回転体（１０、Ｌ）の角度位置を測定するための方法であって、
   前記回転体（１０、Ｌ）は個数ｎの同一形状の角度マーク乃至は歯を有し、さらに少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）と共働し、
   該少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）はそれぞれｎ _ｉ 個（ｉ＝１,...,Ｎ）の同一形状の角度マーク乃至は歯を有し、
   前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度位置Θ、Ψがもとめられ、前記第１の回転体（１０）の角度位置αが前記角度位置Θ、Ψからもとめられる、回転体（１０、Ｌ）の角度位置を測定するための方法において、
   前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度マーク乃至は歯に対しては次式が成り立つ：
   前記少なくとも２つの他の回転体が２つの場合には｜ｎ_ｉ−ｎ_ｊ｜＞１、かつ（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１が成り立ち、
   前記少なくとも２つの他の回転体が２つを越えてより多い場合には（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１、（１≦ｉ＜ｊ≦Ｎ）が成り立ち、ここでＮは前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の全個数であり、
   前記角度Θ、Ψは角度センサ（２２、２３、２４、２５）を用いてもとめられ、
   角度αは評価回路（１６）において前記角度Θ、Ψならびに角度マークの個数ｎ、ｎ _ｉ 、ｎ _ｊ を考慮することによってもとめられ、
   前記角度センサ（２２、２３、２４、２５）はペア毎に絶対値発信器として作動し、
   該絶対値発信器は、前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）と結合されたマグネット（３０、３１）を走査することを特徴とする、回転体（１０、Ｌ）の角度位置を測定するための方法。

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