TWI579179B - 檢測方向盤轉角傳感器故障之系統及其方法 - Google Patents

Description

檢測方向盤轉角傳感器故障之系統及其方法

本發明係與車輛電動助力轉向系統有關，特別是關於檢測方向盤轉動角度訊號是否故障，並提供替代訊號降低方向盤操作手感的影響。

目前汽車製造商多會於汽車方向盤安裝方向盤轉角傳感器(steering angle sensor, SAS)，用來量測駕駛者轉動方向盤之角度及角速度，該方向盤轉角傳感器除了用來獲得駕駛者轉動方向盤角度的資訊外，進一步將資訊提供至中央控制單元，以作為車輛轉向系統及轉向作動的參考資訊。

汽車的方向盤角度感測器一般安裝在轉向柱管的轉向軸上，當駕駛員轉動方向盤帶動轉向軸轉動時，方向盤角度感測器感測到轉向軸轉動的方向以及轉動的角度，作為電動助力轉向系統(Electric Power Steering, EPS)中的中央控制單元(Electronic Control Unit，ECU)的輸入信號之一，ECU根據輸入的轉矩和車速信號通過合理運算獲得所需助力的大小和方向，並向電動機發送控制信號，電動機根據控制信號輸出相應的轉矩，並經由減速機構和齒輪齒條傳遞到轉向橫拉杆，完成助力轉向。

EPS的中央控制單元(ECU)獲取到這些資訊之後，通過計算後判斷汽車可正常安全行駛和駕駛者操縱汽車轉向意圖的轉矩差距，然後，由ECU發出指令，調整電動機的輔助力，從而修正汽車駕駛人轉向所需施力的輕重程度，提昇汽車的行駛安全。

而EPS必須設置方向盤轉角傳感器，方向盤轉角傳感器用於將方向盤轉角轉換為一個可以代表駕駛員期望的行駛方向的信號，EPS通過計算方向盤轉角的大小和轉角變化速率來識別駕駛員的操作意圖，但是當方向盤轉角傳感器突然發生損壞， ESP的中央控制單元將無法確定駕駛員的操作汽車的轉向方向，而影響駕駛員操作方向盤的手感。

請參閱美國專利號US8849498B2、US20080039996A1、CN100519301C，其主要技術係比較馬達旋轉方向和方向盤轉向角度方向是否一致，若為一致則表示方向盤角度訊號正常，若不一致，則再比較馬達旋轉方向和方向盤扭矩方向是否一致，若為一致則回到最上層再重新步驟流程，若不一致則判定方向盤轉向角度訊號失效，並將失效資訊分享至其它控制模組。

前揭習知專利，雖然可以做到檢測方向盤轉向角度訊號是否正常或失效，但檢測的方式不論係比較馬達旋轉方向和方向盤轉向角度方向是否一致，或比較馬達旋轉方向和方向盤扭矩方向是否一致，都是採用方向做為判定方向，然而僅依靠方向做為判定基準，因變數過多並無法達到精確判定，容易造成判定失誤，且前揭習知技術僅揭露如何判定方向盤轉向角度訊號失效，並無可以替代方向盤轉向角度訊號的技術手段，因此當方向盤轉動角度訊號突然失效時會造成控制系統無法使用角度訊號而喪失其它功能，以及影響駕駛員操作方向盤的操作手感。

以及日本專利JP2014054890，其主要係利用方向盤轉向轉角、車輛橫擺率、橫向加速度這三種訊號判斷角度感測器是否異常，若感測器顯示異常，則在不同車速下，藉由方向盤扭矩與角度訊號是否對應在所設定的合理範圍值內，並進行錯誤次數的計數，當錯誤次數達到預設的計數設定值，則判定方向盤角度訊號失效。

前揭習知專利，同樣係揭露檢測方向盤轉向角度訊號是否正常或失效，但缺點是必需增加感測器(車輛橫擺率、橫向加速度)，除提高成本外，並且在一般的車輛電動助力轉向系統中，車輛橫擺及橫向加速度等感測器的資訊通常係由外部訊號取得，在車輛行駛過程這兩種訊號實際上無法取得，導致無法達到檢測目的，除此此揭習知技術同樣僅揭露如何判定方向盤轉向角度訊號失效，並無可以替代方向盤轉向角度訊號的技術手段，因此當方向盤轉動角度訊號突然失效時會造成控制系統無法使用角度訊號而喪失其它功能，以及影響駕駛員操作方向盤的操作手感。

因此，如何改善當方向盤轉動角度訊號失效時，不會連帶造成控制系統無法使用方向盤轉動角度訊號而喪失其它功能，以及影響駕駛員操作方向盤的操作手感即為本發明首要研發課題。

本發明係提供一種檢測方向盤轉角傳感器故障之系統及其方法，其主要目的係當方向盤轉動角度訊號失效時，係藉由方向盤角度估測值作為替代訊號送至中央控制單元，避免因突然尚失該方向盤轉動角度訊號而影響方向盤的操作手感。

本發明係提供一種檢測方向盤轉角傳感器故障之系統及其方法，其次要目的係讀取方向盤轉角傳感器之方向盤轉動角度訊號的初始值，並利用馬達旋轉位置解角器算出一方向盤角度估測值。

為達前述目，本發明提供一種檢測方向盤轉角傳感器故障之系統及其方法，主要包括：一方向盤轉角傳感器、一馬達旋轉位置解角器及一中央控制單元，藉由該中央控制單元讀取該方向盤轉角傳感器之方向盤轉動角度訊號的初始值，並利用該馬達旋轉位置解角器算出一方向盤角度估測值，比較方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值是否小於一容許誤差值，如大於該容許誤差值則利用該方向盤角度估測值替代已失效的方向盤轉動角度訊號做為該中央控制單元進行後續控制使用，以維持駕駛者的操作手感。

為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合圖式簡單說明詳述如後：

如圖1所示，本發明係一種檢測方向盤轉角傳感器故障之系統，該系統包括：

一方向盤轉角傳感器10，與車輛之方向盤1連結，用以取得方向盤轉動角度訊號並傳送至一中央控制單元20；

一扭矩傳感器30，與方向盤轉角傳感器10連結，用以偵側方向盤轉動的輸入軸與軸出軸間的相對位移訊號並傳送至該中央控制單元20；

一車速傳感器40，用以接受車速訊號並傳送至該中央控制單元20；

一馬達50，透過減速機構3、車輛橫拉桿4與輪胎2連接，接受該中央控制單元20所輸出的控制電流並提供一平滑轉向的輔助動力給予橫拉桿4帶動輪胎2轉向；

一馬達旋轉位置解角器60，輸出一馬達旋轉位置訊號至該中央控制單元20用以控制該馬達50；以及

該中央控制單元20係讀取該方向盤轉動角度訊號的初始值，並利用該馬達旋轉位置訊號計算出一方向盤角度估測值。

於本發明之實施例，該中央控制單元20係檢測該方向盤轉角傳感器10之方向盤轉動角度訊號是否異常，如方向盤轉動角度訊號檢測為正常者，該中央控制單元20便讀取方向盤轉動角度訊號的初始值，以及該馬達旋轉位置解角器60之馬達旋轉位置訊號，計算出該方向盤角度估測值；

因此當該方向盤轉動角度訊號失效時，可藉由該方向盤角度估測值作為替代訊號送至該中央控制單元20，令該中央控制單元20做為輔助補償邏輯的計算，避免因突然喪失該方向盤轉動角度訊號而影響方向盤的操作手感。

其中，該方向盤角度估測值係由以下計算式得知：

上述計算式各參數的定義：Ɵ : 馬達旋轉位置解角器的訊號、Ɵ_delay : 馬達旋轉位置解角器延遲一取樣時間的訊號、Ɵ_init : 馬達旋轉位置解角器的初值、Ɵ_add : 馬達旋轉位置解角器的變化量、P : 位置解角器轉一圈(360度)的數值(ex:count=3*4095)、Sr : 線角傳動比、L : 螺桿導程、Gr : 皮帶輪減速比、r : 總減速比、angle_init : 方向盤轉角傳感器的初值、angle_est : 方向盤角度估測值；

於本發明第一實施例，如表一所示：

依據表一，顯示馬達旋轉位置訊號Ɵ_init變化至Ɵ(遞增的情況，表示方向盤為正轉)，經過兩次溢位i=2，代入符合i＞0的計算式，計算馬達旋轉位置解角器的變化量Ɵ_add。

另，於本發明第二實施例，如表二所示：

依據表二，顯示馬達旋轉位置訊號Ɵ_init變化至Ɵ(遞減的情況，表示方向盤為逆轉)，經過兩次溢位i=-2，代入符合i＜0的計算式，即可計算馬達旋轉位置解角器的變化量Ɵ_add。

以及，請參閱表三所示，係顯示方向盤角度估測值與方向盤轉動角度訊號的實際值經上述計算式所得到的關係曲線圖； <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td width="284" height="6"></td></tr><tr><td></td><td><img wi="157" he="48" file="02_image010.gif" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>

依據表三，顯示出方向盤角度估測值為3112，方向盤轉動角度訊號的實際值為2997，如將其換算成兩者間角度值的差異僅約5度左右(3112-2997=115，115*180/4095=5.054..)，由此可知方向盤角度估測值與方向盤轉動角度訊號的實際值之間的差異十分微小，因此當該方向盤轉動角度訊號失效時，確實可藉由該方向盤角度估測值作為替代訊號送至該中央控制單元20，令該中央控制單元20以做為輔助補償邏輯的計算，避免因突然喪失該方向盤轉動角度訊號而影響方向盤的操作手感。

再如圖2、3所示，本發明係一種檢測方向盤轉角傳感器故障之方法，其步驟為：

S1、檢測一方向盤轉動角度訊號是否異常，如檢測結果異常直接進入S7步驟，反之如檢測結果正常則進入S2步驟；

S2、讀取該方向盤轉動角度訊號的初始值，並利用一馬達旋轉位置訊號計算出一方向盤角度估測值；

S3、比較方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值是否小於一容許誤差值(於本發明實施例，該容許誤差值係預設以±10度內為最佳值)，如小於該容許誤差值進入S6步驟，如大於該容許誤差值，則進入S4步驟；

S5、利用該方向盤角度估測值作為該方向盤轉動角度訊號的的替代訊號，避免在駕駛過程因該方向盤轉動角度訊號失去訊號而影響方向盤的操作手感；

S6、一般模式，進入該一般模式係判斷該方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值小於該容許誤差值，繼續使用該方向盤轉動角度訊號的實際值；

S7、方向盤轉動角度訊號異常，係表示該方向盤轉動角度訊號在起始偵測時即出現異常，因此當進入此步驟時，令車輛無法啟動，避免在駕駛過程因該方向盤轉動角度訊號異常影響行駛安全。

S5、利用該方向盤角度估測值作為該方向盤轉動角度訊號的的替代訊號，避免在駕駛過程因該方向盤轉動角度訊號失去訊號而影響方向盤的操作手感；

換言之，本發明最主要的技術手段係透過方向盤轉動角度訊號的初始值，並利用一馬達旋轉位置訊號計算出該方向盤角度估測值，並比較方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值是否小於預設的容許誤差值(±10度內)，如小於則表示方向盤轉動角度訊號正常，反之若大於±10度，則否則表示方向盤轉動角度為訊號失效，下一步將方向盤角度估測值替代已失效的方向盤轉動角度訊號，以前揭實施例中該方向盤角度估測值angle_est不論在遞增(方向盤正轉)或是遞減(方向盤逆轉)，並參考表三計算出方向盤角度估測值與方向盤轉動角度訊號的實際值之間的差異十分微小，因此利用該方向盤角度估測值為該方向盤轉動角度訊號的的替代訊號給予該中央控制單元20確實可以做為輔助補償邏輯的計算，避免因突然喪失該方向盤轉動角度訊號而影響方向盤的操作手感。

藉此，本發明相較習知技術具有下列優點：

一、本發明使用來監控方向盤轉角原有的馬達旋轉位置解角器，係屬於在一般的車輛電動助力轉向系統中為控制馬達就必須使用的感測器，並無額外增加感測器成本的問題。

二、所計算出的方向盤角度估測值與該方向盤轉動角度訊號的實際值差異十分微小，顯示本發明的方向盤角度估測值確實有一定精確度，因此當方向盤轉動角度訊號因此當號失效時，可以用來替代方向盤轉動角度訊使用，避免部分功能喪失的可能，且盡可能維持駕駛者的手感。

綜上所述，上述各實施例及圖式僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧方向盤

2‧‧‧輪胎

10‧‧‧方向盤轉角傳感器

20‧‧‧中央控制單元

30‧‧‧扭矩傳感器

40‧‧‧車速傳感器

50‧‧‧馬達

60‧‧‧馬達旋轉位置解角器

圖1係本發明車輛電動助力轉向系統結構示意圖。 圖2係本發明檢測方向盤轉角傳感器故障之系統方塊圖。 圖3係本發明檢測方向盤轉角傳感器故障之方法流程圖。

1‧‧‧方向盤

2‧‧‧輪胎

10‧‧‧方向盤轉角傳感器

20‧‧‧中央控制單元

30‧‧‧扭矩傳感器

40‧‧‧車速傳感器

50‧‧‧馬達

60‧‧‧馬達旋轉位置解角器

Claims (2)

1. 一種檢測方向盤轉角傳感器故障之方法，其步驟為：S1、檢測一方向盤轉動角度訊號是否異常，如檢測結果正常則進入S2步驟，若檢測該方向盤轉動角度訊號為異常，進入S7步驟；S2、讀取該方向盤轉動角度訊號的初始值，並利用一馬達旋轉位置訊號計算出一方向盤角度估測值；S3、比較該方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值是否小於一容許誤差值，如大於該容許誤差值，則進入S4步驟，若判斷該方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值小於該容許誤差值時，進入S6步驟；S4、角度失效模式，進入該角度失效模式係表示該方向盤轉角傳感器之方向盤轉動角度訊號失效，進入S5步驟；S5、利用該方向盤角度估測值作為該方向盤轉動角度訊號的替代訊號；S6、一般模式，進入該一般模式係判斷該方向盤轉動角度訊號的實際值與該方向盤角度估測值兩者間的誤差值小於該容許誤差值，繼續使用該方向盤轉動角度訊號的實際值；以及S7、該方向盤轉動角度訊號異常，係表示該方向盤轉動角度訊號在起始偵測時即出現異常，因此當進入此步驟時，令車輛無法啟動，係顯示車輛異常提醒駕駛人，避免在駕駛過程因該方向盤轉動角度訊號異常影響行駛安全之虞。
2. 如請求項1所述之檢測方向盤轉角傳感器故障之方法，其中該容許誤差值以±10度內為最佳值。