ES2262679T3

ES2262679T3 - Dispositivo y procedimiento para la medicion de angulos.

Info

Publication number: ES2262679T3
Application number: ES01971628T
Authority: ES
Inventors: Gunther Haas; Henrik Siegle; Ralf Moenikes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2006-12-01
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: JP2004507722A; DE50109562D1; KR100831454B1; EP1313999A1; EP1313999B1; AU9160801A; JP4988133B2; AU2001291608B2; US7170279B2; DE10041089A1; US20040004471A1; WO2002016864A1; KR20030040414A

Abstract

Dispositivo para la medición de ángulos con al menos una rueda (23, 24) de transmisión, al menos un dispositivo de análisis y al menos un sensor (121, 122, 123, 124, 125, 126) que comprende al menos un elemento sensor que actúa conjuntamente con la rueda (23, 24) de transmisión, pudiendo obtenerse mediante la acción conjunta de la rueda de transmisión y el sensor un par de señales sinusoidales y cosinusoidales que pueden asociarse a un ángulo a medir, estando previstas dos ruedas (23, 24) de transmisión dispuestas de forma fija entre sí y que pueden girar alrededor de un eje de rotación común, presentando las ruedas (23, 24) un número diferente de segmentos de transmisión y estando dispuestos en cada caso tres sensores (121, 122, 123, 124, 125, 126) distribuidos alrededor de cada rueda (23, 24), cuyas señales sinusoidales y cosinusoidales pueden ponerse en relación matemática para la obtención de una señal sinusoidal promediada o una señal cosinusoidal promediada y/o, tras la formación de una señal de arco tangente a partir de cada una de las señales sinusoidales o cosinusoidales promediadas o no, para la obtención de una señal de arco tangente promediada mediante el dispositivo de análisis.

Description

Dispositivo y procedimiento para la medición de ángulos.

La presente invención se refiere a un dispositivo para la medición de ángulos según la reivindicación 1 de patente así como a un procedimiento correspondiente según la reivindicación 5 de patente.

La necesidad de sistemas de medición de ángulos extremadamente precisos y al mismo tiempo robustos en la industria automovilística es cada vez mayor. Los campos de aplicación actuales para sistemas de medición de ángulos son, entre otros, el control de la dinámica de movimiento de los vehículos, por ejemplo ESP, y los sistemas de dirección asistida eléctricos. A largo plazo, la transición a la dirección mediante el accionamiento asistido "Steer-by-Wire" aumentará aún más la necesidad de sistemas de medición de ángulos, llevando consigo este desarrollo un incremento simultáneo de los requisitos de precisión.

Los sensores magnéticos están predestinados, debido a su principio de medición robusto y sin contacto, a la aplicación en automóviles. Si un sistema de medición de ángulos realizado con sensores magnéticos se basa en la detección de una rueda de transmisión, que o bien está magnetizada en sí misma o bien consiste en material ferromagnético y que durante el movimiento por el sensor detector distorsiona el campo de un imán de transmisión, las tolerancias de acabado limitan entonces la precisión del sistema. Especialmente problemáticas son las excentricidades, los errores de paso entre polos o entre dientes, así como la falta de homogeneidad de las amplitudes de campo. Además, los sensores detectores no pueden posicionarse con precisión en cualquier lugar, por lo que todavía existen tolerancias de posicionamiento adicionales.

Se conocen procedimientos convencionales para la medición de ángulos por ejemplo por el documento DE-P 195 34 995. El documento DE-P 199 58 598.9 todavía no publicado describe por ejemplo un método de nonio en el que se emplean ruedas multipolares magnéticas, cada una con un número diferente de pares de polos, y que se analizan por las señales de los sensores obtenidas por los sensores dispuestos de forma correspondiente. Sin embargo, en este caso también se producen errores angulares debidos a las tolerancias anteriormente mencionadas.

Por el documento DE-A-198 17 356 se conoce un sensor del ángulo de giro en el que, en una rueda de transmisión, dos sensores Hall generan respectivamente una señal sinusoidal y una señal cosinusoidal. Mediante la sumación de cada una de las señales de un par de sensores se calculan señales sinusoidales y cosinusoidales promediadas y a partir de ellas se genera un valor de arco tangente. En este caso tampoco se pueden excluir errores angulares tales como los comentados anteriormente.

Objetivo de la invención es por tanto proporcionar un dispositivo y un procedimiento para la medición de ángulos en el que se reducen los errores angulares debidos a las tolerancias.

Este objetivo se resuelve mediante un dispositivo con las características de la reivindicación 1 de patente así como mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 5 de patente.

Mediante la previsión según la invención de un número de sensores y del cálculo del promedio de las señales obtenidas basándose en cada una de las señales de los sensores, los efectos de las tolerancias dadas sobre la precisión de la medición pueden reducirse de un modo muy efectivo.

Las configuraciones ventajosas del dispositivo según la invención o del procedimiento según la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.

Según una forma de realización preferida del dispositivo según la invención se prevén tres sensores que se disponen distribuidos alrededor de la al menos una rueda de transmisión. Tres sensores dispuestos separados unos de otros en ángulos de 120º forman un compromiso ideal entre un número lo menor posible de sensores y la eficacia del funcionamiento del dispositivo. Además se derivan ventajas condicionadas por la simetría en cuanto a las tolerancias de fabricación. No obstante debe destacarse, que el procedimiento según la invención también funciona de un modo satisfactorio al emplear dos sensores. Para el incremento adicional de la precisión también pueden utilizarse más de dos sensores.

De forma conveniente están previstas dos ruedas de transmisión dispuestas de forma fija una respecto a otra y de forma giratoria alrededor de un eje de rotación común, presentando las ruedas de transmisión un número diferente de segmentos de transmisión. Según la invención puede emplearse cualquier tipo de rueda de transmisión que aproveche los principios de medición magnéticos o no magnéticos. Por ejemplo, en el caso de ruedas multipolares magnéticas, los segmentos de transmisión están formados como pares de polos y, en el caso de ruedas dentadas ferromagnéticas, como dientes.

En este sentido resulta ventajoso que la primera rueda de transmisión presente n segmentos de transmisión, y que la segunda rueda de transmisión presente n+1 segmentos de transmisión. n puede ser por ejemplo 24, pudiendo seleccionarse también otros valores según la precisión necesaria. Una configuración de este tipo con dos ruedas de transmisión diferentes permite el empleo del denominado método de nonio, con el que es posible un análisis especialmente fiable de las señales de los sensores obtenidas.

De forma conveniente, los sensores están configurados como sensores Hall. Los sensores Hall de este tipo pueden obtenerse de forma económica y en la práctica han demostrado ser robustos y fiables.

Según otra configuración preferida del dispositivo según la invención, la al menos una rueda de transmisión está configurada como rueda multipolar magnética.

Según una configuración especialmente preferida del procedimiento según la invención, antes y/o después del cálculo del promedio de las señales obtenidas en forma sinusoidal o cosinusoidal o de arco tangente, se lleva a cabo una corrección de ondas armónicas. Una corrección de ondas armónicas de este tipo puede realizarse por ejemplo basándose en un desarrollo en serie, por ejemplo un desarrollo en serie de Fourier de las señales obtenidas sinusoidales o cosinusoidales.

Además, se prefiere que el cálculo del promedio del arco tangente comprenda una corrección de la desviación y/o una división del módulo para la adaptación de fase y margen de valores de cada una de las señales de arco tangente y/o la formación de la media aritmética a partir de las señales de arco tangente así modificadas.

De forma conveniente, la formación de la media aritmética se realiza teniendo en cuenta desde el punto de vista del cálculo las discontinuidades de salto de las señales de arco tangente que han de prome-
diarse.

La invención se explicará ahora con ayuda del dibujo adjunto. En éste muestra:

la figura 1, un diagrama para la explicación de una medición de ángulo, que puede realizarse con el dispositivo según la descripción (página 6),

las figuras 2a a 2c, diagramas para la explicación de una reducción de los errores en la medición de ángulos que puede realizarse con el procedimiento según la invención,

las figuras 3a y 3b, vistas desde arriba esquemáticas de una primera forma de realización preferida del dispositivo según la invención,

la figura 4, un diagrama para la representación de una síntesis de Fourier de una función rectangular,

la figura 5, un diagrama para la representación de errores angulares en un cálculo del promedio sinusoidal y cosinusoidal y con un desplazamiento de 0,25 mm de dos sensores o elementos sensores,

las figuras 6a a 6d, diagramas para la representación del procesamiento de cálculo de un desplazamiento de sensores mediante adaptación de fases y el posterior cálculo del promedio del arco tangente, y

la figura 7, un diagrama para la representación del error angular para el caso de un desplazamiento extremo de dos sensores o elementos sensores de 1 mm en cada caso después de un cálculo del promedio del arco tangente y con una corrección anterior de las ondas armónicas adicional.

La siguiente descripción de las figuras se refiere a la forma de realización especial de una detección de una rueda multipolar magnética. No obstante, el procedimiento puede utilizarse también de forma ventajosa con otras ruedas de transmisión con principios de medición no magnéticos o magnéticos. Los valores y errores de medición dados a continuación se refieren por ejemplo a ruedas polares ilustrativas con n=24 y n=25 pares de polos con un diámetro externo de 30,8 mm.

En primer lugar se explica el principio de medición en el que se basa la invención con ayuda de la figura 1.

Una columna de dirección está configurada con una barra de torsión. De forma concéntrica con respecto a la barra de torsión se prevén tres ruedas multipolares magnéticas. Al girar la parte superior de la columna de dirección con respecto a la parte inferior alrededor de su eje longitudinal, se consigue un desplazamiento angular de una de las ruedas 13a multipolares magnéticas con respecto a las otras ruedas 13b y 13c multipolares magnéticas. Junto a las ruedas multipolares se dispone un sensor que presenta tres elementos 12a, 12b, 12c sensores que están asociados a las ruedas 13a, 13b o 13c multipolares. Debido a la acción recíproca entre cada una de las ruedas multipolares y los elementos sensores asociados a las mismas, se generan señales trigonométricas, a partir de las cuales puede derivarse la posición angular de la barra de torsión. En este sentido, una posición angular medida con respecto a la rueda 13a multipolar magnética sirve de referencia para la posición angular, que se calcula mediante las otras dos ruedas 13b y 13c multipolares magnéticas, tal como se explica ahora con ayuda de la figura 1. En la figura 1 se representan las señales que aparecen con un giro de las ruedas 13b, 13c multipolares por los elementos 12b o 12c sensores.

Los elementos 12b, 12c sensores detectan en cada caso una señal sinusoidal (líneas continuas) y una señal cosinusoidal (líneas discontinuas). Mediante la formación del arco tangente de cada par de señales se obtienen dos señales de arco tangente \alpha(\varphi), \beta(\varphi) que también presentan una periodicidad diferente, de forma correspondiente a la periodicidad diferente de cada par de señales sinusoidales/cosinusoidales debido al diferente número de pares de polos. Según el método de nonio clásico ahora se crea una función
\varphi = \alpha(\varphi)-\beta(\varphi), que describe claramente el ángulo \varphi de giro por toda la zona angular de 360º.

Las señales sinusoidales o cosinusoidales de los elementos sensores así dispuestos dependen, no obstante, de tolerancias de posicionamiento o de fabricación. Esto se ilustra en primer lugar con ayuda de la figura 2. La figura 2a, arriba, muestra el campo magnético medido con un sensor Hall (por ejemplo los elementos 12b o 12c sensores) de una rueda multipolar típica, pero ya optimizada en cuanto a errores de paso y amplitud, como función del ángulo. Junto con una señal desfasada con respecto a éste, que proporciona o bien el mismo elemento sensor u otro adicional, tal como se ha descrito ya en relación con la figura 1, puede determinarse un ángulo de giro o una posición a través de un par de polos. Sin embargo, un error en la determinación de la posición se transmite al ángulo de giro de la rueda polar y, con ello, a todo el sistema sensor.

Aunque la señal del sensor sinusoidal representada en la figura 2a, arriba, ya procede de una rueda de transmisión optimizada en cuanto a los errores de paso y amplitud, puede reconocerse claramente una excentricidad como envolvente. Esta excentricidad se traduce en un error angular que en el peor de los casos (en ángulos de aproximadamente 100º) es de \pm0,4º. También puede reconocerse ya la segunda causa de error esencial como modulación de alta frecuencia. Concretamente, el campo de transmisión de ruedas multipolares magnéticas tiene una parte rectangular cada vez mayor con una separación sensor-rueda polar cada vez menor, que repercute en la desviación periódica del campo de transmisión sinusoidal ideal (véase a este respecto también la figura 4).

Para eliminar los efectos que aparecen debido a una excentricidad de la rueda de transmisión con respecto a su eje de rotación, se propone ahora según la invención disponer varios sensores o elementos sensores alrededor de la rueda de transmisión y formar la media aritmética de cada una de las señales de los sensores. En la figura 3a pueden observarse tres sensores 121, 122, 123 que están dispuestos con separaciones angulares de 120º de forma concéntrica con respecto a una rueda 23 multipolar. En la figura 3b se representa además otra rueda 24 multipolar a la que están asociados los sensores 124, 125, 126. La rueda 24 multipolar se diferencia de la rueda 23 multipolar porque presenta un número diferente de polos múltiples. Las ruedas 23, 24 multipolares se han dibujado una junto a otra únicamente para el fácil reconocimiento de los diferentes números de polos múltiples. Se parte de la base de que están dispuestas de forma coaxial una sobre otra. Nótese que cada sensor 121, 122, 123, 124, 125, 126 puede presentar en este caso varios elementos sensores que generan señales sinusoidales y cosinusoidales con una relación de fase fija entre sí. Las señales obtenidas de cada sensor pueden alimentarse a un dispositivo de análisis. De manera conveniente, según una primera forma de realización preferida del procedimiento según la invención, se calcula ahora el promedio aritmético de las tres señales sinusoidales y de las tres señales cosinusoidales obtenidas para cada rueda de transmisión, con lo que se genera basándose en estas señales sinusoidales y cosinusoidales una señal de arco tangente correspondiente. Las siguientes realizaciones se refieren a las señales que pueden obtenerse con una única rueda de transmisión. Naturalmente, la combinación de las señales de dos o más ruedas de transmisión, tal como se describió anteriormente con referencia a la figura 1, es posible como medida adicional. Para el caso en el que, para una rueda de transmisión, se calcula la media de tres señales de arco tangente así calculadas, se reduce el error representado en la figura 2b, centro, de \pm0,4º a \pm0,04º, tal como se representa en la figura 2c, abajo, curva A. De este modo puede reducirse el error angular original, que resulta de los datos brutos con el procedimiento del arco tangente en un factor de 10.

Además debe observarse que, cuanto menor sea la separación de un sensor con respecto a la rueda multipolar, mayor será la desviación de una señal del sensor generada desde el seno hacia una función rectangular. Esta función rectangular puede representarse, tal como representa la figura 4, como serie de Fourier: a_{1}sen(cx)+a_{3}sen(3cx)+a_{5}sen(5cx)+…. En este caso, el parámetro c está predeterminado de forma fija por el número de polos. Los coeficientes a_{i} de Fourier, es decir las ondas armónicas, pueden determinarse fácilmente mediante la adaptación de la señal de medición. Son ya suficientes de una a dos ondas armónicas para reducir el error tal como representa la figura 2c abajo, curva B, a \pm0,2º. Además, con este procedimiento pueden compensarse los efectos anisotrópicos que producen perturbaciones en el caso del uso de sensores magnetoresistivos .

En la representación anterior se partió de que los sensores pueden disponerse alrededor de cada rueda de transmisión de una forma muy precisa y controlada. Sin embargo, en condiciones reales deben tenerse en cuenta las tolerancias de fabricación. Este tipo de tolerancias de fabricación pueden deberse, por ejemplo, a que un elemento sensor no esté situado en el centro dentro de su alojamiento. Si bien la reducción de ondas armónicas descrita también funciona en un caso de este tipo, la función de cálculo del promedio empeora drásticamente, tal como representa la figura 5. Aquí se muestra que en caso de un desplazamiento de los sensores de 0,25 mm resulta ya un error angular de \pm0,15º. El motivo principal para este efecto se basa en que cada uno de los sensores, por ejemplo los sensores 121, 122, 123 representados en la figura 3, ya no miden la misma fase del campo de transmisión. Para compensar este tipo de efectos, se describe ahora con ayuda de las figuras 6a a 6d otra forma de realización preferida del procedimiento según la invención, que puede aplicarse alternativa o adicionalmente a los procedimientos ya descritos. En este caso se parte de que, en primer lugar, para cada sensor individual, por ejemplo los sensores 121, 122, 123 de la figura 3a, se genera a partir de las señales sinusoidales y cosinusoidales obtenidas en cada caso una señal de arco tangente. Debido al desplazamiento de los sensores, éstas tienen sin embargo una fase cualquiera, tal como se representa en la figura 6a. Para igualar la fase para un posterior cálculo del promedio, se resta en primer lugar la desviación del arco tangente, tal como se representa en la figura 6b. A continuación, se lleva a cabo una división del módulo, es decir, las zonas de la función negativas por la resta de la desviación, tal como muestra la figura 6c, se enganchan a los máximos respectivos de la función arco tangente (es decir, el valor 1 se suma a los valores negativos de la función). La señal resultante, que está representada en parte mediante puntos y en parte mediante una línea continua en la figura 6c, presenta una fase y un margen de valores que coinciden mutuamente. Con la señal de arco tangente modificada obtenida para cada uno de los tres sensores 121, 122, 123 se efectúa ahora un cálculo del promedio.

Con este cálculo del promedio, que se representa de forma esquemática para dos señales de arco tangente en la figura 6d, se forma la media aritmética de las señales de arco tangente modificadas. Se parte de que debe calcularse el promedio de las funciones \alpha_{1} y \alpha_{2} de arco tangente. En este caso deben tenerse en cuenta especialmente las discontinuidades de salto que aparecen al inicio (función \alpha_{1}) y al final (función \alpha_{2}) del intervalo X. Una adición sencilla de los valores de la función en este intervalo daría lugar a resultados insatisfactorios, dado que por ejemplo una adición de los valores de la función en el punto X_{1} llevaría a un valor de la función promediado inferior al valor de la función de \alpha_{2}. Una posibilidad para evitar esta dificultad consiste en que, en las regiones en las que los valores de medición se encuentran en el cuarto superior e inferior del margen de valores, es decir, en el intervalo X, se suma un 1 a los valores de medición inferiores y, sólo a continuación, se forma la media aritmética. De forma conveniente, vuelve a realizarse a continuación una división del módulo para que los valores de medición se sitúen de nuevo en el intervalo adecuado [0; 1]. De forma alternativa, para reconocer una discontinuidad de salto también podría observarse la desviación estándar.

De forma análoga al cálculo del promedio anteriormente descrito para la eliminación de la excentricidad, también puede realizarse en cada procedimiento dado de cálculo del promedio de arco tangente (como primera etapa para cada elemento sensor por separado) la corrección de ondas armónicas también ya descrita. Suponiendo un desplazamiento extremo de los elementos sensores de 1 mm en cada caso, se consigue con este procedimiento por lo menos una precisión de 0,04º, tal como se representa en la figura 7, curva C. Sin la corrección de ondas armónicas se obtiene una curva de errores angulares con un error de 0,06º, tal como se representa en la figura 7 mediante la curva D.

En conjunto se obtiene una señal de arco tangente correspondiente, por ejemplo, a la señal \alpha(\varphi) de la figura 1 que, sin embargo, es esencialmente menos susceptible o propensa al error que ésta. Tras la obtención análoga de una segunda señal de arco tangente correspondiente a la señal \beta(\varphi), puede utilizarse por ejemplo el método de nonio descrito.

Claims

1. Dispositivo para la medición de ángulos con al menos una rueda (23, 24) de transmisión, al menos un dispositivo de análisis y al menos un sensor (121, 122, 123, 124, 125, 126) que comprende al menos un elemento sensor que actúa conjuntamente con la rueda (23, 24) de transmisión, pudiendo obtenerse mediante la acción conjunta de la rueda de transmisión y el sensor un par de señales sinusoidales y cosinusoidales que pueden asociarse a un ángulo a medir, estando previstas dos ruedas (23, 24) de transmisión dispuestas de forma fija entre sí y que pueden girar alrededor de un eje de rotación común, presentando las ruedas (23, 24) un número diferente de segmentos de transmisión y estando dispuestos en cada caso tres sensores (121, 122, 123, 124, 125, 126) distribuidos alrededor de cada rueda (23, 24), cuyas señales sinusoidales y cosinusoidales pueden ponerse en relación matemática para la obtención de una señal sinusoidal promediada o una señal cosinusoidal promediada y/o, tras la formación de una señal de arco tangente a partir de cada una de las señales sinusoidales o cosinusoidales promediadas o no, para la obtención de una señal de arco tangente promediada mediante el dispositivo de análisis.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera rueda (23) de transmisión presenta n segmentos y la segunda rueda (24) de transmisión, n+1 segmentos.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los sensores (121, 122, 123, 124, 125, 126) están configurados como sensores Hall.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una rueda (23, 24) de transmisión está configurada como rueda multipolar magnética.

5. Procedimiento para la medición de ángulos basándose en al menos un par de señales de sensor sinusoidales y cosinusoidales que pueden asociarse a un ángulo a medir, que se generan mediante la acción conjunta de al menos una rueda (23, 24) de transmisión con al menos un sensor (121, 122, 123, 124, 125, 126), empleando dos ruedas (23, 24) de transmisión dispuestas de forma fija entre sí y que pueden girar alrededor de un eje de rotación común, presentando las ruedas (23, 24) de transmisión un número diferente de segmentos de transmisión y estando dispuestos en cada caso tres sensores (121, 122, 123, 124, 125, 126) distribuidos alrededor de cada rueda (23, 24), los cuales proporcionan respectivamente señales sinusoidales o cosinusoidales, obteniéndose al menos dos pares de señales de una señal sinusoidal y una señal cosinusoidal y las señales sinusoidales y cosinusoidales de cada par se ponen en relación matemática para la obtención de una señal sinusoidal o cosinusoidal promediada y/o, tras la formación de una señal de arco tangente a partir de cada una de las señales sinusoidales y cosinusoidales promediadas o no, para la obtención de una señal de arco tangente promediada.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque se realiza una corrección de las ondas armónicas de las señales obtenidas antes y/o después del cálculo de su promedio, en el que las señales de partida de los sensores se desarrollan en una serie de Fourier y los coeficientes de Fourier, que corresponden a las ondas armónicas, se determinan y se tienen en cuenta para el procesamiento de la señal.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado porque el cálculo del promedio del arco tangente comprende una corrección de la desviación y/o una división del módulo para la adaptación de la fase y el margen de valores de cada una de las señales de arco tangente de las que va a calcularse el promedio y/o la formación de la media aritmética de las señales de arco tangente así modificadas.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la formación de la media aritmética se realiza teniendo en cuenta matemáticamente las discontinuidades de salto de las señales de arco tangente de las que va a calcularse el promedio.