FR2898973A1 - Rotating shaft`s e.g. steering column, absolute angular position measuring sensor for motor vehicle, has processing unit calculating absolute angular position of shaft based on relative angular position and positions of distributed segments - Google Patents
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Abstract
Description
Capteur d'angle La présente inventiion concerne un capteur d'angle, enAngle sensor The present invention relates to an angle sensor,
particulier un capteur d'angle pour une colonne de direction d'un véhicule automobile. On connaît différents capteurs d'angle pour colonne de direction pour véhicule automobile. De tels capteurs délivrent par exemple des signaux de la position du volant à un système de direction assistée électrique ( EPS ù pour Electrical power steering). En fonction de l'angle de braquage, l'assistance de direction est plus ou moins forte. Une autre application concerne les systèmes de stabilisation du véhicule ( ESP - Electrical Stabilisation Programm pour programme de stabilisation électrique). particular an angle sensor for a steering column of a motor vehicle. Different angle sensors are known for a steering column for a motor vehicle. Such sensors deliver, for example, signals from the steering wheel position to an electric power steering system (EPS). Depending on the steering angle, the steering assistance is more or less strong. Another application relates to vehicle stabilization systems (ESP - Electrical Stabilization Program).
Différentes approches technologiques sont aujourd'hui connues et utilisées dans le domaine de l'automobile. Par exemple le document EP 1 074 452 décrit un capteur d'angle fonctionnant avec deux disques codés dont les mots codés sont lus par un capteur de préférence optique. Different technological approaches are now known and used in the automotive field. For example, the document EP 1 074 452 describes an angle sensor operating with two coded disks whose coded words are read by an optical preference sensor.
Un premier disque codé est relié fixe en rotation à la colonne de direction et tourne avec celle-ci. Par conséquent, quand le volant tourne de 360 , le disque codé tourne également de 360 . Un deuxième disque codé périphérique est porté rotatif et relié via une transmission réductrice au premier disque. A first coded disk is rotatably connected to the steering column and rotates therewith. Therefore, when the steering wheel turns from 360, the coded disc also rotates by 360. A second peripheral coded disk is rotatably supported and connected via a reducing transmission to the first disk.
Le facteur de transmission est choisi de telle manière que le deuxième disque tourne de 360 pour l'ensemble de la course rotative du volant. Ce capteur d'angle connu présente un encombrement radial important du fait des disques codés. En effet, pour obtenir une résolution assez fine sur l'ensemble de la course rotative, il est nécessaire d'avoir un nombre important de pistes codées sur chaque disque. SFR7179 Le document EP 0 947 389 décrit un capteur d'angle optique fonctionnant avec des disques codés selon des nuances de gris. Le document EP 1 238 891 décrit un capteur d'angle fonctionnant d'une part avec un disque codé relié fixe en rotation à la colonne de direction et un capteur optique pour déterminer la position angulaire relative de la colonne de direction (mesure sur 360 ) ainsi qu'une unité de mesure par effet Hall du nombre complet de tour du volant magnétique. Une unité de traitement calcule la position angulaire absolue du volant sur toute la course rotative du volant entre -2,5 tours et 2,5 tours. Le document EP 1 574 421 propose une autre alternative pour réaliser un capteur d'angle magnétique permettant de mesurer la position absolue du volant. Dans cet exemple, il y a un disque avec des segments circulaires de pôles magnétiques, en alternance pôle Nord - pôle Sud, dont la position est détectée par deux sondes Hall. Ce premier disque est relié fixe en rotation à la colonne de direction et tourne en même temps que celle-ci. Une roue dentée entraînée par le premier disque à une vitesse correspondant à deux fois la vitesse de rotation du premier disque et présentant un noyau annulaire magnétique avec des sondes Hall permet par combinaison avec des signaux délivrés par les capteurs Hall du premier disque de déterminer la position absolue de la colonne de direction. La présente invention vise à proposer un capteur d'angle alternatif qui soit à la fois fiable et simple et relativement peu encombrant. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur d'angle destiné à mesurer la position angulaire absolue d'un axe tournant, en particulier une colonne de direction d'un véhicule automobile, sur une course rotative à plusieurs tours de rotation, comprenant • une roue d'entraînement destinée à être montée fixe en rotation avec ledit axe tournant, • une roue de mesure de la position angulaire relative de l'axe tournant, ladite roue de mesure étant entraînée par ladite roue d'entraînement, SFR7179 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité compte tour comprenant un élément mobile et des moyens indépendants de ladite roue de mesure pour entraîner de façon intermittente l'élément mobile sur une course de déplacement prédéfinie. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un capteur d'angle selon l'invention d'après un premier mode de réalisation, - la figure 2 est un schéma synoptique de divers composants de mesure du dispositif selon l'invention., - la figure 3 est un diagramme présentant de façon schématique des signaux de mesure et permettant d'expliquer le fonctionnement du capteur d'angle selon l'invention, et - la figure 4 est une vue en perspective d'un capteur d'angle selon l'invention d'après un second mode de réalisation. The transmission factor is chosen such that the second disc rotates 360 for the entire rotational stroke of the steering wheel. This known angle sensor has a large radial size due to the coded discs. Indeed, to obtain a fairly fine resolution over the entire rotational race, it is necessary to have a large number of tracks coded on each disk. SFR7179 EP 0 947 389 discloses an optical angle sensor operating with discs encoded in shades of gray. The document EP 1 238 891 describes an angle sensor operating on the one hand with a fixed coded disk fixed in rotation to the steering column and an optical sensor for determining the relative angular position of the steering column (measurement on 360). as well as a unit of measurement by Hall effect of the complete number of turns of the magnetic flywheel. A processing unit calculates the absolute angular position of the steering wheel over the entire rotational stroke of the steering wheel between -2.5 turns and 2.5 turns. Document EP 1 574 421 proposes another alternative for producing a magnetic angle sensor for measuring the absolute position of the steering wheel. In this example, there is a disk with circular segments of magnetic poles, alternating North Pole - South Pole, whose position is detected by two Hall probes. This first disc is fixedly fixed in rotation to the steering column and rotates at the same time as the latter. A gear driven by the first disk at a speed corresponding to twice the rotational speed of the first disk and having a magnetic ring core with Hall probes allows in combination with signals delivered by the Hall sensors of the first disk to determine the position. absolute of the steering column. The present invention aims to provide an alternative angle sensor that is both reliable and simple and relatively compact. For this purpose, the object of the invention is an angle sensor intended to measure the absolute angular position of a rotating axis, in particular a steering column of a motor vehicle, over a rotary stroke with several revolutions of rotation, comprising: • a drive wheel intended to be mounted fixed in rotation with said rotating axis, • a wheel for measuring the relative angular position of the rotating shaft, said measuring wheel being driven by said drive wheel, SFR7179 characterized in that it further comprises a tower count unit comprising a movable member and means independent of said measuring wheel for intermittently driving the movable member over a predefined travel path. Other advantages and characteristics will appear on reading the description of the invention, as well as the appended drawings in which: - Figure 1 is a perspective view of an angle sensor according to the invention according to a first embodiment, - Figure 2 is a block diagram of various measuring components of the device according to the invention; - Figure 3 is a diagram showing schematically measuring signals and to explain the operation of the sensor angle of the invention, and - Figure 4 is a perspective view of an angle sensor according to the invention according to a second embodiment.
Sur la figure 1 est représenté un capteur d'angle 1 selon l'invention destiné à mesurer la position absolue d'un axe tournant (non représenté), en particulier une colonne de direction d'un véhicule automobile. Cet axe tournant peut, entre deux butées prédéfinies, faire plusieurs tours complets. In Figure 1 is shown an angle sensor 1 according to the invention for measuring the absolute position of a rotating shaft (not shown), in particular a steering column of a motor vehicle. This rotating axis can, between two predefined stops, make several complete turns.
Dans le cadre d'une colonne de direction par exemple, le volant tourne par rapport à une position neutre, correspondant à la conduite toute droite, de -2,5 tours à + 2,5 tours, c'est-à-dire sur une plage de -2.5*360 = -900 à +2.5*360 = +900 . L'objectif est donc de mesurer la position angulaire absolue sur toute la plage de mesure allant, dans le présent exemple, de -900 à +900 . In the context of a steering column for example, the steering wheel rotates relative to a neutral position, corresponding to the straight line, from -2.5 turns to + 2.5 turns, that is to say on a range of -2.5 * 360 = -900 to + 2.5 * 360 = +900. The objective is therefore to measure the absolute angular position over the entire measuring range, in the present example, from -900 to +900.
A cet effet, le capteur comprend une roue dentée 3, par exemple une bague présentant une denture 5 adaptée, apte à être montée fixe en rotation sur l'axe tournant. Cette roue dentée 3 est maintenue dans un pallier lisse 7 dont on ne voit que la partie boîtier. La denture 7 de la roue d'entraînement 3 engrène avec une roue dentée de 30 mesure 9. SFR7179 Cette roue de mesure 9 comprend en son centre un aimant bipolaire intégré 11 définissant un champ magnétique dont l'axe tourne avec la roue de mesure 9. Un composant 13 de mesure de l'orientation du champ magnétique par effet Hall est placé au dessus de l'aimant 11 de manière que l'on puisse mesurer la position angulaire relative de la roue de mesure 9 et, par conséquent en déduire la position angulaire relative de la roue dentée d'entraînement 3. Bien entendu, d'autres techniques pour mesurer l'orientation du champ magnétique, par exemple par effet magnétorésistif peuvent également être utilisées. La roue de mesure 9 présente avantageusement la particularité que le rapport d'entraînement est choisi de façon qu'elle soit entraînée sur moins de 360 pour un tour complet de la roue d'entraînement. Avantageusement, le produit arithmétique de la multiplication entre d'une part le nombre de déplacements unitaires prédéfinies de l'élément mobile 17 sur un tour de la roue d'entraînement 3 et d'autre part le nombre de dents de la roue de mesure 9 est supérieur au nombre de dents de ladite roue d'entraînement 3. Exprimé par une formule mathématique : Nätain < Nnaesure x R For this purpose, the sensor comprises a toothed wheel 3, for example a ring having a set of teeth 5 adapted to be mounted fixed in rotation on the rotating axis. This toothed wheel 3 is held in a smooth bearing 7 which only shows the housing part. The toothing 7 of the drive wheel 3 meshes with a measurement gear 9. SFR7179 This measuring wheel 9 comprises at its center an integrated bipolar magnet 11 defining a magnetic field whose axis rotates with the measurement wheel 9 A component 13 for measuring the orientation of the magnetic field by Hall effect is placed above the magnet 11 so that it is possible to measure the relative angular position of the measuring wheel 9 and, consequently, to deduce the relative angular position of the drive gear 3. Of course, other techniques for measuring the orientation of the magnetic field, for example by magnetoresistive effect can also be used. The measuring wheel 9 advantageously has the particularity that the drive ratio is chosen so that it is driven on less than 360 for a complete revolution of the drive wheel. Advantageously, the arithmetic product of the multiplication between on the one hand the number of predefined unit displacements of the mobile element 17 on one turn of the drive wheel 3 and on the other hand the number of teeth of the measuring wheel 9 is greater than the number of teeth of said drive wheel 3. Expressed by a mathematical formula: Nätain <Nnaesure x R
où : Nma;,, ù est le nombre de dents de la roue d'entrainement 3 Nmesure ù est le nombre de dents de la roue de mesure 9 R ù est le nombre de déplacements unitaires prédéfinies de l'élément mobile 17 sur un tour de la roue d'entraînement 3 (dans le présent exemple avec une seule protubérance d'entraînement R=5. Si dans une variante non représentée, on prévoit deux protubérances diamétralement opposées, l'élément mobile est entraîné deux fois pour un tour complet de la roue d'entraînement 3 et donc R=2). De préférence, la course rotative de la roue de mesure est comprise dans une plage entre 300 et 350 , dans le présent exemple une valeur de course de 330 a été choisie pour un tour complet de 360 de rotation de la roue d'entraînement 3. SFR7179 Comme on va le voir plus loin, ce rapport est d'importance, car il permettra de lever des ambiguïtés de mesure qui peuvent éventuellement se présenter dans certaines configurations du dispositif selon l'invention. Pour déterminer le nombre de tours effectués par le volant et donc par la roue d'entraînement 3, le dispositif comprend une unité compte tour présentant d'une part un élément mobile 17 et d'autre part des moyens 19 indépendants de ladite roue de mesure 9 pour entraîner de façon intermittente l'élément mobile 17 sur une course de déplacement prédéfinie. Les moyens 19 pour entraîner de façon intermittente l'élément mobile 17 comprennent au moins une protubérance 21 isolée engrenant avec la denture 22 de l'élément mobile 17 sur une portion de course, c'est-à-dire une unité de déplacement ou un pas de déplacement, pour déplacer l'élément mobile 17 de ladite course de déplacement prédéfinie. Plus en détail, ladite protubérance comprend deux dents 23, 25 de denture définissant une encoche 27 d'entraînement entre-elles. De préférence, ladite protubérance 21 est portée par un anneau 29 agencé fixe en rotation avec ledit axe tournant, ou plus avantageusement encore, réalisé d'une seule pièce avec ladite roue d'entraînement 3. Comme on le voit sur la figure 1, l'élément mobile 17 comprend une roue dentée 20 qui comprend au moins autant de dents que de tours complets à compter. Selon une variante non représentée, l'élément mobile comprend une crémaillère guidée en translation. Selon encore une autre variante non représentée, on peut prévoir qu'il y plusieurs protubérances d'entraînement, par exemple deux, de sorte que le compte tour 25 avance d'une unité non tous les 360 , mais par exemple tous les 180 . L'élément mobile 17, comprend aussi des pôles magnétiques dont la position est déterminée par des capteurs à effet Hall, de préférence des interrupteurs Hall 31. La figure 2 montre un schéma synoptique de divers composants de mesure du dispositif selon l'invention en particulier des interrupteurs Hall 31 et le composant 13 de 30 mesure de l'orientation du champ magnétique. SFR7179 Tous ces composants de mesure sont reliés à une unité de traitement 33. Cette unité de traitement 33 va calculer, à partir des signaux reçus, la position angulaire de la roue de mesure ainsi que la position de la roue dentée 17 pour déterminer la position des nombres de tours effectués, c'est-à-dire les plages d'angle dans lesquelles doit se trouver la roue d'entraînement et donc la colonne de direction. La figure 3 présente un graphe dans lequel des droites 40, 41, 42, 43, 44 représentent des signaux de mesure venant du composant 13 en fonction de la position angulaire de la roue de mesure 9. Pour chaque tour complet effectué de la roue de mesure 9, on a donc une droite. where: Nma; ,, where is the number of teeth of the drive wheel 3 Nmesure where is the number of teeth of the measuring wheel 9 R where is the number of predefined unit displacements of the movable member 17 on a lathe of the drive wheel 3 (in the present example with a single driving protrusion R = 5. If in a variant not shown, two diametrically opposite protuberances are provided, the movable element is driven twice for a complete revolution of the drive wheel 3 and therefore R = 2). Preferably, the rotational travel of the measuring wheel is in a range between 300 and 350, in the present example a stroke value of 330 has been chosen for a complete revolution of 360 of rotation of the drive wheel 3. SFR7179 As will be seen below, this report is of importance because it will remove measurement ambiguities that may possibly occur in certain configurations of the device according to the invention. To determine the number of revolutions made by the steering wheel and therefore by the drive wheel 3, the device comprises a tower count unit having on the one hand a movable element 17 and on the other hand means 19 independent of said measuring wheel. 9 to intermittently drive the movable member 17 on a predefined displacement path. The means 19 for intermittently driving the movable member 17 comprise at least one isolated protrusion 21 meshing with the toothing 22 of the movable member 17 on a stroke portion, that is to say a displacement unit or a no displacement, to move the movable member 17 of said predefined displacement stroke. In more detail, said protuberance comprises two teeth 23, 25 of teeth defining a notch 27 driving between them. Preferably, said protuberance 21 is carried by a ring 29 arranged fixed in rotation with said rotating axis, or more advantageously still, formed in one piece with said drive wheel 3. As can be seen in FIG. movable member 17 comprises a gearwheel 20 which comprises at least as many teeth as complete laps to count. According to a variant not shown, the movable element comprises a rack guided in translation. According to yet another variant not shown, it can be expected that there are several drive protrusions, for example two, so that the revolution count advance of one unit not every 360, but for example every 180. The movable element 17 also comprises magnetic poles whose position is determined by Hall effect sensors, preferably Hall switches 31. FIG. 2 shows a block diagram of various measuring components of the device according to the invention in particular Hall switches 31 and component 13 for measuring the orientation of the magnetic field. SFR7179 All these measuring components are connected to a processing unit 33. This processing unit 33 will calculate, from the received signals, the angular position of the measuring wheel as well as the position of the toothed wheel 17 to determine the position number of turns made, that is to say the angle ranges in which should be the drive wheel and therefore the steering column. FIG. 3 shows a graph in which lines 40, 41, 42, 43, 44 represent measurement signals coming from component 13 as a function of the angular position of measuring wheel 9. For each complete revolution of the wheel of FIG. measure 9, so we have a straight line.
De plus, on a représenté sur ce graphe par des niveau de gris différents des tours de la roue d'entraînement l 3 et donc de la colonne de direction. Dans le présent exemple, on va donc définir que le premier tour couvre la plage d'angles de -900 à -540 , le deuxième tour la plage d'angle entre -540 à -180 , le troisième tour la plage d'angle entre -180 à +180 , le quatrième tour la plage d'angle entre +180 à +540 et finalement le cinquième tour la plage entre +540 à +900 . Prenons, par exemple le point de mesure 45 sur la figure 3. Dans ce cas, le composant 13 donne une position angulaire relative de la roue de mesure 9 de 150 et les interrupteurs Hall 31 un signal correspondant au tour N 2 de la colonne de direction et donc du volant. L'unité de traitement 33 en déduit que la position absolue de la colonne de direction est de -360 . Rappelons que la roue de mesure 9 ne fait dans le présent exemple qu'une rotation de 330 pour une rotation de 360 de la roue d'entraînement 3. Cette disposition permet avantageusement de lever des incohérences et en plus de résoudre des éventuelles pertes de la position absolue lorsqu'il y a par exemple une coupure de courant, ou lorsque le capteur a été mis en veille ou éteint, lorsque le véhicule a été arrêl:é. De plus, cette disposition permet de s'affranchir de moyens coûteux pour mesurer précisément la position de la roue compte-tour 17 à la charnière de deux tours, par exemple autour de -540 . SFR7179 En effet, les moyens de traitement 33 comprennent en outre des moyens 35 de vérification de la cohérence entre la position angulaire relative de la roue de mesure et l'élément mobile. Prenons comme exemple le point de mesure 50. On va supposer que le composant 13 a délivré un signal correspondant à un angle relatif de 345 et, par incertitude de mesure par exemple, que les composants 31 ont délivrés un signal correspondant à Tour N 1 , c'est-à-dire la plage d'angles comprises entre -900 et - 540 . Dans ce cas, les moyens de vérification de la cohérence 35 relèvent une incohérence, car pour le tour N 1, seul les positions angulaires de 0 à 330 comme position angulaire relative de la roue de mesure sont acceptables. Dans ce cas, l'unité 33 procède elle-même à la correction, car une valeur de position relative de 345 entre le tour N 1 et le tour N 2 ne peut qu'appartenir qu'au tour N 2 comme on le voit sur le graphe. In addition, this graph is represented by different gray levels of the turns of the drive wheel 13 and thus of the steering column. In this example, we will define that the first turn covers the range of angles from -900 to -540, the second turn the angle range between -540 to -180, the third turn the angle range between -180 to +180, the fourth turn the angle range between +180 to +540 and finally the fifth turn the range between +540 to +900. Take, for example, the measuring point 45 in FIG. 3. In this case, the component 13 gives a relative angular position of the measuring wheel 9 of 150 and the switches Hall 31 a signal corresponding to the turn N 2 of the column of direction and therefore the steering wheel. The processing unit 33 deduces that the absolute position of the steering column is -360. Recall that the measuring wheel 9 does in this example only a rotation of 330 for a 360 rotation of the drive wheel 3. This provision advantageously allows to remove inconsistencies and in addition to resolve possible losses of the absolute position when, for example, there is a power failure, or when the sensor has been put on standby or switched off, when the vehicle has been stopped: é. Moreover, this arrangement makes it possible to dispense with expensive means for accurately measuring the position of the lap-counter wheel 17 at the hinge of two turns, for example around -540. SFR7179 Indeed, the processing means 33 further comprise means 35 for checking the coherence between the relative angular position of the measuring wheel and the movable element. Take as an example the measuring point 50. It will be assumed that the component 13 has delivered a signal corresponding to a relative angle of 345 and, by measurement uncertainty, for example, that the components 31 have delivered a signal corresponding to Tour N 1, that is, the range of angles between -900 and -540. In this case, the consistency checking means 35 is inconsistent, because for the N 1 turn, only the angular positions from 0 to 330 as the relative angular position of the measuring wheel are acceptable. In this case, the unit 33 itself performs the correction, since a relative position value of 345 between the turn N 1 and the turn N 2 can only belong to the turn N 2 as seen on the graph.
La figure 3 présente donc pour chaque tour une zone grise 60 qui constitue des valeurs incohérentes avec les valeurs de mesure de la position angulaire relative de la roue de mesure 9. Des flèches 62 et 64 montrent les corrections à apporter au nombre de tours mesurés en cas d'incohérence. Ainsi, les flèches 62 indiquent qu'il faut augmenter le nombre de tours alors les flèches 64 indiquent qu'il faut diminuer le nombre de tours mesurés. La figure 4 présente une variante du capteur d'angle selon l'invention. Sur cette figure, les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes numéros de référence. FIG. 3 therefore presents for each tower a gray area 60 which constitutes values that are inconsistent with the measurement values of the relative angular position of the measurement wheel 9. Arrows 62 and 64 show the corrections to be made to the number of revolutions measured in FIG. inconsistency. Thus, the arrows 62 indicate that it is necessary to increase the number of turns then the arrows 64 indicate that it is necessary to reduce the number of revolutions measured. Figure 4 shows a variant of the angle sensor according to the invention. In this figure, the elements identical to those of Figure 1 bear the same reference numbers.
Cette variante se distingue de la figure 1 par le fait que la protubérance 21 est portée par une roue intermédiaire réductrice 90 agencée entre la roue d'entraînement 3 et la roue de mesure 9. Plus en détail, cette roue intermédiaire est réalisée sous la forme d'un pignon à trois étages, à savoir, un étage de denture 70 en prise avec la roue d'entraînement 3, un SFR7179 étage intermédiaire présentant la protubérance 21 et un étage de denture 72 en prise avec la roue de mesure 9. Cette roue intermédiaire 90 ainsi réalisée permet de réduire encore plus l'encombrement du capteur d'angle selon l'invention. This variant differs from Figure 1 in that the protrusion 21 is carried by a reducing intermediate wheel 90 arranged between the drive wheel 3 and the measuring wheel 9. In more detail, this intermediate wheel is made in the form of a three-stage pinion, namely, a gear stage 70 in engagement with the drive wheel 3, an intermediate stage SFR7179 having the protrusion 21 and a gear stage 72 in engagement with the measuring wheel 9. This intermediate wheel 90 thus produced can further reduce the size of the angle sensor according to the invention.
Bien entendu, plusieurs variantes du capteur d'angle décrit ci-dessus sont possibles sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, la détermination de la position angulaire relative aussi bien pour la roue de mesure que pour l'élément mobile peut se faire par tout moyen approprié. Enfin, on précise qu'en particulier pour le bon fonctionnement du capteur en ce qui concerne le fait de relever des éventuelles incohérences de mesure, il est important que l'élément mobile ne soit pas entraîné par la roue de mesure, mais soit entraîné indépendamment die celle-ci. SFR7179 30 Of course, several variants of the angle sensor described above are possible without departing from the scope of the present invention. Thus, the determination of the relative angular position for both the measuring wheel and the movable element can be done by any appropriate means. Finally, it is specified that in particular for the proper functioning of the sensor with regard to the fact of noting any measurement inconsistencies, it is important that the movable element is not driven by the measuring wheel, but is driven independently. die this one. SFR7179 30
Claims (4)
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