电力辅助转向系统

摘要

一种电力辅助转向系统，包括：输入轴(5)和输出轴(3)；连接到输出轴(3)的电马达(2)；包括下述中的一个或多个的至少两个传感器：位置传感器(15)，转矩传感器(6)，和马达(2)位置传感器；以及马达控制器(8)，其使得马达(2)依据由转矩传感器(6)测量的转矩施加辅助转矩，其中，传感器中的每个产生由在离散时间捕获的一串数字样本代表的至少一个输出信号，且其中，所述设备还包括：处理装置，其设置成一起处理来自两个处理单元的输出信号以产生至少一个附加信号。每个输出信号的至少一个样本值标记有指示生成样本的时间的时间戳，且其中，处理装置在处理样本之前或期间校正时间戳样本中的每个，以减少可能由于生成样本的时间差异出现的误差。

权利要求

1.一种电力辅助转向系统，其包括：连接到转向轮的输入轴和连接到车辆的一个或多个行路轮的输出轴；连接到输出轴的电马达；以及测量由转动车轮的驱动器施加到输入轴的转矩的转矩传感器；包括下述传感器中的一个或多个的至少两个传感器：测量输入轴的位置的位置传感器、、测量马达转子的角度位置的马达位置传感器；以及依据由转矩传感器测量的转矩使得马达施加辅助转矩的马达控制器，其中，每个传感器产生由在离散时间捕获的一串数字样本代表的至少一个输出信号，且其中，所述两个附加的传感器中的每个包括处理单元，所述处理单元包括由计时器驱动的处理器；

处理装置，其设置成一起处理来自所述传感器的输出信号以产生至少一个附加信号，其中，每个输出信号的至少一个样本值通过所述处理器而被标记有时间戳，所述时间戳指示生成样本的时间，该时间通过计时器周期来指示，且其中，处理装置在处理样本之前或期间校正每个时间戳样本，以减少可能由于生成样本的时间差异出现的误差。

2.根据权利要求1所述的电力辅助转向系统，其中，处理装置设置成确定相应计时器的定时之间的差异，且在处理样本之前修改每个样本以校正定时差异。

3.根据权利要求2所述的电力辅助转向系统，其中，修改的步骤包括：基于在早期捕获的一个或多个样本和在后期捕获的一个或多个样本的分析而插入样本值。

4.根据权利要求2所述的电力辅助转向系统，其中，每个处理器具有其自身的计时器，且使用中发射处理器适于发射样本以及指示样本年龄的值，且接收处理器适于使用样本年龄以及时间戳来确定所述两个处理器的计时器之间的定时差异。

5.根据权利要求4所述的电力辅助转向系统，其中，接收处理器还适于从所述年龄减去代表所述两个处理器之间的通讯延迟的量。

6.根据权利要求3所述的电力辅助转向系统，其中，年龄信息包括在处理器发射样本的时间和施加到样本的时间戳之间的差。

7.根据权利要求1所述的电力辅助转向系统，其中，传感器之一包括产生取决于输入轴的角度位置的至少一个输出信号的上柱角度位置感应器的一部分。

8.根据权利要求1所述的电力辅助转向系统，其中，传感器之一包括产生取决于输出轴的角度位置的至少一个输出信号的下柱位置感应器的一部分。

9.根据权利要求1所述的电力辅助转向系统，其中，传感器的至少之一包括：编码器，其包括多个隔开的编码区域；和检测器，其在编码区域的边缘被检测器看见时产生值变化的信号，且可与信号值变化的时间对应地施加时间戳。

说明书

电力辅助转向系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电力辅助转向系统的改进。

背景技术

[0002] 在典型的电力辅助转向系统中，诸如三相DC电马达的电马达连接到转向机构的一部分，典型地连接到将车辆的转向轮连接到行路轮的转向轴。诸如转矩传感器的传感器产生指示由驱动器施加到转向轮的转矩的信号，且这个信号被供给到微处理器中。微处理器使用这个信号产生用于马达的控制信号，所述控制信号指示马达所需的转矩或电流。这些控制信号在微处理器内转换成用于马达的每个相位的电压波形，且这些电压波形继而从微处理器发送到马达桥驱动器。

[0003] 马达桥驱动器将通常是低电平电压波形的控制信号转换成施加到马达桥的相应相位的较高电平电压驱动信号。典型的桥包括一组开关，所述一组开关依据从桥驱动器电路施加到开关的高电平电压驱动信号而将电流从电源选择性施加到马达的相位。通过控制开关，能够相关于马达转子位置控制马达中的电流，从而允许控制马达产生的转矩。由此导致使用中的马达将辅助转矩施加到转向系统，转向系统帮助或辅助驱动器转动转向轮。因为这个转矩影响转矩传感器的输出，这形成闭环控制的类型，从而允许实现马达转矩的准确控制。

[0004] 转矩传感器典型地包括扭杆和两个角度位置传感器，所述两个角度位置传感器之一提供代表在扭杆的一侧上的转向系统的角度位置的输出信号，且所述两个角度位置传感器中的另一个提供代表在扭杆的另一侧上的转向系统的角度位置的输出信号。当无转矩施加时，所述两个输出信号将对准，但是在转矩被施加时，扭杆扭转引起所述两个角度位置传感器脱离对准。输出信号中的这个相对变化提供了所需的转矩测量值。

[0005] 为了在失效的情况下提供安全性的附加余量，通常使用产生两个信息通道的双通道转矩传感器，每个通道分别提供转矩测量值。使用中，将每个通道指示的转矩相对于另一个进行检查，如果它们是一致的，能够认为转矩值是可靠的。如果它们不一致，则一个或两个通道可能有错误且能够增加错误标记。通常当这发生时，马达不施加辅助转矩。

[0006] 虽然双通道转矩传感器给出提高的安全性，但是在一个通道有错误的情况下，即使另一通道没有错误，也不可继续安全地施加辅助转矩，部分原因是因为可能不能辨别哪个通道有错误而哪个通道可靠，而且也因为无法提供对于在剩余那个好通道中出现后续错误的防护。

发明内容

[0007] 因此本发明的目的是提供一种电力辅助转向设备，其改善当检测到错误时的与现有技术系统有关的问题。

[0008] 根据本发明的第一方面，提供一种电力辅助转向系统，其包括：连接到转向轮的输入轴和连接到车辆的一个或多个行路轮的输出轴；连接到输出轴的电马达；包括下述传感器中的一个或多个的至少两个传感器：测量输入轴的位置的位置传感器、测量由转动车轮的驱动器施加到输入轴的转矩的转矩传感器、测量马达转子的角度位置的马达位置传感器；以及依据由转矩传感器测量的转矩使得马达施加辅助转矩的马达控制器，[0009] 其中，传感器中的每个产生由在离散时间捕获的一串数字样本代表的至少一个输出信号，且其中，所述设备还包括：

[0010] 处理装置，其设置成一起处理来自两个处理单元的输出信号，以产生至少一个附加信号，

[0011] 其特征在于，每个输出信号的至少一个样本值标记有指示生成样本的时间的时间戳，且其中，处理装置在处理样本之前或期间校正每个时间戳样本，以减少可能由于生成样本的时间差异出现的误差。

[0012] 通过设置时间戳，能够减少可能由于样本的产生之间的定时不准确出现的误差。

[0013] 所述两个传感器中的每个可包括由共同的计时器或由分开的计时器驱动的处理器。

[0014] 时间戳可由处理器施加且指示生成样本的计时器周期。

[0015] 处理装置可设置成确定相应计时器的定时之间的差异，且在处理样本之前修改每个样本以校正定时差异。

[0016] 修改步骤可包括：基于在早期捕获的一个或多个样本和在后期捕获的一个或多个样本的分析而插入样本值。

[0017] 在细化方案中设置两个处理器，一个处理器将时间戳施加到样本且将时间戳发射到另一个处理器，每个处理器具有其自身的计时器，发射处理器可发射样本和指示样本年龄的值，接收处理器可使用样本年龄以及时间戳以确定所述两个处理器的计时器之间的定时差异。

[0018] 年龄的使用将允许由于计时器没有被同步引起的误差。

[0019] 接收处理器还可从年龄减去代表所述两个处理器之间的通讯延迟的量，以使得这在计算计时器之间的定时误差时不引入误差。

[0020] 年龄信息可包括在处理器发射样本的时间和施加到样本的时间戳之间的差。

[0021] 传感器之一可包括产生取决于输入轴的角度位置的至少一个输出信号的上柱角度位置感应器的一部分。

[0022] 另一传感器可包括产生取决于输出轴的角度位置的至少一个输出信号的下柱位置感应器的一部分。

[0023] 作为指示诸如角度的受测参数的样本值的替换或补充，也可产生指示受测参数之间的差或差分、例如两个传感器的输出之间的差的样本值。

[0024] 传感器的至少之一可包括：编码器，其包括多个隔开的编码区域；和检测器，其在编码区域的边缘由检测器看到时产生值变化的信号，且时间戳可与信号值变化的时间对应地施加。

[0025] 输入轴和输出轴可包括将转向轮连接到转向齿条的转向柱轴的相反两端。

[0026] 输入轴和输出轴可由扭杆连接。转矩传感器可包括定位在扭杆的每侧上的一组角度位置传感器，所述设备根据由这些传感器指示的输入轴和输出轴的相对位置确定转矩。这些传感器中的一个或两者可提供在至少(且优选大于)扭杆的一个完整转圈的范围内的绝对角度位置信号。

[0027] 由处理装置产生的附加信号可包括用于检验由转矩传感器产生的转矩信号的值的附加转矩信号。这个附加转矩信号可通过利用来自在输入轴上的至少一个位置传感器的输出信号处理来自马达位置传感器的输出信号而产生。

[0028] 生成转矩信号的处理装置可包括：

[0029] 基于扭杆的角度偏转生成第一转矩信号的第一转矩信号生成器，[0030] 基于扭杆的角度偏转生成第一转矩信号的第二转矩信号生成器。

[0031] 所述设备可还包括绝对位置信号生成器，所述绝对位置信号生成器在使用中产生指示上柱轴的角度位置的绝对上柱位置信号。

[0032] 所述设备可还包括虚拟转矩信号生成器，所述虚拟转矩信号生成器在使用中适于从由处理装置产生的马达位置信号和绝对角度位置信号的组合来确定第三转矩信号。

[0033] 所述设备可包括：上柱角度位置感应器，所述上柱角度位置感应器产生取决于上柱轴的角度位置的至少一个输出信号；下柱位置感应器，其产生取决于下柱轴的角度位置的至少一个输出信号，且处理装置可配置成从来自上柱传感器和下柱传感器的输出信号产生第一转矩信号，且从来自上柱传感器和下柱传感器的输出信号产生独立的第二转矩信号。

[0034] 绝对位置信号生成器可包括次级角度位置传感器(典型的独立于在前述段落中提及的上柱角度位置传感器)，所述次级角度位置传感器附连到上柱且产生绝对位置信号，所述绝对位置信号在超过上柱的一圈旋转的范围内是独特的、优选在3圈或更多圈旋转是独特的。所述绝对位置信号应该在附连到转向设备的转向轮的完整范围旋转内是独特的。

[0035] 传感器可通过齿轮连接到上转向柱，所述上转向柱可增加或减少传感器相对于上柱轴的旋转。

[0036] 生成器可观察角度位置传感器的输出以产生角度位置信号。

[0037] 替换性地，绝对位置信号生成器可设置成利用来自上柱位置传感器和下柱位置传感器之一以及次级角度位置传感器的输出的输出信号之一而产生独立的绝对上柱角度位置信号。这可包括利用差分处理，在差分处理中，通过观察来自具有不同相位的两个传感器的信号之间的差异而得到角度。

[0038] 绝对位置生成器可与第一转矩信号生成器和/或与第二转矩信号生成器共享一个或多个传感器。

[0039] 所述设备可包括交叉检查器，所述交叉检查器设置成与第三转矩信号交叉检查第一和第二转矩信号以检查转矩传感器的完整性。

[0040] 交叉检查器可形成处理装置的一部分且虚拟转矩信号生成器也可形成处理装置的一部分。处理装置可包括一个或多个离散信号处理单元，每个离散信号处理单元包括集成电路。

[0041] 在生成转矩信号中使用的上角度位置感应器中的每个可包括两个角度位置传感器，所述两个角度位置传感器中的每个适于生成输出信号之一，输出信号中的每个独立于另一个。因此每个感应器将提供两个信号通道1和2，以允许产生独立的第一和第二转矩信号。

[0042] 更特别地，上感应器的每个角度位置传感器可包括旋转感应元件，所述旋转感应元件携载附连到轴的调制轨道，且检测器或共同旋转感应元件可与两个检测器一起使用，以使得所述两个通道完全独立但共享物理转子。类似的构型可设置用于下感应器的每个传感器。

[0043] 上柱传感器和下柱传感器中的每个可具有相对高的分辨率(精密角度传感器)，且可产生以一周期重复的信号，所述周期小于相应的上轴和下轴的一圈旋转，以使得输出信号中的每个其自身不指示任一轴的绝对位置。输出信号可以按20度或40度重复，或一个以20度重复且另一个以40度重复。上传感器(一个或多个)可以按20度重复且下传感器(一个或多个)可以按40度重复。当然，可以在本发明的范围内使用其它重复角度。

[0044] 处理装置可处理每个通道的上信号和下信号，以通过利用差分过程产生转矩信号，其中，所述两个信号的相对相位被确定且从所述两个信号值之间的差导出转矩。在通道的每个输出信号在重复之前线性变化的情况下，转矩增加将引起通道的所述两个输出信号之间的相位漂移，相位漂移代表在扭杆上的转矩。

[0045] 在上柱传感器和下柱传感器的输出信号中的每个不提供在大于轴的一个完整转圈内的绝对柱位置测量值的情况下，所述设备还可包括次级柱传感器，所述次级柱传感器产生取决于输入轴的位置的输出信号，且处理装置可通过将这个传感器的输出与上柱传感器和下柱传感器之一的输出结合而产生绝对上柱角度位置信号。这个附加次级上柱角度位置传感器可以是上柱位置感应器的一部分。

[0046] 这个次级传感器可包括转矩传感器和位置传感器的组合的一部分。

[0047] 因此，转矩传感器和角度位置传感器的组合可包括总共五个传感器：包括所述两个上柱传感器和次级传感器的上柱感应器、和包括所述两个下柱传感器的下柱感应器。

[0048] 处理装置可输出以下信号：转矩通道1、转矩通道2、来自上传感器的精密角度信号(或如下文描述的来自下传感器和上传感器的上虚拟角度)和粗略角度信号。

[0049] 处理装置可适于通过将次级传感器输出与下轴传感器输出信号之一结合而产生用于上柱的绝对角度位置信号，且在结合之前或在结合期间，处理器可校正下柱轴传感器的输出信号，以移除由通过处理器产生的转矩信号指示的扭杆的任何扭转作用。

[0050] 需要校正以将下传感器的参照系带到上柱传感器的参照系中，从而允许虚拟上信号与粗略角度信号结合以生成绝对上柱角度信号。如果在产生绝对位置信号中使用来自上柱感应器的输出信号，下柱轴传感器不起作用，则无需校正。

[0051] 所述系统可包括马达控制器，所述马达控制器接收转矩信号的至少之一且使得马达产生辅助转矩。所述马达控制器也可接收由处理器产生的绝对位置信号。

[0052] 本领域读者将理解，术语"连接"指的是部件直接接触或例如通过中间部件间接连接，中间部件诸如是定位在马达和输出轴之间的齿轮箱。

[0053] 马达位置传感器可包括诸如旋转编码器的物理位置传感器。替换性地，物理位置传感器可包括虚拟位置传感器，其中，转子的位置通过监测马达的一个或多个参数确定，所述参数诸如是马达相位中的一个或多个中的马达电流和马达电感。

[0054] 第三转矩信号可通过产生虚拟转矩信号生成，为此处理装置可包括：从马达位置确定下柱的绝对位置的下柱绝对位置确定器；和虚拟转矩确定器，其将绝对上柱位置信号与下绝对位置信号比较以确定扭杆的偏转且由此确定转矩。

[0055] 虚拟转矩可从扭杆的角度偏转确定。

[0056] 第一角度位置信号和附加角度位置信号(来自所提供的附加上柱传感器)可在上柱轴旋转时定期重复，所述信号在旋转多圈之后漂移出相位，以允许大于一圈旋转的绝对位置测量值被确定。

[0057] 为了确定下轴的绝对角度位置，需要处理装置能够确定在与柱轴相同的参照系中的马达的绝对位置。

[0058] 马达位置传感器可产生每360度电旋转从最小增加到最大的值，之后对于每个完整电旋转重复。

[0059] 为了有助于进一步处理，可形成解绕马达位置信号。在接通时，信号被初始化以从马达位置传感器初始读取。在每个后续的软件迭代处，当前和先前马达位置信号之间的差被添加到解绕马达位置信号。当形成当前和先前马达位置信号之间的差时，任何>180deg或小于-180deg的差指示马达位置信号已经包绕。360度被添加到所述差或从所述差减去，以将所述差带回到范围+/-180deg中。这个校正的差用于更新解绕马达位置信号。

[0060] 为了将这个重复信号转换成在上柱轴参照系中的绝对位置信号，处理装置可附加地向这个信号添加delta偏差值，所述偏差值指示在无转矩施加到扭杆的情况下当上柱处于零度时在一圈电旋转内的马达的角度位置。

[0061] 此外，处理装置也可给向信号施加基础马达位置值。

[0062] 如果要在上柱的参照系中确定下柱绝对位置，则需要这两个偏差，没有这两者就不能进行绝对下柱位置和上柱位置之间的比较。

[0063] delta偏差可存储在存储器中，且可被保存以用于当系统切换到进行位置测量的状态时在接通期间使用。

[0064] 基础马达位置值不能被存储以在接通时使用，因为基础马达位置值可能在系统关闭且不进行测量时变化。

[0065] 转矩传感器和马达位置传感器可均包括离散处理单元，每个处理单元具有其自身的集成电路和定时。申请人理解到，这能够导致在捕获位置信号中的定时误差，所述定时误差能够给出由转矩传感器产生的转矩信号和虚拟转矩信号之间的不可接受的误差。

[0066] 为了补偿这种情况，每个处理单元可将时间戳施加到指示与信号值对应的准确时间的信号。在要求来自所述两个处理单元的信号被结合的任何处理期间，可施加校正以补偿时间戳中的任何差异。这有效地允许信号被调整以将所述信号准确地带到相同参照系(在时间上)。

[0067] 读者将理解，在本发明的范围内的至少一个构型中，用于形成转矩通道之一的部件和用于产生绝对角度位置信号的部件之间存在某种共性。这能够导致共同失效模式，借此能够产生导致绝对位置信号错误的转矩信号错误。

[0068] 因此所述设备可设置成执行在来自次级上轴角度位置传感器的输出信号和虚拟上柱位置信号之间的交叉检查，如果这两个信号在转向件旋转时不相对于彼此以期望方式变化，则产生误差信号。在无误差系统中，虚拟柱位置信号和次级位置传感器输出信号都在转向件转动时跟随彼此。在实践中，虚拟柱位置信号和次级位置传感器输出信号都将由于传感器转子的跳动和其它影响而相对于彼此变化，且这个变化将是恒定的且系统的特性特征能够被获悉。

[0069] 因此处理装置可适于获悉在接通之后设备的初始获悉阶段期间随着角度位置的期望变化。

[0070] 被获悉的变化可存储在存储器中。一组特征可被获悉以用于转向件在一个方向上的旋转，且不同组可被获悉以用于转向件在其它方向上的变化。

[0071] 被存储的数据可包括与转向系统的一组角度位置中的每个对应的偏差值，所述一组角度位置例如是100个等距隔开角度位置。一组可被存储以用于在第一方向上的移动，且另一组可被存储以用于在另一方向上的移动。

[0072] 在至少一个构型中，次级角度位置传感器能可能具有不良分辨率(粗略信号)。

[0073] 在另一细化方案中，输出信号中的每个值可以标记有指示校正值的时间的准确时间戳。这个时间戳可关联到计时器信号，计时器信号驱动生成信号的每个处理器。

[0074] 所述设备可设置成使得当任何两个信号被结合时，所述两个信号的时间基于相应时间戳对准，以使得与信号的时间差关联的任何差异减少。

[0075] 通过校正信号以确保它们在时间上对准，能够改进诸如转矩或马达位置的处理信号的准确性。

[0076] 根据第二方面，本发明提供用于控制一种电力辅助转向系统的方法，所述电力辅助转向系统包括：转矩传感器组件，其包括在使用中操作连接到车辆的转向轮的输入轴、在使用中操作连接到车辆的行路轮的输出轴、将输入轴和输出轴互连的扭杆、和通过比较来自固定到上轴和下轴的角度位置感应器的输出信号而产生转矩信号的处理装置；马达，其连接到输出轴以使得马达的角度位置变化产生输出轴的角度位置的对应变化；以及马达位置传感器，其提供取决于马达转子的角度位置的马达位置信号，马达位置信号在每次马达旋转通过已知角度范围时重复，诸如马达转子每电旋转一圈时重复一次，[0077] 所述方法包括以下步骤：

[0078] 通过给马达位置传感器的输出添加第一项和第二项而从马达位置信号生成绝对输出轴位置信号，第一项指示在马达位置传感器零位置和输入轴的零位置之间的固定偏差，且第二项指示马达转子远离输入轴的零位置的转动圈数，

[0079] 通过将来自位置传感器的马达位置信号与来自与上轴的感应器关联的传感器的信号相比较，在系统启动时确定基础马达位置值，从而确定最有可能的中心候选项，[0080] 选择高于中心候选项的、作为马达传感器信号的一次重复的高候选项，选择低于中心候选项的、作为一个马达位置值的低候选项，并且

[0081] 在转向系统的后续无动力运动期间，通过将绝对下轴信号与来自上轴感应器的信号相比较而从每个候选项产生扭杆偏转值，且排除在转向系统移动时给出不合理扭杆偏转值的候选项，直到仅一个合理候选项剩余。

附图说明

[0082] 现在将参考附图通过示例描述转向系统的仅一个实施方式，其结合有依据本发明的特征，在附图中：

[0083] 图1是落在本发明的范围内的电力辅助转向系统的一部分的概图；

[0084] 图2是图1的系统的电路的关键部分的方块图；

[0085] 图3示出在图1的系统内使用的转矩传感器和角度位置传感器的组合的关键部件；

[0086] 图4是图3的传感器的机械构型的概图；

[0087] 图5更详细地示出图4的传感器的感应电子器件的一个构型；

[0088] 图6(a)至6(b)示出图3的传感器的输出信号变化；

[0089] 图7(a)是系统图表，其示出处理单元的输入、从处理单元供给到马达控制器的转矩输出以及可在处理单元内执行的处理阶段；图7(b)更详细地示出可执行以生成虚拟上柱转矩和两个转矩通道信号的子阶段；

[0090] 图8(a)至8(c)示出在上轴和下轴的相对位置上的扭杆中的扭转的作用；

[0091] 图9(a)示出马达位置传感器输出的变化，图9(b)示出下柱位置的对应变化(在这个示例中，采用包括零度的名义delta偏差的零)，且图9(c)示出基础马达位置值的变化；

[0092] 图10示出在转向轴5旋转时，由于传感器转子中的跳动等等引起的角度位置传感器输出之间的变化；以及

[0093] 图11示出通过观察40度和296度角度信号之间的差异而产生的0-1480信号的生成。

具体实施方式

[0094] 如图1所示，电力辅助转向系统1定位在转向轮和行路轮之间的转向设备内。所述系统包括电马达2，电马达具有通过齿轮箱4连接到下转向柱轴的输出轴3，齿轮箱通常包括与齿轮协作的蜗轮。下轴间接通过齿轮齿条或其它连接装置连接到车辆的行路轮。上柱轴支撑转向轮，且转矩传感器6将上轴连接到下轴。转矩传感器包括连接上轴和下轴的扭杆，扭杆设计成在驱动器转动转向轮时响应于在扭杆上施加的转矩而扭转已知量。通过在上轴和下轴上设置止动器而将最大扭转限制在+-5度。

[0095] 转矩传感器检测扭杆的扭转且将该扭转转换成至少一个转矩信号，但是如在优选实施方式中将明显的是，其产生两个转矩信号通道，且这些转矩信号之一供给到设置在微处理器芯片内的马达驱动电路的控制器7。控制器产生马达相位电压，马达相位电压施加到与马达的每个相位关联的马达桥的开关，以使得马达产生辅助驱动器的转矩。这通常与受测转矩成比例，使得驱动器施加的转矩越高，马达就提供越大的辅助以帮助转动轮。

[0096] 如图2所示，控制器包括微处理器8，微处理器接收转矩信号和在马达中流动的电流i的大小(在每个相位中的电流、或进出马达的总电流)。微处理器还从连接到马达的马达转子角度位置传感器接收马达转子位置的大小，或微处理器根据电流信号在内部计算所述大小。转子位置与电流一起允许控制器确定正在被施加的转矩。控制器使用来自转矩传感器的转矩的大小来确定马达需要什么样的转矩。同样这在本领域中众所周知，已经在本领域中提出实现所需转矩的许多不同的控制策略和马达相位电压波形。

[0097] 微处理器8的输出通常将是一组马达相位电压波形、典型的是PWM波形，代表为了实现理想马达电流因此实现理想马达转矩，控制器需要的相位电压。这些是低电平信号，从控制器供给到马达桥电路9的输入。马达桥电路9的功能是将低电平信号转成较高电平驱动信号以用于马达桥10的开关。例如对于三相马达，每个相位将通过高开关连接到正电源且通过低开关连接到地面，仅相位之一将在任何给定时间根据由PWM切换波形限定的图案被连接。

[0098] 图3更详细地示出示例性转矩传感器组件，图4和5仍更详细地示出传感器的部分。在转矩传感器的最通用的形式中，转矩传感器能够是产生两个转矩通道和上柱位置信号的任何构型。理想地，这两个转矩通道以及上柱位置信号应该彼此独立。

[0099] 在这个示例中，已经选定传感器，其包括两个通道转矩传感器和单一通道上柱位置传感器的组合，该组合具有结合在单一集成单元中的总共五个传感器11、12、13、14和15，所述单一集成单元具有从来自传感器的原始内部信号产生传感器输出信号的共同预处理单元。传感器中的三个定位在上柱轴5a上，且传感器中的两个定位在下柱轴5b上，这两个轴通过在转矩施加到轴5上时扭转的扭杆18连接。

[0100] 所述五个传感器包括：

[0101] 两个精密角度上柱角度位置传感器13、14，附连到扭杆的上柱轴端且均产生独立角度位置信号(通道1信号和通道2信号)，两者一起形成上柱感应器的一部分；

[0102] 两个精密角度下柱角度位置传感器11、12，附连到扭杆的最接近马达的下柱轴端且均产生独立角度位置信号(通道1和通道2信号)，两者一起形成下柱感应器；以及[0103] 次级上柱位置传感器15，其产生粗略分辨率角度位置信号且能够是被认为是上柱感应器的附加部分。

[0104] 处理器17使用减法原则检测扭杆中的扭转，将下轴的位置从上轴的位置减去(或反之亦然)以确定扭杆的角度偏转值。这样进行两次，一次用于上下通道1信号，且另一次用于上下通道2信号，从而给出两个独立转矩测量值或转矩通道。

[0105] 扭杆18设计成如上所述的在每个方向上响应于最大期望转矩而围绕中心位置扭转通过最大+/-5度。一旦已经到达这个范围，就通过在上柱轴和下柱轴上的止动器的相互接合防止进一步扭转，从而防止扭杆损坏且在扭杆失效的情况下给予牢固连接。

[0106] 每个角度位置感应器包括相应的金属转子19、20，所述金属转子包括平坦金属盘，平坦金属盘具有多个等距隔开的径向臂，以形成围绕盘延伸的切口部19a的环形轨道。因此总共有两个盘，一个在下轴上且一个在上轴上。示例性传感器组件的相关部分在视图的图4和5中示出。

[0107] 每个切口部的角度宽度等于每个切口部之间的角度间隔。下轴转子的切口部的间隔是40度且上轴转子的切口部的间隔是20度，(在图5的示例性转子和定子中，角度由线圈的径向臂之间的间隔X度设定，且这对于上传感器和下传感器不同)。下轴转子的切口部的间隔和上轴转子的切口部的间隔由于特定传感器组件的制造中的物理约束而不同，这对于这个描述的实施方式在一定程度上是独特的。实际上，优选的情况是下轴转子的切口部的间隔和上轴转子的切口部的间隔都是周期性的40度或更多。

[0108] 每个转子19、20与定子支撑部分21协作，定子支撑部分包括打印电路板以形成两个角度位置传感器。电路板21携载感应器的有源部分，感应器的有源部分包括两个激励线圈和两组接收器线圈，一个激励线圈和一组接收器线圈形成所述两个传感器中的每个。每个传感器的激励线圈形成LC电路的一部分且生成磁场。这个磁场引发金属转子中的电流，继而转子生成其自身的磁场，所述磁场耦合回到pcb上的那个传感器的相应的接收器线圈。在所述三个接收器中的每个中诱发的电压根据转子位置变化，且传感器组件的预处理单元将所述三个信号转换成用于传感器的输出信号，所述输出信号随着转子位置线性变化。在转子旋转时，每个角度位置信号将对于下转子以40度的周期且对于上转子以20度的周期线性变化。输出信号因此在上轴的完整转圈期间重复多次，因此输出信号自身不提供在上轴的完整移动范围内的轴的绝对位置的指示，所述完整范围通常在转向轮两个极限位置的3和4圈之间。

[0109] 图6(a)和6(b)示出在无转矩施加的情况下来自上传感器输出信号和下传感器输出信号的输出信号如何在转向轴的一整圈内变化。如能够看见的，每个输出信号在重复之前在20或40度上线性变化。如果转矩被施加，则这些斜波信号的相对相位将变化，且这用于确定转矩(扭杆的最大扭转显著小于20度，所以将一直存在能够被检测的在斜波之间的明确相位变化)。在两个传感器上的这种形式的差分测量在本领域中众所周知，所以不会在本文中进一步说明。

[0110] 上传感器输出信号和下传感器输出信号被供给到处理装置19中，处理装置在图2中示出且更详细地在图7(a)中示出，处理装置输出供给到马达控制器8的转矩信号。

[0111] 使用中，如图7a所示，处理装置19(通常是由微处理器和包含编程指令的关联存储器形成的信号处理器)在第一阶段19a中将用于通道1的输出信号与上角度位置信号和下角度位置信号比较，以生成第一(通道1)转矩信号T1，且对于通道2信号做相同的事情以产生独立于通道1的通道2转矩信号T2。在常规操作中，这些将提供相同的转矩值。

[0112] 此外，处理器在阶段19b中产生代表上轴的绝对位置的绝对角度位置信号。这不能利用通道1或通道2角度位置信号自身而产生，因为它们以远小于上柱轴一圈的周期重复。因此为了得到绝对位置信息，处理器也使用来自次级上柱轴位置传感器的输出信号。在阶段19a内形成的这个过程在图7(b)中更详细地示出。

[0113] 这个次级传感器通过齿轮连接到上柱轴。这能够在图3中看见。这个传感器15具有比上柱传感器和下柱传感器的任一个低得多的周期性，且在这个示例中输出上轴每转296度就重复的线性变化信号。这在图6(c)中示出。所述传感器包括单一磁体，所述磁体具有旋转穿过单一霍尔效应传感器的北极和南极，给出经过296度的一个周期变化的斜坡波形。所述信号是"粗略"信号，因为对于数字信号中的给定位元水平，所述信号必须覆盖从0至296的所有值。通过比较，对于20度传感器，数字信号是"精密"信号，因为数字信号中的位元必须覆盖小范围的角度，例如对于数字信号中的给定数量的位元而言大于角度分辨率的10倍。

[0114] 为了得到绝对柱位置，处理器可以利用20度或40度传感器的值处理次级传感器输出信号的每296度重复的值。在这个示例中，处理器以来自下柱传感器的通道1信号的修改形式来处理信号，所述通道1信号被修改以移除扭杆的扭转作用，从而形成每转40度就重复的"虚拟上柱位置信号"。这个比较使得能够产生用于上柱的独特角度位置信号，所述信号每1480度重复(因为这是在次级传感器和虚拟上柱信号的值配对之前的旋转角度)。这在图11中示出。

[0115] "虚拟上柱位置信号"是下轴角度位置传感器的输出的修改形式。下轴角度位置由处理器修改或补偿，以将扭转扭杆的转矩的作用考虑在内。"虚拟上柱位置信号"每40度重复，而上角度位置传感器每20度重复。这种变换是必须的，以使得组合的信号具有适当范围且能够在重复之前(即，计算非独特角度位置值)覆盖所需的3圈或更多圈的转向轮锁定。

[0116] 注意到，"虚拟"上柱位置信号的这种使用对于20度传感器在上柱上且40度传感器在下柱上的这个实施方式是特别的。如果它们倒过来，则可以将次级传感器值与上柱传感器通道1或通道2结合。实际上，20度传感器的使用在典型的3至4圈极限位置内不会给出所需的独特绝对位置信号，因为所述一对信号将在远小于上柱轴的转圈、小于所需3至4圈极限位置之后给出非独特值。

[0117] 处理装置19在如上所述正确地起作用时利用对于产生转矩信号的通道1共用的一些传感器信息产生两个转矩信号(通道1和通道2)和绝对上柱位置信号。

[0118] 控制器8要求所述两个转矩信号的仅之一起作用，即，控制器需要有效转矩信号。因此，在将通道之一传到控制器之前，转矩传感器和角度位置传感器的组合的处理器在阶段19c中检查所述两个转矩信号是一致的。如果所述两个转矩信号匹配，则所述两个转矩信号的平均值被供给到控制器9。如果所述两个转矩信号匹配，则认为值是正确的。

[0119] 如果检查阶段19c观察到所述两个转矩信号不匹配且大于可接受安全量地不匹配，则所述两个转矩通道也在该阶段中相对于第三"虚拟"转矩信号T3被检查，第三"虚拟"转矩信号利用马达位置传感器20产生，现在将进行描述。如果第三信号匹配转矩通道T1或T2之一，则该转矩通道被供给到控制器8，因为所述转矩通道被认为是可靠的。如果第三信号不匹配通道1和通道2之任一，则在诊断输出19d处标记转矩错误，且辅助停止。

[0120] 因此，除了转矩传感器和位置传感器的组合之外，所述设备还包括具有其自身处理器21的马达位置传感器20。马达位置传感器20在结构方面与转矩传感器的位置传感器之一类似，具有转子和定子。转子和定子形成增量编码器，所述增量编码器具有限定在整圈内的编码器区域的金属编码器盘，类似于附连到马达转子的转矩传感器的编码器区域。传感器还包括与索引轨道协作的三个霍尔效应传感器，每个霍尔效应传感器产生与其它两个相差120度相位的信号。霍尔传感器1对于0-120度电读取1且对于所有其它角度读取零。霍尔传感器2对于120-240度电读取1且对于所有其它角度读取零。霍尔传感器3对于240至0度读取1且在所有其它角度处读取0。

[0121] 增量编码器具有与另一个相差90度相位的两个传感器，以给出A和B通道。在转子旋转通过一个完整电马达转圈时，A和B通道中的每个将在0和1值之间变化，以给出如图9所示的重复波形。设置两个通道允许通过观看每个信号的边缘出现的顺序以及它们是上升边缘还是下落边缘而确定旋转方向。增量编码器在转子旋转时加数，直到转子已经走过一整圈，此时计数被重新设定为零且计数重复、或方向变化且计数器倒数计数。

[0122] 马达2每机械旋转一圈就电旋转四圈，所以增量编码器的一个循环(360度电)等于马达转子的90度机械旋转。马达输出轴与转子一起旋转且通过齿轮箱连接到下柱轴，齿轮箱具有对于下柱轴的一圈完整转动的20.5转的(马达的)比率。因此，马达位置信号的每个循环将对应于下柱轴的旋转的4.39度。这在图9(a)中示出。

[0123] 马达传感器的输出在阶段19e中被处理单元19利用以下等式转换成在上柱轴参考系中表达的位置的大小：

[0124] 绝对虚拟下柱位置＝基础马达偏差+解绕马达位置信号值delta偏差；

[0125] 其中：

[0126] delta马达偏差是当(虚拟补偿的)上柱角度传感器读取零度(且没有扭杆偏转)时的(包绕)马达电位置的值。

[0127] 基础马达偏差具有指示在接通处上柱远离零度多少完整电圈的值。

[0128] 需要delta和基础马达值以将马达位置信号置于与由转矩传感器和位置传感器的组合的处理器产生的上柱绝对位置信号相同的参考系中。

[0129] delta偏差的值能够变化达到一个马达位置传感器包绕(一个完整的马达转子电转圈)，这意味着所述值在这个示例中将采用0和4.39度之间的值。实际值取决于马达位置传感器如何在组装期间与转向柱下轴对准，且在使用中将不变化。类似地，在计数器(基础值)中的每个增量将对应于远离中心零位置的4.39度旋转。

[0130] 现在将说明处理装置产生第三虚拟转矩信号的方法、具体地处理装置如何计算基础马达位置值的方法。这应该结合示出由处理装置19执行的处理阶段的图7(a)来阅读。

[0131] 如上所述，虚拟下柱位置信号在阶段19e中从马达位置信号20生成，只要计数值(基础马达位置)是可靠的且在制造期间马达的delta偏差是已知的。后文说明在操作期间确定这些值的过程，诸如当这些值不可靠时的接下来的步骤，但是此时认为这些值是已知的。

[0132] 通过虚拟下柱位置信号，在上柱轴的参照系中的下柱轴的位置能够确定。上柱轴的绝对位置已经已知，因为作为生成所述两个转矩通道的一部分，所述绝对位置由处理器单元19产生。这两个信号然后在阶段19f中比较以确定这两个信号之间的差异。这个差异指示扭杆的扭转量。利用扭杆特性的知识(即，对于给定转矩扭杆扭转多大程度)进行处理，允许处理器确定扭杆中的转矩，从而形成虚拟转矩通道T3。

[0133] 注意到，虽然能够从马达位置传感器产生虚拟下转向柱轴位置信号，但是不可以产生准确的虚拟上柱位置信号，因为转矩并非已知，因此下轴和上轴之间由于扭杆的扭转造成的偏差的影响不可知。然而，如果依据通道1或通道2的转矩T1或T2来执行到上柱参照系的变换，则能够做出扭转的良好评估。

[0134] 本领域技术人员将理解，虚拟转矩的产生依据能够在相同参照系中表达马达转子的角度位置和上柱轴的角度位置。除了确定这些信号之间的关系(其它信号是信号捕获的相对时序、以及任何齿轮箱空隙或马达输出轴和下柱轴之间的顺从性)的施加到扭杆的实际转矩之外,存在两个主要因素：Delta偏差和基础马达位置。

[0135] 确定Delta偏差

[0136] delta偏差一般存储在永久存储器中，且能够在制造之后被获悉、以及在每次接通时被重新使用。delta偏差将不变化。处理装置能够获悉偏差的一种方法是当已知在扭杆上存在零转矩时且当上柱轴是一直向前的、即在零位置处时，观看马达位置信号。只要转矩传感器正在工作、即两个转矩通道给出相同读数，就能够在任何时间进行这个检查。

[0137] 替换性地，所述设备可采用对于扭杆偏转校正的上柱角度(所以现在是下柱角度)和解绕马达角度之间的差异。所述设备然后可考虑在除以4.39度之后的这个角度的余数。那是delta马达偏差。这个方法的优点是那样能够持续操作。因为在车辆中没有保证单元对准，所以在一些车辆中可能的是:如果转向齿轮将行程限制在传感器的输出的例如1480度的总范围的例如1080度，则上柱角度永远不会读得零度。

[0138] 确定基础马达位置。

[0139] 与由于马达和下柱轴之间的固定角度关系而仅需被获悉一次的delta偏差不同，基础马达位置在接通时一般是未知的。这是因为当系统被切断且不获悉或监测传感器信号时，转向件可能转动通过任何角度，这将引起马达转子旋转通过一圈或多圈完整转动。在接通时，马达转子的相对角度能够从马达位置传感器直接确定，但是基础马达位置将是未知的，因为计数器值还没有被更新且因此是不可靠的。

[0140] 因此，在接通之后且提供任何辅助转矩之前(在回航模式期间)的系统使用期间获悉基础马达位置的过程在处理装置内提供。

[0141] 初始在接通之后，通过将下柱角度(对于delta马达偏差校正的马达角度)从上柱角度减去且将结果四舍五入到最近的马达旋转(4.39度)而生成基础马达偏差的估值。

[0142] 此外，选择小于这个估值一圈的基础马达偏差，且采用大于这个中心估值一圈包绕的基础马达偏差。如果在接通时存在由扭杆承载的大幅度转矩，则这些值中的每一个是合理的基础马达值偏差，因为扭杆偏转最多可以引入马达的一圈附加旋转(一圈马达旋转是上轴旋转的4.39度且扭杆的最大允许旋转是小于2*4.39度的5度)。

[0143] 对于三个估值的需要能够参考图8理解，图8示出扭杆中可能存在的扭转、+-5度与零之间的未知幅度alpha。在零扭转的情况下，在图8(a)中示出所述两个标记将如所示的成一直线且中心估值将会被证明是正确的。在正5度扭转的情况下，中心估值将有5度或1圈(当四舍五入时)的误差，因为马达将比中心估值建议的数字多转动1圈。在负4度扭转的情况下，中心估值将再次存在误差，因为马达将少转动一圈。

[0144] 接下来，当车辆被驱动时，基于所述三个基础马达位置值中的每个计算扭杆的偏转。在扭杆中的转矩极限处，这些估计的基部马达位置值中的两个将给出扭杆中的扭转的不可能的量且所以能够被排除。

[0145] 在下文中列出在接通处所述三个可能场景中的每个中的系统性能(零转矩、高正转矩和高负转矩)。

[0146] 在接通处的零转矩或低转矩

[0147] 在这种情况下，中心值是正确值，但是初始这并非已知。利用所有三个基础马达值计算扭杆偏转。在施加大的正转矩时，计算的扭杆偏转值(或计算的第三虚拟转矩值)将对于中心值落在合理范围内，但是对于最高基础马达位置值落在合理范围外。这个最高值因此能够被取消作为用于接通的合理值。类似地，在施加高的负转矩时，第三扭杆偏转将对于中心值留在可接受范围内，但是低基础马达位置值将给出在可接受范围外的扭杆偏转，且能够被取消以仅留下中心值作为正确值。这继而用作基础马达位置值，且所述系统被移出回航模式从而施加辅助转矩。

[0148] 在接通期间在扭杆上的正转矩

[0149] 以类似的方式，如果在接通期间呈现正转矩且负(或不那么正的)转矩施加到扭杆，则首先最低估值将给出在可允许范围外且能够被取消的扭杆偏转。在施加更多的负转矩时，中心估值将被取消。

[0150] 在接通期间在扭杆上的负转矩

[0151] 以类似的方式，如果在接通期间呈现负转矩且正转矩施加到扭杆，则首先最高估值而后中心估值将给出在可允许范围外且能够被取消的扭杆偏转。

[0152] 申请人还理解到，在系统中的任何小的时序误差能够导致转矩估值中的大误差。在由两个不同处理器供应信号的情况下这尤其是个问题，因为情况将是一个操作马达位置传感器处理且另一个操作转矩传感器处理。为了缓和这个问题，向每个处理单元中生成的每个位置信号值施加时间戳。然后，当来自不同单元的信号结合时，能够施加校正以将所述信号带到完全相同的时间帧中，从而允许任何误差的幅度被减少到可接受边界内。

[0153] 为了改进由各种处理器产生的信号的准确性，由传感器产生的原始信号的每个样本值、例如角度位置传感器输出信号和马达位置信号被赋予时间戳。时间戳代表捕获样本的准确时刻。在数字系统中，每个输出信号将包括一串离散值，每个离散值代表在给定时间的受测参数的状态。准确时序将取决于用于产生信号用处理器的计时器，且在使用两个或更多个处理器的情况下，计时器的边缘可能不完全对准、或样本可以按隔开一个或多个计时器周期的方式被捕获。

[0154] 当比较信号时，分配到每个值的时间戳由处理器观察。两个时间戳之间的差异继而由处理装置确定且乘以从历史位置测量值确定的柱速的大小或估值。这生成校正值，所述校正值能够添加到受测信号以将较早的信号(具有最早时间戳的信号)有效地外插到最新的信号帧。这种方法假定速率在那时是恒定的，这在大多数情况下是合理的。信号由此被"时间对准"以使得所述信号对应于准确的相同时刻。

[0155] 通过将信号时间对准，能够实现产生的信号的准确性的有用提升。

[0156] 角度信号的交叉检查

[0157] 在这个特定实施方案中，虚拟转矩通过依据通道1的下角度信号和上角度信号而无误差地产生，因为需要这些信号来产生虚拟上柱角度信号。在转矩通道2已经失效的情况下，结果是两个转矩通道1(剩余的良好通道)和虚拟转矩信号取决于正确运行的相同构件。这是潜在的共同模式失效模式。(例如)上柱角度信号的失效能够引起两个转矩通道1和虚拟转矩信号存在相同量的误差。虚拟转矩诊断将不会检测出这个失效。为了防止这种失效模式，引入在虚拟上柱角度信号上的独立检查。这种检查使用独立(粗略角度)信息以检测共同模式失效。

[0158] 因此由检查单元进行检查，在检查单元中，由精密角度40度传感器和粗略传感器产生两个绝对角度位置信号，然后比较这两个信号。

[0159] 这些信号中的第一个利用用于分辨率的精密传感器和粗略传感器的值产生，以指示40度传感器的哪次"重复"呈现(通过观看所述两个传感器的输出之间的相对相位)。例如，在70度的绝对位置的情况下，精密传感器将读得"30度"且粗略传感器将读得70度，这允许处理器确定精密传感器处于1次重复且给出30+40度＝70度的位置。

[0160] 通过利用粗略传感器确定分辨率且利用精密角度传感器确定转向件正在进行什么重复(即，粗略传感器的多圈转动)而得到第二绝对位置。例如在70度的情况下，粗略传感器将读取70度且与精密角度的交叉检查将显示粗略传感器在其第一圈上，从而给出70+0＝70度的角度。

[0161] 如果在任一传感器中存在误差，则这两个绝对位置值将不匹配且误差将通过检查单元标记。

[0162] 检查单元也可随着轴5的角度改变而实施对虚拟上柱角度位置值的变化和上柱位置信号中的一个或两者的输出的检查。申请人已经理解到，在轴旋转时，由于诸如转子跳动的事实，每个传感器相对于另一个的输出将有一些变化。所述两个传感器之间的这些角度变化将在组件的使用期间是一致的，且能够在转向件旋转时被监测且存储在存储器中。如果的传感器之间的角度位置变化不以期望方式变化，那么检查单元可标记误差。因为在轴正在旋转的转向系统的使用期间存在许多情况，所以易于在检查单元内定期执行这种检查。

[0163] 图10示出对于旋转的正方向和负方向的角度的典型变化。所述两个角度由于诸如在传感器内的空隙的影响而不同。这些差值可存储在检查单元的存储器中。替换性地，不是绝对差值，而是随着角度改变的值改变可被存储，例如，误差对于1度正旋转增加X，而后对于下一度减少Y等等。同样，检查单元将查找变化的期望图案。

[0164] 当然，检查可以在检查单元外执行，例如是单独的处理单元或在转矩传感器和角度位置传感器的组合的组件自身内。