ES2337740T3 - Sensor de angulo de rotacion y metodo para determinar la posicion angular absoluta de un cuerpo que efectua varias rotaciones. - Google Patents
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Abstract
Sensor de ángulo de giro para la determinación de la posición angular absoluta de un cuerpo giratorio que puede girar varias vueltas, por ejemplo el eje de la dirección de un vehículo automóvil, con dos elementos de medida con principio de funcionamiento magnético, comprendiendo cada uno un elemento codificador magnético que se mueve en rotación respecto de un elemento sensor y que es arrastrado por el cuerpo, estando arrastrados los dos elementos codificadores con distintas relaciones de transmisión para la determinación del ángulo de pulsación que resulta de la diferencia de la información de ángulo de los elementos codificadores, escogiéndose las relaciones de transmisión de manera que dentro del rango de medición de ángulo que comprende varias vueltas del cuerpo giratorio, están comprendidos más de un periodo de ángulo de pulsación, y siendo diferente la posición angular absoluta de los elementos codificadores en el período de ángulo de pulsación, caracterizado porque la posición angular absoluta de los elementos codificadores en periodos de ángulo de pulsación sucesivos está desplazada en una fracción 1/n del rango de medición de un elemento sensor, siendo n el número de periodos de ángulo de pulsación comprendidos en el rango de medición.
Description
Sensor de ángulo de rotación y método para
determinar la posición angular absoluta de un cuerpo que efectúa
varias rotaciones.
La invención se refiere a un sensor de ángulo de
giro para la determinación de la posición angular absoluta de un
cuerpo giratorio que puede girar varias vueltas, por ejemplo el eje
de la dirección de un vehículo automóvil, con dos elementos de
medida con principio de funcionamiento magnético, comprendiendo cada
uno un elemento codificador magnético que se mueve en rotación
respecto de un elemento sensor y que es arrastrado por el cuerpo,
estando arrastrados los dos elementos codificadores con distintas
relaciones de transmisión para la determinación del ángulo de
pulsación que resulta de la diferencia de la información de ángulo
de los elementos codificadores, escogiéndose las relaciones de
transmisión de manera que dentro del rango de medición de ángulo que
comprende varias vueltas del cuerpo giratorio, están comprendidos
más de un periodo de ángulo de pulsación, y siendo diferente la
posición angular absoluta de los elementos codificadores en el
período de ángulo de pulsación. La invención se refiere también a
un procedimiento para la determinación de la posición angular
absoluta de un sensor de ángulo de giro de este tipo.
Los sensores de ángulo de giro se utilizan para
determinar el valor de la posición angular actual de un cuerpo
fijado con libertad de giro, por ejemplo de un eje. Los sensores de
ángulo de giro de este tipo se utilizan entre otras aplicaciones,
como sensores de ángulo de la dirección para captar la posición
angular del eje de la dirección de un vehículo automóvil. Como
sensores de ángulo de volante se conocen por ejemplo los de
principio de funcionamiento optoelectrónico en los que un disco de
código unido funcionalmente con el eje de la dirección contiene la
información de ángulo. Este disco de código rodea radialmente el
perímetro del eje de la dirección y precisa de una cierta extensión
radial para que se pueda disponer en él la requerida información de
ángulo. Esto se aplica especialmente a aquellos sensores de ángulo
mediante los cuales se debe determinar la posición angular absoluta
del eje de la dirección en un intervalo de medición que comprende
varias vueltas. Junto a estos sensores de eje de dirección se han
dado a conocer sensores con principio de funcionamiento magnético
como sensores de ángulo de giro absoluto. En estos sensores de
ángulo de giro conocidos, el cuerpo giratorio, por ejemplo el eje
de la dirección, arrastra dos ruedas de código. Las ruedas de código
tienen una corona dentada exterior. El dentado de las ruedas de
código engrana con una rueda motriz de dentado exterior en el eje
de la dirección. Las ruedas de código tienen respectivamente un
elemento codificador magnético cuya orientación del campo magnético
es una medida de la posición angular de la rueda codificadora. Las
dos ruedas de código están accionadas por la rueda motriz asociada
al cuerpo giratorio con distintas relaciones de transmisión.
Mediante la aplicación del llamado principio del nonius se determina
la posición angular del cuerpo giratorio dentro de su rango de
medición que comprende varias vueltas. Las ruedas de código tienen
un número de dientes menor que el de la rueda motriz asociada al
cuerpo giratorio. La desmultiplicación está concebida de manera que
las ruedas de código giran n veces 360º dentro del rango de medición
que comprende varias vueltas, siendo n mayor que el número de
vueltas del rango de medición de ángulo. Mientras que por ejemplo
una rueda codificadora gira completamente nueve veces sobre el rango
de medición predeterminado del cuerpo de rotación, la otra rueda
codificadora gira completamente diez veces sobre su eje en el mismo
rango de medición. Como elementos receptores sirven sensores
sensibles a campos magnéticos tales como los sensores GMR, AMR o
Hall. La diferencia entre la información de ángulo de los dos
elementos de medida genera a lo largo de todo el rango de medición
un ángulo de pulsación, que en un extremo del rango de medición de
ángulo tiene el valor 0 y en el otro extremo del rango de medición
del sensor de ángulo tiene un valor que se corresponde con la
máxima señal de salida de uno de los elementos de medida. El ángulo
de pulsación que se extiende sobre todo el rango de medición de
ángulo tiene una pendiente constante. Para determinar la vuelta de
la rueda codificadora en la que se encuentra el sensor de ángulo de
giro, se escala el ángulo de pulsación y de él se resta la
información de ángulo de un elemento de medida asociado a una rueda
codificadora. El escalado del ángulo de pulsación está configurado
de manera que después de restar la información de ángulo del ángulo
de pulsación escalado, se obtienen segmentos de curva horizontales,
que definen respetivamente un nivel. Cada nivel define una vuelta
de esta rueda codificadora de modo que se puede obtener la
información sobre las vueltas necesaria para la determinación del
ángulo absoluto. Un sensor de este tipo ha sido dado a conocer por
el documento EP 0 877 916 A1.
Sin embargo, en estos sensores de ángulo de giro
las perturbaciones en las señales de los elementos de medida tienen
como consecuencia una reducción del rango de medida útil.
La información sobre el ángulo del cuerpo
giratorio por ejemplo del eje de la dirección, obtenida mediante un
sensor de ángulo de este tipo se controla en el caso de sensores de
ángulo de la dirección mediante la posición angular de las ruedas,
en el marco de una prueba de plausibilidad. La posición angular de
las ruedas se determina mediante la diferencia de velocidad de giro
de las ruedas delanteras del vehículo gobernadas por la dirección.
La precisión de medida en esta determinación de la posición angular
de las ruedas puede ser del orden del error de ángulo que se
produce al seleccionar una vuelta adyacente. Esto conduce a
determinaciones de ángulo erróneas en el marco de la prueba de
plausibilidad de la información obtenida mediante el sensor de
ángulo de la dirección.
Se conoce por el documento DE 103 43 543
B\cdotun sensor de ángulo de giro según el preámbulo de la
reivindicación 1. El rango de medición de este sensor comprende un
número de periodos de ángulo de pulsación, escogiéndose los
periodos cíclicos de los dos elementos codificadores de modo que el
menor múltiplo común de los periodos cíclicos es igual a un ángulo
predeterminado de la dirección de un automóvil. Esto conduce a
relaciones de transmisión muy diferentes para los dos elementos
codificadores y en consecuencia a diferencias de giro muy
elevadas.
El sensor de ángulo de giro según la presente
invención tiene la ventaja respecto a este sensor conocido, de que
los dos elementos codificadores pueden escogerse con relaciones de
transmisión muy similares, de manera que comparativamente en los
dos elementos codificadores se alcanzan velocidades de giro menores.
De aquí resulta, junto a una construcción simplificada, una menor
generación de ruido y la posibilidad de aplicar un método de
análisis muy sencillo y menos sensible a perturbaciones.
Según la invención esto se consigue gracias a
que la posición angular absoluta de los elementos codificadores en
periodos de ángulo de pulsación sucesivos está desplazada en una
fracción 1/n del rango de medición de un elemento sensor, siendo n
el número de periodos de ángulo de pulsación comprendidos en el
rango de medición.
En este sensor de ángulo de giro, el arrastre
con distintas relaciones de transmisión de los elementos
codificadores que de forma conveniente se encuentran en las ruedas
de código, se configura de manera que dentro del rango de medición
que comprende varias vueltas, se encuentra más de un período de
ángulo de pulsación, por ejemplo este período se repite
periódicamente varias veces dentro del rango de medición de ángulo.
La subdivisión del rango de medición de ángulo en varios periodos
de ángulo de pulsación tiene como consecuencia que, en
correspondencia con el número de periodos de ángulo de pulsación
previstos dentro del rango de medición de ángulo, la pendiente del
ángulo de pulsación dentro de cada período es mayor que en el caso
de un único periodo de ángulo de pulsación extendiéndose en todo el
rango de medición de ángulo. La mayor pendiente tiene directamente
la consecuencia de que es mayor la distancia entre los niveles que
sirven para la determinación de la vuelta y que se forman en el
ángulo de pulsación escalado. Con la división del rango de medición
de ángulo de un sensor de ángulo de la dirección en dos periodos de
ángulo de pulsación sucesivos ya se consigue doblar la pendiente
del ángulo de pulsación en cada periodo. La mayor pendiente del
ángulo de pulsación tiene automáticamente como consecuencia una
reducción del intervalo marginal del rango de medición de ángulo no
analizable debido a las perturbaciones y por lo tanto, el rango de
medición de ángulo es mayor en conjunto.
Para conseguir la diferenciación de las vueltas
del elemento codificador a pesar de la repetición por lo menos en
parte del periodo de ángulo de codificación dentro del rango de
medición de ángulo, se prevé que los ángulos absolutos de los
elementos codificadores se diferencien en los periodos de ángulo de
pulsación. Esto tiene como resultado que la distancia entre los
niveles inmediatamente adyacentes, que sirve para la determinación
de la vuelta sea mayor que la posible tolerancia de error de la
posición de las ruedas obtenida en el marco de una prueba de
plausibilidad para el control de la medición de ángulo absoluto. Por
esta razón se evitan determinaciones de ángulo fallidas debido a
una prueba de plausibilidad defectuosa. En un rango de medición de
ángulo con dos periodos de ángulo de pulsación, el desplazamiento es
por ejemplo 180º, suponiendo que el rango de medición del elemento
sensor sea 360º. Este desplazamiento de ángulo representa una
información complementaria a partir de la cual se puede determinar
unívocamente el periodo de ángulo de pulsación.
Para conseguir la formación de los periodos de
ángulo de pulsación dentro del rango de medición de ángulo
previsto, las ruedas de código con los elementos codificadores
pueden estar configuradas como engranajes, cada una con un número
de dientes distinto, y pueden ser accionadas por una rueda motriz
asociada al cuerpo giratorio, por ejemplo el eje de la dirección.
Así, es posible que las dos ruedas de código sean accionadas
directamente por la rueda motriz, o también que una rueda
codificadora sea accionada por la rueda motriz mientras que la
segunda rueda codificadora sea accionada por la primera. En el
objeto de este sensor de ángulo, la diferencia entre las relaciones
de transmisión de las dos ruedas de código arrastradas es mayor que
en los sensores de ángulo conocidos. Así se propone asociar al
cuerpo giratorio, por ejemplo al eje de la dirección, dos ruedas
motrices de distinto tamaño con un correspondiente distinto número
de dientes, engranando una rueda codificadora en cada una de las
ruedas motrices. Normalmente en un sensor de ángulo de la dirección,
el diámetro del eje de la dirección es significativamente mayor que
el diámetro de la rueda codificadora, de modo que se pueden
disponer sin dificultad ruedas motrices con distinto número de
dientes. En un ejemplo de realización de la configuración descrita
anteriormente se prevé que las ruedas de código tengan el mismo
número de dientes y que el cuerpo giratorio que sirve de eje de la
dirección tenga dos ruedas motrices con distinto número de dientes,
siendo la diferencia en número de dientes, entre cinco y siete
dientes. Cuando se utilizan dos ruedas motrices con distinto número
de dientes, las ruedas de código mismas pueden tener a su vez
distinto número de dientes.
A continuación se describe la invención haciendo
referencia a las figuras adjuntas. Las figuras muestran:
La Fig. 1, un diagrama presentando la
información de ángulo obtenida de una de las ruedas codificadoras de
un sensor de ángulo, y los periodos de ángulo de pulsación que se
extienden sobre el rango de medición de ángulo del eje de la
dirección junto con la información de vueltas de esta rueda
codificadora determinada a partir de estas
curvas,
curvas,
la Fig. 2, un diagrama correspondiente al de la
Fig. 1 obtenido con una rueda de un sensor de ángulo convencional
y
la Fig. 3, una representación esquemática de dos
ruedas codificadoras con elemento codificador magnético de un
sensor de ángulo según la invención, al inicio del primer periodo de
ángulo de pulsación (dibujo izquierdo) y al inicio del siguiente
segundo periodo de ángulo de pulsación (dibujo derecho).
\newpage
En las figuras 1 y 2 están representados
diagramas de análisis con varias curvas. Con el fin de mostrar mejor
las ventajas de la invención respecto del estado de la técnica, las
señales reproducidas en los diagramas tienen perturbaciones
superpuestas. Así, las señales captadas son señales de sensor con
ruido.
En el diagrama de la Fig. 1 se aplica sobre el
eje x el intervalo de ángulo que comprende varias vueltas de eje de
la dirección de un vehículo automóvil. En el ejemplo de realización
representado, este intervalo de ángulo es de cinco vueltas (1800º).
El sensor de ángulo de giro con el que se ha de determinar la
posición angular absoluta del eje de la dirección, está configurado
de modo que para este rango de medición, una rueda codificadora que
tiene un elemento codificador magnético, gira nueve veces 360º. La
señal de salida del elemento sensor asociado a este elemento
codificador es la curva inferior en forma de diente de sierra
representada en la Fig. 1. En el intervalo de cada vuelta se puede
determinar unívocamente la posición angular de la rueda
codificadora.
El sensor de ángulo de giro dispone de otra
rueda codificadora. Esta otra rueda codificadora con otro elemento
codificador magnético es arrastrada por el eje de la dirección
directa o indirectamente con otra relación de transmisión, de
manera que en el rango de medición de ángulo se producen dos
períodos de ángulo de pulsación. En este ejemplo de realización, la
rueda codificadora junto con el otro elemento codificador gira 11
veces 360º en un rango de medición de ángulo. El ángulo de
pulsación se calcula mediante la sustracción de la información de
ángulo generada por el elemento codificador de una rueda
codificadora a la generada por la otra rueda codificadora. En los
dos periodos de pulsación previstos en los ejemplos de realización
presentados, el ángulo de pulsación tiene una pendiente constante.
A través del ángulo de pulsación se determina la información sobre
las vueltas de la rueda codificadora cuya curva de medición se
muestra en la Fig. 1, información que se precisa para la
determinación de ángulo absoluto del eje de la dirección. Para este
fin se escala el ángulo de pulsación. A continuación al ángulo de
pulsación escalado se le substrae la información obtenida en una
exploración. Esto resulta en la curva escalonada mostrada en la
Fig. 1 cuyos tramos horizontales se denominan "niveles" en el
marco de estas realizaciones. En cada periodo de oscilaciones los
niveles son diferentes, de modo que se puede determinar de forma
unívoca cada vuelta de la rueda codificadora. La amplitud del salto
entre niveles vecinos condicionada por la pendiente del ángulo de
pulsación es suficientemente alta, para que resultados fallidos de
la prueba de plausibilidad no puedan poner en cuestión la
determinación de vueltas, hasta el punto de que una vuelta puede
estar ubicada en un nivel inmediatamente vecino. En el diagrama de
la Fig. 1 se representa la señal de ángulo calculada que se
extiende a lo largo del rango de medición de ángulo como una curva
que crece continuamente. Aquí puede verse que en cada posición
angular del elemento codificador se puede calcular en dependencia
de su vuelta, una posición angular unívoca del eje de la dirección
que es el cuerpo giratorio.
El escalado del ángulo de pulsación tiene lugar
de manera que después de restar la información de ángulo obtenida
en la exploración, cada nivel de la curva de niveles se extiende
horizontalmente y de este modo tiene un valor constante en toda su
longitud.
En el ejemplo de realización representado el
ángulo absoluto de las dos ruedas de código con elemento codificador
magnético está desplazado en la mitad del rango de medición de un
elemento sensor, lo cual da lugar al salto en la curva del ángulo
de pulsación escalado y en la curva de niveles. En general es
conveniente concebir el desplazamiento entre los ángulos absolutos
de las dos ruedas de código de modo que éste sea una fracción 1/n
del rango de medición del elemento sensor, siendo n el número de
períodos de pulsación de ángulo dentro del rango de medición de
ángulo previsto. Los niveles que están inmediatamente junto al salto
definen la misma vuelta de la rueda codificadora. Mediante la
determinación unívoca de cada vuelta de la rueda codificadora se
puede establecer la correspondencia entre la posición angular del
eje de la dirección y cada vuelta en la que se encuentra el eje de
la dirección.
Para diferenciar el diagrama de análisis
generado por un sensor de ángulo de giro según la invención (Fig.
1) de un diagrama de análisis de un sensor de ángulo de giro
convencional, en la Fig. 2 se muestra un diagrama de este último
tipo. En el diagrama de análisis de sensor de ángulo de giro
conocido anteriormente se ve claramente la menor altura del salto
entre niveles vecinos, que solo son la mitad de los del ejemplo de
realización de la invención mostrado en la Fig. 1. La altura sobe
las perturbaciones es claramente menor que en el objeto de la
invención.
La Fig. 3 muestra la posición de ángulo absoluto
de cada uno de los elementos codificadores, por ejemplo una rueda
codificadora con imanes de un sensor de ángulo, de un sensor de
ángulo de giro configurado como sensor de ángulo de la dirección
según la invención, y en particular, en el lado izquierdo de la Fig.
3 se muestra la posición de partida del período de ángulo de
pulsación mostrado a la izquierda en la Fig. 1, y en el lado
derecho de la Fig. 3 se muestra la posición después de recorrer el
primer período de ángulo de pulsación, inmediatamente después del
salto de inicio del segundo período de ángulo de pulsación mostrado
en la Fig. 1. El desplazamiento denominado Offset entre los ángulos
absolutos de las dos ruedas de código es de 180º y por tanto la
mitad del rango de medición de un elemento sensor.
La invención ha sido descrita mediante un
ejemplo de realización con dos elementos de medida. Para aumentar
mediante redundancia la seguridad de funcionamiento o la
disponibilidad del sistema, el sensor de ángulo de giro puede tener
también más de dos elementos de medida.
Claims (7)
1. Sensor de ángulo de giro para la
determinación de la posición angular absoluta de un cuerpo giratorio
que puede girar varias vueltas, por ejemplo el eje de la dirección
de un vehículo automóvil, con dos elementos de medida con principio
de funcionamiento magnético, comprendiendo cada uno un elemento
codificador magnético que se mueve en rotación respecto de un
elemento sensor y que es arrastrado por el cuerpo, estando
arrastrados los dos elementos codificadores con distintas
relaciones de transmisión para la determinación del ángulo de
pulsación que resulta de la diferencia de la información de ángulo
de los elementos codificadores, escogiéndose las relaciones de
transmisión de manera que dentro del rango de medición de ángulo que
comprende varias vueltas del cuerpo giratorio, están comprendidos
más de un periodo de ángulo de pulsación, y siendo diferente la
posición angular absoluta de los elementos codificadores en el
período de ángulo de pulsación, caracterizado porque la
posición angular absoluta de los elementos codificadores en periodos
de ángulo de pulsación sucesivos está desplazada en una fracción
1/n del rango de medición de un elemento sensor, siendo n el número
de periodos de ángulo de pulsación comprendidos en el rango de
medición.
2. Sensor de ángulo de giro según la
reivindicación 1, caracterizado porque dentro del rango de
medición se encuentran 2 ó más períodos de ángulo de pulsación.
3. Sensor de ángulo de giro según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque los elementos
codificadores forman parte respectivamente de una rueda de código
con una corona dentada exterior, la cual a su vez interactúa con
una rueda motriz del cuerpo giratorio.
4. Sensor de ángulo de giro según la
reivindicación 3, caracterizado porque las ruedas de código
tienen distinto número de dientes.
5. Sensor de ángulo de giro según la
reivindicación 3 ó la 4, caracterizado porque el cuerpo
giratorio soporta una rueda motriz con una corona dentada exterior
con la que engranan las coronas dentadas de las ruedas de
código.
6. Sensor de ángulo de giro según la
reivindicación 3 ó la 4, caracterizado porque el cuerpo
giratorio soporta dos ruedas motrices cada una de ellas con una
corona dentada exterior pero con distinto número de dientes,
engranando una rueda de código en el dentado de una rueda motriz
respectiva.
7. Procedimiento para la determinación de la
posición angular absoluta de un cuerpo giratorio que puede girar
varias vueltas, por ejemplo el eje de la dirección de un vehículo
automóvil, con dos elementos de medida con principio de
funcionamiento magnético, comprendiendo cada uno un elemento
codificador magnético que se mueve en rotación respecto de un
elemento sensor y que es arrastrado por el cuerpo, estando
arrastrados los dos elementos codificadores con distintas
relaciones de transmisión, comprendiendo dicho procedimiento una
determinación del ángulo de pulsación como diferencia de la
información de ángulo de la señal de salida de los elementos
codificadores, estando dividido el rango de medición de ángulo que
comprende varias vueltas del cuerpo giratorio, en más de una
sección de periodo de ángulo de pulsación, cada una de las cuales
comprende un periodo de ángulo de pulsación, caracterizado
porque la posición angular absoluta de los elementos codificadores
en periodos de ángulo de pulsación sucesivos está desplazada en una
fracción 1/n del rango de medición de un elemento sensor, siendo n
el número de periodos de ángulo de pulsación comprendidos en el
rango de medición de ángulo.
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