電動助力轉向系統的製作方法

2024-03-24 21:16:05

本發明涉及對電動助力轉向系統的改進。

背景技術：

在典型的電動助力轉向系統中，電動機(比如三相直流電動機)連接至轉向機構的一部分，特別地連接至轉向軸，所述轉向軸將車輛的轉向盤連接至車輪。傳感器(比如轉矩傳感器)產生指示由駕駛員施加至轉向盤上的轉矩的信號，並且該信號被饋送到微處理器中。微處理器使用該信號以產生用於電動機的控制信號，所述控制信號指示電動機所需的轉矩或電流。這些控制信號在微處理器中被轉化成用於電動機的每一相的電壓波形，這些電壓波形進而被從微處理器傳輸至電動機側橋驅動器。

電動機側橋驅動器將控制信號(其通常為低電平電壓波形)轉化成施加至電動機側的橋的各相上的更高電平的電壓驅動信號。典型的橋包括一組開關，所述一組開關根據從橋驅動器電路施加至開關的高電平電壓驅動信號選擇性地將來自電源的電流施加至電動機的各相。通過控制開關，能夠相對於電動機的轉子位置控制電動機中的電流，從而允許控制由電動機產生的轉矩。電動機在使用中因此導致將輔助轉矩施加至轉向系統，所述輔助轉矩幫助或有助於駕駛員轉動轉向盤。由於該轉矩影響轉矩傳感器的輸出，因此這形成了一種閉環控制，該閉環控制允許準確控制電動機轉矩。

轉矩傳感器通常包括扭力杆和兩個角位置傳感器，所述兩個角位置傳感器中的一個角位置傳感器提供表示轉向系統在扭力杆的一側上的角位置的輸出信號，而另一個角位置傳感器提供表示轉向系統在扭力杆的另一側上的角位置的輸出信號。當沒有施加轉矩時，兩個輸出信號將是對準的，但是當施加了轉矩時，扭力杆扭動，導致兩個角位置傳感器運動成不對準。該輸出信號的相對變化提供了對所需轉矩的測量。

為了在發生故障的情況下提供額外的安全裕度，通常使用雙通道轉矩傳感器，其產生兩個信息通道，每個通道各自提供轉矩測量。在使用中，由每個通道顯示的轉矩用另一個通道的轉矩進行校驗，如果它們是一致的，則能夠認為轉矩值是可靠的。如果它們不一致，則一個或兩個通道可能發生了故障且能夠建立一錯誤標記。通常來說，當該情況發生時，電動機不施加輔助轉矩。

儘管雙通道轉矩傳感器給予了增大的安全度，但是在一個通道發生故障的情況下，即使另一個通道未發生故障，也不可能繼續安全地施加輔助轉矩，這部分是因為可能不能夠辨別哪個通道有故障、哪個通道是可靠的，並且還因為沒有辦法提供保護以使那個仍然良好的通道隨後不發生故障。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提供一種電動助力轉向裝置，所述電力助力轉向裝置改進了在檢測到故障時與現有系統有關的問題。

根據第一方面，本發明提供了一種電動助力轉向系統，包括：

轉矩傳感器組件，所述轉矩傳感器組件包括：輸入軸，所述輸入軸在使用中操作地連接至車輛的轉向盤；輸出軸，所述輸出軸在使用中操作地連接至車輛的車輪；扭力杆，所述扭力杆使輸入軸和輸出軸互連；和處理器件，所述處理器件產生指示由扭力杆承載的轉矩的轉矩信號；

電動機，所述電動機連接至輸出軸，使得電動機的角位置的變化產生輸出軸的角位置的相應變化；以及

電動機位置傳感器，所述電動機位置傳感器根據電動機轉子的角位置提供電動機位置信號，所述電動機位置信號每次在所述電動機已經旋轉通過一已知的角範圍時重複，比如在電動機轉子的每個電氣旋轉重複一次，所述裝置還包括處理器件，所述處理器件通過在電動機位置傳感器的輸出上添加第一項和第二項來從電動機位置信號產生輸出軸絕對位置信號，所述第一項指示在電動機位置傳感器的零位置和輸入軸的零位置之間的固定偏移，所述第二項指示電動機轉子偏離輸入軸的零位置的轉數，其中，所述處理器件適於在系統啟動時通過比較來自位置傳感器的電動機位置信號和來自與上軸的感測器件有關的傳感器的信號來確定最有可能的中心候選值以確定電動機基位置值，從而選擇更高的候選值和更低的候選值，所述更高的候選值是高於中心候選值的電動機傳感器信號的一個重複，所述更低的候選值是低於中心候選值的一個電動機位置值，並且在隨後的轉向系統的無動力運動期間，通過比較下軸絕對信號和來自上軸感測器件的信號而從每個候選值產生扭力杆偏轉值並且排除在轉向系統運動時的時間範圍內給出不可信的扭力杆偏轉值的候選值，直至僅剩下一個可信的候選值。

在啟動時(對於車輛來說，啟動經常指的是接通事件，因為其對應於駕駛員以傳統的方式轉動鑰匙來啟動車輛)，三個候選值中的任意一個均是可信的。但是，在使用中，除了一個之外的所有候選值將產生具有物理上不可能的值的扭力杆偏轉信號，因為物理的扭力杆偏轉例如受止動器限制。

處理器件可以適於通過確定扭力杆的偏轉來確定由扭力杆承載的轉矩。

處理器件可以通過比較來自固定至上軸和下軸的角位置感測器件的輸出信號來確定轉矩。

上軸感測器件可以包括一個或多個位置傳感器，所述位置傳感器提供指示所述上軸的絕對角位置的信號。處理器件可以比較指示所述上軸的絕對角位置的信號和三個下軸位置候選值中的每一個，以確定扭力杆的扭轉。

可以限制扭力杆以使扭力杆不能扭轉超過限定的角度，並且當從候選值估計的扭力杆扭轉超過限定的角度時則排除該候選值。

處理器件可以布置成持續監測直到只剩下一個候選值。此時，系統可以布置成啟動以從電動機提供輔助轉矩。

來自電動機的下軸位置信號可以與上軸位置信號一起使用，以產生備份的或虛擬的轉矩信號。所述裝置可以布置成使用該備份的或虛擬的轉矩信號來交叉校驗由轉矩傳感器產生的轉矩信號。這允許確認轉矩傳感器中的任何故障。

產生轉矩信號的處理器件可以包括：

第一轉矩信號產生器件，所述第一轉矩信號產生器件根據扭力杆的角偏轉產生第一轉矩信號，

第二轉矩信號產生器件，所述第二轉矩信號產生器件根據扭力杆的角偏轉產生第一轉矩信號。

所述裝置還包括絕對位置信號產生器件，所述絕對位置信號產生器件在使用中產生上柱絕對位置信號，所述上柱絕對位置信號指示上柱軸的角位置。

所述裝置還可以包括虛擬轉矩信號產生器件，所述虛擬轉矩信號產生器件在使用中適於從電動機位置信號和由處理器件產生的絕對角位置信號的組合確定第三轉矩信號。

所述裝置可以包括：上柱角位置感測器件，所述上柱角位置感測器件產生依賴於上柱軸的角位置的至少一個輸出信號；

下柱位置感測器件，所述下柱位置感測器件產生依賴於下柱軸的角位置的至少一個輸出信號；所述處理器件可以構造成從來自上柱傳感器和下柱傳感器的輸出信號產生第一轉矩信號，並且從來自所述上柱傳感器和下柱傳感器的輸出信號產生獨立的第二轉矩信號。

絕對位置信號產生器件可以包括次要角位置傳感器(典型地，其獨立於在上述段落中提及的上柱角位置傳感器)，所述次要角位置傳感器附接至上柱並且產生一絕對位置信號，所述絕對位置信號在超過上柱的一轉的範圍內是唯一的，優選地在超過3轉或更多轉的範圍內是唯一的。所述絕對位置信號應該在附接至轉向裝置的轉向盤的旋轉的整個範圍內是唯一的。

傳感器可以通過齒輪連接至上轉向柱，所述齒輪可以相對於上柱軸逐步增加或逐步降低傳感器的旋轉。

產生器件可以觀測角位置傳感器的輸出，以產生角位置信號。

替代地，絕對位置信號產生器件可以布置成使用來自上柱位置傳感器和下柱位置傳感器中的一者的輸出信號中的一個輸出信號連同次要角位置傳感器的輸出來產生獨立的上柱絕對角位置信號。這可以包括使用差值處理，在所述差值處理中，通過查找來自兩個傳感器的具有不同相位的信號之間的差值來算出角度。

絕對位置產生器件與第一轉矩信號產生器件和/或與第二轉矩信號產生器件可以共享一個或多個傳感器。

所述裝置可以包括交叉校驗器件，所述交叉校驗器件布置成將第一轉矩信號和第二轉矩信號與第三轉矩信號進行交叉校驗，以校驗轉矩傳感器的完好性。

交叉校驗器件可以形成處理器件的一部分，且虛擬轉矩信號產生器件還可以形成處理器件的一部分。處理器件可以包括一個或多個分離的信號處理單元，每個信號處理單元包括集成電路。

用於產生轉矩信號的上角位置感測器件中的每一個均包括兩個角位置傳感器，所述兩個角位置傳感器中的每一個均適於產生輸出信號中的一個，所述輸出信號中的每一個均獨立於另一個。因此，每個感測器件將提供兩個信號通道1和2，從而允許產生獨立的第一轉矩信號和第二轉矩信號。

更具體地，上感測器件的角位置傳感器中的每一個可以包括攜帶附接至軸的調製軌道的旋轉式感測元件和檢測器，或普通的旋轉式感測元可以與兩個檢測器一起使用，使得所述兩個通道完全獨立但是共享物理轉子。類似的布置可以提供用於下感測器件的傳感器中的每一個傳感器。

上柱傳感器和下柱傳感器中的每一個均具有較高的解析度(精細角度傳感器)且可以產生周期重複的信號，所述周期小於相應的上軸和下軸的一轉，使得在輸出信號自身上，每個輸出信號不指示上軸和下軸的任意一者的絕對位置。信號可以以20度或以40度重複，或者一個信號以20度重複而另一個信號以40度重複。一個或多個上柱傳感器可以以20度重複而一個或多個下柱傳感器以40度重複。當然，可以在本發明的範圍內使用其它角度的重複。

處理器件可以處理每個通道的上信號和下信號，以通過使用差值處理來產生轉矩信號，在差值處理中，兩個信號的相對相位被確定且轉矩從所述兩個信號值之間的差值中得出。在通道的每個輸出信號在重複之前線性變化的情況下，轉矩的增大將導致通道的表示在扭力杆上的轉矩的兩個輸出信號之間的相位漂移。

在上柱傳感器和下柱傳感器的輸出信號中的每一個在超過軸的一個完整旋轉上不提供柱絕對位置測量值的情況下，所述裝置還可以包括次要上柱傳感器，所述次要上柱傳感器產生依賴於輸入軸的位置的輸出信號，處理器件可以通過組合該傳感器的輸出與上柱傳感器和下柱傳感器中的一者的輸出來產生上柱絕對角位置信號。該另外的次要上柱角位置傳感器可以是上柱位置感測器件的一部分。

該次要傳感器可以包括組合的轉矩和位置傳感器的一部分。

因此，所述組合的轉矩和角位置傳感器包括總共五個傳感器：上柱感測器件包括兩個上柱傳感器和一個次要傳感器，下柱感測器件包括兩個下柱傳感器。

處理器件可以輸出以下信號：轉矩通道1、轉矩通道2、來自上傳感器的精細角度信號(或來自如下所述的下傳感器和上傳感器的上虛擬角度)和粗糙角度信號。

處理器件可以適於通過組合次要傳感器的輸出和下柱軸傳感器輸出信號中的一個輸出信號來產生用於上柱的絕對角位置信號；且在組合之前或組合期間，處理器可以修正下柱軸傳感器的輸出信號，以移除扭力杆的由處理器產生的轉矩信號所指示的任何扭轉的影響。

需要進行修正，以將下傳感器的參考系帶至上柱傳感器的參考系中，從而允許虛擬的上信號與粗糙角度信號組合，以產生上柱絕對角度信號。如果在產生絕對位置信號中來自上柱感測器件的輸出信號和下柱軸傳感器不起作用，則將不需要修正。

系統可以包括電動機控制器，所述電動機控制器接收轉矩信號中的至少一個並且導致電動機產生輔助轉矩。電動機控制器還可以接收由處理器產生的絕對位置信號。

本領域技術人員將理解的是，通過使用術語「連接的」，我們指的是直接接觸或間接連接的部件，所述間接連接例如通過中間部件，比如位於電動機和輸出軸之間的齒輪箱來實現。

電動機位置傳感器可以包括比如旋轉式編碼器的物理位置傳感器。替代地，電動機位置傳感器可以包括虛擬位置傳感器，在所述虛擬位置傳感器中，轉子的位置通過監測電動機的一個或多個參數(比如一個或多個電動機相中的電動機電流以及電動機感應係數)來確定。

第三轉矩信號可以通過產生虛擬轉矩信號來產生，並且為了這樣做，處理器件可以包括：下柱絕對位置確定器件，所述下柱絕對位置確定器件從電動機位置確定下柱的絕對位置；和

虛擬轉矩確定器件，所述虛擬轉矩確定器件比較上柱絕對位置信號和下柱絕對位置信號以確定扭力杆的偏轉並由此確定轉矩。

虛擬轉矩可以從扭力杆的角偏轉來確定。

第一角位置信號和另外的角位置信號(其在設置有另外的上柱傳感器時，來自該另外的上柱傳感器)可以隨著上柱軸轉動而周期性地重複，信號在多次旋轉中偏移成異相位，以使得能夠在多於一轉的情況下確定絕對位置測量值。

為了確定下軸的絕對角位置，要求處理器件能夠在與柱軸相同的參考系中確定電動機的絕對位置。

電動機位置傳感器可以產生一數值，該數值在電氣旋轉的每360度中從最小增大到最大，之後針對每個完整的電氣旋轉一遍又一遍地重複。

為了有助於進一步處理，可以形成解卷繞的電動機位置信號。在接通時，這被初始化為從電動機位置傳感器讀到的初始值，即被初始化為在接通時的初始測量電氣位置。在每一隨後的軟體迭代中，當前的電動機位置信號和之前的電動機位置信號之間的差值被累加到解卷繞的電動機位置信號。當形成了當前的電動機位置信號和之前的電動機位置信號之間的差值時，任何大於180度或者小於-180度的差值表示電動機位置信號已經被卷繞。所述差值被添加或減去360度以將該差值帶回至+/-180度的範圍。該修正的差值被用於更新解卷繞的電動機位置信號。

為了將該重複的信號轉化成在上柱軸參考系中的絕對位置信號，處理器件可以額外地對該信號添加增量偏移值，該增量偏移值表示在上柱處於零度且沒有轉矩施加在扭力杆上時的時刻處電動機在一個電氣旋轉中的角位置。

另外，處理器件還可以將該信號施加至電動機基位置值。

在下柱絕對位置在上柱參考系中進行確定的情況下，需要這些偏移值中的兩者，沒有這些偏移值，不能夠進行下柱絕對位置和上柱位置之間的比較。

增量偏移可以存儲在存儲器中且可以保持為在系統切換至進行位置測量的狀態時的接通期間使用。

電動機基位置值不能被存儲以在接通時使用，因為電動機基位置值可以在系統被斷開且不進行測量時變化。

轉矩傳感器和電動機位置傳感器可以每者均包括分離的處理單元，每個處理單元具有其自己的集成電路和計時器。申請人已經意識到的是，這能夠導致在捕捉位置信號中的小的計時誤差，計時誤差能夠給出在由轉矩傳感器產生的轉矩信號和虛擬轉矩信號之間的不可接受的誤差。

為了補償該情況，每個處理單元可以將時間標識施加至信號，以指示信號值對應的精確時間。在需要對來自兩個處理單元的信號進行組合的任何處理期間可以施加修正，以補償時間標識中的任何不同。這有效地使得信號能夠被調整，以將信號帶至在時間上精確的相同參考系中。

讀者將理解的是，在本發明範圍內的至少一種布置中，在用於形成轉矩通道中的一個轉矩通道的部件和用於產生絕對角位置信號的部件之間存在一些共性。這能夠導致共同的故障模式，在所述故障模式中，能夠產生轉矩信號的故障，轉矩信號的故障導致絕對位置信號的故障。

因此，裝置可以布置成在來自次要上軸角位置傳感器的輸出信號和虛擬上柱位置信號之間執行交叉校驗，在兩個信號不隨著轉向盤的旋轉而以期望的方式相對於彼此變化的情況下產生錯誤信號。在沒有錯誤的系統中，虛擬的柱位置信號和次要位置傳感器輸出信號兩者將在轉向盤被轉動時追隨彼此。在實際中，虛擬的柱位置信號和次要位置傳感器輸出信號將由於傳感器轉子的惰轉或其它效應而相對於彼此變化，並且該變化將是恆定的，且能夠獲悉系統的特徵。

因此，處理器件可以適於在裝置接通之後的初始獲悉相位期間獲悉角位置的期望變化。

獲悉的變化可以存儲在存儲器中。一組特徵可以獲悉用於使轉向盤沿著一個方向轉動，一組不同的特徵可以獲悉用於使轉向盤沿著另一方向變化。

存儲的數據可以包括對應於轉向系統的一組角位置(例如，100個等距間隔開的角位置)中的每一個角位置的偏移值。一組可以存儲用於在第一方向上的運動，而另一組用於在另一方向上的運動。

在至少一種布置中，次要角位置傳感器可以具有不良解析度(粗糙信號)。

在另一精確布置中，輸出信號的每個值可以用精確的時間標識標記，所述精確的時間標識指示在所述值為正確時的時間。該時間標識可以綁定到時鐘信號，所述時鐘信號驅動每個產生信號的處理器。

所述裝置可以布置成使得當任意兩個信號被組合時，兩個信號的時間根據相應的時間標識對準，使得與信號的時間差值有關的任何差值被降低。

通過修正信號以確保信號在時間上是對準的，能夠提高處理過的信號(比如轉矩或電動機位置)的精確性。

根據第二方面，本發明提供了一種用於控制電動助力轉向系統的方法，所述電動助力轉向系統的類型為其包括：轉矩傳感器組件，所述轉矩傳感器組件包括：輸入軸，所述輸入軸在使用中操作地連接至車輛的轉向盤；輸出軸，所述輸出軸在使用中操作地聯接至車輛的車輪；扭力杆，所述扭力杆使輸入軸和輸出軸互連；和處理器件，所述處理器件通過比較來自固定至上軸和下軸的角位置感測器件的輸出信號來產生轉矩信號；

電動機，所述電動機連接至輸出軸，使得電動機的角位置的變化產生輸出軸的角位置的相應變化；以及

電動機位置傳感器，所述電動機位置傳感器根據電動機轉子的角位置提供電動機位置信號，所述電動機位置信號每次在所述電動機已經旋轉通過一已知的角範圍時重複，比如在電動機轉子的每個電氣旋轉重複一次，

所述方法包括以下步驟：

通過在電動機位置傳感器的輸出上添加第一項和第二項來從電動機位置信號產生輸出軸絕對位置信號，所述第一項指示在電動機位置傳感器的零位置和輸入軸的零位置之間的固定偏移，所述第二項指示電動機轉子偏離輸入軸的零位置的轉數；

在系統啟動時通過比較來自位置傳感器的電動機位置信號和來自與上軸的感測器件有關的傳感器的信號來確定最有可能的中心候選值以確定電動機基位置值；

選擇更高的候選值，所述更高的候選值是高於中心候選值的電動機傳感器信號的一個重複，選擇更低的候選值，所述更低的候選值是低於中心候選值的一個電動機位置值；以及

在隨後的轉向系統的降低權限的運動期間，通過比較下軸絕對信號和來自上軸感測器件的信號而從每個候選值產生扭力杆偏轉值並且排除在轉向系統運動時的時間範圍內給出不可信的扭力杆偏轉值的候選值，直至僅剩下一個可信的候選值。

我們用降低權限表示不需要施加任何輔助轉矩的操作，或者當施加降低水平的或者以其它方式受限水平的輔助轉矩時的操作。

附圖說明

現在將參照附圖，以示例的方式描述僅僅一個包含根據本發明的特徵的轉向系統的實施例，其中：

圖1是落入本發明的範圍內的電動助力轉向系統的一部分的總圖；

圖2是圖1的系統的電路的關鍵部分的框圖；

圖3示出了在圖1的系統中使用的組合的轉矩和角位置傳感器的關鍵部件；

圖4是圖3的傳感器的機械布置的總圖；

圖5更詳細地示出了圖4的傳感器的感測電子器件的一個布置；

圖6(a)至(c)示出了圖3的傳感器的輸出信號的變化；

圖7(a)是示出了向處理單元的輸入、被饋送至電動機控制器的來自處理單元的轉矩輸出、和可以在處理單元中執行的處理階段的系統圖；圖7(b)更詳細地示出了可以執行以產生虛擬的上柱轉矩和兩個轉矩通道信號的子階段；

圖8(a)至(c)示出了扭力杆的扭轉對上下軸的相對位置的影響；

圖9示出了(a)電動機位置傳感器輸出的變化，(b)下柱位置的相應變化(在該示例中取為包括零角度的名義增量偏移的零值)，和(c)電動機基位置值的變化；和

圖10示出了當轉向軸5由於傳感器轉子的惰轉等而轉動時角位置傳感器輸出之間的變化；和

圖11示出了通過觀測40度和296度角度信號之間的差值所產生的0-1480度的信號的產生。

具體實施方式

如圖1所示，電動助力轉向系統1位於轉向盤和車輪之間的轉向裝置內。該系統包括電動機2，電動機2具有輸出軸3，輸出軸3通過齒輪箱4連接至下轉向柱軸上，齒輪箱4通常包括與齒輪配合的渦輪。下軸間接地通過齒條-齒輪或其它連接件連接至車輛的車輪。上轉向柱軸支撐轉向盤，並且將上軸連接至下軸的是轉矩傳感器6。轉矩傳感器包括連接上軸和下軸的扭力杆，扭力杆設計成響應於在駕駛員轉動轉向盤時施加在扭力杆上的轉矩而扭轉已知的量。通過在上軸和下軸上提供止動器而將最大扭轉限制在+-5度。

轉矩傳感器檢測扭力杆的扭轉，並且將該扭轉轉化成至少一個轉矩信號，儘管將在一個優選實施例中可見的，轉矩傳感器產生了兩個轉矩信號通道，並且這些轉矩信號中的一個被饋送到設置在微處理器晶片中的電動機驅動電路的控制器7中。控制器產生電動機的相電壓，該相電壓被施加至與電動機的每一相相關聯的電動機側橋的開關，以使電動機產生輔助駕駛員的轉矩。這通常與測量的轉矩成比例，使得當駕駛員施加更高的轉矩時，電動機提供更高的輔助量以幫助轉動轉向盤。

如圖2所示，控制器包括微處理器8，微處理器接收轉矩信號和流入電動機的電流i(在每一相中的電流、或者進入電動機或從電動機出來的總電流)的測量值。微處理器還從連接至電動機的電動機轉子角位置傳感器接收電動機轉子位置的測量值，或者微處理器在內部從電流信號計算該電動機轉子位置。轉子位置與電流一起允許控制器確定將被施加的轉矩。來自轉矩傳感器的轉矩的測量值被控制器所使用，以確定電動機需要多大的轉矩。還有，這在本技術領域是眾所周知的，並且在本技術領域已經提出了許多不同的控制策略和電動機相電壓波形，以實現所需的轉矩。

微處理器8的輸出將通常是一組電動機相電壓波形，通常為表示由控制器所需以實現期望的電動機電流以及因此實現電動機轉矩的相電壓的PWM波形。這些是低電平信號，並且被從控制器饋送至電動機側橋電路9的輸入部。電動機側橋電路9的功能是將低電平信號轉化成用於電動機側橋10的開關的更高電平的驅動信號。以三相電動機為例，每一相將通過高壓開關連接至正電源且通過低壓開關接地，三相中的僅一相將根據由PWM開關波形所限定的樣式在任意給定的時間處進行連接。

圖3更加詳細地示出了示例性轉矩傳感器組件，圖4和圖5仍然更加詳細地示出了傳感器的部件。在其最通用的形式中，轉矩傳感器能夠是產生兩個轉矩通道和一個上柱位置信號的任何布置。理想地，所述兩個轉矩通道以及所述上柱位置信號應當彼此獨立。

在該示例中，傳感器選擇為包括組合的雙通道轉矩和單通道上柱位置傳感器，其具有組合在單個集成單元中的總共五個傳感器11、12、13、14和15，所述單個集成單元具有共用的預處理單元，該預處理單元從來自傳感器的原始內部信號產生傳感器輸出信號。傳感器中的三個位於上柱軸5a上，兩個位於下柱軸5b上，所述兩個軸通過扭力杆18連接，扭力杆18隨著施加在軸5上的轉矩而扭轉。

所述五個傳感器包括：

-兩個精細角度上柱角位置傳感器13、14，其附接至扭力杆的上柱軸端部且每個傳感器產生獨立的角位置信號(通道1信號和通道2信號)，這兩個精細角度上柱角位置傳感器一起形成上柱感測器件的一部分；

-兩個精細角度下柱角位置傳感器11、12，其附接至扭力杆的最靠近電動機的下柱軸端部且每個傳感器產生獨立的角位置信號(通道1信號和通道2信號)，這兩個精細角度下柱角位置傳感器一起形成下柱感測器件；和

-次要上柱位置傳感器15，其產生低解析度的角位置信號且其能夠被視作上柱感測器件的附加部分。

處理器17使用減法原理來檢測扭力杆的扭轉，從上軸的位置減去下軸的位置(或者反之)來確定用於扭力杆的角偏轉值。這被進行兩次，一次用於上通道和下通道1的信號，另一次用於上通道和下通道2的信號，以給出兩個獨立的轉矩測量值或轉矩通道。

如上所述，扭力杆18設計成沿著每個方向響應於最大期望轉矩而圍繞中心位置扭轉通過最大+/-5度。一旦已經達到該範圍，通過在上柱軸和下柱軸上的止動器的內接合來防止進一步的扭轉，以保護扭力杆不被損壞且在扭力杆失效的情況下給出牢固連接。

每個角位置感測器件包括相應的金屬轉子19、20，金屬轉子包括平坦的金屬盤，金屬盤具有多個等距隔開的徑向臂，徑向臂形成在金屬盤周圍延伸的切口19a的環形軌跡。因此，總共存在兩個盤，一個盤在下軸上，一個盤在上軸上。在附圖的圖4和圖5中示出了示例性傳感器組件的相關部分。

每個切口的角寬度等於每個切口之間的角間隔。下軸轉子的切口的間隔是40度，而上軸的為20度(在圖5的示例性轉子和定子中，通過使線圈的徑向臂之間間隔X度來設定角度，該角度對於上傳感器和下傳感器來說將是不同的)。角度的不同是由於特定的傳感器組件以不同的方法製造時的物理約束所導致的，這對該描述的實施例來說是獨特的。實際上，假如它們周期性地均為40度或更多度，則這將是優選的。

每個轉子19、20與定子支撐部件21配合，定子支撐部件包括印刷電路板以形成兩個角位置傳感器。板21承載感測器件的工作部分，其包括兩個勵磁線圈和兩組接收線圈，一個勵磁線圈和一組接收線圈形成兩個傳感器中的一個傳感器。每個傳感器的勵磁線圈形成LC電路的一部分且產生磁場。該磁場在金屬轉子中誘導出電流，進而轉子產生其自己的磁場，該轉子的磁場聯接回在印刷電路板上的那個傳感器的相應接收線圈。在三個接收器中的每個接收器中的誘導電壓根據轉子位置而變化，且傳感器組件的預處理單元將三個信號轉化成傳感器的輸出信號，該輸出信號隨轉子位置線性地變化。當轉子旋轉時，角位置信號中的每一個將周期地線性變化，其中，對於下轉子來說周期為40度，對於上轉子來說周期為20度。因此，輸出信號在上軸等的一個完整旋轉期間重複許多次，它們自身在上軸的整個運動範圍(其通常在轉向盤的鎖定到鎖定的3至4轉之間)內不提供軸的絕對位置的指示。

圖6(a)和(b)示出了來自上傳感器輸出信號和下傳感器輸出信號的輸出信號在沒有施加轉矩的情況下在轉向軸的一個完整旋轉中的變化。如能夠看見的那樣，每個輸出信號在重複之前線性地變化20或40度。如果施加了轉矩，則這些斜坡信號的相對相位將變化，並且其被用於確定轉矩(扭力杆的最大扭轉顯著小於20度，因此在能夠檢測到的斜坡之間將總是存在明確的相位變化)。兩個傳感器的該形式的差值測量在本領域是眾所周知的，因此在這裡將不再解釋。

上傳感器輸出信號和下傳感輸出信號被饋送到處理器件19(在圖2中示出且在圖7(a)中更詳細地示出)中，處理器件輸出被饋送至電動機控制器8的轉矩信號。

在使用中，如圖7a所示，處理器件19(通常為由微處理器和包含編程指令的相關存儲器形成的單個處理器)將在第一階段19a中比較來自上角位置信號和下角位置信號的用於通道1的輸出信號，以產生第一(通道1)轉矩信號T1，並且對通道2信號進行相同處理以產生通道2轉矩信號T2，通道2轉矩信號T2獨立於通道1。在正常操作中，這些將提供相同的轉矩值。

另外，處理器產生表示上軸的絕對位置的絕對角位置信號19b。這不能利用通道1或通道2角位置信號在通道1或通道2角位置信號自身上產生，因為它們以遠遠小於上柱軸的一轉的周期重複。為了得到絕對位置信號，處理器因此還使用來自次要上柱軸位置傳感器的輸出信號。在圖7(b)中更加詳細地示出了形成於階段19a內的該處理。

該次要傳感器通過齒輪連接至上柱軸。這能夠在圖3中看到。該傳感器15具有比上柱傳感器或下柱傳感器小的多的周期，並且在該示例中輸出了線性變化的信號，該線性變化的信號在上軸每旋轉296度時重複。這在圖6(c)中示出。它包括具有北極和南極的單個磁鐵，該磁鐵轉動經過單個霍爾效應傳感器，從而給出斜坡波形，該斜坡波形一個周期變化296度。該信號是「粗糙」信號，因為對於數位訊號中的給定水平的二進位位來說，它必須覆蓋從0至296的所有值。通過對比，對於20度的傳感器來說，它是「精細」信號，因為在數位訊號中的二進位位必須覆蓋小範圍的角度，例如，對於數位訊號中的給定數量的二進位位來說大於十倍的角解析度。

為了得到柱的絕對位置，處理器可以處理次要傳感器輸出信號的值(每296度重複一次)和20度或40度傳感器的值。在該示例中，處理器利用來自下柱傳感器的通道1信號的修正形式處理信號值，通道1信號被修正以移除扭力杆的扭轉的影響，以形成每旋轉40度重複一次的「虛擬上柱位置信號」。該對比使得能夠產生每1480度(因為這是在次要傳感器的值和虛擬上柱信號的值成對之前的旋轉角度)重複一次的用於上柱的唯一角位置信號。這在圖11中示出。

「虛擬上柱位置信號」是下軸角位置傳感器的輸出的修正形式。下軸角位置由處理器考慮扭轉扭力杆的轉矩的影響而被修正或者被補償。「虛擬上柱位置信號」每40度重複一次，而上角位置傳感器每20度重複一次。該轉換是必要的，使得組合的信號具有適當的範圍且在重複之前能夠覆蓋所需的3轉或更多轉的轉向盤鎖定(即，計算非唯一的角位置值)。

注意到的是，這裡使用「虛擬」上柱位置信號是針對20度傳感器在上柱上而40度傳感器在下柱上的該實施例而言的。如果它們正好相反，則將能夠組合次要傳感器值和上柱傳感器通道1或通道2的值。如此的話，使用20度傳感器將不會在典型的3至4轉鎖定至鎖定上給出所需的唯一絕對位置信號，因為信號對將在上柱軸的很小轉動(小於所需的3至4轉鎖定至鎖定)之後給出非唯一的值。

處理器件19(當如上所述正確地起作用時)使用共同產生了通道1的轉矩信號的一些傳感器信息產生上柱絕對位置信號和兩個轉矩信號(通道1和通道2)。

控制器8僅需要兩個轉矩信號中的一個來起作用，即，控制器8需要有效的轉矩信號。因此，在將通道中的一個傳到控制器之前，組合的轉矩和角位置傳感器的處理器在階段19c校驗它們是否一致。如果它們匹配，則兩個轉矩信號的平均值被饋送至控制器9。如果它們匹配，則認為值是正確的。

如果校驗階段19c發現兩個轉矩信號不匹配，且不匹配超出了一可接受的安全量，則在該階段還對兩個轉矩通道與第三「虛擬」轉矩信號T3進行校驗，所述第三「虛擬」轉矩信號T3使用電動機位置傳感器20產生，如現在將描述的那樣。如果第三信號匹配轉矩通道T1或T2中的一個，那麼那個轉矩通道被饋送至控制器8，因為那個轉矩通道被認為是可靠的。如果第三信號不匹配通道1轉矩或通道2轉矩中的任一個，則在診斷輸出19d處標記錯誤且停止輔助裝置。

除了組合的轉矩和位置傳感器之外，裝置因此包括具有其自己的處理器21的電動機位置傳感器20。電動機位置傳感器20在結構上與轉矩傳感器的位置傳感器中的一個類似，具有轉子和定子。轉子和定子形成具有金屬編碼器盤的增量式編碼器，所述金屬編碼器盤限定在整轉上的編碼器區域，其類似於附接至電動機轉子的轉矩傳感器的編碼器區域。傳感器還包括與索引軌道配合的三個霍爾效應傳感器，每個霍爾效應傳感器產生與其它兩個霍爾效應傳感器的信號具有120度異相位的信號。霍爾傳感器1將0-120度的電角度讀為1而將所有其它角度讀為0。霍爾傳感器2將120-240度的電角度讀為1而將所有其它角度讀為0。霍爾傳感器3將240-0度的角度讀為1而將所有其它角度讀為0。

增量式編碼器具有兩個彼此具有90度異相位的傳感器，以給出A和B通道。當轉子旋轉通過一個完整的電動機旋轉時，A通道和B通道中的每一個將在0和1值之間變化，以給出如圖9所示的重複波形。提供兩個通道允許通過觀察每個信號的邊緣以何種順序產生以及它們是上升邊緣還是下降邊緣來確定旋轉的方向。增量式編碼器隨著轉子的旋轉而累加，直至轉子已經經過了一個完全的旋轉，此時計數器被重置為0且計數重複，或者所述方向改變且計數器倒著計數。

電動機2每機械旋轉具有四個電氣旋轉，因此增量式編碼器的一個周期(360度的電氣周期)等於電動機轉子的90度機械旋轉。電動機輸出軸隨轉子旋轉且通過齒輪箱連接至下柱軸，所述齒輪箱對於下柱軸的完整的一轉具有(電動機的)20.5轉的比值。因此，電動機位置信號的每個周期將對應於下柱軸旋轉4.39度。這在圖9(a)示出。

電動機傳感器的輸出被處理單元在階段19e中轉化成位置的測量值，所述測量值由處理單元19使用如下方程表示在上柱軸參考系中：

虛擬的下柱絕對位置＝電動機基偏移+解卷繞的電動機位置信號值增量偏移；

其中：

電動機增量偏移是在(虛擬補償後的)上柱角度傳感器讀為零度(且不存在扭力杆偏轉)時的(卷繞的)電動機電氣位置的值；

電動機基偏移具有指示上柱在接通時偏離零度多少個完整的電氣轉數的值。

電動機增量值和基值需要將電動機位置信號置於與由組合的轉矩和位置傳感器的處理器所產生的上柱絕對位置信號相同的參考系中。

增量偏移值能夠變化，直到電動機位置傳感器卷繞一圈(一個完整的電動機轉子電氣旋轉)，這意味著增量偏移值在該示例中將取0至4.39度之間的值。實際值依賴於電動機位置傳感器在組裝期間如何與轉向柱下軸對準且實際值在使用中將不變化。類似地，計數器中的每個增量(基值)將對應於從中心零位置旋轉離開的4.39度。

現在將解釋處理器件產生第三虛擬轉矩信號的方法，特別地，處理器件如何計算電動機基位置值的方法。這應當結合圖7(a)閱讀，圖7(a)示出了由處理器件19實施的處理階段。

如上文描述的那樣，假定計數值(電動機基位置)是可靠的且電動機的增量偏移在製造期間是已知的，則在階段19e中從電動機位置信號20產生虛擬的下柱位置信號。稍後解釋在操作期間(比如在接通之後當它們不可靠時)確定這些的過程，但是現在假定它們是已知的。

從虛擬的下柱位置信號能夠確定下柱軸在上柱軸參考系中的位置。上柱軸的絕對位置是已經知道的，因為它由處理器單元19產生，作為兩個轉矩通道的產生的一部分。所述兩個信號然後在階段19f比較，以確定所述兩個信號之間的差值。該差值指示扭力杆的扭轉的量。利用扭力杆特性的知識(即，對於給定的轉矩來說，扭力杆扭轉多少)來處理該差值，使得能夠通過處理器來確定扭力杆中的轉矩，以形成虛擬轉矩通道T3。

注意的是，儘管虛擬的下轉向柱軸位置信號能夠從電動機位置傳感器產生，但是不能夠產生準確的虛擬上柱位置信號，因為轉矩是未知的且因此由於扭力杆的扭轉而在下軸和上軸之間產生的偏移的影響是未知的。然而，如果依賴於通道1轉矩T1或者通道2轉矩T2以實施向上柱參考系的轉換，則能夠對扭轉做出良好的估計。

本領域技術人員將理解的是，虛擬轉矩的產生依賴於能夠在相同的參考系中表達電動機轉子的角位置和上柱軸的角位置。除了確定這些信號之間的關係的施加至扭力杆的實際轉矩(其它的是信號捕捉的相對計時和電動機輸出軸和下柱軸之間的任何齒輪箱餘隙或柔量)之外，存在兩個主要的因素：增量偏移和電動機基位置。

確定增量偏移

增量偏移通常將存儲在永久性存儲器中並且能夠在製造之後以及在每次接通而重新使用時獲悉。增量偏移將不變化。處理器件能夠獲悉偏移的一種方法是在處理器件已知在扭力杆上存在零轉矩且在上柱軸筆直向前(即，處於零位置)時查找電動機位置信號。該校驗能夠在任意時間做出，只要轉矩傳感器是工作的，即：兩個轉矩通道均給出相同的讀數。

替代地，裝置可以獲取修正用於扭力杆偏轉的上柱角度(因此現在為下柱角度)和解卷繞的電動機角度之間的差值。然後，裝置可以考慮該角度在除以4.39度之後的餘數。該餘數是電動機增量偏移。該方法具有能夠連續操作的優勢。由於在車輛中不存在確保的各單元的對準，因此可能的是，在一些車輛中，如果轉向齒輪將行程限制到傳感器輸出的1480度的總範圍的大約1080度，則上柱角度將永遠不會讀為零度。

確定電動機基位置

不像增量偏移(其由於在電動機和下柱軸之間的固定角度關係而僅僅被獲悉一次)那樣，電動機基位置在接通時通常將是未知的。這是因為當系統被切斷且不獲悉或監測傳感器信號時，轉向可以被轉動通過任意角度，這將導致電動機轉子旋轉通過一個或多個完整的轉數。在接通時，能夠從電動機位置傳感器來直接確定電動機轉子的相對角度，但是電動機基位置將是未知的，因為計數器的值未被更新，因此將是不可靠的。

在接通之後和提供任何輔助轉矩之前(在跛行回家模式期間)的使用系統期間，獲悉電動機基位置的處理因此在處理器件中提供。

初始時，在接通之後，通過從上柱角度減去下柱角度(修正用於電動機增量偏移的電動機角度)並且將結果四捨五入至最接近的電動機旋轉(4.39度)來產生電動機基偏移的估計值。

另外，選擇比該估計值少卷繞一圈的電動機基偏移並且獲取了比該中心估計值多卷繞一圈的電動機基偏移。在接通時存在由扭力杆承載的大量級轉矩的情況下，這些電動機基偏移中的每一個均是可信的電動機基偏移值，因為扭力杆的偏轉可能已經誘導了最多一個額外的電動機旋轉(一個電動機旋轉為上軸旋轉的4.39度，且允許的扭力杆旋轉的最大值為5度，其小於2*4.39度)。

能夠參照圖8來理解對三個估計值的需求，圖8示出了可以在扭力杆中存在從0到+-5度之間的未知量級的扭轉α。在0度扭轉的情況下，在圖8(a)中示出的兩個標記將如示出的那樣在一直線上，且中心估計值將被證明是正確的。在正5度扭轉的情況下，中心估計值將偏差5度或1轉(當四捨五入時)，因為電動機將比由中心估計值所建議的數值多轉1圈。在負4度扭轉的情況下，中心估計值將再次偏差，因為電動機將少轉一圈。

接下來，隨著車輛被驅動，根據所述三個電動機基位置值中的每一個來計算扭力杆的偏轉。在扭力杆的轉矩的極限處，這些估計的電動機基位置值中的兩個將給出扭力杆扭轉的不可能的量，並且因此能夠被排除。

下面陳述在接通時系統在三個可能情形(零轉矩、大的正轉矩和大的負轉矩)中的每一個情形中的行為。

在接通時的零轉矩或低轉矩

在該情況中，中心值是正確的值，儘管中心值在初始時是未知的。使用全部的三個電動機基值來計算扭力杆偏轉。當施加了大的正轉矩時，計算的扭力杆偏轉的值(或者計算的第三虛擬轉矩值)將落入中心值的可信範圍內、但落入用於最大的電動機基位置值的可信範圍之外。該最大值因此能夠排除為用於接通的可信值。類似地，當施加大的負轉矩時，第三扭力杆偏轉將停留在中心值的可接受範圍內，但是低電動機基位置值將給出一扭力杆偏轉，該扭力杆偏轉在可接受範圍之外並且能夠被消除，僅留下中心值作為正確的值。然後，該正確的值被用作電動機基位置值且系統被從跛行回家模式中帶出，以施加輔助轉矩。

在接通期間在扭力杆上施加正轉矩

以類似的方式，如果在接通期間存在正轉矩且負(或小的正)轉矩被施加到扭力杆，那麼首先，最小估計值將給定一扭力杆偏轉，該扭力杆偏轉位於可允許的範圍之外且能夠被消除。當更大的負轉矩被施加時，中心估計值將被消除。

在接通期間在扭力杆上施加負轉矩

以類似的方式，如果在接通期間存在負轉矩且正轉矩被施加至扭力杆，那麼首先最大的估計值及中心估計值將給定一扭力杆偏轉，該扭力杆偏轉位於可允許的範圍之外且能夠被消除。

申請人還意識到的是，系統中任何小的計時誤差都能夠導致轉矩估計值的大誤差。這在由兩個不同的處理器提供信號的情況下(如一個負責發動機位置傳感器處理，且另一個負責轉矩傳感器處理的情況那樣)是個特別的問題。為了減輕該問題，時間標識被施加至在每個處理單元中產生的每個位置信號值上。然後，當來自不同單元的信號被組合時，能夠施加修正，以將它們準確地帶至相同的時幀內，從而允許任何誤差的量級被降低到可接受的邊界範圍內。

為了改進由各種處理器產生的信號的精度，由傳感器產生的原始信號的每個採樣值(例如角位置傳感器輸出信號和電動機位置信號)被給予一時間標識。該時間標識表示樣本被捕獲時的精確時刻。在數字系統中，每個輸出信號將包括一連串的離散值，每個離散值表示在給定時刻處的測量參數的狀態。準確計時將依賴於用於產生信號的處理器的時鐘，並且在使用兩個或更多個處理器的情況下，時鐘的邊界可能沒有精確地對準或者可能在分離了一個或多個時鐘周期時捕獲樣本。

當比較信號時，由處理器觀測分配給每個值的時間標識。然後，在兩個時間標識之間的差值由處理器件確定並且被乘以從歷史位置測量值確定的柱速度的測量值或估計值。這產生一修正值，該修正值能夠被添加至測量的信號，以有效地將更早的信號(具有最早時間標識的信號)插值到最新的信號幀中。該方法假設速度在那個時間是恆定的，這在大部分情況下是合理的。信號從而是「時間對準」的，因此它們在時間上對應於準確的相同時刻。

通過使信號在時間上對準，能夠實現產生的信號精度的有用提高。

角度信號的交叉校驗

在該特定實施例中，通過依賴於不存在誤差的通道1下角度信號和上角度信號(因為需要這些來產生虛擬的上柱角度信號)來產生虛擬轉矩。在轉矩通道2已經失效的情況下，我們終止於兩個轉矩通道的一個通道(我們的仍然良好的通道)和虛擬轉矩信號兩者均依賴於正確地起作用的相同部件的情況。這是一種潛在的共同失效模式。在(例如)上柱角度信號中的失效能夠導致轉矩通道中的一個和虛擬轉矩信號兩者具有相同量的誤差。虛擬轉矩診斷將不檢測該失效。為了防止該失效模式，我們在虛擬上柱角度信號上引入了獨立的校驗。該校驗使用獨立的(粗糙角度)信息以檢測共同模式失效。

因此，由校驗單元做出校驗，在校驗單元中，兩個絕對的角位置信號從40度的精細角度傳感器和粗糙角度傳感器產生，然後比較所述兩個絕對的角位置信號。

這些信號中的第一信號使用用於解析度的精細角度傳感器產生，而粗糙角度傳感器的值指示存在40度精細角度傳感器的哪些「重複」(通過觀察兩個傳感器的輸出之間的相對相位)。例如，在70度的絕對位置的情況中，精細角度傳感器將讀為「30度」，而粗糙角度傳感器讀為70度，這使得處理器能夠確定精細角度傳感器重複了一次並且給出30+40度＝70度的位置。

第二絕對位置通過使用粗糙角度傳感器以確定解析度和精細角度傳感器以確定轉向進行了多少次重複(即，粗糙角度傳感器的多個轉)來算出。例如，在70度的情況下，粗糙角度傳感器將讀取70度，且與精細角度傳感器的交叉校驗將顯示粗糙角度傳感器處於其第一轉上，從而給出70+0＝70度的角度。

假如在任一傳感器中存在錯誤，則兩個絕對位置值將不一致，且將由校驗單元標記錯誤。

校驗單元還可以執行對虛擬的上柱角位置值的變化和上柱位置信號中的一個或者兩個的輸出在軸5的角度中的變化的校驗。申請人已經意識到的是，當軸旋轉時，由於比如轉子惰轉等事情，在每個傳感器相對於另一傳感器的輸出中將存在一些變化。兩個傳感器之間的這些角度變化在組件的使用期間將是恆定的，並且能夠在轉向裝置旋轉時監測且存儲在存儲器中。如果傳感器之間的角位置變化不以期望的方式變化，則校驗單元可以標記一錯誤。由於在軸旋轉的情況下，在使用轉向系統期間存在許多示例，因此易於在校驗單元中有規律地執行該校驗。

圖10示出了角度針對旋轉的正方向和負方向兩者的典型變化。兩者由於比如傳感器中的餘隙的影響而不同。這些差值可以存儲在校驗單元的存儲器中。替代地，不是絕對的差值，而是角度的變化值可以被存儲，例如，誤差對於1度的正旋轉來說增大X，然後對於下一角度來說降低Y，諸如此類。還有，校驗單元將尋找期望的變化模式。

當然，可以在校驗單元的外部實施校驗，例如，校驗單元是單獨的處理單元或者在組合的轉矩和角位置傳感器組件自身內。