传感器温度漂移的自适应补偿方法和系统的制作方法

专利名称：传感器温度漂移的自适应补偿方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对机械设备中传麟的纟鹏漂移自适应补偿的方法和
系统，并且tt^i也用于在加工、生产线或糊中为由电动板发动机驱动的轴而 设计的辦E传自。
更明确地，本申请涉及用于在汽车动力系中最小化转矩传感器中的偏移变 化的补偿系统。
背景技术：
由于车辆戯排放所产生的顿污染的日益加剧、对较低废气排娜蹄啲 新的M立法、对较低燃料消耗和增加的传动平滑度的用户需求，迫切需要改 善发动机和传动的效率。同样，在汽车运动领域中竞赛非常激烈，应用最好技 术用于赛车发动机和其传动系极为重要。
内燃机的电子控制系统包含用于确定各种发动t紅作割牛的多个传繊和 系统。这些传感器中的许多工作于苛刻的环境下并遭受变化相当大的工作条 件，对传感器的要求在耐用性、长期稳定性、以及在大的温度范围上工作的能 力方面非常苛求。汽车应用中遇到的典型温度范围从40'C直到+15(TC。在这 个鹏范围内，需對专繊在其^h^命中产生可靠的输出信号。
对于温度稳定性问题的一种解决方案是设计一种传感器，该传ii^在旨 温度范围中和在传感器的旨寿命中充分稳定。这种传感器的问题是，或者对 于汽车用途制造j^:太高，或者对m成在动力传动系中过于庞大。
另一种解决方案是在生产中增加温度校准步骤，其中通过调^#自或者 在电子设备中补偿传離的離特性。由于在生产中必须对每个與虫传織执 4m—操作，这增加了组件的额外i^。
另外的MW七是，用于汽车应用的转矩传感器通常由于实践原因M两个 分离的部件来设计，其中一个部件是承载轴，另一个部件是环绕轭(yoke), 只有在樹专^安装到变速箱上时才将这两个部件组合。传感器的偏移漂移的 M^校准步骤必须对完整的传感器执行而不會树分离的部件进行。温度校准解
决方案的另一问题是，没有解决xt^特性的长期影响。
在应用中校准传 偏移的一种直接的方式是当传动系空载时在^^调档 期间执行传感器的零复位。这种方法的局限是，零复位仅在这^f寺定的纟鹏水 平有效。当Mit改变时，为了获得可靠的传繊繊必须执行新的零复你校准。
US 6,658,345描述了可以在应用中在安装之后如何补偿传感器的温度特 性。这种方法的问题是，需要单独的温度传繊的输入。另外，它还依赖于钥
匙开规于启动和停止，并且只會敏发动机的启动或停止时更新传ii^難。

发明内容
本发明的目的是解决上面指出的问题，并且樹共一种有效地补偿传繊信 号值的M^依赖性的方法禾係统，其中使用戶/fi十算的偏移值，并且由此改善传 自信号的值。
本发明的另外的重要目的是以低^Jif共这样的汽车组件。
根据本发明，M如在权利要求1中所描述的并且由其表征的方法和如在 权利要求12中所描述并且由其表征的系统、以及如在权利要求13中所描述并 且由其表征的计嶽几禾骄产品来实51^些以及其它目的。
本发明使用应用的自然出现的操作点，其中轴或者传动系以及传感器的加 载状态是已知的。来自这徵作点的传繊繊被存储在存储徵数据库中，并 且被用于更新传ii^特性的模型。在传动系脱离并且传感器已知处于空载或者 至少接近空载时，容易获得在 调档期间出现的这样的操作点。
当轴或者传动系空载时，在适当的滤波之后，收集传感器数据和温度m^
并且将其用作关于该特定M^下传感器偏移的信息。当至少两个皿7K平的数 据被收集时，这个信息被用于确定传感器模型中的参数，所述传 模型描述 传感器偏移的温度依赖性。该传,模型用于基于皿信号连续地计算传感器 偏移。
优选地，通过测量传感器电属性的变化，从传感器激励/供电单元获得温 度信号，但也可以从外部温度传，或者通过来其它装置A人监控系统获得。可 以以多种不同方式获得关于传动系或传感器何时空载的信息。在自动传动或自 动化手动传动情况下，当传动系脱离时可以/，控系统获得信号。对于手动传 动，可以从离合器踏板和/或变速杆的开关i體获得信号。这个信号也可以fflil 监测转矩信号的特定特性获得。
在本发明的又一实施例中，脱离的传动系的触发信号可以M分析传感器
信号的特性来获得，例如传 信号导数(derivative)或者转矩波动信息幅度 的突然变化，由于传动中的游隙，在转矩传,在结构上与传动系脱离时所述 传自信号导数或者徵巨波动信息幅度者咬化。
本发明最重要的特征是当传动系空敷脱离时使用至少两个操作点，以确
定/;€§ 传 偏移的^^依赖性的模型。
本发明的另一重要特征是糊专感器的电属性用作操作温度的量度，这消除 了对外 ^传感器的需要。
本发明的又一重要特征是分析传 信号的特性以获得用于脱离的传动系 的触发信号。
本发明主要的优点在于，在制皿程中无需昂贵的或困难的皿校准步骤 的情况下，大大增强了传感器的温度特性。在应用中在操作期间执行自适应方 案。此外，保证在传繊的齡驗中保謝专繊的離性能。
本发明的其它目的、特征、以及优点根据结合所附附图考虑的以下详细说 明变得显而易见并且M任一从属权利要求来限定。


为了更好地働军本发明，将参考附图。
图1为示意性框图，并且给出了本发明,实施例的总览。
图2说明根据本发明的信号处理以及框图。
图3为本发明的流程图。
图4说明带有传繊信号偏移的魏调档。
图5说明带有校正的传繊信号偏移的变谨调档。
图6说明在高刺邸鹏下在零载荷时传麟输出的测量。
图7说明在连缴显变范围时在零载荷时传自输出的测量。
图8说明禾,缘性和高阶传繊模型在连^^范围时在零载荷时传繊
图9说明传感器初级电路的阻抗的四线制测量。
图10说明在发动机啮合和脱禽瞎况下徵巨波动的变化。
图11说明在零周围的總巨变化，其指示传动中的游隙(play)。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的，实施例包括總巨传感器1，其位于 的传动
系2中。转矩传繊1电连接到电子单元3，戶腿电子单元包括M单元4、A/D 转换器5、计算或处理单元6和存储器7。
电子单元3连接到变速箱控制单元(未示出)，戶，^箱控制单，审lJ/操 作传动系2中的机械离合器17。当机械离合器17脱离时，传动系2公知为空 载。这还可以m将在后面讨论的其它方式获得。
如在图2中可以看出，给传麟1劍共来自'鹏单元4的麵信号4a， 并且传繊1产生输出信号la，戶腿输出信号la由A/D转换器5采样。来自 A/D转换器5的数字信号5a由计算单元6处理，以获得线Rii^稳定的输 出，该输出指示转矩传繊1的辦巨载荷。计算单元6另夕卜包括離计算单元 8、参数计算单元9、解调单元IO、偏移补偿单元ll、线性化单元12和输出补 偿单元B。
图2中的解调单元10包括与激謝言号4a同步的信号5a的滤波和抽取。 还可能包 SS—步的滤波和处理，以改善解调信号10a的噪声和稳定性。
在雌的实施例中，基于传繊1的初级电路的特性确定鹏信号。该温 度信号由计算单元6用于基于例如存储在存储器7中的数学模型补偿传感器1 的鹏票移。
当/媒控系统14 (例如变速箱控制单元)得知传动系2空载时，收集传 感器信号数敏值和M^信号数据准并且存储在存储器7中。在多个、至少两 个不同的^^7jC平下所收集的来自零载荷条件的数据构成数据库，所述数据库 用于循环地更新传感器模型。在图1中，零载荷状态被示为来自监控系统14 的触发信号14a。
计算单元6的输出信号可以被传递到^I箱控制单元(未示出讲且由其用 使用，以便优化变速调档、探测传动组件的磨损等等，但其还可以由发动机管 理系统^顿，以便诊断、控制和优化发动机16。
基于针对多个不同，水平所监视和收集的数据，计算描述传，偏移的 温度漂移的参数9a、 9b、 9c。传，信号的进一步处理尤其在线性化单元12 和输船卜偿单元13中进行，并且包含传繊1的灵i(g/增益漂移的可能补偿、 进一步的滤波禾P/或结果输出信号Ba的输出水平的适配。本发明所用的该应用 的一啊寺殊的操作点是在传动系2空载时的^^调档期间。
描述根据本发明的方法的流程图在图3中示出，并且包括^E侧，卖运行 并且补偿传感器信号的^^偏移的一部分。流程的另一部分在右侧在传动系已 知为空载时运行。
流程的第一部分包括步骤测量来自传感器的信号值，这意味着传感器的 二级信号被转换为指示转矩载荷的数字信号。这个步骤可能包括A/D转换以及 可能在数字或模拟域中的信号解调步骤。流程的第二个步骤包括确定温度值， 这在雌的实施例中M测量传^^刀级电路的卩鹏变化来实现。通过知道阻 抗和纟鹏之间的关系，因此可以确定MMt。在第三个步骤，该鹏{細于计
算在这W寺定M下传iill的t鹏偏移。这基于存储在电子单元的数据库中的
温度和传自偏移之间的关系来执行。在第四个步骤中，戶;H十算的传^i偏移 值用于补偿传感器的输出信号，从而获得经温度补偿的输出信号。在流程连续 部分的第五个和最后一个步骤中，检测传动系的状态。
如果发现传动系空载，则在存储器/数据库中存储传感器信号和温度信号
的当前值。为了改善所存储值的质量，这个步骤可以包括对温度和传SI信号
的选择性滤波。在下一个步骤中，数据库中的新的值与先前所测量的值一起用 于确定離值禾唯感器偏移值之间的关系。这个絲是用于在流程图的连续部
分中计算传mi偏移的戶;M^^。例如，禾,诸如"最小二菊去(least squares)" 的已知方法，这个关系可以ffl31确定传感器偏移和，值之间的通式中的参数 来粒。
tt^i也，禾拥通用方》树传繊信号和鹏信号两者滄波，以降低噪声水 平、转矩波动、转矩振荡或者信号上的其它干扰。如果在系统中存在已知的谐 振，贝何以设计斷氐或者消除銜皆振的滤波器。
对被存储在存储器中，并且形成f^在不同温度下传S^偏移变化的 数据库。每一次新的变速调档或者收集数据时的其它时机，在数据库中产生新 的数据对。在新的娜对被存储在数据库之前，可以包含对转矩信号稳定性的 控制。如果不满足特定的稳定性标准，则丢弃该娜对。
图4说明同步，箱15的典型^I调档，其中在传自信号上存在偏移。 第一部分a显示在启动变速调档之前的辦巨水平。在曲线的第二部分b中，在 离合器17脱离时總巨水平斷氐。当传动系2完全脱离时，转矩的下降在操作 变速调档之前的一个短时段c内变平。在这个点处，传动系并且从而转矩传感
器空载(处于零转矩水平)，并且可以进行传感器信号和纟显度信号的测量并且存 储在数据库中。因为这个例子中的传離信号具有偏移，所以曲线部分C处的 传感器值不等于零。曲线的下个部分显示，当新的齿轮被加速或减速时，齿轮 传动驢沫示出)的操作如何导致在徵巨曲线中负的折曲d。鄉择齿轮之后，
离合器17啮合，施加来自发动机16的转矩e。魏调档的瞬变通常导致转矩
中的振荡，曲线的f部分，戶腿振荡缓漫降低。
在不使用离合器17的情况下执行z^I调档的系统中，z，调档可被设计， 使得变速箱15在第一齿轮脱离之后而新的齿轮啮合之前处于空档位置。这提
供了一个操作点，其中传动系空载并且可以进行在零载荷下对传/i^输出的读
取。这一方案还可以应用于通常变速而转矩没有倒可下降的自动 箱。在低 载荷下执行变速调档的特定时机，可以有意地通过空档操作变速箱，以便提供 操作点，其中传动系空载并且可以进行在零载荷下对传自输出读取。
传感器输出的偏移影响 ^操作范围中的精度，但在低载荷下最明显。在 图4中，在曲线的部分c可以清楚看出传，信号的偏移，为与零的偏差。
相比于图4中未校正的偏移，图5显示了具有校正的传自信号偏移的变 速调档的例子。在这^H列子中，曲线部分c中的传S^信号几乎与实际值零相等。
图6显示在^^和高温下传繊输出的观糧的分布的例子。 ^鹏水平 下数据对的分散是由于不确定性，例如磁滞5嫁、噪声、隨移动、驢梯度 等等。为了减小这种不确定性的影响，雌地在齡驢水平下^顿来自不同 时机的多个采样。例如可以在发动机冈U刚启动时在变速箱组件变热之前采取低 ^^样。从而可以在发动机已经运行一段时间并且达到其额定操作皿时采取 敲縣样。
^及 的所有周期性变化中采取多个不同的操作点处的^^样， 可以覆盖旨操作范围中传自性能的模型。
图7显示在零载荷时在连续t显度范围的多个不同温度下传感器输出的测 量。在该图中，显示了传感器偏移和温度之间的线性关系。
图8显示利用线性和高阶传^l模型在零载荷时在连纟m^范围下传麟 输出的测量。
通过计算传^I偏移相对鹏的M^中的参数，确定传麟偏移对鹏漂
移依赖性的模型。在其最简单的形式中，这由在图6、 7和8中用直线描述的
线性关系表示，并且M:以下等式^^:<formula>formula see original document page 10</formula>
肿
& =传感器的所计算的传,偏移 A。,^建模参数
参数&，、通过等式1中的^i^对同ttt图6、 7禾卩8中戶;f^在传动系脱
离时所收集的传感器信号和温度信号的数据对的优化或者最佳拟合来确定。如
果有兴W"在传自偏移s。和温度^之间更加复杂的^^建模，则可以在,
式中包含更高阶的项，从而产生几个参数&用以确定。这^f共了表示由图8中
虚线所示的在传 偏移和温度之间的非线性关系的可能性。
确定参数对一组数据的最佳拟合的常见方法，例如是线性回归方案或者最 小二乘法拟合。还可以设想其它的方案。在其最简单的形式中，数据库被限制 为仅两个数据对，这使计算参数&^非常简单。在这种瞎况下，可能需要附加 ^j牛以保证两个采样之间的温度差别足够大。对于这样的方案，还可能要求不
直接更新参数/t。,A ，而^liM次皿。
通过每当执伊魏调档时、或者当传动系已知为空载时的齡其它时机重
,参ia,.的计算，连续地保持根据等式i的传ii^l莫型，并且从而长期补偿 例如传 老化的影响。优选地，旧数据从数据库中被移出或者通过加权函数 Md>，这保证传S^f!M代表传ii^的当前特性。
在雌的实施例中，在纟驢计算单元8中基于传繊i的初级电路的特性
计算，信号8a。易于获得的来自> 单元2的信号为 电流和 电压。 可以结合激励电流和激励电压的测量值以根据如下等式形成传感器1的阻抗
(2)
肿
ZP =传感器的初级电路的阻抗电流的其 它组合表示。
为了将机械载荷对鹏信号的影响最小化，可以在具有所施加的载荷的最
小影响的相角时选择等式3中阻抗的表示。在阻抗的tm表示中可以观察到，
与不同温度的影响相比，所施加的载荷的影响在不同的相角影响阻抗信号。
然而由于某些原因，利用受，和载荷两者影响的阻抗表示是有利的。这 种表示的一个例子是卩鹏的幅度。在这些瞎况下，根据图1中的信号10a或信 号Ba，通过消除或者最小化载荷影响的线性化或者补偿可以大大改善M^《言
号的性能。
优选的转矩传感器1为依照美国专利5646356或者未决美国申请 2002189372的磁謝申縮类型。
检测传动中零總巨水平的另一种方式皿一步处卿万获得的转矩信号并且 鹏宗在离合器脱离期间转矩的变化。如在图5中可以看出，当在部分b中转矩 的减小在部分c中变平时，總巨信号的斜率存在非常突然的变化。MH察转 矩信号的导数或者通过检测斜率变化和两个阶段之间的急剧变化的其它方法， 可以容易地检测这种转变。
可以用于检测传动系脱离的另一瞎性是辦巨信号波动含量(ripple content) 的变化。由于来自发动机的與虫的燃烧，当传动系机械连接到发动机时，转矩 信号具有叠加在净转矩输出上的转矩波动或者振荡的稳定量。当发动机脱离 时，这种转矩波动显著M^。所以波动含量的这种变化可以用作检测传统系是 否啮合^从发动机脱离的手段。
检测传动系的零转矩水平的另一方法甚至可以在无M箱操作的情况下使 用。当发动机和传动系誕零载荷从负转变到正载荷或者反之亦然运行时，在 转矩信号中可以将传动系经历齿间隙或者传动系的游隙的部分检测为转矩变化 变平的阶段。这可以明显地看作转矩信号在其经历传动中的游隙或齿间隙时的 平稳段。
在图11中，这，稳段出现在不同于零的水平处，其指示传自信号的 偏移。在根据以上描述转矩变平的部分中，传动系的载荷已知为空载。
上面的倒可一种方法可以用于独立地、组合地、或者以与来自^I箱控制 单元的触发信号组合的方式检测传动中的零载荷。
在本发明的另一个实施例中，等式1中所4顿的鹏信号不仅包括根据等 式3从传繊的初级电路戶;fi十算的纟鹏信号乡诚，而且包括由监鹏制系统己 知的其它温度信号、以及来自其它外M^传感器的，信号。
应当指出，虽然上面描述了本发明的例示性实施例，但是存在在不脱离所 附的权禾腰求所限定的本发明范围的情况下可以对所公开的解决方案进行的多 种改变和修改。
因此，本发明还可以应用于诸如炼钢厂鹏纸厂的机械设备或加工线中的 力传感器的温度漂移的自适应补偿。这种设备中的力传感器可以用于例如测量 钢板或纸幅的轧制力或纸幅张力。对于这些应用，传感器空载的自然出现的操
作点的例子存在于板或幅退出加工线之后并且在新的板或纸幅iSA^前。 本发明还可以应用于汽车工业的其它应用、其它JQlk应用中或者其它领域
的应用中的转矩传感器或者力传感器，其展现出具有传 空载、接近空载的 自然出现的操作点或者在这徵作点可以通过任意装置控制或者检观啲已知载 荷水平时的间歇式操作的性质。
权利要求
1、一种用于对传感器的温度漂移自适应补偿的方法，所述传感器被设计用以在操作期间测量机械设备中轴或传动系的转矩或者力，其特征在于循环地测量传感器信号并且确定相关的温度，基于所测量和存储的数据根据温度测量偏移值，利用所述计算的偏移值补偿所测量的信号值，检测传感器何时空载或者接近空载，并且如果如此，则将传感器信号值和相关的温度值存储在存储器中并且更新传感器偏移的模型。
2、 根据权利要求1戶舰的方法，其特征在于基于来自控制单元或者控第係统的信号，检测传繊何时空载。
3、 根据权禾腰求1或2戶脱的方法，其特征在于 基于开关的位置，检测传自何时空载。
4、 根据前面任意一项权利要求戶脱的方法，^#征在于 M:监测传感器信号的特性，检测传麟何时空载。
5、 根据前面任意一项权利要求戶，的方法，^f寺征在于M:监测转矩和/，矢薛4率的变俗转变，检测传自何时空载。
6、 根据前面任意一项权利要求戶;M的方法，，征在于通过监测转矩信号的波动含量的变化，检测传麟何时空载。
7、 根据前面任意一项权利要求戶脱的方法，^#征在于 通过监测转矩的变化在传动中何时变平，检测传 何时空载。
8、 根据前面任意一项权禾腰求戶舰的方法，其特征在于 基于传繊的初级电路的廣賊确定驢信号。
9、 根据前面任意一项权利要求戶;M的方法，^#征在于基于传感器的初级电路的电流、电压和/或阻抗或者其组合来确定温度信号。
10、 根据前面任意一项权利要求戶;M的方法，其特征在于4顿来自外漸驢传麟的纟鹏信号。
11、 根据前面任意一项权禾腰求戶脱的方法，^fT征在于 对数据进行滤波以降低对信号的干扰，例如噪声、转矩波动和/或转矩 振荡。
12、 一种用于对传繊的纟鹏漂移自适应补偿的系统，戶脱传SII皮设计 用以在操作期间测量机械设备中轴或传动系的傲巨或者力，其特征在于用于测量传繊转矩和相关驗的體(l)，用于基于所测量和存储的数据根据、温度计算传感器偏移值的装置(6，7)，用于利用所述计算的偏移值彬尝传,信号值的^S(6， 7)，用于检测传繊l)和/或传动系(2)何时空载并且如果如此贝鹏这^ 存储在存储微7)中的，(6， 7)，以及用于更新传,模型从而#(专，信号的偏移最小化的，(6， 7)。
13、 一种包Si十^m禾OT代码的计^t几，，意,行根据权利要求1-11 中任意一项所述的方法的步骤。
14、 一种计穀几可读介质，其包括至少部分根据权利要求13所述的计算 机辦。
15、 根据权利要求13所述的计算机程序，其至少部分iMl网络提供， 例如因特网或者内联网。
16、 一种逻辑敏各，期皮配置用于执行权利要求l-ll的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于对传感器的温度漂移自适应补偿的方法，所述传感器被设计用以在操作期间测量机械设备中的轴或传动系的转矩或者力。本发明包含以下步骤循环地测量传感器信号并且确定相关的温度，基于所测量和存储的数据根据温度计算偏移值，利用所计算的偏移值补偿所测量的信号值，检测传感器何时空载或者接近空载并且如果如此，则将传感器信号值和相关的温度值存储在存储器中并且更新传感器偏移的模型。本发明还涉及用于对这种传感器信号偏移的温度漂移自适应补偿的系统和计算机程序。
文档编号G01L25/00GK101103260SQ200580045387
公开日2008年1月9日 申请日期2005年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者C·沃林 申请人:Abb股份有限公司