通过三个齿轮确定转向轴的旋转角度的制作方法

本发明涉及一种确定转向轴的旋转角度的方法，其中，从多个齿轮的相应的旋转角度确定转向轴的旋转角度。本发明的其他方面涉及用于确定转向轴的旋转角度的控制单元和测量装置。本发明的第四方面涉及一种具有所述轴的机动车辆。

背景技术：

从现有技术中已知用于确定转向轴的旋转角度的方法。例如，连接到转向轴的主齿轮驱动具有不同齿数的两个副齿轮。可以借助相应的角度传感器来检测两个副齿轮的相应旋转角度。从副齿轮的两个旋转角度，借助于诺尼乌斯原理，可以在多次旋转中分别确定转向轴的旋转角度。例如从fr2697081a1中已知类似的装置。

例如，z1、z2是副齿轮z1和z2的相应的齿数，其中z1小于z2，并且z1和z2是互质的。主齿轮的齿数对应于l。轴的可检测角度范围在这种情况下例如可以为z1·z2·360÷l。z1和z2越大，可检测到的角度范围就越大，但是角度传感器必须越精确，以避免精度降低。如果g1是检测副齿轮z1的运动的第一角度传感器s1的精度，则转向轴的旋转角度的总精度g1由公式g1＝g1·z1÷l获得。从公式中得出，z1÷l，可检测角度范围随着精度的降低而增加。这类似地适用于副齿轮z2。

ep2743662a1提供了一种用于机动车辆的装置，该装置被设计为即使在多于一整圈的情况下也能明确地确定转向轴的绝对旋转角度。在此，包括两个齿轮的第一组件形成转速传感器，并且包括一个齿轮的第二组件用于精确确定旋转角度。

现有技术具有以下缺点：转向轴的旋转角度在其内被明确地限定的角度范围的大小与转向轴的旋转角度的确定精度相互制约。

技术实现要素：

本发明的目的是，相对于现有技术，在更大的预定角度范围内以提高的精度清楚地确定转向轴的旋转角度。

根据本发明，通过独立权利要求的主题实现了所述目的。从属权利要求的主题是具有有利的改进的有利实施例。类似地，根据本发明的方法的有利的改进也形成了根据本发明的装置的改进，反之亦然。

在用于确定转向轴的旋转角度的本方法的情况下，在第一步中检测齿轮装置的三个齿轮的相应的旋转角度，其中，具有不同齿数的三个齿轮分别与轴的齿圈直接啮合。例如，借助于相应的角度传感器检测相应的旋转角度。特别地，针对三个齿轮中的每个检测三个旋转角度。特别地，由于齿数不同，三个齿轮在轴的旋转期间分别以不同的角速度旋转。“直接啮合”尤其是指三个齿轮中的每一个的相应齿直接啮合到齿圈的齿中。

在第二步骤中，根据预定的提取规则，基于三个齿轮的相应的旋转角度确定转向轴的旋转角度，其中，通过全部相应的旋转角度将转向轴的旋转角度明确地限定在预定的角度范围内。预定的角度范围尤其包括轴的多个整圈。三个齿轮的三个相应的旋转角度可以被视为元组，特别是三元组。通过全部相应的旋转角度或通过元组，可以在预定角度范围内将转向轴的旋转角度明确地分配给轴。根据全部相应旋转角度和/或根据元组分配转向轴的旋转角度的方式例如可以基于值表来进行。预定的提取规则因此可以包括：基于全部相应旋转角度，从值表中确定转向轴的旋转角度。

转向轴的旋转角度可以在多个圈中测量。例如，转向轴的旋转角度在0度和360度的倍数之间，例如3600度，其对应于10整圈。这三个齿轮的相应的旋转角度尤其与相应齿轮的当前转速有关。因此，三个齿轮的旋转角优选总是在0度和360度之间的范围内。

一种改进方案规定，预定的提取规则包括，在三个齿轮中选择两个不同的齿轮对，其中，三个齿轮中的第一齿轮包括在两个齿轮对中。在此，借助于两个齿轮对的相应的旋转角度，在相应的部分角度范围内可明确地确定出第一齿轮的完整圈数。例如，两个齿轮对中的第一齿轮对包括三个齿轮中的第一齿轮和第二齿轮，并且两个齿轮对中的第二齿轮对包括三个齿轮中的第一齿轮和第三齿轮。通过第一齿轮的第一旋转角度和第二齿轮的第二旋转角度，可以明确地确定在第一齿轮对的第一部分角度范围内的第一齿轮的完整圈数。通过第一齿轮的第一旋转角度和第三齿轮的第三旋转角度，可以明确地确定在第二齿轮对的第二部分角度范围内的第一齿轮的完整圈数。通过对两个齿轮对的选择，可以特别容易地确定第一齿轮的完整圈数，因为在这种情况下，对于相应的齿轮对，可以确定现有技术已知的用于基于两个齿轮确定转向轴的旋转角度的提取规则。齿轮的完整圈数尤其指示在每个情况下，相应的齿轮从零位置开始已经转过多少个360度圈。例如，齿轮的完整圈数对应于相应齿轮的绝对角度，该绝对角度尤其表示齿轮在多个圈中相对于零位置的角度除以360度。

一个改进方案规定，从两个齿轮对中的第一齿轮对的各齿轮的相应的旋转角度确定第一齿轮的完整圈数的第一值，并且从两个齿轮对中的第二齿轮对中的各个齿轮的相应的旋转角确定第一齿轮的完整圈数的第二值。第一齿轮的完整圈数的第一值和第二值可以彼此相等或不同。特别地，仅当第一齿轮的完整圈数位于相应的部分角度范围中的一个之外或两个之外时，第一值和第二值才彼此偏离。在这种情况下，不能单独通过齿轮对明确地确定第一齿轮的完整圈数。特别地，可以从第一旋转角度和第二旋转角度确定第一齿轮的完整圈数的第一值。特别地，可以从第一旋转角度和第三旋转角度确定第一齿轮的完整圈数的第二值。

一个改进方案规定，在每个情况中，通过非尼乌斯原理确定第一齿轮的完整圈数的第一值和第二值。特别地，通过非尼乌斯原理确定用于第一齿轮对的第一齿轮的完整圈数的第一值。优选地，通过非尼乌斯原理确定用于第二齿轮对的第一齿轮的完整圈数的第二值。通过非尼乌斯原理，提供了一种简单而独特的提取规则，用于针对相应的齿轮对确定第一齿轮的完整圈数的第一值和第二值。

一个改进方案规定，如果第一值小于第二值，则将第一预定相加值添加到第一值；如果第二值小于第一值，则将第二预定相加值添加到第二值，并且将相应的预定相应值迭代地加到第一值和第二值，直到第一值和第二值对应为止。优选地，通过在迭代循环中将第一/第二预定相加值相加来改变第一/第二值。优选地，迭代循环规定将相应预定相加值加到两个值中的相应较小的一个。特别地，在每个迭代步骤中，检查当前迭代步骤中两个值中的哪个小于另一个。只要第一值和第二值对应，就可以停止迭代循环。

一种改进方案规定，第一和第二预定相加值与相应的部分角度范围的跨度有关，在该跨度内，分别通过第一和第二齿轮对可清楚地确定第一齿轮的完整圈数。特别地，第一相加值表示部分角度范围的跨度，在该跨度内，通过第一齿轮对可明确地确定第一齿轮的完整圈数。替代地或附加地，第二预定相加值指示部分角度范围的跨度，在该跨度内，通过第二齿轮对可明确地确定第一齿轮的完整圈数。相应的预定相加值优选地对应于第一齿轮在第一齿轮对的部分角度范围内可以明确地执行的第一齿轮的完整圈数。例如，第二预定相加值对应于第一齿轮在第二齿轮对的部分角度范围内可以清楚地执行的第一齿轮的完整圈数。

一个改进方案规定，仅当第一值和第二值对应时才将第一值和/或第二值定义为第一齿轮的完整圈数。例如，在从相应的齿轮对的齿轮的相应的旋转角确定相应的值之后，第一值和第二值直接对应。在这种情况下，第一齿轮的完整圈数可以在两个齿轮对的相应的部分角度范围内。例如，第一值和第二值在相应的预定相加值的迭代相加之后相对应。在两种情况下，第一齿轮的完整圈数的第一和/或第二值可以对应于第一齿轮的实际的完整圈数。因此，从第一齿轮对和第二齿轮对明确地确定了第一齿轮的完整圈数。

一个改进方案规定，将第一齿轮的旋转角度和第一齿轮的完整圈数组合起来，得出第一齿轮的总角度，并从第一个齿轮的总角度确定转向轴的旋转角度。例如，第一齿轮的完整圈数乘以360度，并且随后将第一齿轮的旋转角度相加，以形成第一齿轮的总角度。第一齿轮的总角度可以相对于转向轴的旋转角度成预定比例。利用预定比率，可以从第一齿轮的总角度确定转向轴的旋转角度。

本发明的一种改进方案规定，选择在三个齿轮中具有最小齿数的齿轮作为第一齿轮。特别地，选择相对于三个齿轮中的另外的齿轮而言齿数最小的那个齿轮作为第一齿轮。特别地，第二齿轮和第三齿轮每个具有大于第一齿轮的齿数的齿数。

一种改进方案规定，通过将转向轴的所确定的旋转角度与预定旋转角度范围进行比较来检验转向轴的旋转角度的合理性，其中，该预定旋转角度范围比转向轴可在其内移动的预定旋转角度范围大至少2倍。在其他实施例中，预定角度范围可以比轴可在其内移动的预定旋转角度范围大至少3、4、5、8、10、15、20或50倍。换句话说，可以借助于三个齿轮的全部相应旋转角度来在其内明确地限定转向轴的旋转角度的角度范围至少比轴可在其内实际移动的预定旋转角度范围大至少相应的倍数。如果转向轴的所确定的旋转角度在预定旋转角度范围之外，则可以推断出已经错误地确定了转向轴的旋转角度。在这种情况下，转向轴的确定的旋转角度是不合理的。预定角度范围大于预定旋转角度范围的倍数越大，在错误确定转向轴的旋转角度的情况下，转向轴的所确定的旋转角度在预定旋转角度范围之外的可能性越大。由此可以特别可靠地识别出转向轴的旋转角度确定中的错误。相对于现有技术，通过更大的预定角度范围首次使这种识别合理性的可能性成为可能，其中转向轴的旋转角度是可明确测量的。

本发明还包括用于确定转向轴的旋转角度的控制单元，该控制单元被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。特别地，控制单元具有接收器单元，该接收器单元用于从三个角度传感器检测三个齿轮的相应的旋转角度。

本发明的第三方面涉及一种用于确定转向轴的旋转角度的测量装置。该测量装置包括：可布置在轴上的齿圈；包括三个齿轮的齿轮装置，这三个齿轮以不同的传动比机械地可操作地连接到齿圈；以及两个角度传感器，用于检测三个齿轮中的第一和第二齿轮的相应的旋转角度。

为了相对于现有技术在更大的预定角度范围内以提高的精度清楚地确定转向轴的旋转角度，测量装置包括第三角度传感器，用于检测三个齿中的第三齿轮的第三旋转角度。此外，具有不同齿数的三个齿轮中的每一个都直接与齿轮圈啮合。

测量装置的一种改进方案规定，所述测量装置还包括上述的控制单元。角度传感器可以被设计为将相应的检测到的旋转角度传输到控制单元的接收器单元。

测量装置可以是转向装置的一部分，其中，齿圈布置在转向装置的转向轴上。齿圈尤其具有外齿。优选地，齿圈相对于转向轴的旋转轴线旋转对称地布置在转向轴上。特别地，转向轴形成为车辆的转向轴。在这种情况下，可以从转向轴的旋转角度确定车辆的转向角度。

该测量装置可以是驾驶员辅助装置的一部分，其被构造成执行用于确定上述类型的转向轴的旋转角度的方法。例如，驾驶员辅助装置包括电子稳定程序，简称为esp，其要求车辆转向轴的旋转角度作为输入变量。

此外，本发明包括一种具有上述测量装置的机动车辆。特别地，转向轴形成为机动车辆的转向轴。转向轴的旋转角度优选地与机动车辆的车轮的转向角度相关。在这种情况下，可以从转向轴的旋转角度推断出车轮的转向角度。

本发明的其他特征将从权利要求、附图和附图说明中得出。在上面的描述中引用的特征和特征的组合以及在下面的附图的描述中和/或在附图中单独示出的特征和特征的组合不仅可以用在相应地指定的组合中，而且还可以以其他组合或单独使用，而不偏离本发明的范围。因此，在附图中未明确示出和讨论但通过所讨论的实施例的特征的分别的组合而出现并可以产生的本发明的实施例也应视为被包括和公开。因此，不具有最初提出的独立权利要求的所有特征的实施例和特征组合也被认为是公开的。此外，特别是通过以上讨论的实施例，超出或背离在权利要求的后引中列出的特征组合的实施例和特征组合应被认为是公开的。

附图说明

在附图中：

图1以示意性侧视图示出了具有转向轴和用于确定转向轴的旋转角度的测量装置的车辆；

图2示出了通过转向轴的截面中的测量装置；

图3示出了针对转向轴的多个实际旋转角度，通过三个齿轮对确定的转向轴的旋转角度的曲线图；和

图4示出了用于确定转向轴的旋转角度的方法的示例性流程图。

具体实施方式

图1以示意性侧视图示出了车辆3，特别是机动车辆，优选地是机动汽车，例如乘用机动汽车或重型货车辆。车辆3在当前情况下具有一个或多个转向轮30，尤其是车辆3的两个前轮。转向轮34或转向轮30的转向角度尤其可以通过转向装置7来控制。在当前情况下，转向装置7包括可以由车辆3的驾驶员旋转的转向轮6和在当前情况下形成为车辆3的转向轴的转向轴2。在转向轴2处，布置有用于确定转向轴2的旋转角度e的测量装置1。转向轴2的旋转角度e可以与转向轮30的转向角度直接相关，例如以比例因子直接相关。在当前情况下，测量装置1还包括控制单元4，该控制单元4被设计成执行用于确定转向轴2的旋转角度e的方法。测量装置1可以包括驾驶员辅助系统5。例如，驾驶员辅助系统5包括用于提供驾驶员辅助功能的另一控制单元8。驾驶员辅助功能例如是电子稳定程序(简称esp)，伺服转向系统或主动转向系统，其以取决于转向轴2的旋转角度e的方式提供转向辅助。

图2以穿过轴2的横截面示出了测量装置1。图2中未示出控制单元4。齿圈10布置在轴2上。齿圈10设计成齿轮的方式，优选设计成正齿轮。齿圈10在径向外侧具有齿，其中，齿圈10的齿数l表示齿圈10的齿的数量。齿圈10在当前情况下直接与另外三个齿轮z1、z2、z3啮合。三个齿轮z1，z2，z3中的每个在径向外侧具有带有相应数量的齿。特别地，三个齿轮z1，z2，z3被设计为正齿轮。三个齿轮z1，z2，z3直接与齿圈10啮合，其中“直接”特别地意味着，三个齿轮z1，z2，z3中的每个的至少一个相应的齿与齿圈10的相应的齿啮合。优选地，三个齿轮z1，z2，z3彼此独立地与齿圈10啮合。三个齿轮z1，z2，z3与齿圈10一起形成齿轮装置11。

三个齿轮z1，z2，z3中的每个均分配有相应的角度传感器s1，s2，s3。例如，角度传感器s1，s2，s3布置在相应的齿轮z1，z2，z3处。第一角度传感器s1可以被设计为检测第一齿轮z1的第一旋转角度w1。第二角度传感器s2可以被设计为检测第二齿轮z2的第二旋转角度w2。第三角度传感器s3可以被设计为检测第三齿轮z3的第三旋转角w3。转向轴2的旋转角度e由三个齿轮z1，z2，z3的相应的旋转角度w1，w2，w3明确地限定。这三个旋转角度w1，w2，w3尤其表示相应的齿轮z1，z2，z3相对于零位置的当前角度。在这种情况下，三个旋转角度w1，w2，w3的值范围尤其是0度至360度。相反，转向轴2的旋转角度e在多个整圈中是可确定的。图2所示的转向轴2的旋转角度e可以相应地对应于例如30°，390°或750°。三个齿轮z1，z2，z3的相应的齿数分别不同。换句话说，三个齿轮z1，z2，z3中的每一个优选具有不同的齿数。例如，第二齿轮z2的齿数z2大于第一齿轮z1的齿数z1。例如，第三齿轮z3的齿数z3大于第二齿轮z2的齿数z2。

图4以流程图示出了用于确定转向轴2的旋转角度e的方法的方法步骤的示例性顺序。控制单元4优选地被配置为执行下面讨论的一个、多个或所有方法步骤。在步骤v0中，在三个齿轮z1，z2，z3中选择两个不同的齿轮对(z1，z2和z1，z3)。在这种情况下，第一齿轮z1尤其包括在两个齿轮对(z1，z2)，(z1，z3)中。例如，第一齿轮对(z1，z2)包括第一齿轮z1和第二齿轮z2。例如，第二齿轮对(z1，z3)包括第一齿轮z1和第三齿轮z3。

在步骤v1中，尤其是通过nonius算法，从第一齿轮对(z1，z2)确定第一齿轮z1的完整圈数u1。为此，可以应用以下公式1，其中a1表示第一齿轮对(z1，z2)中的第二齿轮z2的完整圈数a1：

z1·u1-z2·a1＝(z2·w2-z1·w1)÷360°公式1

对于上述公式1，寻求一种大于0且小于z2的解决方案。在此辅助条件下，尽管包含两个未知数(u1，a1)，也可以清楚地解算公式1。特别地，如果第一齿轮z1的完整圈数u1大于0且小于z2，则其可从第一齿轮对(z1，z2)清楚地确定。齿轮z1，z2，z3的完整圈数尤其指示在每个情况下，相应的齿轮从零位置开始已经转过多少个360度圈。例如，齿轮的完整圈数对应于相应齿轮的绝对角度，该绝对角度尤其表示相应齿轮在多个圈中相对于零位置的角度除以360度。通过公式1，可以在例如对应于z2·360°的部分角度范围内确定完整圈数。

在步骤v2中，尤其是通过nonius算法，从第二齿轮对(z1，z2)确定第一齿轮z1的完整圈数u2。为此，可以应用以下公式2，其中a2表示第二齿轮对(z1，z3)中的第三齿轮z3的完整圈数a2：

z1·u2-z3·a2＝(z3·w3-z1·w1)÷360公式2

对于上述公式2，寻求一种大于0且小于z3的解决方案。在这种辅助条件下，尽管包含两个未知数(u2，a2)，也可以清楚地解算公式2。特别地，如果第一齿轮z1的完整圈数u2大于0且小于z3，则其可从第二齿轮对(z1，z3)清楚地确定。通过公式2，可以在例如z3·360°的部分角度范围内确定完整圈数。

在第三步骤v3中，检查u1和u2是否相等。如果是这种情况，则该方法在步骤v7中继续。在步骤v7中，如果u1和/或u2相等，则可以将其定义为齿轮z1的完整圈数u。

在步骤v4中，可以检查u1是否大于u2或u2是否大于u1。取决于检查的结果，该方法以步骤v5或步骤v6继续进行。在当前情况下，如果u1大于u2，则该方法以步骤v5继续。在当前情况下，如果u2大于u1，则该方法以步骤v6继续。

在步骤v5中，将第二预定相加值，在当前情况下为z3，加到u2。因此这可以产生u2的新值，特别是在当前情况下u2＝u2+z3。在步骤v6中，第二预定相加值，在当前情况下是z3，被加到u1。因此，这可以产生u1的新值，特别是在当前情况下u1＝u1+z2。第一和第二预定相加值特别地预先定义第一齿轮z1的在齿轮对(z1，z2)、(z1，z3)的相应部分角度范围内的可检测的最大圈数。随后，该方法以步骤v3继续进行，其中u1或u2的值可能相对于步骤v3的首次执行已更改。可以迭代执行步骤v3至v6，直到u1和u2相等为止。特别地，在步骤v5和v6中，将相应相加值迭代地加到u1和/或u2，直到u1和u2相等。

通过迭代相加，可以在大于齿轮对(z1，z2)、(z1，z3)的部分角度范围的角度范围内确定齿轮z1的完整圈数u。齿轮z1的完整圈数u可以通过公式3与转向轴2的旋转角度e直接相关：

e＝(w1+u·360°)z1/l公式3

z1，z2，z3这三个齿轮的选择应被理解为仅作为示例。特别地，三个齿轮z1，z2，z3中的每个可以被选择为第一齿轮z1或第二齿轮z2或第三齿轮z3。优选地，在上式的含义内，选择具有最小齿数z1的齿轮z1，z2，z3中的一个作为第一齿轮z1。在这种情况下，可以提高转向轴2的旋转角度e的确定精度。

为了进一步提高精度，和/或为了识别转向轴2的旋转角度e的确定中的测量误差，对于两个或多个不同的齿轮对，可以独立执行步骤v0至v7。示例性齿轮对为：(z1，z2)和(z2，z3)或(z1，z3)和(z2，z3)。例如，类似于步骤v0至v7，从齿轮对(z1，z3)和(z2，z3)可替代地或附加地确定转向轴2的旋转角度e。公式必须对应地适合齿轮对(z1，z3)和(z2，z3)。可以对转向轴2的旋转角度e的两个不同确定的值进行比较。如果值出现偏差，则可以确定存在测量误差。

图3示出了对于转向装置的多个旋转角度e，通过轴2的三个齿轮对(z1，z2)，(z2，z3)和(z1，z3)确定的具有旋转角度19的曲线图。所有三个曲线图都从曲线图的起点开始，并随着转向轴2的旋转角度e的增大而上升。一旦旋转角度e脱离齿轮对(z1，z2)，(z2，z3)和(z1，z3)中的一个的相应部分角度范围，相应的曲线便下降到为0°的确定的旋转角度19。因此，例如在这种情况下，转向轴2的360度和1800度的旋转角度e不能基于齿对(z1，z2)，(z2，z3)和(z1，z3)中的单个可区分。然而，由于三个齿轮对(z1，z2)，(z2，z3)和(z1，z3)指示在相应部分角度范围之外的转向轴2的旋转角e的不同值，因此可从其推断出旋转轴2的实际旋转角度e。因此，步骤v0至v7提供了一种利用该实现的方法，通过该方法可以特别容易地确定转向轴2的旋转角度e。

其中转向轴2的旋转角度e可以明确地确定的预定角度范围可以比转向轴2可在其内移动的预定旋转角度范围大预定的倍数，尤其是2、3、4、5、8、10、15、20或50倍。在此，预定旋转角度范围例如可以对应于转向轴2的七整圈或2520度。其中可以明确确定转向轴2的旋转角度e的预定角度范围可以例如对应于转向轴2的10、15、20、30、50或100圈，或3600度，5400度，7200度，10800度，18000度或36000度。转向轴2的所确定的旋转角度e可以与预定旋转角度范围进行比较。在此特别检查转向轴2的旋转角度e是否合理。如果转向轴2的所确定的旋转角度e在预定旋转角度范围之外，则可以推断出已经错误地确定了转向轴2的旋转角度e。在这种情况下，所确定的旋转角度e是不合理的。预定角度范围大于预定旋转角度范围的倍数越大，在错误确定转向轴2的旋转角度e的情况下，转向轴2的所确定的旋转角度e在预定旋转角度范围之外的可能性越大。由此可以特别可靠地识别出旋转角度e的确定中的错误。相对于现有技术，特别地通过更大的预定角度范围使得这种识别合理性的可能性成为可行的，其中转向轴2的旋转角度e是可明确测量的。