FR2626369A1

FR2626369A1 - Device for measuring the torque applied in particular to a motor vehicle steering wheel

Info

Publication number: FR2626369A1
Application number: FR8800941A
Authority: FR
Inventors: Joel Mauboussin
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1989-07-28
Anticipated expiration: 2008-01-27
Also published as: FR2626369B1

Abstract

This device, in which the steering means include a steering column comprising a first steering shaft portion 1, on one of the ends of which the steering wheel 2 is fixed and whose other end is connected to one end of a second shaft portion 3 by a torsion bar 4, the other end of the second shaft portion 3 being connected to the rest of the steering means, is characterised in that it comprises two incremental optical encoders 6, 7, each including a rotary disc 8, 9, at the periphery of which are made alternate opaque and transparent zones, which move between means 10, 11 for emitting and receiving light from the encoder, the disc 9 of one of the encoders 7 being integral with the first shaft portion 1, and the disc 8 of the other encoder 6 being integral with the other shaft portion 3, whilst the emission and reception means 10, 11 of the two encoders are integral with a fixed part 12 of the vehicle, and means for processing the output signals of the encoders 6, 7 for measuring the relative angular displacement of the shaft portions 1, 3, and for determining therefrom the torque applied to the steering wheel.

Description

La présente invention concerne un dispositif de mesure du couple appliqué notamment sur un volant de direction de véhicule automobile. The present invention relates to a torque measurement device applied in particular to a motor vehicle steering wheel.

On connait de dans l'état de la technique un certain nombre de dispositifs de mesure de ce type pour moyens de direction comportant une colonne de direction comprenant une première partie d'arbre de direction sur l'une des extrémités de laquelle est fixé le volant de direction, et dont l'autre extrémité est reliée a une extrémité 'une seconde partie d'ar- bre de direction par une barre de torsion, l'autre extrémité de la seconde partie d'arbre de direction étant reliVe-au reste des moyens de direction du vehi- cule. There are known in the prior art a number of measuring devices of this type for steering means comprising a steering column comprising a first part of the steering shaft on one end of which is fixed the steering wheel steering, and the other end of which is connected to one end of a second part of the steering shaft by a torsion bar, the other end of the second part of the steering shaft being connected to the rest of the vehicle steering means.

Les moyens de mesure peuvent être constitués par exemple par des jauges extensométriques ou de contrainte. Ce type de capteur est le type le plus couramment utilisé dans l'industrie automobile. Les jauges sont montées en pont de Wheastone et trans for- ment la déformation d'un corps d'épreuve, par exemple la barre de torsion, en variation de résistance donc de tension. Cependant, ces dispositifs présentent un certain nombre d'inconvénients, dus notamment au fait que le signal engendré est un signal analogique et de faible amplitude, qui peut être noyé dans un bruit électrique parasite et qui doit -etre converti en Signal numérique pour etre traite par des circuits électroniques embarqués a bord du véhicule. The measurement means can be constituted, for example, by strain or strain gauges. This type of sensor is the most commonly used type in the automotive industry. The gauges are mounted in Wheastone bridge and transform the deformation of a test body, for example the torsion bar, in variation of resistance therefore of tension. However, these devices have a certain number of drawbacks, due in particular to the fact that the signal generated is an analog signal of low amplitude, which can be embedded in parasitic electrical noise and which must be converted into digital signal in order to be processed. by electronic circuits on board the vehicle.

Par ailleurs, -les jauges nécessitent un réglage de zéro, un étalonnage et une compensation thermique, ce qui est rédhibitoire pour une applìca- tison automobile en grande série. Furthermore, the gauges require zero adjustment, calibration and thermal compensation, which is unacceptable for mass-produced automotive applications.

Il existe également des dispositifs qui comportent des capteurs à effet Hall dans lesquels un aimant lié au corps d'épreuve, se déplace devant une cellule à effet Hall qui engendre une tension analogique proportionnelle à l'induction magnétique. There are also devices which include Hall effect sensors in which a magnet linked to the test body moves in front of a Hall effect cell which generates an analog voltage proportional to the magnetic induction.

Cépendant, la cellule à effet Hall doit être associée à un amplificateur et à un circuit de compensation de la dérive en fonction des variations de température
Pour une application automobile en grande série, , la cellule et son amplificateur doivent etre étalonnés avec l'aimant qui leur est apparié pour tenir compte des dispersions de celui-ci et.le signal analogique doit également entre converti en signal numérique.However, the Hall effect cell must be associated with an amplifier and a drift compensation circuit as a function of temperature variations.
For a mass-produced automotive application, the cell and its amplifier must be calibrated with the magnet which is paired with them to take account of its dispersions and the analog signal must also be converted into digital signal.

Enfin, il existe également des dispositifs comprenant des capteurs optiques analogiques tels que ceux décrits dans les documents EP-A-194 930 et FR-A-2 564 586, comportant deux disques à la périphérie desquels sont me nagées alternativement des zones opaques et transparantes, ces disques étant solidaires chacun de l'une des portions d'arbre et se déplaçant entre des moyens d'émission et. de réception de lumière.En fonction du déplacement angulaire relatif des disques l'un par rapport à l'autre, les zones transparentes et opaques des disques se combinent de manière à laisser passer plus ou moins de lumiere, ce signal lumineux attaquant des moyens de réception délivrant un signal analogique d'amplitude plus ou moins importante en fonction de l'amplitude du signal lumineux. Finally, there are also devices comprising analog optical sensors such as those described in documents EP-A-194 930 and FR-A-2 564 586, comprising two discs at the periphery of which are opaque and transparent areas alternately swam , these discs being integral each with one of the shaft portions and moving between emission means and. Depending on the relative angular displacement of the discs relative to each other, the transparent and opaque areas of the discs combine so as to allow more or less light to pass, this light signal attacking means of reception delivering an analog signal of greater or lesser amplitude as a function of the amplitude of the light signal.

Cependant, le signal analogique engendré est sensible à la température et au vieillissement des composants émetteurs et récepteurs opto-electroniques. However, the analog signal generated is sensitive to the temperature and to the aging of the opto-electronic transmitter and receiver components.

Le signal analogique doit également être converti en signal numérique pour étire traité par l'électronique embarquée à bord du véhicule.The analog signal must also be converted into a digital signal for stretch processed by the electronics on board the vehicle.

Par ailleurs,l'arbre de direction étant une pièce qui tourne de plus d'un tours certains des dis- positifs décrits précédemment, nécessitent une transmission des signaux de sortie par l'un des moyens suivants
- câble enroulé en spirale autour de l'arbre de direction,
- - collecteur tournant,
- boucle d'induction associée a un émetteur et un récepteur.In addition, the steering shaft being a part which turns more than one turn some of the devices described above, require transmission of the output signals by one of the following means
- cable spirally wound around the steering shaft,
- - rotating collector,
- induction loop associated with a transmitter and a receiver.

On conçoit donc que les dispositifs connus actuellement sont relativement imprécis, d'un prix de revient relativement élevé, d'une adaptation difficile à des applications automobiles en grande série et d'une structure relativement complexe. It is therefore understandable that the devices currently known are relatively imprecise, of a relatively high cost price, of a difficult adaptation to automotive applications in large series and of a relatively complex structure.

Le but de l'inventiàn est donc de résoudre ces problèmes en proposant un dispositif de mesure qui soit simple, fiable et d'un prix de revient peu élevé
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure du type tel que décrit précédem- ment, caractérise en ce qu'il comporte deux codeurs optiques incrémentiels, comportant chacun un disque rotatif à la périphérie duquel sont ménagées alternativement des zones opaques et transparentes, qui se déplacent entre des moyens d'émission et de réception de lumiere du codeur, le disque de l'un des codeurs étant solidaire de la première partie d'arbre de direction et le disque de l'autre codeur étant solidaire de l'autre partie d'arbre, tandis que les moyens d'émission et de réception des deux codeurs sont soli- daires d'une partie fixe du véhicule, et des moyens de traitement des signaux de sortie des codeurs pour mesurer le déplacement angulaire relatif des deux parties d'arbre et en déterminer le couple applique sur le volant. The aim of the invention is therefore to solve these problems by proposing a measurement device which is simple, reliable and of a low cost price.
To this end, the subject of the invention is a measuring device of the type as described above, characterized in that it comprises two incremental optical encoders, each comprising a rotating disc at the periphery of which are alternately formed opaque zones and transparent, which move between light emitting and receiving means of the encoder, the disc of one of the encoders being secured to the first part of the steering shaft and the disc of the other encoder being secured to the other part of the shaft, while the transmission and reception means of the two encoders are integral with a fixed part of the vehicle, and means for processing the output signals of the encoders to measure the relative angular displacement of the two shaft parts and determine the torque applied to the flywheel.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite an se référant aux dessins annexés, sur lesquels
- la Fig. 1 représente une vue en coupe illustrant des moyens de direction d'un véhicule auto mobile@. The invention will be better understood with the aid of the description which follows, given solely by way of example and made with reference to the appended drawings, in which
- Fig. 1 shows a sectional view illustrating steering means of a mobile auto vehicle @.

- la Fig.2 représente une vue de coté en coupe d'une portion d'un codeur optique entrant dans la constitution d'un dispositif selon l'invention;
- la Fig. 3 représente un chronogramme illustrant le fonctionnement d'un codeur optique entrant dans la constitution d'un dispositif selon l'invention; et
- la Fig. 4 représente un schéma synoptique de moyens de traitement entrant dans la constitution d'un dispositif selon l'invention.- Fig.2 shows a sectional side view of a portion of an optical encoder forming part of a device according to the invention;
- Fig. 3 represents a timing diagram illustrating the operation of an optical encoder forming part of a device according to the invention; and
- Fig. 4 shows a block diagram of processing means forming part of a device according to the invention.

Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig. 1, les moyens de direction d1un véhicule automobile comportent en général aine colonne de direction comprenant une première partie d'arbre a direction 1 sur llune des extrémités de laquelle est fixé le volant de direction 2 et dont l'autre extrémité est reliée à une extrémité d'une seconde partie d'arbre 3 de direction, par un corps d'épreuve tel qutune barre de torsion 4
L'autre extrémité de la seconde partie d'arbre de direction 3 est reliée au reste. des moyens de direction du véhicule comme par exemple le pignon de crémaillère
Ainsi qu'il est connu, des moyens 5 de limitation de la torsion de la barre 4 et de sécurité sont également prévus entre les extrémités correspondantes des première et seconde parties d'arbre de direction de manière à solidariser les deux parties d'arbre en cas de rupture de la barre de torsion 4.As can be seen in FIG. 1, the steering means of a motor vehicle generally comprise a steering column comprising a first part of a steering shaft 1 on one of the ends of which the steering wheel 2 is fixed and the other end of which is connected to one end a second part of the steering shaft 3, by a test body such as a torsion bar 4
The other end of the second part of the steering shaft 3 is connected to the rest. vehicle steering means such as the rack pinion
As is known, means 5 for limiting the torsion of the bar 4 and for safety are also provided between the corresponding ends of the first and second parts of the steering shaft so as to secure the two parts of the shaft in torsion bar failure 4.

Selon l'invention, le dispositif de mesure comporte deux codeurs optiques incrémentiels 6 et 7, comportant chacun un disque rotatif 8 et 9 respectivement, à la périphérie duquel sont ménagées alternativement des zones opaques et transparentes qui se déplacent entre des moyens d'émission et de réception de lumière 10 et il du codeur correspondant. According to the invention, the measuring device comprises two incremental optical encoders 6 and 7, each comprising a rotary disc 8 and 9 respectively, at the periphery of which are arranged alternately opaque and transparent zones which move between transmission means and receiving light 10 and it from the corresponding encoder.

Ainsi qu'on peut le voir sur cette figure, le disque 8 du codeur incrémentiel 6 est solidaire de la portion 3 d'arbre de direction, tandis que le disque 9 de l'autre codeur 7 est solidaire de la portion d'arbre de direction 1. As can be seen in this figure, the disc 8 of the incremental encoder 6 is integral with the portion 3 of the steering shaft, while the disc 9 of the other encoder 7 is integral with the portion of the steering shaft direction 1.

Les moyens d'émission et de réception des deux codeurs 6 et 7 sont solidaires d'une partie fixe 12 du véhicule constituée par exemple par une partie fixe dé la colonne de direction
Comme on peut le voir sur les Fig. 2 et 3, les codeurs comprennent avantageusement chacun deux couples de moyens d'émission et de réception, d'axes optiques 13 et 14 décalés d'une distance d - nxp + p/4 où p représente le pas des zones -opaques et transparentes. de manière à délivrer des signaux décalés de pf4 (Fig. 3), n étant un nombre entier quelconque. De pas p est déterminé par la relation p = 2 R/N, R étant le rayon médian passant au centre des zones opaques et transparentes et N le nombre de zones.The transmission and reception means of the two encoders 6 and 7 are integral with a fixed part 12 of the vehicle constituted for example by a fixed part of the steering column
As can be seen in Figs. 2 and 3, the coders each advantageously comprise two pairs of transmission and reception means, of optical axes 13 and 14 offset by a distance d - nxp + p / 4 where p represents the pitch of the opaque and transparent zones . so as to deliver signals offset by pf4 (Fig. 3), n being any integer. The pitch p is determined by the relation p = 2 R / N, R being the median radius passing through the center of the opaque and transparent zones and N the number of zones.

Ainsi qu'il est connu , ce type de codeur permet de discriminer le sens de rotation du disque et de mesurer L'angle et la vitesse de rotation de celuici. Les moyens d'émission et de réception de chaque codeur étant de type connu en soi, on ne les décrira pas plus en détail. As is known, this type of encoder makes it possible to discriminate the direction of rotation of the disc and to measure the angle and the speed of rotation thereof. The transmission and reception means of each coder being of a type known per se, they will not be described in more detail.

Le couple Cv exercé sur le volant ou le couple Cp exercé sur le pignon de crémaillère, étant proportionnel à la torsion de la barrer il est donc possible de. les déduire à partir de la différence des nombres de transitions nv et np correspondant respec- tivement aux nombres de transitions volant et pignon de crémaillère, engendrées par les deux codeurs incrémentiels 7 et 6, respectivement, a plus ou moins deux transitions pres. The torque Cv exerted on the steering wheel or the torque Cp exerted on the rack pinion, being proportional to the torsion of the bar it is therefore possible to. deduce them from the difference of the numbers of transitions nv and np corresponding respectively to the numbers of flywheel and rack pinion transitions, generated by the two incremental encoders 7 and 6, respectively, with more or less two near transitions.

En effet, d4rv = cp = k(nv-np + 2), où k est une constante
Les disques des codeurs incrémentiels 8 et 9 ont avantageusement au moins mille pas de zones successivement opaques et transparentes pour permettre d'obtenir une précision suffisante, ces disques pouvant être obtenus par des procédés photographiques, micro-usinage laser, etc..Indeed, d4rv = cp = k (nv-np + 2), where k is a constant
The disks of the incremental encoders 8 and 9 advantageously have at least a thousand steps of successively opaque and transparent zones to allow sufficient precision to be obtained, these disks being obtainable by photographic processes, laser micro-machining, etc.

On dispose à la sortie des deux codeurs incrémentiels de quatre signaux Av, Bv, Ap, Bp, délivrés par les paires de couples d'émetteur/récepteur des codeurs. 7 et 6 respectivement, ces signaux étant appliqués, comme on peut le voir sur la Fig. 4 à des moyens 15,16 de discrimination du sens de rotation du disque correspondant, dont les sorties Iv, Sv et Ip,
Sp représentant des impulsions I et des sens de rotation S, sont reliées à l'entrée de moyens de comptage/décomptage 17,18 respectivement.Ces moyens de comptage/décomptage assurent le comptage des transitions du capteur correspondant, et sont reliés à des moyens de mémorisation 19 et 20 qui mémorisent les valeurs de comptage et de décomptage de manière que la lecture de ces valeurs ne soit pas perturbée par les incrémentations ou les décrémentations
Les sorties de ces moyens de mémorisation 19 et 20 sont reliées à des entrées de moyens de multi- plexage 21 dont la sortie est reliée à un microproces- seur 22, la sortie T de celui-ci étant reliée à ces moyens de multiplexage de manière-a assurer leur commande pour transférer successivement vers le microprocesseur, les informations concernant les transitions des deux codeurs
Les sorties Iv et Ip des moyens de discrimination de sens 15 et 16 sont également reliées aux entrées d'une porte OU 23 dont la sortie est reliée à une entrée 1H du microprocesseur 22t de manière que celui-ci reçoive directement les signaux d'impulsions de façon a inhiber la lecture des moyens de mémorisa- tion 19 et 20 en cours de progression des moyens de comptage/décomptage 17 et t8. En effet, la sortie L-du microprocesseur est reliée à des entrées de commande des moyens de mémorisation 19 et 20 de manière a assurer cette fonction.At the output of the two incremental encoders, there are four signals Av, Bv, Ap, Bp, delivered by the pairs of transmitter / receiver pairs of the encoders. 7 and 6 respectively, these signals being applied, as can be seen in FIG. 4 to means 15, 16 for discriminating the direction of rotation of the corresponding disc, including the outputs Iv, Sv and Ip,
Sp representing pulses I and directions of rotation S, are connected to the input of up / down counting means 17,18 respectively. These up / down counting means count the transitions of the corresponding sensor, and are connected to means 19 and 20 which memorize the counting up and down counting values so that the reading of these values is not disturbed by increments or decrementations
The outputs of these storage means 19 and 20 are connected to inputs of multiplexing means 21, the output of which is connected to a microprocessor 22, the output T thereof being connected to these multiplexing means so -to ensure their order to transfer successively to the microprocessor, the information concerning the transitions of the two coders
The outputs Iv and Ip of the direction discrimination means 15 and 16 are also connected to the inputs of an OR gate 23, the output of which is connected to an input 1H of the microprocessor 22t so that the latter receives the pulse signals directly so as to inhibit the reading of the storage means 19 and 20 during the progression of the up / down counting means 17 and t8. Indeed, the output L-of the microprocessor is connected to control inputs of the storage means 19 and 20 so as to perform this function.

Par ailleurs, la sortie RAZ du microprocesseur est également reliée aux moyens de comptage/dé- comptage 17,18 et aux moyens de mémorisation 19, 20 pour assurer une remise à zéro de ces moyens de comp- tage/décomptage et de mémorisation lors de l'initialisation du dispositif. Furthermore, the reset output of the microprocessor is also connected to the counting / down counting means 17,18 and to the storage means 19, 20 to ensure a reset to zero of these counting / down counting and storage means during device initialization.

Le microprocesseur 22 assure alors la détermination de la différence de transitions entre les signaux délivres par les deux codeurs et calcule le couple a partir de cette différence de la manière décrite précédemment. The microprocessor 22 then determines the difference in transitions between the signals delivered by the two coders and calculates the torque from this difference in the manner described above.

Cependant, les capteurs ne délivrant pas de valeur de zéro de torsion de la barre, donc de zéro de couple, il est nécessaire de déterminer cette valeur artificiellement. Le microprocesseur 22 peut alors être programmé suivant plusieurs stratégies employées successivement ou en combinaison pour assurer cette détermination, ces stratégies étant
1) à la mise sous tension du dispositif, on peut considérer que la torsion de la barre est nulle, ce qui est vrai pour la majorité des cas,
2) à vitesse nulle ou faible du véhicule, on peut acquérir les angles volant lors d'une inversion du sens de braquage des roues et considérer que le couple résistant est le même dans les deux sens,
3) à l'arrêt ou en roulant7 on peut igale- ment calculer la moyenne des écarts entre les angles volant et pignon, et enfin,
4) en roulant, on peut également déterminer par exemple à partir de l'un des codeurs.et par calcul, , la ligne droite et faire la moyenne évoquée en 3), lorsque le pignon se trouve dans la position ligne droite calculée.However, since the sensors do not deliver a zero value for the torsion of the bar, therefore zero torque, it is necessary to determine this value artificially. The microprocessor 22 can then be programmed according to several strategies employed successively or in combination to ensure this determination, these strategies being
1) when the device is powered up, it can be considered that the torsion of the bar is zero, which is true for the majority of cases,
2) at zero or low vehicle speed, the steering wheel angles can be acquired during a reversal of the steering direction of the wheels and consider that the resisting torque is the same in both directions,
3) at a standstill or while driving7 we can also calculate the average of the differences between the flywheel and pinion angles, and finally,
4) while driving, one can also determine for example from one of the coders. And by calculation, the straight line and make the average mentioned in 3), when the pinion is in the calculated straight line position.

Rien entendu, d'autres modes de réalisation sont possibles. Nothing heard, other embodiments are possible.

Ce dispositif trouve des applications par exemple dans des dispositifs et assistance à la commande de direction de véhicule automobile. This device finds applications for example in devices and assistance in motor vehicle steering control.

Le dispositif de mesure du couple qui vient d'être décrit peut bien entendu s'appliquer, de façon générale, à la mesure du couple entre deux portions d'arbre reliées entre elles par un corps d'épreuve. Ce dispositif peut donc être utilisé dans de nombreuses applications, par exemple dans un système de suspension variable pour calculer la ligne drcite, ou encore l'angle ou la vitesse au volant. The torque measurement device which has just been described can of course be applied, in general, to the measurement of the torque between two portions of shaft connected together by a test body. This device can therefore be used in many applications, for example in a variable suspension system to calculate the straight line, or the angle or speed at the wheel.

Claims

t. Torque measuring device applied in particular to a steering wheel (2) of the steering means of a motor vehicle, comprising a steering column comprising a first part of the steering shaft (1) on one of the ends of.

which is fixed the steering wheel (2) and the other end of which is connected to one end of a second part of the steering shaft (3) by a torsion bar (4), the other end of the second steering shaft part (3) being connected to the rest of the vehicle's steering means, characterized in that it comprises two incremental optical encoders (6,7) each comprising a rotating disc (8, 9) at the periphery of which are successively provided with opaque and transparent zones-1 which move between means (10, 11) for transmitting and receiving light from the encoder, the disc (9) of one (7) of the encoders being integral with the first part of the steering shaft (1) and the disc (8) of the other encoder (6) being integral with the other part of the shaft (3), while the transmission and reception means (10 , 11) of the two encoders are integral with a fixed part (12) of the vehicle, and means for processing (15,16,17,18, 19,20,21,22) of the output signals of the encoders (6, 7) to measure the relative angular displacement of the two shaft parts (1, 3) and determine the torque applied to the flywheel.

2. Device according to claim 1, characterized in that the two encoders (6, 7) each comprise two pairs of transmission and reception means (10, 11) of optical axes t13,14) offset by a distance d = nxp ip / 4 where p represents the pitch of the opaque and transparent areas, so as to deliver signals shifted by p / 4, n being any integer

3. Device according to claim I or 2, characterized in that it comprises means for determining (22) the difference in transitions between the signals delivered by the two coders (6, 7) and calculation means (22) of the couple from this difference

4. Device according to claim 2 QU 3, characterized in that the processing means include, for each encoder, means for discriminating (15, 16) the direction of rotation of the corresponding disc, connected to counting means / counting down (17, 18) the number of transitions, the output of which is linked to storage means (19, 20), the output of these storage means being connected to multiplexing means (21) connected to a microproces - sor (22) and controlled by the latter to successively transfer to the microprocessor, the information of transitions of the coders, to allow the microprocessor to calculate the torque.

5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises means for determining (22) the zero torque.

6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the disc (8, 9) of each encoder has at least a thousand steps of alternately opaque and transparent areas.