CN101080611B

CN101080611B - 电流环路的位置传感器以及配有该传感器的轴承

Info

Publication number: CN101080611B
Application number: CN2005800435341A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·迪雷; 奥利维耶·布朗尚
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: EP1825223B1; US7791332B2; US20080272770A1; EP1825223A2; JP2008524571A; WO2006064169A2; FR2879737B1; WO2006064169A3; JP5184092B2; PT1825223T; FR2879737A1; CN101080611A; KR20070091659A

Abstract

本发明涉及用于测定一个活动元件相对于一个固定结构的位置的测定系统，该系统包括一个编码器，它被设置成发射一个代表编码器位置的伪正弦空间信号，一个传感器(2)，其包括至少两个电阻元件(3)之间的电流环路线路，以及信号V_i的处理装置，其设置成分别提供正交的并且振幅相同的正弦和余弦两个信号。本发明还涉及一个配有该系统的轴承，用于测定转动环相对于固定环的角度位置。

Description

电流环路的位置传感器以及配有该传感器的轴承

技术领域

本发明涉及一个活动元件相对于一个固定结构的位置测定系统以及一个配有该系统的轴承，用于测定转动环相对于固定环的角度位置。

背景技术

在众多的应用中，人们希望始终实时清楚地了解一个活动元件相对于一个固定结构的位置。特别是，这种了解还可以用来测定元件的速度、加速度、或移动方向。

我们从专利US5047716中了解到移动传感器的基本原理，其包括一个支撑件，该支撑件具有一个转动或线性的磁性编码。在现有技术的这种解决方案中，编码支撑件具有空间频率λ。它和一系列磁控电阻传感器相互作用，该传感器间隔(n-1/2)λ并释放与相位相反的信号。这个探测器需要大量的传感器。此外，该方案涉及基本应用领域，并非结合到汽车的轮轴承。

本发明典型地应用于测定机动车辆的至少一个移动参数，该机动车辆的至少一个车轮轴承包括一个测定系统，该参数可以用于车辆动力的控制系统，例如ABS或ESP。

尤其在文献FR-A-2 792 403中已知使用一个编码器和一个固定传感器，该编码器用于与一个活动元件连接在一起，该传感器包括敏感元件，它们位于编码器的读取范围内。敏感元件被设置成释放近乎理想的正交信号，编码器相对于传感器的位置以及该编码器的移动参数可以从该信号中计算出来。

当霍尔效应敏感元件被设置在与一个多极磁性编码器的距离为空气隙(或称铁间空隙)时，这类的测定系统完全满足要求。

然而，尤其对于电阻类型的敏感元件，还需要一个调节装置(conditioning)，它能以安全准确的方式测定一个活动元件的位置。具体而言，这样一个调节装置应该可以在模拟领域中进行：

放大，以便为信号提供足够的电平用于处理链的剩余部分；

偏移量的校正，以便为它去掉一个不希望的连续分量；

消除噪音，比如普通形式的噪音或高频率噪音；

偏差现象的调整，比如在温度上的(偏差)；

过滤，比如避免光谱折叠。

为此，已知使用惠斯通电桥线路，该线路需要使用完全匹配的电阻以取消桥的偏移量，需要将这些电阻相对于编码器所发出的信号准确地定位，并且不能引入额外的测量噪音。由于所有这些限制很难以工业的方式完成，因此使用这种类型的线路导致测定的准确度并不总是令人满意。

另外，在用磁控电阻类型的电阻元件探测一个伪正弦空间信号的特殊情况中，尤其是在隧道效应中，惠斯通电桥的所有限制更难实现。特别是由于这种包含纳米层叠加的电阻元件的结构，在没有激励的情况下很难准确地固定电阻值。

发明内容

本发明尤其在于解决上面提到的问题并提出一个测定系统，其规定了电阻元件的测定装置(尤其是磁控电阻类型)，它适用于活动元件位置的安全可调节的测定。

具体而言，根据本发明的测定系统允许编码器发出的伪正弦信号的空间取样以及信号处理，该信号处理可以以这样一种方式实现精确测定，即不计较电阻元件发出信号的可能差错的限制，以及该元件相对于所发出的伪正弦信号的位置的限制。

为了达到这个目的，根据第一个方面，本发明提出一个活动元件相对于一个固定结构的位置测定系统，该系统包括：

用于与活动元件稳固连接以便和它一起移动的编码器，该编码器被设置成用于发射代表编码器位置的伪正弦空间信号；

用于与固定结构稳固连接的传感器，该传感器包括：

至少两个电阻元件，每个元件均适用于发出一个随所发射的伪正弦信号变化的信号V_i，该电阻元件被设置在编码器发射的伪正弦信号的读取范围内；

电阻元件之间的电流环路线路(current loop assembly)；

信号V_i的处理装置，它被设置成根据信号V_i分别提供正交的并且振幅相同的正弦和余弦两个信号；

用于计算元件位置的计算装置，该装置包括从正弦和余弦信号中计算编码器位置的装置，以便从计算出的编码器的位置中推断元件的位置。

根据第二个方面，本发明提出一种轴承，该轴承包括一个固定环和一个通过转动体相对于该固定环转动的环，该轴承配有这样一种系统，用于测定转动环相对于固定环的角度位置，其中编码器与转动环稳固连接，传感器与固定环稳固连接。

附图说明

本发明的其它目的和优势将出现在随后的参照附图的说明中，在附图中：

图1是根据本发明的测定系统的传感器的第一个实施例的功能图；

图2是两个电阻元件相对于一个空间信号的定位图，该空间信号局部近似于正弦曲线的一部分，以便在来自电阻元件的信号之间获得π/2的相位差；

图3是根据图1的传感器的一个变型例的功能图；

图4是根据本发明测定系统的传感器的第二个实施例的功能图；

图5类似于图2，示出了三个电阻元件的定位；

图6a和6b类似于图2，示出了四个电阻元件的定位；在图6a中空间信号局部近似于正弦曲线的一部分，在图6b中，空间信号是正弦曲线；

图7和8是根据本发明测定系统的传感器的第三个实施例的功能图；图9示出的是图8中图示的一个变形例；

图10是配有根据本发明的测定系统的一个轴承的纵向剖面示意图。

具体实施方式

本发明涉及一个活动元件相对于一个固定结构的位置测定系统，其包括：

一个用于与活动元件稳固连接以便和它一起移动的编码器1，该编码器被设置成用于发射一个代表编码器1位置的伪正弦空间信号；以及

一个用于与固定结构稳固连接的传感器2，该传感器包括至少两个电阻元件3，每个元件都能发出一个随编码器1发射的伪正弦信号变化的信号V_i。

在本发明范围内，大量编码器1/电阻元件3的线路可以被使用，其中我们可以列举电力、磁性、光学、热力或声学编码器，以及以具有阻抗的元件为基础的电阻元件，该阻抗随这些编码器发出信号的每一种类型而变化。在一个特定实例中，编码器1是磁性类型并且包含一系列交错的南北磁极，以便发射一个伪正弦磁性信号，电阻元件3是磁控电阻类型，尤其是磁控电阻器，大磁控电阻器或者有隧道效应的磁控电阻器。

在本发明范围内，所谓伪正弦信号是指原本就是正弦的或至少一部分适当地近似于正弦曲线的所有信号。

在本发明的一个实施例中，电阻元件3是文献FR-A-2 852 400中描述的类型，即包括一个参考元件，一个分离元件和一个对磁场敏感的元件的堆叠。参考元件和敏感元件分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁性各向异性。敏感元件包括一层铁磁性材料和一层反铁磁性材料的叠加，该反铁磁性材料被设置成用于获得一个磁矩，该磁矩在待测场方向上的分量随着待测磁场的强度可逆地变化，而在可调节场范围内线性地变化。

作为一个实施例，这样一个带有隧道效应的磁控电阻敏感元件3由这样的堆叠形成：

玻璃/Ta(5nm)/Co(10nm)/IrMn(10nm)/Co(10nm)/AlOx/Co(2nm)/Co₈₀Pt₂₀(5nm)/Pt(4nm)。玻璃构成底层(或称基底)，Ta/Co双分子层是缓冲层。敏感元件由IrMn(10nm)/Co(10nm)双分子层构成。参考元件Co(2nm)/Co₈₀Pt₂₀(5nm)由钴构成，钴上镀白金以增大矫顽力。Pt(4nm)层是保护层。

通过将电阻元件3设置在编码器1发射的伪正弦信号的读取范围内，本发明可以测定一个相对于固定结构平移或转动的活动元件的位置，该移动在时间上可以是周期性的甚至是不连续的。另外，我们可以考虑利用本发明的测定系统测定电阻元件3和编码器1的间距。

测定系统的传感器2包括在电阻元件3之间的电流环路线路以及一个信号V_i的处理装置，该处理装置被设置成根据信号V_i分别提供正交的并且振幅相同的正弦和余弦两个信号，该振幅与编码器1所发射的信号的振幅成正比。

传感器2可以被预先设置为一个部分，即包括一个支撑件，在该支撑件的上面设置有电阻元件3和调节装置(电源和处理装置)以及可选的计算装置7。

作为一个变型例，传感器2可以包括两个部分，第一部分包括位于编码器1的读取范围内的电阻元件3，以及第二部分包括调节装置以及可选的计算装置7，这两个部分之间通过连接线连接，连接线的数目至少等于电阻元件数目加1。后面这个实施例尤其表现出这样一个优势，即能够将调节装置设置在与编码器1(从而与活动元件)间隔一段距离，以便避免诸如高温、温度和湿度变化的干扰，这些都有可能妨碍调节装置(尤其是差分放大器)的良好运转。

串联安装在电流环路中的电阻元件3被沿着伪正弦信号并以规律的间隔放置(图2、5、以及6)。

关于图1至图9，其描述了电流环路线路和处理装置的三种实施例，电阻元件3的基本组成是电阻元件。具体地，每个敏感元件3可以包括或者由几个单独电阻元件构成的组块，它们组合起来用于获得一个代表组块位置水平上的电阻值的平均电阻值，或者是一个单一的电阻元件。

在电流环路线路中，电阻的差异信号等于：

R_0i是电阻R_i静止时的值，

是电阻元件1之间的空间相位差，i_c是环路中电流强度。

在静止情况下，角θ是正弦曲线的角。在动态变形的情况下，角θ等于例如ωt，其中ω＝2π/T(T是正弦曲线的时间周期)。

该处理装置包括差分放大器的第一级4，每个放大器均被分别连接到一个敏感元件3的终端上，以便发出一个信号V_i＝G_i[R_0i+

其中G_i是该差分放大器的增益(gain)。

处理装置还可以包括一个信号的过滤级(没有示出)。

根据第一个实施例(图1和图3)，传感器2包括两个电阻元件3，电流环路线路也包括一个参考电阻元件，其值R_ref根据编码器1发射的信号是固定的。参考元件终端上的信号V_ref等于G_ref R_ref i_c。

处理装置还包括差分放大器的第二级5，其设置成用于从信号V_i中减去信号V_ref，也就是说形成下面信号：

S₁＝[(G₁R₀₁-G_refR_ref)+G₁ΔR₁sinθ]i_c；

如果选择G₁、G₂和G_ref使得G₁R₀₁＝G₂R₀₂＝G_refR_ref，可以得到下面信号：

S₁＝[G₁ΔR₁sinθ]i_c；

它们通过减去参考信号G_refR_refi_c而趋向于0(以0为中心)。

另外，电阻信号3可以被设计成具有相同的敏感度，即G₁ΔR₁＝G₂ΔR₂＝GΔR。因此，该信号写成：

S₁＝[GΔRsinθ]i_c；

在电阻元件被设置成的特殊情况下，即电阻元件3之间的距离等于λ/4(九是正弦曲线的周期，见图2)，该信号写成：

S₁＝[GΔRsinθ]i_c；

S₂＝[GΔRcosθ]i_c；

因此，在这个特殊情况下，图1所示的测定系统可以直接获得信号COS=S₂和SIN=S₁，它们是正交的并且振幅相同。

图3描述了一个处理装置，不论电阻元件3之间的空间相位差的值为多少，它都可以获得正弦和余弦信号。

为此，处理装置包括一个带有两个差分放大器6的第三级，从而发出信号S₁-S₂和S₁+S₂。

事实上，这些表达式被写成：

因此得到S₁+S₂=SIN和S₁-S₂=COS。

要注意到在

不等于π/2的情况中，信号(S₁-S₂)和(S₁+S₂)的振幅是不同的。为了使这些振幅相等，可以规定第三级的至少一个差分放大器6具有可调节的增益。尤其是，形成余弦信号的放大器的增益可以调节成

根据第二个实施例(图4)，传感器包括三个电阻元件3，第一级4的三个差分放大器具有一个可调节的增益G_i。

在差分放大器的第一级4的输出端，获得信号：

V₁＝G₁×(R₀₁+ΔR₁ sinθ)i_c

根据图4示出的实施例，第二级被设置成用于形成信号：

通过调节增益G_i使得G₁R₀₁＝G₂R₀₂＝G₃R₀₃，并且假设传感器具有相同的敏感度，即G₁ΔR₁＝G₂ΔR₂＝G₃ΔR₃＝GΔR，(1)和(2)的区别变成：

在电阻元件3被设置为与伪正弦信号相隔一段距离从而

(即沿着空间周期并且与λ/4等距(见图5))的特殊情况下，(3)和(4)的区别写成：

S_{1} = [\sqrt{2} GΔ R \cos (θ + π / 4)] x \times i_{c}

S_{2} = [\sqrt{2} GΔ R \cos (θ + π / 4)] \times i_{c}

因此，在这种特殊情况下，图4示出的传感器2可以直接获得正交的并且振幅相同的信号COS＝S₁和SIN＝S₂。

根据第三个实施例(图7至图9)，传感器包括四个电阻元件3，第一级4的四个差分放大器具有可调节增益G_i。

在差分放大器的第一级4的输出端，获得信号：

V₁＝G₁×(R₀₁+ΔR₁ sinθ)i_c

该处理装置还包括差分放大器的第二级5，其设置成将来自差分放大器第一级4的信号减去。

根据图7所示的实施例，该第二级被设置成形成如下信号：

S_{1} = V_{1} - V_{2} = [(G_{1} R_{01} - G_{2} R_{02}) + G_{1} Δ R_{1} \sin θ - G_{2} Δ R_{2} \sin (θ +

通过调节增益G_i使得G₁R₀₁＝G₂R₀₂＝G₃R₀₃＝G₄R₀₄，并且假设传感器具有相同的敏感度，即G₁ΔR₁＝G₂ΔR₂＝G₃ΔR₃＝G₄R₀₄＝GΔR，(5)和(6)的差别变成：

图7至图9描述了一个处理装置，不论电阻元件3之间的空间相位差的值为多少，它都可以获得正弦和余弦信号。

为此，差分放大器的第二级5被设置成发出四个信号，并且该处理装置包括差分放大器的第三级6，其设置成将出自第二级的四个信号每次两个地减去。

第二级根据上面提到的关系式(5)和(6)发出信号S₁和S₂，但同样以类似的方式信号S₃＝V₁-V₃和S₄＝V₄-V₂。

第三级包括两个差分放大器6(分别在图7和图8示出以清楚地阐释)，以便发出如下信号：

U＝[S₁-S₂]；和

V＝[S₃-S₄]

或者根据关系式(3)和(4)：

因此我们得到U＝SIN和V＝COS

应该注意到在

不等于π/2的情况中，信号U和V的振幅不同。为了使这些振幅相等，规定了第三级的至少一个差分放大器6具有可调节的增益。具体地，形成信号U的放大器6的增益可以被调节成

作为电阻元件3的定位和待测信号之间的匹配参数是已知的并且是恒定的。

作为图7和图8所示的实施例的变型例，处理装置的第三级包括根据图7的放大器6，第二级包括根据图9的放大器5，该放大器被设置成发送信号S₃＝V₂-V₃。因此，由处理装置2发出的信号为：

U＝[S1-S2]；和

V＝2S₃

该变型例特别适用于信号V_i的振幅不能被认作是恒定值的情况，即元件3未检测到一条具有同一振幅的正弦曲线，尤其是电阻元件3相对于编码器1倾斜的情况。

根据本发明的测定系统还包括用于计算元件位置的计算装置7，该元件可选地被并入传感器2或被封入主计算器中。

计算装置7包括根据正交且振幅相同的正弦和余弦信号计算编码器1位置的装置，从而根据计算出的编码器1的位置推断元件的位置。这样一个已知的计算装置7可以预先计算表达式SIN²+COS²从而测定信号的振幅，反正切(SIN/COS)用来测定信号角度，或者预先设置正弦和/或余弦信号产生的波峰(pulse edge)的内插(interpolation)和计算装置，从而以增量的方式获得位置。计算装置7同样可以包括元件位置相对于编码器1计算出的位置的校准装置。

另外，计算装置可以包括根据计算出的位置来测定元件的至少一个移动参数(尤其是该元件相对于固定结构的速度、加速度或移动方向)的装置。

本发明同样涉及一个如图10所示的轴承，它配有一个用于测定转动环8相对于固定环9的角度位置的测定系统。

该轴承包括一个固定外环9，该外环被设计成与一个固定部件相连；一个转动内环8，该内环被转动部件带动转动；以及位于该环之间的转动体10。

在所示出的实施例中，编码器1在框架11的环形圆柱体支座上被铸型，该框架通过例如装柄连接到内环8的一个表面上。具体地，编码器1由一个环形成，其外部表面包括一系列具有恒定极宽的南北磁极。

编码器1与转动环8连接，使得该编码器的外部表面基本包含在固定环9的一个侧面平面P中。尤其在申请人提交的文献EP-0607 719中披露的这一特征一方面可以保护轴承内部的编码器1，另一方面能够将传感器2与轴承分开同时保证控制空气隙。因此，编码器1可以或者被固定到外环9上，或者连接到带有电阻元件3的固定部件上，该电阻元件在编码器1的读取范围内。具体地，传感器2可以包括四个如上文所描述的有隧道效应的磁控电阻元件3。

可以列举如下使用根据本发明的测定系统的优势：

在第二和第三个实施例的情况中没有参考电阻；

没有任何必要使用敏感性相反的电阻元件3(例如，对于惠斯通电桥线路的情况)。因此没有必要将某些具有隧道效应的磁控电阻元件的参考层在不同的方向上定向；

有可能将调节装置调节成不同的空载值电阻(no-load valueresistance)R_0i，了解例如电阻元件3的制造方法的某种散布；

在保持对连接线的电阻以及这些线上引受的电干扰(普通形式的噪音)不敏感的同时，能够使电阻元件3远离调节装置(在后者例如被保护而免受高温的区域中)；

能够使传感器适应具有不同空间周期的信号。

另外，由于测定装置就像它应该放大信号那样，可以在对不同电阻的空载值变化不敏感的时候去掉它的连续分量。

Claims

1.用于测定活动元件相对于固定结构的位置的测定系统，所述系统包括：

用于与所述活动元件稳固连接以便和所述活动元件一起移动的编码器(1)，所述编码器被设置成发射一个代表所述编码器(1)位置的伪正弦空间信号；

用于与所述固定结构稳固连接的传感器(2)，所述传感器包括：

至少两个电阻元件(3)，每个元件都能发出一个随所发射的所述伪正弦信号而变化的信号V_i，所述电阻元件被设置在所述编码器(1)发射的所述伪正弦信号的空间位置读取范围内；

在全部电阻元件(3)之间的电流环路线路；

所述信号V_i的处理装置，被设置成根据所述信号V_i分别提供正交的并且振幅相同的正弦和余弦两个信号；

用于计算所述活动元件的位置的计算装置(7)，所述计算装置包括从所述正弦和余弦信号中计算所述编码器(1)位置的装置，以便从计算出的所述编码器(1)位置中推断出所述元件的位置。

2.根据权利要求1所述的测定系统，其特征在于，所述处理装置包括差分放大器的第一级(4)，每个所述放大器被分别连接到电阻元件(3)的终端，以便放大信号V_i。

3.根据权利要求2所述的测定系统，其特征在于，其包括三个电阻元件(3)以及所述处理装置包括三个差分放大器的第一级(4)，每个所述放大器分别连接到电阻元件(3)的终端，以便放大信号V_i。

4.根据权利要求3所述的测定系统，其特征在于，所述传感器(2)包括两个电阻元件(3)，所述电流环路线路还包括发出参考信号V_ref的参考元件(R_ref)，所述处理装置包括所述差分放大器的第二级(5)，其被设置成将所述信号V_ref从所述信号V_i中减去。

5.根据权利要求4所述的测定系统，其特征在于，所述处理装置包括差分放大器的第三级(6)，其被设置成将从所述信号V_i中减去所述信号V_ref后得到的信号分别添加和减去来自所述差分放大器的第二级(5)的信号。

6.根据权利要求2所述的测定系统，其特征在于，所述传感器(2)包括四个电阻元件(3)，所述处理装置包括差分放大器的第二级(5)，其被设置成将来自所述差分放大器的第一级(4)的信号两两地减去。

7.根据权利要求6所述的测定系统，其特征在于，所述差分放大器的第二级(5)被设置成发出四个信号，并且所述处理装置包括差分放大器的第三级(6)，其被设置成将来自所述差分放大器的第二级(5)的四个信号每次两个地减去。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的测定系统，其特征在于，差分放大器(4、5、6)中至少一些具有可调增益。

9.根据权利要求8所述的测定系统，其特征在于，所述电阻元件(3)每一个都具有随所述编码器(1)发射的伪正弦信号变化的电阻R_i。

10.根据权利要求9所述的测定系统，其特征在于，所述电阻元件(3)是基于磁控电阻器、大磁控电阻器或带有隧道效应的磁控电阻器，从而每一个均具有随所述编码器(1)发射的磁性伪正弦信号变化的电阻R_i。

11.根据权利要求10所述的测定系统，其特征在于，所述编码器(1)包括一系列交替的南北磁极。

12.根据权利要求11所述的测定系统，其特征在于，所述计算装置(7)还包括根据计算出的位置测定所述元件的至少一个移动参数，所述移动参数是所述元件相对于所述固定结构的速度方向、加速度方向或移动方向的装置。

13.根据权利要求12所述的测定系统，其特征在于，所述传感器(2)包括两部分，具有电阻元件(3)的第一部分，以及包括所述处理装置的第二部分，这两个部分之间通过连接线连接。

14.根据权利要求13所述的测定系统，其特征在于，每个电阻元件(3)都由几个单独电阻元件形成的一个组块构成。

15.一种轴承，包括固定环(9)和通过转动体(10)相对所述固定环转动的转动环(8)，所述轴承配置有根据权利要求1至13中任一项所述的系统，用于测定所述转动环(8)相对于所述固定环(9)的角度位置，其中，所述编码器(1)稳固地连接到所述转动环(8)，并且所述传感器(2)稳固地连接到所述固定环(9)。