CN101111744A - 具有双峰探测器和真实电源开启能力的自适应齿轮齿传感器 - Google Patents

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CN101111744A CNA2005800476553A CN200580047655A CN101111744A CN 101111744 A CN101111744 A CN 101111744A CN A2005800476553 A CNA2005800476553 A CN A2005800476553A CN 200580047655 A CN200580047655 A CN 200580047655A CN 101111744 A CN101111744 A CN 101111744A
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P·G·汉科克
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Abstract

本发明公开了用于探测旋转目标的方法和系统，其中偏置磁体与旋转目标相关联，该旋转目标与双峰探测器相关联。该旋转目标一般而言包括多个齿以及形成于该旋转目标的至少一个齿之间的至少一个齿缝。一般而言，该偏置磁体和旋转目标产生具有正和负峰的磁信号。双峰探测器包括齿探测器和齿缝探测器，使得该双峰探测器探测由偏置磁体和旋转目标产生的磁信号的最小和最大峰。此外，箝位电路可以与该双峰探测器相关，其中该箝位电路可以提供真实电源开启(TPO)功能。

Description

具有双峰探测器和真实电源开启能力的自适应齿轮齿传感器
技术领域
本发明实施例一般而言涉及传感器装置、方法和系统。本发明实施例还涉及用于汽车应用的凸轮和曲柄轴传感器。本发明实施例另外还涉及霍尔装置和真实电源开启(True Power On，TPO)应用与能力。
背景技术
在磁效应传感技术领域中，各种传感器是已知的。常见磁效应传感器的示例包括霍尔效应和磁阻技术。这些磁性传感器通常对应于设计形状的铁磁目标对象穿过该磁效应传感器的感测场时的存在或消失所影响的磁场变化。该传感器于是可以提供电学输出，该电学输出根据需要可以被后续电子器件进一步改进以产生检测和控制信息。该后续电子器件可以置于该传感器封装的板上或板外。
许多用于汽车应用的传感器配置成位置传感器，其向控制单元提供反馈。许多这些类型的传感器和相关系统本质上是机械的，对于接触磨损、接触沾污等非常敏感。为了帮助解决与机械传感器相关联的许多质量保证问题，设计者已经研究了由磁阻和/或霍尔效应技术提供的无接触电学解决方案，这些解决方案已经尝试探测磁场内的变化。这种方法的主要问题之一为这些系统无法精确探测位置。由于随温度的偏移和漂移，对这些系统的精确度要求例如使得难以使用单个霍尔元件。
霍尔及磁阻技术共同的困难在于，难以实现在低和高RPM时的高精度开关点。位置传感器必须满足汽车装置中凸轮和曲柄轴应用的高可重复性的要求。具体而言，用于最近研发的引擎的曲柄轴传感器要求在所有环境条件下更苛刻的精确度以及确定该传感器在施加电源时是否立即感测目标齿或目标齿缝的能力(即，“True Power On”或TPO)。这种特征使得引擎更快地被激励且更高效工作。本发明人因此推断，存在对改进的自适应感测方法和系统的需求，该自适应感测方法和系统可以提供在完整RPM范围内的高精确度和高度可重复开关点。本发明因此涉及改进的磁性感测方法和系统。
发明内容
提供本发明的下述概述以促进对本发明所特有的一些创新特征的理解，而非旨在作为对本发明的全面描述。整体地考虑整个说明书、权利要求、附图和摘要则可以全面理解本发明的各个方面。
因此，本发明的一个方面是提供改进的传感器装置、方法和系统。
本发明的另一个方面是提供用于汽车应用的改进传感器。
本发明的又一个方面是提供与真实电源开启(TPO)能力有关的双峰探测器。
本发明的再一个方面是提供改进的曲柄轴传感器。
本发明的前述方面和其他目标及优点现在可以如下文所述来实现。此处公开了用于探测旋转目标的方法和系统，其中偏置磁体与关联到双峰探测器的旋转目标相关联。该旋转目标通常包括多个齿和形成于该旋转目标至少一个齿之间的至少一个齿缝。一般而言，该偏置磁体和旋转目标产生具有最小和最大峰值的磁信号。该双峰探测器包括齿探测器(tooth detector)和齿缝探测器(slot detector)，使得该双峰探测器探测由偏置磁体和旋转目标所产生的磁信号的最小和最大峰值。另外，箝位电路可以与该双峰探测器相关联，其中该箝位电路可以提供真实电源开启(TPO)功能。
通过设置该双峰探测器的齿探测器的最小值和该双峰探测器的齿缝探测器的最大值，由此实现在电源施加到传感器时立即感测到该旋转目标，如此即可获得这种TPO功能。另外，一个或多个电容器可以与该箝位电路相关联，其中该电容器维持该双峰探测器的齿探测器的最小值和该双峰探测器的齿缝探测器的最大值。本领域技术人员将会理解，这些最大和最小值也可以利用包括数模转换器和存储寄存器的数字技术来存储。
与该双峰探测器相关联的开关电平可以在IC内微调为由偏置磁体和旋转目标产生的磁信号的正负峰值的约30％至70％。一般而言，偏置磁体与该目标一起产生磁场，传感元件(例如霍尔效应元件)测量该磁场。
该偏置磁体优选地在组装期间被校正，使得与偏置磁体及旋转目标相关联的磁场集中在某些已知值。此外，可以提供直流耦合开关点电路或子电路用于通知该偏置磁体的校正位置。该直流耦合开关点电路可以位于与传感元件、双峰探测器、箝位电路等相关联的集成电路(IC)内。第二直流开关点电路可以用于对恰当的输出驱动器级提供恰当的驱动。
附图说明
相同的参考数字在所有各个图示中表示相同或功能相似的元件，且附图结合到该说明书并形成说明书的一部分，该附图示出了本发明，且与本发明的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1(a)示出了依据优选实施例可以实施的双探测器系统的示意性方框图；
图1(b)示出了依据优选实施例可调整为与图1(a)所示双探测器系统结合使用的双峰探测器的示意性方框图；
图2示出了一般性地指示开关容差的曲线图；
图3示出了依据优选实施例可以使用的凸轮目标；
图4示出了依据一个实施例描述使用正、负高斯信号开启电源时信号电平的曲线图；
图5示出了依据优选实施例可以调整使用的自适应霍尔传感器配置的方框图；
图6示出了描述依据优选实施例的示例性自适应霍尔效应传感器磁场的曲线图；
图7示出了描述依据优选实施例的自适应霍尔精度与频率及开关点的函数的曲线图；以及
图8示出了依据优选实施例的为集成电路(IC)的自适应霍尔实施例的图像。
具体实施方式
这些非限制性示例中所述的具体数值和配置可以变化，引述所述具体数值和配置仅用于说明至少一个实施例，且不旨在限制本发明的范围。
图1(a)示出了依据本发明优选实施例可以实施的双探测器系统100的示意性方框图。图1(b)示出了依据优选实施例可调整为与图1(a)所示双探测器系统结合使用的双峰探测器130的示意性方框图。注意，在图1(a)和1(b)中，相同或相似的部件一般使用相同参考数字表示。
系统100一般而言包括传感元件102，其可以与例如图2所示目标220、118和/或224的旋转目标和偏置磁体相关联和/或交互。偏置磁体508具有磁场，使得偏置磁体508和旋转目标产生具有正和负峰的磁信号。系统100还包括用于放大和调节来自传感元件102的输入信号的信号放大电路104以及电压参考发生器107。电路104可用于将信号放大和平移到恰当电平。
系统100还包括双峰探测器130(如图1(b)更详细所示)，该双峰探测器可以配置成包括齿探测器108和齿缝探测器110，其中该双峰探测器108和110探测由偏置磁体、传感元件102以及旋转目标产生的磁信号的正和负峰。系统100可探测的旋转目标的示例为图3所示的凸轮目标302和304。
齿探测器108和齿缝探测器110还包括提供真实电源开启(TPO)功能的箝位电路，其中该箝位电路与该双峰探测器130相关联，使得通过设置双峰探测器130的齿探测器108的最小值和双峰探测器130的齿缝探测器110的最大值来获得TPO功能，由此允许一旦施加电源以旋转该旋转目标时即可实现对该旋转目标的检测。
传感元件102可以实施为霍尔磁性装置或者其他磁阻装置。传感元件102可以连接到放大器104，该放大器可作为可变放大器。放大器104的输出可以耦合到电压参考电路107。本领域技术人员将会理解，节点1和2上的电压是相关的：Sig-Ref＝B*K*Sens，其中K为增益项，Sens代表传感元件的灵敏度，B为所施加的磁场。
在典型实施例中，B的值穿过特定值Bo，Bo位于磁信号的最小齿和最大齿缝值之间。在优选实施例中，当B＝Bo时，Bo＝0且Sig＝Ref。因此，当磁信号在齿和齿缝值之间移动时，节点1上的电压信号与节点2上的参考电压交叉。节点1和2将该信号和参考电压承载到图1(b)所示双峰探测器系统130的输入。从图1(b)可以理解，如果信号电压(Sig)低于参考电压(Ref)，则Q41被反向偏置且负反馈将导致差分级Q42、Q43平衡。因此，T(和齿电容器)可以达到等于Ref的值。然而，如果Sig大于Ref，则Q42被反向偏置且负反馈将导致差分级Q41、Q43平衡。这种情况下，T(和齿电容器)达到等于Sig的值。因此，T值为Ref和Sig的最大正值，且实现箝位。类似地可以理解，本领域技术人员可以推断S值为Sig和Ref的较小者，且将意识到齿缝电容器的极性将反向。
注意，电容器135和137可用于捕获波形的正和负峰。结合非常小的放电电流以确保该电容器电压以恰当的方式衰减。双峰探测器输出S和T连接到微调网络133。电阻器114和116相互串联并在节点3相互连接，且依次连接到校正比较器117的输入(即Slice)和输出比较器电路118的输入(即，Slice)。
在优选实施例中，电阻器114和116微调使得节点3的电压(即，Slice)为T和S之间的差值的特定比例。注意，校正比较器电路117的第二输入(即，Sig)和输出比较器电路118的第二输入(即，Sig)都在节点1连接到信号电压。在备选配置中，校准比较器的Slice输入可连接到节点2(即，ref电压)。滞后(hysteresis)包含在比较器电路117和118内以防止与噪声及缓变输入相关联的振动和错误触发。
系统100还包括电压调节级122和输出驱动器120以恰当地匹配应用要求。输出级120可以配置成集电极开路级并可包括一装置以防止电路意外短路。调节器122可包括用于防止系统100过压或反向供电条件的装置。
一般而言，系统100利用双峰探测器130来发现由偏置磁体、传感元件102和旋转目标产生的磁信号的正和负峰。通过例如电容器135和/或137的外部电容器结合缓冲放大器136和138，可以维持该齿/齿缝值。系统100可以在集成电路(IC)环境中实施。系统100的开关电平可以在该IC内微调为这些峰的约30％至70％，取决于目标配置。于是在优选实施例中，磁信号Sig在恢复限幅电平Slice附近变化。比较器118将该信息传递到输出。系统100的这个方面提供了高精确度和可重复性。
通过设置齿探测器108的最小值和齿缝探测器110的最大值，可以获得TPO功能。因此，如果系统100在齿(即，目标)上加电，则齿探测器108将处于高磁场(即，取决于空气间隙，该磁场出于评估目的可约为200高斯)，且齿缝探测器110将被箝位到参考电压，该参考电压在该优选实施例中代表零高斯。如果开关电平微调于50％，则该计算将工作点置于约100高斯。系统100于是意识到齿的存在，因为Sig＞Slice。
类似地，如果系统100在齿缝上加电，则齿探测器108将被箝位到零高斯，而齿缝探测器110将达到代表齿磁场(例如-100高斯)的电压。这种情况下，工作点将在-50高斯，且系统100将意识到齿缝的存在，因为Sig＜Slice。系统100因此可以传递这样的信息，所述信息以具有多个齿和形成于所述多个齿之间齿缝的旋转目标的特征开始。
图2示出了一般性地指示开关容差的曲线图200。曲线图200表示位于数字输出信号202对立端的工作精度216和释放精度204，其近似对应于旋转目标的目标218的长度。在本说明书中，“工作”是指齿缝到齿转变，“释放”是指齿到齿缝转变。目标218为齿，而目标220和224包括形成于目标218(即，该齿)任一侧的齿缝。目标旋转一般用箭头226表示。
硬边缘偏移210可置于模拟输出信号206的左侧。类似地，硬边缘偏移208可以置于模拟输出信号206的右侧。工作电压212和释放电压214也示于曲线图200中。本领域技术人员将会理解，工作电压Vop实际上为磁信号Sig和输出比较器118滞后之和，即，Vop＝Sig+Hyst。类似地，Vrel＝Sig-Hyst。注意，曲线图200并不视为本发明的限制特征，而仅仅是出于说明和教导目的。
图3示出了依据优选实施例可以使用的凸轮目标302和304的示例。凸轮目标302和304为可以被图1(a)所示系统100结合图1(b)所述配置所监测的旋转目标的示例。凸轮目标304例如包括尺寸及形状变化的一个或多个齿304、306、308和310。齿缝305可以形成于齿304和305之间。类似地，齿缝307可以形成于齿306和308之间。同样，齿缝309可以形成于齿308和310之间。最后，齿缝311可以形成于齿310和304之间。因此，凸轮目标304可以实施为包括多个齿以及形成于所述多个齿之间的相应齿缝的旋转目标。
图4示出了依据一个实施例描述使用正高斯信号加电时信号电平的曲线图402和使用负高斯信号加电时信号电平的曲线图406。曲线图402一般而言与描述信号、齿电容器、齿缝电容器、限幅电平、工作电平和释放电平的图例404相关联。曲线图406与类似的图例408相关联。
在曲线图402，初始时，齿电容器信号匹配换能器信号，且齿缝电容器信号箝位在0高斯。初始限幅电平由这些电平确定，且该装置一开始就工作，这是因为信号电平在工作电平上。当换能器信号降至负值时，齿缝电容器信号跟踪该换能器信号直至达到最低点，且齿电容器信号朝零衰减但不小于零。在某些点，Sig电平将落在释放值下，电路将释放。当速度增大时，齿和齿缝电容器信号到达其稳态值，限幅电平相应地调整。
在曲线图406，初始时，齿缝电容器信号匹配换能器信号，且齿电容器信号箝位在0高斯。初始限幅电平由这些电平确定，且该装置一开始就释放，这是因为信号电平在释放电平下。当换能器信号增至正值时，齿电容器信号跟踪该换能器信号直至达到最高点，且齿缝电容器信号朝零衰减但不大于零。在某些点，Sig电平将在工作值上，电路将工作。当速度增大时，齿和齿缝电容器信号到达其稳态值，限幅电平相应地调整。
图5示出了依据优选实施例可以调整使用的自适应霍尔传感器配置500的方框图。配置500可在传感器封装501环境中实施。霍尔元件506可布置为距离封装面502长度L2。霍尔元件506的中心可布置为与封装501的中心距离宽度W3。磁体508可布置为与封装体501的中心距离宽度W2。磁体508一般而言具有宽度W1和长度L1。磁体校正位置510也在配置500中注出。
图6示出了描述依据优选实施例的示例性自适应霍尔传感器磁场的曲线图600。曲线图600一般而言示出了具有凸轮目标例如图3所示凸轮目标302和304在25℃下的自适应霍尔传感器磁场。该自适应霍尔传感器磁场可以通过例如图1所示偏置磁体102结合系统100来实施。图例602与曲线图600相关联，并包括变化的空气间隙长度。相应的表示磁场(即，高斯)与目标旋转(单位为度)的数据示于曲线图600中。
图7示出了描述依据优选实施例的自适应霍尔精度与频率及开关点的函数的曲线图700。曲线图700中所示数据可以通过图1的系统100来产生。曲线图700示出了由系统100结合旋转目标在25℃、+/-20G峰极限，50％，0.1μF电容器(例如，图1的电容器137和135)以及+/-15G滞后而产生的自适应霍尔精度。图例702与曲线图700相关联，该曲线图绘制了单位为度的开关点相对于频率的关系(RPM)。
图8示出了依据本发明可替换实施例可以实施的自适应霍尔IC800的方框图。自适应霍尔IC800可以用于实施图1的系统100。一般而言，系统100和IC800可作为自适应霍尔传感器，在例如凸轮目标302和304的凸轮目标上具有出色精度(例如，小于+/-1.25°)。系统100和IC800的自适应霍尔传感器为大多数凸轮目标提供TPO和限幅电平(即，开关电平)，该限幅电平可调整以适于特定目标从而优化精度和空气间隙性能。系统100对“扭转(twist)”不灵敏，且可以利用反向电压和输出短路保护来运行。
此处提供所述实施例和示例以最佳地解释本发明及其实际应用，并由此使得本领域技术人员可以使用和利用本发明。然而，本领域技术人员将意识到，前述描述和示例仅仅出于说明和示例的目的。本发明的其他变型和改进对于本领域技术人员而言是显而易见的，且所附权利要求应覆盖这些变型和改进。
所述描述并非旨在穷举或限制本发明的范围。鉴于上述教导且不背离下述权利要求书的范围，许多改进和变型是可能的。使用本发明可涉及具有不同特性的部件。本发明的范围应由全方面给出了对等同特征的全面认识的所附权利要求书来定义。

Claims (25)

1.一种传感系统，包括：
旋转目标，与具有磁场的偏置磁体相关联，其中所述偏置磁体和所述旋转目标产生具有正和负峰的磁信号；
双峰探测器，包括齿探测器和齿缝探测器，其中所述双峰探测器探测由所述偏置磁体和所述旋转目标产生的所述磁信号的正和负峰；以及
箝位电路，提供真实电源开启功能(TPO)，其中所述箝位电路与所述双峰探测器相关联，使得所述真实电源开启功能通过设置所述双峰探测器的所述齿探测器的最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的最大值来获得，由此允许一旦电源应用于所述传感系统则所述旋转目标即被检测。
2.权利要求1所述的系统，还包括与所述箝位电路相关联的至少一个电容器，其中所述至少一个电容器维持所述双峰探测器的所述齿探测器的所述最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的所述最大值。
3.权利要求1所述的系统，还包括与所述箝位电路相关联的存储寄存器和数模转换器，其中所述数模转换器和存储寄存器维持所述双峰探测器的所述齿探测器的所述最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的所述最大值。
4.权利要求1所述的系统，还包括包含所述箝位电路、所述双峰探测器和所述偏置磁体的凸轮轴和曲柄轴传感器。
5.权利要求1所述的系统，其中所述旋转目标包括多个齿以及形成于所述多个齿的至少一个齿之间的至少一个齿缝。
6.权利要求1所述的系统，其中所述偏置磁体在所述系统组装期间被校正，使得与所述偏置磁体相关联的所述磁场集中在指定高斯水平。
7.权利要求6所述的系统，还包括传感元件，所述传感元件探测磁场变化并将所得磁场变化转换为电压变化。
8.权利要求7所述的系统，还包括直流耦合开关点电路，用于通知所述偏置磁体的校正位置。
9.权利要求8所述的系统，其中所述直流耦合开关点电路位于与所述传感元件、所述双峰探测器、以及所述箝位电路相关联的集成电路(IC)上。
10.权利要求9所述的系统，其中与所述双峰探测器相关联的开关电平在所述集成电路内微调为由所述偏置磁体和所述旋转目标产生的所述磁信号的所述正和负峰的约30％至70％。
11.一种传感系统，包括：
旋转目标，与偏置磁体相关联，其中所述偏置磁体和所述旋转目标产生具有正和负峰的磁信号，其中所述旋转目标包括多个齿以及形成于所述多个齿的至少一个齿之间的至少一个齿缝；
双峰探测器，包括齿探测器和齿缝探测器，其中所述双峰探测器探测由所述偏置磁体和所述旋转目标产生的所述磁信号的正和负峰；
箝位电路，提供真实电源开启功能，其中所述箝位电路与所述齿探测器和齿缝探测器相关联，使得所述真实电源开启功能通过设置所述双峰探测器的所述齿探测器的最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的最大值来获得；以及
与所述箝位电路相关联的至少一个电容器，其中所述至少一个电容器维持所述双峰探测器的所述齿探测器的所述最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的所述最大值，由此允许一旦电源应用于所述传感器所述旋转目标即被检测。
12.权利要求11所述的系统，其中所述偏置磁体在所述系统组装期间被校正，使得与所述偏置磁体相关联的所述磁场集中在指定高斯水平。
13.权利要求12所述的系统，还包括：
直流耦合开关点电路，用于通知所述偏置磁体的校正位置，其中所述直流耦合开关点电路位于与所述偏置磁体、所述双峰探测器、以及所述箝位电路相关联的集成电路(IC)上；以及
其中与所述双峰探测器相关联的开关电平在所述集成电路内微调为由所述偏置磁体和所述旋转目标产生的所述磁信号的所述正和负峰的约30％至70％。
14.权利要求11所述的系统，还包括传感元件，所述传感元件探测磁场变化并将所得磁场变化转换为电压变化。
15.权利要求11所述的系统，还包括包含所述箝位电路、所述双峰探测器和所述传感元件的凸轮轴和曲柄轴传感器。
16.一种探测旋转目标的方法，所述方法包括步骤：
将偏置磁体与旋转目标相关联，其中所述偏置磁体和所述旋转目标产生具有正和负峰的磁信号；
提供包括齿探测器和齿缝探测器的双峰探测器，，其中所述双峰探测器探测由所述偏置磁体和所述旋转目标产生的所述磁信号的正和负峰；
将箝位电路与所述双峰探测器相关联，其中所述箝位电路可以提供真实电源开启(TPO)功能；以及
通过设置所述双峰探测器的所述齿探测器的最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的最大值来获得所述真实电源开启功能，由此允许一旦电源应用于所述传感器所述旋转目标即被检测。
17.如权利要求16所述的方法，还包括将至少一个电容器与所述箝位电路相关联的步骤，其中所述至少一个电容器维持所述双峰探测器的所述齿探测器的所述最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的所述最大值。
18.如权利要求16所述的方法，还包括与所述箝位电路相关联的存储寄存器和多个数模转换器，其中所述多个数模转换器和存储寄存器维持所述双峰探测器的所述齿探测器的所述最小值和所述双峰探测器的所述齿缝探测器的所述最大值。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述旋转目标包括多个齿以及形成于所述多个齿的至少一个齿之间的至少一个齿缝。
20.如权利要求16所述的方法，还包括校正所述偏置磁体的步骤，使得与所述偏置磁体相关联的所述磁场集中在指定高斯水平。
21.如权利要求20所述的方法，还包括提供直流耦合开关点电路的步骤，用于通知所述偏置磁体的校正位置。
22.如权利要求21所述的方法，还包括提供传感元件的步骤，所述传感元件探测磁场变化并将所得磁场变化转换为电压变化。
23.如权利要求22所述的方法，还包括将所述直流耦合开关点电路置于与所述传感元件、所述双峰探测器、以及所述箝位电路相关联的集成电路(IC)上的步骤。
24.如权利要求23所述的方法，还包括将与所述双峰探测器相关联的开关电平在所述集成电路内微调为由所述偏置磁体和所述旋转目标产生的所述磁信号的所述正和负峰的约30％至70％的步骤。
25.如权利要求15所述的方法，还包括配置凸轮轴和曲柄轴传感器以包括所述箝位电路、所述双峰探测器和所述偏置磁体，使得所述凸轮轴和曲柄轴传感器探测凸轮轴或曲柄轴的旋转目标的步骤。
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