CN101198873A - 用于确定对象的位置或转速的传感器系统 - Google Patents

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贡纳尔·舒尔茨梅沃斯
米夏埃尔·欣茨
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Abstract

本发明公开了一种磁场传感器，可以用于确定对象的位置或转速。根据本发明的示例性实施例，一种传感器系统，包括生成反映对象的转速或位置的频率输出的传感器单元，其中所述频率输出具有比所述对象的编码频率更高的频率。这可以提供改进的分辨率。固有的传感器特性导致了具有编码的磁场的频率的两倍或四倍的频率的信号。该传感器可以是巨磁电阻(GMR)传感器。

Description

用于确定对象的位置或转速的传感器系统
技术领域
本发明涉及磁场传感器领域。具体地，本发明涉及一种用于确定对象的位置或转速的传感器系统、一种确定单元、相应的传感器系统的用途、以及一种用于确定对象的位置或转速的方法。
背景技术
磁场传感器系统包括传感器单元或传感器元件和相应的信号处理单元。如图1所示，展现磁阻效应的传感器元件包括以惠斯通结构而布置的电阻桥。
如图2所示，电阻与磁场强度特性的关系曲线具有类似S形的形状。如图3所示，在磁化编码器相对于传感器发生相对移动的情况下，该传感器生成周期性的正弦曲线输出信号，该信号具有在360°的范围内的信号周期。然后将该输出信号传输至比较器，该比较器在该传感器信号的每个过零处切换，从而在该传感器系统的输出处生成具有与编码的信号相同的信号频率的数字化信号。因此，在传感器系统的输出处的信号频率(以及由此该系统的分辨率)等于在有源编码器情况下的磁极对的个数。
可能期望具有改进的分辨率。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于确定对象的位置或转速的传感器系统，该传感器系统包括第一传感器单元和编码器单元，其中，该编码器单元适用于生成编码的磁场，该编码的磁场具有第一交变频率，其中，该第一传感器单元适用于测量编码的磁场，并用于基于所测量的编码的磁场生成第一输出信号，该第一输出信号具有高于该第一频率的第二频率。
因此，根据本发明的该示例性实施例，该传感器系统借助于传感器单元生成反映对象的转速或位置(相对于该传感器单元)的频率输出。此外，该频率输出具有高于该编码器单元(可以集成到该对象中)的编码频率的频率。
由于增大了输出频率，因此可以改进位置判定或转速判定的分辨率。
根据本发明的另一示例性实施例，第一传感器单元包括巨磁电阻器(GMR)。通过使用巨磁电阻传感器(GMR传感器)，可以提供响应于磁场的较大的电阻变化。这可以改进传感器系统的灵敏度。
然而，应当指出的是，其它技术可以用于该传感器单元，例如各向异性磁电阻(AMR)或者固态磁场传感器，诸如SQUID传感器(超导量子干扰检测器)或自旋共振磁力仪。
根据本发明的另一示例性实施例，该传感器系统还包括判定单元，其中该判定单元适用于基于来自第一传感器单元的第一输出信号来生成判定输出信号；并且其中该判定输出信号表示对象的位置和转速中的至少一个。
根据本发明的该示例性实施例，由该判定单元来进一步处理来自第一传感器单元的输出信号。例如，该判定单元可以适用于基于来自传感器单元的输出信号而对判定输出信号进行数字化。这可以提供可以用于简单和安全的位置或转速判定的输出信号。
根据本发明的另一示例性实施例，判定输出信号具有等于或高于第一传感器单元输出的第二频率的第三频率。
因此，该判定单元可以适用于改进该传感器单元输出的分辨率。
根据本发明的另一示例性实施例，该传感器系统还包括用于生成第二输出信号的第二传感器单元，其中，该传感器系统适用于基于第一输出信号和第二输出信号来生成判定输出信号。该判定输出信号具有高于第二频率的第四频率，其中，该判定输出信号表示对象的位置和转速中的至少一个。
因此，根据本发明的该示例性实施例，可以提供多个传感器单元，每个传感器单元例如在不同的位置测量编码的磁场。每个传感器单元生成各自的输出信号。然后将所有的输出信号传输至判定单元，该判定单元基于传感器单元所测量的信号来生成判定输出信号。这样，该判定输出信号高精确性地反映了对象的位置或转速。
根据本发明的另一示例性实施例，第一传感器单元具有V形传感器特性曲线和W形传感器特性曲线之一。
这可以提供独立于间距(pitch)的位置或转速判定。因此，针对具有不同的磁极宽度λ的不同的磁化编码器，可以仅使用一个磁场传感器。
根据本发明的另一示例性实施例，可以提供一种用于确定对象的位置或转速的传感器，该传感器包括判定单元和第一传感器单元，其中，该判定单元适用于基于来自第一传感器单元的第一输出信号来生成判定输出信号，其中该判定信号表示对象的位置和转速中的至少一个。第一传感器单元适用于测量编码的交变磁场以及基于所测量的编码的磁场来生成第一输出信号，该第一输出信号具有高于编码的磁场的第一频率的第二频率。
此外，根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于确定对象的位置或转速的方法，该方法包括以下步骤：由编码器单元生成编码的磁场，该编码的磁场具有第一频率；由第一传感器单元测量该编码的磁场；由第一传感器单元基于所测量的编码的磁场来生成第一输出信号，该第一输出信号具有高于该第一频率的第二频率。
因此，根据本发明的该示例性实施例，可以通过测量具有第一交变频率的编码的磁场来确定对象的位置或转速。检测和处理编码的磁场中的变化，得到具有至少与该编码的交变磁场的频率相等的频率的输出信号。
这可以在不增加磁场编码的频率的情况下提供分辨率的增强。
此外，根据本发明的另一示例性实施例，该方法还包括以下步骤：由判定单元基于来自第一传感器单元的第一输出信号而生成判定输出信号，其中，该判定输出信号表示对象的位置和转速中的至少一个，并且其中该判定输出信号具有等于或高于该第二频率的第三频率。
可以视为本发明的示例性实施例的要旨的是，提供了一种借助于传感器单元来生成反映对象的转速或位置的频率输出的传感器系统，其中该频率输出具有高于对象的编码频率的频率。因此，可以在不增大编码频率的情况下，使位置或转速判定的分辨率得到增强。
参照下文中所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见和被阐明。
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。
附图说明
图1示出了单个惠斯通电阻桥的示意性电路图。
图2示出了用于测量转速的传感器元件的S形的磁场强度-桥输出特性曲线。
图3示出了图2的传感器元件的输出信号。
图4示出了包括图2的传感器元件的传感器系统的数字输出信号。
图5示出了磁场传感器元件的V形特性曲线。
图6示出了借助于根据本发明的示例性实施例的V形特性曲线的信号频率加倍。
图7示出了根据本发明的示例性实施例的具有V形特性曲线的磁场传感器系统的信号处理单元或判定单元的数字输出信号。
图8示出了根据本发明的示例性实施例的磁场传感器元件的W形特性曲线。
图9示出了根据本发明的示例性实施例的W形特性曲线的信号频率倍增。
图10示出了根据本发明的示例性实施例的具有W形特性曲线的磁场传感器系统的信号处理单元的数字输出信号。
图11示出了根据本发明的示例性实施例的基于比较器电路对线性形状的对象进行位置判定的磁场传感器系统。
图12示出了根据本发明的示例性实施例的旋转编码单元的旋转频率的示例性测量建立。
图13示出了根据本发明的示例性实施例的用于测量有源磁化的旋转编码器的转速的示例性应用。
图14示出了根据本发明的示例性实施例的用于测量无源编码器的旋转频率的测量建立。
图15示出了根据本发明的示例性实施例的示例性方法的流程图。
具体实施方式
附图中的描述是示意性的。在不同的附图中，为类似的或相同的元件提供同样的附图标记。
图1示出了单个惠斯通电阻桥的示意性电路图，包括四个电阻器101、102、103、104和相应的电路105、106。以惠斯通桥的形式布置电阻器元件可提供温度补偿和生成易于分析的差分信号。但是，即使是单个电阻元件也可以用于测量磁场或磁场变化。
通过外部磁场H的影响可以改变电阻元件101-104的电阻率，并且所产生的全桥(V1)的输出信号是该磁场H的函数。
图2示出了图1的这种传感器元件的输出信号特性曲线。R-H特性曲线示出了S形的依赖性。横轴201以单位kA/m描述磁场强度H，纵轴202以单位mV/V描述桥输出U。该桥布置的差分输出电压在负磁场强度H的区域内符号为负，而在正磁场强度H的区域内符号为正。
根据本发明的示例性实施例，编码器可以是有源编码器或无源编码器。有源(或磁化的)编码器可以包括横向交变磁化层，该横向交变磁化层包括北极和南极的交替序列，当相对于磁场传感器单元(在传感器单元的区域内)移动时生成交变磁场。在磁化编码器的情况下，所述360°的区域与磁化层的北-南-极对相对应，从而与该极对的宽度λ(λ＝360°)相对应。
例如，在图11中描述了这种有源编码器(附图标记1105)。
此外，可以使用如图14所描述的无源编码器(附图标记1401)。
这种无源或铁磁编码器可分别包括齿和间隙1402、1403的交替序列。在无源编码器的情况下，必须使用工作磁体(working magnet)1404，可以将其布置在传感器单元1106、1107的背面。
工作磁体所生成的磁场(在附图中未描述)穿过磁场传感器元件1102的电阻器101-104。当无源编码器1401相对于磁传感器1102移动时，齿1402或间隙1403的位置相对于传感器元件1102而改变。因此，磁场传感器元件1106的电阻值1107相应地改变并生成正弦曲线输出信号。
可以以用于测量线性移动和线性距离的线性编码器1105的形式、或者以用于测量旋转频率的编码轮(encoded wheel)1401的形式来实现编码器。但是，该测量的分辨率可能取决于敏感元件的特性和所使用的电阻桥的数量。
为了测量旋转频率，磁北极和磁南极之间的分界面可以用于过零检测。例如，可以提供比较器电路用于信号处理，该比较器电路基于模拟输入信号生成数字信息，在系统输出处提供该数字信息。然后电子判定单元可以进一步分析该数字信息。
这种转速传感器可以用于汽车应用中具有ABS功能的制动系统。
在已知数量的磁场北极和南极的帮助下，可以基于过零信号来确定转速。根据已知的方法，数字输出信号的频率等于编码器的频率。换言之，在具有沿编码轮的圆周布置的十个磁北极和十个磁南极的情况下，编码轮的完整旋转导致了十个连续的正弦曲线。
图3示出了图2的传感器元件的输出信号。在磁化编码器相对于传感器(具有S形的特性曲线)发生相对移动的情况下，生成周期性的正弦曲线输出信号301，该信号具有在360°的范围上的信号周期。可以将传感器元件的输出信号馈入比较器电路，该比较器电路可以在传感器输出信号的过零期间切换，并且可以在系统输出处生成与图3所描述的传感器元件的正弦信号具有相同信号频率的数字信号。在图4中描述了这种包括图2的传感器元件的传感器系统的数字化信号(附图标记401)。
因此，在有源编码器的情况下，该信号频率可以取决于磁极的数量。
在具有小尺寸的编码器的情况下，由于该编码器展现出有限的场强，所以对位置或转速的判定可能得到低质量的结果。在离该编码器相对较远的地方，这个有限的场强可能不足以用于准确的测量。
因此，可能期望通过增强传感器系统的频率特性来提供改进的分辨率。
为了改进对相对于传感器移动的编码器的位置或转速测量的分辨率，可能需要增大信号频率。对于具有S形的特性曲线的传感器，该信号频率可能与编码器的磁极个数相对应，即，信号周期与极对宽度或360°相对应。
为了实现频率倍增，需要改变磁场传感器的传感器特性曲线。例如，这可以通过V形或W形的特性曲线来提供。由于不同磁场传感器的多种特性，可以在360°的范围上生成两个或更多的信号周期。
图5示出了磁场传感器元件(例如GMR传感器元件)的V形特性曲线。横轴501以单位kA/m描述了磁场强度H，纵轴502以单位mV/V表示了桥输出Uout。由图5可见，GMR惠斯通桥输出503是V形的。可以将传感器单元的惠斯通桥输出传输至用于信号分析或信号处理的判定单元。由图5可见，传感器元件的差分信号基本上总具有相同的绝对值，与磁场的方向无关。因此，关于输出电压的特性曲线503是渴望的(ambitious)。
图6示出了如果正弦曲线磁场激励传感器单元，如何通过传感器单元的V形特性曲线实现频率加倍。图6c示出了输入信号，即正弦曲线磁场。图6c的横轴表示磁场强度，图6c的纵轴表示例如旋转角度、时间或位置。
图6a示出了传感器单元的V形特性曲线。同样，横轴表示磁场强度，纵轴表示传感器输出。
图6b示出了如果测量信号6c该传感器单元的输出信号。这里，横轴表示图6c的纵轴(角度、时间或位置)，而纵轴表示传感器输出。由图6b可见，该传感器输出的频率是图6c中所示的输入信号的频率的两倍。
如图7所示，磁场传感器系统的判定单元可以进一步将图6b中所示的输出信号进一步处理为数字化输出信号。由图7可见，现在数字化输出信号701的频率是图4的数字化输出信号的频率的两倍。
图8示出了根据本发明的示例性实施例的磁场传感器元件的W形特性曲线。该W形特性曲线可以用于频率倍增(根据对图5所描述的V形特性曲线的用途)。由图8可见，其中横轴801以单位kA/m表示磁场强度H，纵轴802以单位mV/V表示桥输出Uout(轴801范围是-8-8kA/m，轴802范围是-2-12mV/V)。输出信号随着磁场强度的增大而增大803，然后随着磁场强度的进一步增大而减小804。图8所描述的关于输出电压的特性的不定性(ambiguity)是下文的频率倍增的基础。
图9示出了根据本发明的示例性实施例的基于W形特性曲线的信号频率倍增。图9c示出了作为输入信号的正弦曲线磁场的依赖性，其中横轴表示磁场强度H，纵轴表示(传感器关于编码器的)旋转角度、时间或位置之一。
图9a示出了传感器单元的W形特性曲线(如图8所示)。
图9b示出了测量图9c的信号的传感器单元的输出信号。由图9b可见，其中横轴表示角度、时间或位置，纵轴表示传感器输出信号，实现频率的四倍增(关于标准传感器系统)。如横线901所示，可以通过调整后续信号处理步骤的触发点或切换点来实现该频率倍增。这意味着，在一个磁极对的范围(360°)上存在四个信号周期。
因此，在没有额外的电子设备支出(electronic expenditure)的情况下，可能通过使用根据本发明的示例性实施例的传感器单元(例如GMR传感器单元)来提供输出信号的倍增。
在图10中通过信号1001描述了对图9b的传感器单元输出信号的信号处理所生成的数字输出信号的频率倍增。
此外，根据本发明的示例性实施例，可以将多个传感器元件用于所测量的信号的频率增大或频率倍增。例如，诸如图11的传感器单元1106的第一传感器单元可以位于GMR传感器系统1101中的第一位置，诸如图11的传感器单元1107的第二传感器单元可以位于GMR传感器系统1101中的第二位置。
每个传感器单元1106、1107输出反映在编码器1105和传感器1102的相对移动期间的磁场变化的相应的输出信号。然后这两个输出信号由放大器1103进行放大并由比较器1104进行处理，向该比较器1104提供参考电压Vref。然后通过信号输出1160提供判定输出信号Vout作为信号1108。该判定输出信号1108表示对象或编码器1105的位置和转速中的至少一个。在图11的情况下，编码器1105是线性形状的对象，其位置由传感器系统1102来测量。
通过使用多个单个传感器单元1106、1107可以提供信号频率的进一步增大。
此外，通过由比较器或另外的电子设备1104所实现的信号处理技术，可以提供信号输出频率的进一步增大。
应当指出的是，可以使用展现出与V形或W形的传输特性曲线不同的传输特性曲线的其它传感器单元。
图12示出了用于测量包括编码单元1105的旋转对象的旋转频率的测量建立。例如，通过交变磁化区域1201、1202对该编码单元1105进行磁编码。这可以通过磁场线1203来表征。在编码单元1105的外圆周上执行由传感器系统1101所执行的测量。
图13中示出了用于测量转速的另一个示例性测量建立。这里，磁传感器系统1101在编码器1105的正面执行磁场测量。
图14示出了根据本发明的用于测量无源铁磁编码器1401的外圆周的旋转频率的测量建立的另一示例性实施例。如上文所述，编码器1401包括多个齿1402和间隙1403。GMR传感器系统1101包括布置在传感器单元1106、1107背面的工作磁体1404。
图15示出了根据本发明的示例性方法的示例性实施例的流程图。该方法在步骤1通过生成具有第一频率的编码的磁场而开始。可以由耦合到待跟踪的对象或形成待跟踪的对象的一部分的编码器单元来生成这个编码的磁场。在第二步骤中，当该对象(以及该编码器单元)相对于该传感器单元移动时，例如旋转移动或直线移动或任何其它移动，由第一传感器单元来测量该编码的磁场，并且可以由第二传感器单元来测量该编码的磁场(然而，根据本发明的示例性实施例，第二传感器单元不是必需的)。
在传感器单元测量了相应的磁场变化之后，生成与该磁场变化相对应的第一和第二输出信号。(由于编码器相对于传感器的移动)这两个输出信号的频率均高于磁场变化的频率。
在第四步骤中，由判定单元生成判定输出信号，该判定单元可以是比较器或某些其它的分析或处理单元，而且例如可以以集成电路或其它电子元件的形式来实现。所生成的判定输出信号的频率高于由于编码器的旋转或其它移动而引起的磁场变化的频率。因此，位置或旋转频率测量的分辨率得以改进。
磁场传感器的这种频率增大特性提供了借助于较小的磁化编码器把磁场传感器应用于转速测量和位置判定。可以使用用于位置和转速判定的不同的编码器实施例以及相应的电子信号处理来实现图11-14中描述的示例性实施例。
在诸如针对轮轴轴承的汽车应用的应用中，可能需要减小编码器的尺寸。
在减少编码器的尺寸时，可能相应地减少了有效磁场强度H。因此，例如必须减少传感器与编码器之间的距离，以提供恒定的分辨率。如果这种减少是不可能的，则降低了测量的分辨率。为了改进分辨率，可以使用根据本发明的示例性实施例的频率增大方法。
根据本发明的一个方面，在传感器单元中提供频率增大，而不必使用附加的电子组件或机械组件。
通过根据本发明的示例性实施例来增大测量的信号的输出频率，在使用插值法的情况下可以简化用于分析测量信号的电子分析电路。例如，如果将正弦曲线传感器输出信号传输至使用256或8比特的因子进行插值的插值器，可以通过根据本发明的频率加倍将该因子减少到128。插值因子的减少可以导致显著的成本降低和电子组件所需空间的减少。
此外，由于输出频率的增大可以导致电子组件的减少，从而导致分析和处理电路的简化，因此可以增加传感器系统的可靠性。这可能是汽车业所特别关注的。
应当指出的是，术语“包括”并非排除其它元件或步骤，“一”或“一个”并非排除多个，单个处理器或系统可以实现权利要求所述的数个装置或单元的功能。也可以对参照不同的实施例所描述的元件进行组合。
还应当指出的是，权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制了权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于判定对象的位置或转速的传感器系统，所述传感器系统包括：
第一传感器单元；
编码器单元；
其中，所述编码器单元适用于生成编码的磁场，所述编码的磁场具有第一交变频率；
其中，所述第一传感器单元适用于测量所述编码的磁场以及基于所测量的编码的磁场来生成第一输出信号，所述第一输出信号具有高于所述第一频率的第二频率。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，
其中，所述第一传感器单元包括巨磁电阻器。
3.根据权利要求1所述的传感器系统，
还包括判定单元；
其中，所述判定单元适用于基于来自所述第一传感器单元的所述第一输出信号来生成判定输出信号；以及
其中，所述判定输出信号表示所述对象的位置和转速中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的传感器系统，
其中，所述判定输出信号具有等于或高于所述第二频率的第三频率。
5.根据权利要求3所述的传感器系统，还包括用于生成第二输出信号的第二传感器单元；
其中，所述传感器系统适用于基于所述第一输出信号和所述第二输出信号来生成判定输出信号；
其中，所述判定输出信号具有高于所述第二频率的第四频率；
其中，所述判定输出信号表示所述对象的位置和转速中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的传感器系统，
其中，所述第一传感器单元具有V形传感器特性曲线和W形传感器特性曲线之一。
7.一种用于确定对象的位置或转速的传感器；所述传感器包括判定单元和第一传感器单元；
其中，所述判定单元适用于基于来自第一传感器单元的第一输出信号来生成判定输出信号；以及
其中，所述判定输出信号表示所述对象的位置和转速中的至少一个；
其中，所述第一传感器单元适用于测量编码的交变磁场以及基于所测量的编码的磁场来生成第一输出信号，所述第一输出信号具有高于所述编码的磁场的第一频率的第二频率。
8.根据权利要求7所述的传感器，
其中，所述判定输出信号具有等于或高于所述第二频率的第三频率。
9.根据权利要求7所述的传感器，
还包括用于生成第二输出信号的第二传感器单元；
其中，所述判定单元适用于基于来自第一传感器单元的第一输出信号以及来自第二传感器单元的第二输出信号来生成判定输出信号；
其中，所述判定输出信号具有高于所述第二频率的第四频率；
其中，所述判定输出信号表示所述对象的位置和转速中的至少一个。
10.权利要求1所述的传感器系统用于确定对象的位置或转速的用途。
11.一种用于确定对象的位置或转速的方法，所述方法包括以下步骤：
由编码器单元生成编码的磁场，所述编码的磁场具有第一交变频率；
由第一传感器单元测量所述编码的磁场；
由所述第一传感器单元基于所测量的编码的磁场来生成第一输出信号，所述第一输出信号具有高于所述第一频率的第二频率。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
由判定单元基于来自第一传感器单元的第一输出信号来生成判定输出信号；
其中，所述判定输出信号表示所述对象的位置和转速中的至少一个，以及
其中，所述判定输出信号具有等于或高于所述第二频率的第三频率。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
由所述传感器系统基于来自第一传感器单元的第一输出信号以及来自第二传感器单元的第二输出信号来生成判定输出信号；
其中，所述判定输出信号具有高于所述第二频率的第四频率；
其中，所述判定输出信号表示所述对象的位置和转速中的至少一个。
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