CN101707879A - 角位置传感器 - Google Patents

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Abstract

一种角位置传感器(24)和依赖于绕公共轴(22)设置的霍尔传感器的固定圆形阵列(18)和磁体的可旋转圆形阵列(16)的方法。所有霍尔传感器输出的周期性且同时的读数被用来确定角速度。

Description

角位置传感器
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年6月6日提交的美国临时申请No.60/933,340的优先权，该申请的全部内容通过参考合并于此。
技术领域
本发明一般地涉及角位置传感器，并且更具体地，涉及能够在非常恶劣的环境中进行非常精确的角位置确定的传感器。
背景技术
在许多应用中，精确地确定一个组件相对另一个组件的角位置是至关重要的。而且，精确地确定角位置允许精确计算角速度和加速度，这对于例如有效操作高性能防锁或防滑刹车系统是至关重要的。刹车系统的组件可能遭遇到相当极端的条件，包括高温、震动和冲击荷载，以及水和灰尘污染。这样的条件在飞行器应用中被进一步放大。
某些先前已知的飞行器防滑系统依赖传动轴使相对脆弱的传感器远离刹车和车轮附近存在的苛刻条件。虽然这样的配置允许使用可靠和精确的感应器生成所需的车轮速度数据，但这类系统的重量、体积和复杂度是不利的。依靠低频RF信号生成车轮位置和速度数据的系统已经使用。以前也已经提出使用霍尔(Hall)传感器，但所考虑的配置使传感器特别易受热损伤并要求过多数目的磁体和传感器以实现所需精度。
需要一种角位置传感器，其能够生成极其精确的位置数据以便用在例如角速度和/或加速度计算中。而且，所述传感器需要能够在极其恶劣的环境中可靠地发挥功能。
发明内容
本发明克服了现有角位置传感器固有缺点从而在极其恶劣的环境中提供高度精确的位置数据。该装置具有鲁棒性且不要求直接耦合在旋转组件之间。同样地，该装置特别适合在飞行器应用中生成车轮速度数据。
根据本发明的装置通常包括设置在阵列中的多个永磁体，该阵列连接到旋转组件。固定的霍尔传感器阵列被设置为与多个永磁体相邻并分隔。优选地，霍尔传感器的数目多于磁体的数目。每个霍尔传感器生成指示其与磁体接近度的模拟信号。通过同时采样每个霍尔传感器生成的信号，可计算磁体阵列相对于传感器阵列的角位置的极其精确的确定。
本发明的这些和其他优点从下面优选实施例的详细说明并且结合附图将变得显而易见，所述附图通过示例的方式说明了本发明的原理。
附图说明
图1是根据本发明的角位置传感器的示意图；
图2是目标盘的示意图；以及
图3是传感器板的示意图。
具体实施方式
本发明涉及角位置传感器，其可易于适用在例如车轮上，并且用来控制这种车轮的防锁或防滑刹车系统。系统12非常概括和示意地显示在图1中，其中车轮14具有与其关联以便一致旋转的目标盘16，同时固定传感器板18被固定到不旋转的轴20或其他支撑元件。在当前优选实施例中，圆形目标盘和圆形传感器板以公共轴22为圆心并由较小的气隙24分离。一个或多个处理器26将由传感器板生成的数据转换为可用输出，例如角位置、旋转速率或车轮速度。
在图2示意性示出的优选实施例中，目标盘16总共具有18个磁体位置30，这些磁体位置绕盘周边以20度的角度增量等间隔分布，其中16个这类位置由设置为南-北极交替的序列的磁体32占据。两个磁体位置30a和30b未被占用并且相对于彼此180度设置。
图2示意性示出了总共支撑72个霍尔效应感测元件34的传感器板18，这些感测元件绕传感器板周边以5度的角度增量等间隔分布。每个霍尔传感器生成与其经受的磁场强度成比例的模拟信号。目标盘和传感器板被定位成使得其间保持约0.5英寸的气隙24。
周期性地进行同时读取全部72个霍尔传感器并且基于算法将该数据转换为传感器板和目标板以及因此和车轮之间的相对旋转角度。已知时间间隔的两个这种读数将得出该间隔内平均车轮速度。对于每秒200个完整的速度读数，标称时间间隔是5毫秒。
霍尔传感器输出0到5伏的电压，该电压与每个霍尔传感器位置的磁场强度成比例。2.5伏信号是空值或无磁场。接近5伏的较高电平是南极场，并且接近0伏的电平是北极场。磁体强度和霍尔传感器间隙被设置成使得永远不会达到5伏或0伏(无传感器饱和)。
可位于传感器板上或可不位于传感器板上的处理器具有电路，该电路在准确的时刻冻结所有霍尔传感器的电压瞬时值并保持这些值直到每个电压都可转换为数字值。这产生在霍尔传感器被冻结的时刻提取的霍尔电压数据集或“快照”。在这种小于1毫秒的转换后，霍尔电路被允许再次跟踪霍尔传感器的输出并准备好下次采样。来自霍尔传感器的数据是在0和4096计数之间的12位未赋值数字，4096相应于5伏，空值是标称计数2048。
霍尔传感器的输出需要被归一化，因为每个霍尔传感器具有随机增益并且不同装置间会有几个百分点的DC补偿方差.用于这类归一化的算法对磁体环中的不均等磁体具有非常大的容差，但对霍尔传感器的不同增益不具有容差.归一化的目标是动态地发现每个独立的霍尔传感器的增益和补偿，以便校正因数可维持在软件中从而建立等效的霍尔装置匹配集合.该归一化过程也自动考虑硬件多路复用器、运算放大器和模数转换器中的任何偏差或差值.对于无磁场，霍尔传感器产生2.5伏输出，对于南极场，产生接近5伏的较高电压，并且对于北极场，产生接近0伏的较低电压.输出是与磁场成比例的线性电压.磁体和机械间隙的尺寸被设计为使得传感器不会饱和(即，输出永不会达到0或5伏).从软件看，模数转换器(ADC)计数为0是全北极场，计数为2048是零场，而计数为4096是全南极场.实际操作中，场强永不会超过全标度的1/2到2/3.对于72个霍尔传感器中的每个传感器，软件存储器中保存了所有霍尔电压值的运行平均值.这种计数值的平均电压等于霍尔传感器标称的DC补偿电压.该平均值将在一定程度上受到所使用的特定磁体环中磁体的影响.如果给定环中使用的南极磁体比北极磁体强，则随着环旋转的计数平均值将高于2048计数，但因为所有磁体旋转通过所有72个霍尔传感器，所以目的是使传感器相互匹配，而非设定传感器的真实电压输出相对高斯的关系.一旦霍尔传感器的这种平均“零”点关于特定磁体环确定，则所有新样点被用来更新该平均值.此外，通过与霍尔特定平均值的简单比较，每个新霍尔值被分类为“南极”值或“北极”值.例如，如果霍尔特定“零”值为2050计数并且新计数为2051，则其为“南极”值.如果新计数为2049，则其为“北极”值.然后南极值和北极值被平均到各自的运行平均值中.结果，对于72个霍尔传感器中的每个传感器，三个运行平均值被保持：南极平均值、空值和北极平均值.代替实际平均值，这些值被实际馈送到具有可调整的时间常数的简单软件一阶滤波器中.这些滤波器的输出被使用以使得空滤波器输出是霍尔特定的DC补偿值.南极滤波器减北极滤波器是相对霍尔特定增益.所有霍尔特定DC补偿相加并求平均.这是给定霍尔数据板和磁体环组合的整个系统DC补偿平均值.所有霍尔特定增益均被类似地求均值从而给出系统增益平均值.每个特定霍尔补偿与平均值比较，从而得到所述霍尔传感器的补偿归一化因数.进行同样的操作以得到该霍尔传感器的增益归一化因数.然后这些增益和补偿归一化因数被应用于所有原始霍尔数据，从而在该数据被馈送给确定车轮角位置的傅立叶(Fourier)算法之前，归一化各霍尔传感器.仅原始霍尔值被用于输入以归一化滤波器.
实际上，由于没有车轮运动就不能进行该归一化，因此归一化滤波器具有低速截止，并且实际上，如果试图在低速时进行归一化，则滤波器将产生大的增益和补偿误差。在当前优选实施例中，归一化滤波器积分在6节(knot)以下暂停，将输出值保持为其最后值。滤波器输出值将周期性地存储在非易失性存储器(NVM)中，以便在系统上电而无车轮旋转速度时，所有霍尔传感器将具有基线归一化。一阶滤波器具有约30秒的时间常数(可调整为最佳性能)，且由于空滤波器的积分速率是北极滤波器或南极滤波器的积分速率的两倍，因此空滤波器具有的TC是北极滤波器或南极滤波器的TC的两倍。该归一化用于使系统的精确的速度精度提升为原精度的近三倍。
之后简单的傅立叶方法被用来发现车轮上的旋转磁体目标和非旋转霍尔传感器板之间的旋转角。连接到旋转车轮的目标盘上的永磁体以南北极交替的模式设置，从而模拟如从固定点(即霍尔传感器)看到的大致正弦波磁性模式。具有18个磁体位置，因此磁性正弦波模式在一个360度的车轮旋转中具有9个完整的正弦波。该磁性模式在绕磁体环的72个点处由霍尔传感器采样。这类似于在每个重复的波形周期中在72个时间增量点处采样的周期性时间函数。72个磁性样点集合中的每个值都乘以真实的正弦函数值并求和。以余弦函数重复该过程。两个求和相除从而获得正切函数项。与参考正弦和余弦波形相比，该函数项的反正切是测试波形的相角(磁体环模式)。除了仅感兴趣基频的相位外，这与正弦/余弦傅立叶变换相同。由磁体产生的所述模式的非正弦类变化可当做基频的较高阶谐波并且不参与计算。这使得该方法对由离散磁体产生的不理想的正弦波模式具有高容差。
该算法的示例性的伪码(pseudo code)如下：
对于给定霍尔传感器采样空间(一个霍尔传感器板获取)，我们有Hall(n)，对于n＝1到72
对于正弦和余弦参考波形，由于围绕所述板具有72个霍尔传感器并且磁性模式在每转中重复9次，因此具有72/9或8个正弦样点.这8个样点仅具有3个固定的+/-值，并且分别是：0，1/SQR(2)和1Sin(1)＝0    Cos(1)＝1Sin(2)＝0.707    Cos(1)＝0.707Sin(3)＝1    Cos(1)＝0Sin(4)＝0.707    Cos(1)＝-0.707Sin(5)＝0    Cos(1)＝-1Sin(6)＝-0.707   Cos(1)＝-0.707Sin(7)＝-1    Cos(1)＝0Sin(8)＝-0.707   Cos(1)＝0.707SinSum＝0CosSum＝0Do for m＝1 to 9Do for n＝1 to 8SinSum＝SinSum+Sin(n)×Hall[n+(m-1)×8]CosSum＝CosSum+Cos(n)×Hall[n+(m-1)×8]end Do nend Do mFlip＝1If CosSum＝0Then：Ratio＝0Flip＝-1end ThenElse：Ratio＝SinSum/CosSumIf Absolute value(Ratio)＞1Then：Flip＝-1Ratio＝CosSum/SinSumend Thenend ElseIfFlip＝-1 and SinSum＜0 then：Quadrant＝0IfFlip＝1 and CosSum＜0 then：Quadrant＝1IfFlip＝-1 and SinSum＞0 then：Quadrant＝2IfFlip＝1 and CosSum＞0 then：Quadrant＝3W_Angle＝-Flip×Arctan[Ratio]Inter_Angle＝90×Quadrant+W_Angle
因为这将在每转中重复9次，所以最终值仅包括中间角计算，且不能直接确定车轮位置的单个0到360度输出。因此，两个磁体位置中均无磁体的事实允许9个扇区中的特定扇区被识别。已经发现，这两个磁体的删除对傅立叶相角结果的精度的影响可忽略。
这种算法的目的是发现车轮当前处于旋转的9个扇区中的哪个扇区中。这是必须的，因为每转中霍尔磁性模式重复9次，并且期望0到360度的输出。使用加入到以40度增量间隔的扇区或“组”数中的0到40度的傅立叶输出为每个样点给出真实的0到360度结果，而没有来自前面样点的历史。所述方法利用18个磁体中的两个磁体在磁体环中缺失分隔180度的事实。这两个孔通过这种算法检测，从而发现霍尔组数1到9。
每组具有8个霍尔传感器的9组霍尔传感器相加到一起，从而得到从霍尔传感器#1开始依次升序的累加1到9n的组。组#1是霍尔传感器1到8的和。9个子组同样为具有8个霍尔传感器的各组与4个霍尔补偿的求和，因此子组1是霍尔传感器5到12的和。
因为交替的磁体极性和霍尔传感器间隔，每组的和将趋于平均到2048计数的空磁性值或霍尔传感器标称输出的1/2。如果缺失磁体在被求和的8个霍尔传感器的组中，则该和对于缺失的北极磁体明显较大并且明显小于缺失南极磁体的所述空值。这种方法为最大的鲁棒性和噪声抑制同时寻找北极和南极缺失磁体。
由于奇数组(9)，如果一个缺失磁体在组1的中部，则另一个相差180度的缺失磁体将精确在组5和组6之间，但该第二缺失磁体将恰在子组5的中部，这是由于求和中的4个霍尔补偿。为了解决边界条件，当缺失磁体靠近两个组的边缘时，傅立叶计算中的“quadrant(象限)”变量在组检测逻辑中被再次使用。之后具有各组和的9个求和结果1-9以及各子组和的9个求和1-9。
之后这些结果以下面的方式相减：对于象限2或3中的角度结果：Result(x)＝Group(x)-Subgroup(x+4)对于象限1或4中的角度：Result(x)＝Subgroup(x)-Group(x+5)之后最终组数是正的最大结果数最后，如果Quadrant＝4，则组(Group)加1。这种算法是通过下面的伪码描述的：归一化霍尔电压计数(0-4096)等于HallNorm(1-72)Do for m＝1to 9Do for n＝1 to 8Groupsum(m)＝Groupsum(m)+HallNorm(n+(8×([m-1]))end DO nend DO m上面的算法产生9组的和之后子组是：Do for m＝1 to 9Do for n＝1 to 8If(n+(8×[m-1])+4)＞72Then：Over＝72Else：Over＝0SubGroupsum(m)＝SubGroupsum(m)+HallNorm(n+(8×[m-1])+4-Over)End DO nEnd DO m“If”语句是因为圆板上的霍尔传感器#72后的下一个霍尔传感器是霍尔传感器#1Case：Quadrant is 2 or 3：GroupMax＝0Do n＝1 to 9m＝n+4If m＞9Then：m＝m-9Result(n)＝Group(n)-SubGroup(m)If Result(n)＞GroupMaxThen：Group Number＝nGroupMax＝Result(n)End ThenEnd DO nGroup＝Group NumberEnd CaseCase：Quadrant is 1 or 4：Do n＝1 to 9m＝n+5If m＞9Then：m＝m-9Result(n)＝SubGroup(n)-Group(m)If Result(n)＞GroupMaxThen：Group Number＝nGroupMax＝Result(n)End ThenEnd DO nIf Quadrant＝4 then：Group＝Group NumberIf Quadrant＝1 then：Group＝Group Number+1If Group＝10 then Group＝1End Case项“Group”现在包含正确的组数1-9最终合成角位置：现在已知“Group”，在0-360度的最终合成车轮角度是：Angle＝(40×Group)+(Inter_Angle/9)对于车轮速度：车轮速度是基于样点时间间隔之间的速度的简单平均，该车轮速度由下式给出：度/秒＝(角度(新)-角度(上一个))/(新角度和上一个角度间的时间差)英尺/秒＝(车轮/直径×PI×度/秒)/360
注意，反向速度是可检测的并显示为负速度。
所述角位置传感器允许非常精确的角度确定，且因此允许非常精确的角速度计算。这是对于防滑或防锁刹车系统中的应用特别期望的。所述装置的鲁棒特性使其特别适于飞行器应用。而且，本领域技术人员将认识到，虽然说明了霍尔装置和磁体的圆形结构，但霍尔装置阵列和磁体的其他结构在某些应用中也有优点。而且，本领域技术人员将认识到，虽然说明了霍尔装置和磁体的圆形结构，但霍尔装置和磁体阵列的其他结构在某些应用中也可具有优点。
虽然已经说明和图示了本发明的特殊形式，但本领域技术人员同样可以显然看出可以在不背离本发明精神和范围的情况下做出多种修改。因此，本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (18)

1.一种角位置传感器，其包括：
多个霍尔传感器的固定阵列，每个固定阵列具有半径并以轴为中心，其中每个霍尔传感器被配置为生成作为其与磁体接近度的函数的模拟信号；
多个磁体的可旋转阵列，该多个磁体的可旋转阵列以所述轴为中心并与所述传感器阵列分隔；
处理器，其用于将由所述霍尔传感器同时生成的信号关联到所述可旋转阵列相对所述固定阵列的角位置。
2.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述多个霍尔传感器多于所述多个磁体。
3.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述固定圆形阵列包括等距离间隔的霍尔传感器，该霍尔传感器具有与所述轴的中心线相等的距离，从而形成圆形阵列。
4.根据权利要求3所述的角位置传感器，其中所述固定圆形阵列包括18个等间隔的磁体位置，其中16个磁体位置中设置有磁体。
5.根据权利要求4所述的角位置传感器，其中所述18个磁体位置中的16个磁体位置中设置有磁体。
6.根据权利要求5所述的角位置传感器，其中所述磁体以交替的极性序列设置。
7.根据权利要求4所述的角位置传感器，其中两个磁体位置中无磁体并且相互间隔180°。
8.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述霍尔传感器被归一化以便给定的磁场强度使得所有霍尔传感器生成基本相同的模拟信号。
9.根据权利要求1所述的角位置传感器，其中所述角位置被周期性确定以得到角速度。
10.根据权利要求9所述的角位置传感器，其中所述可旋转阵列被固定到车轮，所述固定阵列被固定到邻近所述车轮的非旋转元件，且被确定的所述角速度用于防滑。
11.一种确定角位置的方法，其包括：
提供多个霍尔传感器的固定阵列，每个固定阵列具有半径并以轴为中心，其中每个霍尔传感器被配置为生成作为其与磁体接近度的函数的模拟信号；
提供多个磁体的可旋转阵列，该多个磁体的可旋转阵列具有基本相同的所述半径，以所述轴为中心，并且与所述传感器阵列间隔；
将由所述霍尔传感器同时生成的所述模拟信号关联到所述可旋转阵列相对所述固定阵列的角位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个霍尔传感器多于所述多个磁体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述固定阵列包括72个霍尔传感器，且所述可旋转阵列包括18个磁体位置，其中16个磁体位置由极性交替的序列中的磁体占据并且间隔180°的另2个磁体位置中无磁体。
14.根据权利要求11所述的方法，其中傅立叶变换依赖于将所述同时生成的信号与角位置关联。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括归一化所述霍尔传感器，其中由所述多个霍尔传感器中的每个霍尔传感器生成的所述信号被调整从而使由每个霍尔传感器在邻近所述多个磁体中的每个磁体时生成的平均信号等于由所述多个霍尔传感器中其他所有霍尔传感器在邻近所述多个磁体中的每个磁体时生成的平均信号.
16.根据权利要求13所述的方法，其中无磁体的所述磁体位置依赖于所述可旋转阵列相对于所述固定阵列的取向。
17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括通过周期性采样由所述霍尔传感器同时生成的所述信号来确定所述可旋转阵列相对于所述固定阵列的角速度。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述采样每5毫秒发生一次。
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