CN102549386B - 用于分析角度传感器的信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分析角度传感器的信号的方法，该角度传感器具有：至少两个限定一个平面的传感器元件；和一个用于场变化的、与该平面间隔开并且能旋转的元件，本发明还涉及一种根据该方法控制的无刷电动机。为了提供对具有至少两个传感器元件的角度传感器的信号进行分析的方法，即利用形成全圆的传感器元件产生高分辨率的测量结果，传感器元件检测该平面中存在的场的彼此线性独立的至少一个第一和第二矢量，其中还另外检测另一变量，其取决于该平面和能旋转的元件之间的间距，并且其中利用该另一变量的值来控制第一和第二传感器元件的信号的振幅。

Description

用于分析角度传感器的信号的方法
技术领域
本发明涉及一种用于分析角度传感器的信号的方法，该角度传感器具有：至少两个限定一个平面的传感器元件；和一个用于场变化的、与该平面间隔开并且能旋转的元件，本发明还涉及一种根据该方法控制的无刷电动机。
背景技术
在多个技术领域内都需要角度传感器。特别是在汽车工业中，需要角度传感器用于识别例如调节阀和节流阀的位置、可变凸轮轴控制装置的位置、几何形状可变涡轮的位置或者电气转向装置的驱动电动机的位置。对于无刷电动机而言，为了整流驱动电动机的交流电，首先在无刷电动机以高动力工作时，即在不同的转速范围内被驱动时，也就因此从极低的转速到高转速并且也应用了反行程时，需要旋转式角度传感器。在这种情况下，对于电动机的每个运行状态，都需要精确并准确地检测电动机的转子的旋转角度，以便可以利用相应整流的交流电来驱动无刷电动机。
对于角度传感器而言，已知了不同的测量原理。对于一系列的测量原理而言，要追溯到与转子共同旋转的磁场，其位置由磁场敏感的传感器分析。在各向异性磁阻效应(AMR传感器)的技术基础上，可以利用磁场传感器得到极好的测量结果。然而，这些AMR传感器也具有缺点，即它们只能清楚地(eindeutig)显示半全圆，即180°。在180°后，基于AMR角度传感器的工作原理，信号重复，以致无法在全圆内将测量信号清楚地分配给转子的位置。
例如可以利用所谓的2D霍尔元件、GMR霍尔测量元件(巨磁阻效应)和TMR测量元件(穿隧磁阻效应)以及感应式传感器实现全圆测量。然而，这些360°清楚解析的传感器型号2D霍尔、GMR、TMR和感应式的传感器的测量信号对于从用于场变化的能旋转的元件到其中布置有测量元件的平面之间的间距有很强的依赖性。由此，引起该间距变化的外部影响会导致这些2D霍尔传感器元件、GMR、TMR和感应式传感器元件的测量结果和高错误叠加，而这一错误会导致极差的测量结果。这些外部效应是例如在将角度传感器装入系统中时的所有公差的总和、改变间距的温度影响和/或在其中布置了角度传感器的总系统的振动。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种方法，用于分析具有至少两个传感器元件的角度传感器的信号，即借助形成全圆的传感器元件(例如2D霍尔传感器元件、GMR、TMR和感应式传感器元件)产生高分辨率的测量结果。
通过以下方式，即传感器元件检测该平面中存在的场的彼此线性独立的至少一个第一和第二矢量，其中还检测另一变量，该另一变量取决于平面和能旋转的元件之间的间距，并且其中，利用另一变量的值来控制第一和第二传感器元件的信号的振幅，由此，在角度传感器的整个运行中，可以调整第一和第二传感器元件的信号，使其匹配于该平面和能旋转的元件之间的间距的变化。由此，第一和第二传感器元件的信号被按照该平面和能旋转的元件之间的间距标准化。在标准化之后，第一和第二传感器元件也就发送正弦信号和余弦信号，其仅仅取决于能旋转的元件的旋转角度，并且其在其振幅内，尽可能地不取决于该平面和能旋转的元件之间的间距。如果平面和能旋转的元件之间的间距过小，则可避免模拟数字转换器的过调制，并由此避免削减正弦信号和余弦信号。
在该方法的一个改进方案中，由第三矢量检测到的场的值通过低通滤波器清除关于平面和能旋转的元件之间的间距的快速变化的信息。快速变化由例如无刷电动机的轴承间隙、振动和/或无刷电动机的转子的急速的旋转方向改变引起。这些信息被通过低通滤波器从第三矢量的信号中滤除。在低通滤波器之后，在第三矢量的信号中，只有关于平面和能旋转的元件之间的间距的缓慢变化的信息。它们是例如所有机械安装公差的总和和/或由温度引起的、平面和能旋转的元件之间的间距变化、传感器元件和/或其分析线路的灵敏度变化，以及由能旋转的元件引起的场强的变化。
在本发明的一个实施方式中，能旋转的元件是磁体、线圈、磁轭或者金属板。利用这种元件，可以极简单地通过无刷电动机的转子来旋转磁场，以便检测无刷电动机的转子的旋转角度。为此，传感器元件设计成磁场敏感的。当磁场敏感的传感器元件设计成巨磁阻传感器元件(GMR)、穿隧磁阻传感器元件(TMR)或者霍尔传感器元件时，该方案很有利，因为这些传感器元件能清楚地检测到磁场的完全旋转。
在本发明的一个实施方式中，传感器元件接收电磁场，其中，传感器元件设计成感应式传感器元件。即便借助感应式传感器元件，也可以清楚检测转子旋转的全圆。
在一个改进方案中，从彼此线性独立的第一和第二矢量的信号中生成正弦信号和余弦信号。这以有利的方式在CORDIC算法(坐标旋转数字计算机(COordinateRotationDigitalComputer))中实现。
在下一个改进方案中，矢量的模拟信号通过模拟数字转换器进行数字化。通过以下方式，即第一和第二线性独立矢量的信号由平面和能旋转元件之间的间距的信号进行标准化，使得模拟数字转换器的最高分辨率始终可用，而不会存在以下危险，即由于模拟数字转换器的过调制，而削减第一和第二线性独立矢量的信号，或者不会将过小振幅的信号发送至模拟数字转换器。
附图说明
本发明还有多种实施方式。为了进一步阐述本发明，其中的多种实施方式显示在附图中，并在下文中进行说明。
图中示出：
图1示出带有转子的角度传感器，在其上布置有用于场变化的能旋转的元件；
图2示出在恒定间距的情况下，第一传感器元件和第二传感器元件的输出信号；
图2a示出在不同间距的情况下，第一传感器元件或第二传感器元件的输出信号；
图3示出角度传感器，其基于第一传感器元件和第二传感器元件中的场的电磁感应原理；
图4示出3D霍尔元件；
图5示出用于分析具有三维霍尔元件的角度传感器的信号的方法；
图6示出用于分析具有二维霍尔元件的角度传感器的信号的方法；
图7示出用于分析具有感应式传感器元件的角度传感器的信号的方法；
图8示出可能的总系统的图示。
具体实施方式
图1示出角度传感器8，具有例如无刷电动机的转子2，在其上布置有能旋转的元件3，用于场的波动。能旋转的元件3在此设计为偶极磁体，其中北极N和南极S被标出。根据转子2相对于无刷电动机的旋转角度α，在角度传感器8的传感器芯片9中，会通过感应引起场强的第一线性独立矢量15(第一线性独立矢量在此标记为HX)以及场强的第二线性独立矢量16(第二线性独立矢量在此标记为HY)。这些矢量15，16例如由一个磁场产生，并且极其强烈地取决于旋转角度α以及与此相关的、能旋转的元件3的位置。在此设计成垂直霍尔元件的第一传感器元件4以及同样设计成传感器芯片9中的垂直霍尔元件的第二传感器元件5检测第一线性独立磁场矢量15和第二线性独立磁场矢量16的分量。线性独立磁场矢量15和16的值特别强烈地取决于布置有第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面与用于磁场变化的能旋转的元件3在其中旋转的平面之间的间距d。如果能旋转的元件3到其上布置有第一传感器元件4和第二传感器元件5的传感器芯片9的间距d变小，则在传感器元件4，5内生成较高的霍尔电压；而如果能旋转的元件3和传感器芯片9之间的间距d变大，则在第一传感器元件4和第二传感器元件5中生成显著更低的霍尔电压。因此，第一传感器元件4和第二传感器元件5的不受控制的输出信号对于其它信号处理装置来说，部分地不可用，因为他们要么过小，以至于例如无法利用模拟数字转换器的全部的分辨率，要么太大，以至于例如模拟数字转换器被过调制，其中部分信号被切断。这一情况接下来在图2a中进一步显示。
图2示出在能旋转的元件3和传感器芯片9之间的间距d恒定时，第一传感器元件4和第二传感器元件5的正弦形和余弦形输出信号，而芯片9形成一个平面，在该平面中布置有第一传感器元件4和第二传感器元件5。在图2中可识别到更整齐的霍尔电压UHall的正弦和余弦曲线，其实现-180°到+180°之间的旋转角度α的清楚的分辨率，由此，可以完整并清楚地检测由在此给出的角度传感器8产生的全圆。
图2a示出在能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d，d1，d2不同时，第一传感器元件4或者第二传感器元件5的输出信号。用d在此标记能旋转的元件3与第一传感器元件和第二传感器元件5的平面之间的最佳间距，d1标记小于最佳间距的间距，并且d2标记大于最佳间距的间距。为了简单起见，在图2a中只显示第一传感器元件4的信号的正弦曲线，其中，第二传感器元件5的信号的余弦曲线可能与此类似。对于能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的最佳间距d，产生了已知的正弦函数，其在图2a中用参考标号d标识。如果现在增大在能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距，则产生显著更扁平的正弦函数，其在此在图2a中用参考标号d2标识。因为针对由角度传感器8发送的信号所进行的分析通常通过模拟数字转换器实现，所以，在此由于极扁平的正弦曲线，可能导致模拟数字转换器的大片动态范围保持不可用，并由此导致测量结果变差，因为通过小范围的数字数值，也可以达到低分辨率。如果能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d1明显降低，则产生在图2a中用d1标识的情况。在此，因为后面的模拟数字转换器被过调制，所以要识别的正弦信号在极限电压Ug的情况下被切断，由此在广阔的旋转角度范围内，完全无法再达到转子2的旋转角度的分辨率。能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距，不管是增大的间距d2还是减小的间距d1，都会导致极差的测量结果，其在角度传感器8的汽车技术应用范畴内是不能接受的。
图3示出角度传感器8，其基于第一传感器元件4和第二传感器元件5中的磁场的电磁感应的原理。传感器元件4，5设计成例如电路板9上的线圈装置。能旋转的元件3在此设计为用于使电磁场变化，并与在此未显示的无刷电动机1的转子2相连。在能旋转的元件3旋转时，会检测第一传感器元件4和第二传感器元件5的电磁场，这两个元件在此设计成传感器电路板9上的线圈对。在传感器电路板9上的集成电路21中设有用于第一传感器元件4和第二传感器元件5的信号的分析电子装置。该分析电子装置由放大器10、受控制的放大器11(其也称为运算放大器)、低通滤波器12、高通滤波器13和逆变器14组成。
图4示出原则上由图1已知的2D霍尔元件的结构，其以三维方式扩展成3D霍尔元件。在传感器芯片9上设有第一传感器元件4和第二传感器元件5，其与传感器芯片9形成一个平面，在该平面中测量由用于磁场变化的元件3通过感应引起的磁场。用于磁场变化的元件3在此设计成具有北极N和南极S的永磁体。除此之外，还设有第三传感器元件6，在此示出的传感器芯片9由此被扩展成所谓的三维霍尔元件(3D霍尔元件)。除此之外，在传感器芯片9中还集成了温度传感器元件7。该温度传感器元件7测量角度传感器8内的主导的温度。在角度传感器元件8中，特别是在传感器元件4，5和6中的温度变化可能会导致由传感器元件4，5和6生成的信号的显著变化。
在接下来的图中进一步阐述用于分析角度传感器8的信号的方法，该角度传感器8具有至少两个限定一个平面的传感器元件4和5，并且具有用于场变化的、与该平面间隔开并且能旋转的元件3。
在图5中，传感器元件4和5检测该平面中存在的场Hx，Hy的彼此独立的至少一个第一和第二矢量15和16。另外，还检测一个相对于第一和第二矢量15和16线性独立的第三矢量17，该第三矢量代表场Hz在z方向上的值，其中，该值取决于该平面与能旋转的元件3之间的间距d，并且其中，利用该值来控制传感器元件4和5的信号的振幅。第一传感器元件4和第二传感器元件5在此布置在传感器芯片9的平面内。由第一传感器元件4和第二传感器元件5检测到的磁场矢量15和16被转换成相对于可控制的放大器11的电信号。该可控制的放大器11通常设计成运算放大器。因为如今，由第一传感器元件4和第二传感器元件5检测到的信号强烈取决于能旋转的元件3到传感器芯片9的平面的间距d，所以，由第三传感器元件6检测该间距d，而该第三传感器元件6在此测量磁场Hz的z分量。由第三传感器元件6检测到的信号通过第一放大器10和滤去高频信号的低通滤波器12，被引导至模拟逆变器14，由此，用于可控制的放大器11的控制参数在此被提供，利用这些控制参数，根据能旋转的元件3和传感器芯片的平面之间的间距d，d1，d2，信号强度被传送至第一传感器元件4和第二传感器元件5。第一传感器元件4和第二传感器元件5的修正过的信号随即被提供给模拟数字转换器18，其由此可以始终在其分辨率和频带宽度的整个范围内进行工作，而不会在此过程中过调制。除此之外，对于该方法，角度传感器8内部的主导的温度T由温度传感器元件7进行检测。这一温度测量值同样可以通过放大器10，被引入第一传感器元件4和第二传感器元件5的信号的修正中。通过根据本发明所述的方法，可以在角度传感器8中进行间距波动和温度波动的完整修正，由此可以低成本地将形成全圆的角度传感器元件用于汽车应用的范畴内。此外，图5示出高通滤波器13。所显示的是可用信号。根据第三传感器元件6的信号，可以在放大10和高通滤波13后，确定能旋转的元件3和传感器芯片9之间的快速间距变化。这一快速间距变化会发出提示，例如提示无刷电动机1内的转子2的轴承损坏。第三传感器元件6的信号的低通滤波12生成信号，指示能旋转的元件3和传感器芯片9的平面之间的缓慢间距变化d。这一缓慢间距变化可以由例如总系统的温度膨胀触发。
图6示出本发明的另一实施方式。在此，根据由传感器元件4和5检测到的彼此线性独立的第一和第二矢量15和16，推导得出取决于间距d，d1，d2的另一变量17。对此，例如在计算线路19中，通过勾股定理，形成第一和第二线性独立矢量15和16的合成值。单个线性独立矢量15，16的值作为正弦信号和余弦信号按照时间显示，其在能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d1较小时比较大，并随着间距增大而变小。由此，计算线路19可以发送一个尽可能不取决于角度的信息，而该信息有关于能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d。
图7示出本发明的下一个实施方式。另一个取决于能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d的变量17在此根据供电电流20推导得出，而该供电电流用于驱动感应式传感器元件4，5。为了实施该感应式测量方法，会生成一个电磁交变场，以此在能旋转的元件3中通过感应引起涡电流。该涡电流的值随着增小的间距d而上升并且随着增大的间距d而降低。在其作为正弦信号和余弦信号的时间显示内，线性独立矢量15，16的值同样随着间距d1变小而增大并且随着间距d2增大而降低。计算线路19以此也可以发送一个尽可能不取决于角度的信息，而该信息有关于能旋转的元件3与第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d。
在图8中示出可能的总系统。在此示出了具有转子2的无刷电动机1，其中，在转子2上布置有用于磁场变化的能旋转的元件3。根据旋转角度α，能旋转的元件3通过感应引起传感器芯片9内的特殊的磁场。该特殊的磁场由第一传感器元件4、第二传感器元件5和第三传感器元件6接收。能旋转的元件3和传感器芯片9之间的间距可以变化，其在此通过参考标号d2，d1和dc显示。能旋转的元件3和其中布置有第一传感器元件4和第二传感器元件5的平面之间的间距d的这种变化通过磁场分量Hz，由第三传感器元件6检测。由此，第三传感器元件6发送一个修正值HZ，其通过第一放大器10、低通滤波器12以及逆变器14，被引导到可控制的放大器11。
磁场值HY和HZ由第一传感器元件4和第二传感器元件5检测，由此，第一传感器元件4检测第一线性独立矢量15，并且第二传感器元件5检测第二线性独立矢量16。根据这两个线性独立矢量的组合，可以通过Kordigalgorythmus算法明确推断出角度α。能旋转d元件3和传感器芯片9之间的间距依赖性在可控制的放大器11中进行修正，由此，利用在此示出的角度传感器8，可以实现360°全圆的清楚的和测量技术上的高分辨率。

Claims (16)

1.一种用于分析角度传感器(8)的信号的方法，所述角度传感器具有：限定一个平面的至少一个第一传感器元件(4)和至少一个第二传感器元件(5)；和一个用于场变化的、与所述平面间隔开并且能旋转的元件(3)，其中，所述第一传感器元件(4)和所述第二传感器元件(5)检测所述平面中存在的场的彼此线性独立的至少一个第一矢量(15)和第二矢量(16)，并且其中，还检测另一变量(17)，所述另一变量取决于所述平面和所述能旋转的元件(3)之间的间距，并且其中，利用所述另一变量(17)的绝对值来控制所述第一传感器元件(4)和所述第二传感器元件(5)的信号的振幅，所述另一变量(17)从相对于所述第一矢量(15)和所述第二矢量(16)线性独立的第三矢量中推导得出，所述第三矢量代表场在z方向上的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一变量(17)的所述值用于诊断在所述平面和所述能旋转的元件(3)之间的错误间距。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述另一变量(17)的所述值通过低通滤波器(12)清除关于所述平面和所述能旋转的元件(3)之间的间距(d)的快速变化的信息。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述能旋转的元件(3)是磁体、线圈、磁轭或者金属板。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件设计成磁场敏感的。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件设计成巨磁阻传感器元件(GMR)、穿隧磁阻传感器元件(TMR)或者霍尔传感器元件。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件接收电磁场。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件设计成感应式传感器元件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述感应式传感器元件设计成线圈。
10.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述角度传感器(8)清楚地检测到全圆。
11.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，从彼此线性独立的所述第一矢量(15)和所述第二矢量(16)的信号中生成正弦信号和余弦信号。
12.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一矢量(15)和所述第二矢量(16)的模拟信号通过模拟数字转换器(18)进行数字化。
13.一种无刷电动机(1)，根据权利要求1至12中任一项所述的方法进行控制。
14.根据权利要求13所述的无刷电动机(1)，其特征在于，能旋转的元件(3)居中地布置在所述无刷电动机(1)的转子轴(2)上。
15.根据权利要求13或14所述的无刷电动机(1)，其特征在于，所述第三矢量的由高通滤波器(13)过滤的值用于诊断所述无刷电动机(1)的有故障的转子轴承。
16.根据权利要求13或14所述的无刷电动机(1)，其特征在于，所述第三矢量的由低通滤波器(12)过滤的值用于诊断在平面和所述能旋转的元件(3)之间的错误间距和/或有故障的能旋转的元件(3)。
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