CN102933970B - 包括科斯塔斯环的速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种速度传感器，包括至少一个传感器元件（1）和数字化所述传感器元件输出信号的模拟到数字转换器（2），还包括连接到所述模拟到数字转换器（2）的所述输出的科斯塔斯环单元（3，4，5）。

Description

包括科斯塔斯环的速度传感器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序的速度传感器以及所述传感器在机动车辆中的用途。

背景技术

在许多机器和系统的领域中所要求的旋转速度的测量在物理上等价于角速度的测量。一般地，通过环绕轴的圆周施加公知为“编码器”（例如，齿轮（gear））的周期图形（其通过安装在除轴之外的固定位置的传感器感测）测量轴的旋转速度。传感器能够区分齿和齿间隙（或者其它周期性改变的特性，例如，磁场方向或者光学透明度）。然后，传感器产生输出信号，其具有与感测的图形相同的周期性。

此类型的传感器根据存在的信号处理输出不同信号：存在通常直接由主传感器元件产生的近似正弦信号，或者通常由下游信号处理通过比较器产生的方波信号。正弦信号常常以正弦/余弦信号对出现，因为此组合具有包括关于检测方向的优点。该信号可以进行任意组合，以便存在高达四种输出（及其任意子集）：正弦、余弦、与正弦同相的方波、与余弦同相的方波。所有这些信号都是模拟频率信号，即频率在通过应用限定的间隔中连续变化。电输出信号是编码器的直接图像。因此，方波信号甚至不能被认为是“数字的”，因为离散振幅变化不包含来自传感器的离散信息。依赖于实施方式，还存在物理的基于传感器的过程产生处于编码器图形的两倍频率的信号的可能性。例如，对于特定的AMR传感器元件，便是该情况，其具有仅包括磁场（编码器）的180°旋转的电信号周期。

如果该描述的类型的传感器被用于测量装置或控制系统，那么其必须考虑描述的输出信号根本没有完成测量过程：然而大多数测量系统提供的输出信号被数字编码或者具有作为被测对象的直接测量的输出值，对于这里考虑的传感器，测量值必须首先从输出波形或者脉冲序列计算。因为经常需要通过计数从周期性信号获得的绝对测量，所以这应用到速度、角速度和旋转速度的测量以及还应用到角度测量。这里的正弦/余弦信号具有可以插值（interpolation）的优点，但却涉及更高程度的分析努力。

这里出现的技术被以相同的方式用于直线（linear）位置和速度测量，但却使用直线而不是环形编码器。

由频率测量的分辨率与计数值相关这一事实导致的频率测量的延迟引起了控制过程的问题。对于高分辨率测量，必须计数大量的脉冲。因为计数频率仅提供在测量区间中的频率的平均值，测量的带宽同样被限制。

具体地，当使用在一些应用中很普通的方波信号时，例如，在汽车中，精度受噪音限制。不像对其而言至少一些噪音远离正弦波的频带并由此可被过滤的正弦信号，方波信号没有提供用于分量的谱分离的机会。噪音本身以“抖动（jitter）”显示，其为通过相位噪音引起的时域中的脉冲边缘的位置中的随机波动。稳定的方波信号要求在传感器元件的主信号中的很高的信噪比。此比率的减小可以产生另外形式的误差、噪音引起的脉冲，即使信号的功率明显大于噪音的功率。

发明内容

因此，本发明的目标旨在提出一种获得相对高精度的频率测量和/或角度测量的速度传感器。

根据权利要求1中要求的速度传感器的发明获得此目标。

具体地，此速度传感器还减少噪音敏感度，以便可以使用具有较大噪音分量的信号而不出现误差。此改善不以带宽或延迟增加为代价。

优选地，科斯塔斯（Costas）环单元被理解为包括用于信号处理的科斯塔斯环的电子装置。

优选地，模拟到信号转换器是σ-δ（sigma-delta）调制器的形式。

优选地，科斯塔斯环单元被设计为至少提供频率输出信号或相位输出信号或者频率输出信号和相位输出信号，每一个都基于所述传感器元件输出信号。

优选地，提供比特（bit）流的模拟到数字转换器的所述输出在每一种情况下被连接到第一乘法器和第二乘法器，其中附加地所述第一乘法器和所述第二乘法器均被供给有来自时钟发生器单元的时钟信号，其中供给到所述第一乘法器和所述第二乘法器的所述时钟信号相位相互偏移90°，其中来自所述第一乘法器和所述第二乘法器的所述输出信号在每种情况下被供给到低通滤波器，所述低通滤波器的所述输出每一个都被提供给在所述输出侧连接到控制单元的公共相位检测器单元，所述控制单元（4）的所述输出连接到所述时钟发生器单元。具体地，所述科斯塔斯环单元包括或者形成上述优选电路。

优选所述时钟发生器单元的形式是数字控制的振荡器，还公知为“NCO”，“数控振荡器”或者“DCO”，其中所述时钟发生器单元提供所述频率输出信号和/或所述相位输出信号作为来自所述科斯塔斯环单元的输出信号。

优选，来自所述相位检测器单元的所述输出信号和来自所述时钟发生器单元的所述相位输出信号被求和，具体地，在加法器中，从而产生形成来自所述科斯塔斯环单元的输出信号的校正的相位信号，特别地，作为来自所述时钟发生器单元的所述相位输出信号的备选或附加。此求和或加法器可被理解为特别地指减法或者各自的减法电路。优选地，特别地在速度传感器的校正装置中发生此求和以及由此的校正的相位信号的形成。

优选地，所述速度传感器包括输出电路，向所述输出电路提供来自所述科斯塔斯环单元的频率信号和至少一个相位信号，特别地，来自所述时钟发生器单元的所述频率输出信号和来自所述时钟发生器单元的所述相位输出信号和/或所述校正的相位信号，其中所述输出电路包括用于经至少一个线路传输来自所述速度传感器的所述输出信号的至少一个驱动级并包括逻辑单元，其被用于从所述输出电路提供所述输出信号以便其具有限定的信号特性作为限定的接口（interface）。

优选地，所述逻辑单元被设计为可编程和/或可切换，以便来自所述输出电路以及由此来自所述速度传感器的所述输出信号被设计为适合于不同接口要求。在此情况下，逻辑单元包括，特别地地在相位寄存器的触发器和输出之间的简单连接线路，其中该触发器的状态变化时，即，相位超出了特定阈值时，所述驱动级都切换。在逻辑单元的优选的备选可切换设计或者附加可切换设计中，逻辑单元产生数据字，其中频率信息和/或相位信息的至少一个段被编码。

优选地，至少所述科斯塔斯环单元和输出电路是数字电路形式。

优选地，所述逻辑单元包括补偿装置，其包括，具体地在至少一个表中的补偿数据，所述补偿数据被用于补偿传感器元件检测的编码器误差、调制的磁场或者光学图形（pattern），和/或用于补偿温度效应，和/或用于调整或编程相位偏移，和/或可以用于补偿在所述传感器中的信号路径的延迟，为了该目的，从所述速度传感器的外部控制所述补偿装置和/或通过所述速度传感器内部地自动控制所述补偿装置。

特别地，根据本发明的速度传感器基于形成确定频率或角度时的范例移动的构思。用于整形来自主正弦信号（输入信号）的脉冲的电路，如技术上已公知的，被相位控制系统替代。控制测量电路中的振荡器到与输入信号的频率和相位相同。优选所述系统完全数字化执行，包括振荡器。这意味着被公知为数字控制的振荡器或NCO，也被称为相位累加器（phaseaccumulator）。这些振荡器具有，例如，数字寄存器，其中保持了频率和相位的瞬时值，以便直接作为二元值获得此信息用于进一步处理。这里作为在科斯塔斯环单元中的科斯塔斯环执行相位控制系统。此锁相环比常规锁相环具有更好的锁定（lock in）和更低的相位噪音。

因为每个控制系统都包含控制误差，所以必须假设在输入信号和NCO之间存在不期望的相位偏移，其在随时间变化。每个相位控制系统的此特性可以与本申请相关，因为这里等价于角度的相位是两个测量值的一个。依赖于本申请，这甚至可以是主要感兴趣的测量值。因此，有利地提出向科斯塔斯环单元添加用于改善相位的确定的装置或者换句话说校正装置。此校正装置要求使用特别的线性相位检测器。与仅提供关于一个输入信号是超前或者滞后的二元信息段的广泛使用的相位检测器不同，此类型的检测器输出与相位差成比例的信号（在数字实施方式的字长的范围内）。

优选地，校正装置在于通过求和相位检测器单元提供的相位差与时钟发生器单元的相位以便校正当前相位误差（=相位差）。

优选通过连接传感器元件和科斯塔斯环的σ-δ调制器产生到科斯塔斯环单元的输入信号。从传感器元件的电变量产生科斯塔斯环操作的比特流。

示范性实施例包括控制过程以及科斯塔斯环的元件的优选说明。

优选的有效解决方案涉及来自传感器元件的信号的窄带滤波，其中滤波器的中心频率被恒定调整到传感器元件的频率。从而，噪音被有效消除，实现了通过使用富有噪声的传感器信号能够测量频率和相位的目标。精度提高了，因为引起抖动的噪音被抑制。可以通过选择在科斯塔斯环单元的反馈路径中的低通滤波器的低通截止频率限定频率测量的带宽。这里的数字实施方式使得能够动态地使滤波器特性适应于要求。截止频率、滤波器阶数、系数：可以适应所有参数以适合应用和当前输入频率。对于可以被设计为简单的PID控制器的控制单元同样是适用的，但是不必须是这样的形式。特别地，控制器可以具有多个操作模式，其根据输入信号动态接管。用于操作模式或操作模式之间的改变的相关的原因或条件包括：

1、在系统启动或丢失锁定后即刻，以相位稳定性为代价增加NCO频率的改变速率的搜索模式。

2、特定的频率范围与频率的不同最大改变速率相关。

3、可以测量输入频率的幅度，并且可以针对小幅度来限制频率改变速率以避免丢失锁定。

根据本申请，提供误差标志是有利的，其通知较高级控制系统，例如电子控制单元ECU，锁定丢失或者存在不足的输入信号。

与直到现在所知的常规旋转速度或者角速度传感器相比完全不同的信号处理实施方式产生了新的示例性优选功能，其在常规系统设计中是不可能的或者只能在极大的难度下实现：

1．速度传感器的输出信号可以如通过输出电路而根据需要编程。如果假设输出处的脉冲序列意味着编码相位，那么脉冲输出可以针对在NCO中的相位寄存器的特定值而改变其值。由于该实施方式，这些值可以根据需要编程，这意味着脉冲的数目不再依赖编码器的周期数。具有围绕圆周的例如41个齿的编码器，每次旋转产生例如113个脉冲。每次旋转的脉冲数甚至不必是整数，如果这是用户希望的。

2．用户可编程性还应用于输出处的相位偏移。因此，特别地，优选新的传感器适合于模仿具有不同传输函数的现有传感器并且在适当的系统中用作替代部分或者备选产品。

3．在1和2之后，新传感器理想地适合被集成到现有系统，其中编码器被具有更好的仪器（instrumentation）特性的编码器替代但却不允许改变接收器一侧的电子设备。

4．直到现在，规定与编码器半径相关的每次旋转的脉冲数量同样意味着将周期长度固定到编码器圆周。因此，在实践中，依赖于应用，周期长度出现极大差异。一般地意味着受益于大量生产的规模效率的普遍可用传感器必须支持所有这些周期长度。然而，规定固定的周期长度对传感器元件具有仪器性（instrumentational）优点。使用新传感器这第一次被利用，因为可以针对用户规定的编码器的半径和每次旋转的脉冲数目来选择优选周期长度。从其获得每次旋转的周期数目，该每次旋转的周期主数目通过传感器的适宜编程而转换为要求的脉冲数目。

5．时间延迟的补偿：每个传感器系统都具有在测量值的激发和输出处的相关响应之间的时间延迟。如果时间延迟与要测量的频率的周期长度不成比例，那么这意味着对于角速度传感器在输出信号中存在依赖于频率的相位偏移。因为作为数字系统的新传感器不受参数容差或者参数漂移的影响，所以可以在设计阶段确定该关系，或者甚至，如果适用，之后通过测试确定，在此情况下在输入处同样使用模拟部分（传感器元件，调制器）。通过精确设计输出的切换中的依赖频率的移动以便不发生相位偏移，可以容易地获得补偿。联系2应该指出，不仅可以在延迟的方向上而且可以在提前的方向上产生移动。因此，可以将通过传感器的直观传播延迟设定为零（当然这没有消除因果关系：仅在静态下，即，在恒定频率处精确地出现设定到零）。

6.编码器误差的补偿：理想的编码器是精确周期性的，实际的编码器仅是近似的。各“周期”的长度差异导致频率中直观的重复变化。现在在很多应用中，存在以高度的恒定速度为特征的操作状态，例如，当驱动被关闭时。其中没有短期变化发生的恒定减速，那么仅出现摩擦结果。如果传感器注意到这样的操作状态，那么各周期长度可以保存在表中，该表随后可用于包含短期变化的操作模式以补偿编码器误差。

另外，本发明还涉及速度传感器在机动车辆中的用途，特别地，作为机轴速度传感器或者轮速度传感器或者作为在传动力系统部件中的旋转速度传感器，例如，在该情况下，作为齿轮速度传感器或涡轮增压器速度传感器，或者可选地优选线性，增量传感器。

另外，在从属权利要求和随后参考附图的示范性实施例的描述中给出了优选实施例。

参考标号列表

1传感器元件：物理换能器元件。将通过编码器调制的变量转换为电变量。

2模拟到数字转换器，例如σ-δ调制器的形式。

3时钟发生器单元，例如数控振荡器“NCO”的形式，示出为包含具有90°的相互相位偏移的两个输出“sin”和“cos”。

4控制单元或者控制器：通过其传输函数来限定从相位差到NCO频率变化的“转换”。

5相位检测单元或者相位检测器

6频率寄存器

7相位寄存器

8在用于产生脉冲作为速度传感器的输出信号的输出电路中的逻辑单元或者逻辑块

附图说明

通过图1到4示意性的示出了速度传感器的示范性实施例。图1示出了通过科斯塔斯环装置或者科斯塔斯环和传感器元件的用于频率测量的和相位测量的电路；图2示出了包括用于提高相位测量或者产生校正的相位信号的校正装置的解决方案。图3示出了作为NCO的示范性时钟发生器单元的设计。图4示出了用于产生通常输出脉冲的输出电路。

具体实施方式

在图1中，信号流始于传感器元件1。通常为电压的输出信号传输到σ-δ调制器2。调制器产生比特序列（“比特流”），包括与传感器信号成比例的一的密度。为了清楚目的，比特流用虚线表示。从调制器输出的信号施加到两个乘法器的输入（通过标准环形符号表示）并且每个乘法器的其它输入，作为时钟发生器单元，连接到NCO 3的输出。NCO的输出标记为“sin”和“cos”以示例在输出之间的90°相位偏移。因为比特流很复杂，所以乘法器仅为单个XOR门。他们产生两个另外的比特流，其作为频率而包含输入频率（即传感器元件的频率和NCO 3的频率）的和与差。两个下游低通滤波器，通过标准符号表示，仅从频率混合过滤出差。从而，低频信号从（高频）比特流产生但是具有明显大于1比特的字长，例如10比特。NCO输出的相位偏移意味着来自低通滤波器的输出信号同样相互具有90°的相位偏移。因此可以从这些信号确定角度。这就是相位检测单元5的任务。来自此单元的输出信号对应于输入和NCO之间的相位差。为此目的，相位检测单元作为实例用于计算在其输入上的四象限反正切。使用四象限反正切具有来自通常的区间[-π/2，π/2]到[-π，π]的双倍单值（uniqueness）区域的优点。在控制单元4中使用合适的传递函数并且，如果适用，合适的控制策略将相位差转换为控制NCO3的频率的信号。这封闭了控制环路。

电路的输出是NCO的频率f_NCO和相位可直接在NCO寄存器中获得这些值。

图2示出了对科斯塔斯环单元或者科斯塔斯环路的示范性添加。所述添加，虚线示出，是不同于图1的部分。相位取自NCO3的输出并且提供给加法器或者求和单元，在加法器或者求和单元的其他输入处具有来自相位检测器5的相位差。依赖于在具体实施的控制系统中使用的符号的和或差是随后的校正的相位或者校正的相位信号。在该形式下，短期控制误差对相位测量具有较小的影响，因为通过控制过程的延迟被除去。这减少了对整个系统控制质量的要求。

图3示出了作为时钟发生器单元的NCO 3的元件。相位寄存器7包含NCO的当前相位。在每一步骤中，通过具有恒定频率的时钟信号clk触发，相位寄存器的内容通过与来自频率寄存器6的值求和而被更新。因此，相位变化处的速率变得与频率寄存器的内容成比例。控制单元4通过根据相位差设定新的频率值影响此频率寄存器。通过用等于90°的奇数和偶数倍的特定相位值的输出的值的简单切换从相位得到输出“sin”和“cos”。如果相位被标度为在相位寄存器中存在等价于90°的二元数字，单个触发器和门（gate）足以得出每个输出。

与基于VCO的锁相环的模拟实施方式不同，NCO仅能与通过设计固定的离散频率值和相位值工作。这不意味着对其实际使用存在任何限制，因为分辨率可以实践上增加到任何水平。对于每个附加的比特，仅需要拓宽寄存器和加法器，因此其仅要求很少的附加门。

图4示出了输出电路。这基本上是具有频率和相位作为输入和操作作为用于产生输出脉冲的驱动器级切换晶体管的输出的逻辑单元8或者逻辑块。虽然除了开放集电极（collector）之外，通过实例示出了开放漏极输出，同样可以是MOS或双极技术的推拉级，以及同样可以是通过电子方式产生两个输出级的任意其它电路。

逻辑单元和逻辑模块的内容依赖于意欲使用传感器的功能。在最简单的情况中，块可以由在相位寄存器的触发器和输出之间的简单的连接线构成。然后，在触发器的状态变化时，即，相位超出了特定阈值时，晶体管切换。如上述程序化、用于延迟时间的补偿和编码器误差的补偿要求逻辑电路，然而，在其中可基于附加信息来移动阈值。

Claims (11)

1.一种速度传感器，包括至少一个传感器元件(1)和数字化所述传感器元件输出信号的模拟到数字转换器(2)，其特征在于

所述速度传感器还包括连接到所述模拟到数字转换器(2)的输出的科斯塔斯环单元(3，4，5)，所述科斯塔斯环单元包括时钟发生器单元(3)、控制单元(4)以及相位检测器单元(5)。

2.根据权利要求1的速度传感器，其特征在于，所述模拟到数字转换器(2)是σ-δ调制器的形式。

3.根据权利要求1或2的速度传感器，其特征在于，所述科斯塔斯环单元(3，4，5)被设计为至少提供频率输出信号(f_NCO)或相位输出信号或频率输出信号(f_NCO)和相位输出信号每一个都基于所述传感器元件输出信号。

4.根据权利要求1或2的速度传感器，其特征在于，提供比特流的所述模拟到数字转换器(2)的输出在每一种情况下都被连接到第一乘法器和第二乘法器，其中所述第一乘法器和所述第二乘法器均被供给有来自所述时钟发生器单元(3)的时钟信号，其中供给到所述第一乘法器和所述第二乘法器的所述时钟信号(sin，cos)相位相互偏移90°，其中来自所述第一乘法器和所述第二乘法器的输出信号在每种情况下被供给到低通滤波器，所述低通滤波器的输出均被供给到在输出侧连接到所述控制单元(4)的所述相位检测器单元(5)，所述控制单元(4)的输出连接到所述时钟发生器单元(3)。

5.根据权利要求1或2的速度传感器，其特征在于，所述时钟发生器单元(3)的形式是数字控制的振荡器，其中所述时钟发生器单元提供频率输出信号(f_NCO)和/或相位输出信号作为来自所述科斯塔斯环单元的输出信号。

6.根据权利要求1或2的速度传感器，其特征在于，来自所述相位检测器单元(5)的输出信号和来自所述时钟发生器单元(3)的相位输出信号在加法器中被求和，从而产生形成所述科斯塔斯环单元的输出信号的校正的相位信号以作为来自时钟发生器单元(3)的相位输出信号的备选或附加。

7.根据权利要求1或2的速度传感器，其特征在于，所述速度传感器还包括输出电路(8)，向所述输出电路(8)提供来自所述科斯塔斯环单元的频率信号和至少一个相位信号，其中所述输出电路包括用于经至少一个线路传输所述频率信号和所述至少一个相位信号的至少一个驱动级，并包括逻辑单元(8)，所述逻辑单元(8)用于从所述输出电路提供输出信号以便其具有限定的信号特性用于限定的接口。

8.根据权利要求7的速度传感器，其特征在于，所述频率信号是来自所述时钟发生器单元(3)的频率输出信号(f_NCO)，以及所述至少一个相位信号为来自所述时钟发生器单元(3)的相位输出信号和/或校正的相位信号所述校正的相位信号通过在加法器中求和来自所述相位检测器单元(5)的输出信号和所述相位输出信号而产生。

9.根据权利要求7的速度传感器，其特征在于，所述逻辑单元(8)被设计为可编程和/或可切换，以便来自所述输出电路的所述输出信号被设计为适合于不同接口要求。

10.根据权利要求7的速度传感器，其特征在于，所述逻辑单元(8)包括补偿装置，所述补偿装置包括在至少一个表中的补偿数据，所述补偿数据被用于补偿传感器元件检测的编码器误差、调制的磁场或者光学图形，和/或用于补偿温度效应，和/或用于调整或者编程相位偏移，和/或用于补偿在所述速度传感器中的信号路径的延迟，为了该目的，从所述速度传感器的外部控制所述补偿装置和/或通过所述速度传感器内部地自动控制所述补偿装置。

11.根据前述权利要求1到10中任一个的速度传感器在机动车辆中作为机轴速度传感器或轮速度传感器或者齿轮速度传感器或涡轮增压器速度传感器的用途。