CN103869266A - 用于监视信号电平的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于监视信号电平的设备和方法。本发明涉及一种用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平的设备。所述设备具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和诊断装置。所述第一输入端构造用于接收第一霍尔传感器的第一信号。在第一输入端和中心点之间连接第一电阻。所述第二输入端构造用于接收第二霍尔传感器的第二信号。在第二输入端和中心点之间连接第二电阻。所述第三输入端构造用于接收第三霍尔传感器的第三信号。在第三输入端和中心点之间连接第三电阻。所述诊断装置与中心点连接。所述诊断装置构造用于在使用由所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号得出的平均值的情况下识别所检测的磁场的位置。

Description

用于监视信号电平的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于监视信号电平的设备、一种用于监视信号电平的方法以及一种相应的计算机程序产品。

背景技术

为了控制直流电动机的电子换向，可以考虑转子的磁场的位置。为了识别所述位置可以使用至少一个霍尔传感器。

DE 10 2007 031 385 A1描述了用于识别对至少一个霍尔传感器的欠电压供给的方法和设备。

发明内容

在此背景下，借助本发明提出根据独立权利要求的用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平的设备，此外提出根据独立权利要求的用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平的方法，以及最后提出根据独立权利要求的相应的计算机程序产品。有利的构型从相应的从属权利要求和随后的说明书中得出。

通过在用于霍尔传感器的监视设备中使用电阻，除可以监视霍尔传感器的供给电压以外，还可以通过单个的通道执行磁场的位置和/或取向识别。由此，可以舍弃用于位置识别的单独的输入通道并且因此可以使用成本有利的构件。

提出一种用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平的设备，其中所述设备至少具有以下特征：

用于第一霍尔传感器的第一信号的第一输入端，其中第一电阻连接在所述第一输入端和中心点之间；

用于第二霍尔传感器的第二信号的第二输入端，其中第二电阻连接在所述第二输入端和中心点之间；

用于第三霍尔传感器的第三信号的第三输入端，其中第三电阻连接在所述第三输入端和中心点之间；以及

诊断装置，所述诊断装置与中心点连接并且构造用于，在使用由第一信号、第二信号和第三信号得出的平均值的情况下识别所检测的磁场的位置和/或取向。

此外，提出一种用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平的方法，其中所述方法至少具有以下步骤：

在第一电阻处降低第一霍尔传感器的第一信号的第一信号电平，以便获得降低的第一信号电平；

在第二电阻处降低第二霍尔传感器的第二信号的第二信号电平，以便获得降低的第二信号电平；

在第三电阻处降低第三霍尔传感器的第三信号的第三信号电平，以便获得降低的第三信号电平；

在中心点处提供降低的信号电平的平均值；以及

在使用所述平均值的情况下识别在霍尔传感器处的电故障和/或所检测的磁场的位置和/或取向。

所述方法可以具有至少一个另外的降低步骤，其中在另外的电阻处降低另外的霍尔传感器的另外的信号的至少一个另外的信号电平，以便获得降低的另外的信号电平。

霍尔传感器的信号可以理解为电信号。所述信号可以表示关于霍尔传感器处磁场的磁通量的强度的信息。所述信号可以以模拟或二进制的形式存在。如果所述信号以二进制形式存在，则所述信号可以表示在霍尔传感器处的磁通量是大于还是小于阈值。所述二进制信号可以是有滞后的。由于该滞后，在上升的磁通量的情况下的阈值可能不同于在下降的磁通量的情况下的阈值。所述二进制信号可以是信号线路中的电压。两个彼此不同的信号电平可以表示两种信号状态。可以在电阻处降低信号电平。位置可以理解为磁场的（例如空间上的）位置或定向。取向可以理解为磁场的场向量的方向。平均值可以是多个降低的信号电平的总和，例如可以形成所考虑的信号电平的算术平均值。在诊断装置中，可以基于平均值的电平推断出磁场的位置（或确定磁场的位置），因为霍尔传感器处的磁通量在磁场的每一个位置中不同。

第二电阻可以具有与第一电阻的第一比例。第三电阻可以具有与第一电阻的第二比例。第一比例和第二比例可以彼此不同。第一比例和第二比例可以是固定地预给定的。尤其第二电阻可以是第一电阻的两倍大。第三电阻可以是第一电阻的四倍大。替代地，第三电阻也可以是第一电阻的三倍大。由于分级的电阻值，对于在信号的不同可能组合情况下的平均值得出不同的（例如可区分的）预期的信号电平。因为在磁场的不同位置中信号的不同组合有规律地重复，所以可以由平均值的信号电平推断出磁场的位置、定向或取向。

所述设备可以具有用于另外的霍尔传感器的另外的信号的至少一个另外的输入端，其中另外的电阻连接在所述另外的输入端和中心点之间。可以利用多于三个霍尔传感器检测磁场。更高数目的霍尔传感器能够实现提高的角度精度的测量。尤其可以利用五个霍尔传感器检测磁场。这些霍尔传感器可以有规律地布置在磁场周围。

所述至少一个另外的电阻可以具有与第一电阻的另外的比例。所述另外的比例可以与第一比例和第二比例不同。所述另外的比例可以是固定地预给定的。所述另外的电阻尤其可以是第一电阻的六倍大。通过固定地预给定的比例，信号电平可以具有至少一个另外的特征值，该至少一个另外的特征值可以明确地分配给磁场的位置、定向和/或取向。

此外，诊断装置可以构造用于，当平均值与所预期的平均值或平均值的时间变化曲线偏差得大于公差范围时，识别在霍尔传感器处的电故障。所预期的变化曲线可以具有至少两个目标值，所述至少两个目标值应在预给定的时间段内实现。如果平均值偏离变化曲线，则该变化曲线可能表示例如至少一个霍尔传感器的供给电压中的故障。偏移同样可以表示至少一个信号线路的中断或霍尔传感器的失效。诊断装置可以构造用于当识别电故障时提供故障报告。于是可以尽快解决该故障。

具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读的载体——如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器——上并且用于当在计算机或设备上实施程序时执行根据先前描述的实施方式之一的方法。

附图说明

下面根据附图示例性地详细解释本发明。其中：

图1示出根据本发明的一个实施例的用于监视信号电平的设备的框图；

图2示出根据本发明的一个实施例的用于监视信号电平的方法的流程图；

图3示出用于霍尔传感器的信号的信号监视装置的电路图；

图4示出根据本发明的一个实施例的用于监视霍尔传感器的信号电平的设备的电路图；

图5示出霍尔传感器的信号的信号流图；

图6示出根据本发明的一个实施例的霍尔传感器的信号的信号流图。

在本发明的优选实施例的后续描述中，对于在不同的图中示出并且起类似作用的元件使用相同的或类似的参考标记，其中舍弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的用于监视信号电平的设备100的框图。设备100构造用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平。设备100具有第一输入端102、第二输入端104、第三输入端106、中心点108和诊断装置110。第一输入端102构造用于接收第一霍尔传感器的第一信号。在第一输入端102和中心点108之间连接第一电阻112。第二输入端104构造用于，接收第二霍尔传感器的第二信号。在第二输入端104和中心点108之间连接第二电阻114。第三输入端106构造用于接收第三霍尔传感器的第三信号。在第三输入端106和中心点108之间连接第三电阻116。诊断装置110与中心点108连接。诊断装置110构造用于在使用由第一信号、第二信号和第三信号得出的平均值的情况下识别所检测的磁场的位置。

图2示出根据本发明的一个实施例的用于监视信号电平的方法200的流程图。通过方法200，监视通过用于检测磁场的霍尔传感器产生的信号的信号电平。方法200具有降低的第一步骤202、降低的第二步骤204、降低的第三步骤206、提供的步骤208和识别的步骤210。在降低的第一步骤202中，在第一电阻处降低第一霍尔传感器的第一信号的第一信号电平，以便获得降低的第一信号电平。在降低的第二步骤204中，在第二电阻处降低第二霍尔传感器的第二信号的第二信号电平，以便获得降低的第二信号电平。在降低的第三步骤206中，在第三电阻处降低第三霍尔传感器的第三信号的第三信号电平，以便获得降低的第三信号电平。在提供的步骤208中，在中心点处提供降低的信号电平的平均值。在识别的步骤210中，在使用平均值的情况下识别霍尔传感器处的电故障和/或所检测的磁场的位置。

图3示出用于三个霍尔传感器302、304、306的信号的信号监视装置300的电路图。信号监视装置300通过信号线路308、310、312与霍尔传感器302、304、306连接。霍尔传感器302、304、306构造用于提供二进制信号。霍尔传感器302、304、306由电压源314提供供给电压。在信号监视装置300中，信号线路308、310、312通过二极管316、318、320与作为共同的输出端322的分压器连接。只要霍尔传感器302、304、306的信号具有比二极管316、318、320的截止电压更低的电压，二极管316、318、320就截止所述霍尔传感器的信号。截止电压低于供给电压。

在控制电动机——直流电动机以及电子换向（EC）的电动机时，霍尔传感器可以用于转子的位置检测。在EC电动机中，在此情况下每个电动机的三个霍尔信号线路能够实现足够的精度。三个霍尔信号线路通过数字的信号模式表示转子在一个电旋转内的位置。因此，在三个霍尔信号中得出60°的电分辨率，在所述电分辨率内，霍尔信号模式保持恒定。除用于位置检测的电控制单元（ECU）内的数字评估之外，这些信号可以被逻辑关联（通过二极管316、318、320的“或”关联），以便能够实现模拟的霍尔信号诊断。在这种类型的电路300中，能够诊断霍尔信号的供给电压是否处于可信的范围内。

图4示出根据本发明的一个实施例的用于监视霍尔传感器302、304、306的信号电平的设备100的一部分的电路图。霍尔传感器302、304、306和信号线路308、310、312相应于图3中的图示。与图3不同，信号线路308、310、312通过电阻112、114、116通过中心点108与共同的输出端322连接。在该实施例中，电阻112、114、116具有不同的电阻值。在此，第二电阻114是第一电阻112的两倍大。第三电阻116是第一电阻112的四倍大。与输出端322连接的诊断装置在此未示出。

通过在此提出的方案，在保持使用每一个电动机一个模拟测量通道的情况下，通过霍尔信号关联的匹配来扩展诊断可能性，因此能够提供更深入的诊断可能性。

在此提出的方案中，使用专门地彼此成比例的电阻网络112、114、116用于霍尔位置信号的关联。由此，除传感器供给电压诊断以外，可以附加地执行位置诊断，因为通过利用电阻112、114、116的布线给6种位模式状态中的每一种分配了固定的模拟电压值。在对换向精度要求低（例如在具有低转速的电动机中）的情况下，可以舍弃对三个数字信号的数字读入并且替代地仅仅使用利用在此提出的专门的电阻网络112、114、116的模拟读入。由此可以节省计算机输入端口并且能够使用更小的和价格更有利的衍生物。

通过由彼此成比例R、2*R、4*R的电阻112、114、116取代图3中的二极管并且通过移除在图3中所示的模拟输入端322处的分压器，能够显著扩展诊断可能性。

图5示出霍尔传感器的信号500、502、504的信号变化曲线。信号500、502、504是二进制信号，所述二进制信号能够采取两种状态。信号500、502、504可以在第一状态中具有低信号电平并且在第二状态中具有高信号电平。在该实施例中，低信号电平是接地电势并且高信号电平是霍尔传感器的供给电压。当霍尔传感器处的磁通量小于阈值时，霍尔传感器的信号500、502、504具有低信号电平。当磁通量大于阈值时，信号500、502、504具有高信号电平。在该实施例中，信号电平之间的变换可以表示霍尔传感器处磁通量的符号的反转。在信号流图中在360°或2π的角度上绘出信号500、502、504。所述角度描述电动机的转子的角度位置并且因此描述随着转子转动的、引起磁通量的磁场的角度位置。信号500、502、504分别在180°的跨度上具有低信号电平并且随后对于180°变换到高信号电平。随后，信号对于随后的旋转重新变换到低信号电平。霍尔传感器——在此是三件，在电动机中以彼此120°的角度偏移布置。因此，信号500、502、504同样具有彼此120°的角度偏移。从中得出，信号500、502、504中的每一个以60°的角度偏移具有在信号电平之间的变换。因此，角度检测的精度在该实施例中限于60°。在三个信号500、502、504下方绘出供给电压的稍微降低的信号电平506，该信号电平在整个360°的跨度上保持恒定。在如在图3中那样通过二极管的监视中，信号506施加在输出端处。为此，三个霍尔信号路径500、502、504在控制设备内部通过三个二极管逻辑关联并且通过后续的分压器通过模拟输入端被检测。施加在模拟输入端处的电压506于是相应于霍尔信号供给电压减去二极管正向电压。由此能够识别是否给传感器供给欠压，所述欠压可能导致在计算机的数字输入端处不能检测到各个霍尔边沿。

图6示出根据本发明的一个实施例的霍尔传感器的信号500、502、504的信号流图。霍尔传感器的信号相应于图5中的信号。在信号500、502、504下方示出用于根据在此提出的方案进行监视的设备的输出信号600。输出信号600具有6个不同的信号电平。输出信号600由三个信号500、502、504的信号电平的组合得出，所述三个信号的信号电平分别利用不同的电阻被减弱。在该实施例中，第一信号500的第一信号电平利用第一电阻R被减弱。第二信号502的第二信号电平利用第二电阻2*R被减弱，所述第二电阻是第一电阻R的两倍大。第三信号504的第三信号电平利用第三电阻4*R被减弱，所述第三电阻是第一电阻R的四倍大。通过信号500、502、504的120°的角度偏移，在此得出输出信号600的信号电平在每60°之后的变化。因为在确定的角度位置的情况下所述信号500、502、504中分别仅仅有一个变化，所以对于输出信号600的信号电平，分别将从所述电阻确定的电平加到输出信号600或将其从输出信号600减去。

在该实施例中，第一信号500在0度时从低信号电平变换到高信号电平。第二信号502保持在低信号电平并且第三信号504保持在高信号电平。由此，输出信号600的信号电平从由第三信号504得出的最低信号电平602上升到第二高的信号电平604。该第二高的信号电平604由第三信号504与第一信号500的组合得出。在60°的角位时，第三信号504从高信号电平变换到低信号电平。第一信号500保持在高信号电平并且第二信号502保持在低信号电平。由此，输出信号600的信号电平降到第三高的信号电平606，该第三高的信号电平只由第一信号500得出。在120°的角位时，第二信号502从低信号电平变换到高信号电平。第一信号500保持在高信号电平并且第三信号504保持在低信号电平。由此，输出信号600的信号电平上升到其由第一信号500和第二信号502得出的最高的信号电平608。在180°时，第一信号500从高信号电平变换到低信号电平。第二信号502保持在高信号电平并且第三信号504保持在低信号电平。由此，输出信号600降到第二低的信号电平610，所述第二低的信号电平610只由第二信号502得出。在240°的角位时，第三信号504变换到高信号电平。第一信号500保持在低信号电平并且第二信号502保持在高信号电平。因此，输出信号600的信号电平上升到第三低的信号电平612。在300°时，第二信号502从高信号电平变换到低信号电平。第一信号500保持在低信号电平并且第三信号504保持在高信号电平。由此，输出信号600的信号电平降到最低信号电平602。在360°或0°时，该顺序重新开始。通过六个信号电平602、604、606、608、610、612，给磁场的完全旋转的每一个角度范围分配确定的信号电平或输出信号600的值，所述输出信号的值可以被明确地识别。

在机器的电旋转期间的6种开关状态内，始终至少一个霍尔输入端处于地电势上并且至少一个另外的输入端始终位于霍尔信号供给电势上。由此，基于用于三个霍尔路径500、502、504的不同的电阻布线形成分压器，该分压器的分压比对于电旋转内的所有6种位模式状态来说有区别。由此，基于给霍尔信号供给霍尔信号传感器供给，产生6个离散的电压电平602、604、606、608、610、612，可以根据相应的霍尔信号位模式并且因此根据转子在电旋转内的位置明确地分配这些电压电平。

在此在这里提出的分压器电阻R5、R15=2*R5和R25=4*R5的设计的情况下，形成可供使用的电压范围的最佳划分。用于降低的霍尔信号的每一个开关状态的精确电压值可以组合成所预期的变化曲线600。

在对换向精度（从霍尔边沿直到实际换向的时间偏移）具有低要求的系统中，可以舍弃借助三个数字输入端对霍尔信号500、502、504的中断处理，并且可以通过利用高频采样的仅仅一个模拟输入端来代替。由此能够使用更简单和价格更有利的计算机衍生物。

除换向的可能性以外，此外可以通过该模拟输入端诊断故障情况。例如可以识别霍尔传感器供给的过电压/欠电压。在此，离散的电压电平位于可信的范围之外。同样可以识别不可信的霍尔信号，所述不可信的霍尔信号例如可以是3倍高或3倍低，因为这样的话电压电平600将会恒定地位于传感器供给水平或地电势上。此外，霍尔传感器的失效可以通过例如对地短路或传感器供给电压来识别。在此，所述离散的电压值602、604、606、608、610、612之一在一个电旋转内将会处于地或传感器供给水平上。不同的信号电平可通过示波器测量被容易地探测。

在此提出的位置检测可应用在所有借助数字霍尔信号来检测电机的转子的位置的系统中。在此，是涉及EC电动机还是DC电动机是不重要的。在分辨率更高的系统中，例如采用5个霍尔传感器的系统中——通过所述5个霍尔传感器可以实现36°的电分辨率，能够相应地扩展并且同样采用诊断电路。在五倍霍尔系统中，分压器电阻彼此的比例是R5、R15=2*R5、R25=3*R5、R35=6*R5和R45=6*R5。

所描述的和在图中示出的实施例仅仅是示例性选择的。不同的实施例可以完全地或关于单个特征地彼此组合。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征来补充。

此外，可以重复以及以不同于所描述的顺序的顺序实施根据本发明的方法步骤。

如果实施例包括第一特征与第二特征之间的“和/或”关联，则这可以解读为：所述实施例根据一个实施方式具有第一特征以及第二特征，并且根据另一个实施方式或者仅仅具有第一特征，或者仅仅具有第二特征。

Claims (8)

1.一种用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器（302、304、306）产生的信号（500、502、504）的信号电平的设备（100），其中所述设备（100）至少具有以下特征：

用于第一霍尔传感器（302）的第一信号（500）的第一输入端（102），其中第一电阻（112）连接在所述第一输入端（102）和中心点（108）之间；

用于第二霍尔传感器（304）的第二信号（502）的第二输入端（104），其中第二电阻（114）连接在所述第二输入端（104）和所述中心点（108）之间；

用于第三霍尔传感器（306）的第三信号（504）的第三输入端（106），其中第三电阻（116）连接在所述第三输入端（106）和所述中心点（108）之间；以及

诊断装置（110），所述诊断装置与所述中心点（108）连接并且构造用于，在使用由所述第一信号（500）、所述第二信号（502）和所述第三信号（504）得出的平均值（600）的情况下识别所检测的磁场的位置和/或取向。

2.根据权利要求1所述的设备（100），其中所述第二电阻（114）具有与所述第一电阻（112）的第一比例并且所述第三电阻（116）具有与所述第一电阻（112）的第二比例，其中所述第一比例和所述第二比例彼此不同。

3.根据以上权利要求之一所述的设备（100），所述设备具有用于另外的霍尔传感器的另外的信号的至少一个另外的输入端，其中另外的电阻连接在所述另外的输入端和所述中心点（108）之间。

4.根据权利要求3所述的设备（100），其中所述至少一个另外的电阻具有与所述第一电阻（112）的另外的比例，其中所述另外的比例与所述第一比例和所述第二比例不同。

5.根据以上权利要求之一所述的设备（100），其中所述诊断装置（110）还构造用于，当所述平均值（600）与所预期的平均值（600）或平均值（600）的变化曲线偏离得大于公差范围时，识别在所述霍尔传感器处的电故障。

6.一种用于监视通过用于检测磁场的霍尔传感器（302、304、306）产生的信号（500、502、504）的信号电平的方法（200），其中所述方法（200）至少具有以下步骤：

在第一电阻（112）处降低（202）第一霍尔传感器（302）的第一信号（500）的第一信号电平，以便获得降低的第一信号电平；

在第二电阻（114）处降低（204）第二霍尔传感器（304）的第二信号（502）的第二信号电平，以便获得降低的第二信号电平；

在第三电阻（116）处降低（206）第三霍尔传感器（306）的第三信号（504）的第三信号电平，以便获得降低的第三信号电平；

在中心点（108）处提供（208）降低的信号电平的平均值（600）；以及

在使用所述平均值（600）的情况下识别（210）在所述霍尔传感器（302、304、306）处的电故障和/或所检测的磁场的位置和/或取向。

7.根据以上权利要求之一所述的方法（200），所述方法具有至少一个另外的步骤：在另外的电阻处降低另外的霍尔传感器的另外的信号的另外的信号电平，以便获得降低的另外的信号电平。

8.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有程序代码，所述程序代码用于当在设备上实施程序产品时执行根据权利要求6至7之一所述的方法。

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