CN104101291B - 旋转角检测装置 - Google Patents

Abstract

一种磁感测元件（31）设置为相对于永磁体（51，52）可旋转并且输出磁力检测值，该磁力检测值对应于磁通量的垂直分量。霍尔IC（30）基于由磁感测元件（31）输出的磁力检测值来计算输出电压并输出，该输出电压对应于永磁体（51，52）与磁感测元件（31）之间的相对旋转角。霍尔IC（30）将输出电压计算为V2=k×arcsin(V1/(VM+α))+Voffset，其中V1、V2、VM、k、α和Voffset指示磁力检测值、输出电压、磁力检测值的最大值、增益、预定值和预定偏移值。

Description

旋转角检测装置

技术领域

本发明涉及旋转角检测装置，其检测旋转元件相对于磁产生元件的相对旋转角。

背景技术

一些常规旋转角检测装置对检测目标（旋转元件）的旋转角进行检测，而不使用磁通量收集元件，比如定子。例如JP3491577中公开的旋转角检测装置没有磁通量收集元件，因此其构造简化并且成本降低。根据JP3491577的旋转角检测装置基于施加至磁感测元件并且由磁感测元件检测的磁力检测值（磁力的检测值）计算输出电压值，这个输出电压值对应于磁产生元件和磁感测元件之间的相对旋转角。由于这种旋转角检测装置没有磁通量收集元件，磁感测元件输出以正弦波形或余弦波形变化的检测电压。磁力检测值在旋转角附近非线性地变化，在该处磁力检测值取最大值。旋转角检测的精确度有可能会降低，尤其在包括这种旋转角的范围内。这种旋转角检测装置因此通过基于反正弦函数或反余弦函数计算磁感测元件的输出值从而将输出电压转换为随着旋转角线性地变化的值。

然而，在这种旋转角检测装置中，当磁产生元件产生较少磁性或者偏离位置时，磁感测元件的磁力检测值变化。在此情况下，输出电压可能会在对应于磁力检测值最大值的旋转角附近变化较大。如果输出电压变化较大，旋转角检测的精确度降低。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种旋转角检测装置，其以简单的构造高的精确度检测旋转元件的旋转角。

根据一个方面，一种旋转角检测装置包括磁感测元件和处理部分。磁感测元件设置为相对于磁产生元件可旋转以输出磁力检测值，所述磁力检测值对应于从磁产生元件施加的磁通量的垂直分量。所述处理部分基于由磁感测元件输出的磁力检测值来计算输出电压并输出，所述输出电压对应于磁产生元件与磁感测元件之间的相对旋转角。所述处理部分将输出电压计算为V2=k×arcsin(V1/(VM+α))+Voffset或V2=k×arccos(V1/(VM+α))+Voffset，其中V1、V2、VM、k、α和Voffset指示磁力检测值、输出电压、磁力检测值的最大值、增益、预定值和预定偏移值。

附图说明

图1是示出根据第一实施例的旋转角检测装置以及使用旋转角检测装置的旋转驱动设备的截面图；

图2A和图2B是示出根据第一实施例的旋转角检测装置的磁感测元件及其周围部分分别在节气门的旋转角是0°和12°时的情况下的示意图；

图3是示出根据第一实施例的旋转角检测装置中的霍尔IC（集成电路）的构造的框图；

图4是示出根据第一实施例的旋转角检测装置的节气门的旋转角与磁感测元件的输出电压之间的关系的图表；

图5是示出根据第一实施例的旋转角检测装置的霍尔IC的输出电压的图表；

图6是示出根据比较示例的旋转角检测装置的霍尔IC的输出电压的图表；

图7是示出根据第二实施例的旋转角检测装置的霍尔IC的输出电压的图表；并且

图8A和图8B是示出根据第三实施例和第四实施例的旋转角检测装置的磁感测元件及其周边部分的示意图。

具体实施方式

旋转角检测装置将参照附图中所示的多个实施例在下面详细描述。这些实施例间基本上相同的构造部分由相同的参考数字指示，从而简化描述。

（第一实施例）

根据第一实施例的旋转角检测装置以及使用该装置的旋转驱动设备在图1中示出。旋转检测装置10用来检测例如车辆进气系统中的设置为旋转元件的节气门2的旋转角。旋转驱动设备1除了旋转角检测装置10以外还包括壳体3、气门轴5、马达6等。

壳体3例如由金属（比如铝）形成，并且在其内部具有通道，通道为大致圆筒形。通道4形成进气通道的一部分，进气通道将空气引导至内燃发动机。气门轴5形成为杆状并且以可相对于壳体3旋转的方式大致垂直于通道4的通道轴线设置。

节气门2大致形成为盘状并且例如由螺钉元件等固定至气门轴5。节气门2因而与气门轴5一起旋转以在气门轴5旋转时打开和闭合通道4。因此，吸入内燃发动机的空气的量得到调节。

马达6是电驱动马达，其由电力供应旋转地驱动。马达6是具有电刷的马达。马达6具有马达轴7。马达6旋转并从马达轴7输出扭矩。马达6设置于壳体3中以使得马达轴7与气门轴5大致平行。

例如由树脂形成的圆筒形的保持件8附接于气门轴5的一个端部处。永磁体51、52设置为在保持件8的径向内侧部分处的磁产生元件。因而，保持件8和永磁体51、52可与气门轴5和节气门2一起旋转。

旋转检测装置10以覆盖气门轴5的包括保持件8和永磁体51、52的一个端侧以及马达轴7的一个端侧的方式附接至壳体3。齿轮11在外周方向上部分地形成于保持件8的外壁上。形成为杆状的轴12以与气门轴5和马达轴7大致平行的方式设置于壳体3中。轴12在其一个端部处不可相对于壳体3旋转。轴12的另一个端部由旋转角检测装置10的盖20支撑，这将稍后描述。

齿轮组13以可相对于轴12旋转的方式形成于轴12上。齿轮组13例如由树脂形成，并且具有可与保持件8的齿轮11相啮合的第一齿轮14。齿轮组13具有第二齿轮15，其外径大于第一齿轮14。可与齿轮组13的第二齿轮15相啮合的齿轮元件16固定至马达轴7的一个端部。马达6用形成电池（未示出）的电源驱动从而旋转。

在马达6被旋转地驱动时，马达6的旋转（扭矩）通过马达轴7、齿轮元件16、齿轮组13、保持件8和气门轴5传输至节气门2。节气门2因而在通道4中旋转以打开和闭合通道4（进气通道）。旋转角检测装置10检测节气门2的旋转角（打开角）。

旋转角检测装置10如图1中所示包括盖20、支撑元件21、霍尔IC30等。盖20例如由树脂形成为盘状，并且以覆盖气门轴5的一个端侧（即，保持件8和永磁体51、52）以及马达轴7的一个端侧的方式附接至壳体3。

支撑元件21例如由树脂形成并且与盖20成一整体。支撑元件21布置为使得其顶端部位于保持件8的中部。霍尔IC30嵌件成型（insert-molded）于支撑元件21的顶端部分处。支撑元件21因而支撑霍尔IC30。霍尔IC30和永磁体51、52可相对于彼此旋转。

如图2A和图2B中所示，霍尔IC30包括磁感测元件31。磁感测元件31例如是霍尔元件，其具有磁感测平面311，并且将对应于磁通量的垂直分量的磁力检测值转换为输出电压并且输出这个输出电压。也就是，磁感测元件31输出电压，电压对应于随着穿过磁感测平面311的磁通量的垂直分量的大小而变化的磁力检测值。

盖20具有连接器22。多个终端（未示出）设置于连接器22的内部。这些终端连接至马达6或霍尔IC30。设置为磁产生元件的永磁体51、52布置于保持件8中以便相对于气门轴5的轴线点对称，也就是，在径向上面向彼此。形成为弓形的轭17、18设置为在保持件8中夹持永磁体51、52。轭17的两个端部与永磁体51、52的N极相接触。轭18的两个端部与永磁体51、52的S极相接触。磁路因而形成以使得从永磁体51、52的N极产生的磁通量流过轭17、从轭17的中间部分沿直径地跳至轭18的中间部分，并且通过轭18流动至永磁体51、52的S极。

霍尔IC30布置为位于由轭17和轭18形成的圆的中间。因此，磁通量穿过磁感测元件31，而不管永磁体51、52的旋转位置，也就是，气门轴5的旋转位置。

图2A示出在节气门2完全地闭合（节气门开度角是0）的情况下霍尔IC及其周围状态。在此情况下，磁通量以相对于磁感测平面311大约12°的角从轭17跳至轭18。图2B示出在节气门3从完全地闭合的位置打开大约12°的情况下霍尔IC30及其周围状态。在此情况下，磁通量以相对于磁感测平面311大约0°的角从轭17跳至轭18。由于穿过磁感测平面311的磁通量的垂直分量在此情况下是0，从磁感测元件31输出的磁力检测值是0。

如图3中所示，霍尔IC30除了磁感测元件31以外，还包括AD转换器（ADC）32、数字信号处理器（DSP）33、存储器34、DA转换器（DAC）35等。AD转换器32将从磁感测元件31输出的模拟电压（磁力检测值）转换为数字信号并且将磁力检测值输出至DSP33。这里，从磁感测元件31输出的模拟电压假定为磁力检测值V1。

DSP33基于从AD转换器32输出的磁力检测值V1计算输出值V2，其对应于永磁体51、52与磁感测元件31之间的相对旋转角，并且将其输出至DA转换器34。DSP33对应于处理部分。存储器34是存储装置比如例如EEPROM，其存储用于在由DSP33进行的数据处理操作中使用的程序和参数。

DA转换器35将从DSP33输出的对应于磁力检测值V1的输出值V2转换为模拟电压。从DA转换器35输出的输出值V2通过连接器22施加至电子控制单元（ECU）。

ECU40是微型计算机，其包括CPU、ROM、RAM、I/O等。ECU40基于由设置于车辆中各个位置处的各个传感器输出的信号以集成的方式通过控制各种设备和装置来控制车辆。ECU40基于从DA转换器35输出的输出值V2检测节气门2的旋转角，即，打开角。

ECU40通过调节通过连接器22从电池供应至马达6的电能来控制马达6的旋转驱动。ECU40通过基于例如内燃发动机的负荷状态等控制马达6的旋转驱动来控制节气门2的打开角。

DAP33按以下方式计算输出值V2。DSP33通过使用以下等式（1）来计算输出值V2，其中VM、k、α和Voffset分别表示磁力检测值的最大值、增益、预定值与预定偏离值。

V2=k×arcsin(V1/(VM+α))+Voffset…（1）

VM将参照图4进一步描述。如图4所示，从磁感测元件31输出的磁力检测值是正弦波形状，假定水平轴线指示磁感测元件31与永磁体51、52之间的相对旋转角，也就是节气门2的旋转角。在0°角输出并且在图4中示出的电压是在图2A中所示的情况下（即，在节气门2完全地闭合时）从磁感测元件31输出的磁力检测值。在图2B所示的情况下（即，在节气门2从完全地闭合位置旋转12°打开时），从磁感测元件31输出的磁力检测值是在节气门打开角在图4中是12°时的磁力检测值。

如图4中所示，在磁感测元件31与永磁体51、52相对旋转360°的情况下，由磁感测元件31输出的磁力检测值（V1）的最大值是VM，这是在打开角是102°时输出的。也就是，VM等于正弦波信号的幅值，其对应于从磁感测元件31输出的磁力检测值。

节气门2可由ECU40控制以在从0°至86°（完全地闭合是0°，完全地打开是86°）的控制范围内打开。因此，在节气门2的控制范围内，磁力检测值V1在-Va与Vb之间变化。

在旋转驱动设备1组装之后，测量和写入装置（未示出）连接至盖20的连接器22。测量和写入装置通过由连接器22将电能供应至马达6来驱动节气门2旋转。测量和写入装置测量在节气门2完全地闭合时从霍尔IC30（磁检测元件31）输出的磁力检测值（-Va），以及在节气门2完全地打开时从霍尔IC30输出的磁力检测值（Vb）。测量和写入装置基于测量的磁力检测值（-Va和Vb）估算磁力检测值V1的最大值VM。测量和写入装置在存储器34中写入估算的VM。DSP33因而能在等式1中使用VM。

增益（gain）k可随温度变化。等式（1）中的预定值α是VM的大约0.2至0.25倍（也就是，VM/5至VM/4）。等式（1）中的预定偏移值Voffset在考虑磁力检测值的最小值情况下设置，这个最小值在节气门2受到控制时能从霍尔IC30输出。

图5用实线L1示出输出值V2，其在节气门2受到控制时从霍尔IC30（DA转换器35）输出。在磁力检测值V1改变1%时在旋转驱动设备1中产生的输出值V2通过使用以下等式（2）来计算。

V2=k×arcsin(V1×0.99/(VM+α))+Voffset…（2）

通过等式（2）计算的输出值V2在图5中由单点划线L2示出。如图5中所示，节气门2完全打开（86°）时变化之前与之后之间的磁力检测值V1的输出值V2的差是Δd1，其相对较小。在图5中，虚线L3示出理想的传感器输出，其相对于旋转角线性地变化。理想的传感器输出等于通过使用以下等式（3）计算的输出。

k×arcsin(V1/VM)+Voffset…（3）

如图5中所示，通过使用等式（1）计算的输出值V2（实线L1）弯曲以随着节气门2的旋转角（节气门开度角）增大更加偏离线性理想传感器输出（虚线L3）。

第一实施例相对于如下描述的比较示例是有利的。比较示例具有与第一实施例物理地相同的构造，但是与第一实施例不同地计算霍尔IC30的输出值V2。在比较示例中，霍尔IC30通过使用以下等式（4）计算输出值V2。

V2=k×arcsin(V1/VM)+Voffset…（4）

也就是，比较示例也以如上述常规装置类似的计算方法计算输出值V2。图6由实线L4示出输出值V2，其在比较示例中在节气门2受到控制时从霍尔IC30输出。实线L4与示出理想传感器输出的虚线（图5）重合。

根据比较示例的旋转驱动设备在磁力检测值V1变化1%的情况下通过使用以下等式（5）计算输出值V2。

V2=k×arcsin(V1×0.99/VM)+Voffset…（5）

通过使用等式（5）计算的输出值V2在图6中由单点划线L5示出。如图6中所示，在磁力检测值V1变化1%时在节气门2完全打开状态（86°）时的输出值V2的差是Δd2。这个差Δd2相对较大。

因而，根据第一实施例，在相同变化之前和之后在节气门2的大约完全打开状态处磁力检测值V1的差小于比较示例。第一实施例相对于比较示例的有利之处在于，磁力检测值V1中的变化对输出值V2影响较小。

如上所述，根据第一实施例，磁感测元件31设置为相对于永磁体51、52可相对旋转。磁感测元件31输出磁力检测值，其对应于磁通量的垂直分量。DSP33基于从磁感测元件31输出的磁力检测值V1计算输出值V2，输出值V2对应于永磁体51、52与磁感测元件31之间的相对旋转角，并且将计算的数值作为模拟输出电压输出。

而且，DSP33通过使用等式（1）计算输出值V2，其中V1、V2、VM、k、α和Voffset分别指示磁力检测值、输出值、磁力检测值的最大值、增益、预定值和预定偏移值。如从等式（1）理解到的，通过将使用反正弦函数（arcsin）α计算的数值的分母设置为大于VM，能抑制由V1的变化所引起的V2的变化。因此，即使在磁力检测值V1随着磁力减少或永磁体51、52的位置偏移而变化时，其对输出值V2的影响减小。旋转角因而能以高的精确度检测。在第一实施例中，没有设置磁通量收集元件，比如定子。因而，旋转角检测装置10能以简单的构造和高的检测精确度来实现。

（第二实施例）

根据第二实施例的旋转角检测装置将参照图7描述。第二实施例具有与第一实施例类似的物理构造，但是与第一实施例不同之处在于DSP33的处理操作。

根据第二实施例，DSP33基于等式（1）计算输出值V2并且之后在输出之前执行对计算的输出值V2的多点修正。具体地，多点修正在十六个点处执行以使得第一点对应于节气门2的完全闭合状态下产生的输出电压并且第十五个点对应于节气门2的完全打开状态下产生的输出电压。因而，输出值V2修正为变得更接近理想传感器输出。用于执行多点修正的各种参数和程序存储于存储器34中。

通过使用等式（1）计算的输出值V2（实线L1）因而被修正为变得更接近如图7中所示的理想传感器输出（虚线L3）。因此，在磁力检测值V1变化1%时产生的输出值V2（单点线L2）也被修正为变得更接近理想传感器输出（虚线L3）。

如上所述，根据第二实施例，DSP33在多个点处修正通过使用等式（1）计算的输出值V2并且输出修正的输出电压。与第一实施例相比较，从霍尔IC30输出的输出值V2的直线性（线性）提高并且相对于由磁力的减小或永磁体51、52的位置偏移所引起的磁力检测值V1的变化的稳健性（robustness，也称鲁棒性）得到增强。

（第三实施例）

根据第三实施例的旋转角检测装置与第一和第二实施例不同，如图8A中部分地示出。根据第三实施例，保持件8设置有大致圆筒形的轭19。这里，轭19以其轴线与气门轴5的轴线重合的方式设置。轭19的轴线因而穿过霍尔IC30的磁感测元件31。

永磁体53、54设置为在轭19内部相对于气门轴5的轴线点对称（即，彼此相对）的磁产生元件。永磁体53被磁化以使得其面向轭19轴线的内表面是N极。永磁体54被磁化以使得其面向轭19轴线的内表面是S极。因而，磁路形成为使得从永磁体53的N极产生的磁通量从永磁体53的中心跳至永磁体54的中心并且从永磁体54的N极产生的磁通量通过轭19流至永磁体53的S极。霍尔IC30位于轭19的中心处。为此，磁通量穿过磁感测元件31，而不管永磁体53、54的旋转位置，即，气门轴5的旋转位置。

图8A示出在节气门2处于完全闭合状态（打开角度0）的情况下霍尔IC30及其附近的状态。由磁感测表面311以及从永磁体53跳至永磁体54的磁通量的方向所形成的角是大约0°。穿过磁感测表面311的磁通量的垂直分量因此是0，并且因此，从磁感测元件31输出的电压是0。

如上所述，根据第三实施例，永磁体53、54布置为磁产生元件以形成磁路。霍尔IC30和永磁体53、54布置为使得，在节气门2处于完全闭合状态（打开角度0）的情况下，磁通量在与磁感测元件311成大约0°的方向上从永磁体53跳至永磁体54。这个构造还能在由DSP33基于等式（1）计算输出值V2的情况下以高的精确度检测旋转角。而且，在第三实施例中，旋转角能通过对基于等式（1）计算的输出电压执行多点修正而以更高的精确度检测。

（第四实施例）

根据第四实施例的旋转角检测装置也与第一和第二实施例不同，如图8B中部分地示出。第四实施例关于在节气门2的完全闭合状态下霍尔IC30与永磁体53、54之间的位置关系、关于输出值V2的计算方法等方面而言与第三实施例不同。

根据第四实施例，霍尔IC30和永磁体53、54布置为使得，在节气门2处于完全闭合状态下（打开角度0）的情况下，磁通量在与磁感测表面311成大约90°的方向上从永磁体53跳至永磁体54。为此，穿过磁感测表面311的磁通量的垂直分量变为最大并且因此从磁感测元件31输出的电压相应地变为最大。从磁感测元件31输出的电压是余弦波形式，假定水平轴线指示磁感测元件31与永磁体53、54之间的相对旋转角。DSP33通过使用以下等式（6）计算输出值V2。

V2=k×arccos(V1/(VM+α))+Voffset…（6）

如上所述，根据第四实施例，DSP33基于等式（6）计算输出值V2。如在等式（6）中表达的，由V1的变化引起的V2的变化能如第一实施例中那样，通过将基于反余弦函数（arccos）计算的值的分母增大为比VM大α而受到抑制。因此，输出值V2能相对较少地受到由永磁体53、54的磁力减小、位置偏移等引起的磁力检测值V1的变化的影响。因此，旋转角能以高的精确度检测。

（其他实施例）

作为又一实施例，磁感测元件可设置于节气门的气门轴侧上并且永磁体可设置于旋转角检测装置的盖侧上。磁产生元件不限于永磁体，而是可以是电磁体。

作为又一实施例，等式（1）和（6）中的预定值α不限于VM的0.2至0.25倍的范围内，而是可以小于或大于VM的0.2至0.25倍的范围。作为又一实施例，霍尔IC可构造为从DSP而没有通过DA转换器输出模拟值。

作为又一实施例，磁感测元件不限于霍尔元件，而是可以是磁阻元件等。旋转角检测装置不限于用于节气门的旋转角（打开角）的检测，而是可用于检测例如加速器踏板或其他设备的旋转体的旋转角。

Claims (2)

1.一种旋转角检测装置(10)，包括：

磁感测元件(31)，所述磁感测元件(31)设置为相对于磁产生元件(51、52、53、54)可旋转以输出磁力检测值，所述磁力检测值对应于从所述磁产生元件施加的磁通量的垂直分量；以及

处理部分(33)，用于基于由所述磁感测元件输出的磁力检测值来计算并输出对应于所述磁产生元件与所述磁感测元件之间的相对旋转角的输出电压，

其中所述处理部分将输出电压计算为V2＝k×arcsin(V1/(VM+α))+Voffset或V2＝k×arccos(V1/(VM+α))+Voffset，其中V1、V2、VM、k、α和Voffset指示磁力检测值、输出电压、磁力检测值的最大值、增益、VM的特定百分比和预定偏移值，VM的特定百分比被设为正值。

2.根据权利要求1的旋转角检测装置，其中：

所述处理部分通过在相对旋转角范围中执行多点修正而输出输出电压以使得其更接近理想传感器输出。