CN104285129A - 用于磁场传感器的输出切换系统和方法 - Google Patents

Abstract

实施例涉及用于传感器（比如磁场传感器）的预测性的输出切换阈值确定系统和方法。在实施例中，分别针对铁磁齿轮或极轮的每个齿或极预测性地确定而不是反应性地确定至少一个单独切换阈值。比如，在一个实施例中，齿或极的个数被编程，并且在轮的旋转期间用于每个齿或极的最优阈值被确定。用于每个齿的确定的最优阈值然后在轮的至少一个随后旋转中被用于该齿，其中在将来随后旋转中可选地进行校准。因此在实施例中，阈值对每个单独齿或极是预测性的而不是对相邻齿或极是反应性的。

Description

用于磁场传感器的输出切换系统和方法

相关申请

本申请要求2012年5月7日提交的美国临时专利申请号61/643，677的优先权，其通过引用整体地结合于本文中。

技术领域

本发明大体上涉及传感器并且更具体地涉及用于磁传感器的输出切换系统和方法。

背景技术

磁场传感器具有许多应用，其中的一个是汽车引擎管理应用。比如，与旋转的齿轮或极轮相关联的磁场传感器以及背偏置磁铁能够被用来感测凸轮轴的定位和/或旋转。

为了减少引擎排放，引擎的更精确控制是所期望的。这能够至少部分地由性能更好的、更精确的传感器提供，诸如提供改进的输出切换并且更少依赖于旋转元件和传感器的相对定位的那些传感器，因为传感器信号依赖于磁场的强度以及传感器和目标元件之间的距离两者。

用于确定输出切换阈值的传统解决方法典型地是反应性的，基于作为对电流信号特性的反应的缓慢调节。通常采取的两个方案中的一个：在整个模式之内设定单个阈值，其中在总体模式改变之后缓慢适配（缓慢反应性算法），如在图1A中示出；或依据上一对的信号最大值和信号最小值持续地适配（快速反应性算法），如在图1B中示出。虽然这些方案能够分别改进相位可重复性和振摆（run-out）（即不居中在轴上的齿轮或极轮的晃动）以及鲁棒性（幅度调制），但是它们提供次优的相位精确性。而且，并且参考图2，描绘了能够用于以上提及的凸轮轴示例的传统的传感器信号处理系统的概念图。该输出改变状态所处的点由反馈信号的数量定义，所述反馈信号由偏移调节回路提供。由在正向信号路径（模拟信号处理块）中存在的抗混叠滤波器（anti-aliasing filter）确定的缓慢回路响应将偏移调节回路中更新的定时和数量约束到优选地非常小的更新。该缓慢响应能够导致不期望的寄生切换。

因此，存在对于改进的输出切换系统和方法的需要。

发明内容

实施例涉及诸如用于传感器的最优切换阈值确定系统和方法。

在实施例中，传感器系统包括：目标轮，所述目标轮包括多个目标元件；以及传感器，所述传感器包括耦合到传感器电路的传感器元件，传感器元件配置成感测目标轮的旋转并且为多个目标元件中的每一个提供包括最大值和最小值的输出信号，传感器电路配置成使用与多个目标元件中的一个有关的至少一个最大值和至少一个最小值以预测用于多个目标元件中的该一个的将来实例（instance）的最优切换阈值。

在实施例中，方法包括：通过传感器元件在目标轮的第一旋转期间检测针对每个目标元件的最大值和最小值；并且使用与特定目标元件有关的至少一个最大值和至少一个最小值以预测用于该目标元件在目标轮的至少一个随后旋转中的最优切换阈值。

在实施例中，传感器包括：传感器元件，所述传感器元件配置成提供输入信号；以及传感器电路，所述传感器电路耦合到所述传感器元件以接收输入信号，传感器电路包括比较器，所述比较器配置成将所述输入信号的部分与对输入信号的该部分预测的最优切换阈值比较并且依赖于该比较来切换传感器电路的输出。

附图说明

考虑到下面对本发明的各种实施例的详细的说明连同附图一起，可以更完全地理解本发明，在附图中：

图1A是与传统的单个阈值实施例有关的信号图。

图1B是与传统的反应性阈值实施例有关的信号图。

图2是与传统的阈值确定电路有关的电路框图。

图3是依据实施例的目标轮和传感器系统的框图。

图4是依据实施例的预测性最优切换阈值确定系统和方法的信号图。

图5A是依据实施例的预测性最优切换阈值确定系统和方法的信号图。

图5B是依据实施例的预测性最优切换阈值确定系统和方法的信号图。

图5C是依据实施例的预测性最优切换阈值确定系统和方法的信号图。

图6是依据实施例的预测性最优切换阈值确定系统和方法的信号图。

图7是依据实施例的电路框图。

图8A是依据实施例的电路框图。

图8B是依据图8A的实施例的预测性最优切换阈值确定系统和方法的信号图。

虽然本发明顺从各种修改和替选形式，但是其细节借助于示例在附图中已被示出并且将被详细描述。然而应该理解的是，意图不是要将本发明限制于所描述的特定实施例。相反地，意图是覆盖落在如由所附权利要求定义的本发明的精神和范围之内的所有的修改、等价物和替选方案。

具体实施方式

实施例涉及用于传感器（比如磁场传感器）的预测性输出切换阈值确定系统和方法。在实施例中，分别针对铁磁齿轮或极轮中的每个齿或极预测性地确定而不是反应性地确定至少一个单独的切换阈值。比如，在一个实施例中，齿或极的个数被编程，并且用于每个齿或极的最优阈值在轮的旋转期间被确定。用于每个齿的确定的最优阈值然后在轮的至少一个随后旋转中被用于该齿，其中在将来随后旋转中可选地进行校准。因此，在实施例中，阈值对每个单独的齿或极是预测性的而不是对相邻的齿或极是反应性的。

实施例由此能够提供改进的相位精确性同时也更好校准和/或补偿振摆、传感器和目标轮之间的制造和定位容差。这些和其它实施例也提供如本文讨论的额外的好处和优点。

参考图3，描绘了包括与目标轮104间隔开的传感器102的传感器系统100。在实施例中，传感器102包括诸如霍尔（Hall）效应传感器的磁场传感器，尽管在实施例中传感器102能够包括其它传感器类型。传感器102也包括本文以下讨论的信号处理电路。

在其中传感器102包括磁场传感器的实施例中，目标轮104是铁磁的并且包括齿轮（如在图3中所描绘）、极轮或一些其它合适的目标装置。传感器系统100也能够包括背偏置磁铁（未被描绘）。在其中使用某一其它类型的传感器102的实施例中，目标轮包括某一其它合适目标，其旋转或运动能够被传感器102检测。在图3描绘的实施例中，目标轮104包括四个齿106，但是该个数在其它实施例中能够更高或更低。为了方便，如在图3中描绘的四齿轮贯穿本文将被用作示例目标轮104，但是关于其它实施例绝不是被看作限制。在实施例中，齿或极的个数能够被编程进传感器系统100的存储器（诸如EEPROM），或齿的个数能够被传感器系统100检测。

目标轮104的每个齿106为了方便在图3中被描绘为在尺寸上近似相等，即相对于目标轮104的凹部108或剩余部具有大约相同的宽度和相同的高度。在实际中，齿106能够有意或无意地彼此变化。比如，齿106能够有意地彼此变化，以使得传感器系统100能够更容易地、确切地确定目标轮104处于旋转中的何处。齿106也能够无意地彼此变化，比如因为制造容差或缺陷。

在操作中，目标轮104旋转，从而生成能够被传感器102感测的变化磁场。参考图4，由传感器102感测的信号能够类似信号110。与齿1-4中的每一个有关的信号110的部分在信号110以上被识别。如所描绘的信号110表明四个齿之间的差异（在图3中未被描绘），以使得磁场的相对最大强度和相位在旋转期间变化。最小的强度相对恒定，尽管在其它实施例中这也能够变化。随着目标轮104旋转以及被传感器102检测的磁场从高变化到低，传感器系统100因此从高切换到低，或从开切换到关。

对于改进的相位精确性，期望的是对于更小和更大的齿在几何学上相同的点处从高切换到低，并且反之亦然。比如，在一个实施例中，最优的是当磁场到达特定齿的最大值的大约70%时（即当幅度的K=0.7时）从低切换到高。同样地，然后能够最优的是当磁场落到与该特定齿相关联的场的最大值的70%以下时从高切换回到低。当齿的尺寸变化时，K也能够从齿到齿地变化，如通过在图4中描绘的示例最优阈值所图解。

虽然K的值能够针对传感器系统100被编程，但是不实际的是（如果不是不可能的话）对相应的最优阈值编程，所述最优阈值与用于传感器系统100的每个实施的每个目标轮104的每个单独齿的该K相关联。而且，因为振摆、温度改变、定位和出于许多其它原因，最优阈值能够变化。

因此，在实施例中，传感器系统100在目标轮104的至少一个旋转期间确定用于每个齿的最优阈值。在实施例中，至少一个旋转能够是目标轮104的第一旋转、目标轮104的之前的旋转或目标轮104的当前的旋转、或它们的一些组合。而且，传感器系统100的实施例预测性地使用确定的最优阈值，从而在随后旋转中将所述阈值应用于相同齿的将来实例。为计及能够在最优阈值已经被初始地确定之后在操作期间发生的事件，诸如温度变化或其它能够更改传感器102和目标轮104中的一者或两者的定位的事件，最优阈值能够在将来旋转中持续被预测性地确定以提供校准。在实施例中，最优阈值能够每个旋转或以某一其它间隔被再确定或被校准，而在其它实施例中最优阈值能够被一次确定并且在正在进行的基础上被使用。不管是否实施被校准，确定的最优切换阈值被预测性地使用，即，它们在目标轮104的第一旋转期间针对每个齿进行确定并且在至少一个随后旋转中被应用于该相同齿的将来实例。

参考图5A，描绘了确定最优切换阈值的一个方法。在图5A的实施例中，传感器系统100使用在齿1的第一旋转期间的最大值和在该第一旋转中齿1-4中的每一个的最小值的平均值，连同编程的或动态确定的K值，以预测性地确定用于在随后中齿1的下一个实例的最优阈值。同样地，传感器系统100使用齿2的第一实例的最大值和齿1-4的第一实例的最小值的平均值以预测性地确定用于齿2的第二实例的最优阈值。相似的方法论能够被延伸以确定齿3和4的第二实例中的每一个的最优切换阈值。

参考图5B，描绘了另一个方法论，在其中齿的最大值和两个相邻的最小值被用来预测该齿的下一个实例的最优切换阈值。比如，齿1的第一实例的最大值以及紧接地先于该最大值的最小值和紧接地跟随该最大值的最小值，连同编程的K值，被用来预测齿1的第二实例的最优切换阈值。该相同的方案能够被延伸用于其它齿。

图5A和5B的实施例各自能够提供如下实施例：所述实施例分别能够对于一个应用或另一个应用是更合适的。比如，图5B能够在实施例中具有更低的存储器要求，因为所有的四个最小值不需要被储存以确定平均值，并且尽管在一些应用中这能够是有利的，但是在其它应用中它可以不是决定性因素。从根本上，各种实施例提供能够被考虑用于任何特定应用的选择范围。

在实施例中，能够使用图5A和5B中的每一个的最小值/最大值对立面。比如，参考图5A的方法，能够使用单独的最小值和最大值的平均值，或参考图5B，能够使用单独的最小值和两个相邻的最大值。额外地，特定的方法论不需要是单一的，比如在实施例中传感器系统100能够在图5A的方案和图5B的方案之间交替，或在其它如所讨论的方法论之间交替。在实施例中，传感器系统100能够利用两个方法论以及给定应用和/或条件而动态地决定哪个将是最适合的能力来编程。

参考图5C，在其它实施例中不仅对于每个齿或极而且对于每个沿能够确定不同的最优切换阈值，例如用于相同的齿或极的上升沿比对下降沿的不同的最优切换阈值。因此，在图3的实施例中（在其中目标轮104包括四个齿106），传感器系统100将计算八个最优切换阈值，两个阈值对于每个齿106。

参考图6，也必须考虑从一个最优阈值切换到用于下面齿的下一个最优阈值的定时。在最优阈值和提供给偏移调节回路的反馈的数量之间的差异被描绘为增量（delta）阈值。从当前最优阈值切换到下一个最优阈值的过程（包含定时）在实施例中被最优地触发以避免寄生切换或切换到错误的阈值。该最优触发也能够考虑在传感器系统100之内的滞后效应。因此，如图6中所描绘，在实施例中能够实施安全区带以阻止过早的切换。在一个实施例中，下一个阈值在下降沿上被传送所处的点加上滞后因子定义每个安全区带，其中安全区带对于上升沿和下降沿两者延伸。

滞后能够以若干方法被应对。在实施例中，滞后因子能够被固定。比如，滞后因子能够在传感器系统100中基于在其中系统100将被实施的已知的应用或情形被编程。在一个实施例中示例滞后值大约是3mT，尽管在其它实施例中这能够变化。在其它实施例中，滞后因子能够适配于信号幅度。在这些实施例中，传感器系统100能够被编程以使用与用于计算最优阈值的相同的信息来内部地计算滞后因子，假定滞后与信号幅度成比例。比如，在第一旋转中（在其中最优阈值被确定）传感器系统100能够使用最大值和最小值以确定幅度并且因此确定适合的滞后因子。如图6中所描绘，切换点120然后能够被识别，在该处传感器系统100能够切换要被使用的最优阈值。

对于图5C的实施例（在其中每个齿或极具有两个最优阈值，一个用于上升沿并且另一个用于下降沿），传感器系统100能够基于储存的对应于特定上升沿或下降沿的最大值和最小值来持续地计算安全区带。对于在两个连续的阈值之间要发生的变化，可以实施在阈值上方的等价安全区带，所述等价安全区带也考虑滞后。

参考图7，描绘了传感器系统100的电路130的实施例。电路130接收来自传感器元件（诸如之前讨论的霍尔元件）的模拟输入信号132。该信号被传送经过模拟信号处理块134并且然后在模拟回路中被传送到模数转换器（ADC）和数模转换器（DCA）136用于（一个或多个）最优阈值的偏移调节和确定。在模拟信号处理134之后，该信号也被传送到转换器138，其中该信号与从与特定输入信号132有关的齿或极的上一个实例确定的适合的预测性最优阈值比较，所述特定输入信号132被考虑以确定是否要进行输出切换140。

参考图8，描绘了用于实施本发明的实施例的电路150的另一个实施例以及相关的信号图。参考图8A，电路150包括两系列移位寄存器152和154，每个系列用于最大值和最小值。电路150包括用于每个齿的每个系列152和154中的移位寄存器。因此图8A的实施例各自包括四个，对应于图3的实施例。

移位寄存器152和154缓冲每个最大值和最小值并且将那些值传送到DAC 156和158（被延迟目标轮的一个旋转）。因此，参考图8B，Bop1从Pk2和Pk3确定；Brp1由Pk3和Pk4确定，其中一个旋转周期之前Pk2、Pk3和Pk4被确定并且被储存。

实施例因此采用预测性的最优阈值确定以改进输出信号切换性能。各种实施例能够采用不同的信号因子（诸如最大值、最小值和/或一者或两者的平均值）以预测性地确定与目标轮的特定部分（例如齿或极）相关联的最优阈值，其中那些最优阈值被实施用于目标轮的至少一个将来旋转。与传统的单个阈值和/或反应性系统相比，能够提供如本文以上讨论的多种优点。

本文已经讨论了系统、装置和方法的各种实施例。这些实施例被给定只作为示例并且不意图限制本发明的范围。而且应该被意识到，已经被描述的实施例的各种特征可以以各种方法组合以生成多种额外的实施例。而且尽管各种材料、尺度、形状、配置和位置等已经被描述用于与公开的实施例一起使用，但是可以采用除了公开的那些之外的其它材料、尺度、形状、配置和位置而没有超出本发明的范围。

相关领域的普通技术人员将意识到，本发明可以包括比在以上描述的任何单独实施例中图解的更少的特征。本文描述的实施例不打算是对在其中可以组合本发明的各种特征的方法的详尽无遗的展示。因此，实施例不是特征的相互排除的组合，而是本发明可以包括选自不同单独实施例的不同单独特征的组合，如被本领域的普通技术人员所理解。而且关于一个实施例所描述的元件可以在其它实施例中实施，即使在这样的实施例中未被描述时，除非另外指出。尽管从属权利要求在权利要求中可以指的是与一个或多个其它权利要求的特定组合，但是其它实施例也可以包含从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题内容的组合或一个或多个特征与其它从属权利要求或独立权利要求的组合。本文提出这样的组合，除非陈述不意图于特定的组合。此外，也意图于将权利要求的特征包含在任何其它独立权利要求中，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

通过引用对以上文档的任何结合被限制成使得没有与本文的明确公开内容相对立的主题内容被结合。通过引用对以上文档的任何结合被进一步限制成使得没有在文档中包含的权利要求通过引用被结合于本文。通过引用对以上文档的任何结合被又进一步限制成使得在文档中提供的任何定义不通过引用被结合于本文，除非本文明确地包含。

为了阐释本发明的权利要求的目的，明确意图的是35 U.S.C.的第112节第六款的条款不被援引，除非在权利要求中叙述了特定的术语“用于...的装置”或“用于...的步骤”。

Claims (34)

1.一种传感器系统，包括：

目标轮，包括多个目标元件；以及

传感器，包括耦合到传感器电路的传感器元件，传感器元件配置成感测目标轮的旋转并且为多个目标元件中的每一个提供包括最大值和最小值的输出信号，传感器电路配置成使用与多个目标元件中的一个有关的至少一个最大值和至少一个最小值以预测用于多个目标元件中的该一个的将来实例的最优切换阈值。

2.权利要求1的所述传感器系统，其中目标轮包括极轮或齿轮中的一个并且目标元件分别包括极或齿中的一个。

3.权利要求1或2的所述传感器系统，其中传感器元件包括磁场传感器元件。

4.权利要求3的所述传感器系统，其中磁场传感器元件包括霍尔元件。

5.权利要求3或4的所述传感器系统，进一步包括背偏置磁铁。

6.权利要求1到5中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成预测用于多个目标元件中的该一个的将来实例的单个最优阈值。

7.权利要求1到6中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成预测用于多个目标元件中的该一个的将来实例的上升沿最优阈值和下降沿最优阈值。

8.权利要求1到7中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成使用在一个旋转中针对多个目标元件中的一个的最大值和针对多个目标元件的最小值的平均值以预测用于多个目标元件中的该一个的至少下一个实例的最优切换阈值。

9.权利要求1到8中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成使用针对多个目标元件中的一个的最大值、紧接地先于最大值的最小值和紧接地跟随最大值的最小值以预测用于多个目标元件中的该一个的至少下一个实例的最优切换阈值。

10.权利要求1到9中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成使用在一个旋转中针对多个目标元件中的一个的最小值和针对多个目标元件的最大值的平均值以预测用于多个目标元件中的该一个的至少下一个实例的最优切换阈值。

11.权利要求1到10中的一个的所述传感器系统，其中所述传感器电路被配置成使用针对多个目标元件中的一个的最小值、紧接地先于最小值的最大值和紧接地跟随最小值的最大值以预测用于多个目标元件中的该一个的至少下一个实例的最优切换阈值。

12.权利要求1到11中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成确定用于每个最优阈值的安全区带，安全区带定义传感器电路能够从将输出信号与当前最优阈值比较过渡到将输出信号与随后最优阈值比较的点。

13.权利要求1到12中的一个的所述传感器系统，其中安全区带包括滞后补偿分量。

14.权利要求13的所述传感器系统，其中滞后补偿分量是预编程的。

15.权利要求13或14的所述传感器系统，其中滞后补偿分量由传感器电路从信号幅度确定。

16.权利要求1到15中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路包括模拟信号处理电路、比较器、数模转换器和模数转换器。

17.权利要求1到16中的一个的所述传感器系统，其中比较器被配置成将来自传感器元件的输出信号与最优切换阈值比较。

18.权利要求1到17中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路包括多个移位寄存器，多个移位寄存器的第一子集各自被配置成储存针对目标元件中的一个的最大值，并且多个移位寄存器的第二子集各自被配置成储存针对目标元件中的一个的最小值，多个移位寄存器被配置成缓冲最大值和最小值直到与最大值和最小值的特定集合相关联的目标元件的下一个实例。

19.权利要求1到18中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被配置成检测多个目标元件的总个数。

20.权利要求1到19中的一个的所述传感器系统，其中传感器电路被预编程带有多个目标元件的总个数。

21.一种方法，包括：

通过传感器元件在目标轮的第一旋转期间检测针对每个目标元件的最大值和最小值；并且

使用与特定目标元件有关的至少一个最大值和至少一个最小值以预测在目标轮的至少一个随后旋转中用于该目标元件的最优切换阈值。

22.权利要求21的所述方法，包括通过在所述目标轮的每个旋转中重复检测和使用来校准最优切换阈值。

23.权利要求21或22的所述方法，其中使用包括使用针对特定目标元件的最大值、紧接地先于最大值的最小值和紧接地跟随最大值的最小值以预测用于特定目标元件的至少下一个实例的最优切换阈值。

24.权利要求21到23中的一个的所述方法，其中使用包括使用针对特定目标元件的最小值、紧接地先于最小值的最大值和紧接地跟随最小值的最大值以预测用于特定目标元件的至少下一个实例的最优切换阈值。

25.权利要求21到24中的一个的所述方法，其中使用包括使用来自第一旋转、之前旋转或当前旋转中的至少一个的针对特定目标元件的最大值和最小值的平均值以预测用于特定目标元件的至少下一个实例的最优切换阈值。

26.权利要求21到25中的一个的所述方法，其中使用包括使用来自第一旋转、之前旋转或当前旋转中的至少一个的针对特定目标元件的最小值和最大值的平均值以预测用于特定目标元件的至少下一个实例的最优切换阈值。

27.权利要求21到26中的一个的所述方法，进一步包括确定用于最优切换阈值的安全区带，安全区带定义从用于第一目标元件的最优切换阈值切换到用于下一个目标元件的最优切换阈值的点。

28.权利要求27的所述方法，其中确定安全区带包括包含滞后因子。

29.权利要求28的所述方法，其中包含滞后因子包括使用预编程的滞后因子。

30.权利要求28或29的所述方法，其中包含滞后因子包括从针对目标元件的最大值和最小值动态地确定滞后因子。

31.一种传感器，包括：

传感器元件，配置成提供输入信号；以及

传感器电路，耦合到传感器元件以接收输入信号，传感器电路包括比较器，所述比较器被配置成将输入信号的部分与对输入信号的部分预测的最优切换阈值比较并且依赖于该比较来切换传感器电路的输出。

32.权利要求31的所述传感器，其中传感器元件包括磁场传感器元件。

33.权利要求32的所述传感器，其中磁场传感器元件包括霍尔效应元件。

34.权利要求31到33中的一个的所述传感器，其中传感器电路包括耦合在传感器元件和比较器之间的模拟信号处理电路。