CN104487664B - 用于确定第一物体和第二物体之间相互位置的方法和位置传感器组件 - Google Patents

Abstract

用于确定第一物体和第二物体之间相互位置的方法和位置传感器组件。本发明涉及一种用于确定第一物体和第二物体之间相互位置的方法和位置传感器组件。该位置传感器组件包括第一主体，线圈，控制单元和传感器电路，所述第一主体关于所述线圈在轴向上可往返移动。所述传感器电路又包括连接到第一支路的比较器，第一支路包括相互串联连接的所述线圈，电源开关以及测量电阻。

Description

用于确定第一物体和第二物体之间相互位置的方法和位置传 感器组件

技术领域

本发明一般涉及用于确定第一物体和第二物体之间相互位置的方法和位置传感器组件。特别地，本发明涉及用于确定内燃机中阀和阀座之间的相互位置的方法和位置传感器组件。该位置传感器组件包括第一主体、线圈、控制单元以及传感器电路，所述第一主体关于所述线圈在轴向上可往返移动。传感器电路又包括连接到第一支路的比较器，第一支路包括相互串联连接的所述线圈、电源开关以及测量电阻。

在此，本发明将会关于阀和阀座之间相互位置的确定进行描述，但不限于此；例如，本发明可用于确定车辆等中动力系的自动离合器的不同部件之间的相互位置，其中，必须采用高精度来对高速物体进行定位。

背景技术

很久以来已知，位置传感器组件布置为确定/跟踪内燃机气缸中阀的位置。然而，位置传感器组件的早期变型，关于超高移动的物体，例如汽车内燃机中的阀，是不足够快速和精确来使用。在汽车工业中，有额外的需求，即，使用的系统应该是稳健的并且以最小成本具有很强的可靠性。在最近几年中，系统呈现出包括固定线圈/电感，固定线圈/电感与由导电材料制造的可运动体相互作用，所述可运动体与阀连接，并且随其一起运动。

例如，参见美国专利US7032549，其公开了位置传感器组件，包括振荡器、第一主体、线圈、控制单元以及传感器电路，所述第一主体关于所述线圈在轴向上可往返移动并且在所述线圈外部。传感器电路又包括连接到第一支路的比较器，第一支路包括相互串联连接的所述线圈、振荡器以及测量电阻。当线圈被激励时，其配置为产生振荡磁场，该振荡磁场又在可移动主体中感应出涡流，这会引起线圈被短路。线圈短路的改变程度与线圈和主体之间的相互重叠的改变成比例。随后，比较器基于振荡器的供电电压和测量电阻两端的电压之间的相移，确定阀的位置，该相移随着线圈和主体之间的重叠增加而增加。

然而，所述位置传感器组件被如下缺点损害，即同样包括振荡器或提供交流电压信号的类似信号产生器，相对而言，由于振荡器持续在运行，因此不断需要能量。此外，所述方法包括部分模拟信号，其使得相互位置仅仅能够相对来说，以较低的时间和定位分辨率而确定。

发明内容

本发明目的在于消除上述已知位置传感器组件的不利和缺点并且目的在于提供一种改善的方法和位置传感器组件用于确定第一物体和第二物体之间的相互位置。本发明的主要目的是提供通过引入方式限定的类型的改善的方法和位置传感器组件，其中，相互位置的确定能以高精度同时低能耗被完成。

本发明的另一个目的是提供一种方法，使得在相互位置的相互孤立确定之间的可选择距离成为可能。

本发明的另一个目的是提供一种被完全数字化的位置传感器组件，其给出了简单和廉价的方案，仍然能够以高精度确定相互位置。

本发明的另一个目的是提供一种稳健和非接触的位置传感器组件。

本发明的另一个目的是提供一种包括很少并且廉价组件的位置传感器组件。

根据本发明，至少主要目的是通过由引入的方式限定并且具有独立权利要求中限定的特征的方法和位置传感器组件实现的。本发明的优选实施例在从属权利要求中进一步限定。

根据本发明的第一方面，提供了一种通过引入的方式限定的类型的方法，该方法包括如下步骤：

-将数字输入信号脉冲的上升沿(upflank)从控制单元发送到电源开关，以产生电源开关从打开到闭合的状态变化，

-在控制单元中，检测来自比较器的输出信号的第一状态变化，和

-基于输入信号脉冲的上升沿和输出信号的第一状态变化之间的延迟确定所述第一主体和所述线圈之间相互位置，

或包括如下步骤：

-将数字输入信号脉冲的上升沿从控制单元发送到电源开关，以产生电源开关从打开到闭合的状态变化，

-在控制单元中，检测来自比较器的输出信号的第一状态变化，

-在控制单元中，检测所述输出信号的第二状态变化，和

-基于输出信号的第一状态变化和输出信号的第二状态变化之间的延迟确定所述第一主体和所述线圈之间的相互位置。

根据本发明的第二方面，提供了一种位置传感器组件，该位置传感器组件的传感器电路包括：

-第一支路，包括所述线圈，测量电阻以及电源开关，该电源开关具有可操作连接到所述控制单元用于接收单独数字输入信号脉冲的输入端，以及

-比较器，其通过第一输入端连接到所述第一支路以获得测量电阻两端的瞬时测量电压，并且其进一步包括用于获得瞬时参考电压的第二输入端，以及可操作连接到所述控制单元用于基于所述测量电压和所述参考电压之间的相互关系输出数字输出信号的单独状态变化的输出端。

因此，本发明基于如下理解，即通过利用单独数字输入信号脉冲以及因此引起的单独数字输出信号脉冲，获取以长时间和位置分辨率以及低能耗确定第一物体和第二物体之间的相互位置的可能性。

根据本发明的优选实施例，来自比较器的输出信号的所述第一状态变化是数字输出信号脉冲的上升沿，并且其中来自比较器的输出信号的所述第二状态变化是所述数字输出信号脉冲的下降沿(downflank)。

根据优选实施例，位置传感器组件的传感器电路包括连接在比较器的输出端和比较器的第二输入端之间的反馈支路。这意味着，当来自比较器的输出信号状态变化时，由于状态变化被保证和由电噪声等引起的多种快速状态变化被消除，促进了相互位置的确定。

优选地，位置传感器组件的第一主体在线圈内部的轴向上是可移动的。这就需要通过具有在给定驱动功率处的给定电感的线圈，实现更强的电感改变并且因此实现信号和噪声之间更好的关系。

由其他从属权利要求以及下面优选实施例的详细说明可以明显看出本发明进一步的优点和特征。

附图说明

本发明的上述以及其他特征和优点的更完整理解将会由参考附图的下面优选实施例的详细说明而变得清楚，附图中：

图1是连接到根据本发明的位置传感器组件的阀的示意性截面图，阀处于闭合状态，

图2是图1中处于打开状态阀的示意性截面图，

图3是根据第一实施例的传感器电路的示意性表示，

图4是根据第二实施例的传感器电路的示意性表示，

图5是根据第三实施例的传感器电路的示意性表示，

图6是根据第四实施例的传感器电路的示意性表示，

图7是根据第五实施例的传感器电路的示意性表示，

图8是根据第六实施例的传感器电路的示意性表示。

具体实施方式

首先参照图1和图2，其示出了包括本发明的应用的例子。本发明一般涉及一种用于确定第一物体1和第二物体2之间相互位置的方法和位置传感器组件。在图1和2示出的应用中，所述第一物体是阀1并且所述第二物体是阀座2，阀1和阀座2布置在内燃机中。在下文中，本发明将会关于阀1和阀座2之间相互位置的确定进行描述，而不限于此。阀1可以在图1的关闭位置和图2的打开位置之间的轴向上往返移动。应该指出的是，阀1可以是内燃机汽缸之一中的进气阀也可以是排气阀。

阀1具有阀杆3和阀头4。阀杆3延伸通过阀杆密封5并且被阀杆密封5引导，而阀头4布置为与所述阀座2相互作用用于分别交替地允许和阻止气体的通过。阀杆密封5布置在内燃机的固定部件6的通孔中。阀1优选通过气压和/或液压致动器(未示出)移动，该致动器作用在阀1的阀杆3的上端7，以便将阀1从其关闭位置移动到其打开位置。此外，内燃机优选包括传统的，示意性示出的阀弹簧8，其布置为将阀1从其打开位置带回其关闭位置。阀弹簧8在其下端作用直接或间接地抵靠着内燃机的静止部件6，而在其上端作用从而抵靠在承载器9上，或阀弹簧定位器上，承载器9或阀弹簧定位器连接到在阀杆3的上端7的区域中的阀杆3。

位置传感器组件布置为确定阀1和阀座2之间的相互位置，即确定阀1在哪里以及阀座2的阀开口打开到何种程度，或换句话说，当前阀提升到何种程度。

现在也参照图3，其示出了根据第一实施例的传感器电路的示意性表示。位置传感器组件包括可连接到所述阀1的第一主体10，线圈或可连接到所述阀座2的电感11，控制单元(未示出)，以及传感器电路，通常由12标出。控制单元是读取指令并且解释指令以及随后将需要的指令给到另一个单元的单元。

第一主体10是导电体，优选由非磁性金属，例如铝制成。然而，所述第一主体10由磁性金属例如压缩铁粉体制成也是可行的。应该指出的是，第一主体10优选连接到承载器9，或承载器9是所述第一主体10的一部分。所述第一主体10关于所述线圈11在轴向上可往返移动，并且所述第一主体10优选在轴向上，在线圈11的径向内部可移动。在示出的实施例中，第一主体10由管段组成，管段具有25mm的外径并且关于阀杆3同心地布置，阀弹簧8布置于所述第一主体10的径向内部。

在示出的实施例中，线圈11布置于套筒14的座13中，套筒14连接到内燃机的固定部件6。套筒14，座13和线圈11优选关于阀杆3同心布置。线圈11优选由铜制成，并且包括，例如，具有内径为28mm的44个绕组。

传感器电路12包括第一支路和比较器15。传感器电路12的第一支路包括所述线圈11，电源开关16，以及测量电阻18，电源开关16具有可操作地连接到所述控制单元用于输入单独数字输入信号脉冲的输入端17，线圈11、电源开关16以及测量电阻18相互串联连接。此外，所述第一支路连接在电压源19和地之间，电压源19优选大约为+5V。应该指出的是，倘若第一阀和第二阀不具有重叠的阀升程曲线，所述线圈可由串联连接的两个线圈组成，两个线圈中的第一线圈属于第一阀，而第二线圈属于第二阀。

传感器电路12的比较器15通过第一属入端20连接到所述第一支路以获取测量电阻18两端的瞬时测量电压，并且包括用于获取瞬时参考电压的第二输入端21和可操作地连接到所述控制单元用于输出数字输出信号的单独状态变化的输出端22。

比较器15布置为获取和比较测量电阻18两端的瞬时测量电压与瞬时参考电压，并且布置为，基于测量电压和参考电压之间的相互关系，产生数字输出信号的状态变化。在测量电压和参考电压相互改变大小顺序时，即在相互改变关于它们之间哪一个值是最大的次序时，来自比较器15的输出端22的数字输出信号的状态变化被产生。

位置传感器组件以下面的方式运行。当为了让气体从内燃机的汽缸中进入或排出，阀1关于阀座2被移动时，第一主体10也关于线圈11被移动。当第一主体10和线圈11之间的重叠增加时，用于将测量电压改变到预定值所经过的时间按比例减少，这是由于线圈11被第一主体10影响而短路到不同程度的结果。根据优选实施例，该改变的持续时间在0mm重叠处近似为5.5微秒，在5mm重叠处近似为4.0微秒，并且在10mm重叠处近似为2.8微秒。当线圈11两端的电压改变时，测量电阻18两端的测量电压也改变，并且由于电源开关16发生从打开到闭合的状态变化，线圈11两端的电压改变。

在本发明一般的创造性概念的范围内，所述变化的持续时间可根据两种方法确定，这两种方法给出了对现有技术的一致贡献，但它们是不适于完全一致地被限定的相同基本构思的实现。

根据第一方法，根据本发明该方法包括如下步骤：将来自控制单元的数字输入信号脉冲的上升沿或正侧沿(positive flank)发送到电源开关16以产生电源开关16从打开到闭合的状态变化；在控制单元中，检测来自比较器15的输出信号的第一状态变化；以及基于输入信号脉冲的上升沿和输出信号的第一状态变化之间的时延确定所述第一主体10和所述线圈11之间的相互位置。所述相互位置的确定可发生在所述控制单元中或发生在可操作连接到该控制单元的另一部件中。

根据第二方法，根据本发明的该方法包括如下步骤：将来自控制单元的数字输入信号脉冲的上升沿发送到电源开关16以产生电源开关16从打开到闭合的状态变化；在控制单元中，检测来自比较器15的输出信号的第一状态变化；在控制单元中，检测所述输出信号的第二状态变化；以及基于输出信号的第一状态变化和输出信号的第二状态变化之间的时延确定所述第一主体10和所述线圈11之间的相互位置。所述相互位置的确定可发生在所述控制单元中或可操作连接到该控制单元的另一部件中。

上述第一方法是基于这样的传感器电路设计，其中在输入信号脉冲的上升沿和输出信号的第一状态变化之间存在时延。上述第二方法相反是基于这样的传感器电路设计，其中输入信号脉冲的上升沿和输出信号的第一状态变化一起发生。

优选地，来自比较器15的输出信号的所述第一状态变化是数字输出信号脉冲的上升沿，来自比较器15的输出信号的所述第二状态变化是所述数字输出信号脉冲的下降沿。

根据优选实施例，上述第一方法还包括如下步骤，基于来自比较器15的输出信号的所述第一状态变化的检测，将来自控制单元的所述数字输入信号脉冲的下降沿或负侧沿(negative flank)发送到电源开关16以产生电源开关16从闭合到打开的状态变化。根据优选实施例，上述第二方法还包括如下步骤，基于来自比较器15的输出信号的所述第二状态变化的检测，将来自控制单元的所述数字输入信号脉冲的下降沿发送到电源开关16以产生电源开关16从闭合到打开的状态变化。换句话说，数字输入信号脉冲的持续时间应该被保持的尽可能短以便节能。

本发明的一大优点在于阀1和阀座2之间的相互位置的确定能被选择为仅当存在确定相互位置的理由时，即，当阀1在移动时才做出。阀1的移动是基于内燃机曲轴的移动，并且在通常的内燃机中是在近似为曲轴完整旋转的1/2转期间的移动中。在阀1在移动的时间周期期间，在每个曲柄角优选做出一次阀1的位置确定，即在曲轴的一次旋转期间做出近似180次。然而，应该说明的是，阀1和阀座2之间的相互位置还可在阀1不移动时被确定，例如，当阀1与阀座2接触时，其中为了校正位置传感器组件。

在下文中，将会描述位置传感器组件的传感器电路12的许多实现，他们拥有一个共同点就是，传感器电路12包括第二支路，该第二支路连接在电压源19和地之间并且包括第一参考电阻23和第二参考电阻24，其相互串联连接，比较器15的第二输入端21在位于所述第一参考电阻23和所述第二参考电阻24之间的点处被连接到所述第二支路。此外，比较器15的第一输入端20在位于所述测量电阻18和线圈11之间的点处被连接到所述第一支路。

为了按照上述第一方法起作用，传感器电路12可以，例如按照图4来实现，图4示出了根据第二实施例的传感器电路12的示意性表示，或按照图5来实现，图5示出了根据第三实施例的传感器电路12的示意性表示。这些实施例的共同点在于线圈11位于电压源19和第一支路上连接到比较器15的第一输入端20的点之间。应该指出的是，电源开关16关于线圈11和测量电阻18的位置是可自由选择的。在图5示出的第三实施例中，除了在按照图4的第二实施例中示出的以外，传感器电路12包括反馈支路25，或放大支路，连接在比较器15的输出端22和比较器15的第二输入端21之间，以便确保比较器15的输出信号的状态变化用于消除电噪声等引起的多个快速状态变化。

为了按照上述第二种方法起作用，传感器电路12可以，例如按照图6来实现，图6示出了根据第四实施例的传感器电路12的示意性表示，或按照图7来实现，图7示出了根据第五实施例的传感器电路12的示意性表示。这些实施例的共同点在于测量电阻18位于电压源19和第一支路上连接到比较器15的第一输入端20的点之间。应该指出的是电源开关16关于线圈11和测量电阻18的位置是可以自由选择的。在第四实施例中，如图6所示，除了在根据图7的第五实施例中示出的以外，传感器电路12包括反馈支路25，或放大支路，连接在比较器15的输出端22和比较器15的第二输入端21之间。

在图8中，能找到根据第六实施例的传感器电路12的示意性表示，该传感器电路被实现以便按照上述第二方法起作用。在该实施例中，传感器电路包括反馈支路25，或放大支路，连接在比较器15的输出端22和比较器15的第一输入端20之间，并且测量电阻18位于电压源19和第一支路上连接到比较器15的第一输入端20的点之间。此外，电源开关16布置为与地邻近，以及传感器电路12包括并联跨接在电源开关16两端的同步电阻26，传感器电路12的第一支路和第二支路的每一个都与同步电阻26以及电源开关16串联连接。

本发明可能的修改。本发明不仅仅限于上述实施例和附图中所示出的，这些仅仅是示意性的和举例的目的。本专利申请意在覆盖此处描述的优选实施例的所有改编和变形，并且因此本发明通过所附权利要求的措词限定，而装置可以相应地以在所附权利要求范围内的所有可行方式修改。

应该指出的是，关于/对于术语例如之上，之下，上方，下方等的所有信息，应该以按照附图取向的装置来解释/阅读，以这样方式取向的附图，其附图标记能以适当的方式被阅读。因此，这样的术语仅仅表示在示出的实施例中的相互关系，如果根据本发明的装置具有另一种结构/设计，这些相互关系可以改变。

应该指出的是，即使没有明确提出一个具体实施例中的特征能与另一个实施例的特征结合，在可能时这也应该认为是明显的。

Claims (12)

1.用于通过位置传感器组件确定第一主体(10)和线圈(11)之间相互位置的方法，该位置传感器组件包括所述第一主体(10)，所述线圈(11)，控制单元，以及传感器电路(12)，所述第一主体(10)在轴向上关于所述线圈(11)可往返移动，传感器电路(12)包括连接到第一支路的比较器(15)，第一支路包括相互串联连接的所述线圈(11)，电源开关(16)和测量电阻(18)，所述比较器(15)布置为获取并且比较测量电阻(18)两端的瞬时测量电压和瞬时参考电压的相互大小顺序关系，并且布置为，基于所述测量电压和参考电压之间的相互大小顺序关系的改变，产生数字输出信号的状态变化，该方法包括如下步骤：

-将数字输入信号脉冲的上升沿从控制单元发送到电源开关(16)以产生电源开关(16)从打开到闭合的状态变化，

-在控制单元中，检测来自比较器(15)的输出信号的第一状态变化，并且

-基于输入信号脉冲的上升沿和输出信号的第一状态变化之间的时延确定所述第一主体(10)和所述线圈(11)之间的相互位置，

或包括如下步骤：

-将数字输入信号脉冲的上升沿从控制单元发送到电源开关(16)以产生电源开关(16)从打开到闭合的状态变化，

-在控制单元中，检测来自比较器(15)的输出信号的第一状态变化，

-在控制单元中，检测所述输出信号的第二状态变化，并且

-基于输出信号的第一状态变化和输出信号的第二状态变化之间的时延确定所述第一主体(10)和所述线圈(11)之间的相互位置。

2.根据权利要求1的方法，其中所述来自比较器(15)的输出信号的第一状态变化是数字输出信号脉冲的上升沿，并且其中所述来自比较器(15)的输出信号的第二状态变化是所述数字输出信号脉冲的下降沿。

3.根据权利要求1的方法，其中所述方法，除了如下步骤：

-将数字输入信号脉冲的上升沿从控制单元发送到电源开关(16)以产生电源开关(16)从打开到闭合的状态变化，

-在控制单元中，检测来自比较器(15)的输出信号的第一状态变化，并且

-基于输入信号脉冲的上升沿和输出信号的第一状态变化之间的时延确定所述第一主体10)和所述线圈(11)之间的相互位置，

还包括如下步骤：

-基于来自比较器(15)的输出信号的所述第一状态变化的检测，将所述数字输入信号脉冲的下降沿从控制单元发送到电源开关(16)以产生电源开关(16)从闭合到打开的状态变化。

4.根据权利要求1或2的方法，其中该方法除了如下步骤：

-将数字输入信号脉冲的上升沿从控制单元发送到电源开关(16)以产生电源开关(16)从打开到闭合的状态变化，

-在控制单元中，检测来自比较器(15)的输出信号的第一状态变化，

-在控制单元中，检测所述输出信号的第二状态变化，并且

-基于输出信号的第一状态变化和输出信号的第二状态变化之间的时延确定所述第一主体(10)和所述线圈(11)之间的相互位置，

还包括如下步骤：

-基于来自比较器(15)的输出信号的所述第二状态变化的检测，将所述数字输入信号脉冲的下降沿从控制单元发送到电源开关(16)以产生电源开关(16)从闭合到打开的状态变化。

5.用于确定第一物体(1)和第二物体(2)之间相互位置的位置传感器组件，该位置传感器组件包括：

可连接到所述第一物体(1)的第一主体(10)，可连接到所述第二物体(2)的线圈(11)，控制单元，以及传感器电路(12)，所述第一主体(10)在轴向上关于所述线圈(11)可往返移动，

传感器电路(12)包括：

第一支路，包括所述线圈(11)，电源开关(16)，以及测量电阻(18)，该电源开关(16)具有可操作连接到所述控制单元用于接收单独数字输入信号脉冲的输入端，线圈(11)、电源开关(16)以及测量电阻(18)相互串联连接，

比较器(15)，其通过第一输入端(20)连接到所述第一支路以获取测量电阻(18)两端的瞬时测量电压，并且其进一步包括用于获取瞬时参考电压的第二输入端(21)以及可操作连接到所述控制单元用于基于所述测量电压和所述参考电压之间的相互大小顺序关系的改变，输出数字输出信号的单独状态变化的输出端(22)。

6.根据权利要求5的位置传感器组件，其中传感器电路(12)包括连接在比较器(15)的输出端(22)和比较器(15)的第二输入端(21)之间的反馈支路(25)。

7.根据权利要求5或6的位置传感器组件，其中传感器电路(12)的第一支路连接在电压源(19)和地之间，并且其中传感器电路(12)包括第二支路，其连接在电压源(19)和地之间并且其包括第一参考电阻(23)和第二参考电阻(24)，两个参考电阻相互串联连接，比较器(15)的第二输入端(21)在位于所述第一参考电阻(23)和所述第二参考电阻(24)之间的点处连接到所述第二支路。

8.根据权利要求7的位置传感器组件，其中电源开关(16)布置为邻近地。

9.根据权利要求8的位置传感器组件，其中传感器电路(12)包括并联跨接在电源开关(16)两端的同步电阻(26)，传感器电路(12)的第一支路和第二支路的每一个都与同步电阻(26)以及电源开关(16)串联连接。

10.根据权利要求5-9任意一项的位置传感器组件，其中所述第一主体(10)是电导体。

11.根据权利要求10的位置传感器组件，其中所述第一主体(10)由铝制造。

12.根据权利要求5-10任意一项的位置传感器组件，其中所述第一主体(10)在线圈(11)内部在轴向上可移动。