CN104487807B - 用于活动件的冗余绝对位置确定的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非接触式检测构件的绝对位置的设备，该构件可相对于磁敏传感器运动，并且具有被固定在活动件上的磁场源，其中位于一个平面内且在运动方向上空间错位的两个磁敏传感器与该磁场源间隔布置。在此规定了，如此冗余地设计该设备，使得其具有两个传感器元件，其中两个这样的磁敏传感器布置在每个传感器元件中。

Description

用于活动件的冗余绝对位置确定的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于活动件的冗余绝对位置确定的设备和方法。本发明具体涉及借助磁敏传感器的用于离轴应用和在轴应用的冗余绝对位置确定的设备和方法。
背景技术
WO2007/071383涉及一种用于非接触冗余位置确定的设备，其中，基于霍尔传感器构成的两个集成磁性角度传感器电路彼此叠置地安置在共同的外壳内，这两个电路通过绝缘中间层被相互分隔。
在这些角度传感器的情况下，转动磁体的转动轴线居中就位在以环形方式布置在电路上的集成霍尔传感器组的中心上方的结构是必不可少的。传感器元件相对于转动轴线的横向偏移导致角度误差增大，尤其是如果这些霍尔传感器位于在磁场源的磁极之间以大致直线方式延伸的竖向磁场Bz外部。
因此，在共同外壳内并排定位这些电路因而是无用的。为了相对于磁场源的转动轴线来使两个角度传感器定中，它们必须因此以彼此叠置的方式安装在共同的外壳内。
这种结构的缺点在于，以彼此叠置的方式(中间具有附加绝缘层)来安装电路需要付出较大努力。
另一缺点在于，磁体和传感器外壳之间竖向距离的容许范围受到彼此叠置的角度传感器结构的极大限制，这是因为位于底部的角度传感器和位于顶部的角度传感器都必须在用于磁场强度的最佳作用范围的容差窗口内。而且，这种结构只适用于轴向结构，其中角度传感器电路以垂直于且相对于转动轴线居中的方式位于磁场源下方。
在安全至关重要的应用中，例如用于电子转向系统EPS的驱动马达中，力可能会在负载变化时作用于待测驱动轴，例如所述力在轴向上移动该驱动轴。因为轴向结构的缘故，这种移位改变了安装在驱动轴端部处的磁场源与传感器之间的距离。为了避免因两个物体之间的机械接触而可能会对传感器或磁体带来损害，必须遵守磁场源和传感器之间的最小距离，而这又进一步限制了针对传感器和磁场源之间距离的误差范围。
发明内容
本发明基于以下目的，即，明确指出一种用于非接触检测可相对于磁敏传感器运动的构件的绝对位置的冗余传感器系统，该磁敏传感器能够如此布置，即其信号具有不等于90°的相移。
本发明尤其基于以下目的，即，提供一种用于所谓的离轴应用(就是说其中磁敏传感器位于活动件的对称轴线以外的应用)的冗余传感器系统，该系统能够实现利用两个独立的传感器系统来冗余地检测可转动安装件的位置。该磁敏传感器应该被理解为尤其是指霍尔传感器。
利用根据本发明的设备以及根据本发明的方法来实现这个目的。
本发明涉及一种用于非接触检测构件的绝对位置的设备，该构件可相对于磁敏传感器运动并具有固定在活动件上的磁场源，位于一个平面内的且在运动方向上空间错位的两个磁敏传感器与该磁场源间隔设置。规定了该设备具有冗余设计，例如具有两个传感器元件，两个这样的磁敏传感器布置在每个传感器元件中。
一个改进方案涉及一种用于所谓的离轴应用的设备，用于确定活动件的绝对转动位置。在此情况下规定，该活动件以可转动的方式安装，该平面平行于转动轴线布置。所述两个传感器元件容纳在一个共同外壳内，该外壳按照相对于磁场源侧固定不动的方式平行于转动轴线安装，每个所述传感器元件包括具有相关的评估电子装置的两个磁敏传感器，它们位于一个平面内并且在转动运动方向上空间错位，并且检测和评估磁场径向分量。
一个改进方案涉及一种用于所谓的在轴应用的设备用于确定活动件的绝对转动位置。在此情况下规定，该活动件以可转动方式安装，该平面垂直于转动轴线布置。所述两个传感器元件容纳在一个共同外壳内，外壳按照固定不动的方式平行于该平面布置，每个所述传感器元件包括具有相关的评估电子装置的两个磁敏传感器，它们在一个平面内并且在转动运动方向上空间错位，并且检测和评估磁场轴向分量。
这些磁敏传感器优选围绕转动轴线等距且对称地布置在该共同外壳内。
在此情况下规定，该活动件以可转动方式安装，并且该平面垂直于转动轴线布置。所述两个传感器元件容纳在共同的外壳中，该外壳以相对于磁场源侧固定不动的方式平行于转动轴线安装，每个所述传感器元件包括具有相关评估电子装置的两个磁敏传感器，它们位于一个平面内并且在转动运动方向上空间错位，并且检测和评估磁场轴向分量。
一个改进方案规定，在360°角度范围内检测该绝对转动位置，该磁场源呈具有两极对置磁化的盘形磁体或环形磁体形式。
另一个改进方案规定，在小于360°的角度范围内检测该绝对转动位置，该磁场源呈具有多极磁化的盘形磁体或环形磁体形式。
一个改进方案涉及一种用于确定可平移运动件的绝对线性位置的设备。规定了该活动件可线性移动，呈多极磁条形式且具有等长磁极的磁场源被固定在活动件上。在此情况下，这些磁敏传感器检测垂直于运动方向的磁场分量，此时一个传感器元件的两个磁敏传感器之间的距离、磁极长度和磁敏传感器相对于磁场源的位置应该如此选择，即来自每个传感器元件的传感器信号的最终的相移不是180°且不是360°。
用于检测绝对线性位置的设备的一个改进方案规定，两个传感器元件容纳在共同的外壳内，外壳按照固定不动的方式平行于运动方向与磁场源间隔安置，每个所述传感器元件包括具有相关的评估电子装置的两个磁敏传感器，这两个传感器位于一个平面内且在运动方向上空间错位，并且检测和评估磁场分量，可立即就绝对意义进行测量的范围对应于磁场源的磁极对的长度。
这些磁敏传感器可被共同集成在传感器芯片上。传感器元件本身也可以被集成在传感器芯片上。
本发明还涉及一种利用用于非接触检测可相对运动的且具有固定在该活动件上的磁场源的构件的设备来确定可相对于磁敏传感器运动的构件的绝对位置的方法，第一传感器元件和第二传感器元件与该磁场源间隔布置，在运动方向上空间错位的两个磁敏传感器布置在每个传感器元件中，在此规定，第一传感器信号利用每个传感器元件的第一磁敏传感器来测量，第二传感器信号利用每个传感器元件的第二磁敏传感器来测量，第一传感器信号和第二传感器信号代表磁场分量，并且这些传感器信号具有在或者范围内的相移规定了
-通过预定的信号摆幅除以相应的传感器信号的最大值和最小值之差来确定幅值比例，
-由传感器信号的最大值和最小值确定传感器信号的关于各自零点的偏差值，
-从传感器信号减去偏差值并通过用幅值比例进行归一化来计算归一化传感器信号，在同时检测两个传感器的传感器信号的情况下通过该构件和固定到该构件上的磁场源的相对于完整运动路径的相对运动来确定最小值和最大值，
-由归一化传感器信号形成总值信号和差值信号，
-在确定了幅值比例后又将总值信号和差值信号归一化，在同时测量总值信号和差值信号的情况下通过该构件和固定到该构件上的磁场源相对于整个运动路径的相对运动来确定最小值和最大值，并且评估该总值信号的和差值信号的最小值和最大值。
-利用归一化总值信号和归一化差值信号来计算磁场源的绝对位置。
规定了冗余确定来自每个传感器元件的传感器信号的绝对位置。
该方法的一个改进方案规定，活动件是可转动件，磁场源的绝对转动位置通过形成归一化总值信号和归一化差值信号的比例的反正切来计算。
该方法的一个改进方案规定，活动件是可线性移动件，并且绝对线性位置被确定。
磁场源的绝对位置可以利用坐标转换算法且优选是CORDIC算法来计算。这既适用于绝对转动位置，也适用于绝对线性位置。不同的布置格局被归纳在下表中。
转动角度 线性位置
磁体类型 两极或多极磁盘 多极磁条(n个磁极对)
电输出信号 每个磁极对，从0°到小于360° 每个磁极对，从0°到小于360°
机械输出信号 360°除以磁极对数量 360°对应于磁极对长度
当磁体运动经过传感器时，一旦磁体已在传感器地点移动经过一个周期＝一个磁极对(北极和南极)，则测定从0°到小于360°的一个角度，此时该信号是由转动运动产生还是线性运动产生并不重要，因为在两者情况下都是在传感器地点处测量正弦信号。
因此，现在这在用于转动角度测量的两磁极盘形磁体情况下可以是一整圈(从0°到小于360°)，或者在用于转动角度测量的四磁极盘形磁体情况下是0°到180°的半圈。
按照相似方式，同样利用多磁极磁条产生从0°到小于360°的信号，如果使磁条线性移动经过一磁极对的长度；在例如为2mm磁极长度的情况下，磁极对具有4mm长度。0°测量结果因此对应于0mm位置，小于360°(359.99999...°)的测量结果对应于4mm长度(＝磁极对长度)。接着重复此操作过程。因而只能在磁极对内确定绝对位置。为了确定关于磁极对长度的绝对位置，必须考虑所经过的磁极对的数量：
在以上例子中，180°的读数则将会对应于2mm、6mm、10mm、14mm等的距离。
只能通过从0mm位置起所经过的磁极对数量统计来区分这些位置：
读数＝180°，经过0磁极对＝走过距离＝2mm
读数＝180°，经过1个磁极对(4mm)＝走过距离＝2mm+4mm＝6mm
读数＝180°，经过2个磁极对(2x4mm)＝走过距离＝2mm+8mm＝10mm
附图说明
现在，利用实施方式和附图来进一步解释本发明，其中：
图1示出了竖向布置的两个传感器元件的结构，
图2示出了平行布置的两个传感器元件的结构，
图3示出了用于测量伴随轴向结构的转动位置的非冗余布置形式，
图4示出了图3所示的布置形式的平面图，
图5-8示出了适当的磁场源的不同实施方式，
图9示出了用于冗余测量的具有轴向结构的转动位置的布置形式，
图10-13示出了图9所示的布置形式的不同实施方式的平面图，
图14示出了信号处理的模拟框图，
图15示出信号处理的数字框图，
图16-20示出了信号变化曲线，
图21示出了用于针对离轴应用冗余测量伴随径向结构的转动位置的布置形式，
图22示出了图21的平面图，
图23示出了具有线性移动件的非冗余布置形式，
图24示出了按照冗余设计的用于冗余位置确定的图3的布置形式。
具体实施方式
图1示出了位于共同的外壳4内的两个传感器元件3a、3b的结构：传感器元件3a、3b是相同的，并且均包含两个呈霍尔传感器1a、2a和1b、2b形式的磁敏传感器。信号处理电子装置也被分别附加地集成在传感器元件上。在此情况下，所述两个传感器元件3a、3b已经相对彼此转过180°。最终测量结果彼此相反，并且因此在外部计算单元中进行评估的过程中必须被考虑进来。该结构能简化传感器元件与外壳的电连接部之间的电连接，如果例如传感器元件的电连接部只位于传感器元件的纵向侧，并且因而直接面对传感器外壳的对应的触点行。
在图2中，所述两个传感器元件相互平行布置。在此实施方式中，最终测量结果相互一致。
图3示出非冗余布置形式，此时这些磁敏传感器在磁场源下方。集成在共同的基板5上的霍尔器件1、2的轴线对磁场测量是敏感的并且如箭头所示。
图4示出了图3所示的布置形式的平面图。
图5-图8示出了适当的磁场源的不同实施方式：
图5和图6示出了具有两极对置磁化的盘形磁体7和环形磁体9，这使得能够确定360°的绝对转动位置。
图7和图8示出了具有多极磁化的盘形磁体8和环形磁体10。在此所示的视图示出了具有4个磁极的实施方式，但本发明的应用不局限于此数量的磁极，而是可以应用到任何期望数量的磁极对。在这些实施方式中可就绝对意义被测量到的最大转动位置范围是360°/pp，其中在利用这些磁场源时，pp对应于磁体的磁极对数量。
图9示出了具有轴向结构的用于冗余测量转动位置的实施方式。可绕转动轴线14以可转动方式安装的物体6包含与该物体相连的磁场源7，并且该磁场源的轴向磁场Bz利用两个传感器系统3a、3b来测量和评估。
集成霍尔传感器的轴线对磁场测量敏感并且以箭头形式来示出。
图10示出了根据图9的轴向实施方式的结构的平面图。关于该结构，应该注意转动轴线14必须在传感器1a→2a和1b→2b的直接连接以外，并且传感器相对于转动轴线的角度αa、αb因此不为180°。但不需要相对于转动轴线准确定中传感器(αa＝αb)，这是因为这些定中误差可以在传感器系统组装之后通过基准运行来进行补偿。图13示出了这种未对准的例子。
图12示出了可被用于较大磁体直径或环形磁体的实施方式。该传感器系统相对于转动轴线14偏心安装。这种结构也允许进行关于360°的绝对转动角度确定。轴向磁场Bz利用呈霍尔传感器1a、2a和1b、2b形式的磁敏传感器在磁场源的不同半径处被缩小，因此相对于转动轴线产生不同的角度αa≠αb，并且因此也在两个传感器系统3a、3b中产生传感器信号的不同相位角度。但是，这些不同的相位角度可以在传感器系统已组装之后通过基准运行被检测和补偿。
在图13中，传感器在切向上相对于转动轴线错开并相对于其中心被转动。这样的未对准也可在传感器系统已组装后通过基准运行来补偿。
相关的方法解释如下。
图14在框100中示出了模拟信号处理路径以及在框200中示出了数字信号处理路径。
在如图16所示的实施方式中，假定来自呈霍尔传感器1、2形式的磁敏传感器的测量信号具有30°相位角度，这些信号已经被预先放大，并且因定位精度影响和工艺误差而受到偏移电压和不同信号电平的困扰。
在第一步骤，传感器信号101、102的偏移电压被减去，信号电平被调节为参考信号摆幅(如2Vss)。参考信号电平可作为信号111、112来获得并且如图17所示。
为了计算所需要的用于Offset1、Offset2、Gain1和Gain2的微调值，确定传感器信号101、102的最小值和最大值就够了。这可以通过在同时确定传感器信号101、102的最小值和最大值时简单转动该磁场源来实现。
微调所需要的值则可由最小值和最大值来如下计算：
H1max,min＝传感器1信号101的最大值和最小值
H2max,min＝传感器2信号102的最大值和最小值。
在下个步骤中，由这些归一化信号来形成总值109和差值110。图18示出了这些信号。
总值信号与差值信号的信号摆幅之比取决于输入信号101、102的相位角度但总值信号相对于差值信号的相位角度总是90°。例外情况是相位角度和的特殊情况，在此情况下不能确定转动位置，这是因为总值信号在时变为0，差值信号在时变为0。
图20以曲线示出该关系。X轴示出输入信号101、102的相位关系，Y轴示出归一化总值信号与归一化差值信号的峰值的幅值比。
关于相位角度的总值信号峰值除以差值信号的计算如下：
在进一步的步骤中，总值信号109和差值信号110又被归一化为预定值，例如2Vss，如图19所示。
为了计算用于Gain3和Gain4的所需要的微调值，确定所述总值信号和差值信号的最小值和最大值就够了。
这可以通过在同时确定总值信号和差值信号最小值和最大值时简单转动磁场源7、8、9、10(图4-8)经过一个完整周期来实现。
随后，微调所需要的数值可由最小值和最大值如下所述地计算：
如果假定归一化传感器信号107、108对应于纯正弦波形，并且不再具有偏移电压，则也没有因形成总值和差值而产生附加偏差。这可以利用总值信号和差值信号的最小值和最大值来检查并且也可被修正：
总值信号113和差值信号114的归一化信号因此产生相位偏移恰好90°并具有相同的信号摆幅的两个信号。接着，这些信号立即被用于计算位置，参见图19。
归一化总值信号113随后由Vsin表示，归一化差值信号114随后由Vcos表示。
Vsin＝Gain3*[Gain1*(H1-Offset1)+Gain2*(H2-Offset2)] [11]
Vcos＝Gain4*[Gain1*(H1-Offset1)-Gain2*(H2-Offset2)] [12]
H1＝来自霍尔传感器1的传感器信号101
H2＝来自霍尔传感器2的传感器信号102
Offset1＝来自霍尔传感器1的偏移信号103
Offset2＝来自霍尔传感器2的偏移信号104
Gain1＝传感器信号H1的增益105
Gain2＝传感器信号H2的增益106
Gain3＝总值信号111的增益
Gain4＝差值信号112的增益
从信号Vsin113和Vcos114开始，可借助反正切函数确定磁场源的绝对位置W 202。
或者借助其它合适的坐标转换手段，例如数字CORDIC算法。
坐标转换的幅度值B 203是用于所有位置的常数并且是：
图19示出了归一化总值信号113＝Vsin和归一化差值信号114＝Vcos。
而且，由Vsin和Vcos计算的绝对转动位置202在标度为+/-180°的第二坐标轴上被示出。
在许多应用场合中，使计算出的转动位置与活动件6的限定的机械位置如回转致动器的零位一致可能是有用的。为便于此，可通过减去0参考值204将任何期望的转动位置设定为零。
另外，所指明的转动位置的获得精度能可选地通过线性化电路205来提高。传统的线性化方式是表格或数学修正函数，其试图将计算位置相对用户限定的基准点进行调节。
所计算的且被线性化的转动位置W_L随后可通过转换成模拟信号波形207或数字信号波形208被提供给用户。
在如图15所示的一个有利实施方式中，信号处理能以数字形式执行。磁敏传感器1、2所产生的信号101、102利用模拟/数字转换器201/1被立即转换成数字信号波形并且在图14的框100中的信号处理步骤在数字计算单元内执行。针对增益、偏差、零点和线性化所需要的参数可存在数字存储器内。
图21示出了用于针对离轴应用冗余测量伴随径向结构的转动位置的设备实施方式。以可绕转动轴线14转动的方式安装的物体6包含呈具有两极相反磁化的盘形磁体7形式的磁场源，该磁体连接至该物体并且其径向磁场利用两个传感器元件3a、3b来测量和评估。
集成霍尔传感器的轴线以箭头形式来示出并且对磁场测量敏感。
例如当磁体温度变化时出现的磁场强度的绝对变化不影响测量原理的精度，这是因为被测信号被按比例评估，并且信号幅值变化因此得以补偿，假定它们同等作用于所有的霍尔传感器。
如果可转动件6连同安装于其上的磁场源被轴向移动，则在图21的情况下这也适用。轴向移位可在呈霍尔传感器形式的四个磁敏传感器中产生不同的信号幅值，但该信号变化对所有霍尔传感器的作用相同，因此得以补偿。
该实施方式的优点尤其在于，就可转动安装部件6、7的轴向位移而言的高容许度。
而且，该实施方式也适用于环形磁体和空心轴，因为磁场源的磁场在磁场周面上被测量。
图22示出图21的平面图。不需要相对于转动轴线14准确定中传感器元件3a、3b，这是因为这些误差可以通过在传感器系统完成组装后的基准运行得以补偿。
图23示出具有可线性移动件的布置形式。多极磁条15安装在沿轴线13线性移动的构件16上，垂直于运动方向的所述磁条的磁场Bz利用呈霍尔传感器1、2形式的两个磁敏传感器来测量，所述霍尔传感器安装在磁条15下方。被集成在共同的基板上的霍尔传感器1、2的轴线如箭头所示，所述轴线对磁场测量敏感。
由霍尔传感器1、2在磁条15运动过程中测量到的磁场具有正弦变化曲线，霍尔传感器所测的信号101、102彼此间有相移。磁体的磁极长度可大范围变化，但须保证两个传感器信号的相移不是180°且不是360°。如果在运动方向上的霍尔传感器之间距离等于磁条的一个磁极的长度，则产生180°的相移。如果在运动方向上的霍尔传感器之间距离等于磁条的一个磁极对的长度或者其整数倍，则产生360°的相移。
图24示出了具有多极磁条15的传感器系统，用于冗余地确定线性移动物体16的位置。绝对线性位置可以在对应于一个磁极对的长度的长度上来确定。呈多极磁条18形式的磁场源的磁极对的长度和在运动方向上的磁敏传感器之间的距离应该如此选择，即最终的相移不是180°且不是360°。
与如以上表所述的用于确定绝对转动位置的方法相同的方法被用以确定绝对线性位置。
已经利用示例和附图更详细解释了本发明，其中该说明书不是要限制本发明。显然，本领域专家能在不脱离后续权利要求书的范围的情况下做出修改和改动。尤其是，本发明包含具有本文所述的不同实施方式的特征的任意组合的实施方式。
附图标记列表
1 第一磁敏传感器
1a 第一传感器元件的第一磁敏传感器
1b 第二传感器元件的第一磁敏传感器
2 第二磁敏传感器
2a 第一传感器元件的第二磁敏传感器
2b 第二传感器元件的第二磁敏传感器
3 包括两个磁敏传感器的传感器元件
3a 第一传感器元件
3b 第二传感器元件
2 第二磁敏传感器
4 共同的外壳
5 共同的基板
6 可转动件
7 具有两极对置磁化的盘形磁体
8 具有多极磁化的盘形磁体
9 具有两极对置磁化的环形磁体
10 具有多极磁化的环形磁体
13 轴线
14 转动轴线
15 多极磁条
16 可线性移动件
101 第一传感器信号
102 第二传感器信号
103 第一偏差
104 第二偏差
105 第一增益
106 第二增益
107 第一归一化传感器信号
108 第二归一化传感器信号
109 总值信号
110 差值信号
111 第三增益
112 第四增益
113 归一化总值信号
114 归一化差值信号
202 绝对转动位置
203 坐标转换的幅度值B
207 模拟信号波形
208 数字信号波形
100 模拟信号处理框
200 数字信号处理框

Claims (6)

1.一种利用用于非接触检测可相对运动的且具有固定在活动件(6)上的磁场源的构件的设备来确定可相对于磁敏传感器运动的构件的绝对位置的方法，第一传感器元件和第二传感器元件与所述磁场源间隔一距离布置，在运动方向上空间错位的两个磁敏传感器(1,2)布置在每个传感器元件中，在此规定，第一传感器信号(101)利用每个传感器元件的第一磁敏传感器来测量，第二传感器信号(102)利用每个传感器元件的第二磁敏传感器来测量，第一传感器信号(101)和第二传感器信号(102)代表所述磁场分量，并且这些传感器信号(101,102)具有在或者范围内的相移规定了
-通过将可预定的信号摆幅除以相应传感器信号(101,102)的最大值和最小值之差来确定幅值比，
-由所述传感器信号(101,102)的最大值和最小值来确定所述传感器信号(101,102)关于各自零点的偏差值(103,104)，
-通过从传感器信号(101,102)减去所述偏差值并通过用幅值比例归一化来计算归一化传感器信号(107,108)，在同时检测两个传感器(1,2)的传感器信号(101,102)的情况下通过该构件和固定到该构件上的磁场源相对于完整运动路径的相对运动来确定最小值和最大值，
-由归一化传感器信号(107,108)形成总值信号(109)和差值信号(110)，
-在确定了幅值比例后又将总值信号(109)和差值信号(110)归一化(113,114)，在同时检测总值信号(109)和差值信号(110)的情况下通过该构件和固定到该构件上的磁场源相对于整个运动路径的相对运动来确定最小值和最大值，并且评估所述总值信号(109)的最小值和最大值和所述差值信号(110)的最小值和最大值，以及
-利用归一化总值信号(113)和归一化差值信号(114)来计算所述磁场源的绝对位置(202)，
其特征是，冗余确定来自每个传感器元件的传感器信号的绝对位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述活动件是可转动件，并且计算所述磁场源的绝对转动位置(202)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述绝对转动位置通过形成所述归一化总值信号(113)和所述归一化差值信号(114)的比例的反正切来计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述活动件是可线性移动件，并且绝对线性位置被确定。
5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征是，利用坐标转换算法来计算所述磁场源的绝对位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，利用CORDIC算法来计算所述磁场源的绝对位置。
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