CN104515958B

CN104515958B - 用于借助于开关霍尔效应传感器来测量磁场的方法

Info

Publication number: CN104515958B
Application number: CN201410523573.2A
Authority: CN
Inventors: S-D.文扎尔; X.乌尔内
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: US20150100263A1; FR3011639A1; CN104515958A; FR3011639B1

Abstract

本发明涉及一种用于借助于包括两个正交分支（120、122）的霍尔十字（12）来测量磁场的方法，其中，针对霍尔十字的给定状态，使得极化电流在霍尔十字的分支中的一个中流动，称为"极化分支"，并且在另一分支中测量电压，称为"测量分支"，所述测量电压包括表示磁场的有用信号，所述方法包括借助于在于将霍尔十字置于Nb个连续状态的开关序列进行的有用信号调制以及所述有用信号的解调。此外以测量偏压和干扰脉冲在解调之后为零均值的方式来选择开关序列。本发明还涉及开关霍尔效应传感器（10）。

Description

用于借助于开关霍尔效应传感器来测量磁场的方法

技术领域

本发明涉及测量传感器领域，并且更特别地涉及借助于开关霍尔效应传感器来测量磁场的方法。

背景技术

以已知方式，开关霍尔效应传感器包括对磁场敏感的霍尔十字，其输送与所述霍尔十字位于其中的磁场的强度成比例的电压。例如，当磁场由电流的流动感生时，借助于霍尔十字测量的磁场则允许估计此电流的强度。

霍尔十字以已知方式包括均包括两个端子的两个或多或少正交的分支。在给定时间，使用两个分支中的一个（称为“极化分支”）通过促使预定强度的极化电流在极化分支中流动而使所述霍尔十字极化。然后另一分支（称为“测量分支”）的端子上的电压被测量且表示磁场。

开关霍尔效应传感器进一步包括极化电路，特别地包括适合于将霍尔十字的分支中的任何一个连接到极化电流源的开关网络。因此，可替换地将霍尔十字的每个分支实现为极化分支。此外，极化电路的开关网络适合于使极化分支的端子连接反向，以便使极化电流的流动方向反向。

开关霍尔效应传感器进一步包括测量电路，特别地包括适合于测量霍尔十字的分支中的任何一个的端子上的电压的开关网络。因此，可替换地将霍尔十字的每个分支实现为测量分支。此外，测量电路的开关网络适合于使测量分支的端子连接反向，以便使测量分支的端子上的电压的测量方向反向。

总而言之，测量电路的极化电路使得霍尔十字能够被置于八个不同的状态，其取决于被实现为极化分支的所述霍尔十字的分支（另一分支被实现为测量分支）、极化分支中的极化电流的流动方向和测量分支的端子上的电压的测量方向。

已知的是在测量分支的端子上测量的电压分解成有用信号，表示要测量的磁场，霍尔十字所固有的测量偏压将被添加到该磁场。用于消除测量偏压的一个解决方案在于施加由霍尔十字的多个连续状态组成的开关序列，其是以这样的方式选择的，即随着所述开关序列的两个连续状态之间的每次转变：

• 交换霍尔十字的极化分支和测量分支，即先前被实现为极化分支的分支变成测量分支且反之亦然，

• 使相电压的测量方向对于极化方向的相互导向（mutual orientation）反向。

因此，并且以已知方式，用具有等于开关序列的开关频率的频率的零均值、方波信号来调制有用信号，而测量偏压不再被调制。因此，有用信号和测量偏压是频率分离的，分别地在开关频率和零频率周围进行调整。通过将由所述方波信号测量的电压解调，然后在零频率周围调整有用信号，但用方波信号来调制测量偏压并在开关频率周围进行调整。因此，合适的低通滤波器在保持有用信号的同时消除测量偏压。

然而，霍尔十字的极化和测量分支的每次交换也在交换之后立即向有用信号添加干扰脉冲。此干扰脉冲由到杂散电容的测量电路的放电生成，该杂散电容在交换之前被极化电流充电。这些干扰脉冲未被解调和低通滤波所补偿，并且是与磁场的估计相干扰的残余偏压的原因。

为了解决此问题，因此所知的是使用采样保持电路，其刚好在极化和测量分支的每次交换之前保持测量电压，并且达到干扰脉冲的整个预定持续时间。因此消除了由在采样保持电路上游的杂散电容感生的干扰脉冲。然而，这种解决方案具有缺点，达到以下程度：

• 必须向开关霍尔效应传感器添加部件，这增加其成本和复杂性，

• 开关霍尔效应传感器的带宽由于保持期间的测量分支的端子上的电压观察的不存在而受到限制，

• 采样和保持电路还包括转而引入干扰脉冲的杂散电容，

• 干扰脉冲的持续时间和振幅取决于开关霍尔效应传感器的温度，其方式为采样保持电路的控制是复杂的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术解决方案的所有或某些限制，特别是上述那些。

为此，并且根据第一方面，本发明涉及一种用于借助于包括两个正交分支的霍尔十字来测量磁场的方法，其中，针对霍尔十字的给定状态，使得极化电流在霍尔十字的分支中的一个中流动，称为“极化分支”，并且在另一分支中测量电压，称为“测量分支”，所述测量电压包括表示磁场的有用信号，所述方法包括借助于在于将霍尔十字置于Nb个连续状态的开关序列进行的有用信号调制以及所述有用信号的解调。通过以下来定义

• 与霍尔十字相关联的基准点x、y、z，其中，x是平行于霍尔十字的两个分支中的一个，y是平行于两个分支中的另一个的矢量，并且z是等于x ∧ y的矢量，其中，“∧”对应于矢量积，

• 在时间n处的霍尔十字的状态E(n)，其采取单位矢量i(n)和v(n)的形式，分别地对应于极化分支中的极化电流的流动方向和测量分支的端子上的电压的测量方向，用基准点来表示，

• 基准点中的矢量i(n)和v(n)的相互导向IV(n)，等于(i(n) ∧ v(n)) • z，其中，“•”对应于标量积，

• 状态E(n-1)和状态E(n)之间的交换P(n)，等于v(n) • i(n-1)，

该开关序列然后使得随着两个连续状态之间的每次转变，使相互导向的极性反向，并且使得验证以下两个表达式：

其中：.

此外，本发明提出所述测量方法进一步包括采取组合方式的以下特性。

开关序列、交换P(n)在每隔一个状态下是零，并且当交换P(n)是零时，通过使霍尔十字的极化分支中的极化电流的流动方向反向，获得相互导向IV(n)相对于相互导向IV(n-1)的极性反向。

并且，Nb个连续状态等于4，i边哪个区存在数目k，使得：

P(k [Nb]) = 1

P((k+1) [Nb]) = 0

P((k+2) [Nb]) = -1

P((k+3) [Nb]) = 0

其中“[Nb]”的意思是模数Nb。

此类措施的有利之处在于其确保能够例如借助于低通滤波而将在极化和测量分支的交换期间由干扰脉冲感生的测量偏压和残余偏压与有用信号区别开。事实上，由相关开关序列验证的两个表达式确保以下解调：

• 在其期间测量偏压为正的间隔数目等于在其期间测量偏压为负的间隔数目，在这种情况下等于Nb/2，

• 正干扰脉冲的数目等于负干扰脉冲的数目。

此外，此类措施确保霍尔十字的均匀老化。事实上，霍尔十字的每个分支在被用作极化分支时则被系统地提交给在两个可能方向上流动的极化电流。

根据第二方面，本发明涉及包括霍尔十字的开关霍尔效应传感器，该霍尔十字包括两个正交分支。开关霍尔效应传感器进一步包括被配置成通过执行根据本发明的用于测量磁场的方法来测量有用信号的装置，该有用信号表示霍尔十字位于其中的磁场。

根据第三方面，本发明涉及一种包括根据本发明的开关霍尔效应传感器的汽车。

附图说明

通过阅读根据作为非限制性示例给出且参考附图的以下描述，将更好地理解本发明，在所述附图中：

- 图1是开关霍尔效应传感器的示例性实施例的示意性表示，

- 图2是包括两个分支的霍尔十字的不同可能状态的示意性表示，

- 图3是示出了根据本发明的开关霍尔效应传感器10的操作的时间图。

在这些图中，相同的附图标记从一个图至另一个表示相同或相应的元件。由于明了的原因，所示的元件并未按比例描绘，除非另外指定。

具体实施方式

图1示出了开关霍尔效应传感器10的示例性实施例。此类开关霍尔效应传感器10例如被以非限制性方式机载地安装在汽车上。

如图1中所示，开关霍尔效应传感器10特别地包括霍尔十字12、极化电路14、测量电路16和控制电路18。

霍尔十字12包括两个或多或少正交的分支120、122，每个包括两个端子。

极化电路14包括例如适合于将霍尔十字12的分支120、122中的任何一个连接到极化电流源142的开关网络140。因此在给定时间被连接到极化电流源142的霍尔十字12的分支120、122被称为“极化分支”。

此外，极化电路14的开关网络140适合于以使所述极化分支中的极化电流的流动方向反向的方式使所述极化分支中的极化分支的端子到极化电流源142的连接反向。

测量电路16包括例如适合于将霍尔十字12的分支120、122中的任何一个连接到处理模块162的开关网络160。因此在给定时间被连接到处理模块162的霍尔十字12的分支120、122被称为“测量分支”。

此外，测量电路16的开关网络160适合于以使由处理模块162测量所述测量分支的端子上的电压的方向反向的方式来使测量分支的端子到处理模块162的连接反向。

控制电路18适合于以选择霍尔十字的极化分支和测量分支以及极化电流的流动方向和测量分支的端子上的电压的测量方向的方式来控制极化电路14和测量电路16的开关网络140、160。

总而言之，控制电路18可以将霍尔十字12置于8个不同的状态，其取决于被选作极化分支的分支（霍尔十字的另一分支则是测量分支）、极化电流的流动方向和测量分支的端子上的电压的测量方向。

图2示意性地示出了霍尔十字12的八个可能状态S1至S8。

在以下描述中，基准点x、y、z与在图2中可见的霍尔十字12相关联，其中：

• x是平行于两个分支中的一个的单位矢量，

• y是平行于两个分支中的另一个的单位矢量，

• z是等于z = x ∧ y的单位矢量，即等于矢量x乘以矢量y的矢量积。

可以单位质量i和v的形式来定义霍尔十字12的不同状态S1至S8，该单位矢量i和v分别地对应于极化分支中的极化电流的流动方向和测量分支的端子上的电压的测量方向，用基准点来表示。在时间n的霍尔十字12的状态E(n)因此可以采取状态S1至S8中的任何一个。

此外，定义以下各项：

• 基准点中的在时间n的矢量i(n)和v(n)的相互导向IV(n)为等于IV(n) = (i(n)∧ v(n)) • z，其中，“•”对应于两个矢量的矢量积，

• 状态E(n-1)和状态E(n)之间的交换P(n)为等于P(n) = v(n)•i(n-1)。

以下表格给出与霍尔十字相关联的基准点（x、y、z）中的状态S1至S8的表达式以及用于每个状态的关联相互导向IV：

状态	i	v	IV
				S1	(0,1,0)	(-1,0,0)	1
S2	(0,-1,0)	(-1,0,0)	-1
				S3	(-1,0,0)	(0,-1,0)	1
S4	(1,0,0)	(0,-1,0)	-1
				S5	(0,1,0)	(1,0,0)	-1
S6	(0,-1,0)	(1,0,0)	1
				S7	(-1,0,0)	(0,1,0)	-1
S8	(1,0,0)	(0,1,0)	1

如先前所指示的，测量电压Vm包括有用信号Vu，其表示霍尔十字12位于其中的磁场，并且还有：

• 霍尔十字12所固有的测量偏压Vb，

• 直接在极化和测量分支的交换之后的干扰脉冲Vimp。

控制单元18以如此方式控制所述交换网络140、160，即在预定义交换频率Fc下应用在于将霍尔十字12置于偶数Nb个连续状态的开关序列。优选地循环地应用该开关序列，即当到达开关序列的最后状态时，所述开关序列的执行从其第一状态重新开始。

更特别地，以调制有用信号Vu的方式来选择开关序列，以如下方式调制有用信号Vu，即在开关序列的两个连续状态之间的每次转变时使极性反向。因此，用具有等于开关频率Fc的频率的零均值、方波信号来调制有用信号Vu。因此，有用信号是以开关频率Fc为中心的。在实践中，对于给定磁场而言，有用信号Vu的极性仅取决于相关状态的相互导向IV。因此，借助于对于其而言相互导向的极性在每次转变时反向的开关序列来获得有用信号Vu的极性反向。换言之，开关序列必须使得对于在[0，Nb-1]中的n的任何值而言：

IV(n)×IV((n-1) [Nb]) = -1

其中，“[Nb]”的意思是模数Nb。

因此可以有许多开关序列，例如以下开关序列：

• S1, S2, S3, S4

• S5, S6, S7, S8

• 等

处理模块162则包括适合于以与用信号Vu以零频率为中心的方式对有用信号Vu进行频率转换的解调器电路164。可以有用于实现解调器电路164的许多实施方式，其被视为在本领域的技术人员的范围内。

处理模块162进一步优选地包括低通滤波器166，适合于减少信号的贡献，该信号比开关霍尔效应传感器所需的带宽高得多。

在实践中，测量偏压从开关序列的一个状态到另一个的变化不仅取决于相互导向IV的变化，而且取决于交换P。更特别地，已经验证在解调之前且对应于在[0，Nb-1]中的n的任何值而言：

Vb(n) = Vb((n-1) [Nb])×IV(n)×IV((n-1) [Nb])×(-1)^|P(n)|。

因此，在解调之后，获得以下项：

Vb(n) = Vb((n-1) [Nb])×(-1)^|P(n)|。

此外，已经验证在调制之前且对于在[0, Nb-1]中的n的任何值而言，在时间n的干扰脉冲Vimp(n)对应于交换P(n)。因此，在时间(n-1)与时间n之间不存在交换的情况下，Vimp(n)等于零。在存在交换的情况下，干扰脉冲Vimp(n)的极性与交换P(n)类似地改变。更特别地，已经验证在解调之前且对应于在[0，Nb-1]中的n的任何值而言：

Vimp(n) = P(n)。

因此，在解调之后，获得以下各项：

Vimp(n) = (-1)ⁿ×P(n)。

因此，将理解的是测量偏压Vb和干扰脉冲Vimp的有用信号Vu的变化可针对开关序列的每次转变而相互不同。因此，上文所讨论的使得能够调制有用信号Vu的开关序列不一定在抑制测量偏压和干扰脉冲的能力方面都具有相同性质。

特别地，使得测量偏压Vb和干扰脉冲Vimp在解调之后为零均值的任何开关序列将使得能够将所述有用信号Vu与所述测量偏压和所述干扰脉冲区别开。

通过将在时间0的测量偏压值表示为VO（Vb(0) = VO），然后，在解调之后且针对在[1, Nb-1]中的n的任何值：

Vb(n) = VO x (-1)^H(n)

其中：

如果：

测量偏压Vb在解调之后是零均值，根据前述表达式，其给出验证以下表达式的开关序列：

如果：

干扰脉冲Vimp在解调之后是零均值，根据前述表达式，其给出验证以下表达式的开关序列：

。

因此，控制电路18优选地实现开关序列，使得随着两个连续状态之间的每次转变，使相互导向的极性反向，并且使得验证以下两个表达式：

。

用此类开关序列，测量偏压Vb和干扰脉冲Vimp在解调之后是零均值，并且有用信号Vu在基带中，在零频率附近。因此可以借助于低通滤波器166来消除测量偏压Vb和干扰脉冲Vimp，或者至少相对于有用信号Vu而将其充分地减小。

在优选实施例中，在开关序列中，此外交换P(n)在每隔一个状态下为零。当交换P(n)为零时，通过使霍尔十字的极化分支中的极化电流的流动方向反向，进一步获得相互导向IV(n)相对于相互导向IV(n-1)的极性反向。因此，霍尔十字12的每个分支在被用作极化分支时则被系统地提交到在两个可能方向上流动的极化电流，其方式为霍尔十字的时效老化更加均匀。

在状态的数目Nb等于四的情况下，针对[0，3]中的任何值，可能的开关序列使得：

P(k [Nb]) = 1

P((k+1) [Nb]) = 0

P((k+2) [Nb]) = -1

P((k+3) [Nb]) = 0。

可以容易地表明先前的表达方式得到验证。此外，如果每当交换P(n)是零时通过使霍尔十字12的极化分支中的极化电流的流动方向反向而获得相互导向的极性反向，则此外确保霍尔十字12的均匀时效老化。

图3图示出开关序列包括以下四个状态的情况下的开关霍尔效应传感器10的操作：

	E(n)	P(n)
			n = 0	S1	-1
n = 1	S2	0
			n = 2	S3	1
n = 3	S4	0

必须注意的是由于循环地应用开关序列，交换P(0)对应于状态S4与状态S1之间的转变。此外，显而易见的是，当交换P(n)是零时，通过使极化电流的流动方向反向（从S1至S2的转变以及从S3至S4的转变）而获得相互导向的极性反向。因此，开关序列S1、S2、S3、S4进一步从霍尔十字12的时效老化的观点出发是最佳的。

必须注意的是由于交换P(n)在每隔一个状态下为零的事实，测量偏压Vb在解调之后仅在每隔一个状态下改变极性。因此，解调之后的测量偏压Vb以频率Fc/2为中心，并且必须优选地将低通滤波器166的截止频率选择为小于Fc/2以便最有效地消除所述测量偏压Vb。因此必须用以下方式来选择开关频率Fc，即确保用于开关霍尔效应传感器10的所需带宽，同时使得能够消除以频率Fc/2为中心的测量偏压Vb。

图3的部分a）示出了将在没有开关序列的情况下通过将霍尔十字12置于状态S1达到测量的整个持续时间来测量的电压Vh。更特别地，部分a）用虚线示出了有用信号Vu，并且用实线示出了测量电压Vh。由于在部分a）中极化和测量分支从未被交换，所以测量电压Vh不包括干扰脉冲。此外，在图3的部分a）所示的示例中，测量偏压VO是正的。

图3的部分b）示出了解调之前的测量电压，这次通过应用上述开关序列，在各时间间隔IT1、IT2、IT3和IT4期间应用状态S1、S2、S3和S4。

在间隔IT1开始时，测量电压Vm包括对应于前一状态S4与当前状态S1之间的转变的负干扰脉冲。有用信号Vu在间隔IT1期间是正的，如在部分a）中。测量偏压Vb也是正的，如在部分a）中，等于VO。

由于极化和测量分支未被交换，所以测量电压Vm在间隔IT2开始时不包括干扰脉冲。另一方面，由于调制，有用信号Vu和测量偏压Vb在间隔IT2期间是负的。

在间隔IT3开始时，测量电压Vm包括对应于前一状态S2与当前状态S3之间的转变的正干扰脉冲。有用信号Vu在间隔IT1期间再次地是正的，如在部分a）中。测量偏压Vb本身仍是负的，等于-VO，如在间隔IT2期间。

由于极化和测量分支未被交换，所以测量电压Vm在间隔IT4开始时不包括干扰脉冲。另一方面，有用信号Vn是负的，如在间隔IT2期间。测量偏压Vb本身再次地是正的，如在间隔IT1期间，等于VO。

图3的部分c）示出了图3的部分b）的电压Vm的解调之后获得的电压Vd。更特别地，电压Vd在间隔IT1和IT3期间等于电压Vm，并且在间隔IT2和IT4期间等于-Vm。因此：

• 在间隔IT1期间：电压Vd包括负干扰脉冲，有用信号Vu和测量偏压Vb两者都是正的，

• 在间隔IT2期间：电压Vd不包括干扰脉冲，有用信号Vu和测量偏压Vb两者都是正的。

• 在间隔IT3期间：电压Vd包括正干扰脉冲，有用信号Vu是正的且测量偏压Vb是负的。

• 在间隔IT4期间：电压Vd不包括正干扰脉冲，有用信号Vu是正的且测量偏压Vb是负的。

因此显而易见的是电压Vd对应于受到测量偏压Vb和干扰脉冲影响的有用信号Vu。然而，在开关序列的时段4/Fc内，测量偏压Vb是零均值，如干扰脉冲一样。因此，具有例如等于Fc/4的已修改截止频率的低通滤波器166充分地减小测量偏压Vb和干扰脉冲。

更一般地，应注意的是下面考虑的实施例已被描述为非限制性示例，并且因此可设想其他变体。

特别地已通过主要考虑包括等于四的数目Nb的状态的开关序列来描述本发明。根据其他示例，绝不排除四个之外的数目Nb的状态的考虑。然而，必须注意的是确保霍尔十字的均匀时效老化的开关序列必须包括至少四个状态。

以上描述清楚地举例说明通过其不同特性及其优点，本发明实现其本身已设定的目标。特别地，借助于特别有利开关序列，可以在不必添加诸如采样保持电路之类的部件的情况下简单地消除测量偏压和干扰脉冲。

Claims

1.一种用于借助于包括两个正交分支（120、122）的霍尔十字（12）来测量磁场的方法，其中，针对霍尔十字的给定状态，使得极化电流在霍尔十字的分支（120、122）中的一个中流动，称为“极化分支”，并且在另一分支（120、122）中测量电压，称为“测量分支”，所述测量电压包括表示磁场的有用信号（Vu），所述方法包括借助于将霍尔十字置于Nb个连续状态的开关序列进行的有用信号（Vu）的调制以及所述有用信号（Vu）的解调，这是通过以下来定义的：

• 与霍尔十字相关联的基准点x、y、z，其中，x是平行于霍尔十字的两个分支（120、122）中的一个的单位矢量，y是平行于两个分支（120、122）中的另一个的单位矢量，并且z是等于x ∧ y的单位矢量，其中，“∧”对应于矢量积，

• 在时间n处的霍尔十字的状态E(n)，其采取单位矢量i(n)和v(n)的形式，分别地对应于极化分支（120、122）中的极化电流的流动方向和测量分支（120、122）的端子上的电压的测量方向，用基准点来表示，

• 在状态E(n-1)和状态E(n)之间的交换P(n)，等于v(n) • i(n-1)，

该开关序列使得随着两个连续状态之间的每次转变，使相互导向的极性反向，并且使得验证以下两个表达式：

其中：

该方法的特征在于：

• 在开关序列中，交换P(n)在每隔一个状态下是零，并且当交换P(n)是零时，通过使霍尔十字的极化分支（120、122）中的极化电流的流动方向反向，获得相互导向IV(n)相对于相互导向IV(n-1)的极性反向，以及

• Nb等于四，并且存在数目k，使得：

P(k [Nb]) = 1

P((k+1) [Nb]) = 0

P((k+2) [Nb]) = -1

P((k+3) [Nb]) = 0

其中“[Nb]”的意思是模数Nb。

2.如前述权利要求所述的方法，其特征在于有用信号（Vu）在解调之后被低通滤波。

3.一种开关霍尔效应传感器（10），包括霍尔十字，该霍尔十字包括两个正交分支（120、122），其特征在于其包括被配置成通过执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法来测量表示所述霍尔十字位于其中的磁场的有用信号（Vu）的装置。

4.一种汽车，其特征在于其包括如权利要求3所述的开关霍尔效应传感器。