CN104697425B - 一种检测转子位置信息的方法、装置和传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理领域，本发明提供一种检测转子位置信息的方法，包括：获取三个感应电压信号；根据所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件；根据所述线性变换条件，得到转子位置信息。本发明还提供了一种检测转子位置的装置以及一种传感器。本发明提供的检测转子位置的方法、装置和传感器，提升了对转子位置检测的精确度。

Description

一种检测转子位置信息的方法、装置和传感器

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体地说，涉及一种检测转子位置信息的方法、装置和传感器。

背景技术

随着车辆电控系统的发展，感应式非接触位置传感器广泛应用于汽车电子助力转向系统，油门踏板，节气门控制，座椅自动调节，后视镜调节等电子控制系统中。

典型的感应式非接触传感器带有特定形状的金属转子，PCB单板，以及专用的信号处理芯片。转子用于连接待测定的机械装置，PCB单板上设置激励线圈和感应线圈作为定子，当转子的位置发生变化时，由于其特定的对称形状，PCB单板上的激励线圈与感应线圈的互感会出现周期性的变化，产生周期性变化的感应电压信号，如图1所示，示例了非接触传感器的感应电压信号随转子的位置产生余弦函数变化。感应电压信号被送到信号处理芯片进行处理，从而得到感应电压信号的幅度信息，对幅度信息进行反余弦函数运算，可以计算还原转子的位置信息。ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)控制器根据该位置信息对汽车进行电控。然而，为了使信号处理芯片支持反余弦函数运算，芯片成本将会增加，并且会因为计算精度不够导致传感器整体性能下降。

现有技术提供了一种改进的方案，该方案使用了带三个感应线圈的传感器，三个感应线圈与激励线圈的重叠关系是均匀错开的，从而保证感应电压信号之间的相位相差一个周期的1/3，如图2所示。当转子位置处于不同位置时，有特定的两个感应电压信号处于线性度较好的区域上(如图2中的区间1内，S1和S2具有较好的线性度，在区间2内，S2和S3具有较好的线性度)，从而可以用直线(如图2中的L1)来近似余弦函数，方便的计算转子位置。

然而，本领域技术人员发现，该方案所提供的线性运算在对余弦函数做近似时会出现精度损失，使测得的转子位置不准确，造成传感器性能降低，尤其在当前汽车电控要求越来越严格的趋势下，现有技术的方案难以应用在高性能要求的场景中。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种检测转子位置信息的方法，提升了对转子位置检测的精确度。

本发明的另一目的在于还提供一种检测转子位置信息的装置。

本发明的再一目的在于提供一种包含检测转子位置信息的装置的非接触感应式传感器。

为了实现上述目的，本发明提供一种所述检测转子位置信息的方法，包括：

获取三个感应电压信号；

根据所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件；

根据所述线性变换条件，得到转子位置信息；

其中，所述三个感应电压信号分别为U1＝sin(h*P)，U2＝sin(h*P+2π/3)，U3＝sin(h*P+4π/3)，P为所述转子位置，h为常数；所述三个感应电压信号分别由三个感应线圈产生，所述三个感应线圈按照使所述三个感应电压信号两两之间的相位相差120°的方式排布。

进一步的，所述线性变换条件为：P＝k_jY_i+m_j，i∈{1,2,3}；其中Y_i为中间信号，Y₁＝U1-U2，Y₂＝U2-U3，Y₃＝U3-U1，k_j和m_j为由转子形状所确定的常数。

进一步的，所述根据所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件，具体包括：

根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃；

判断Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系；

当Y₂>Y₁>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₁Y₁+m₁；

当Y₁>Y₂>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₂Y₂+m₂；

当Y₁>Y₃>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₃Y₃+m₃；

当Y₃>Y₁>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₄Y₁+m₄；

当Y₃>Y₂>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₅Y₂+m₅；

当Y₂>Y₃>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₆Y₃+m₆。

进一步的，在根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃后，还包括：

对Y₁、Y₂和Y₃进行采样和量化处理。

本发明还提供一种检测转子位置信息的装置，包括：

感应电压信号获取单元，用于获取三个感应电压信号；

线性变换条件确定单元，用于根据所述感应电压信号获取单元获取的所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件；

转子位置信息获取单元，用于根据所述线性变换条件确定单元确定的所述线性变换条件，得到转子位置信息；

其中，所述三个感应电压信号分别为U1＝sin(h*P)，U2＝sin(h*P+2π/3)，U3＝sin(h*P+4π/3)，P为所述转子位置；所述三个感应电压信号分别由三个感应线圈产生，所述三个感应线圈按照使所述三个感应电压信号两两之间的相位相差120°的方式排布。

进一步的，所述线性变换条件为：P＝k_jY_i+m_j，i∈{1,2,3}；其中，Y₁＝U1-U2，Y₂＝U2-U3，Y₃＝U3-U1，k_j和m_j为由转子形状所确定的常数。

进一步的，所述线性变换条件确定单元，具体包括：

中间信号计算模块，用于根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃；

判断模块，用于判断Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系；

线性变换条件确定模块，用于当Y₂>Y₁>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₁Y₁+m₁；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₁>Y₂>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₂Y₂+m₂；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₁>Y₃>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₃Y₃+m₃；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₃>Y₁>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₄Y₁+m₄；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₃>Y₂>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₅Y₂+m₅；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₂>Y₃>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₆Y₃+m₆。

进一步的，该检测转子位置信息的装置还包括：

采样单元，用于在根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃后，对Y₁、Y₂和Y₃进行采样处理；

量化单元，用于对所述采样单元的采样数据进行量化处理。

本发明还提供一种非接触感应式传感器，包括：转子和PCB印制电路板；

所述PCB上设置有包括激励线圈和三个感应线圈的定子以及信号处理芯片，所述转子设置在所述定子上方；

所述信号处理芯片包括前述任意一种检测转子位置信息的装置。

本发明实施例提供的种检测转子位置信息的方法、装置和传感器，首先获取三个感应电压信号，根据所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件，并根据所述线性变换条件，得到转子位置信息。该方案用更精确的线性计算来替代现有技术中的线性近似，提高了对转子位置检测的精确度，从而提升了传感器性能。

附图说明

图1为非接触传感器的感应电压信号随转子的位置产生余弦函数变化的示意图；

图2为现有技术方案中三个感应电压信号随转子的位置产生余弦函数变化的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种检测转子位置信息的方法的流程图；

图4为定子的感应线圈示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种检测转子位置信息的方法的流程图；

图6为U1、U2和U3信号与转子位置的关系图；

图7为中间信号与转子位置的关系图；

图8为一种检测转子位置信息的装置的框图；

图9为线性变换条件确定单元的框图；

图10为另一种检测转子位置信息的装置的框图。

具体实施方式

下面参考附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图3所示，本发明实施例提供一种检测转子位置信息的方法，该方法包括：

301、获取三个感应电压信号。

其中，这三个感应电压信号可以表示为以转子位置为自变量，以电压幅值为函数的正弦函数。这三个感应电压信号的正弦函数分别为：

U1＝sin(h*P)

U2＝sin(h*P+2π/3)

U3＝sin(h*P+4π/3)

P为转子位置，h为常数。函数周期为T＝2π/|h|。h的取值由转子的形状对称性所决定，本领域技术人员可根据转子的形状对称性确定h的值，此处不再赘述。

这三个感应电压信号分别由三个感应线圈产生，三个感应线圈按照使所述三个感应电压信号两两之间的相位相差T/3的方式排布。如图4所示，示例性的给出了三个感应线圈的一种排列方式，在这种排列方式下，三个感应信号的两两之间相位相差T/3。

302、根据三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件。

303、根据确定的线性变换条件，得到转子位置信息。

本发明实施例提供的种检测转子位置信息的方法，获取三个感应电压信号，根据三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件，并根据所述线性变换条件，得到转子位置信息。该方案使用高精度的线性计算来替代反余弦函数运算，不但能够降低芯片实现成本，还提高了对转子位置检测的精确度，从而进一步提升传感器性能。

下面对本发明实施例提供的检测转子位置信息的方法进行进一步详细描述。

如图5所示，本发明实施例提供了一种检测转子位置信息的方法，该方法包括：

501、获取三个感应电压信号U1、U2和U3。

三个感应电压信号两两之间的相位相差T/3。

502、根据三个感应电压信号，分别算得三个中间信号Y₁、Y₂和Y₃。

本发明实施例所述的线性变换条件为：P＝k_jY_i+m_j，i∈{1,2,3}；其中Y_i为中间信号，Y₁＝U1-U2，Y₂＝U2-U3，Y₃＝U3-U1，k_j和m_j为由转子形状所确定的常数。

比如，m_j＝(j-1)*(2π/h)；j∈{1,2,3,4,5,6}

K_j可以选取Y_i的一段曲线来确定具体值。

503、判断Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系。

504、当Y₂>Y₁>Y₃时，确定线性变换条件为P＝k₁Y₁+m₁；

505、当Y₁>Y₂>Y₃时，确定线性变换条件为P＝k₂Y₂+m₂；

506、当Y₁>Y₃>Y₂时，确定线性变换条件为P＝k₃Y₃+m₃；

507、当Y₃>Y₁>Y₂时，确定线性变换条件为P＝k₄Y₁+m₄；

508、当Y₃>Y₂>Y₁时，确定线性变换条件为P＝k₅Y₂+m₅；

509、当Y₂>Y₃>Y₁时，确定线性变换条件为P＝k₆Y₃+m₆。

510、根据确定的线性变换条件P＝k_jY_i+m_j，得到转子位置信息P。

U1、U2和U3的信号与转子位置关系参考图6。横轴表示转子位置，纵轴表示电压信号幅度。

经过对图6中的两两信号相减运算后，得到如图7所示的结果。从图中可见，在区间1内，即Y₂>Y₁>Y₃时，Y₁＝sin(h*P)-sin(h*P+2π/3)有具有较好的线性特征，使用P＝k₁Y₁+m₁作为线性变换条件。由于k₁和m₁是已知常数，因此可以得到P的值，从而确定了转子的位置。类似的，在区间2至区间6中，选择不同的线性变换条件，都可以算出P，得到转子位置。

进一步的，在根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃后，还可以对Y₁、Y₂和Y₃进行采样和量化处理。

本发明实施例的方案用三个原始正弦函数中的两个正弦函数相减线得到三组新的正弦函数，这三组新的正弦函数在某些区间内具有优良的线性特征，具体参见图7中的区间1至区间6。在区间1至区间6中，通过使用线性计算来替代反余弦函数运算得到转子位置数据，提高了对转子位置检测的精确度，从而进一步提升传感器性能。并且在芯片中实现线性运算较为简单，仅需常见的累加器即可实现，有利于降低芯片成本。

本发明实施例还提供一种检测转子位置信息的装置，如图8所示，包括：

感应电压信号获取单元81，用于获取三个感应电压信号。

线性变换条件确定单元82，用于根据所述感应电压信号获取单元81获取的所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件。

转子位置信息获取单元83，用于根据所述线性变换条件确定单元82确定的所述线性变换条件，得到转子位置信息。

其中，所述三个感应电压信号分别为U1＝sin(h*P)，U2＝sin(h*P+2π/3)，U3＝sin(h*P+4π/3)，P为所述转子位置；所述三个感应电压信号分别由三个感应线圈产生，所述三个感应线圈按照使所述三个感应电压信号两两之间的相位相差120°的方式排布。

所述线性变换条件为：P＝k_jY_i+m_j，i∈{1,2,3}；其中，Y₁＝U1-U2，Y₂＝U2-U3，Y₃＝U3-U1，k_j和m_j为由转子形状所确定的常数。

如图9所示，该线性变换条件确定单元82具体包括：

中间信号计算模块821，用于根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃；

判断模块822，用于判断Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系；

线性变换条件确定模块823，用于当Y₂>Y₁>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₁Y₁+m₁；

所述线性变换条件确定模块823还用于当Y₁>Y₂>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₂Y₂+m₂；

所述线性变换条件确定模块823还用于当Y₁>Y₃>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₃Y₃+m₃；

所述线性变换条件确定模块823还用于当Y₃>Y₁>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₄Y₁+m₄；

所述线性变换条件确定模块823还用于当Y₃>Y₂>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₅Y₂+m₅；

所述线性变换条件确定模块823还用于当Y₂>Y₃>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₆Y₃+m₆。

进一步的，如图10所示，该装置还包括：

采样单元84，用于在根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃后，对Y₁、Y₂和Y₃进行采样处理。

量化单元85，用于对所述采样单元的采样数据进行量化处理。

另外，本发明实施例还提供一种非接触感应式传感器，包括：转子和PCB(PrintedCircuit Board,印制电路板)。

其中在PCB上设置有包括激励线圈和三个感应线圈的定子以及信号处理芯片，所述转子设置在所述定子上方。

信号处理芯片包括前述任意一种检测转子位置信息的装置。

转子连接带测定的机械装置，当机械装置运动时带动转子转动，在电磁感应作用下，三个感应线圈分别产生感应电流，信号处理芯片获取到三个感应电压信号U1、U2和U3，并根据这三个感应电压信号，分别算得三个中间信号Y₁、Y₂和Y₃。之后根据Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系确定线性变换条件P＝k_jYi+m_j，得到转子位置信息P。信号处理芯片将该位置信息P传输到控制系统中(比如ECU)，控制系统参考该位置信息P对汽车进行控制。

该方案使用高精度的线性计算来替代反余弦函数运算，不但能够降低芯片实现成本，还提高了对转子位置检测的精确度，从而进一步提升传感器性能。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (7)

1.一种检测转子位置信息的方法，其特征在于，包括：

获取三个感应电压信号；

根据所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件；

根据所述线性变换条件，得到转子位置信息；

其中，所述三个感应电压信号分别为U1＝sin(h*P)，U2＝sin(h*P+2π/3)，U3＝sin(h*P+4π/3)，P为所述转子位置，h为常数；所述三个感应电压信号分别由三个感应线圈产生，所述三个感应线圈按照使所述三个感应电压信号两两之间的相位相差120°的方式排布；

所述线性变换条件为：P＝k_jY_i+m_j，i∈{1,2,3}；j∈{1,2,3,4,5,6}；其中Y_i为中间信号，Y₁＝U1-U2，Y₂＝U2-U3，Y₃＝U3-U1，k_j和m_j为由转子形状所确定的常数。

2.根据权利要求1所述的检测转子位置信息的方法，其特征在于，所述根据所述三个感应电压信号之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件，具体包括：

根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃；

判断Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系；

当Y₂>Y₁>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₁Y₁+m₁；

当Y₁>Y₂>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₂Y₂+m₂；

当Y₁>Y₃>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₃Y₃+m₃；

当Y₃>Y₁>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₄Y₁+m₄；

当Y₃>Y₂>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₅Y₂+m₅；

当Y₂>Y₃>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₆Y₃+m₆。

3.根据权利要求2所述的检测转子位置信息的方法，其特征在于，在根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃后，还包括：

对Y₁、Y₂和Y₃进行采样和量化处理。

4.一种检测转子位置信息的装置，其特征在于，包括：

感应电压信号获取单元，用于获取三个感应电压信号；

线性变换条件确定单元，用于根据所述感应电压信号获取单元获取的所述三个感应电压信号的之间的大小关系，确定需使用的线性变换条件；

转子位置信息获取单元，用于根据所述线性变换条件确定单元确定的所述线性变换条件，得到转子位置信息；

其中，所述三个感应电压信号分别为U1＝sin(h*P)，U2＝sin(h*P+2π/3)，U3＝sin(h*P+4π/3)，P为所述转子位置，h为常数；所述三个感应电压信号分别由三个感应线圈产生，所述三个感应线圈按照使所述三个感应电压信号两两之间的相位相差120°的方式排布；

所述线性变换条件为：P＝k_jY_i+m_j，i∈{1,2,3}；j∈{1,2,3,4,5,6}；其中Y_i为中间信号，Y₁＝U1-U2，Y₂＝U2-U3，Y₃＝U3-U1，k_j和m_j为由转子形状所确定的常数。

5.根据权利要求4所述的检测转子位置信息的装置，其特征在于，所述线性变换条件确定单元，具体包括：

中间信号计算模块，用于根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃；

判断模块，用于判断Y₁、Y₂和Y₃之间的大小关系；

线性变换条件确定模块，用于当Y₂>Y₁>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₁Y₁+m₁；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₁>Y₂>Y₃时，确定所述线性变换条件为P＝k₂Y₂+m₂；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₁>Y₃>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₃Y₃+m₃；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₃>Y₁>Y₂时，确定所述线性变换条件为P＝k₄Y₁+m₄；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₃>Y₂>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₅Y₂+m₅；

所述线性变换条件确定模块还用于当Y₂>Y₃>Y₁时，确定所述线性变换条件为P＝k₆Y₃+m₆。

6.根据权利要求5所述的检测转子位置信息的装置，其特征在于，还包括：

采样单元，用于在根据U1、U2和U3，算得Y₁、Y₂和Y₃后，对Y₁、Y₂和Y₃进行采样处理；

量化单元，用于对所述采样单元的采样数据进行量化处理。

7.一种非接触感应式传感器，包括：转子和PCB印制电路板；

所述PCB上设置有包括激励线圈和三个感应线圈的定子以及信号处理芯片，所述转子设置在所述定子上方；

其特征在于，所述信号处理芯片包括权利要求4至6中任意一项所述的检测转子位置信息的装置。