CN104969036B - 用于确定旋转元件的至少一种旋转特性的传感器装置 - Google Patents
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Abstract
提出一种传感器装置(10)，其用于确定旋转元件的至少一种旋转特性，所述传感器装置包括能够与所述旋转元件连接的至少一个增量承载件(20)，其中，所述传感器装置(10)包括用于在所述旋转元件的位置上产生磁场的至少一个磁场发生器(12)，其中，所述传感器装置(10)具有至少一个第一磁传感器(16)和至少一个第二磁传感器(18)，其中，所述第一磁传感器(16)产生第一传感器信号并且所述第二磁传感器(18)产生第二传感器信号，其中，所述第一磁传感器(16)为感应式传感器，其中，所述第一磁传感器(16)具有至少一个线圈并且设置为感测由所述旋转元件的涡电流所产生或者改变的磁场，其中，所述第二磁传感器(18)为主动式传感器，其中，所述第二磁传感器(18)具有至少一个霍尔元件和/或至少一个磁阻元件。
Description
背景技术
由现有技术已知众多的传感器，其感测旋转元件的至少一种旋转特性。在此，旋转特性可普遍理解为至少部分地说明旋转元件的旋转的特性。在这里，例如可以涉及角速度、转速、角加速度、旋转角、角度位置或者能够表征旋转元件的连续或者不连续的、单调的或者多变的旋转或者转动的其它特性。例如，这类传感器在Konrad Reif的Sensoren imKraftfahrzeug(机动车中的传感器)，2010第1版，63至73页和120至129页中说明。本发明的特别的重点在于转速感测，然而原则上本发明不限于此。转速感测尤其可以设置为感测例如曲轴或者凸轮轴的转速。
在混合动力车辆或者电动车辆中使用例如转速传感器的情况下，对机械的牢固性和测量精度提出高的要求。然而，在电动机中通常每分钟1至大约25.000转的整个转速范围上，尤其在下边缘范围和上边缘范围中，已知的转速传感器不提供根据最新的要求所要求的精度。
发明内容
通过根据本发明提出的解决方案，相对于根据现有技术已知的传感器装置，提供一种传感器装置，该传感器装置具有在旋转元件的整个转速范围上被提高的测量精度。
与之相应地，提出一种用于确定旋转元件的至少一种旋转特性、尤其用于确定驱动机中的轴的位置和/或转速的传感器装置。
传感器装置具有至少一个可以与旋转元件连接的增量承载件(Inkrementtraeger)。通常在增量测量方法中使用增量承载件。在转速传感器中通常得以使用的测量方法是增量式计数方法，其中，通过对单值、也称作增量值的计数来测量每单位时间的值改变，并且由此可以得出不同的旋转特性、如例如转速或者之前所提到的其它特性之一。为此，增量承载件通常具有沿着路径周期性地布置的值发送器，所述值发送器可以分别单个地感测并且分别触发计数值提高或者减小一个增量。
例如，增量承载件可以包括与相应的磁传感器相配合的、由可磁化的材料构成的齿轮，只要外部的磁场使所述齿轮运动，则该齿轮在每个齿的区域中和布置在两个齿之间的每个空隙的区域中由于磁场的不同影响而产生可感测的事件。也可以考虑，构造多极轮形式的增量承载件，所述多极轮通常通过具有交替的或者说轮流的磁性极化的一序列永磁区域来构成。在这里，这类多极轮能够通过由于与外界磁场的干涉例如交叠来形成多个自身的磁性场区域、即通过测量外界磁场的改变来产生多个可感测的磁性事件，但是或者能够通过直接测量多个处于两个相邻的永磁区域之间的磁性场区域来产生多个可感测的磁性事件。
此外，根据以本发明为基础的构想，传感器装置具有用于在旋转元件的位置上产生磁场的至少一个磁场发生器，所述磁场发生器例如可以由永磁铁构成。此外，传感器装置具有至少一个第一磁传感器和至少一个第二磁传感器，其中，第一磁传感器产生第一传感器信号并且第二磁传感器产生第二传感器信号。由第一磁传感器和/或第二磁传感器所产生的传感器信号例如可以仅仅包括关于对各个由旋转元件的旋转所产生的增量式事件的感测的时间序列的信息，但是或者能够以已经事先评估的、准备的形式示出关于所想要的旋转特性的信息。
此外，根据本发明的传感器装置设置，第一磁传感器为被动感应式传感器，该被动式传感器优选具有至少一个线圈，所述线圈设置为感测由旋转元件的涡电流产生或者改变的磁场。第二磁传感器为主动式传感器，在这里，该主动式传感器优选具有至少一个霍尔元件和/或至少一个磁阻元件。
通过被动感应式传感器与主动式传感器共同的组合能够实现两种传感器类型的不同特性的也能够以有利的方式利用的组合。例如将线圈设置为根据感应原理工作的被动感应式磁传感器的特别优点在于，基于旋转元件的增加的旋转速度和所产生的各个磁性事件的序列的也增加的速度，磁传感器感应线圈内部的、可测量并且也增加的电压。因此，最大可感测的转速不被各个事件的不足的分辨率(Aufloesung)限制，而仅仅被线圈的电子技术特性、例如谐振频率限制。在这里，所测量的感应电压以特别有利的方式随着增大的旋转速度而具有改进的信噪比。换言之，信噪差(Signal/Rausch-Abstand)增大。由此，被动感应式传感器特别好地适合于测量高的转速。反之，由于因此也低的信噪差，被动感应式传感器不那么适合用于测量低的转速。
在较低的转速范围内，例如霍尔元件形式的主动式磁传感器的使用以有利的方式起作用。借助于这种主动式磁传感器，能够以具有测量信号的相应高的精度的方式感测直到旋转元件的小于每分钟1转至静止状态的转速范围的转速或者说转动速度。反之，可被主动式磁传感器感测的转速或者说转动速度通常由于用于干扰抑制的信号处理的受限的带宽而被限制于目前大约10至20kHz的增量频率、即被限制于所感测的磁性事件的频率。所述增量频率通常相当于与事件发生器的数量相乘的旋转元件转动频率或者说转速。
据此，通过两种传感器类型的使用可以以有利的方式实现将可测量的转速范围从每分钟0转扩宽直至每分钟20,000转以上。然而，理论上也可以考虑，最大转速可以处于每分钟80,000转至每分钟100,000转的范围内。通过充分利用以两种传感器类型为基础的测量原理、尤其通过评估所述传感器信号中至少一个也能够实现：可以提供测量信号在整个转速范围内的高的精度。
在被动感应式传感器的与主动式传感器的转速范围重叠的转速范围内，也提供与信号精度有关地冗余的传感器信号。
替代所述被动感应式传感器，也可以使用另外的传感器类型、例如主动感应式传感器，所述传感器类型具有随着转速的提高也提高的信噪差。
根据传感器装置的另一种实施方式可以设置，第一磁传感器和第二磁传感器在径向方向上相对于旋转元件前后相继地布置。换言之，在这里，第一磁传感器和第二磁传感器可以从磁场发生器出发向旋转元件的方向看优选相互前后跟随地布置。因此，所述磁传感器中的一个磁传感器比另一个磁传感器具有更大的、到旋转元件的径向间距。此外，以此方式，可以确保传感器装置构型为插式传感器，例如具有仅仅微不足道地提高的长度。因此，不需要实质性的改变来接收所提出的传感器装置。
替代地，根据传感器装置的另一种实施方式也可以设置，第一磁传感器和第二磁传感器相对于旋转元件在径向方向上相互并列地布置。在这里，第一和第二磁传感器能够不但在旋转元件的旋转方向上布置，或者但是在平行于旋转元件的旋转轴线的方向上相邻地布置。由此，不但第一而且第二磁传感器可以以有利的方式包括到旋转元件的、以优化的方式尽可能小的间距。
此外，可以设置，传感器装置具有导流元件，优选该导流元件被第一磁传感器的线圈至少部分地围绕。优选该导流元件可以由铁磁的材料构成。同时，导流元件构成线圈的芯并且由此由于导流元件中的提高的磁流密度而提高感应电流，这进一步以有利的方式引起信噪差的提高。为此，优选导流元件通过与磁场发生器共同构成的接触面来邻接磁场发生器。
根据传感器装置的另一种构型，可以设置，第一磁传感器和第二磁传感器设置为磁性地扫描共同的增量承载件。
根据传感器装置的另一种实施方式，可以设置，至少一个增量承载件为齿轮，其中，该齿轮由至少部分铁磁的、优选具有高的导磁能力的材料构成。
替代地或者附加地，在本发明的另一种实施方式中，所述至少一个增量承载件可以是磁性的多极轮。为此，所述多极轮例如可以通过包括在塑料中的永磁的、具有局部交替的极性的颗粒构成。
根据另一种实施方式，也可以设置，至少一个增量承载件具有永磁区域并且所述增量承载件设置为形成涡电流。在这里，优选可以涉及之前所说明的磁性极轮形式的增量承载件。
根据本发明的另一种实施方式，可以设置，传感器装置此外包括至少一个评估单元，优选所述评估单元设置为评估第一传感器信号和/或第二传感器信号。在这里，传感器信号的评估通常理解为任何任意的过程步骤，所述过程步骤使用于从传感器信号出发获得关于旋转元件的旋转特性的信息。例如，在将转速作为待感测的旋转特性的情况下，在这里可以设置，为传感器装置的每个磁传感器设置一个自身的评估单元，所述评估单元至少部分地、优选然而完全地仅评估被分配给该评估单元的磁传感器的各一个传感器信号，并且将所获得的、关于旋转元件的转速的信息以数据信号的形式提供用于例如不属于传感器装置的发动机控制装置、尤其发动机控制仪。在这种情况下，例如发动机控制仪从每个评估单元接收一个自身的转速信息并且必须根据转速信息、尤其转速自身在对应的转速信息的精度方面比较和/或检验所述转速信息。
然而，替代地或者附加地，也可以设置，传感器装置包括仅仅一个评估单元，该评估单元构造为评估多个由多个磁传感器产生的传感器信号。根据该具有仅仅一个评估单元的实施方式，以有利的方式提出这样的可能性，可以使传感器装置和可能的发动机控制装置之间的在其他情况下必需的多条数据线数量最小化。此外，这是可能的：一个传感器的各个传感器信号的总体的评估通过基本上与该传感器装置匹配的评估电子部件在传感器装置中这样执行，使得可以几乎实时地执行关于旋转特性的信息的获得。
具有至少一个评估单元的传感器装置的还有利的构型可以在于，所述至少一个评估单元具有信号输出端，在该输出端上，评估单元根据旋转元件的转速提供所评估的传感器信号中的仅一个传感器信号。换言之，所述一个或多个评估单元各具有一个信号输出端，在所述信号输出端上，在有多个评估单元的情况下这些评估单元提供分别被评估的传感器信号，或者在单个评估单元的情况下，所述评估单元提供所述多个被评估的传感器信号中的一个传感器信号。
优选，传感器装置的以上所说明的实施方式在根据本发明的、用于确定旋转元件的至少一种旋转特性的传感器系统中得以使用，其中，所述传感器系统此外包括能够与传感器装置连接的控制装置，所述控制装置设置为在旋转元件的至少一个第一转速范围内至少感测由第一磁传感器所产生的第一传感器信号并且在至少一个第二转速范围内至少感测由第二磁传感器所产生的第二传感器信号。这与是否已经以以上述方式根据对应的转速范围由传感器装置的可能的评估单元进行了传感器信号的预选择无关或者与是否在与传感器装置连接的控制装置中进行了相应的选择无关。该控制装置可以涉及例如通常在发动机中使用的发动机控制装置、尤其所谓的ECU，但是或者例如也可以涉及能够与发动机控制装置连接的传感器控制装置。
替代地或者附加地，可以以有利的方式设置，传感器系统的控制装置设置为在旋转元件的第三转速范围内不但感测由第一磁传感器产生的第一传感器信号而且感测由第二磁传感器产生的第二传感器信号。在这里，优选，所提到的第三转速范围的特征在于，第一磁传感器的第一传感器信号以及第二磁传感器的第二传感器信号根据例如旋转元件的转速分别具有用于获得例如转速的必要的精度，并且能够实现两种传感器信号的同时和冗余的评估。由于基于两个不同的磁传感器又被相互独立地产生的两个传感器信号的评估，所感测的旋转特性的精度的进一步提高能够以更有利的方式被实现。
附图说明
以下参照优选的实施方式详细说明本发明。
为此，附图示出：
图1根据本发明的传感器装置的优选实施方式的示意性图示，和
图2具有根据本发明的传感器装置的传感器系统的优选实施方式的示意性图示。
具体实施方式
如可以从图1的图示得知，传感器装置10的所示出的实施方式具有磁场发生器12，该磁场发生器例如可以由永磁铁构成。如所示出的，传感器装置10此外包括面式地布置到作为双极磁铁示出的磁场发生器12的南极上的导流元件14，该导流元件同时向未示出的旋转元件的方向延伸。在这里，替代地，磁场发生器12也可以设置有和所示出的组件方向相反的极性取向。
此外，布置有第一磁传感器16，第一磁传感器优选布置成包围导流元件14的线圈16的形式，以及布置有第二磁传感器18，第二磁传感器优选布置在导流元件14的朝向旋转元件的端面上。在这里，优选，第二磁传感器18不被第一磁传感器16的线圈包围，所述第二磁传感器例如可以由霍尔元件或者磁阻元件构成。
如还可以从图1的图示得知，在磁场发生器12向第二磁传感器18的方向的延长中布置增量承载件20，优选，所述增量承载件与未示出的旋转元件连接。因此，跟随旋转元件的旋转，增量承载件20在第二磁传感器18的区域中基本上垂直于由磁场发生器12所产生的磁场地被经过。由此，如以上述方式影响或者说改变由磁场发生器12所产生的磁场，其中，磁场的改变可以被第二磁传感器18以及也被第一磁传感器16感测。
此外，传感器装置10的所示出的实施方式还具有评估单元22，所述评估单元通过电线24与第一磁传感器16和第二磁传感器18处于连接中。优选，通过电线24将分别由第一磁传感器16和第二磁传感器18产生的、各自的传感器信号传递给评估单元22。
此外，从图2的图示可得知，优选，传感器系统30包括通过另外的数据线32与传感器装置10处于连接中的控制装置34，所述控制装置例如包括众所周知的、在燃烧驱动装置、电子驱动装置或者混合动力驱动装置中得以使用的发动机控制装置，或者可以是这样的发动机控制装置。在评估单元22和控制装置34之间所示出的数据线32的数量仅仅是示意性的，并且所述数据线32不限于2根或者3根连接线的数量。具有更多或更少的连接线的其它的接口类型也是可能的。之前所述的也适用于在图1和图2中所示出的、第一磁传感器16和评估单元22之间以及第二磁传感器18和评估单元22之间的连接线。
Claims (9)
1.传感器装置(10)，其用于确定旋转元件的至少一种旋转特性，所述传感器装置包括能够与所述旋转元件连接的至少一个增量承载件(20)，其中，所述传感器装置(10)包括用于在所述旋转元件的位置上产生磁场的至少一个磁场发生器(12)，其中，所述传感器装置(10)具有至少一个第一磁传感器(16)和至少一个第二磁传感器(18)，其中，所述第一磁传感器(16)产生第一传感器信号并且所述第二磁传感器(18)产生第二传感器信号，
其特征在于，
所述第一磁传感器(16)为感应式传感器，其中，所述第一磁传感器(16)具有至少一个线圈并且设置为感测由所述旋转元件的涡电流所产生或者改变的磁场，其中，所述第二磁传感器(18)为主动式传感器，其中，所述第二磁传感器(18)具有至少一个霍尔元件和/或至少一个磁阻元件，其中，所述第一磁传感器(16)和所述第二磁传感器(18)设置为磁性地扫描一个共同的增量承载件(20)。
2.根据前一权利要求所述的传感器装置(10)，其中，所述第一磁传感器(16)和所述第二磁传感器(18)相对于所述旋转元件在径向方向上前后相继地布置。
3.根据权利要求1所述的传感器装置(10)，其中，所述第一磁传感器(16)和所述第二磁传感器(18)相对于所述旋转元件在径向方向上相互并列地布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(10)，其中，所述至少一个增量承载件(20)为齿轮，其中，该齿轮至少部分地由铁磁材料构成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(10)，其中，所述至少一个增量承载件(20)为磁性的多极轮。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(10)，其中，所述至少一个增量承载件(20)具有永磁区域，并且其中，所述增量承载件(20)设置为形成涡电流。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(10)，其中，所述传感器装置(10)包括至少一个评估单元(22)，其中，所述至少一个评估单元(22)设置为评估所述第一传感器信号和/或所述第二传感器信号。
8.根据前一权利要求所述的传感器装置(10)，其中，所述至少一个评估单元(22)具有信号输出端，其中，所述至少一个评估单元(22)设置为，根据所述旋转元件的转速在评估单元的信号输出端上提供被评估的所述传感器信号中的仅一个传感器信号。
9.传感器系统(30)，其用于确定旋转元件的至少一种旋转特性，其中，所述传感器系统(30)包括至少一个根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(10)，其中，所述传感器系统(30)还包括能够与所述传感器装置(10)连接的控制装置(34)，其中，所述控制装置(34)设置为，在所述旋转元件的至少一个第一转速范围内感测由第一磁传感器(16)所产生的第一传感器信号，并且其中，所述控制装置设置为，在至少一个第二转速范围内感测由第二磁传感器(18)所产生的第二传感器信号。
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