CN106167046B - 用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件，其中旋转构件与两个测量值发送器联接，其分别与测量值接收器结合提供至少一个用于测定旋转构件在360°旋转范围内的角度位置的第一信息和一个用于测定旋转构件的回转数目的第二信息，其中从测定的角度位置和测定的回转数目能求得旋转构件的实际的转动角度。测量值发送器分别具有磁编码并且测量值接收器在测量值发送器的磁编码的有效范围内具有带有至少一个竖直霍尔传感器和至少一个平面霍尔传感器的测量面，其中竖直霍尔传感器获取垂直于测量面延伸的磁场矢量，平面霍尔传感器获取平行于测量面延伸的磁场矢量，其表示运动的测量值发送器的磁编码在测量面的位置处产生的叠加磁场。
Description
技术领域
本发明涉及用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件，其中，所述旋转构件与两个测量值发送器联接，所述两个测量值发送器分别与测量值接收器结合提供至少一个用于测定所述旋转构件在360°旋转范围内的角度位置的第一信息和一个用于测定所述旋转构件的回转数目的第二信息，其中，从测定的角度位置和测定的回转数目能求得所述旋转构件的实际的转动角度。
背景技术
在已知的转向角度传感器中，借助两个齿轮测量方向盘多个回转的转向角度，两个齿轮经由大齿轮与转向杆联接。齿轮沿一个方向被磁化并且可借助磁场传感器确定齿轮的角度。两个齿轮可具有略微不同的齿数，使得根据角度相对彼此的比例也可确定齿轮各自的回转。因此，可确定方向盘在多个回转中的角度。每个客户都有自己的方向盘转向杆和其内装有转向角度传感器的开关单元的设计方案。现在，由于不同的要求，几乎对每个客户都需要开发并且试验各自的电路板。
因此，文献DE 195 06 938A1公开了一种对可转动物体测量角度的方法和装置。在此，可转动物体在周缘侧与至少两个另外的可转动物体共同作用。另外的可转动物体例如实施为齿轮，借助两个传感器可测定其角度位置。那么从两个附加的可转动物体的这样测定的角度位置中可确定可转动物体的角度位置。因此可得到明确的结论，即所有三个可转动物体或齿轮须分别具有确定的齿数或变速比。该方法和装置例如可用于测定机动车的转向角度。所说明的测量原理可应用于任意类型的角度传感器，诸如光学传感器、磁性传感器、电容传感器、电感传感器或者电阻传感器。在此，另外的可转动物体作为测量值发送器起作用，相应的传感器作为测量值接收器起作用。
从文献DE 10 2012 202 639 A1中已知一种用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件。旋转构件在其周缘处与测量值发送器联接，测量值发送器与至少一个传感器结合产生表示旋转构件的转动角度的信号。在此，测量值发送器实施成运动转换器，其将旋转构件的旋转转换成测量值发送器的平移，其中，至少一个传感器测定测量值发送器的经过的位移，经过的位移表示旋转构件的转动角度。
发明内容
与此相应，根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件的优点在于，通过评估在一个点处具有一定几何尺寸的两个磁场的叠加可识别两个磁场并且将它们彼此分开。通过多个在测量面上平面的和/或竖直的霍尔传感器(可分析其输出信号)来实现上述方案。
利用平面的霍尔传感器，例如通过简单的arctan2逆运算计算出在测量面的限定点处的总磁场的方向。在此，在限定点处的总磁场由多个磁场组成，所述多个磁场由第一测量值发送器的磁编码和第二测量值发送器的磁编码产生。测量值发送器的磁编码例如通过磁性北极和南极交替的布置来实现。利用竖直的霍尔传感器，通过对差值进行arctan2逆运算确定差分的磁场方向。从由相对而置地布置在测量面上的竖直的霍尔传感器获取的测量值中计算出差值。
最初研发这种霍尔传感器，是为了使在磁场转动时由外部场引起的角度误差最小化。在本发明的实施方式中，可通过最简单的变型使用霍尔传感器，以将“外部场”或者说由测量值发送器之一的磁编码产生的磁场在几何尺寸方面较大地选择，而将“差分的磁场(differentielle Magnetfeld)”或者说由另一个测量值发送器的磁编码产生的磁场在几何尺寸方面较小地选择。然后，通过差分的磁场确定用于测定旋转构件在360°旋转范围内的角度位置的第一信息，接着通过评估外部场确定用于测定旋转构件的回转数目的第二信息。
本发明的实施方式有利地实现了在具有小的空间尺寸的位置处确定磁场矢量，从而在最有利的情况下可取消电路板。测量面例如可集成于特定用途集成电路(ASIC)中。根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件的实施方式则可用于为了获取车辆中的转动角度的不同应用中，诸如用作转向角度传感器、踏板行程指示器等。
本发明的实施方式提供了一种用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件。在此，旋转构件与两个测量值发送器联接，这两个测量值发送器分别与测量值接收器结合来提供至少一个用于测定旋转构件在360°旋转范围内的角度位置的第一信息和一个用于测定旋转构件的回转数目的第二信息。从测定的角度位置和测定的回转数目可求得旋转构件的实际的转动角度。在此，测量值发送器分别具有磁编码并且测量值接收器在测量值发送器的磁编码的有效范围内具有带有至少一个竖直的霍尔传感器和至少一个平面的霍尔传感器的测量面，其中，该至少一个竖直的霍尔传感器获取垂直于测量面延伸的磁场矢量，该至少一个平面的霍尔传感器获取平行于测量面延伸的磁场矢量。在此，获取的磁场矢量表示运动的测量值发送器的磁编码在测量面的位置处产生的叠加磁场。
通过在从属权利要求中实施的措施和改进方案可实现对这种用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件进行有利的改善。
特别有利的是，测量值接收器可包括偶数数量的竖直的霍尔传感器，所述竖直的霍尔传感器可均匀地分布在围绕共同中心点的圆上。此外，测量值接收器可包括至少两个平面的霍尔传感器，所述平面的霍尔传感器布置在共同中心点的区域中并且获取彼此垂直的磁场矢量。
在根据本发明的传感器组件的一种有利的设计方案中，测量值接收器可以实施为具有塑料壳体的特定用途集成电路(ASIC)，该特定用途集成电路可包括带有霍尔传感器的测量面和评估与控制单元，该评估与控制单元可接收并评估霍尔传感器的输出信号。
目标是开发一种可用于所有设计的单个电路板或仅少量的电路板。由此，有利地可使测量值接收器的空间尺寸保持得很小。全部电子器件和所要求的计算性能可集成到特定用途集成电路(ASIC)中。由此，当通过微控制器和相应的评估软件的集成可灵活设计评估装置时，相同的测量值接收器或者特定用途集成电路(ASIC)能够有利地用于不同的应用。对于踏板位移指示器来说，根据本发明的传感器组件的实施方式例如实现了测量磁编码的测量值发送器的角度和外部场，以由此可更精确地确定磁编码的测量值发送器的角度。对于转向角度传感器来说，根据本发明的传感器组件的实施方式例如实现了确定方向盘在多次回转中的角度。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，旋转发送器能够不可相对转动地与旋转构件联接并且在外周缘处具有至少一个主齿圈。测量值发送器例如可以实施为齿轮或齿杆并且直接或间接地与旋转发送器的主齿圈联接。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，第一测量值发送器可以实施为具有第一齿圈和减速齿圈的齿轮并且以预定的变速比直接与旋转发送器联接。在此，第二测量值发送器可以实施为与第一测量值发送器的减速齿圈联接的齿杆，其中，实施为齿轮的第一测量值发送器的转动轴线可延伸通过测量值接收器的霍尔传感器的共同中心点。在该实施方案中，利用平面的霍尔传感器可确定在实施成齿轮的第一测量值发送器的中心的总磁场的方向。利用竖直的霍尔传感器，从相对而置的霍尔传感器的差值可确定实施为齿轮的第一测量值发送器的磁场的方向。那么，从这些信息中可计算出旋转构件的转动角度，其中，从实施为齿轮的第一测量值发送器的转动位置中可获得关于旋转构件在360°旋转范围中的角度位置的第一信息，并且从实施为齿杆的第二测量值发送器的位置中可获得用于测定旋转构件的回转数目的第二信息。因为实施为齿杆的第二测量值发送器具有起始位置和终止位置，所以测量值接收器安装在相对于测量值发送器的限定的位置上。
替代地，第一测量值发送器可以实施为具有第一齿圈的齿轮并且以预定的第一变速比直接与旋转发送器联接。第二测量值发送器可以实施为具有第二齿圈的齿轮并且以预定的第二变速比直接与旋转发送器联接，该第二变速比与第一变速比不同。在此，实施为齿轮的测量值发送器的共同的转动轴线延伸通过霍尔传感器的共同中心点。为了实现不同的变速比，第一齿圈的齿数和第二齿圈的齿数可以不同。替代地，测量值发送器的齿圈可具有相同的齿数，并且旋转发送器在外周缘处具有齿数不同的两个主齿圈。在两种实施方式中，对于两个磁编码化的测量值发送器来说在测量面处都产生了总磁场，可评估该总磁场以确定旋转构件的转动角度。
作为另一替代方案，旋转发送器可以实施为磁编码化的第一测量值发送器，其中，第二测量值发送器可以实施为具有齿圈的齿轮并且以预定的变速比直接与旋转发送器联接。在此，霍尔传感器的共同中心点可布置在旋转发送器与第二测量值发送器之间的联接区域的范围(Umfeld)中。在该实施变型中，两个磁编码化的测量值发送器的磁场也叠加，并且转动运动可逆运算出两个测量值发送器的各自的角度，进而反推计算出旋转构件的转动位置。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在接下来的说明中对其进行详细阐述。在附图中，相同的附图标记表示实施相同或相似功能的部件或元件。
图1示出了具有用于根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件的测量面的测量值接收器的实施例的示意性的俯视图，
图2示出了根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件的第一实施例的示意性的俯视图，
图3示出了根据本发明的用于获取车辆中旋转构件的转动角度的传感器组件的第二实施例的示意性的立体图，
图4示出了根据本发明的用于获取车辆中旋转构件的转动角度的传感器组件的第三实施例的示意性的立体图。
具体实施方式
如从图1至图4可见的那样，用于获取车辆中的未详细示出的旋转构件的转动角度的根据本发明的传感器组件1A、1B、1C的示出的实施例分别包括两个测量值发送器5A、5B、5C、7A、7B、7C，所述测量值发送器与旋转构件联接。测量值发送器5A、5B、5C、7A、7B、7C分别与测量值接收器10结合提供至少一个用于测定旋转构件在360°旋转范围内的角度位置的第一信息和一个用于测定旋转构件的回转数目的第二信息。在此，由测定的角度位置和测定的回转数目求得旋转构件的实际的转动角度。测量值发送器5A、5B、5C、7A、7B、7C分别具有磁编码并且测量值接收器10在测量值发送器5A、5B、5C、7A、7B、7C的磁编码的有效范围内具有带有至少一个竖直的霍尔传感器14和至少一个平面的霍尔传感器16的测量面12，该至少一个竖直的霍尔传感器获取垂直于测量面12延伸的磁场矢量Mz，该至少一个平面的霍尔传感器获取平行于测量面12延伸的磁场矢量Mx、My。在此，所获取的磁场矢量Mx、My、Mz代表运动的测量值发送器5A、5B、5C、7A、7B、7C的磁编码在测量面12的位置处产生的叠加磁场。
如从图1还可见的那样，在示出的实施例中，测量值接收器10包括偶数个、即四个竖直的霍尔传感器14，所述竖直的霍尔传感器均匀地分布在围绕共同中心点MP的圆上。此外，测量值接收器10包括至少两个平面的霍尔传感器16，所述平面的霍尔传感器布置在共同中心点MP的区域中并且获取彼此垂直的磁场矢量Mx、My。此外，在示出的实施例中，测量值接收器10实施为具有塑料壳体的特定用途集成电路(ASIC)18，该特定用途集成电路包括具有霍尔传感器14、16的测量面12和评估与控制单元18.2，评估与控制单元接收并分析霍尔传感器14、16的输出信号。
如从图2至图4还可见的那样，根据本发明的传感器组件1A、1B、1C的示出的实施例分别包括旋转发送器3A、3B、3C，所述旋转发送器不可相对转动地与旋转构件联接并且在外周缘处具有至少一个主齿圈3.1A、3.1B、3.1C。旋转构件例如可以实施为轴，旋转发送器3A、3B、3C套装到该轴上。测量值发送器5A、5B、5C、7A、7B、7C例如可以实施为齿轮5A、5B、7B、7C或齿杆7A并且直接或间接地与旋转发送器3A、3B、3C的主齿圈18联接。
如从图2还可见的那样，在根据本发明的传感器组件1A的示出的第一实施例中，第一测量值发送器5A实施为具有第一齿圈5.1A和减速齿圈5.2A的齿轮并且以预定的变速比直接与旋转发送器3A联接。在根据本发明的传感器组件1A的示出的第一实施例中，第二测量值发送器7A实施为与第一测量值发送器5A的减速齿圈5.2A联接的齿杆。实施为齿轮的第一测量值发送器5A的转动轴线DA延伸通过测量值接收器10的霍尔传感器14、16的共同中心点MP。
在根据本发明的传感器组件1A的示出的第一实施例中，利用平面的霍尔传感器16通过简单的arctan2逆运算确定在实施为齿轮的第一测量值发送器5A的中心的总磁场的方向。利用竖直的霍尔传感器14通过对相对而置的霍尔传感器14的差值进行arctan2逆运算确定实施成齿轮的第一测量值发送器5A的磁场的方向。如果已知总磁场的方向、齿轮磁场的方向以及实施为齿轮的第一测量值发送器5A与实施为齿杆的第二测量值发送器7A的强度比则可反推计算出实施成齿杆的第二测量值发送器7A的磁场方向、进而其位置作为圈数计数器被评估。因为实施为齿杆的第二测量值发送器7A具有起始位置和终止位置，所以测量值接收器10安装在相对于测量值发送器5A、7A限定的位置上。
如从图3还可见的那样，在根据本发明的传感器组件1B的示出的第二实施例中，第一测量值发送器5B实施为具有第一齿圈5.1B的齿轮并且以预定的第一变速比直接与旋转发送器3B联接。第二测量值发送器7B实施为具有第二齿圈7.1B的齿轮并且以与第一变速比不同的第二变速比直接与旋转发送器3B联接。在此，实施为齿轮的测量值发送器5B、7B的共同的转动轴线DA延伸通过霍尔传感器14、16的共同中心点MP。在示出的实施例中，第一齿圈5.1B的齿数与第二齿圈7.1B的齿数不同，以实现不同的变速比。在替代的未示出的实施例中，测量值发送器5B、7B的齿圈5.1B、7.1B具有相同的齿数并且旋转发送器3B在外周缘处具有齿数不同的两个主齿圈3.1B。在两个实施例中，对于两个磁编码化的测量值发送器5B、7B来说，在测量面12上获得了总磁场，可评估该总磁场以确定旋转构件的转动角度。通过加和及减去标准化的磁场(该磁场沿将测量面12展开的两个彼此垂直的主方向x、y延伸)的振幅进行逆运算。接下来利用arctan2函数逆运算出实施为齿轮的测量值发送器5B、7B的各自的角度，进而计算出旋转构件的转动位置。
如从图4还可见的那样，在根据本发明的传感器组件1C示出的第三实施例中，旋转发送器3C实施为磁编码化的第一测量值发送器5C，其中，第二测量值发送器7C实施为具有齿圈7.1C的齿轮并且以预定的变速比直接与旋转发送器3C联接。在此，霍尔传感器14、16的共同中心点MP布置在旋转发送器3C与第二测量值发送器7C之间的联接区域的范围中。在根据本发明的传感器组件1C的第三实施例中，对于两个磁编码化的测量值发送器5C、7C来说也在测量面12上获得了总磁场，可评估该总磁场以确定旋转构件的转动角度。与第二实施例类似，通过加和及减去标准化的磁场(该磁场沿将测量面12展开的两个彼此垂直的主方向x、y延伸)的振幅进行逆运算。接下来利用arctan2函数逆运算出实施成齿轮的测量值发送器5C、7C的各自的角度，进而计算出旋转构件的转动位置。
Claims (10)
1.一种用于获取车辆中的旋转构件的转动角度的传感器组件(1A、1B、1C)，其中，所述旋转构件与两个测量值发送器(5A、5B、5C、7A、7B、7C)联接，所述两个测量值发送器分别与测量值接收器(10)结合提供至少一个用于测定所述旋转构件在360°旋转范围内的角度位置的第一信息和一个用于测定所述旋转构件的回转数目的第二信息，其中，从测定的角度位置和测定的回转数目能求得所述旋转构件的实际的转动角度，其特征在于，所述测量值发送器(5A、5B、5C、7A、7B、7C)分别具有磁编码并且所述测量值接收器(10)在所述测量值发送器(5A、5B、5C、7A、7B、7C)的磁编码的有效范围内具有带有至少一个竖直的霍尔传感器(14)和至少一个平面的霍尔传感器(16)的测量面(12)，其中，该至少一个竖直的霍尔传感器获取垂直于所述测量面(12)延伸的磁场矢量(Mz)，该至少一个平面的霍尔传感器获取平行于所述测量面(12)延伸的磁场矢量(Mx、My)，其中，获取的所述磁场矢量(Mx、My、Mz)表示运动的所述测量值发送器(5A、5B、5C、7A、7B、7C)的磁编码在所述测量面(12)的位置处产生的叠加的磁场。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述测量值接收器(10)包括偶数数量的竖直的霍尔传感器(14)，所述竖直的霍尔传感器均匀地分布在围绕共同中心点(MP)的圆上。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述测量值接收器(10)包括至少两个平面的霍尔传感器(16)，所述平面的霍尔传感器布置在所述共同中心点(MP)的区域中并且获取彼此垂直的磁场矢量(Mx、My)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述测量值接收器(10)是具有塑料壳体的特定用途集成电路(ASIC)(18)，该特定用途集成电路包括带有所述霍尔传感器(14、16)的测量面(12)和评估与控制单元(18.2)，该评估与控制单元接收并评估所述霍尔传感器(14、16)的输出信号。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器组件，其特征在于，旋转发送器(3A、3B、3C)不可相对转动地与所述旋转构件联接并且在外周缘处具有至少一个主齿圈(3.1A、3.1B、3.1C)。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其特征在于，所述测量值发送器(5A、5B、5C、7A、7B、7C)是齿轮或齿杆并且直接或间接地与所述旋转发送器(3A、3B、3C)的主齿圈(18)联接。
7.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，第一测量值发送器(5A)是具有第一齿圈(5.1A)和减速齿圈(5.2A)的齿轮并且以预定的变速比直接与所述旋转发送器(3A)联接，其中，第二测量值发送器(7A)是与所述第一测量值发送器(5A)的减速齿圈(5.2A)联接的齿杆，其中，为齿轮的所述第一测量值发送器(5A)的转动轴线(DA)延伸通过所述测量值接收器(10)的霍尔传感器(14、16)的共同中心点(MP)。
8.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，第一测量值发送器(5B)是具有第一齿圈(5.1B)的齿轮并且以预定的第一变速比直接与所述旋转发送器(3B)联接，其中，第二测量值发送器(7B)是具有第二齿圈(7.1B)的齿轮并且以预定的第二变速比直接与所述旋转发送器(3B)联接，该第二变速比与所述第一变速比不同，其中，为齿轮的所述测量值发送器(5B、7B)的共同的转动轴线(DA)延伸通过所述霍尔传感器(14、16)的共同中心点(MP)。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其特征在于，所述第一齿圈(5.1B)的齿数和所述第二齿圈(7.1B)的齿数不同，或者所述齿圈(5.1B、7.1B)具有相同的齿数并且所述旋转发送器(3B)在外周缘处具有齿数不同的两个主齿圈(3.1B)。
10.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述旋转发送器(3C)是磁编码化的第一测量值发送器(5C)，其中，第二测量值发送器(7C)是具有齿圈(7.1C)的齿轮并且以预定的变速比直接与所述旋转发送器(3C)联接，其中所述霍尔传感器(14、16)的共同中心点(MP)布置在所述旋转发送器(3C)与所述第二测量值发送器(7C)之间的联接区域的范围中。
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