CN106796117A - 用于确定转动元件的至少一个转动特性的传感器 - Google Patents

用于确定转动元件的至少一个转动特性的传感器 Download PDF

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Abstract

提出一种用于确定转动元件(12)的至少一个转动特性的传感器(10)。所述传感器(10)包括能够与所述转动元件(12)连接的、具有至少一个第一读取磁道(16)的传感轮(14)。所述读取磁道(16)具有磁性的第一多个事件发生器(18)。所述传感器还具有用于检测通过所述磁性的第一多个事件发生器(18)产生的磁性事件的至少一个第一磁传感器(22)。所述第一读取磁道(16)如此构造，使得在所述传感轮(14)的完整的圆周(20)上，所述第一多个事件发生器(18)的磁场强度从最大的第一北极(28)到最大的第一南极(30)逐步地改变。

Description

用于确定转动元件的至少一个转动特性的传感器
背景技术
由现有技术已知多种传感器，所述传感器检测转动元件的至少一个转动特性。在此，转动特性一般理解为以下特性：所述特性至少部分地描述转动元件的旋转。在这里，例如可以涉及角速度、转速、角加速度、转动角、角位置或者能够表征转动元件的连续的或不连续的、均匀的或不均匀的转动或者旋转的其他特性。例如这类传感器在Konrad Reif(Hrsg.)所著的Sensoren im Kraftfahrzeug，第1版，2010年，第63-73页和120-129页中描述。
DE 10 2012 221 327 A1描述了一种转速传感器，该转速传感器具有至少一个磁传感器，以便在转动元件的至少一个第一转速范围内能够实现对由第一读取磁道的磁性事件发生器(Ereignisgeber)产生的事件的检测并且在不同于第一转速范围的至少一个第二转速范围内能够实现对由第二读取磁道的磁性事件发生器产生的磁性事件的检测，其中，第二读取磁道的磁性事件发生器的数量以至少因子1.4超过第一读取磁道的磁性的事件发生器的事件的数量。
本发明的一个特别的重点在于凸轮轴的绝对角位置的检测，然而，本发明基本上不限于该重点。凸轮轴传感器通常用于在发动机起动时在凸轮轴和曲轴之间的同步。曲轴和凸轮轴分别配备有传感轮。对于凸轮轴，在正常情况下，对于各个气缸使用在传感轮上的齿轮-空隙对。相应地，在凸轮轴上的四气缸发动机具有带有四个齿轮-空隙对的传感轮。对于测量，使用基于霍尔效应或者XMR原理(X磁阻)的传感器。典型地，在这些传感器中安装永磁体，所述永磁体的磁场通过旋转传感轮调制。经调制的该磁场可以借助于所提到的原理来检测并且因此被转换为可利用的信号。凸轮轴传感器用于粗略地探测发动机冲程或者用于确定，发动机位于哪个发动机冲程、即气缸位置中。传感器可以具有用于明确地识别齿轮或者空隙的功能。传感器也可以具有这样的功能，在所述功能中，传感器可以朝传感轮的运行方向扭转，而传感器信号不中断。在此，所有传感器探测传感轮齿轮的齿轮边缘。
尽管通过这些传感器引起的改进，始终存在改进可能性。因此，最新一代发动机的可动态地调整的凸轮轴位置要求对凸轮轴位置进行高分辨地检测。此外，必需的是，将该凸轮轴位置作为绝对角度检测。到目前为止的传感器不能满足这些要求。绝对角度可以仅仅在动态的情况下、即在转动的传感轮的情况下并且仅仅基于发动机控制装置的齿轮-空隙组合粗略地算出。单单传感器信号不能够提供绝对角度。分辨率也受所使用的传感轮的小的直径限制。通过该小的直径得出必须遵循的最小的空隙尺寸。
发明内容
因此，提出一种用于确定转动元件的至少一个转动特性的传感器，所述传感器至少在很大程度上可以避免已知的传感器的缺点，并且所述传感器尤其能高分辨地检测转动元件的转动特性并且尤其高分辨地检测凸轮轴的绝对角度。
用于确定转动元件的至少一个转动特性的、根据本发明的传感器包括能够与所述转动元件连接的、具有至少一个第一读取磁道的传感轮。所述读取磁道具有磁性的第一多个事件发生器。所述传感器还包括用于检测通过所述磁性的第一多个事件发生器产生的磁性事件的至少一个第一磁传感器。所述第一读取磁道如此构造，使得在所述传感轮的完整的圆周上，所述第一多个事件发生器的磁场强度从最大的第一北极到最大的第一南极逐步地改变。
相应地提出一种传感器，所述传感器的传感轮在完整的圆周上、即360°地设有第一读取磁道。第一读取磁道具有磁性的第一多个事件发生器。这通常理解为，具有磁性的第一多个事件发生器的传感轮根据构型能够借助每一个单个的事件发生器在传感器的区域中产生磁场或者改变或者影响在该区域中存在的磁场。
因此，磁性事件理解为在传感器的区域中的磁场的任何影响或者改变。由该传感器检测的磁性事件可以用作用于求取绝对角度的基础。这尤其通过以下方式来实现：第一多个事件发生器的磁场强度在传感轮的圆周上从最大的第一北极到最大的第一南极逐步地改变。换言之，在传感轮上的第一读取磁道具有恰好一个最大的北极和一个最大的南极。在它们之间，第一多个事件发生器的磁场强度逐步地改变。更准确地，场强从最大的北极逐步地下降。在例如0mT的情况下，接着更换到南极。现在，场强又逐步地提高直到最大的南极。相应地，最大的南极和最大的北极相互并排。
第一读取磁道可以如此构造，使得在传感轮的完整的圆周上，事件发生器的磁场强度从最大的第一北极到最大的第一南极连续地改变。换言之，如此进行场强的逐步的改变，使得各个步长无限小地选择。
此外，传感轮可以具有第二读取磁道。第二读取磁道可以具有磁性的第二多个事件发生器。第二读取磁道可以如此构造，使得在传感轮的完整的圆周上，第二多个事件发生器的磁场强度从最大的第二北极到最大的第二南极逐步地改变。第一多个事件发生器的磁场强度可以沿第一方向改变。第二多个事件发生器的磁场强度可以沿第二方向改变。第二方向可以反向于第一方向。此外，传感器可以包括用于检测通过磁性的第二多个事件发生器产生的磁性事件的第二磁传感器。第一磁传感器可以构造用于输出第一信号。第二磁传感器可以构造用于输出第二信号。为了确定转动元件的转动特性，可以使用由第一信号和第二信号构成的差信号。由第一信号或者差信号可以产生经脉冲宽度调制的信号。此外，传感轮可以具有第三读取磁道。第三读取磁道可以具有磁性的第三多个事件发生器。第三读取磁道可以如此构造，使得第三多个事件发生器具有多个北极和多个南极，所述多个北极和所述多个南极在传感轮的完整的圆周上交替地布置。换言之，多个北极和多个南极分别作为多个对在传感轮的圆周上分布地布置。此外，传感器可以具有用于检测通过磁性的第三多个事件发生器产生的磁性事件的第三磁传感器。作为磁传感器，尤其可以使用霍尔传感器、即具有霍尔元件的传感器、如例如霍尔板。根据本发明，如果所述转动元件为凸轮轴，所述传感器尤其可以检测凸轮轴的绝对角度。
借助本发明，可以无接触式地测量凸轮轴的绝对角度。在此，本发明能够实现以可变地调整的分辨率进行绝对角度的测量。
为了能够实现绝对角度的测量，使用多级传感轮。在所述多级传感轮上，一至三个读取磁道被磁化。对于绝对角度识别，必须在至少一个读取磁道上施加如下的磁化：在传感轮的完整的360°上存在着仅仅两次从北极向南极的变更。100％或者-100％相应于最大的北极或者南极。这意味着，场强从最大的北极逐步地下降。在大约0mT的情况下，发生到南极的变更。现在，场强又逐步地提高直到最大的南极。与之相应地，最大的南极和最大的北极相互并排。这种“反复磁化”可以“连续地”或者量化地进行。在此，连续的反复磁化具有多个缺点，但也具有优点，所述缺点和优点两者稍后还详细地描述。
为了使气隙影响和其他干扰最小化，可以对另一个读取磁道施加相对于第一读取磁道逆转的磁化。由这两个读取磁道可以构成差信号，所述差信号相对于气隙改变较不敏感并且附加地在不连续磁化的情况下允许磁化的更精细的量化。
如果该分辨率不够，则可以施加第三读取磁道到传感轮上。该读取磁道交替地以北极和南极磁化以便生成典型的齿轮-空隙对。该第三读取磁道不能够有助于在发动机静止的情况下分辨绝对角度。但可以在转动的凸轮轴的情况下生成信号，所述信号附加地分为来自第一读取磁道的信号或者第一和第二读取磁道的信号。尤其在第一读取磁道或者第一和第二读取磁道量化地磁化的情况下，可以实现在运行中的较高的分辨率。
为了扫描读取磁道，使用霍尔板。由第一读取磁道的或者第一和第二读取磁道的信号产生经脉冲宽度调制的信号(Duty-Cycle：占空比，简称DC)。如果存在，则由第三读取磁道产生典型的矩形信号。这些信号的组合允许凸轮轴位置的高分辨的检测。本发明可以仅仅具有第一读取磁道和DC信号、具有第一和第二读取磁道和差DC信号或者具有第一至第三读取磁道和组合的信号地实现。附加地，可以借助于DC信号实现诊断功能，其方式是，有效的信号范围位于10％至90％之间。在这些值以下或以上的信号可以用于诊断。DC信号的频率和信号长度以及读取磁道的、磁场强度的布置和用于第一和第二读取磁道的量化步长的大小必须在进一步的用于尽可能好的性能的开发步骤中被优化。
优选连续磁化还是量化磁化取决于相应的要求。一方面，第一和第二读取磁道的连续磁化的优点在于，可以借助于算法由最大的北极和最大的南极的跨度探测有效的信号范围并且接着借助于相同的算法进行对DC特征曲线的量化。另一方面，所述算法可以在各个完整的整转中检查磁场强度的跨度(Spannweite)。在趋势中，可以更新DC特征曲线的量化并且因此对跨度的改变作出反应。因此，可以平衡如气隙改变、温度改变等等这样的周围环境改变。连续磁化不利的是，在接通传感器时不能立即读取角度，而仅仅能够作出是位于北极的180°还是南极的180°上的结论。在最坏的情况下，完整的凸轮轴整转可能持续直到可以一次地探测到最大的北极和最大的南极并且因此可以计算DC信号。
这些考虑涉及基于霍尔效应实施的测量。原则上，也可以使用基于XMR的测量原理(X磁阻)。相应地，必须匹配读取磁道的磁化。同样地，可以考虑具有3D霍尔传感器的解决方案。
附图说明
本发明的另外的可选的细节和特征从优选的实施例的以下描述得出，所述实施例在附图中示意性地示出。在此示出：
图1用于确定转动元件的至少一个转动特性的传感器的原理性结构，
图2用于直观地说明磁场强度或者磁化和转动元件的角度之间的相互关联的曲线图，
图3用于确定转动元件的至少一个转动特性的另外的传感器的结构，
图4用于直观地说明磁场强度或者磁化和转动元件的角度之间的相互关联的曲线图，
图5用于直观地说明磁场强度或者磁化和转动元件的角度之间的相互关联的曲线图，
图6用于直观地说明磁场强度或者磁化和转动元件的角度之间的相互关联的曲线图，
图7用于直观地说明由脉冲宽度调制信号和增量信号组成的输出信号的总体组合的曲线图，
图8用于直观地说明磁场强度或者磁化和转动元件的角度之间的相互关联的曲线图。
具体实施方式
图1示出用于确定转动元件12的至少一个转动特性的传感器10的结构。转动元件12例如为内燃机的凸轮轴。传感器10具有可以与转动元件12连接的传感轮14。传感轮14具有至少一个第一读取磁道16。第一读取磁道16具有磁性的第一多个事件发生器18。第一读取磁道16如此布置在传感轮14上，使得第一读取磁道16在传感轮14的完整的圆周20上延伸。换言之，第一读取磁道16覆盖传感轮14的完整的圆周或者360°。
此外，传感器10具有至少一个第一磁传感器22。第一磁传感器22为第一霍尔传感器24并且包括至少一个以例如霍尔板形式的第一霍尔元件26。在此，第一读取磁道16如此构造，使得在传感轮14的完整的圆周20上，第一多个事件发生器18的磁场强度从最大的第一北极28到最大的第一南极30逐步地改变。第一读取磁道16尤其如此构造，使得在传感轮14的完整的圆周20上，第一多个事件发生器的磁场强度从最大的第一北极28到最大的第一南极30连续地改变。换言之，磁场强度的逐步的改变无穷小。
图2示出角度32、尤其转动元件12的绝对角度和第一多个事件发生器18的磁场强度或者第一读取磁道16的示例性地用百分比表示的磁化的程度36之间的相互关联，在X轴线34上描绘所述角度，在Y轴线38上描绘所述磁化程度。在此，曲线40根据角度32说明磁化。因此，例如100％的磁化对应于最大的北极28且-100％的磁化对应于最大的南极30。进一步可看到，0°的绝对角度32对应于最大的南极30且360°的绝对角度32对应于最大的北极28。此外，可看到，磁场强度从最大的北极28逐步地下降。在此，步长如此小地选择，使得磁化根据曲线40随着角度32线性地改变。在0％的磁化或者0mT作为磁场强度的情况下，发生到南极的变更。现在，场强又逐步地提高直到最大的南极30。与之相应地，最大的南极30和最大的北极28相互并排。此外，可看到，连续地发生这种“反复磁化”。
图3示出用于确定转动元件12的至少一个转动特性的另外的传感器10的结构。以下仅仅说明与之前的实施方式的区别，并且相同的构件设有相同的附图标记。可看到，在图3的传感器10中，第一读取磁道16的磁性的第一多个事件发生器18的磁场强度的改变以同样大的步长42进行。
图4示出角度32和磁化36之间的相应的相互关联。可看到，反复磁化由步长42决定地量化地进行。
参看图1，传感器10可以如此构造，使得传感轮14可选地具有第二读取磁道44，所述第二磁道具有磁性的第二多个事件发生器46。在此，第二读取磁道44如此构造，使得在传感轮14的完整的圆周20上，磁性的第二多个事件发生器46的磁场强度从最大的第二北极48到最大的第二南极50逐步地改变。此外，传感器10包括用于检测通过磁性的第二多个事件发生器46产生的磁性事件的第二磁传感器52。第二磁传感器52可以是第二霍尔传感器54。相应地，第二磁传感器52或者第二霍尔传感器54具有以例如“霍尔板”形式的第二霍尔元件56。霍尔元件26、56也可以汇总成一个唯一的磁传感器。
在图1中进一步看到，磁性的第一多个事件发生器18的磁场强度沿第一方向58改变。磁性的第二多个事件发生器46的磁场强度沿第二方向60改变。第二方向60反向于第一方向58。
图5示出在两个读取磁道16、44以所描述的方式存在于传感轮14上的情况下角度32和磁化36之间的相互关联。在此，曲线62说明第二读取磁道44的磁化。可看到，第一读取磁道16的曲线40和第二读取磁道44的曲线62反向地延伸，因为磁性的第二多个事件发生器46的磁场强度沿相对于磁性的第一多个事件发生器18的磁场强度反向的方向改变。这有助于使气隙影响和其他干扰最小化。
参照图3说明在那里所示出的传感器的进一步的修改。类似于图1的示图地，第二读取磁道44在其磁场强度方面也可以逐步地改变，例如以同样大的步长64改变。
图6示出角度32和磁化36之间的、根据曲线40和62的相互关联。可看到磁化由步长42、64决定的、以量化形式的逐步改变。
图7示出用于直观地说明由脉冲宽度调制信号和增量信号组成的输出信号的总体组合的曲线图。如在图7中所示出的，第一磁传感器22或者由磁传感器22减去磁传感器52的内部差信号可以构造用于输出第一信号66。第三磁传感器82可以构造用于输出第二信号68。转动元件12的转动特性的确定可以由第一信号66、或者由第一信号66和第二信号68的组合进行。
图7示出在图1和图3中描述的传感器的进一步的修改。因此，第一信号66可以是经脉冲宽度调制的信号。第二信号68也可以是经脉冲宽度调制的信号，该信号具有1-2个稳定的脉冲宽度。第二脉冲宽度可以被用于旋转方向识别。在此，例如以根据磁场强度的占空比率或者所谓的占空比、例如20％，根据旋转方向对第一信号66或者第二信号68进行脉冲宽度调制。这允许绝对的角度位置的进一步准确的分辨。因此此外，在X轴线34上描绘角度32且在Y轴线38上描绘所属的信号值70，该信号值可以在0和1之间改变。
参照图1和图3描述进一步的修改。因此，传感轮14可以具有第三读取磁道72。第三读取磁道72可以具有磁性的第三多个事件发生器74。第三读取磁道72如此构造，使得第三多个事件发生器74具有多个北极76和多个南极78，所述多个北极和多个南极在传感轮14的完整的圆周20上交替地布置。相应的适用于图3的传感器。在此，可以设置用于检测通过磁性的第三多个事件发生器74产生的磁性事件的第三磁传感器80。第三磁传感器80也可以是霍尔传感器、尤其第三霍尔传感器82，该第三霍尔传感器具有霍尔元件84。也示出霍尔元件26、56、84的布线。霍尔元件26、56、84也可以汇总成一个唯一的磁传感器。
图8示出角度32和磁化36之间的相互关联，其中，曲线40作为第一信号66、曲线62作为第二信号68和曲线86作为第三读取磁道72的第三信号示出。第三读取磁道72用于进一步提高分辨率。第三读取磁道72相应地以北极76和南极78交替地磁化，以便生成常规的传感轮的典型的齿轮-空隙对。在此，第三读取磁道72不能够有助于在发动机静止的情况下分辨绝对角度。但可以在转动的凸轮轴的情况下生成信号，所述信号附加地分为第一读取磁道16的和第二读取磁道44的信号，如在图8中示出。尤其在第一读取磁道16或者第一读取磁道16和第二读取磁道44量化地磁化的情况下，可以实现在运行中的较高的分辨率。这些信号的组合允许凸轮轴位置的高分辨的检测。

Claims (10)

1.一种用于确定转动元件(12)的至少一个转动特性的传感器(10)，其包括能够与所述转动元件(12)连接的、具有至少一个第一读取磁道(16)的传感轮(14)，其中，所述读取磁道(16)具有磁性的第一多个事件发生器(18)，并且所述传感器包括用于检测通过所述磁性的第一多个事件发生器(18)产生的磁性事件的至少一个第一磁传感器(22)，
其特征在于，
所述第一读取磁道(16)如此构造，使得在所述传感轮(14)的完整的圆周(20)上，所述第一多个事件发生器(18)的磁场强度从最大的第一北极(28)到最大的第一南极(30)逐步地改变。
2.根据以上权利要求所述的传感器(10)，其中，所述第一读取磁道(16)如此构造，使得在所述传感轮(14)的完整的圆周(20)上，所述第一多个事件发生器(18)的磁场强度从所述最大的第一北极(28)到所述最大的第一南极(30)连续地改变。
3.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述传感轮(14)此外具有第二读取磁道(44)，其中，所述第二读取磁道(44)具有磁性的第二多个事件发生器(46)，其中，所述第二读取磁道(44)如此构造，使得在所述传感轮(14)的完整的圆周(20)上，所述第二多个事件发生器(46)的磁场强度从最大的第二北极(48)到最大的第二南极(50)逐步地改变。
4.根据以上权利要求所述的传感器(10)，其中，所述第一多个事件发生器(18)的磁场强度沿第一方向(58)改变，其中，所述第二多个事件发生器(46)的磁场强度沿第二方向(60)改变，其中，所述第二方向(60)反向于所述第一方向(58)。
5.根据以上两项权利要求中任一项所述的传感器(10)，所述传感器此外包括用于检测通过所述磁性的第二多个(46)事件发生器产生的磁性事件的第二磁传感器(52)。
6.根据以上权利要求所述的传感器(10)，其中，所述第一磁传感器(22)构造用于输出第一信号(66)，或者，来自所述第一磁传感器(22)和所述第二磁传感器(52)的差信号构造用于输出第一信号(66)。
7.根据以上权利要求所述的传感器(10)，其中，由所述第一信号(66)和所述第二信号(68)能够产生经脉冲宽度调制的第一信号和经脉冲宽度调制的第二信号。
8.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述传感轮(14)此外具有第三读取磁道(72)，其中，所述第三读取磁道(72)具有磁性的第三多个事件发生器(74)，其中，所述第三读取磁道(72)如此构造，使得所述第三多个事件发生器(74)具有多个北极(76)和多个南极(78)，所述多个北极和所述多个南极在所述传感轮(14)的完整的圆周(20)上交替地布置。
9.根据以上权利要求所述的传感器(10)，所述传感器此外包括用于检测通过所述磁性的第三多个事件发生器(74)产生的磁性事件的第三磁传感器(80)。
10.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述转动元件(12)为凸轮轴，其中，所述转动特性为所述凸轮轴的绝对角度。
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