CN107449452A - 用于确定磁测量系统的行程信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定磁测量系统的行程信号的方法,所述磁测量系统具有多个磁传感器,所述磁传感器具有传感器元件和可相对于所述传感器元件移位地设置的磁体,其中确定磁测量系统的第一原始信号,第一原始信号沿着传感器元件和磁体之间的位移呈正弦和余弦函数的形式。为了消除或至少减小沿着位移的非线性,从由借助于傅里叶分析从第一原始信号形成的第二原始信号中消除三阶高次谐波,用第二原始信号执行反正切函数,并且从在应用反正切函数之后形成的第三原始信号(7)中消除四次谐波。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定磁测量系统的行程信号(Wegsignalen)的方法,所述磁测量系统具有多个磁传感器,所述磁传感器具有传感器元件和相对于所述传感器元件可相对移位地设置的磁体,其中确定磁测量系统的第一原始信号,所述第一原始信号沿着在传感器元件和磁体之间的位移呈正弦和余弦函数形式。
背景技术
用于行程信号例如横向行程信号或者转动角信号的磁测量系统是已知的。在此,优选设有多个在环周之上分布地沿着纵轴线或围绕转动轴线设置的磁传感器,所述磁传感器由传感器元件和相对置的磁体构成。传感器元件和磁体彼此相对可移位以及可转动地设置,使得磁体在相对于传感器元件旋转时引发进入传感器元件中的信号,所述信号与位移相关,即例如与转动角相关。在此,在整个位移范围之上,即例如线性位移范围或旋转范围之上得到行程信号、即例如多个磁传感器的转动角信号,得到关于行程或转动角的正弦或余弦形的信号,所述正弦或余弦形的信号能够用于确定位移特征值,如线性运动特征值或转动特征值,即例如相对行程的、转动角的、线速度的、角速度的、转速的、纵向加速度的、角加速度等的线性运动特征值或转动特征值。尤其是,确定所述行程信号或转动角信号能够用于控制和/或监视电动马达、例如电子换向的电动马达。此外,在连接在下游的具有已知传动比的传动装置中,根据传动装置的类型能够进行转动角信号的确定,还有后续的运动过程的确定。例如,当在电动马达和线性移位的元件之间设有传动装置时,从磁测量系统的转速中能够确定长度变化、如装置的进给,例如用于摩擦式离合器的操纵装置的进给,其中所述传动装置将转子的旋转运动变换成长度变化。
从US 2006/0 077 083 A1中已知一种用于确定磁测量系统的行程信号的方法。
关于其他的现有技术参考DE 32 39 108 A1。
发明内容
本发明的目的因此在于:提出一种改进的用于借助于磁测量系统确定位移信号、如线性行程信号或转动角信号的方法。
更确切地说,要消除或至少减小磁测量系统的位移信号如线性行程信号或转动角信号的非线性。
所述目的借助根据本发明的实施例提出的措施实现。
本发明的其他有利的设计方案在后续的描述中予以描述。
更确切地说,确定磁测量系统的行程或转动角信号,所述磁测量系统以可围绕转动轴线转动或者沿着线性行程移位的方式设置并且具有多个围绕转动轴线或沿着线性行程设置的磁传感器,所述磁传感器具有传感器元件和相对于所述传感器元件围绕转动轴线可相对转动或可线性移位地设置的磁体。线性移位信号或转动角信号的确定能够用于控制和/或监视电动马达、尤其电子换向的电动马达或线性驱动器等。替选地或附加地,例如确定转动角信号能够用于检测连接在下游的、例如由电动马达驱动的装置的位置特征值。根据传动装置的类型和功能,在使用传动装置将旋转运动变换成平移运动时,检测磁测量系统的转速信号能够确定线性进给,其中所述传动装置在该装置和电动马达之间被驱动。例如,这种装置能够是用于摩擦式离合器的电动的或电子液压的(eletrohydrostatischen)操纵设备的组成部分。在电动的操纵系统的情况下,电动马达借助于传动装置直接地使操纵元件移位,所述传动装置将配备有磁测量系统的电动马达的转子的旋转运动变换成线性运动。在电子液压的的操纵系统的情况下,在传动装置和操纵元件之间接入液压路线,所述液压路线具有主动缸的由传动装置线性驱动的主动缸活塞和驱动操纵元件的从动缸。要理解的是:借助该装置也能够使其他物体线性地移位或操纵,例如制动器、活动车顶等。
检测磁测量系统的各个磁传感器的磁测量系统的数据,并且从所述数据中确定关于线性位移或转动角呈正弦和余弦函数形式的第一原始信号。为了降低磁测量系统的非线性,从第二原始信号中消除三次谐波或第二阶高次谐波(Oberwellen zweiter Ordung),即具有三倍于第二原始信号的基频的信号分量,所述第二原始信号借助于傅里叶分析由第一原始信号形成。这表示:从正弦形和余弦形的第一原始信号中执行傅里叶分析。在此已表明:第二原始信号的非线性归因于三次谐波,所述第二原始信号从第一原始信号中借助于傅里叶分析变换得到。在此,在进一步数据处理之前,通过将相应的信号分量例如设定为零、借助于带通滤波器或低通滤波器滤除和/或补偿的方式,执行消除三倍于第二原始信号的基频的干扰频率。通过将非线性系数a设定为零或者将其最小化,例如,借助于公式(1)、(2)
Signalsin=B0[sin(ω0t)+a·sin(3ω0t)] (1)
Signalcos=B0[cos(ω0t)-a·cos(3ω0t)] (2)
消除第二原始信号Signalsin、Signalcos中的非线性,其中B0是幅度、a是非线性系数、ω0是转动频率并且t是时间。
接着该消除步骤之后有利地是借助于反正切函数(atan2函数)处理第二原始信号。执行atan2函数提供第三原始信号。在此情况下已表明:第三原始信号的非线性由四次谐波的强的非线性、即具有四倍于第三原始信号的基频的信号分量的强的非线性表现。为了进一步减小非线性,因此,在应用反正切函数之后,消除或至少减小第三原始信号中的四次谐波。消除能够通过删除、补偿和/或借助于带通滤波器或低通滤波器的滤波来进行。
例如,对于围绕转动轴线设置的磁测量系统,能够根据公式(3)和其随后详述的关系
其中
Ba=f1(a,b,c)·f2(c,d)·f3(a,b,c,z)
a=Ra-Ri
消除第三原始信号的非线性的幅度所述幅度与传感器元件和磁体之间的转动角相关,其中Ri是传感器元件的内径,Ra是磁体的外径,n是磁传感器的数量,c是磁体的厚度,Br是容纳磁体的材料的剩磁,z是传感器元件距磁体的间距,k1是容纳磁体的凹处(Tasche)的几何常量k1,d是凹处的深度,f1是非线性的几何函数,f2是凹处深度的非线性的几何函数,并且Baf是误差常数。需要指出的是:公式(3)中的与频率相关的误差常数Baf能够通过项Ba取代。
根据一个有利的实施方式,通过增大磁体和传感器元件之间的间距,能够减小转速信号的非线性。这能够根据公式(3)示出。如果测量间距z由于外径Ra和内径Ri的增大的间距而提高,那么函数f3的值变小,据此非线性的幅度下降。因此,提出一种方法,其中借助于一个或多个磁传感器的磁体的预设的间距,将原始信号设定为最大的角度误差。在此,预设的间距还与具有磁测量系统的装置的结构形式相关。就此而言,本发明包括具有磁测量系统的设备,所述磁测量系统具有传感器元件相对于磁体的针对非线性优化的间距。例如证实为有利的是:将传感器元件和磁体之间的间距设置为大于等于3mm,以实现小于如下角度的非线性,所述角度小于等于二。
附图说明
根据图1至4中示出的曲线图详细阐述本发明。其中示出:
图1示出围绕转动轴线设置的磁测量系统的非线性的原始信号的曲线图,
图2示出关于转动角对图1的曲线图的原始信号进行atan2处理之后的角度误差的曲线图,
图3示出图2的角度误差的相位图,和
图4示出关于传感器元件相对于磁测量系统的磁体的间距的角度误差的曲线图。
具体实施方式
图1示出曲线图1,曲线图1关于磁传感器的传感器元件和磁体之间的近似一转具有测量系统的关于转动角呈正弦曲线2和余弦曲线3形式被检测到的转动角信号的幅度,正弦曲线2和余弦曲线3代表第一原始信号,所述测量系统具有多个围绕转动轴线设置的磁传感器。与理想曲线偏差,出现沿箭头4的方向走向的关于转动角的非线性,所述非线性引起角度误差。为了补偿该角度误差,对正弦曲线2和余弦曲线3进行傅里叶分析,由此形成为未示出的第二原始信号。在此表明的是:第二原始信号的三次谐波对于非线性是系统特定的。因此,根据公式(1)和(2),通过对三次谐波进行滤波、降低、补偿或将其非线性系数a设置为零来消除三次谐波。接着之后,将atan2函数用于第二原始信号。
图2和图3以图2的曲线图5和以图3的相位图6与理想圆环表示不同地示出关于转动角的作为角度误差的第三原始信号7、8,所述第三原始信号借助于atan2函数的应用从第二原始信号产生。第三原始信号7、8具有高分量的四次谐波,使得例如借助于公式(3)消除该四次谐波。
图4以曲线图9示出关于磁测量系统的磁传感器的磁体和传感器元件之间的测量间距z的角度误差的影响。从中变得清楚的是:角度误差关于测量间距z下降。在此,根据具有磁测量系统的装置的预设的设计而有利的是:最大化传感器元件相对于磁体的间距,以便获得小的角度误差。如果例如在装置中能够设定3mm的测量间距,那么最大角度误差能够限制于2°。
附图标记列表
1 曲线图
2 正弦曲线
3 余弦曲线
4 箭头
5 曲线图
6 相位图
7 第三原始信号
8 第三原始信号
9 曲线图
z 测量间距
转动角
角度误差
Claims (10)
1.一种用于确定磁测量系统的行程信号的方法,所述磁测量系统具有多个磁传感器,所述磁传感器具有传感器元件和能相对于所述传感器元件移位地设置的磁体,其中所述方法具有如下步骤:
确定所述磁测量系统的第一原始信号,所述第一原始信号关于在传感器元件和磁体之间的位移呈正弦和余弦函数形式,
借助于傅里叶分析从所述第一原始信号中确定第二原始信号;
从所述第二原始信号中消除三次谐波,以减小所述磁测量系统沿着所述位移的非线性;和
通过用所述第二原始信号执行反正切函数来形成第三原始信号(7,8),
其特征在于,
从所述第三原始信号(7,8)中消除四次谐波。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述行程信号是磁系统的线性的行程信号,所述磁系统具有线性依次设置的磁传感器,所述磁传感器具有传感器元件和能相对于所述传感器元件线性移位的磁体。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述行程信号是能围绕转动轴线转动地设置的磁测量系统的转动角信号,所述磁测量系统具有多个围绕所述转动轴线设置的磁传感器,所述磁传感器具有传感器元件和相对于所述传感器元件围绕所述转动轴线能相对转动地设置的磁体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,删除所述三次或四次谐波。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,校正所述三次或四次谐波。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,借助于公式(1)、(2)
Signalsin=BO[sin(ω0t)+a·sin(3ω0t)] (1)
Signalcos=B0[cos(ω0t)-a·cos(3ω0t)] (2)
消除所述第二原始信号Signalsin、Signalcos中的非线性,其中B0是幅度、a是非线性系数、ω0是转动频率并且t是时间。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,将所述非线性系数a最小化或者设置为零。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于,所述非线性系数a借助于带通滤波器或低通滤波器降低。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法,其特征在于,根据公式(3)
其中
Ba=f1(a,b,c)·f2(c,d)·f3(a,b,c,z)
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a=Ra-Ri
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</mfrac>
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消除所述第三原始信号(7,8)的非线性的幅度其中Ri是传感器元件的内径,Ra是磁体的外径,n是所述磁传感器的数量,c是所述磁体的厚度,Br是容纳所述磁体的材料的剩磁,z是所述传感器元件距所述磁体的间距,k1是容纳所述磁体的凹处的几何常量,d是所述凹处的深度,f1是非线性的几何函数,f2是凹处深度的非线性的几何函数,并且Baf是误差常数。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法,其特征在于,所述第一原始信号借助于磁传感器的所述磁体的预设的间距设定为预设的、最小的角度误差。
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