CN107923767A - 用于确定传感器线圈电感的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于LC振荡电路(3)确定涡电流传感器(2)的传感器线圈电感的方法，其中根据LC振荡电路(3)的振荡频率(fLC)和谐振电容通过积分来确定传感器线圈电感。在此规定，在积分时使振荡频率(fLC)失谐至少一次。

Description

用于确定传感器线圈电感的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于借助LC振荡电路来确定涡电流传感器的传感器线圈电感的方法和装置，其中根据LC振荡电路的振荡频率和谐振电容通过积分来确定传感器线圈电感。
背景技术
开头所述类型的方法和装置从现有技术中基本上是已知的。已知不同的电感式转角传感器以用于确定例如电机转子的转角位置。多数情况下，在励磁线圈和一个或多个传感器线圈之间的耦合受到耦合元件、例如电机转子轴的转角位置的影响。例如在公开文献DE 197 38836A1中公开了一种相应的解决方案。对耦合系数的评估需要复杂的电子系统。在此以高频信号激励线圈系统，由此简单的螺旋线圈发射电磁场。该发射至少在近场中对于这种传感器的功能是必需的。而在远场或远距离中，该功能不再需要磁场。然而该磁场在远距离中可能导致在环境中的电磁不兼容性。不仅是发射，甚至干扰信号的耦合也是一个问题。在受到交变磁场的简单螺旋线圈中感应出电压，该电压可能与传感器电子系统产生不利的相互作用。
为了解决这个问题，已经由公开文献DE 10 2008 012 922A1已知的是，在线圈中设置具有不同绕组方向的回路，从而在远距离中的磁场得以补偿，并且感应电压被抵消。
作为替代，已知的是，确定传感器的一个或多个传感器线圈的电感。借助于各个线圈的电感可简单地推出所测量的转角。通常通过对LC振荡电路的振荡频率的测量和积分来确定电感，其中振荡频率取决于电感。相应地，所获取的振荡频率也可能受到由外部感应出的电压的影响，从而振荡频率不再仅仅取决于LC谐振条件，而且也取决于感应出电压的外部干扰信号的频率。通过将传感器线圈分成两部分并且转换绕组方向可减少这种耦合。然而通过该措施通常也会减小电感，而该电感显著地决定了线圈质量从而决定了频率稳定性。
发明内容
根据本发明的具有权利要求1所述特征的方法所具有的优点是，在考虑电磁兼容性的情况下无需复杂地调整传感器线圈的设计即可通过精确地确定传感器线圈电感来保证涡电流传感器的稳定运行。根据本发明对此规定，在用于确定传感器线圈电感的积分中使振荡频率失谐至少一次。通过故意使振荡频率失谐可实现的是，由干扰信号感应出的电压或干扰频率不会导致错误的积分计数。由此，线圈电感的确定不会或几乎不会受到干扰信号的妨碍。
此外规定，为了使振荡频率失谐，至少一次改变谐振电容。通过影响和改变谐振电容，可以简单的方式影响LC振荡电路的振荡特性，以使振荡频率改变或失谐。
在此特别是规定，谐振电容被增大以预定值至少一次。由此有针对性地减少了被提高的谐振电容的待检测的振荡频率失效时间，并且由此避免了由于所感应的外部电压或干扰信号而引起的“注入锁定”。
进一步规定，作为替代，连续地提高谐振电容。对此LC振荡电路的谐振电容器优选在积分期间被连续调制，特别是根据对频率线性作用的过程。在此也得到前文已经述及的优点。于是，积分计数不会或几乎不会受到干扰信号的影响。
特别优选地通过接合至少一个另外的电容器来增大谐振电容。特别是可规定，在集成电路中的电容器阵列或电容器组由多个相同和/或不同的电容器构造，这些电容器通过半导体开关可与LC振荡电路、特别是与谐振器或谐振电容器连接从而可接合。在此同样可通过多个可接合的单个电容或电容器实现谐振电容的连续或近似连续的增大。
根据本发明的一个优选的改进方案规定，为了使振荡频率失谐，附加或替代地改变LC振荡电路的振荡器数字反相器的门延迟。门延迟(Gate-delay)同样影响LC振荡电路的振荡频率。通过改变门延迟可实现使振荡频率改变或失谐的相移。通过借助于改变门延迟来影响振荡频率，可省去附加的可接合的电容器从而降低制造成本。优选通过使用用于调节放大级偏置电流的可编程电流源来实现门延迟。也可将一连串延迟元件串联连接，以便使振荡频率失谐。
根据本发明的一个优选的改进方案规定，根据预期的干扰频率来增大谐振电容。由此可优化该方法以例如用于其中电气/电子设备预期有至少一个干扰信号或干扰频率的特定环境中。由此实现了有针对性的振荡频率的失谐，其确保可靠地确定线圈电感。
根据本发明的具有权利要求8所述特征的装置的特征在于专门设置的控制器，该控制器在按预期使用时执行根据本发明的方法。由此得到所述优点。其他优点和优选特征由上述说明以及权利要求得到。
优选地规定，LC振荡电路具有至少一个可接合的电容器以用于增大谐振电容或用于使振荡频率被影响/失谐。如前文所述，特别是构造有多个电容器并且其例如可通过半导体开关接合。
作为替代或附加，优选地规定，LC振荡电路包括具有可变门延迟数字反相器的振荡器。如前文所述，通过影响门延迟使振荡频率失谐，从而可靠地确定线圈电感并且确保特别是作为转角传感器的涡电流传感器的可靠且精确的运行。
附图说明
下面借助于实施例详细阐释本发明及其优点。其中：
图1以简化图示出了用于运行涡电流传感器的装置，
图2A至图2D示出了不具有和具有干扰信号的传感器的振荡频率，
图3A至图3D示出了在执行有利的运行方法时传感器的振荡频率，并且
图4A至图4D示出了在执行替代的运行方法时传感器的振荡频率。
具体实施方式
图1以简化图示出了装置1，其用于运行用作转角传感器的涡电流传感器2，特别是用于确定涡电流传感器2的线圈电感。装置1具有用于检测涡电流传感器2的线圈电感的LC振荡电路3。对此该振荡电路3具有涡电流传感器2的电感L(或其传感器线圈)、涡电流传感器2的内阻RC以及谐振电容器CR。此外，电路3具有带有数字反相器5的振荡器4。模块6由电路3中产生的振荡频率f计算出通过涡电流传感器2检测的例如电机转子的转角。在此电路3以LC谐振频率振荡。优选通过在积分时间tint内的周期计数来进行线圈电感的数字化和确定。
图2A和2C示出了振荡频率f在积分时间tint上的分布，其中根据图2A不存在干扰信号，并且其中图2C示出了存在干扰信号Sex的情况。此外，图2B和2D示出了由积分得到的数字化频率fD。在此假设，干扰信号Sex为CW信号并且具有例如从LC谐振频率fLG偏离100kHz的干扰频率fes。在电容器CR的谐振电容为时间上的恒定值的假设下，振荡频率f在不存在干扰信号Sex时为LC谐振频率fLC或者为位于LC谐振频率和干扰信号Sex的频率之间的有效频率feff。显而易见的是，在干扰信号Sex的影响下周期的计数会得出偏离无干扰情况的计数状态。通过下文说明的方法、装置1的有利的运行和有利的布线实现的是，干扰信号Sex的影响不会导致错误的计数状态(数字化频率fD)，从而对借助涡电流传感器2求得的转角没有影响或至少只有减小的影响。根据第一实施例，电路3有利地具有特别是呈电容器阵列7形式的多个电容器，如图1所示，其构造在集成电路中并且可通过谐振电路的半导体开关或电路3的谐振器连接并且可接合到谐振电容器CR。此外，例如金属-电解质-金属-电容在制造集成电路的后段制程中被制造。至少另一电容器可接合到电路3或谐振电容器CR。
如果仅设置有并且可接合另一电容器，则可执行图3A至图3D所示的方法。在此规定，在积分期间，在一半积分时间(tint/2)上利用谐振电容器CR或由其形成的谐振电容来补偿涡电流传感器2的传感器线圈的检测。在另一半积分时间中，通过接合另一电容器利用附加的电容(CR+Cadd)来补偿传感器线圈。附加的电容Cadd优选地被选择为使得原始谐振频率的偏移明显大于注入锁定的捕获范围。电容有利地选择如下：CR＝68pF并且Cadd＝5pF。在约5mm大小的印刷电路板上的平面线圈中，注入锁定的捕获范围通常小于100kHz。通过另一电容器的接合可至少在一半积分时间上防止由干扰信号Sex引起的影响。由此在确定线圈电感时的测量误差(频率误差)可减半。如果电路3具有多个可接合的电容器，则可引入附加的级，从而可进一步减少可能由干扰信号Sex引起影响的时间段。
图4A至图4D示出了另一实施例，其中振荡频率fLC在积分期间例如根据对频率线性作用的过程被连续调制，如图4A所示。在线性调制的情况下和干扰信号Sex的频率fex位于fmin和fmax之间的假设下，在积分时计数状态不会受到干扰信号Sex的影响。当LC谐振频率fLC低于干扰信号的频率并且该频率间隔小于捕获范围时，干扰信号Sex的锁定会引起振荡频率fLC的增大。同样，其中存在LC谐振频率fLC高于干扰频率fex的相位。该影响通过积分被补偿，并且传感器线圈的无效性被非常准确地确定，从而保证了精确地确定转角。
然而，在干扰信号Sex的干扰频率fex非常接近fmin和fmax的情况下可能产生影响，因为干扰信号仅增大或仅减小LC谐振频率fLC。然而该影响无论如何都明显小于具有常数值的谐振电容器CR的通常情况。在该具体的示例中，当补偿电容或谐振电容器的电容在61.9pF和63.1pF之间变化时，角度期望误差可从0.5°减小到0.2°。1pF的变化会将误差减小到0.1°，并且在5pF的变化下误差将不再可测。
如前所述，振动频率的线性或近似线性的过程或者说随着谐振电容器的改变的连续变化可通过多个可接合的单个电容器来实现。有利地以根据二进制模式的电容值来构造电容器，从而电容器具有0.1pF、0.2pF、0.4pF、0.8pF的电容。通过有针对性的组合可调节介于0pF和两倍最大值减去增量为0.1pF的步长之间的所有值。可模拟调节的电容(变容二极管)的使用同样可用于使电路3的振荡频率失谐。
振荡频率在积分期间的失谐也可在不改变补偿电容的情况下实现。在电路由具有数字反相器5的振荡器实现的情况下，由此存在的门延迟(Gate delayed)对振荡频率具有影响。如果在反相器5的输出端的信号以-180°的相位延迟馈送到输入端，则保持振荡。谐振电容器CR或LC谐振器在谐振频率中恰好具有该相移。对于一个特定的振荡频率，相移可换算为时间延迟。在25Mhz的情况下，周期时间为40ns。由此，-180°的相移为20ns。门延迟通常为1至6ns。该延迟时间对谐振器所需的相位延迟有减小的作用。具体来说，这意味着在2ns时(相当于-18°)门延迟和谐振器仅须还具有-182°的相移。在具体分配了电感L和谐振电容器CR的值的情况下，振荡频率会下降，因为在较低的频率下会达到该较小的相移，这是由于π谐振器在谐振频率处的相位响应从0°变化到-180°。在此陡度取决于线圈质量。由此，门延迟对振荡频率有明确的影响，从而可通过门延迟的影响使振荡频率失谐，而无需为此改变谐振电容。门延迟的影响例如实际上可通过使用用于调节放大级偏置电流的可编程电流源来实现。此外，作为附加或替代，可在集成电路中串联连接一连串延迟元件。
由此，通过有利的装置和所述方法可有针对性地使电路的振荡频率失谐，以防止振荡频率陷入干扰信号。由此，可通过装置1以简单且低成本的方式满足对电磁兼容性和相对于干扰信号的鲁棒性的要求。

Claims (10)

1.一种用于借助于LC振荡电路(3)确定涡电流传感器(2)的传感器线圈电感的方法，其中根据所述LC振荡电路(3)的振荡频率(fLC)和谐振电容通过积分来确定所述传感器线圈电感，其特征在于，在积分时使所述振荡频率(fLC)失谐至少一次。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谐振电容被改变至少一次，以使所述振荡频率失谐。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述谐振电容被增大以预定值至少一次。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述谐振电容被连续地增大。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过接合至少一个另外的电容器来增大所述谐振电容。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，振荡器(4)的数字反相器(5)的门延迟被改变，以便失谐。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据预期的干扰频率(fex)来增大所述谐振电容。
8.一种用于确定涡电流传感器(2)的传感器线圈电感的装置(1)，具有LC振荡电路(3)，所述LC振荡电路具有至少一个谐振电容器(CR)和用于检测所述LC振荡电路(3)的振荡频率(fLC)的设备，其特征在于专门配置的控制器，所述控制器在按预期使用时执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的装置(1)，其特征在于，所述LC振荡电路(3)具有至少一个可接合的电容器以用于增大谐振电容。
10.根据权利要求8所述的装置(1)，其特征在于，所述LC振荡电路(3)具有振荡器(4)，所述振荡器具有数字反相器(5)和可变的门延迟。
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