CN109425368A - 灵敏度增强式齿轮绝对位置传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种齿轮绝对位置传感器(GAPS)。在一些实施例中，齿轮位置传感器组件包括传动装置的传动轴，以及联接到传动轴的一对磁体。该对磁体的第一磁体可具有第一磁化方向，并且该对磁体的第二磁体可具有不同于第一磁化方向(例如，相反)的第二磁化方向。齿轮位置传感器还可包括靠近该对磁体设置的至少一个磁性传感器，该磁性传感器能够感测该对磁体的三维运动并提供指示传动轴的运动(例如平移和旋转)的输出。在一些实施例中，每个磁体都是长方体形状的。

Description

灵敏度增强式齿轮绝对位置传感器
技术领域
本发明涉及一种用于手动传动装置的齿轮绝对位置传感器(GAPS)，并且更具体地涉及一种用于手动传动装置的使用具有相反极性的双磁体的齿轮绝对位置传感器。
背景技术
存在如下趋势，即用于乘用车、运动型多功能车、小货车和其它消费者车辆的自动机动车辆传动装置从基本上完全液压的操作转换成在电子传动控制模块(TCM)和液压致动器的控制下的操作。这种趋势受到提供电子线性位置传感器的期望和必要性两者的影响，电子线性位置传感器向传动控制模块提供实时数据，该实时数据关于致动器、相关的换档连杆以及离合器、制动器和作用在其上的齿轮的当前位置。传动控制模块利用这种数据来确认例如换档的开始和完成，并从而确认传动装置的整体状态。这些数据对于即将发生或现行的构件故障的自诊断也是有用的。
然而，将该方法应用于手动传动装置发动机具有挑战。由于换档时机和齿轮选取留给车辆操作者，因此在手动传动装置中的各种传感器的装入已被视为不必要的和/或侵犯操作者的自由。此外，如果对于较小尺寸的传动装置组件来说齿轮之间的旋转间隔较小，则目前基于磁体技术的GAPS提供较差的分辨率。
发明内容
鉴于上述内容，需要一种利用来自相反极性的双磁体的磁场分布的GAPS，从而允许如下信号的较大间隔，该信号表示在传动轴的前进运动和后退运动结束时的齿轮位置。与当前基于磁体技术的GAPS的信号相比，使用该方法获得的一个或多个信号可以是两倍以上。结果，可以更好地分辨齿轮位置的较小的角度间隔。
根据本公开的实施例的一种实施方式可包括齿轮位置传感器系统，该齿轮位置传感器系统具有传动装置的传动轴，以及联接到传动轴上的一对磁体。该对磁体的第一磁体具有第一磁化方向，并且该对磁体的第二磁体具有第二磁化方向，并且其中第一磁化方向不同于第二磁化方向。齿轮位置传感器系统还包括靠近该对磁体的至少一个磁性传感器，该磁性传感器能够感测该对磁体的三维运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。
根据本公开的实施例的另一实施方式可包括用于确定传动轴的运动的磁性传感器组件，该组件具有联接到传动轴的一对长方体形状的磁体，其中该对磁体的第一磁体具有第一磁化方向，并且该对磁体的第二磁体具有第二磁化方向，并且其中第一磁化方向与第二磁化方向相反。磁性传感器组件还可包括靠近该对磁体的至少一个磁性传感器，该磁性传感器能够感测该对磁体的三维运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。
根据本公开的实施例的又一实施方式可包括用于确定传动轴的运动的方法，该方法包括提供联接到传动轴的一对长方体形状的磁体，其中该对磁体的第一磁体具有第一磁化方向，并且该对磁体的第二磁体具有第二磁化方向，并且其中第一磁化方向与第二磁化方向相反。该方法还可包括提供靠近该对磁体的至少一个磁性传感器，其中该磁性传感器感测该对磁体的三维运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。
附图说明
附图示出了迄今为止构思用于其原理的实际应用的公开的GAPS的示例性实施方式，并且其中：
图1是示出根据本公开的实施例的磁性传感器组件的立体图；
图2是根据本公开的实施例的磁性传感器组件的侧视图；
图3是示出根据本公开的实施例的一对磁体的立体图；
图4是示出根据本公开的实施例的用于矩形磁体的磁通量相对于矩形磁体的旋转的关系的视图；
图5是示出根据本公开的实施例的用于矩形磁体的信号相对于矩形磁体的旋转的关系的视图；以及
图6是根据本公开的实施例的用于确定/感测传动轴的位置的方法的流程图。
附图不一定按比例绘制。附图仅仅是示意性的，并不旨在描绘本公开的具体参数。此外，附图旨在描述本公开的示例性实施例，因此不认为是对范围的限制。
此外，为了清楚示出，在一些附图中的某些元件可省略或者不按比例示出。为了清楚示出，剖视图可以是“剖切的”或“近距离观察到的”的横截面视图的形式，省略了在“真正”剖视图中原本可见的某些背景线。此外，为了清楚起见，在某些附图中可以省略一些附图标记。
具体实施方式
现在将参考附图继续描述本公开，在该附图中示出了各种实施方式。然而，应当理解，单极传感器可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施方式。而是，提供这些实施方式是为了使本公开彻底且完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。
如本文所使用的，以单数形式记载并且以单词“一”或“一个”进行描述的元件或操作应当被理解为不排除多个元件或操作，除非明确地记载了这种排除。此外，参照本公开的“一种实施方式”或“一个实施例”不旨在被解释为排除还包含所记载特征的其它实施方式和实施例的存在。
此外，为了便于描述如图所示的一个元件与另一个或多个元件的关系，在这里可使用空间相对术语，例如“下面”、“下方”、“下”，“中心”，“上方”、“上”，“近”、“远”等。应当理解，除了图中所示的定向之外，空间相对术语可包含在使用或操作时的装置的不同定向。
如上所述，这里的实施例提供了一种齿轮绝对位置传感器(GAPS)组件。在一些实施例中，组件包括传动装置的传动轴，以及联接到传动轴上的一对磁体。该对磁体的第一磁体可具有第一磁化方向，并且该对磁体的第二磁体可具有不同于第一磁化方向的第二(例如，相反)磁化方向。组件还可包括邻近该对磁体设置的至少一个磁性传感器，该磁性传感器能够感测该对磁体的三维运动并提供指示传动轴的运动(例如平移和旋转)的输出。在一些实施例中，每个磁体都是长方体形状的。
结果，本公开的实施例提供了一种用于手动传动装置的使用具有相反极性的双磁体的传感器装置。如果由于传动装置组件的较小尺寸而导致齿轮之间的旋转间隔较小，则目前基于磁体技术的GAPS提供较差的分辨率。有鉴于此，这里的实施例利用来自双磁体的相反极性的独特磁场分布，从而允许表示在传动轴的前进运动和后退运动结束时的齿轮位置的信号的较大间隔。在一些实施例中，取决于前进平移和后退平移之间的所需的位移，每个磁体均具有矩形形状并具有相反的极性。该对磁体和传动轴可联接在一起，使得当齿轮位置改变时，它们沿着传动轴的轴向方向平移和旋转。当传动轴运动时，传感器感测磁通量密度的变化。
各种参数可表征传感器的性能。这些参数包括灵敏度和线性度，该灵敏度是磁场感测元件响应于磁性感测元件承受的磁场变化的输出信号的变化，该线性度是磁场感测元件的输出信号与磁场成正比变化的程度。这些参数还可包括偏移，偏移的特征在于，当磁场感测元件承受零磁场时，来自磁场感测元件的输出信号不代表零磁场。
根据本公开的实施例，前进平移和后退平移的信号被很好地间隔开以避免重叠，并且中立位置位于正旋转和负旋转之间的中心处，这也有助于避免齿轮位置之间的重叠。中立位置也可以略微偏离在正旋转和负旋转之间的中心。从该设计获得的信号有利地是当前GAPS实施方式的2倍以上。因此，本公开的技术优点是可以更好地分辨齿轮位置的较小的角度间隔。
这里的实施例可提供GAPS组件，该GAPS组件感测手动传动装置的绝对的当前换档杆位置或选取/啮合齿轮。传感器可向相关的电子控制器(例如传感器检测模块)提供数据。传感器可包括与专用集成电路(ASIC)组合的3-D霍尔效应或其它类型的磁场(接近)传感器，该专用集成电路(ASIC)获取来自传感器的数据，解码传感器的输出，并提供识别特定的啮合齿轮或中立位置以供车辆或发动机管理处理器使用的输出。传感器在传感器可感测旋转和平移两者的位置处安装在传动轴附近或直接安装在传动轴上。
传感器可与四个、五个、六个或更多个速度和齿轮比的手动传动装置一起使用。传感器的使用使得发动机和传动装置能够进行速度匹配，这减少了离合器磨损并提供了改善的换档质量。传感器还尤其通过检测传动装置何时处于中立位置使得发动机能够具有启动-停止能力以及用于手动传动装置的远程启动。传感器和专用集成电路还提供全面的诊断能力。
现在参照图1和图2，将更详细地描述齿轮位置传感器系统(下文中称为“系统”)，该齿轮位置传感器系统可包括磁性传感器组件。如所示出的，系统100可包括传动装置的传动轴102，以及联接到传动轴102上的一对磁体104A-104B。传动轴102包括纵向中心轴线‘CA’，其中传动轴102能够围绕中心轴线CA旋转和/或沿中心轴线CA轴向平移(例如，沿所示出的定向中的x方向)。如下面将更详细描述的，第一磁体(例如，104A)具有第一磁化方向‘A’，并且第二磁体(例如，]04B)具有第二磁化方向‘B’。第一磁体方向A和第二磁体方向B中的每一个通常横向(例如，沿z轴线延伸)于传动轴102的中心轴线CA。
虽然不旨在限制，但是手动传动装置可以是传统的，包括壳体以及轴、齿轮和同步离合器(均未示出)，它们合作地提供例如四个、五个、六个或更多个前进速度或齿轮比以及后退速度或齿轮比。传动装置可包括输出轴(例如，传动轴102)，该传动轴102联接到最终驱动组件上，并可包括例如支撑轴、差速器组件和一对驱动轴。
如进一步所示出的，该系统包括至少一个磁性传感器(下文中称为“传感器”)108，该磁性传感器108邻近一对磁体104A-104B设置。一个或多个传感器108能够感测一对磁体104A-104B的三维(3-D)运动并且提供指示例如传动轴102的旋转和/或平移的输出110。例如，磁体104A-104B包括所选取的特性，使得当齿轮换挡杆选取多个齿轮中的不同齿轮时，两个或更多个磁场信号具有不同的相应磁场信号值。在一些实施例中，传感器108可以是3-D传感器，以用于当传动轴响应于齿轮位置变化而运动时感测来自该对磁体的磁通量105的密度变化。应当理解，该对磁体104A-104B和传感器108可安装在传动装置壳体(未示出)内，穿过传动装置壳体，或者安装在磁体104A-104B可附接到传动轴102且传感器108邻近磁体104A-104B安装的任何方便的位置处。
在一些实施例中，输出由传感器检测模块112接收，该传感器检测模块112可包括集成电路(IC)114。例如，输出110可包括第一输出和第二输出，该第一输出指示传动轴102处于第一轴向位移位置，第二输出指示传动轴102处于第二轴向位移位置。更具体地，传感器检测模块112可接收输出110，并且IC 114可提供指示传动轴102的前进运动的结束或后退运动的结束的信号。然后传感器检测模块112可基于来自IC 114的、指示传动轴102的前进/后退运动的结束的信号，来确定齿轮位置。在一些实施例中，传感器检测模块112将控制信号118传输给相关的电子控制器，例如发动机控制模块(ECM)，该控制信号118可以指示齿轮位置。
在各种实施例中，一个或多个传感器108可包括一个或更多个3-D霍尔效应传感器。作为霍尔效应传感器的替代，可以使用各向异性磁阻(AMR)，巨磁阻(GMR)，永磁体线性非接触位移(PLOD)，线性可变位移变压器(LVDT)，磁致弹性(ME)或磁感(MI)传感器。在一些实施例中，传感器108可以是传感器组件的一部分，该传感器组件包括任何数量的应用或构件特定的传感器，例如电子传感器(转速计)，或传动装置输入速度传感器(TISS)，该电子传感器提供表示输出轴的当前速度的信号，该传动装置输入速度传感器感测手动传动装置的输入轴的瞬时速度。传感器组件还可包括传动装置输出速度传感器(TOSS)，和/或齿轮绝对换挡位置传感器组件，该传动装置输出速度传感器感测手动传动装置的输出轴的瞬时速度，该齿轮绝对换挡位置传感器组件可包括IC 114，该IC 114的数据输出(例如，控制信号118)指示换档杆的当前位置。在其它的实施例中，传感器组件可包括制动踏板位置传感器，该制动踏板位置传感器感测制动踏板(也未示出)的位置。
在其它实施例中，传感器检测模块112可以是或包括处理单元，该处理单元通常指的是用于执行逻辑运算、计算任务、控制功能等的任何设备。处理器可包括一个或更多个子系统、构件和/或其它处理器。处理器可包括各种逻辑构件，该逻辑构件可使用时钟信号来操作以锁存数据、提前逻辑状态、同步计算和逻辑操作，和/或提供其它定时功能。在操作期间，传感器检测模块112可接收通过LAN和/或WAN(例如，T1、T3、56kb、X.25)、宽带连接(ISDN、帧中继、ATM)、无线连接(802.11、蓝牙等)传送的信号。
现在参照图2-3，将更详细地描述一对磁体104A-104B。如所示出的，第一磁体104A和第二磁体104B各具有矩形或长方体形状，其中该对磁体104A-104B由间隙120间隔开。在其它实施例中，磁体104A-104B可各自成形为沿传动轴102的圆周部分延伸的弧形。如所示出的，第一磁体104A包括第一内表面123，而第二磁体104B包括第二内表面127。第一内表面123限定与由第二内表面127限定的平面(例如，沿y-z方向)平行或基本上平行的平面(例如，沿y-z方向)。如进一步所示出的，第一磁体104A的顶表面131可沿同一平面(例如，沿x-z方向)延伸以作为第二磁体104B的顶表面133。尽管不限于任何特定的材料，但在各种实施例中，磁体104A-104B可以是钕铁硼(NdFeB)、钐钴(SmCo)或陶瓷磁体。
该对磁体104A-104B可通过相应的连杆124A-124B直接联接到传动轴102上，该连杆124A-124B可包括能够将该对磁体104A-104B固定在传动轴的外表面128上的任何构件，使得当齿轮位置改变时，磁体104A-104B和传动轴102一起运动(例如，旋转或平移)。在其它实施例中，不存在连接构件，而是每个磁体104A-104B直接联接到传动轴102上。如所示出的，该对磁体104A-104B仅部分沿传动轴102的外表面128的圆周延伸。
如图3中最佳地示出的，第一磁化方向A和第二磁化方向B彼此直接相反地定向，该第一磁化方向A和第二磁化方向B分别示出为一系列锥形方向的箭头。在所描绘的定向中，对应于磁极的第一磁化方向A和第二磁化方向B指向沿z方向的相反方向(+/-)。换句话说，第一磁化方向A和第二磁化方向B垂直或基本上垂直于中心轴线CA定向，该中心轴线CA纵向延伸通过传动轴102。如所示出的，第一磁化方向A和第二磁化方向B在该对磁体104A-104B的整个高度(例如，沿y方向)上可各自是线性的或沿相同的平面。换句话说，第一磁化方向A和第二磁化方向B主要在每个磁体104A-104B的前侧壁和后侧壁之间延伸。在使用期间，位于磁体104A-104B上方的传感器108(图1-2)感测磁通量105密度的x、y和z分量。由于磁化在所示出的实施例的定向上沿y-z平面，因此在信号处理时采用通量105的密度。
现在回到图4-5，将分别更详细地描述输出110和控制信号118。图4示出了作为磁通量密度B(G)的输出110相对于一组矩形磁体(例如，10mm×9.55mm×9.55mm)的旋转的关系，而图5示出了当传动轴102旋转时作为信号ATAN2的控制信号的控制信号118。在示例性实施例中，Bx是几乎线性的信号，而By是相对平坦的。由于这个特性，当传动轴从-9.75度以步长为3.25度旋转到+9.75度时，信号ATAN2(By，Bx)是线性的。在前进平移和后退平移时的信号很好地间隔开以避免重叠，并且中立位置位于正旋转和负旋转之间的中心处，这也有助于避免齿轮位置之间的重叠。结果，从矩形磁体获得的信号大于当前GAPS的2倍。
现在回到图6，将更详细地描述用于确定/感测传动轴的位置的方法200。如所示出的，在方框201处，方法200包括提供联接到传动轴的一对长方体形状的磁体，其中该对磁体的第一磁体具有第一磁化方向(即，极性)，并且该对磁体的第二磁体具有与第一磁化方向直接相反的第二磁化(即，极性)方向。在一些实施例中，第一磁化方向和第二磁化方向基本上垂直于传动轴的纵向中心轴线定向。在一些实施例中，该对磁体仅部分沿传动轴的外表面的圆周设置。
在方框203处，方法200可包括提供靠近该对磁体的至少一个磁性传感器，其中磁性传感器感测该对磁体的3-D运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。在方框205处，方法200可包括当传动轴运动时感测来自该对磁体的磁通量密度的变化。在一些实施例中，磁通量密度随着传动轴的旋转和/或平移而改变。在方框207处，该方法可包括基于磁通量密度的变化来提供指示传动轴的前进运动的结束或后退运动的结束的控制信号。在方框209处，方法200可包括基于控制信号来确定齿轮位置。
应当理解，这里所述的本公开的实施例提供并能够实现若干益处和优点。例如，系统100和方法200支持发动机启动-停止应用，因为它们需要中立位置检测。系统100和方法200通过促进传动系统的预同步来改善换档质量并减少传动系统发出的沉闷声。另外，发动机输出和传动装置输入的速度的匹配是可行的，该发动机输出和传动装置输入的速度的匹配需要绝对齿轮位置和预期的齿轮。力矩管理也是可行的，该力矩管理可减少传动装置的质量和复杂性。由于远程启动(即，自主式启动)也需要中立位置检测，因此也便于远程启动(即，自主式启动)。此外，因为可以利用该系统100和方法200感测和防止潜在的滥用操作事件，所以系统100和方法200可用于减少或基本上消除传动装置的滥用。最后，系统100和方法200提供全面的诊断能力，例如电源短路、接地短路和开路。
虽然已经参考某些实施方式描述了本公开，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的方面和范围的情况下，可以对所描述的实施方式进行多种修改、变更和改变。因此，意图是本公开不限于所描述的实施方式，而是本公开具有由所附权利要求的语言及其等同物限定的全部范围。虽然已经参考某些实施方式描述了本公开，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施方式进行多种修改、变更和改变。因此，意图是本公开不限于所描述的实施方式，而是本公开具有由所附权利要求的语言及其等同物限定的全部范围。

Claims (20)

1.一种齿轮位置传感器系统，包括：
传动装置的传动轴；
联接到传动轴的一对磁体，其中，所述一对磁体的第一磁体具有第一磁化方向，并且所述一对磁体的第二磁体具有第二磁化方向，并且其中第一磁化方向不同于第二磁化方向；以及
靠近所述一对磁体的至少一个磁性传感器，所述至少一个磁性传感器能够感测所述一对磁体的三维运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。
2.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，其中，第一磁体和第二磁体各自具有长方体形状，并且其中第一磁化方向与第二磁化方向直接相反地定向。
3.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，其中，所述至少一个磁性传感器是三维传感器，所述三维传感器用于当传动轴运动时感测来自所述一对磁体的磁通量密度的变化。
4.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，还包括传感器检测模块，所述传感器检测模块用于接收输出并用于确定传动轴的前进运动的结束或后退运动的结束。
5.根据权利要求4所述的齿轮位置传感器系统，传感器检测模块还基于传动轴的前进运动的结束或后退运动的结束的确定来确定齿轮位置。
6.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，其中，所述一对磁体仅部分沿传动轴的外表面的圆周延伸，并且其中所述一对磁体通过间隙彼此间隔开。
7.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，其中，所述一对磁体中的每一个通常是长方体形状的。
8.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，其中，传动轴限定沿传动轴的长度延伸的中心轴线，并且其中第一磁化方向和第二磁化方向基本上垂直于中心轴线。
9.根据权利要求1所述的齿轮位置传感器系统，其中，传感器还被配置成提供指示传动轴处于第一轴向位移位置的第一输出和指示传动轴处于第二轴向位移位置的第二输出。
10.一种用于确定传动轴的运动的磁性传感器组件，该磁性传感器组件包括：
一对长方体形状的磁体，所述一对长方体形状的磁体联接到传动轴上，其中，所述一对长方体形状的磁体的第一磁体具有第一磁化方向，并且所述一对长方体形状的磁体的第二磁体具有第二磁化方向，并且其中第一磁化方向与第二磁化方向相反；以及
靠近所述一对长方体形状的磁体的至少一个磁性传感器，所述至少一个磁性传感器能够感测所述一对长方体形状的磁体的三维运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。
11.根据权利要求10所述的磁性传感器组件，其中，第一磁化方向和第二磁化方向基本上垂直于传动轴的纵向中心轴线定向。
12.根据权利要求10所述的磁性传感器组件，其中，所述至少一个磁性传感器是三维传感器，所述三维传感器用于当传动轴运动时感测来自所述一对长方体形状的磁体的磁通量密度的变化。
13.根据权利要求10所述的磁性传感器组件，还包括传感器检测模块，所述传感器检测模块用于接收输出并用于提供指示传动轴的前进运动的结束或后退运动的结束的控制信号。
14.根据权利要求13所述的磁性传感器组件，传感器检测模块还被配置成基于指示传动轴的前进运动的结束或后退运动的结束的控制信号来确定齿轮位置。
15.根据权利要求10所述的磁性传感器组件，其中，所述一对长方体形状的磁体仅部分沿传动轴的外表面的圆周延伸。
16.一种用于确定传动轴的运动的方法，该方法包括：
提供联接到传动轴上的一对长方体形状的磁体，其中，所述一对磁体的第一磁体具有第一磁化方向，并且所述一对长方体形状的磁体的第二磁体具有第二磁化方向，并且其中第一磁化方向与第二磁化方向相反；以及
提供靠近所述一对长方体形状的磁体的至少一个磁性传感器，其中磁性传感器感测所述一对磁体的三维运动并提供指示传动轴的旋转和平移的输出。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，第一磁化方向和第二磁化方向彼此直接相反地定向，并且其中第一磁化方向和第二磁化方向基本上垂直于传动轴的纵向中心轴线定向。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
当传动轴运动时，感测来自所述一对长方体形状的磁体的磁通量密度的变化；
基于磁通量密度的变化，提供指示传动轴的前进运动的结束或后退运动的结束的控制信号；以及
基于控制信号来确定齿轮位置。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括提供指示传动轴处于第一轴向位移位置的第一输出和指示传动轴处于第二轴向位移位置的第二输出。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括仅部分沿传动轴的外表面的圆周提供所述一对长方体形状的磁体。
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