CN109425839B - 磁场传感器系统和其可操作性的确定方法 - Google Patents

磁场传感器系统和其可操作性的确定方法 Download PDF

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Abstract

一种系统包括：磁感元件，其用于检测外部磁场；以及接近所述磁感元件的磁场源，其用于提供可通过所述磁感元件检测到的内部磁场。所述系统选择性地在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作。所述磁感元件在所述操作模式中检测所述外部磁场。在所述停止模式中所述外部磁场不能被检测到，且所述内部磁场仅在所述系统处于所述停止模式时提供。所述系统另外包括处理电路，所述处理电路处理所述磁感元件响应于所述内部磁场而产生的输出信号，以确定所述系统的可操作性且检测整个信号处理链内的故障。

Description

磁场传感器系统和其可操作性的确定方法
技术领域
本发明大体上涉及磁场传感器系统。更具体地说，本发明涉及磁场传感器系统，例如速度传感器，以及用于在针对功能安全故障检测的停止模式期间确定速度传感器的可操作性的方法。
背景技术
磁场传感器系统用于各种商业、工业和汽车应用中，以出于速度和方向感测、旋转角感测、接近感测等等的目的测量磁场。在一些应用中，磁场传感器系统可被用作用于读取车轮旋转速度的车轮速度传感器。车轮速度传感器可实施于防抱死制动系统(ABS)内。ABS是一种汽车安全系统，其允许机动车辆上的车轮根据驾驶员在制动时的输入而保持与道路表面的牵引接触，由此防止车轮锁死(停止旋转)且避免失控滑行。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种系统，包括：
磁感元件，其用于检测外部磁场；以及
接近所述磁感元件的磁场源，其用于提供能够通过所述磁感元件检测到的内部磁场，其中所述系统选择性地在操作模式和备用模式中的任一个中原位运作，且其中在所述操作模式中所述磁感元件检测到所述外部磁场，在所述备用模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到，且所述内部磁场仅在所述系统处于所述备用模式时提供。
在一个或多个实施例中，所述磁场源包括导电线圈结构。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括电力供应器，所述电力供应器与所述磁场源联接且被配置成提供恒定供应电流通过所述磁场源，以用于产生所述内部磁场，所述恒定供应电流仅在所述系统处于所述备用模式时提供。
在一个或多个实施例中，所述电力供应器选择性地在第一配置中与所述磁场源联接，以使得所述恒定供应电流在第一方向上流动通过所述磁场源，以产生作为正磁场的所述内部磁场；且
所述电力供应器选择性地在第二配置中与所述磁场源联接，以使得所述恒定供应电流在与所述第一方向相对的第二方向上流动通过所述磁场源，以产生作为负磁场的所述内部磁场。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括与所述磁感元件连通的处理电路，以用于处理响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号和响应于所述内部磁场而产生的第二输出信号中的任一个。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括选择性地与所述处理电路和所述磁场源中的每一个联接的电力供应器，其中所述电力供应器被配置成在所述系统处于所述操作模式中时将恒定供应电流提供到所述处理电路，且所述电力供应器被进一步配置成在所述系统处于所述备用模式中时提供所述恒定供应电流通过所述磁场源，以用于产生所述内部磁场。
在一个或多个实施例中，在所述系统处于所述备用模式中时所述恒定供应电流被同时提供到所述处理电路和所述磁场源。
在一个或多个实施例中，所述处理电路处理响应于所述内部磁场而产生的所述第二输出信号，以确定所述系统的可操作性。
在一个或多个实施例中，所述磁感元件和所述磁场源实施于速度传感器内，且所述备用模式是所述速度传感器的停止模式，在所述停止模式中，所述速度传感器响应于不存在所述外部磁场而检测到物体是不移动的。
在一个或多个实施例中，所述速度传感器实施于防抱死制动系统(ABS)中且所述物体包括车辆。
根据本发明的第二方面，在能够在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作的速度传感器系统中，提供一种方法，包括：
检测在所述操作模式中所述速度传感器系统的磁感元件处的外部磁场，所述外部磁场指示物体的移动；
在处理电路处，处理所述速度传感器系统响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号，以确定所述物体的当前速度；
有时确定在所述停止模式中所述磁感元件处不存在所述外部磁场，不存在所述外部磁场指示所述物体是不移动的，其中在所述停止模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到；
在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时为接近所述磁感元件的磁场源通电，所述磁场源提供能够被所述磁感元件检测到的内部磁场，其中所述内部磁场仅在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时提供；以及
在所述处理电路处，处理所述速度传感器系统响应于所述内部磁场而产生的第二输出信号，以确定所述速度传感器系统的可操作性。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括联接电力供应器与所述处理电路以在所述速度传感器系统处于所述操作模式和所述停止模式中的任一个时将恒定供应电流提供到所述处理电路；且
所述通电操作包括联接所述电力供应器与所述磁场源以提供所述恒定供应电流通过所述磁场源，以在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时产生所述内部磁场。
在一个或多个实施例中，所述通电操作包括在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时将所述恒定供应电流同时提供到所述处理电路和所述磁场源。
在一个或多个实施例中，所述处理操作包括比较所述第二输出信号与至少一个参考电平以确定所述速度传感器系统的可操作性。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
在所述通电操作之后，检测所述速度传感器系统的磁感元件处的所述外部磁场，所述外部磁场指示物体的移动且返回到所述操作模式；以及
响应于检测到所述外部磁场而使所述磁场源断电。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
响应于处理所述第二输出信号，识别所述速度传感器系统的故障状况；以及
从所述处理电路传达所述速度传感器系统的所述故障状况。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
响应于处理所述第二输出信号，确定偏移和幅值校正要求；以及
将偏移和幅值校正系数应用到所述速度传感器系统。
根据本发明的第三方面，提供一种速度传感器系统，包括：
磁感元件，其用于检测外部磁场；
接近所述磁感元件的磁场源，其用于提供能够通过所述磁感元件检测到的内部磁场，其中所述速度传感器系统选择性地在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作，在所述操作模式中物体是移动的，在所述停止模式中所述物体是不移动的，且其中所述磁感元件在所述操作模式中检测到所述外部磁场，在所述停止模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到，且所述内部磁场仅在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时提供；
与所述磁感元件连通的处理电路，以用于处理响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号和响应于所述内部磁场而产生的第二输出信号中的任一个；以及
电力供应器，其选择性地与所述磁场源联接且被配置成提供恒定供应电流通过所述磁场源，以用于产生所述内部磁场，所述恒定供应电流仅在所述速度传感器系统处于所述停止模式时提供。
在一个或多个实施例中，所述电力供应器进一步选择性地与所述处理电路联接以在所述系统处于所述操作模式和所述停止模式中的任一个中时将所述恒定供应电流提供到所述处理电路。
在一个或多个实施例中，所述速度传感器系统是防抱死制动系统(ABS)且所述物体包括车辆。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1示出防抱死制动系统的简化框图；
图2示出根据实施例的具有磁场源的防抱死制动系统的车轮速度传感器的传感部分的俯视图；
图3示出沿着图2的截面线3-3得到的车轮速度传感器和磁场源的传感部分的截面侧视图；
图4示出用于测试速度传感器系统的可操作性的并有磁场源的车轮速度传感器的简化框图；
图5示出用于提供供应电流通过图2的磁场源的图4的速度传感器系统的电流开关电路的电路图；
图6示出速度传感器操作过程的流程图；以及
图7示出结合图6的速度传感器操作过程执行的停止模式过程的流程图。
具体实施方式
概括地说，本公开涉及磁场传感器系统和用于测试此类磁场传感器系统的可操作性的方法，即使无外部激励磁场可用。更具体地说，磁场传感器系统可实施为防抱死制动系统(ABS)应用的车轮速度传感器。在ABS应用中，车轮速度传感器系统通常在操作模式和备用的(即，停止)模式中的任一个中运作。在操作模式中，车轮速度传感器的磁感元件检测到指示例如车辆等物体的速度的外部磁场。在停止模式中，车辆不移动且外部磁场不能被磁感元件检测到。接近于速度传感器的磁感元件的磁场源仅在系统处于停止模式中时提供内部磁场。在限定幅值和时序的情况下，内部磁场可通过磁感元件检测以确定速度传感器系统的原位可操作性。也就是说，可在停止模式期间监测整个信号路径以在操作期间识别装置故障和/或检测灵敏度改变或变动、过量噪声级等等。
提供本公开以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理及优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅通过所附权利要求书限定，所述所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的未决期间进行的任何修正。
应理解，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。此外，附图中的一些可通过使用各种底纹和/或阴影线来示出以区分在各个结构性层内产生的不同元件。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在附图中利用了不同的底纹和/或阴影线，但是结构性层内的不同元件可由相同材料形成。
参看图1，图1示出用于例如车辆22等物体的防抱死制动系统(ABS)20的简化框图。正如本领域的技术人员所知，牵引控制系统(TCS)可设置在防抱死制动系统上。因此，本文所使用的术语ABS意图涵盖可额外包括牵引控制性能的防抱死制动系统。为简单起见不在本文中详细示出车辆22。而是，车辆22由四个车轮24和联接到其上的相应制动器26表示。尽管示出四个车轮24，但车辆22可具有任何数目个车轮24。
一般来说，ABS 20包括通信地联接到液压调节器系统30的ABS电子控制单元28。电子控制单元28额外联接到多个车轮速度传感器32。液压调节器系统30可包括用以调节供应到制动器26的制动器致动压力的任何数量和配置的液压阀、液压泵、液压流体储存器等等(为简单起见未示出)。在此例子中，多个车轮速度传感器32中的每一个联接到相应车轮24且被配置成感测与相应车轮24相关联的旋转速度。在其它配置中，ABS可使用通道的数目(即个别地受控的阀的数量)和速度传感器的数目有差异的多个方案中的任一个。这些各种配置可包括例如1)四通道、四传感器的ABS，2)三通道、四传感器的ABS，3)三通道、三传感器的ABS，4)两通道、四传感器的ABS，5)一通道、一传感器的ABS等等。
车轮速度传感器32中的每一个可包括呈一个或多个磁场传感器(未示出)形式的传感部分，其被配置成检测已产生或修改的磁场改变或干扰，并由此导出关于其相关联车轮24的旋转速度的信息。为此目的，ABS 20可包括多个旋转的编码器车轮34，其中的每一个联接到相应车轮24。编码器车轮34被配置成促使通过车轮速度传感器32感测其相应车轮24的旋转速度。借助于例子，当在车轮24的旋转期间编码器车轮34的交替磁北极和磁南极(未示出)经过其相关联的车轮速度传感器32时可检测到外部磁场。车轮速度传感器32可将极序转换成脉冲输出电压，且可通过计算每秒脉冲数来推导编码器车轮34且因此车轮24的旋转速度。偏置磁体(未示出)可用于调整磁场传感器的灵敏度和测量范围。编码器车轮34可实施为磁化编码器车轮，或编码器车轮34可以是未磁化的，如同无源编码器一样，或替代实施例可实施铁磁齿轮或其它类似结构。
电子控制单元28连续监测每个车轮24的旋转速度。如果电子控制单元28检测到车轮24中的一个旋转明显慢于其它车轮(该状况指示车轮即将锁定)，那么电子控制单元28用信号通知液压调节器系统30降低到受影响车轮24的制动器26的液压。液压的降低减少了车轮24上的制动力，使得车轮24旋转更快。相反，如果电子控制单元28检测到车轮24中的一个旋转明显快于其它车轮24，那么电子控制单元28用信号通知液压调节器系统30增大到受影响车轮24的制动器26的液压。液压的增大增加了车轮24上的制动力，使得车轮24旋转更慢。连续重复此过程，使得配备有ABS 20的车辆22的车轮24即使在极端状况下的紧急制动期间也不太可能锁定。如果在ABS 20中发生故障，那么联接到电子控制单元28的指示器36可告知驾驶员故障情况。举例来说，可点亮车辆仪表板上的警示灯，且可停用ABS 20，直到故障被矫正为止。
ABS可明显降低在大力制动状况下失去牵引力、滑行、打滑等情况的可能性。因此，有必要确保ABS保持起作用且解决ABS中出现的问题，以获得最大安全。实施为速度传感器的现有技术磁场传感器系统通常在传感器输出处施加定期仿真电速度脉冲信号，其发信号通知接收电子控制单元：与磁场传感器相关联的专用集成电路(ASIC)正在起作用。不利的是，由于速度脉冲信号是人工生成的电输出信号，因此无法确定磁感元件是否能够适合于检测到被转化成电输出信号的磁场。此外，在不存在磁场转换的情况下，无法检测到正确的信号放大、模数转换、滤波、偏移校正等等。因此，在此操作状态期间故障检测限于输出级。另外，无法准确地检测和校正电和磁偏移漂移(例如，过温)。
本文中所描述的实施例能够利用磁感元件进行磁场转换且利用在ASIC内部产生的磁场来监测整个信号处理通道。如下文将更详细地描述，可检测到信号处理链内的缺陷。因此，可检测到可由在功能操作期间或在停止期间出现的物理缺陷引起(且因此无法通过生产测试检测到)的永久和/或间歇寿命故障。另外，将磁场转换成明确限定的电信号可用以检查温度相关的偏移漂移和传感器灵敏度校准。下文涉及用于ABS应用的车轮速度传感器。然而，应理解，本文中所描述的系统和方法可适于有时在非移动备用的/停止模式中运作的其它速度感测磁场传感器系统。
参看图2到3，图2示出根据实施例的包括磁场源38的车轮速度传感器32的传感部分的俯视图，且图3示出沿着图2的截面线3-3得到的车轮速度传感器32和磁场源38的传感部分的截面侧视图。在此例子中，速度传感器32包括呈第一磁感元件40和第二磁感元件42(各自由虚线框划定)形式的传感部分，其被配置成检测，即感测外部磁场44(在页面上以左右方向定向)。第一磁感元件40和第二磁感元件42可以是能够响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的各向异性磁阻(AMR)感测元件。第一磁感元件40包括相对于外部磁场44的方向呈正四十五度定向的镍-铁(NiFe)条带，且第二磁感元件42包括相对于外部磁场44的方向呈负四十五度定向的NiFe条带。NiFe条带的定向可实现第一磁感元件40和第二磁感元件42对外部磁场44的最高灵敏度。然而，其它角定向也是可能的。尽管本文中提及AMR感测元件。但替代实施例可包括能够检测磁场的隧道磁阻(TMR)感测元件、巨磁阻(GMR)感测元件、霍耳效应感测元件等。
第一磁感元件40和第二磁感元件42可以半桥式结构连接。连接端包括VBR端46、VSS端48和VH端50。VBR端46可连接到调节后的内部电压供应器(下文论述)且VSS端48可连接到系统接地。VH端50是用于半桥式结构的输出端，在所述半桥式结构处，第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构响应于外部磁场44而产生的第一输出信号52可供用于另外处理，以确定车辆22的当前速度。
根据实施例，磁场源38包括导电线圈结构，其用于提供大体上与外部磁场44在相同方向上定向的内部磁场54。因此，磁场源38可替代地在本文中被称作线圈结构38。线圈结构38可包括接近第一磁感元件40和第二磁感元件42的导电迹线，例如金属迹线。在所示出的例子中，线圈结构38可包括定位在第一磁感元件40和第二磁感元件42正下方的第一组迹线56(参见图3)和大致与第一磁感元件40和第二磁感元件42共面且远离第一磁感元件40和第二磁感元件42(参见图3)侧向位移以消除其对由第一组迹线56产生的内部磁场54的影响的第二组迹线58。第一组迹线56和第二组迹线58在其端点处与通孔60连接以形成线圈结构38。
端到线圈结构38的连接包括CP端62和CN端64。线圈结构38可被布置成使得由箭头覆盖迹线56、58表示的线圈电流66从CP端62流动通过线圈结构38到CN端64。线圈电流66可被接通和切断和/或极性被改变(下文论述)。在对线圈结构38通电时，线圈电流IC 66流动通过线圈结构38且产生内部磁场54。此内部磁场54可通过第一磁感元件40和第二磁感元件42检测。因此，第二输出信号68可由第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构响应于内部磁场54而产生。如下文将更详细地论述，第二输出信号68在VH端50处输出且可被处理以确定车轮速度传感器32的可操作性。
第一感测元件40和第二感测元件42被配置成测量在平行于三维坐标系的x轴70的方向上的外部磁场44。因此，第一迹线56和第二组迹线58可大致垂直于外部磁场44的方向而定向，且更具体地说，第一迹线56和第二组迹线58以平行于三维坐标系的y轴72的纵向方向而定向，以便产生也平行于x轴70的内部磁场54。
在图2到3中示出的配置中，线圈电流66流动通过第一组迹线56的总共三个迹线且通过第二组迹线58的总共两个迹线以形成三匝线圈结构38。定位在第一感测元件40和第二感测元件42的正下方的第一组迹线56能够实现良好的磁场耦合以响应于内部磁场54而产生第二输出信号68。然而，在第二组迹线58处产生的内部磁场54(远离第一感测元件40和第二感测元件42侧向位移)对第二输出信号68具有极小影响或无影响。
第一感测元件40和第二感测元件42和线圈结构38可使用例如ASIC 74的顶部金属层在ASIC 74(图3中以虚线形式示出)上构造。在示出的例子中，七毫安培(mA)线圈电流66可产生约一百安培/米(A/m)的内部磁场54。然而，所产生的内部磁场54的磁场强度额外取决于层距、厚度和面积。替代实施例可包括多于或少于三线圈匝以获得内部磁场的所需磁场强度。另外其它实施例可包括在磁感元件正上方的第一组迹线和在磁感元件正下方的第二组迹线，以另外增大内部磁场的磁场强度。
车轮速度传感器32包括两个AMR磁感元件。应理解，替代实施例可采用隧道磁阻(TMR)磁感元件、巨磁阻(GMR)感测元件，等等。另外或替代地，车轮速度传感器可包括多于两个磁感元件。举例来说，车轮速度传感器可包括具有线圈结构38的两对或多于两对竖直堆叠的磁感元件，以形成更复杂的半桥式结构(例如，以减少或消除场梯度)。
现参看图4，图4示出用于测试车轮速度传感器32的可操作性的并有磁场源38(例如，线圈结构)的车轮速度传感器32中的一个的简化框图。提供车轮速度传感器32的框图以展示第一输出信号52和第二输出信号68中的任一个通过处理电路且更具体地说ASIC 74的信号处理链的信号流动。
一般来说，车轮速度传感器32包括电流开关电路76，其用于将受控线圈电流66提供到第一磁感元件40和第二磁感元件42附近的线圈结构38以产生内部磁场54(图2)。将结合图5更详细地描述电流开关电路76。车轮速度传感器32额外包括形成于ASIC 74上的第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构78，如上文所提及。ASIC 74可以是被定制成与第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构78一起作用的集成电路。
在示例配置中，ASIC 74包括联接到参考半桥式结构84的VH端50和VR端82中的每一个的模/数转换器(ADC)80。磁场(例如，图2的外部磁场44或内部54)通过第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构78检测且输出信号(例如，第一输出信号52或第二输出信号68)被馈送到ADC 80的输入中。抽取滤波器86联接到ADC 80的输出。在抽取滤波器86处的输出信号和带宽限制(例如，低通滤波)的模数转换之后，可从抽取滤波器86输出对应于输出信号的数据字(例如，十六位且经低通滤波)。偏移校正块88的输入可联接到抽取滤波器86，以用于接收数据字且用于针对偏移校正和幅值校正施加温度补偿值90。
偏移校正块88又可联接到过零检测块92。过零检测块92另外分析输出信号(例如，偏移和温度补偿数据字)以产生表示磁性激励场的过零点的输出信号。例如，可将这些过零点检测为编码器车轮34(图1)的交替的磁北极和磁南极(未示出)。因此，过零检测块92可检测到车轮速度传感器32何时处于车辆22在运动中的操作模式中，且何时可检测到外部磁场44(图2)。类似地，过零检测块92可检测车轮速度传感器32何时处于车辆22可通电但车辆22不在运动中的停止模式中。停止模式可以在开关点火之后且在车辆22移动之前当车辆22暂时停在停车标志或停车灯处时和/或在车辆22的车轮24(图1)目前没有旋转的其它状况下出现。
过零检测块92与ASIC 74的数字核心的协议产生器94联接，所述协议产生器94可根据合适的数字输出协议(例如，AK协议)对速度和方向信息编码。经编码速度和方向信息经由协议产生器94输出且进一步在速度脉冲输出缓冲器96中处理以传达到ABS 20的电子控制单元28(图1)。
应观察到抽取滤波器86的输出可另外联接到比较器块98。另外，偏移校正块88的输出可联接到比较器块98。在比较器块98处，来自抽取滤波器86的数据字和来自偏移校正块88的输出数据可被接收且可与例如存储在存储器(未示出)中的任何其它合适的参考值(例如，幅值、噪声和/或偏移)比较。如果在限定的保护频带内未实现输出信号的预期结果，那么错误标志100可出现且传达到功能安全控制块102以发信号通知传感器测量故障。类似地，与速度脉冲输出缓冲器96的输出联接的另一比较器块104可接收经编码速度和方向信息。如果在限定的保护频带内未实现输出信号的预期结果，那么错误标志106可出现且传达到功能安全控制块102以发信号通知传感器测量或通信故障。功能安全控制块102可额外与协议产生器94连通。协议产生器94可根据数字输出协议对错误信息编码，以用于传达到电子控制单元28。因此，在错误标志106的情况下，速度脉冲输出缓冲器96的故障检测是可能的。
应另外观察到过零检测块92的输出可与停止检测块108连通。停止检测块108从由过零检测块输出的信息识别车轮速度传感器32是否处于操作模式(其中过零检测块92检测到过零点，由此指示车辆22在运动中)或车轮速度传感器32是否处于停止模式(其中过零检测块92未能检测到过零点，由此指示车辆22不在运动中)。停止检测块108可与停止脉冲产生块110联接，且停止脉冲产生块110可与电流开关电路76联接。
在如在停止检测块108处所识别车轮速度传感器32处于停止模式时，停止脉冲产生块110可因此将开关控制信号112传达到电流开关电路76。开关控制信号112用信号通知电流开关电路76以提供恒定供应电流(例如，线圈电流66)通过线圈结构38。或者，在如在停止检测块108处所识别车轮速度传感器32处于操作模式时，停止脉冲产生块110可因此将另一开关控制信号112传达到电流开关电路76，所述电流开关电路76用信号通知电流开关电路76不提供线圈电流66通过线圈结构38或中断电流66的供应。以此方式，仅在车轮速度传感器32处于停止模式时提供用于产生内部磁场54的线圈电流66，在所述停止模式时外部磁场44不能被磁感元件40、42检测到。仅在停止模式中产生的明确限定的内部磁场54可用于传感器校准和补偿且确定车轮速度传感器32的可操作性(下文论述)。
图5示出用于提供供应线圈电流66通过线圈结构38(图2)的速度传感器系统32(图4)的电流开关电路76的电路图。内部ASIC供应调节块114产生带隙稳定的参考电流116，IREF。将参考电流116馈入到高电压电流镜118中。一般来说，电流镜是用以通过复制第二有源装置中电流而在一个有源装置中产生电流副本的电路块。电流镜具有相对高的输出电阻，其有助于在不考虑负载状况的情况下保持输出电流恒定。高电压电流镜118可例如由相应地标记为P1和P2的高电压PMOS(HV-PMOS)晶体管120、122构建，所述高电压PMOS晶体管120、122使电流开关电路76从电压(VCC)供应器124解除联接且产生标记为ICONST的恒定供应电流126。恒定供应电流126可用以对ASIC 74(图4)的所有有源功能电路组件供电。IDUMP电流128被调节且被直接旁通到接地(GND)以保持供应电流126在供应电压VCC、温度和内部ASIC电路的交变负载条件下恒定。
在一些配置中，标记为N1的NMOS晶体管130使内部ASIC供应调节块114从电流开关电路76的线圈开关电路132解除联接。如果来自线圈开关电路132的开关噪声适当低，那么其它配置无需包括晶体管130。
在实施例中，线圈开关电路132包括五个P型MOS电晶体装置(即，PMOS晶体管)134、136、138、140、142(相应地标记为P3、P4、P5、P6、P7)，其被配置成切换通过线圈结构38或绕过线圈结构38的恒定供应电流126。晶体管134、136、138、140、142受开关控制电路144控制。如果不所需(例如，在其中存在图2的外部磁场44的操作模式期间)来自线圈结构38的内部磁场54(图2)，那么通过将SA切换到“低”来闭合P3晶体管134，以便旁通线圈开关电路132。另外，通过将SC4、SC5、SC6、SC7切换到“高”来断开P4、P5、P6、P7晶体管136、138、140、142。在此配置中，标记为IA的电流146相当于恒定供应电流126。
在针对ABS 20(图1)的停止模式期间，线圈结构38中需要标记为IC的交变线圈电流66，以产生内部磁场54(图2)。在线圈电流66为正(例如，线圈电流66等于恒定供应电流126)时，SC4和SC5被切换到“低”，以闭合P4晶体管136和P5晶体管138。SC6和SC7被切换到“高”以断开P3晶体管134、P6晶体管140和P7晶体管142。相反，在线圈电流66为负(例如，线圈电流66等于负恒定供应电流126)时，SC6和SC7被切换到“低”以闭合P6晶体管140和P7晶体管142。SA、SC4和SC5被切换到“高”以断开P3晶体管134、P4晶体管136和P5晶体管138。为了避免线圈电流66的极性的切换期间的电流尖峰，可简单地通过将SA切换到“低”来闭合P3晶体管134。这还可用以使边缘平滑以实现谐波减少。又另外，可断续地淡化通过线圈结构38的恒定供应电流66以免信号失真。
图5中还示出第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构78。输出信号(例如，第二输出信号68)可与由参考半桥式结构84(图4)输出且馈入到信号处理通道的参考半桥式信号比较，所述参考半桥式信号可包括模数转换、抽取滤波、偏移校正和过零检测，如结合图4所论述。
因此，在功能模式(例如，操作模式或停止模式中的任一个)中且通过经由电流开关电路76提供的开关控制，有源ASIC 74消耗受P1晶体管120和P2晶体管122控制的恒定电流126。此恒定电流126，如线圈电流66，将额外用以供应线圈结构38。经由线圈结构38和开关(即，晶体管134、136、138、140、142)的压降应保持为低(例如，小于200mV)。因此，针对第一组迹线56和第二组迹线58(图2)，宽金属线和最小线圈匝可以是有益的。ASIC电流可通过另一调节环路(未示出)在ASIC 74内保持恒定。
现参看图6，图6示出根据实施例的速度传感器操作过程150的流程图。“原位”执行速度传感器操作过程150。也就是说，在车轮速度传感器32并入在例如ABS 20的最终应用中且能够以操作模式和停止模式中的任一个在最终应用中运作时执行过程150。因此，当车辆22(图1)且因此具有车轮速度传感器32的ABS 20被通电时，即当车辆22的点火开启时，可自动执行速度传感器操作过程150。结合车轮速度传感器32(图4)的运作描述过程150。因此，同时参考图4的简化框图。尽管结合车轮速度传感器32中的一个描述速度传感器操作过程150，但应理解，速度传感器操作过程150可在ABS 20(图1)的车轮速度传感器32中的每一个处同时执行。
在询问框152处，作出关于车轮速度传感器32当前是否检测到外部磁场44(图2)的确定。在车轮速度传感器32在给定时间帧(例如，150毫秒)内未在半桥式结构78的磁感元件40、42处检测到外部磁场44(例如，在过零检测块92处不存在过零点)时，过程150继续到框154。在框154处，执行停止模式过程。其后且只要车辆被通电，过程控制就保持作用，如通过返回到询问框152所表示的那样，以监视外部磁场44。将在下文结合图7描述停止模式过程。在在询问框152处确定在半桥式结构78的磁感元件40、42处检测到外部磁场44时，过程150继续到框156。
在框156处，车轮速度传感器32进入操作模式，其中第一输出信号52响应于外部磁场44而产生且适当地根据常规操作经由ADC 80、抽取滤波器86、偏移校正88、过零检测92、协议产生器94、速度脉冲输出缓冲器96处理以便将例如车轮速度和方向的信息输出到电子控制单元28(图1)。其后且只要车辆被通电，过程控制就通过返回到询问框152来保持作用，以监视外部磁场44。因此，速度传感器系统操作过程150描述原位过程，其中在车轮24旋转时相关联的车轮24的当前速度被连续检测、处理和传达到电子控制单元28。然而，有时在未检测到外部磁场44(且因此车轮24不旋转)时，将执行停止模式过程。
图7示出根据实施例的结合速度传感器操作过程150(图6)执行的停止模式过程160的流程图。需要重申的是，在没有外部磁场44的情况下执行停止模式过程160，由此指示车辆20是不移动的。因此，在停止模式中，外部磁场44不能被半桥式结构78的磁感元件40、42检测到。
在停止模式过程160的框162处，磁场源(例如，线圈结构38)被通电以提供明确限定的内部磁场54。举例来说，停止模式块108从由过零检测块92输出的信息中识别出车轮速度传感器32在给定时间帧(例如，150毫秒)之后处于停止模式，其中过零检测块92未能检测到过零点，由此指示车辆22不在运动中。停止模式的正识别使停止脉冲产生块110向电流开关电路76发信号以提供线圈电流66通过线圈结构38。
在框164处，内部磁场54可通过半桥式结构78的磁感元件40、42检测，且半桥式结构78响应于内部磁场54产生第二输出信号68。在框166处，第二输出信号68由处理电路(ASIC 74)经由ADC 80、抽取滤波器86、偏移校正块88、过零检测块92等适当地处理。执行框168以通过经由协议产生器94和速度脉冲输出缓冲器96将停止协议发送到输出以传达到例如电子控制单元28(图1)来确定车轮速度传感器32的可操作性。
在结合框168执行的询问框170处，作出速度传感器可操作性是否令人满意的估计。在速度传感器可操作性是令人满意的时，可执行框172以使线圈结构38断电。其后且只要车辆被通电，过程控制就通过返回到询问框152(图6)来保持作用，以监视外部磁场44。或者，可在给定时间帧(例如，150毫秒)内连续重复停止模式过程160，直到检测到外部磁场44为止，此时线圈结构38将被断电。
然而，在询问框170处，在速度传感器可操作性被认为是不令人满意的时，过程160继续框174。在框174处，执行补救措施来改善车轮速度传感器32的可操作性和/或如果信号路径未正确地工作，那么车轮速度传感器32标记电子控制单元28(图1)以将ABS 20切换到诊断安全状态。因此，在停止模式期间，车轮速度传感器32的寿命期间的功能安全的故障检测是可能的，且可以在由协议产生器产生的输出协议内或通过将电路切换到诊断安全状态来发信号通知故障。
实施线圈结构38的方法可实现对明确限定的开关激励场，例如内部磁场54的检测。由于内部磁场54具有仅取决于流动通过线圈结构38的电流的限定值和时序，因此可测量磁场转换和传感器灵敏度。因此，内部磁场54可用作校准参考且用于监测外部状况(例如，寿命期间的供应电压或温度)期间的传感器灵敏度。
表示内部磁场54的数据字的最低有效位(LSB)的幅值可在抽取滤波器86(图4)之后测得。在此幅值测量的情况下，可作出关于与第一磁感元件40和第二磁感元件42相关联的偏置磁体是否仍被附接或可能已经失去磁化的确定。此外，相比于预期的信号幅度，可通过比较测得的幅值来检查模数转换以及抽取的执行。因此，可计算传感器灵敏度且可施加校正因数。又另外，可计算且原位校准供应电压和温度相依性，可施加校正因数，且在ABS停止之后对过零点的极其快速的恢复可为可能的。
实施线圈结构38的方法可另外实现对抽取滤波器输出处的噪声级的测量。所测量的噪声可与由ASIC 74的内部信号处理(例如，由于热噪声)产生的理论预期噪声级进行比较。如果测得的噪声级超出预期的保护频带，那么可能出现错误标志100。此过大噪声级可指示外部干扰磁场或ASIC信号处理链中的损坏组件。
实施线圈结构38的方法可另外使ASIC内部产生的磁激励场(即内部磁场54)与通过在可控容差范围内对信号幅值和频率进行的数字电平和时序检查的理论预期信号比较。如果超出容差范围，那么可设置错误标志100或装置可切换到诊断安全状态中。
因此，响应于内部磁场54而产生的结果可用于后续故障信号处理，以便指示装置故障(例如，归因于缺失或部分毁坏偏置磁体而导致的错误的场转换或不当灵敏度)、高噪声级、不正确的模数转换和滤波和/或错误的过零检测。这些故障可以由ABS停止期间的错误协议或规定的容错时间内ASIC的诊断安全状态指示。
本文中所描述的实施例需要磁场传感器系统和用于测试此类磁场传感器系统的可操作性的方法。系统的实施例包括：磁感元件，其用于检测外部磁场；接近所述磁感元件的磁场源，其用于提供可通过所述磁感元件检测到的内部磁场，其中所述速度传感器系统选择性地在操作模式和备用模式中的任一个中原位运作，且其中所述磁感元件在所述操作模式中检测到所述外部磁场，在所述备用模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到，且所述内部磁场仅在所述系统处于所述备用模式中时提供。
在能够在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作的速度传感器系统中，方法的实施例包括：检测在操作模式中速度传感器系统的磁感元件处的外部磁场，所述外部磁场指示物体的移动；以及在处理电路处，处理所述速度传感器系统响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号，以确定所述物体的当前速度。方法进一步包括：有时确定在停止模式中磁感元件处不存在外部磁场，不存在外部磁场指示物体是不移动的，其中在停止模式中外部磁场不能被磁感元件检测到；在速度传感器系统处于停止模式中时为接近磁感元件在磁场源通电，所述磁场源提供可被磁感元件检测到的内部磁场，其中内部磁场仅在速度传感器系统处于停止模式中时提供；以及在处理电路处，处理速度传感器系统响应于内部磁场而产生的第二输出信号，以确定速度传感器系统的可操作性。
速度传感器系统的实施例包括：磁感元件，其用于检测外部磁场；以及接近磁感元件的磁场源，其用于提供可通过磁感元件检测到的内部磁场，其中速度传感器系统选择性地在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作，在所述操作模式中物体是移动的，在所述停止模式中所述物体是不移动的，且其中磁感元件在操作模式中检测到外部磁场，在停止模式中外部磁场不能被磁感元件检测到，且内部磁场仅在速度传感器系统处于停止模式中时提供。速度传感器系统进一步包括与磁感元件连通的处理电路，以处理响应于外部磁场而产生的第一输出信号和响应于内部磁场而产生的第二输出信号中的任一个；电力供应器，其选择性地与磁场源联接且被配置成提供恒定供应电流通过磁场源，以用于产生内部磁场，所述恒定供应电流仅在速度传感器系统处于停止模式中时提供。
磁场传感器系统可实施为防抱死制动系统(ABS)应用的车轮速度传感器，其中车轮速度传感器系统通常在操作模式和备用的(即，停止)模式中的任一个中运作。接近于速度传感器的磁感元件的磁场源仅在系统处于停止模式中时提供内部磁场。在限定幅值和时序的情况下，内部磁场可通过磁感元件检测以确定速度传感器系统的原位可操作性。因此，可在停止模式期间监测整个信号路径以在操作期间识别装置故障和/或检测灵敏度改变或变动、过量噪声级等等。因此，上文所论述的过程和系统以及其发明原理意图实现故障检测和减少，以提高系统使用寿命期间的功能安全性。
本公开旨在阐明使用本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围和精神。以上描述并不意图是详尽的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可能有许多修改或变化。选择和描述实施例是为了提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳说明，并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并用适合于所预期特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有此类修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本专利申请未决期间可进行修正。

Claims (9)

1.一种磁场传感器系统，其特征在于，包括：
磁感元件，其用于检测磁场传感器的外部磁场；以及
接近所述磁感元件的磁场源，其用于提供能够通过所述磁感元件检测到的磁场传感器的内部磁场，其中所述系统选择性地在操作模式和备用模式中的任一个中原位运作，且其中在所述操作模式中所述磁感元件检测到所述外部磁场，在所述备用模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到，且所述内部磁场仅在所述系统处于所述备用模式时提供；
电力供应器，所述电力供应器与所述磁场源联接且被配置成提供恒定供应电流通过所述磁场源，以用于产生所述内部磁场，所述恒定供应电流仅在所述系统处于所述备用模式时提供。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁场源包括导电线圈结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述电力供应器选择性地在第一配置中与所述磁场源联接，以使得所述恒定供应电流在第一方向上流动通过所述磁场源，以产生作为正磁场的所述内部磁场；且
所述电力供应器选择性地在第二配置中与所述磁场源联接，以使得所述恒定供应电流在与所述第一方向相对的第二方向上流动通过所述磁场源，以产生作为负磁场的所述内部磁场。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括与所述磁感元件连通的处理电路，以用于处理响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号和响应于所述内部磁场而产生的第二输出信号中的任一个。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，进一步包括选择性地与所述处理电路和所述磁场源中的每一个联接的电力供应器，其中所述电力供应器被配置成在所述系统处于所述操作模式中时将恒定供应电流提供到所述处理电路，且所述电力供应器被进一步配置成在所述系统处于所述备用模式中时提供所述恒定供应电流通过所述磁场源，以用于产生所述内部磁场。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理电路处理响应于所述内部磁场而产生的所述第二输出信号，以确定所述系统的可操作性。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁感元件和所述磁场源实施于速度传感器内，且所述备用模式是所述速度传感器的停止模式，在所述停止模式中，所述速度传感器响应于不存在所述外部磁场而检测到物体是不移动的。
8.一种应用于能够在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作的速度传感器系统的方法，其特征在于，包括：
检测在所述操作模式中所述速度传感器系统的磁感元件处的外部磁场，所述外部磁场指示物体的移动；
在处理电路处，处理所述速度传感器系统响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号，以确定所述物体的当前速度；
有时确定在所述停止模式中所述磁感元件处不存在所述外部磁场，不存在所述外部磁场指示所述物体是不移动的，其中在所述停止模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到；
在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时为接近所述磁感元件的磁场源通电，所述磁场源提供能够被所述磁感元件检测到的内部磁场，其中所述内部磁场仅在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时提供，其中通过电力供应器与所述磁场源联接提供通过所述磁场源的恒定供应电流，以用于产生所述内部磁场，所述恒定供应电流仅在所述系统处于所述停止模式时提供；以及
在所述处理电路处，处理所述速度传感器系统响应于所述内部磁场而产生的第二输出信号，以确定所述速度传感器系统的可操作性。
9.一种速度传感器系统，其特征在于，包括：
磁感元件，其用于检测速度传感器的外部磁场；
接近所述磁感元件的磁场源，其用于提供能够通过所述磁感元件检测到的速度传感器的内部磁场，其中所述速度传感器系统选择性地在操作模式和停止模式中的任一个中原位运作，在所述操作模式中物体是移动的，在所述停止模式中所述物体是不移动的，且其中所述磁感元件在所述操作模式中检测到所述外部磁场，在所述停止模式中所述外部磁场不能被所述磁感元件检测到，且所述内部磁场仅在所述速度传感器系统处于所述停止模式中时提供；
与所述磁感元件连通的处理电路，以用于处理响应于所述外部磁场而产生的第一输出信号和响应于所述内部磁场而产生的第二输出信号中的任一个；以及
电力供应器，其选择性地与所述磁场源联接且被配置成提供恒定供应电流通过所述磁场源，以用于产生所述内部磁场，所述恒定供应电流仅在所述速度传感器系统处于所述停止模式时提供。
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