KR20020048996A

KR20020048996A - 자기장 센서에서의 절대각 측정 범위를 확장하는 방법

Info

Publication number: KR20020048996A
Application number: KR1020027005536A
Authority: KR
Inventors: 마이어마르쿠스; 클리프켄마르쿠스게.; 퇼케홀거
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2002-06-24
Also published as: EP1315946B1; US6622388B2; ATE462958T1; US20030019114A1; ES2342454T3; DE10042602A1; JP4681210B2; WO2002018880A1; JP2004507752A; KR100874296B1; DE50115415D1; EP1315946A1

Abstract

본 발명은 자기장 센서에서의 절대각의 측정 범위를 확장하는 방법에 관한 것이다. 평가 회로(12)는 여러 방법 단계를 실행하도록 사용된다; 전압의 사인 또는 코사인 신호(2, 3)와 같은 두 개의 상 변위된 입력 변수 사이의 관계가 우선 결정된다. 오프셋(C)이 상 변위된 입력 변수(2, 3) 사이의 관계에 첨가된다. 사전 설정된 오프셋(C)은 완전 360°회전(11) 또는 그 몇 배까지 자기장 센서의 각 측정 범위의 확장(9)을 가능하게 한다.

Description

자기장 센서에서의 절대각 측정 범위를 확장하는 방법{METHOD FOR EXTENDING THE MEASURING RANGE OF AN ABSOLUTE ANGLE IN MAGNETIC-FIELD SENSORS}

브릿지 회로(예를 들면 휘트스톤 브릿지)를 포함하는 현재의 자기장 센서의 경우, 일반적으로 실행될 때, 360°절대각 측정이 어렵다. 센서 요소는 수학식(1)을 따르는 전압을 공급한다.

[수학식 1]

AMR 센서의 경우 부가적인 전기 배선 없이 180°까지의 절대각 측정이 가능하다. 절대각 측정을 위해 두 개의, 각각 45°로 서로 배열된 풀 브릿지(full bridge)가 필요하다. 이러한 풀 브릿지 중 하나는 사인(sine) 신호를 공급하고, 다른 하나의 풀 브릿지는 측정될 전압 경로의 약 90°상 변위된(phase-displaced)코사인(cosine) 신호를 공급한다.

출력 전압 사이의 관계가 설정되면, 아크탄젠트(Arctan) 함수를 통해 상 변위된 절대각이 결정될 수 있다. 이에 대해 아래의 수학식과 같다.

[수학식 2]

수학식(1)에 따른 2차 방정식은 180°- 장벽(barrier)을 갖는 톱니 함수를 가능하게 한다.

180°주기 각해법은 완전 회전(360 각도)의 경우 다의적인 값을 공급한다. 그러나 때때로 함수적 고려로부터 단일 의미의 값 범위가 요구되거나 또는 원해진다. 이것은 예를 들면 센서 요소의 내부의 또는 외부의 부가적 자석 코일을 통해 구현된다. 그러나 이러한 해법은 값비싼 센서 및 비용이 큰 평가 회로를 필요로 한다. 이러한 부가적 회로 비용 및 그와 관련되는 부가적 비용을 피하는 것이 요구된다. 또한 자석 코일을 갖는 센서의 경우 이미 존재하는 회로를 개조하는 것이 어렵다.

현재의 각측정 방법에서는 측정 브릿지 구조 내의 자기장 센서가 작동된다. AMR 센서에서 360°의 각범위에 대한 절대각 측정은 많은 비용 없이는 불가능하다. 반사(reverberation) 또는 GMR 센서의 경우 360°로의 범위 확장이 그리고 AMR 센서의 경우는 180°의 측정 범위가 가능하다.

도1은 약 90°서로 상 변위된, 입력 전압의 사인 및 코사인 형태의 상 변위된 입력 신호의 경로 그리고 매 180°의 두 개의 톱니 부분으로 분할된 절대각의톱니 경로를 도시하는 도면이다.

도2는 사인 또는 코사인 전압 부분의 전압 경로 그리고 절대각의 360°완전 회전을 도시하는 도면이다.

도3은 입력 신호의 진폭 규격화가 아날로그 부분에서 실행되는 평가 회로를 도시하는 도면이다.

도4는 평가 회로의 디지털 부분에 규격화 인자 및 오프셋 값을 갖는, 도3에 따른 평가 회로를 도시하는 도면이다.

본 발명에 따라 제안되는 해법에 의해 하드 웨어가 많이 요구되지 않는 절대각 산출 방법이 제공될 수 있다. A/D 변압기가 설치된 이미 존재하는 평가 회로에서, 단지 적은 개조 비용으로 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 회로의 변형이 계획될 수 있다. 규격화 인자(A_사인, A_코사인)의 설계 시 자유도를 통해 평가 방법이문제 없이 그리고 간단하게 다른 센서에 적응된다. 오프셋(offset) 값(K_사인, K_코사인)은 예를 들면 평가 시스템 제작의 경우 밴드(band) 단부 프로그래밍부의 프레임 부분에서 계획된다.

본 발명에 따라 제안되는 해법에 따르면 오프셋 값(K_사인또는 K_코사인)의 산출은 평가 회로의 디지털 부분 및 아날로그 부분 모두에서 행해진다.

본 발명에 따라 제안되는 방법에 따르면 180°의 아크탄젠트 함수를 360°로 연장하는 것 그리고 값 범위의 확장이 가능하다. 360°전이부 - 옆구리부가 검출되면, 본 발명에 따른 방법에 의해 360°보다 큰 절대각의 절대각 검출 또는 증가(incremental) 검출이 가능하다. 또한 본 발명에 따라 제안되는 해법의 이러한 실시예의 경우 센서 요소에 통합된 부가적 자석 코일이 포기될 수 있다. 그래서 본 실시예는 이미 공급된 또는 이미 작동하여 존재하는 평가 회로에서 큰 개조 비용 없이 실행될 수 있다. 본 발명에 따라 제안되는 방법에 의해 절대각 측정 범위가 확대됨으로써 360°의 완전 회전 내에서 가장 정확한 절대각이 측정되고, 또한 본 발명에 따라 제안되는 방법에 따르면 360°회전의 몇 배의 측정 범위의 향상이 문제 없이 가능하다.

본 발명은 이하 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명될 것이다.

수학식(1)에 따른 2차 관계식에 의하면 참조 부호 "1"로 도시되는 도1에 따른 전압 경로에서 반복되는 전압 경로가 도시된다. 전압 경로는 이미 위에서 언급된 바와 같이 약 90°서로 상 변위된 사인 부분(2) 및 코사인 부분(3)으로 나뉜다. U_브릿지= U_공급/2 인 브릿지 회로의 오프셋이 참조 부호 "6"으로 도시된다. 전압의 사인 부분(2) 및 코사인 부분(3) 사이의 관계가 설정되면, 아크탄젠트 함수를 통해 상기 반복 수학식(2)에 따라 절대각이 결정될 수 있다. 도1에 따른 톱니형 함수는 참조 부호 "7"로 표시되는 제1 180°톱니 및 참조 부호 "8"로 표시되는 제2 180°톱니에 의해 상세하게 특징된다. 이 해법에서 종래 기술로부터 공지된 톱니는 오직 0 내지 180° 또는 180°내지 360°의 측정 범위를 통해서 연장된다. 이러한 방식으로 얻어진 절대각 신호를 더 처리(processing)하면 톱니(7 또는 8) 당 상이한 절대각( θ‘)이 다의적으로 된다. 절대각 정보(7, 8)의 이중 의미는, 완전360°회전을 통해 고찰한다면, 바람직하지 않은 경우도 있다. 그래서 단일 의미로 한정되는 값을 형성하기 위해 단일 의미의 각 측정을 위한 간단한 해법이 바람직하다.

절대각 범위의 검출을 확장하는 본 발명에 따라 제안되는 방법은 자기장 센서 AMR/GMR 센서 또는 반사 요소 및 평가 회로(12), 예를 들면 제어 장치를 포함한다. 출력 전압(2 또는 3)은 A/D 변압기(15)에서 디지털화되고 계속해서 아크탄젠트-알고리즘(27)으로 제공된다. 상기 알고리즘은 신호를 더 처리할 때 다른 평가 목적을 위한 절대각 정보를 공급한다. 확장된 절대각 측정은 입력 변수, 예를 들면 전압의 사인 부분(2) 및 코사인 부분(3)의 관계로부터 각을 결정하는 것에 의존한다.

[수학식 3]

수학식(3)의 분모에 오프셋(C)이 더해져서, y는 y‘로 변환된다.

오프셋(C)은 이하에서 프리엠파시스(preemphasis)로서 또는 디스어드밴티지(disadvantage)로서 간주된다.

[수학식 4]

수학식(4)이 수학식(3)에 대입되면 수학식(5)이 생성된다.

[수학식 5]

센서가 조절되면, A=B가 된다. 이러한 전제 하에 아래의 식이 얻어진다.

[수학식 6]

.

C=A=B=1인 특별한 경우에는 특별한 반각 삼각 함수가 얻어진다.

[수학식 7]

이로부터 다음과 같다.

[수학식 8]

이제 이러한 관계식은, 오프셋(C)을 통해 그 주기 폭에 영향을 받을 수 있는, 두 개의 연장된 절대각 톱니 경로를 설명한다. 오프셋(C)이 수학식(5 또는 8)에 따른 상수 "A 또는 B" 보다 작으면, 예를 들면 도1의 절대각 경로와 관련된 경로가 반복되는 것과 같이 360°이내의 두 개의 톱니와 유사한 경로가 얻어진다. 참조 부호 "7 및 8"로 도시되는 두 개의 톱니와 유사한 경로는 다양한 주기 폭을포함할 수 있다(예를 들면, 0< α< 180°에 대해 P1 =180°+ α그리고 P2 = 180°- α). 이하의 도3 및 도4에서 반복되는 평가 회로(12)와 비교하여 본질적으로 보다 더 복잡한 평가 회로가 전제된다면, 이 주기 폭은 본 발명에 따라 제안되는 방법으로 평가될 수 있다.

도3은 아날로그 부분(13)과 디지털 부분(14)을 포함하는, 본 발명에 따라 제안되는 방법으로 작동되는 평가 회로(12)를 도시한다.

평가 회로(12)의 입력 측(25)에는 전압의 사인 또는 코사인 부분(2, 3)이 배열된다. 이 사인 또는 코사인 부분(2, 3)은 우선 진폭 규격화 소자(16)에 종속된다. 진폭 규격화 소자의 프레임 부분에서, A/D 변압기에서 아날로그 신호에서 디지털 신호로 신호 전환이 되기 전에 도3에 따른 구조에서의 규격화 인자(22, 23)가 정해진다.

아날로그 신호가 디지털 신호로 전환된 후 아날로그/디지털 변압기(15)의 출력 신호는 합계 부품(20)에 전달된다. 평가 회로(12)의 디지털 부분(14)에서 합계 함수(20)의 입력부에는 사인 오프셋 또는 코사인 오프셋 함수(18 또는 19)가 접한다. 합계 후 합계 부품(20)에서 얻어지는 신호가 함수 블록에서 관계가 설정되기 전에, 사인 및 코사인(2, 3)에 대한 디지털 처리 전압 부분에 각각의 사인 오프셋(18) 또는 코사인 오프셋(19)이 더해진다. 함수 블록은 예를 들면 소프트 웨어 코드로서의 마이크로 제어 장치 내부에서 구현될 수 있거나 또는 별도로 설치된 단일의 부품이 형성될 수 있다. 전압비(21)(U_사인‘/U_코사인‘)는 입력 신호로서 각함수(27)로 들어간다. 각함수를 결정하는 부품의 출력부에는 더욱 처리하기에 적합한 안정된 출력 신호가 놓인다.

사인 및 코사인 부분에 대한 오프셋의 결정과 마찬가지로 진폭의 규격화도 모두 평가 회로(12)의 디지털 부분(14)에서 행해진다는 차이점이 있을 뿐, 도3에 따른 평가 회로가 도4에 따른 도면에 존재한다.

입력 변수(본 명세서에서는 전압 신호)의 사인 부분 또는 코사인 부분(2 또는 3)은 도4에 따른 평가 회로(12)의 입력 측(25)에 접해있다. 상기 사인 부분 또는 코사인 부분(2 또는 3)은 직접 A/D 변압기에 제공되고, 상기 A/D 변압기는 도3의 구조에서의 아날로그 신호인 상기 사인 부분 또는 코사인 부분(2 또는 3)을 합계 함수(20)에 제공하고, 사인 오프셋 또는 코사인 오프셋은 별도의 함수(18 또는 19)에서 결정된다. 도3에서의 아날로그 신호인 진폭 규격화 소자(16)의 출력 신호로부터 U_사인‘/U_코사인‘에 의한 전압비가 생성되기 전에, 합계 부품(20)의 출력 신호는 진폭 규격화 소자(16)의 프레임 부분에서 신호가 더욱 처리될 때 규격화 인자(A_사인(22) 또는 A_코사인(23))를 통해 규격화된다. 출력 신호, 즉 변경된 전압의 비는 본 발명에 따라 제안되는 방법의 양호한 실시예에서는 아크탄젠트 함수가 실행되는 각함수 부품(27)으로 안내된다.

입력 신호들 사이의 상 차이를 조절하기 위해 동원되는 인자(C)는 입력 신호(2, 3)의 최소 및 최대 측정값으로부터 결정된다.

[수학식 9]

K_코사인= C 그리고 K_사인= 0 의 조건이 충족될 때, 본 방법에 따른 평가 회로(12)의 출력 측(26)에서는 (비교되는 도3 또는 도4) 안정된 신호가 얻어지는데, 상기 값들은 전압값에 더해져서, 끝에 있는 각함수 부품(27)에서, 실제로 우세한 절대각으로 전환되는, 상 차이(C)가 정정된 각이 평가된다.

360°전이부의 옆구리부가 도3의 연장된 톱니 구조(9)에 따라 한정될 때, 본 발명에 따라 제안되는 방법에 의하면, 그들의 합산을 통해 360°보다 큰 각의 결정이 달성된다. 그래서 본 발명에 따라 제안되는 방법은 오직 톱니 옆구리부 한정과 참조부호가 예정될 수 있는, 임의의 큰 측정 범위를 갖는 각측정 시스템에도 적합하다.

도3 및 도4에 따른 도시로부터 명확해지는 바와 같이, 평가 회로(12)는 가변적으로 형성될 수 있다. 예를 들면 규격화는 평가 회로(12)의 아날로그 부분(13) 및 도4에 따른 평가 회로(12)의 디지털 부분(14) 모두에서 규격화 인자(A_사인(22) 또는 A_코사인(23))에 의해 달성된다.

이것은, 절대각 측정 범위의 확장을 위한 본 발명에 따라 제안되는 방법에서 하드 웨어 부품이 많이 요구되지 않는다는 장점을 제공한다. 따라서, 센서에 통합된 코일을 포함하여 값비싼 부품을 나타내는, 값비싼 360°-AMR-센서 시스템이 포기될 수 있다; 또한 제안되는 시스템은 이미 형성된 센서 시스템 또는 이미 장착되어 존재하는 센서 시스템에 잘 적응될 수 있다. 적응 시 규격화 인자(22, 23) 그리고 사인 및 코사인 부분에 대한 오프셋 값(18 또는 19)만이 새로 결정된다. 예를 들면 제작 시 또는 평가 시스템의 적응 시 이러한 새로운 인자의 결정은 밴드 단부 프로그래밍부의 프레임 부분에서 행해진다.

참조 부호 리스트

1 전압 경로

2 사인 신호

3 코사인 신호

4 자기 각

5 절대각(결정된)

6 전압 중앙값

7 제1 180°톱니

8 제2 180°톱니

9 각 연장

10 360°도시부

11

12 평가 회로

13 아날로그 부분

14 디지털 부분

15 A/D 변압기

16 진폭 규격화 소자

17 정정값 수단

18 사인 오프셋

19 코사인 오프셋

20 합계 함수

21 전압비

22 규격화 인자(A사인)

23 규격화 인자(A코사인)

24 각함수

25 입력 측

26 출력 측

Claims

자기장 센서에서의 절대각 측정 범위를 확장하는 방법에 있어서,

평가 회로(12)를 사용하여, 두 개의 입력 변수(2, 3) 사이의 관계 형성 단계보다 선행하여 상 변위되는 단계와, 오프셋(C)이 상 변위된 입력 변수(2, 3) 사이의 관계에 첨가되는 단계와, 사전 설정된 오프셋(C)이 완전 회전(11) 또는 그 몇 배까지 센서의 측정 범위의 확장(9)을 가능하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 평가 회로(12)는 아날로그 부분(13)과 디지털 부분(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상 변위된 입력 변수(2, 3)의 진폭 규격화(16)는 평가 회로의 아날로그 부분(13) 및 디지털 부분(14) 모두에서 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 규격화 인자((22, 23) A_사인, A_코사인)는 평가 회로(12)의 아날로그 부분(13) 또는 디지털 부분(14)에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상 변위된 입력 변수(2, 3)의 최대 및 최소값으로부터 입력 변수의 사인 또는 코사인 신호(2, 3) 각각에 대한 오프셋 값(18, 19)이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 오프셋(C)은 입력 변수(2, 3)로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 오프셋(K_사인(22)) 및 오프셋(K_코사인(23))은 입력 변수(2, 3)의 최대 또는 최소값으로부터 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 얻어진 오프셋 값(K_사인(22) 또는 K_코사인(23))은 출력 전압 값(2 또는 3)에 절대각의 결정 전에 더해지는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 오프셋(K_코사인(19))이 오프셋(C)과 일치하고 오프셋 K_사인(18)=0 일 때, 평가 회로(12)의 출력 측(26)에서는 안정된 출력 신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 오프셋(K_사인)이 오프셋(C)과 일치하고 오프셋 K_코사인(19)=0일 때, 평가 회로(12)의 출력 측(26)에서는 안정된 출력 신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.