用于测量位移和旋转的方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的方法和一种根据权利要求3的前序部分所述的装置。
背景技术
如图1示意性地所示，用于在机动车辆中的测量车轮转速的装置在原理上是已知的。所述装置包括一个编码器和一个通过一个气隙对该编码器进行磁扫描的传感器。该编码器是一机器元件，它与车轮轴承的旋转环机械连接，并带有增量型角度标尺。上述角度标尺被设计成形成圆形的编码器轨迹的磁性交替地不同作用的区域的整数序列。通常采用编码器齿轮、铁磁性的带孔盘或永磁结构，例如，磁性的车轮轴承密封件。该传感器以周期性的电信号对齿/齿间、或孔/板或南/北极间的周期性交替地做出反应，所述信号将增量式地角度划分再现时间上的电压和电流的变化。采用感应线圈、磁阻桥和霍尔元件作为传感器的有效构件，所述各构件有时与附加的电子电路结合运行。通常当传感器需要供电用于运行时传感器被称为“主动传感器”；当传感器不需要附加的电源用于运行时，该传感器为“被动传感器”，如感应线圈。
EP-A 0922230(P 8775)说明了一种用于测量旋转编码器的旋转行为的装置，该装置带有一个包括下列功能组的传感器模块：一个基于磁阻效应的传感器元件，一个提供表示旋转状态的附加电流的可控电流源，和一个根据所述传感元件的信号控制该电流源的调制器。该传感器模块与所述编码器磁偶合。输出信号为具有已叠加的状态信号和/或附加信号的表示旋转状态的信号。其中该状态信号中包含旋转方向信息。
WO 99 49322(P 9352)说明了一种接口，在该接口处旋转方向信息及其有效性作为2位信息包括在每一转速脉冲后发出的8位字节中。此外，基于霍尔效应的主动传感器元件(TLE 4942，Infineon Technologies，München)是已知的，在这种传感器元件中，除转速外关于旋转方向的信息也以编码的方式传输。由此所述信号在两个电流电平之间交变。上升沿的时间间隔以信号表示车轮转速，而根据不同的脉冲持续时间对旋转方向进行编码。
已经建议，等分编码器增量角度分辨以达到较高的气隙，然后在采用位置相互偏移的传感器的情况下通过倍增机构对其进行补偿。因此，专利DE 199 06 937建议采用两个巨磁阻效应传感器，所述传感器相互间的位置设置使得发生大约90°的相移。放大所述两个传感器的信号，引导其通过门限值开关并对其进行“异-或”操作。此外借助于触发电路应该确定旋转方向。还建议是将传感器设置在一共同的基体上，以便可尽可能精确地保持两个传感器之间的距离。
该现有技术的应用在实际中受到多种不便的限制。因此，对于在汽车中测量车轮转速的应用场合，要求将相同的传感器与不同模数(模数＝公称直径/编码器的频数(频率))的编码器结合在一起。根据经验，模数范围在1.2mm至2.5mm之间，这意味着一定覆盖2.5/1.2约＝2的比例。为了始终保持大约90°的相移，在现有技术的水平下必须准备大量不同的与各种的模数匹配的传感器。这种必要性会妨碍对大批量的相同产品的经济制造和质量的追求。当放弃模数的匹配时，会由此出现另一个缺点，因为，随着相对于理论值90°的相位偏移逐渐增加，每个“异-或”操作的传感器信道会都会赋予总信号一个单独的波动的占空因数，这会不允许地提高现代制动控制器的运行抖动/不稳。为了采用此类信号，要求在ECU中投入比常规传感器的情况高得多的花费，在常规传感器中信号频率跟随编码器频率。通常，从上升沿到上升沿和从下降沿到下降沿的进行分析处理，以确定车轮的转速。由此避免由非对称占空因数造成的抖动误差。如果按照上述DE 199 06 937的建议合成两个分信号，则所出现的误差会加倍，因为现在ECU就必须附加地区分两个边沿组，即称一个分信道的上升沿和下降沿与另一个分信道的上升沿和下降沿。然而，这意味着，对用上述方法进行分析处理的信号频率实际上并未加倍，而只是确定了两次单一的编码器频率，而没有附加的有效作用。因此，所述现有技术(DE 199 06 937)的实际应用以准确的90°的相移即绝对的模数匹配为先决条件，根据所述原因这是不利的。
【发明内容】
由此本发明的目的在于，用一个传感器在每个编码器角度周期例如南/北极对、齿/齿间，产生一个具有双倍的频数的信号。换句话说，本发明的目的在于，实现由传感器利用场耦合效应读取的增量标尺的位置频率的加倍。本发明特别是在机动车辆工业中用来测量直线位移和/或角位移，或者测量相关的移动速度或转速。
根据本发明通过权利要求1中所述的方法和权利要求3中所述的装置可实现该目的。
根据本发明，采用了两个或多个同时有效的，位置相互偏置的电磁转换器，当编码器运动时所述转换器的位置偏置(位置相位)本身表示/映射成一信号相位角。需要产生这样的相移以实现本发明。
本发明的解决方案在实现的花费相当的情况下，可避免上述现有技术装置的缺点。
根据一第一优选实施例，编码器具有一个相互交替的永磁的南/北极区序列，所述区特别是具有相等的尺寸并形成一封闭成圆形的编码器轨迹。
所述编码器还可包括一相互交替的铁磁性区和非导磁性区序列。然后，所述齿和齿间通常也有具有相等的尺寸并形成一封闭的圆形编码器轨迹。因此在所述装置的另一优选实施例中，编码器也包括一由一种铁磁性材料制成的齿和齿间的序列。
但是，同样也可设置一其中所述区域顺序排列的直尺件作为编码器。齿和齿间也可以顺序排列而形成一个齿条。
在采用具有永磁区的编码器的情况下，特别优选的是，所述区域具有相等的尺寸，并且将其作为一形成一封闭的圆形的编码器轨迹安装在一充气轮胎的侧壁内，以便所述编码器用于一本身已知的侧壁扭矩传感器(“Side-Wall-Torsion”传感器，以下称为SWT传感器)。在轮胎的侧壁上形成一封闭圆形的南/北极对的数量特别地为24。
优选地应用在已知的电子控制制动系统(ABS、ASR、ESP等)领域或在底盘控制(底盘系统)的控制系统中，例如带有角度位置发生器、动力调整装置和电耦合装置等。本发明在测量机动车辆的车轮转速中的应用是特别优选的，完全特别优选的是集成地与车轮轴承连接的应用。另一种优选的应用是在SWT传感器领域。
【附图说明】
下面参考附图对本发明进行详细说明。可从从属权利要求和下面的附图的说明中得到其它的实施形式。
图1表示根据本发明的装置的结构，
图2利用一传感器模块的示意图示出所述方法和装置，
图3表示与一SWT轮胎的一种可能的组合，
图4表示信号技术上的方法的基础原理，
图5表示实现所述方法的电路，
图6表示一具有位置相位的转换器的示例，
图7表示一具有数字偏移补偿的方法的变型方案，
图8表示一具有旋转方向识别的方法变型方案，
图9表示信号电流不同的记录图变型方案，和
图10表示封装的传感器模块的不同实施形式。
【具体实施方式】
如图1所示，根据本发明的装置可选地设有一通过磁耦合装置2与一主动传感器3共同作用的编码器1a、1b或1c，所述传感器通过一电流接口4又将车轮转速信号发送给一检测装置5。这里通常将设计成增量标尺的实施形式的机器元件称为编码器。为了介绍本发明，主要采用角度标尺，但是，所有的设计方案都同样适于采用直线位移标尺或直尺。角度标尺1a包括相互交替的磁性北极和南极的同样的区域的整数序列，所述序列形成一封闭成一圆形的编码器轨迹。编码器1b是一开有窗口的铁磁性的盘，而编码器1c是一钢齿轮。所示的三个编码器代表性地表示多个这种编码器的变型方案。为了测量车轮转速，所述编码器与车轮轴承的转动环机械连接，并且，通过位置固定的主动传感器以磁性地无接触地(箭头M)越过气隙2扫描所述编码器轨迹的磁场强度的变化。一要求外部电能供应以使其运行的传感器一般称为“主动”传感器。编码器以角速度ω旋转。磁敏的转换器9在技术上设计成由其转换信号既可导出角速度(车轮转速)也可导出车轮的旋转方向(角速度的符号)。将两种信息输送给一由此生成编码的信号的调制器6a，利用所述编码信号来致动一将编码的信号电流通过电连接4发送至检测装置5的输入级7的电流源6b。与该输入级的后面连接一解调级8，在所述解调级中作为分开的信息重新获得角速度和旋转方向。根据本发明，优选地采用包括基于XMR效应的电磁转换器的元件作为传感器元件。特别优选采用包括基于AMR效应的电磁转换器的传感器(参见VDT-Technologiezentrum，Düsseldorf，TechnologieanalyseMagnetismus，第2卷)。当然，根据本发明也可采用其它电磁转换器，如特别是具有霍尔元件的转换器。
图2所示的设置包括一传感器模块10，该传感器模块通过一双线接口12与一控制装置5共同作用，同时通过一磁接口2与一磁化的编码器11共同作用。控制单元5通过一电压VB向传感器模块供应电能并接收信号电流JS。在传感器模块中有一包括两个彼此错开距离Ф的部件W1和W2的电磁转换器13，所述两个部件以与上述类似的方式这样起作用，即在由编码器旋转时产生的两个信号：S1＝A·sin(ωt)和S2＝-A·sin(ωt+)。信号S1和S2在一信号准备级14被分别放大(SC1、SC2)，此后被输送至一计算级15。所述计算级包括两个信道。在第一信道中形成分信号和SUM＝(S1+S2)，而在第二信道中形成分信号差DIF＝(S1-S2)。接着，SUM和DIF分别在两个相同的具有开关滞后16、17的放大级中被放大。放大因数应选择成通过一共同放大的偏置可在最陡的过零点和干扰的极小值之间调整至一折衷点。由一“或”电路18将所述分信号合一起，并将其输送给一具有信号电流源6b的调制器6a，从而可产生一确定的信号电流记录图。如下面根据图4所示的那样，由SUM和DIF合成的信号具有这样有利的特性，即总是基本上与模数无关地产生一具有一1∶1的占空因数的总信号，可用ECU以常见方式从上升沿到上升沿和从下降沿到下降沿对所述总信号进行分析处理，且由此同时可达到希望的倍频。
图3示出图2的一个用于带有编码器型的磁化侧壁的车辆轮胎的应用方案，如所述侧壁在所谓的侧壁扭矩传感器装置(SWT传感器装置)中使用的那样，例如根据DE 196 20 582(P8700)。封闭形成一环状的编码器轨迹的条形的南/北极区交替地设置在轮胎19的侧壁上。所述编码器轨迹由两个相互叠置的磁敏传感器扫描。为了实际运行在侧壁和传感器之间必须设定一个约为40mm的气隙。目前这利用为24的极对数量来实现。但是还存在使位置分辨率加倍的需求。通过根据本发明的方法的应用按图示的传感器原理可满足这一需求。
通过一磁化的编码器轨迹22在其下方经过的一个磁阻桥21的示例，图4a说明本发明的信号技术的背景。除了其相对于编码器的磁矢量的有效方向外，四个桥式电阻23、24、25和26基本上相同。各自的有效方向的特征在于符号(+)和(-)并表示在相同磁场方向下桥式电阻的增大和减小，从而可看到分电压S1和S2的形成。在电桥的分支23、24和25、26之间存在一个位置距离。图4b表示在正的位置相位的情况下信号函数SUM的极值对应于信号函数DIF的过零点，这样其信号变化过程保持互相正交，即始终具有彼此间90°的相移。根据图4c，对于负的位置相位同样是这样。这种相互关系与希望的2∶1的模数比下的位置相位的大小无关，并由此实现了本发明的目的。优选建议是，在传感器中的最小理想模数情况下，使位置相位达到约40°。
图5表示一个用来实现本发明的简单的模拟电路。在该实施例中使用两个磁阻全桥27、28，所述全桥的信号由仪器用放大器29、30同样地处理，然后，同时发送给一加法放大器31和一减法放大器32。输出信号SUM和DIF输送至一或-环节33，从而在输出端34可接收到希望的倍频信号。
根据另一未示出的示例，图4中的分电磁转换器W1、W2的信号也可通过相应的仪器用放大器29、30处理，然后将其发送至一加法放大器31和一减法放大器32。所述两个放大器的输出信号同样输送至一或-环节33，从而在其输出端34可接收到希望的倍频信号。
图6表示转换器设置的示例及其根据本发明可用的有效的相互位置偏移。这里图6a表示一个霍尔组件的两个分开的区域。图6b表示一个霍尔组件的三个分开的区域，其中中间区域共同配设给两个外侧区域。图6c用符号表示一磁阻桥，由两个桥分支的位置距离形成该磁阻桥的位置相位。图6d表示一具有三个桥分支的磁阻桥结构，其中，中间桥分支配设给两个外侧桥分支。图6e表示两个分开的全桥，由桥中心的位置距离形成所述全桥的位置相位。
分电磁转换器W1、W2及其位置偏置最好由一个霍尔组件的两个或三个分开的区域互相实现。
由一个磁阻桥53或54的两个或三个桥分支的距离实现分电磁转换器W1、W2及其相互的位置偏置，同样是适合的并因此是优选的。
主动传感的分转换器最好是一种利用磁阻导线结构构成的类型，在所述导线结构上附加地安装有一螺旋条状纹(Barberpole)结构。
也可以并由此优选地由两个磁阻电桥55的中心距离实现分电磁转换器(W1、W2)及其相互的位置偏置。
图7表示本发明的一实施例，其具有来自转换器W1、W2的两个分信号的数字偏置补偿35。数字偏置补偿使得可以对SUM和DIF进行很高的放大，并由此可实现90°相移的特别高的质量。在本实施例中，所述偏置补偿是通过一个电子功能单元35进行的，该单元将来自SC1和SC2的信号通过一复用器(MUX)交替地输送给数字偏置补偿级(DOC)。由此，输出信号SC1和SC2基本上是单纯的交流信号。
图8示出一个图7的具有在一36步骤中的附加的旋转方向运算的实施例。如图4b和图4c所示，在DIF＝0的信号时刻，信号SUM具有一其符号与(旋转方向)的符号紧密联系的极值。这可以用于方向识别。所述方向识别的方法本身由SAE Technical Paper #2000-01-0082，Stefan Pusch中已知，与根据本发明的应用无关。将本段中所描述的本身已知的方向识别方法与本发明的方法和装置相组合也是本发明的一个优选内容。
图9表示用于实现用于所述传感器变型方案的数据记录图(Protokoll)的根据本发明的建议方案。图9a示出例如一编码器轨迹齿轮的时间变化。图9d示出一有利的信号电流记录图，该记录图的两个带有倍频的幅值JL和JM跟随具编码器轨迹的幅值变化。图9c表示一带有电流电平JL、JM和JH的信号电流记录图。脉冲序列JH表明双倍的编码器频率。此后是一个暂停，然后是9位的附加信息。脉冲长度tP也适用于暂停的长度和附加信息中的位长。时间段tP特别有利地在大约50μs的范围内。其中，旋转方向信息被编码在附加信息中。图9b表示根据本发明的用于给转速和旋转方向编码的具有电流电平JL、JM和JH的简单记录图的建议方案。在脉冲距离再现转速的同时，旋转方向被编码在信号幅值JM和JH中。在此，脉冲长度tP也可在大约50μs左右。脉冲的电流强度特别合适的值为JL＝7mA、JM＝14mA和JH＝28mA。
因此图1和图2所示的调制器6a优选地与同样在所述图中示出的信号电流源6b相结合而产生一具有两个不同的幅值JL和JM的信号电路记录图56，所述幅值以倍频跟随编码器轨迹的变化59(参见图9a)。可选地，调制器6a优选地与信号电流源6b相组合而产生一具有三个不同幅值JL、JM和JH的信号电流记录图57，所述幅值以四倍的频率跟随编码器轨迹的变化59，其中除车轮转速信息外还将其它的附加信息，包括旋转方向编码至信号图线中。
在另一优选实施形式中，调制器6a与信号电源6b相结合而生成一具有三个不同幅值JL、JM和JH的信号电流记录图58，所述幅值随以四倍的频率跟随编码器轨迹的变化59，其中通过幅值JM和JH来区分两个旋转方向。
三个信号电流幅值JL、JM和JH适宜地约为7mA、14mA和28mA。车轮转速信息57和58的脉冲持续时间tP也适宜地约为50μs。
图10表示可有利地与本发明组合使用的壳体和偏置磁体(Vorspannmagnet)的实施形式。图10a)、b)和c)表示具有大小不同的磁体37、38、和39的实施形式。所述磁体还可在磁化方向上彼此不同。电磁转换器W1、W2布置在壳体件40中；整个用于处理转换器信号的电子电路布置在一带有双线输出端42的壳体件41中。在壳体件40和41中的功能单元之间有一四极的电连接件43。图10d)表示一转换器和电子电路布置在一个共同的壳体件44中的实施例。根据本发明，这里可采用SOI技术。
根据另一优选的实施例，所述装置可集成在一单件式的容纳主动传感分转换器W1和W2和用于信号处理的电子电路以及双线输出端42的壳体件44内。
分图10a)至c)中的壳体件的形状通常用于车轮转速传感器装置的领域中。同样适用于实现根据图9c和图9d的电流接口。为此，可参看PHILIPS DATA HANDBOOK SC17，234页起和170页起。