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CN1739031A - 位置检测器 - Google Patents

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CN1739031A
CN1739031A CN200380108696.XA CN200380108696A CN1739031A CN 1739031 A CN1739031 A CN 1739031A CN 200380108696 A CN200380108696 A CN 200380108696A CN 1739031 A CN1739031 A CN 1739031A
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China
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excitation magnet
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ferromagnetic
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瓦尔特·梅纳特
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Avago Technologies International Sales Pte Ltd
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Abstract

本发明涉及一种位置检测器，在本发明最简单的一个实施例中，该位置检测器具有两个感应线圈，但仅具有一个独立的脉冲线。所需的全部信息，例如用于计数的信息，可以从磁场反转的触发方向及脉冲线的磁场反转方向，以及最新建立并存储的位置和极性的信息中即时获得。这种位置检测器工作时使用低能耗、且无需外部能源的存储器元件，如FRAM。为了能在高温下使用这样的位置检测器，还可以在其中安装EEPROM。

Description

位置检测器
本发明涉及一种通过使用铁磁元件来检测平移运动和/或旋转运动的位置检测器。
这种类型的铁磁元件可以是US 4363013中所述的脉冲线运动检测器的形式，也可以是DE 4107847C1和DE 2817169 C2中所述的Wiegand传感器的形式。在上述这些情况下，例如，铁磁材料的脉冲线由传感器线圈所环绕。所述铁磁材料中的磁性区域--也称作磁畴或“Weiss”区域--最开始是以随机方式定向的，但是在外力的作用下，这些磁性区域可能会定向到一个单畴(single domain)内。当以特定方向和强度施加一个外部磁场时，该区域将立即倒向或“翻转”(flips)。这样一来，在所述的传感器线圈中将产生一个可作为输出信号的电压脉冲。
在已知的一种旋转角度传感器的设计中(参见如EP 0724712B1)，转换及重置磁铁将传导过这些脉冲线，其中一些磁铁将分布在圆周的周围，这样，极性相反的磁场相继穿透每个脉冲线。对每个脉冲线的所有磁畴进行反复磁化的结果是，在所述传感器线圈中生成一个周期、幅度及极性确定的电压脉冲。电子计数电路对这些电压脉冲进行评估。所述的重置磁铁将产生极性相反的磁场，该磁场将脉冲线的磁畴恢复到原始状态，以使所考虑的脉冲线准备好触发新的脉冲。这种操作模式被称为是“不对称的”。在对称模式下，在所述重置过程中，也产生了可被评估的脉冲。
如在前面提及的EP 0724712 B1中所描述的，需要将至少两个上述的传感器沿着运动方向分布在圆周的周围，这样不仅能够确定旋转轴的每次完整的旋转，还能够在考虑设置过程与重置过程之间有区别的位置差的情况下，确定旋转的方向，其中所产生的电压脉冲可以唯一地对应于旋转轴的相应角度位置。
由于需要将至少两个传感器分布在圆周的周围，而且脉冲线传感器需要有确定的尺寸，因此创建这样的系统是非常麻烦的。这意味着，实现一个小直径的旋转计数器是不可能的。并且，这些传感器也相当昂贵。
已知也可以使用仅包含一个传感器的上述类型的位置检测器来确定旋转轴的旋转及其旋转方向。在这种情况下，传感器被设计为Wiegand线，所述的Wiegand线与所述旋转轴部分的移动方向之间成一定的角度，并且对着Wiegand线有一个确定的磁极；这样，所述的Wiegand线就能够产生与方向相关的脉冲(对比前面提到的DE2817169 C2)。
这种结构的缺点在于，虽然可以识别出旋转的方向，但预先确定的极化意味着只能检测出由所述极化预先确定的旋转方向。也就是说，仅能确定一个旋转方向。
因此为了能够确定旋转轴的两个旋转方向，需要至少两个这样的传感器及其相应的评估电路。另外，由于运动方向和传感器定向之间的角度起到决定性的作用，因此在某些特定的条件下，这种结构具有能量产出非常低的缺点。因而，这种类型的结构在没有外部能源的情况下将很难工作。
本发明的目的在于提供一种对上述解决方案的修正。
由于在铁磁材料中，具有不同磁化方向的相邻原子之间磁矩的交互作用非常强，因此所述磁矩在较小的空间区域内，即所谓的Weiss区域内相互对齐。这些区域由称作“布洛赫壁”的过渡层彼此分隔。已经发现，磁化方向一致的永久单畴可以通过例如机械扩展铁磁线的方法获得。当这种类型的磁畴被引入到具有确定场强和方向的外部磁场中时，该磁畴不会整体反转；相反，它的单元磁铁开始从确定的起始位置反转——最好是从所述铁磁线的一端开始反转——并且这种反转将沿着朝向外部磁场的方向以多米诺方式进行下去。虽然以这种方式导入到铁磁元件中的反向波具有有限的速度，但这一速度足以与激励磁铁的速度相比了，因此可以说该磁畴是“瞬时翻转”的。
通过利用上述物理关系，对于在这里所讨论的包含至少一个激励磁铁的此类位置检测器来说，根据本发明，通过使用一种位置检测器来解决前面提到的任务，该位置监测器具有单个铁磁元件、至少一个感应线圈、以及至少一个用于确定关于激励磁铁的极性和位置的信息的附加传感器元件，其中在触发所述单个铁磁元件时可获得的信息组就是用于确定激励磁铁的运动方向所需的全部信息。
在本发明的一个非常简单的变型中，利用穿过铁磁元件的布洛赫壁效应，能够通过确定铁磁元件反复磁化的触发方向，来检测所述激励磁铁的位置。这种反复磁化可以从该元件两个末端表面中的任意一个表面开始。
但所述反复磁化的触发方向不应当与所述反复磁化自身的方向相混淆，所述反复磁化自身的方向可以通过Weiss区域将要“翻转”到的磁极或者从该磁极“翻转”的磁极来描述。在这种情况下，所述的反复磁化方向具有使所讨论的区域与激励磁铁的触发磁极极性相同的效果。
当单元磁铁以连续旋转轴的形式翻转到外部磁场的方向上时，所述单元磁铁所产生的动能将大到足以从对应于所述铁磁元件的线圈获得信号脉冲所需的电能、以及计数电路和霍尔传感器所需的能量。
一旦获知了激励磁铁EM当前的位置和极性，就可以考虑它们与最近存储的位置和极性值之间的关系。这一关系提供了确定激励磁铁EM及与其永久连接的旋转轴的运动方向所需的全部信息。
为了更清楚地理解本发明，下面以旋转计数器为基础进行说明。
在以一个激励磁铁和旋转半圈的分辨率为特征的通常情况下，所述的旋转计数器系统完全可以通过激励磁铁的四个基本状态来描述，这些状态可以结合最新存储的磁铁数据，通过各种形式进行组合，即：
Z1.)参考线右侧的北极，
Z2.)参考线左侧的北极，
Z3.)参考线右侧的南极，以及
Z4.)参考线左侧的南极。
根据本发明，当仅使用一个脉冲线及一个感应线圈时，这四种状态可以通过多种方式相互组合，以形成三组、每组两个状态的组合。在实际情况中所出现的组合将依赖于所述反复磁化被触发的方向。
第一组：定义了反复磁化的两个触发方向；参见图1，2和3。
a.)参考线L右侧的北极或参考线L左侧的南极(Z1或Z4)；
b.)参考线L左侧的北极或参考线L右侧的南极(Z2或Z3)。
在这里，激励磁铁EM的位置可以通过使用另外的传感器元件，例如第二感应线圈或霍尔传感器，测量反复磁化被触发的方向来确定。当在铁磁体元件FE上提供第二线圈SP2时，直接完成所述测量。而当使用霍尔传感器HS时，间接地进行所述测量。当使用霍尔传感器HS时，所检测的激励磁铁EM的极性是不相关的(irrelevant)。唯一重要的是该激励磁铁是否被激励。通过使用铁磁元件FE的感应线圈SP1或SP来测量反复磁化方向，总可以从电压脉冲的极性中得出激励磁铁EM的极性。
第二组：仅定义了反复磁化的一个触发方向；参见图4。
a.)参考线L右侧的北极或参考线L左侧的北极(Z1或Z2)；
b.)参考线L右侧的南极或参考线L左侧的南极(Z3或Z4)。
在这种情况下，激励磁铁EM的位置总是可以通过霍尔传感器，即通过判断激励磁铁是否被激励的方式直接确定。激励磁铁EM的极性可以通过使用感应线圈SP测量反复磁化方向来独立地确定。
第三组：未定义的反复磁化触发方向；参考图5。
a.)参考线L右上方的北极或参考线L右下方的南极(Z1或Z2)；
b.)参考线L右下方的北极或参考线L右上方的南极(Z4或Z3)。
相关极性作为霍尔传感器HS的位置的函数来分析，即所述位置在右侧(如图5所示)或左侧。这里激励磁铁EM的极性可以通过霍尔传感器HS直接给出。现在激励磁铁EM的位置(上方或下方的北极或南极)可以通过测量反复磁化方向来间接确定。
上述所有解决方案在数学上是等价的，并且具有相同的工业价值。
通过上述具有创造性的方案可以实现具有可想象的最简单机械设计的位置检测器，该位置检测器仅包括一个铁磁元件，该铁磁元件可以以近似为零的速度，甚至在正常供电发生故障之后，符合要求地工作在激励磁铁的两个运动方向上。这种位置检测器显著的优点是，确定激励磁铁EM的极性及移动方向所需的全部信息可以在时刻Ts，即铁磁元件FE被触发的时刻获得。因此，除了所存储的数据之外，所有必需的信号都出现在所考虑的感应线圈和/或霍尔传感器的输出终端上。为了实现这一目标，铁磁元件FE、霍尔传感器HS、及一个或多个激励磁铁EM必须在一个非常特别的空间格局内相互排列，例如排列在一个位置上。
具有这种优化的简化设计的位置检测器也可以从感应线圈SP或感应线圈SP1、SP2得到用于输出信号的能量以及用于评估电路的能量，所述评估电路包括至少一个计数装置、非易失性存储器、及电容。
本发明的附加特征可以从从属权利要求中获得。
下面将基于五个示范性的实施例来描述本发明，这些实施例将或多或少地在附图中显示。
-图1显示了根据本发明的位置检测器的设计原理图，所述位置检测器具有一个铁磁元件、两个相应的感应线圈、及两个铁磁体磁通传导零件；
-图2显示了根据本发明的第二示范实施例所述位置检测器的设计原理图，所述位置检测器具有一个铁磁元件、一个感应线圈、一个霍尔传感器、及两个铁磁体磁通传导零件；
-图3显示了根据本发明的第三示范实施例所述位置检测器的原理图，所述位置检测器具有一个铁磁元件、一个感应线圈、一个霍尔传感器、多个激励磁铁、及两个铁磁体磁通传导零件；
-图4显示了根据本发明的第四示范实施例所述位置检测器的原理图，所述位置检测器具有一个铁磁元件、一个感应线圈、和一个霍尔传感器；
-图5显示了根据本发明的第五示范实施例所述位置检测器的原理图，所述位置检测器具有一个铁磁元件、一个感应线圈、一个霍尔传感器、及两个彼此成180度交叉放置的铁磁体磁通传导零件；
-图6显示了适用于图1-5所示实施例的评估电路的电路框图；
-图7显示了对应于图5所示位置检测器的结构，其中激励磁铁的旋转轴旋转了90度，也就是说，像如图4所设置的角度；以及
-图8显示了对应于图7所示位置检测器的结构，其中激励磁铁的旋转轴相对于图5所示的位置旋转了90度，为了清楚起见，图8中示出了两个激励磁铁。
在如图1所示的位置检测器的实施例中，运动主体是旋转轴10，该旋转轴能够沿箭头R1和R2所示的方向旋转，即沿顺时针方向或者沿逆时针方向旋转。为了能够对轴10的旋转进行计数，提供了带有北极N和南极S的激励磁铁EM。通过铁磁体磁通传导零件FL1和FL2，铁磁元件FE能够受到由激励磁铁EM所产生的磁场的影响。磁通传导零件的端部14和15位于由激励磁铁EM的通路(path)所描述的圆弧上，而端部16(在参考线L的左侧设置在FE上)和端部17(在参考线L的右侧设置在FE上)面向铁磁元件FE的端面。
平行于激励磁铁运动方向的铁磁元件FE由两个传感器线圈SP1和SP2所环绕。当激励磁铁EM移动通过铁磁元件FE时，它将重新磁化所述铁磁元件，并由此产生相应极性的电压脉冲。这些脉冲可以从这两个线圈的输出端22和23中抽取出来。这里第二个感应线圈SP2将作为一个附加的传感器元件，用于确定所述重新磁化被触发的方向。可以从两个线圈所输出的电压最大值之间的时间偏移得出所述重新磁化被触发的方向，从而获得激励磁铁的位置。严格来说，只需要评估处于逻辑状态“1”的线圈，即第一个到达其电压最大值的线圈。此时另一个线圈还未达到其最大值，因此被视为处于逻辑状态“0”。这里将一个脉冲线作为铁磁元件。
在根据图2所述的实施例中，与图1相对应的元件具有相同的附图标记。
与图1相反，为铁磁元件FE仅分配了一个传感器线圈SP。为了当激励磁铁经过所述铁磁元件时能够确定所述激励磁铁的位置，这里提供了一个霍尔传感器HS作为附加的传感器元件，在其输出端24存在或不存在可抽取出的信号。与图1所示的情况相同，铁磁元件FE的极性由铁磁元件FE的线圈SP来确定。而由霍尔传感器确定的极性与对所要进行的评估无关，但可以作为用于监控设备工作情况的冗余信息。
因此，在时刻Ts获得的用于确定激励磁铁的极性和运动方向的完整信息组包括：存储在非易失性存储器中的数据、在所述感应线圈的输出端处得到的信号、或者在感应线圈的输出端及霍尔传感器的输出端处得到的信号。
在图3所示位置检测器的实施例中，所述的位置检测器具有与前面描述的示范性实施例相应的元件，除此之外，为了提高分辨率，还在旋转轴10上提供了四个以90度分开放置、并具有交替极性的激励磁铁EM1-EM4。由此，当旋转轴10旋转时，首先是北极、然后是南极，依次经由磁通传导零件FL1和FL2通过铁磁元件FE的每个端面。在这里，确定激励磁铁位置所需的霍尔传感器被分配给激励磁铁EM1-EM4的末端，并且背对铁磁体元件方向。
在图4所示位置检测器的实施例中，所述的位置检测器具有和前面所描述实施例相同的元件，但是在本实施例中没有出现铁磁体磁通传导零件。在这种变型中，主要利用了在激励磁铁EM与铁磁体元件FE对齐之前铁磁体元件FE就已被触发这一情况。通过将霍尔传感器HS的感测范围扩展到接近参考线L，可以计算得到用于确定激励磁铁EM位置所需的霍尔传感器HS的感测范围。
在图5所示位置检测器的实施例中，所述的位置检测器也具有和前面所描述实施例相同的元件，但是在本实施例中，对着激励磁铁的磁通传导零件FL1和FL2的末端以180度彼此分开设置。在这里，确定激励磁铁极性所需的作为辅助传感器元件的霍尔传感器相对于参考线L成直角穿过旋转轴10的旋转中心，并以下列方式设置：当铁磁元件被触发时，它仍能感测到激励磁铁EM的相应极性。这种情况往往发生在所述极性与磁通传导零件对齐之前，特定的角度α处。激励磁铁EM的位置由测量反复磁化方向的铁磁元件FE的线圈所确定。根据图5所示的当前变型可以用非常小的激励磁铁EM来工作，特别是在将所需的磁通传导器件以磁透镜的形式用于约束磁通时。
在图1-5所示的示范实施例中，激励磁铁EM和铁磁元件FE位于相对于旋转轴的同一平面内。当然，铁磁元件FE和激励磁铁EM也可位于不同的平面内-如图7所示-或者在同一平面内但平行于旋转轴-如图8中所示，这在特定情况下甚至可能是有益的。
整体上用附图标记30标注的评估电路的输入端32、33连接到传感器线圈SP1和SP2，或者连接到线圈SP和霍尔传感器。这种类型的电路可用于如图1-5及图7-8所示的各种位置检测器。图6示出了这种评估器的电路框图。在输入端后面提供有识别电路34、35。通过整流器D，用于供应能量的电容器C也连接到输入端32。来自识别电路34，35的信号在具有自己的非易失性存储器36的计数器38进行分析。根据所存储的数据中包含的历史信息以及由识别电路34、35所提供的关于激励磁铁的当前位置和极性的信息，可以获得新的计数器状态。这一新状态随后将被存储在非易失性存储器单元中，所述的非易失性存储器单元通常为FRAM单元。
用于评估电路的能量通常来自于感应线圈SP、SP1和SP2所发送的信号。如果仅使用了一个感应线圈SP，那么霍尔传感器的能量也由该线圈提供。
连接线41是用于前面所述评估电路的电源的一部分。数据可以经由抽头39和接口40读出。线42(如果有的话)用于从外界获取能量，特别是当除了使用FRAM外还使用EEPROM的时候。EEPROM通常可以使评估电路在很高的温度下工作，而在这样的温度下，FRAM中存储的配置数据会在很短时间内丢失。
前面所描述的所有示范性实施例的共同点是，能够仅通过一个单独的电磁元件精确地确定旋转轴10的旋转和/或转动的方向，例如所述的电磁元件是脉冲线，它还能为评估电路及作为附加传感器元件的霍尔传感器提供足够可用的能量。在脉冲线电路的具有创造性的最简单的变型结构中，脉冲线的两端在测量技术方面是等价的，所产生的电压脉冲包含关于触发激励磁铁的位置和极性的信息。
另外一个要点在于，所有关于铁磁元件反复磁化的触发方向、激励磁铁EM的触发极性、及最新存储的激励磁铁相对于旋转轴的极性和位置的信息可在铁磁元件的触发时刻Ts获得，也就是说，同时在所选元件的响应时间范围内获得。
评估电路中的电容器C用于一直存储从信号脉冲所获得的供电能量，至少直至信号已经被评估，并且计数器值已经被存储到非易失性存储器元件中。
还可以使用其他类型的铁磁元件来代替所述脉冲线或Wiegand线，只要能够满足Weiss区域立即翻转的条件。
为了避免误解，应该指出，在忽略了杂散区域(stray field)的情况下，铁磁元件FE的特征在于仅具有一个磁性输入和一个磁性输出。虽然可以想象，在输入和输出之间可能会有任意数量的并行和/或串行的中断，但这些中断并不背离本发明使用单一元件的创造性思想。
也可以使用其他的传感器，如场极板(field plates)，来代替所述霍尔传感器，确定激励磁铁的极性或位置。还可以通过如下的方式准备所述激励磁铁，使得其位置和/或极性可以通过电容性测量而不是霍尔传感器来确定。可以将前面所描述的位置检测器与所谓“多匝”形式的精确旋转角度传感器结合使用，例如在EP 0658745中所描述及显示的那样。在这种情况下，参考线L对应于所使用的精确旋转角度传感器的零点位置。
例如，当使用Wiegand线时，为了与精确旋转角度传感器同步，需要获取铁磁元件FE的磁化状态的精确数据。为了实现这一目的，可适用如图1所示的带有两个线圈的结构。通过为所述线圈中的一个线圈提供外部电流，例如为线圈SP1提供外部电流，可以在第二线圈，例如线圈SP2中触发电压脉冲，作为铁磁元件的磁化的函数。当这两个线圈一个叠一个放置时，也能够实现上述相同的过程。还可以用一个短电流脉冲或缓慢线性上升的电流来触发一个电压脉冲，但在这种情况下只需要一个线圈SP。
附图标记列表
10     旋转轴
14     端部
15     端部
16     端部
17     端部
22     输出端
23     输出端
24     输出端
30     评估电路
32     输入端
33     输入端
34     识别电路
35     识别电路
36     非易失性存储器
38     计数器
39     抽头
40     接口
41     连接线
42     线
α     触发角
C      电容
D      整流器
EM     激励磁铁
EM1    激励磁铁
EM2    激励磁铁
EM3    激励磁铁
EM4    激励磁铁
FE     铁磁元件
FL1   磁通传导零件
FL2   磁通传导零件
HS    霍尔传感器
L     参考线
N     北极
R1    箭头
R2    箭头
S     南极
SP    传感器线圈
SP1   传感器线圈
SP2   传感器线圈
SE    附加传感器元件
Ts    铁磁元件FE被触发的时刻
Z1    激励磁铁基本状态
Z2    激励磁铁基本状态
Z3    激励磁铁基本状态
Z4    激励磁铁基本状态

Claims (13)

1、用于检测平移和/或旋转运动的位置检测器，具有至少一个激励磁铁(EM)、仅有的唯一一个铁磁元件(FE)、至少一个感应线圈(SP或SP1)、以及至少一个用于确定关于激励磁铁(EM)的极性和位置的信息的附加传感器元件(SE)，其中确定激励磁铁(EM)的运动方向所需的全部信息可在仅有的铁磁元件(FE)被触发的时刻(Ts)得到。
2、如权利要求1所述的位置检测器，其特征在于，所述的铁磁元件是一个脉冲线。
3、如权利要求1和2所述的位置检测器，其特征在于，所述的感应线圈(SP或SP1)用于测量反复磁化方向，并且通过结合所述附加传感器元件(SE)用于确定铁磁元件(FE)的反复磁化被触发的方向。
4、如权利要求1至3中任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述的附加传感器元件(SE)是位于铁磁元件(FE)之上的另一个感应线圈(SP2)，该线圈用于确定铁磁元件(FE)的反复磁化被触发的方向。
5、如权利要求1至3中任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述的附加传感器元件(SE)是用于测量所述激励磁铁(EM)的极性或确定其位置的霍尔传感器(HS)。
6、如权利要求1至5中任一项所述的位置检测器，其特征在于，在时刻Ts获得的用于确定激励磁铁(EM)的极性和运动方向的信息组包括：非易失性存储器中的数据、以及在感应线圈(SP1，SP2)的输出端(22，23)处得到的信号或者在感应线圈(SP)的输出端(22)处和在霍尔传感器(HS)的输出端(24)处得到的信号。
7、如权利要求1至6中任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述铁磁元件(FE)的轴平行于激励磁铁(EM)的运动方向。
8、如权利要求1至6中任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述铁磁元件(FE)的轴垂直于激励磁铁(EM)的运动方向。
9、如权利要求1至8中任一项所述的位置检测器，其特征在于，至少一个用于引导和/或约束磁通的铁磁体磁通传导零件(FL1和/或FL2)被分配给铁磁元件(FE)。
10、如权利要求1至9中任一项所述的位置检测器，其特征在于，用于评估电路(30)的能量供应可以从用于检测位置和/或极性的感应线圈(SP，SP1，SP2)所发送的信号中获得。
11、如权利要求1至10中任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述评估电路(30)包括至少一个计数器(38)、非易失性存储器单元(36)以及电容器(C)。
12、如权利要求1至11中任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述非易失性存储器单元(36)是FRAM及或EEPROM单元。
13、如前面一个或多个权利要求所述的位置检测器，其特征在于，所述线圈(SP/SP1)中的一个线圈可由外部的电流脉冲供电，该电流脉冲的作用是初始化铁磁元件(FE)的偏压或保持这一偏压。
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