CN104597276A

CN104597276A - 从信号中去除偏移的设备及其方法,磁性传感器单元

Info

Publication number: CN104597276A
Application number: CN201410524755.1A
Authority: CN
Inventors: 法比奥·塞巴斯蒂亚诺; 罗伯特·H·M·范费尔德温
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: EP2869077B1; US9658295B2; US20150115933A1; EP2869077A1; CN104597276B

Abstract

本发明提供了一种用于从信号中除去偏移的设备，该设备包括(a)频率估计单元(260)，用于估计信号的频率，(b)偏移估计单元(222)，用于将自适应低通滤波器应用到信号上估计信号的偏移，其中自适应低通滤波器的截止频率基于由频率估计单元(260)估计的信号的频率来决定，和(c)减法单元(230)，适于从信号中减去由偏移估计单元(222)估计的偏移。本申请还提供一种包括上述设备的滤波器。此外，本申请记载了相应的从信号中除去偏移的方法，以及计算机程序和计算机程序产品用于通过计算机执行所述方法。

Description

从信号中去除偏移的设备及其方法,磁性传感器单元

技术领域

本发明涉及偏移补偿领域，特别是从磁性传感器信号去除偏移用于过零检测。

背景技术

磁性传感器与永磁体或磁化的部件相结合可用于感测机械部件的速率。例如，如果磁性传感器被放置在离磁化的车轮近距离的位置，该磁化的车轮的圆周被分成多个区间，这些区间被交替地磁化为磁南和磁北，那么磁性传感器随着车轮的旋转将感测周期性的磁场。通过分析传感器的输出和知道车轮的机械结构，可能确定，例如，在传感器位置的时变磁场的频率，并因此确定车轮的角速度。

在一些应用中，只需要检测机械部分的特定位置。这解释了当磁性传感器的输出具有特定值时的检测。例如，在许多实际案例中，识别磁场的过零时刻。

在另一些应用中，永久磁体附着在机械部分上和为了测量该部分的转动角，由角磁性传感器感测磁场的方向。

在传感器或它的读出中的误差，例如任何添加到信号上的偏移，将引起过零的确定的误差。在许多磁性传感器中，例如各向异性磁电阻(AMR)传感器，偏移甚至可能比信号振幅更大，导致不能接受的误差或者甚至不能检测。此外，如果在磁畴中存在任何偏移，例如与所要感测的场平行的任何DC杂散场，许多用于偏移消除的常规方法不能正常工作。

可以通过在有限的时间内观察传感器输出信号和使它与所期望的信号相适应来推测偏移。然而，如果在小于一个周期内观察信号并需要知道信号的一些并不总是能获知的特征(如，形状，振幅，频率)时，这是不实用的。或者，可以通过一个周期的传感器输出信号的平均化和没有预先知道任何该信号特性来获得偏移。然而，在一些应用中，例如在启动时车轮速率的检测中，不允许在产生第一个精确的过零信号前等待输出信号的一整个周期。这种严格的时间限制归因于以下事实：在这种情况下，观察sub-Hz磁场并且等待信号的完整周期将导致延迟太久。

解决上述问题的传统方法是在测试阶段校准偏移。这可以通过在测试阶段传感器的激光微调或测量偏移和在正常工作阶段使用前馈补偿来完成。然而，这些技术增加测试成本和可能导致错误的结果，该错误的结果是由于温度变化或老化引起的偏移变化而导致的。

因此，需要一种简单且成本节约的获得精确的过零检测的方法，特别是不需要额外的校准和只需要少量的关于信号的信息。

发明内容

上述需求可能通过根据本发明独立权利要求的主题实现。本发明的从属权利要求提出了优选的实施例。根据第一方面，提供一种用于从信号中除去偏移的设备，该设备包括(a)频率估计单元，用于估计信号的频率，(b)偏移估计单元，用于通过将自适应低通滤波器应用到信号上估计信号中的偏移，其中自适应滤波器的截止频率基于由频率估计单元估计的信号的频率决定，和(c)减法单元，适于从信号中减去由偏移估计单元估计的偏移。

这个方面基于的思想是用于估计信号中的偏移的自适应低通滤波器的截止频率是取决于信号的估计的频率。因此，可能保证截止频率是足够低的从而有效减少信号的时变部分(即低到实质上只有偏移通过滤波器)同时防止截止频率被设置为低到滤波器的建立时间(通常与1/f_cut-off成比例)变为不必要的长。换句话说，截止频率可以设置为实现偏移的精确估计和短的滤波器建立时间之间的最佳平衡。

信号可能特别是来自磁性传感器的时变输出信号。磁性传感器可能例如被布置为测量车辆中的轮或轴的转速。

在上下文中，术语“偏移”可能特别表示信号的基本恒定的分量。

在上下文中，术语“截止频率”可能特别地表示自适应滤波器用预定量，例如3dB来减少信号振幅。

在上下文中，术语“自适应滤波器”可能特别地表示具有可调节的截止频率的低通滤波器。

基于估计的信号频率调节低通滤波器的截止频率，可以获得对于任何信号频率在传感器信号的时变部分上叠加的偏移的精确和快速的估计。因此，通过从信号中减去估计的偏移，促进时变信号部分的过零的精确检测。

本发明可以应用到角度传感器，以消除传感器偏移和获得更精确的读数。

根据一种实施例，偏移估计单元适于将自适应低通滤波器的截止频率设置到由频率估计单元估计的信号频率除以常数k。

换句话说，截止频率设置到所估计的信号频率的一部分。

常数k大于1并且通常选择为使自适应滤波器有效减小在所估计的频率处的信号内容。特别地，常数k可能选择为使在所估计的频率处的信号分量的振幅被减小到实际振幅的约1％。优选地，常数k在10和25之间的范围中，例如在12和23之间的范围中，例如在15和20之间的范围中，例如大约17。

根据另一个实施例，设备还包括比较器单元。比较器单元被耦合到减法单元的输出端和适于根据从减法单元接收的信号的符号产生在正值和负值之间交替的矩形波。

换句话说，比较器单元适于检测从减法单元接收的信号是正的或负的并当从减法单元接收的信号是正的时产生具有正值的信号和当从减法单元接收的信号是负的时产生具有负值的信号，即具有矩形波形的信号。

当所估计的偏移等于或接近于实际的偏移时，矩形波形可能实质上是一种方波。换句话说，当所估计的偏移接近实际偏移时矩形波形的占空比接近50％。

矩形波形优选地是对称的，在某种意义上它在+a和a之间交替(例如+1和1之间)。

因此，比较器单元可以促进信号的过零检测，这发生在矩形波形从它的正值变为负值的时刻，反之亦然。

根据另一实施例，频率估计单元适于通过测量由比较器单元产生的矩形波的脉冲宽度估计信号的频率。

通过测量矩形波的脉冲宽度，即在理想情况下的信号的半个周期的持续时间，频率估计可以计算为f_est＝1/(2×T)，其中T表示与所测量的脉冲宽度相应的持续时间。

根据另一实施例，频率估计单元包括内部时钟，适于产生具有预定的时钟频率f_clk的时钟信号，和频率估计单元适于通过计算由比较器单元产生的矩形波的脉冲期间的内部时钟的时钟脉冲的数目M测量由比较器单元产生的矩形波的脉冲宽度。

预定的时钟频率优选地远远大于信号的期望的最高频率，例如期望最高频率的大约100倍以上。在一个实施例中，期望的最高频率可能大约是10kHz和预定的时钟频率可能大约1MHz。

根据另一实施例，频率估计单元适于估计信号的频率为f_clk/(2×M)。

该估计的计算是基于假设具有与M个的时钟脉冲相应的持续时间的脉冲是半个信号周期，从而该半个周期的持续时间(在很短时间内)等于M/f_clk。

根据另一实施例，频率估计单元适于设置估计的频率的初始值等于信号的预定的最高频率。

初始值可以特别地是在设备的启动时使用的估计的频率的值，即还没有发生任何信号频率的估计时。

通过将所估计的频率的初始值设置到与信号的预定的最高频率相等，例如10kHz，可以实现自适应滤波器的短的建立时间从而可以迅速计算第一偏移估计和接着改善。

根据第二方面，提供一种磁性传感器单元，包括(a)磁性传感器，适于产生响应于外部磁场的传感器输出信号，和(b)根据第一方面或任何上述实施例的设备，该设备适于接收由磁性传感器产生的传感器输出信号和从传感器输出信号除去偏移。

根据这个方面的磁性传感器单元能够在启动之后的很短时间内提供有用的经过偏移修正的输出信号。

根据第三方面，提供从信号中去除偏移的方法，该方法包括(a)估计信号的频率，(b)通过将自适应低通滤波器应用到信号上估计信号的偏移，其中自适应滤波器的截止频率基于估计的信号频率决定，和(c)从信号中减去估计的偏移。

这方面实质上基于与上述第一方面相同的思想，即，用于估计信号中的偏移的自适应低通滤波器的截止频率根据估计的信号频率来决定。因此，截止频率可以被设置为从而实现偏移的精确估计和短的滤波器建立时间之间的最佳平衡。

该方法可以优选地实现在根据第一方面和上述任何实施例的设备中。

根据第四方面，提供计算机程序，包括计算机可执行指令，当由计算机执行该计算机可执行指令时导致计算机执行根据第三方面的方法的步骤。

根据第五方面，提供计算机程序产品，包括加载具有根据第四方面的计算机程序的计算机可读数据载体。

值得注意的是本发明的实施例参考不同的主题描述。特别地，一些实施例的描述关于方法型权利要求而其它的实施例的描述关于产品型权利要求。然而，所属技术领域的专业人员可以集合上下文，除非另有陈述，除属于一个类型的主题的特征的任何组合之外，也可以是与不同的主题有关的特征的任何组合，特别是方法权利要求中特征和产品权利要求中的特征的组合也被本文披露。

上述限定的方面和本发明的其它方面可以从以下描述的实施例明显得出，并且根据实施例说明。以下将根据实施例详细描述本申请，但实施例仅作为示例，而不是限制。

附图说明

图1示出了一种用于与本发明实施例相比较的具有非适应性的偏移补偿的传感器单元的电路图；

图2示出了根据实施例的具有自适应的偏移补偿的传感器单元的电路图；

图3示出了根据图2中所示的实施例的偏移补偿有关的示例的波形。

具体实施方式

附图中的例子是示意性的。可以理解的是，除非另有说明，在不同的附图中的类似的或相同的元件用相同的附图标记表示，仅仅在附图标记的第一个数字有区别。

图1示出了一种用于与本发明实施例相比较的具有非适应性的偏移补偿的传感器单元的电路图。在描述本发明的实施例之前，将对传感器单元101进行讨论。

传感器单元101包括磁性传感器110，低通滤波器120，减法单元130，和比较器140。如图1所示，磁性传感器110的直接输出115被提供给低通滤波器120和减法单元130。低通滤波器120被设计成能滤出传感器输出信号115的时变部分并提供相应的偏移估计125到减法单元130。减法单元130从传感器输出信号115减去偏移估计125并提供相应的经过偏移补偿的传感器信号135到比较器140。比较器140产生输出信号150，输出信号150具有矩形波形，当经过偏移补偿的传感器信号135是正的，则该矩形波形呈现恒定的正值；以及当经过偏移补偿的传感器信号135是负的，则该矩形波形呈现相应的负值。

现在，描述低通滤波器120的设计。假设***101在稳态中工作而且低通滤波器120是具有在频率f_p处的极点的第一阶滤波器，传感器信号115s(t)和偏移估计125V_OS，est(t)可以写成：

s(t)＝A sin(2πft+θ)+V_OS

其中A是传感器信号115的振幅，f是传感器信号115的频率，θ是传感器信号115的相位，V_OS是传感器偏移，α是滤波器120的衰减量和是滤波器120的相移。后面两项由以下公式提供

其中f_p是滤波器120的极点频率。

过零上的误差可以通过施加V_OS，est(Δt)＝s(Δt)发现。在典型的应用中，误差e经常被表示为信号周期T的一部分，即

例如，通过标出相对误差e(未示出)，可以发现滤波器120的极点频率f_p必须比信号频率低因子k从而限制误差，即

f_{p} < \frac{1}{k} f

这样，例如可以得到对于k＞16，绝对误差|e|＜1％。

上述对f_p的限制确保***101在稳态下过零检测上的低误差。然而，当启动***时，出现来自滤波器的建立的额外的误差源。在近似下，滤波器120减少AC分量至可以忽略的水平(即滤波器120按如上所述设置)，该建立可以被近似为在图1中的***101的偏移估计具有大的误差期间的指数建立。在偏移估计中的误差将导致具有不同于50％的占空比的输出矩形波形(这可以在限制s(t)具有理想的阈值时获得，该理想的阈值等于V_OS)。如果满足下列条件，可以获得占空比中的误差低于ΔDC：

|V_OS，est(t)-V_OS|＝|V_OS，est(0)-V_OS|e-^t/τ＜Asin(2π·ΔDC)

其中τ是滤波器120的时间常数。所需要的建立时间将是：

t_{settle} = \frac{1}{2 π f_{p}} \ln \frac{| V_{OS, est} (0) - V_{OS} |}{A \sin (2 π \cdot ΔDC)} \leq \frac{1}{2 π f_{p}} \ln \frac{1}{\sin (2 π \cdot ΔDC)} = t_{settls, \max}

如果滤波器的起始状态被设置为使V_OS，est(0)＝s(0)，则保持最后的不等式，即通过假设信号在启动时的值作为初始偏差估计。注意在这个假设下，最坏条件下的建立可以是例如为了起始信号相位θ＝π/2获得。

为了计算最坏情况的建立时间，应该认为***101必须在输入信号频率的特定范围上工作，从f_min到f_max。通过最低频率确定滤波器极点的上限，即

f_{p} < \frac{1}{k} f_{\min}

相反，通过最高频率确定信号周期的最大量N_max用于合适的建立(用于固定的占空比误差)：

N_{\max} = f_{\max} t_{settle, \max} = \frac{f_{\max}}{2 π f_{p}} \ln \frac{1}{\sin (2 π \cdot ΔDC)} > \frac{f_{\max}}{f_{\min}} \frac{k}{2 π} \ln \frac{1}{\sin (2 π \cdot ΔDC)}

具有典型的参数(e＜1％，ΔDC＜10％，f_max/f_min＞1000)，N_max＞1350。

因此，如果必须容纳大范围的输入信号频率，需要大量的周期用于在最坏条件下的建立。在许多应用中，N_max甚至不允许大于1，从而***101不能使用。然而，本发明提供针对这个问题的解决方案，记载在以下实施例中。

图2示出了根据实施例的具有自适应的偏移补偿的传感器单元的电路图。

传感器单元202包括传感器210，减法单元230和比较器240，分别与图1所示的传感器单元101中的传感器110，减法单元130和比较器140相应。然而，取代图1所示的低通滤波器120，传感器元件202包括具有自适应的带宽(自适应的截止频率或极点频率)的线性适应的低通滤波器222。此外，传感器元件202包括频率估计单元260，用于估计来自比较器240的输出信号250的频率和提供估计的频率265到适应的低通滤波器222。自适应低通滤波器222根据所接收的估计的频率265动态调整它的带宽和，像在图1所示和以上描述的传感器单元101，提供估计的偏移225到减法单元230。

在启动时，自适应滤波器222的输出被初始化到启动时的信号的值。换句话说，偏移估计225被初始化到启动时的信号215的值。因为加在时变信号上的偏移可以甚至比时变信号本身的振振幅更大，因此确保在启动时在偏移估计中的误差被限制在为小于信号振幅。

低通滤波器222的带宽被估计如下：频率估计单元260包括具有预定的频率f_clk的内部时钟信号发生器(未示出)。此外，频率估计单元260包括处理器和存储器(未示出)用于处理两个内部变量N和M，这两个内部变量N和M用于计算和存储与内部时钟周期有关的输出信号250的半周期的持续时间的估计。

在启动时，N被初始化为

然后，在内部时钟信号的每个周期之后，如果输出信号250的符号在周期内没有发生改变，则N增加1。否则，即，如果输出信号250的符号在周期内发生了改变，N被重置为1。同样，如果输出信号250的符号在周期内没有发生改变并且N≤M，则M保持不变。否则，如果输出信号250的符号在周期内没有发生改变但是N＞M，则M被设置为等于N。类似地，如果输出信号250的符号在周期内发生改变，M被设置等于N(而不管N和M的当前值)。

在任何时刻，即在内部时钟信号的每个周期之后，所估计的频率265被设置为f_est＝f_clk/(2×M)。然后，一旦接收估计的频率265，自适应滤波器222动态地校准它的带宽(即截止频率)到f_est/k，其中常数k的选择与图1所示的非适应性的情况的上述讨论相一致。

注意的是上述描述的实施例可能根据特定的实施例要求以多种方式改变。例如，频率估计单元260可以直接输出带宽f_est/K到自适应滤波器222，而不是如上所述的输出估计的频率265到自适应滤波器222，从而无须执行相应的计算。

图3根据图2所示的实施例和上述讨论示出了与偏移补偿有关的(模拟的)波形，其中传感器信号的频率是f＝10kHz，k＝17，内部时钟频率是f_clk＝1MHz，和最高频率f_max＝10kHz。更具体地，图3中的第一幅图(即，上面的图)a)示出了传感器信号215(实线)和偏移估计225(虚线)作为时间函数。可以看出，传感器信号215在值1和3之间振荡并且因此具有实际的偏移2。偏移估计225在值3处开始并且迅速(在6～7个周期内)向实际的偏移集中。第二幅图b)示出了变量N(实线)和M(虚线)作为时间函数。如图所示，N和M都在值f_clk/(2×f_max)＝50处开始。在第一内部时钟周期之后，N减为1，信号250的符号(即传感器信号215减去偏移估计225)变为负的。其后，在每个内部时钟周期之后N增加1，同时M保持初始值50。一旦N超过50，M跟随N的值。当信号250的符号变为正时，M维持它的最后的值和N被重置为1，诸如此类。第三幅图c)示出了估计的带宽(截止频率)f_est/k作为时间函数。可以看出，所估计的带宽以与图3所示的偏移估计相近的速度趋向于稳定值。第四幅图d)示出了传感器单元202的理想输出信号(实线)和实际输出信号250(虚线)作为时间函数。可以看出，一旦图3中的a)示出的偏移估计变得接近实际偏移值2时，输出信号250(虚线)非常接近理想的输出。最后，最后一幅图(第五幅图)e)示出了过零误差作为时间函数，用％表示。该曲线证实了关于实际输出信号250和理想输出之间的相似性的上述描述。

在图3示出和以上的论述的模拟中，用于带宽估计的起始值与f_max/k＝588Hz相等。稳定状态的频率截止值与信号频率成比例并且等于f/k。因此，所示出的模拟中，稳态频率值与起始值相等，即588Hz。在过零检测上的最终误差约为1％，如上述结合图1的描述，用于信号频率和滤波器频率之间的比率为17。

用于其它信号频率(低于10kHz)的另外的模型显示了类似的行为，即在输入信号的约六个周期内达到稳定状态。对于具有类似性能的固定带宽***的情况，建立时间对于在最高频率处的信号将(如上述结合图1的描述)超过100个周期。

应该注意的是，术语”包括”不排除其他的元件或者步骤，以及不定冠词“一个”不排除那些元件的复数。所描述的与不同的实施例相关的元件可以组合。还应该理解的是权利要求中的附图标记不会限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于从信号中去除偏移的设备，其特征在于，所述设备包括：

频率估计单元(260)，用于估计信号的频率；

偏移估计单元(222)，用于通过将自适应低通滤波器应用到信号上来估计信号中的偏移，其中基于由频率估计单元(260)估计的信号的频率来决定自适应低通滤波器的截止频率；和

减法单元(230)，适于从信号中减去由偏移估计单元(222)估计的偏移。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，偏移估计单元(222)适于将自适应低通滤波器的截止频率设置为由频率估计单元估计的信号的频率除以常数k。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还包括比较器单元(240)，其中比较器单元耦合到减法单元(230)的输出端和适于根据从减法单元(230)接收的信号的符号产生在正值和负值之间交替的矩形波。

4.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，频率估计单元(260)适于通过测量由比较器单元(240)产生的矩形波的脉冲宽度来估计信号的频率。

5.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，

频率估计单元(260)包括内部时钟，内部时钟适于产生具有预定的时钟频率f_clk的时钟信号，和

频率估计单元(260)适于通过计算由比较器单元(240)产生的矩形波的脉冲期间的内部时钟信号的时钟脉冲的数目M来测量比较器单元(240)产生的矩形波的脉冲宽度。

6.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，频率估计单元(260)适于估计信号的频率为f_clk/(2×M)。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，频率估计单元(260)适于将估计的频率的初始值设置为等于信号的预定的最高频率。

8.一种磁性传感器单元，其特征在于，包括：

磁性传感器(210)，适于响应于外在的磁场产生传感器输出信号，和

根据上述任一权利要求所述的设备，所述设备适于接收由磁性传感器产生的传感器输出信号和从传感器输出信号去除偏移。

9.一种从信号中去除偏移的方法，其特征在于，所述方法包括：

估计信号的频率，

通过将自适应低通滤波器应用到信号上来估计信号中的偏移，其中基于信号的频率来决定自适应低通滤波器的截止频率，和

从信号中减去估计的偏移。

10.一种计算机程序，其特征在于，包括计算机可执行指令，当通过计算机执行所述计算机可执行指令时导致计算机执行根据上述任一权利要求所述的方法的步骤。

11.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机可读数据载体，所述计算机可读数据载体加载有根据权利要求10所述的计算机程序。