CN109416259A - 具有隧道磁阻传感器的旋转位置传感器 - Google Patents

具有隧道磁阻传感器的旋转位置传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电动助力转向装置(1)的电动机(7)的转子位置传感器(15)，该电动助力转向装置用于辅助机动车辆的转向，该转子位置传感器被设计成生成表示电动机的转子的转子位置的传感器信号，其中，该转子位置传感器(15)具有至少一个传感器单元(16，16’)，至少一个传感器单元根据作为感测目标的电动机(7)的旋转轴的旋转来生成具有不同相位的电信号，其中，转子位置传感器(15)包括两个冗余传感器单元(16，16’)，其中，传感器单元(16，16’)中的每一个包括隧道磁阻元件。

Description

具有隧道磁阻传感器的旋转位置传感器
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于电动助力转向装置的转子位置传感器，该电动助力转向装置用于辅助机动车辆的转向。
电动助力转向装置被设计成将来自电动机的转向辅助扭矩提供至转向机构，以在对机动车辆进行转向时减小驾驶员的负荷。
近年来，在电动助力转向***中，已经开始使用无刷DC电动机。在无刷DC电动机中，由于通过定子的电流被PWM(脉冲宽度调制)控制以根据转子的旋转位置来生成旋转磁场，因此包含检测器以用于检测转子位置。
为了确保电动机的转子轴的旋转角度检测的可靠性，使用多个角度传感器。在一个传感器中出现故障时，其他传感器仍然可以检测电动机的转子轴的位置以继续位置测量。
EP 2752645 A2公开了用于为转子角度传感器提供异常检测的方法。控制电路识别正弦信号和余弦信号的异常以对电动机执行备份控制。异常检测基于磁传感器的周围温度与电信号的幅度之间的相关性。
本发明的目的是提供具有旋转角度传感器的电动助力转向装置，该旋转角度传感器具有改进的检测磁传感器的异常的能力，并且在异常的情况下，传感器能够继续以高精度测量旋转角度。
该问题通过具有权利要求1中列出的特征的转子位置传感器和具有权利要求13中列出的特征的电动助力转向装置而解决。
因此，提供了一种用于电动助力转向装置的电动机的转子位置传感器，该电动助力转向装置用于辅助机动车辆的转向，该转子位置传感器被设计成生成表示电动机的转子的转子位置的传感器信号，其中，转子位置传感器具有至少一个角度传感器单元，至少一个角度传感器单元根据作为感测目标的电动机的旋转轴的旋转来生成具有不同相位的电信号，其中，转子位置传感器包括两个冗余角度传感器单元，其中，传感器单元中的每一个包括隧道磁阻元件。优选地，角度传感器单元包括四个隧道磁阻元件。利用转子位置传感器的这种冗余配置，可以始终根据电信号来计算正确的转子位置。由于转子位置传感器提供故障容错***，因此使故障时间最小化。故障模式可以被直接检测并且错误的根本原因可以被识别，使得可以以相同的安全水平保持传感器的全部功能。
优选地，角度传感器单元被形成为磁阻传感器单元。角度传感器单元还可以被形成为隧道霍尔传感器单元。
优选地，对于磁阻传感器单元中的每一个，四个电信号包括具有180°的相位差的正正弦信号和负正弦信号以及具有180°的相位差的正余弦信号和负余弦信号。
优选地，转子位置传感器具有微计算机，该微计算机被设计成基于由两个磁阻传感器单元生成的电信号来计算旋转轴的旋转角度。
进一步优选地，微计算机被设计成检测电信号的异常。如果在两个传感器单元中的一个中检测到异常，则优选地，微计算机被设计成基于由另一个传感器单元生成的电信号来计算旋转角度。微计算机可以被设计成通过在两个冗余工作的磁阻传感器单元之间比较信号来检测电信号的异常，以及/或者微计算机可以被设计成通过独立于相应磁阻传感器单元比较电信号来检测电信号的异常。在使用正弦信号、余弦信号以及反相信号对的情况下，可以比较总共四个计算的角度信号以进行错误检测。
在优选实施方式中，每个磁阻传感器单元包括第一桥电路和第二桥电路。在优选实施方式中，磁阻传感器单元包括第三桥电路和第四桥电路。在使用更多桥电路的情况下，能够容许更多故障，同时仍然可以计算旋转轴的旋转角度。
优选地，该第二桥电路被设置成在旋转轴的旋转方向上相对于第一桥电路偏移45°或90°的规定角度。更优选地，第一桥电路和第二桥电路各自由两个隧道磁阻元件串联连接的第一半桥电路和两个隧道磁阻元件串联连接的第二半桥电路构成，其中，两个半桥电路的第一端连接至电源并且两个半桥电路的第二端接地。
如果磁阻传感器单元被布置成在旋转轴的旋转方向上具有45°的偏移角，则这是有利的。
优选地，分别包括第一桥电路和第二桥电路的两个磁阻传感器单元以同心方式布置在同一传感器基底上。
此外，提供了一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置用于通过经由电动机的转子相对于定子的旋转将由电动机生成的扭矩赋予转向机构来辅助机动车辆的转向，该装置包括上面所述的转子位置传感器，其中，转子位置传感器冗余地测量电动机的转子的转子位置。
将参照附图来描述本发明的优选实施方式。在所有附图中，相同附图标记表示相同的部件或者功能相似的部件。
图1示出了电动助力转向装置的示意图；
图2是示出电动助力转向装置的电结构的框图；
图3示出了转子位置传感器的传感器单元的示意图；以及
图4示出了转子位置传感器的框图。
图1是电动助力转向装置1的示意图。转向盘2固定至上转向轴3，驾驶员的转向运动经由扭杆传送至下转向轴3’。下转向轴3’经由齿条齿轮机构5连接至齿条4。伴随转向操作的上转向轴3、下转向轴3’的转向通过齿条齿轮机构5转换成齿形齿条4的往复线性移动。齿条4的线性移动改变所操纵的车轮6的转向角度。为了提供转向辅助，在优选实施方式中，电动机7被安装至齿条罩(housing)侧并且经由齿形橡胶带9驱动滚珠丝杠(ball-screw)机构8。本发明还适用于将电动机扭矩转移至转向机构的其他方法。通过转向控制器(ECU)10和包括电动机7和电动机控制器12的动力辅助致动器11来提供电动助力辅助。转向控制器10接收表示车辆速度v和由车辆操作员施加至转向盘2的扭矩TTS的信号。响应于车辆速度v和操作员扭矩TTS，控制器10确定目标电动机扭矩Td并且将该信号提供至电动机控制器12，在电动机控制器12处计算占空比以经由PWM(脉冲宽度调制)来产生相电流。
图2示出了电动助力转向装置1的电结构的框图。转向控制器10接收表示车辆速度v、由车辆操作员施加至转向盘2的扭矩TTS和电动机7的转子的电角频率ω的信号，并且得出目标电动机扭矩Td。该扭矩被馈送至电动机控制器12，该电动机控制器12确定用于PWM的电压输入U1，并且电动驱动器13经由PWM生成电动机电流I1＝iU,iV,iW。电动机7具有转子位置传感器15，其中，转子位置传感器被设计成生成表示旋转角度的传感器信号。在微计算机14中根据旋转角度计算角频率ω。
转子位置传感器包括偏置磁体和作为磁传感器的隧道磁阻元件(TMR)。偏置磁体固定至电动机的旋转轴的端部。TMR传感器在沿着旋转轴的轴的方向上面对偏置磁体。TMR的基本层状结构由两个或更多个磁层组成，优选地由被非常薄的隔离层隔开的铁钴镍(Fe-Co-Ni)合金组成。TMR的一层是不受磁场影响的“固定层(pinned layer)”并且另一层是具有与施加的磁场平行排列的磁化的“自由层”。借助于量子隧道效应，电子可以超越这种薄膜，并且在两个磁矩平行排列时穿越概率更高，在两个磁矩并非平行排列时穿越概率更低。因此，TMR传感器通常利用自旋阀原理。
转子位置传感器15生成与旋转轴的旋转角度相对应的电信号。偏置磁体是柱状双极磁体，在柱状双极磁体中北极和南极被形成为在圆周方向上彼此相邻。通过偏置磁体将从北极朝向南极的方向上的偏置磁场施加至TMR传感器。施加至TMR传感器的磁场的方向根据旋转轴的旋转角度变化。
转子位置传感器15包括各自具有第一桥电路17、17’和第二桥电路18、18’的第一角度传感器单元16和第二角度传感器单元16’。两个传感器单元16、16’冗余地工作。每个传感器单元连接至电源电压VDD并且连接至地GND。隧道磁阻元件将电信号输出至微计算机14。微计算机14确定桥17、17’、18、18’是否都正确工作。如果传感器单元16、16’中的一个中出现故障，则微计算机14利用另一个传感器单元的输出继续进行对转子位置的确定。
图3示出了传感器单元16、16’的设计。第一桥电路17、17’和第二桥电路18、18’具有其中四个隧道磁阻元件以桥形式布置的配置。
第一桥电路17、17’由四个隧道磁阻元件中的两个隧道磁阻元件串联连接的半桥电路以及另两个隧道磁阻元件串联连接的半桥电路构成。两个半桥电路的第一端连接至电源(电源电压+VDD)。两个半桥电路的第二端接地(GND)。第一桥电路17、17’将两个隧道磁阻元件之间的中间点处的电势作为第一电信号输出，并且将两个隧道磁阻元件之间的中间点处的电势作为第二电信号输出。
当偏置磁体与旋转轴一起旋转并且施加至四个隧道磁阻元件的偏置磁场的方向变化时，隧道磁阻元件的电阻值根据偏置磁场的方向的变化而变化。随着隧道磁阻元件的电阻值变化，第一电信号和第二电信号变化。也就是说，第一电信号和第二电信号根据旋转轴的旋转角度变化。
第一电信号是具有幅度A的正弦信号，其相对于旋转轴的旋转角度正弦地变化。第二电信号是具有幅度A的负正弦信号，其相位与第一电信号的相位相差180°。
第二桥电路18、18’具有与第一桥电路17、17’的电路配置相同的电路配置。第二桥电路18、18’由两个隧道磁阻元件串联连接的半桥电路以及两个隧道磁阻元件串联连接的半桥电路构成。两个半桥电路的第一端连接至电源。两个半桥电路的第二端接地。第二桥电路将两个隧道磁阻元件之间的中间点处的电势作为第三电信号输出，并且将两个隧道磁阻元件之间的中间点处的电势作为第四电信号输出。
第二桥电路18、18’被设置成在旋转轴的旋转方向上相对于第一桥电路17、17’偏移90°的规定角度。因此，第三电信号是具有幅度A的余弦信号，其相位相对于第一电信号的相位延迟90°。第四电信号是具有幅度A的负余弦信号，其相位与第三电信号的相位相差180°。
如图4中所示，微计算机14以规定的采样周期获取从第一传感器单元16和第二传感器单元16’输出的电信号。微计算机14在第一步骤19中计算每个传感器单元16、16’的正弦信号和余弦信号。根据四个信号，可以检测异常信号。如果检测到异常信号，则在第二步骤20中丢弃故障的传感器单元信号并且使用剩余的传感器单元来计算旋转角度。
角度传感器单元生成与传感器的正弦输出信号和余弦输出信号相对应的不同信号。
Y与单位圆的Y轴相对应并且X与单位圆的X轴相对应。转子角度计算考虑信号在X方向和Y方向上的偏移Ox、Oy以及相位β和幅度的错误。
如下计算转子角度：
其中，Y3描述信号的非正交性的影响，其可以通过使用以下等式来补偿：
其中，幅度校正X2和Y2是通过使用校准中确定的平均值而计算的并且按照如下等式确定：
以及
其中，偏移校正X1和Y1按照如下的等式计算：
X1＝X-OX
Y1＝Y-OY，
其中，OX描述信号在X方向上的偏移，并且OY描述信号在Y方向上的偏移。另外，X和Y通过以下等式给出：
X＝Axm*cos(α+βX)+OX
Y＝Aym*sin(α+βY)+OY
其中，α是理想的旋转角度，单位为°，所以换言之这是错误的角度失效(failure)，其中，Axm是X的幅度的平均参数，Aym是Y的幅度的平均参数，βX是X信号的相位，βY是Y信号的相位。
对于TMR传感器15而言在两个冗余传感器单元16、16’之间具有一些偏移角度优选地45°可以是有益的。在本发明的优选实施方式中，独立处理每个桥臂，从而利用来自两个单元的八个信号提供更好的故障容错。
本发明提供了基于桥电阻器异常的直接诊断与简单的转子角度计算。

Claims (13)

1.一种用于电动助力转向装置(1)的电动机(7)的转子位置传感器(15)，所述电动助力转向装置用于辅助机动车辆的转向，所述转子位置传感器被设计成生成表示所述电动机的转子的转子位置的传感器信号，其中，所述转子位置传感器(15)具有至少一个角度传感器单元(16，16’)，所述至少一个角度传感器单元根据作为感测目标的所述电动机(7)的旋转轴的旋转来生成具有不同相位的电信号，其特征在于，所述转子位置传感器(15)包括两个冗余角度传感器单元(16，16’)，其中，所述角度传感器单元(16，16’)中的每一个包括隧道磁阻元件。
2.根据权利要求1所述的转子位置传感器，其特征在于，对于所述角度传感器单元(16，16’)中的每一个，所述电信号包括具有180°的相位差的正正弦信号和负正弦信号以及具有180°的相位差的正余弦信号和负余弦信号。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的转子位置传感器，其特征在于，所述转子位置传感器(15)具有微计算机(14)，所述微计算机被设计成基于由所述两个冗余传感器单元(16，16’)生成的所述电信号来计算所述旋转轴的旋转角度。
4.根据权利要求3所述的转子位置传感器，其特征在于，所述微计算机(14)还被设计成检测所述电信号的异常。
5.根据权利要求4所述的转子位置传感器，其特征在于，所述微计算机(14)还被设计成在所述两个传感器冗余单元(16，16’)中的一个中检测到异常信号的情况下基于由另一个传感器单元(16，16’)生成的所述电信号来计算所述旋转角度。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的转子位置传感器，其特征在于，所述微计算机(14)被设计成通过在所述两个冗余工作的传感器单元(16，16’)之间比较所述信号来检测所述电信号的异常。
7.根据权利要求4或权利要求5所述的转子位置传感器，其特征在于，所述微计算机(14)被设计成通过独立于相应传感器单元(16，16’)比较所述电信号来检测所述电信号的异常。
8.根据前述权利要求中的一项所述的转子位置传感器，其特征在于，每个传感器单元(16，16’)包括第一桥电路(17，17’)和第二桥电路(18，18’)。
9.根据前述权利要求中的一项所述的转子位置传感器，其特征在于，所述第二桥电路(18，18’)被设置成在所述旋转轴的旋转方向上相对于所述第一桥电路(17，17’)偏移45°的规定角度。
10.根据前述权利要求中的一项所述的转子位置传感器，其特征在于，所述第一桥电路(17，17’)和所述第二桥电路(18，18’)各自由两个隧道磁阻元件串联连接的第一半桥电路和两个隧道磁阻元件串联连接的第二半桥电路构成，其中，所述两个半桥电路的第一端连接至电源并且所述两个半桥电路的第二端接地。
11.根据前述权利要求中的一项所述的转子位置传感器，其特征在于，所述传感器单元(16，16’)被布置成在所述旋转轴的所述旋转方向上具有45°的偏移角度。
12.根据前述权利要求中的一项所述的转子位置传感器，其特征在于，分别包括所述第一桥电路(17，17’)和所述第二桥电路(18，18’)的所述两个传感器单元(16，16’)以同心方式布置在同一传感器基底上。
13.一种电动助力转向装置(1)，用于通过以下操作来辅助机动车辆的转向：经由电动机(7)的转子相对于定子的旋转将由所述电动机(7)生成的扭矩赋予转向机构，所述装置(1)包括根据前述权利要求中的一项所述的转子位置传感器(15)，其中，所述转子位置传感器(15)能够冗余地测量所述电动机的转子的转子位置。
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