CN103575303A - 具有基于整合的待发阈值的可变磁阻传感器接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有基于整合的待发阈值的可变磁阻传感器接口。一种处理由可变磁阻传感器提供的可变磁阻传感器信号的接口包括积分器、待发比较器、以及检测电路。积分器包括接收可变磁阻传感器信号的输入并且包括提供表示可变磁阻传感器的总通量变化的积分信号的输出。待发比较器将积分信号与预定的待发阈值进行比较以及提供其中的表示的待发信号。检测电路在待发信号被提供之后提供重置信号以重置积分器。此外，还描述了一种处理可变磁阻传感器信号的方法。

Description

具有基于整合的待发阈值的可变磁阻传感器接口

技术领域

本发明通常涉及可变磁阻传感器，更具体地说涉及带有基于整合的待发阈值的可变磁阻传感器接口。

背景技术

可变磁阻（VR）传感器被用于测量移动或旋转的铁磁物体的角位置和速度。一种这样的应用是汽车的曲轴。例如，铁的（基于铁的）齿轮被安装到曲轴，并且在曲轴旋转期间，VR传感器被用于感应每一个经过的轮齿。曲轴位置和上死点（TDC）被用于给包括点火和喷油定时等等的发动机电子控制设置发动机定时。TDC的设立通常与轮子的断齿相关。VR传感器通常包括线圈以及放置在靠近齿轮的偏置磁体，其中每一个经过VR传感器的轮齿改变了在线圈中转化为由线圈引起的感应电压的磁通量。VR传感器（VRS）接口感应并且调整电信号以导出定时参数。以这种方式，曲轴的旋转运动被转化为被用于确定曲轴的位置和速度的电信号。源自VR传感器的电压零交叉表示转轮的已知位置。

附图说明

本发明通过举例的方式说明并没有被附图所限制，在附图中相同的参考符号表示相同的元素。附图中的元素说明是为了简便以及清晰，不一定按比例绘制。

图1是根据接口连接VR传感器的一个实施例实施的带有基于整合的待发阈值的VRS接口的简化原理图和方框图；

图2是三个示例VRS信号相对于时间的时间曲线图，示出了持续时间和不同旋转速度的相应VRS脉冲信号峰值之间的关系；

图3是根据接口连接VR传感器的更具体的实施例实施的带有基于整合的待发阈值的VRS接口的简化原理图和方框图；以及

图4是示出了图3的VRS接口操作的时序图。

具体实施方式

下面的描述被提出以使本领域的普通技术人员在特定的应用范围和要求内制作并且使用本发明。然而，对优选实施例的各种修改对本领域所属技术人员来说将很明显，并且本发明限定的一般原理可以被应用于其它实施例。因此，本发明不旨在被限制为本发明所显示的和所描述的特定的实施例，但是将被授予与本发明公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

因机电系统的不同物理性质，例如同步和异步噪音、输入信号的动态范围、以及由老化和机械公差引起的信号变化，例如轮齿变化、VR传感器和轮齿布局之间的相对布局等等，使用源自VR传感器的电信号精确地确定位置变得更加困难。VR传感器的输出信号可能包括不同类型的噪音，例如白色噪音、随机或异步噪音、相关或同步噪音、突发噪音、骑于输入顶部的纹波噪音等等。VRS信号因此与信噪比（SNR）参数相关联。为了最小化零交叉事件的错误判定可能性，当传感器已知接近零交叉位置时，期望只允许启用零交叉检测器。允许启用零交叉检测器被称为“待发”检测器。正如本发明所描述的，传感器信号被积分并且与预定的待发阈值进行比较。已经确定，最佳的待发阈值应该随着速度变化以确保用于适当检测的SNR的足够的电平。积分信号与预定的待发阈值的比较有效地降低了错误地检测或者错过零交叉的可能性。

图1是根据接口连接VR传感器102的一个实施例被实施的带有基于整合的待发阈值的VRS接口100的简化方框图。在所示出的配置中，VR传感器102包括线圈以及相对于安装在曲轴（未显示）或其它旋转部件的触发器轮子正交放置的偏置磁体。触发器轮子可以由很多不同方式中的任何一种方式制作。在这个所示出的配置中，触发器轮子被配置为齿轮104；在齿轮104中，VR传感器102感应每一个经过的轮齿。随着齿轮104的旋转，每一个经过的轮齿改变了穿过线圈的偏置磁体的磁通量，并且线圈将变化的磁通量转化为电信号VRS。

本发明这里所示出的电信号VRS的形式与正弦波形近似，其中带有中间“零”交叉点，正脉冲后边跟着负脉冲。VRS信号的实际形状和形式取决于不同系统参数，例如轮齿的形状和配置、VR传感器102的位置和方向等等，并且不限制于正弦形式。线圈，并且因此VRS信号参考参考电压电平REF。REF可以是任何合适的正、负或地面（例如，0伏）电压电平。当VRS信号通过正负脉冲之间的REF时，零交叉点出现。

VRS信号被提供给积分器电路106的输入以及零检测电路108的输入。积分器电路106接收重置信号RET并且给比较器电路110的输入提供积分信号INT。比较器电路110将INT与阈值TH进行比较并且给检测电路112的一个输入提供待发信号ARM。零检测电路108将VRS与REF进行比较并且给检测电路112的另一个输入提供零检测信号ZD。检测电路输出交叉检测信号CD和重置信号RST。

在操作中，积分器电路106积分VRS信号并且提供积分信号INT。当INT跨过预定的阈值TH时，比较器电路110断言（assert）或者提供ARM。TH可以根据特定实施通过实验被确定并且在正如INT信号所示的零交叉点之前被选定为与VRS信号的充足的“区域”一致的电平。ARM被提供以向检测电路112指示待发条件。当VRS达到或降到低于表示零交叉点的REF时，零检测电路108断言或者提供ZD。在ARM被提供指示待发条件之后，检测电路112提供CD以指示零交叉点。检测电路112提供RST信号以重置积器分电路106并且因此在ARM信号已经被提供之后直到刚好发起取决于配置的下一脉冲之前任何时间清除INT。在一个实施例中，RST被提供以响应表示零交叉点的CD。

总之，对于由轮子104的轮齿发起的每一个定时事件，当ZD在ARM在每一周期期间已经被提供之后被提供时，ARM基于正脉冲的发起被提供并且检测电路112确定零交叉点并且提供CD。ZD，并且因此CD指示了轮齿何时大体上相对于VR传感器102对齐或居中。在待发条件被ARM信号指示之后，积分器电路106被重置并且INT被清除，并且及时确保检测接下来的周期内的下一VRS脉冲。ARM信号可以在被提供之后以及在下一VRS脉冲之前的任何时间被清除。

图2是三个示例VRS信号曲线201、203以及205相对时间的时序图，示出了对不同旋转速度的持续时间和相应VRS脉冲信号的峰值之间的关系。每一个VRS信号曲线被示出为开始于公共初始时间t0的以一个不同旋转速度中相应一个处的近似正弦脉冲的形式并且相对于REF而被参照。而且，为了说明的目的，每个脉冲被显示为最初反向行进到负的，然后是正的。

由VR传感器102生成的脉冲被生成以响应由每一个经过的轮齿引起的磁通量的改变。每一个脉冲的峰值振幅或大小随着轮齿经过VR传感器102的速率（rate）而变化，其中该速率可以通过旋转齿轮105每分钟的转数（RPM）而被测量。因为由VR传感器102生成的电动势（emf）取决于磁通量随时间的变化，或d(flux)/dt，所以脉冲信号的峰值大小取决于速度。每一个VRS脉冲的持续时间或周期也随速度改变，其中在更高的速度下脉冲的周期更短。因此，VRS的脉冲有更早出现的的更大的峰值，在更高的速度下有更大的频率，并且脉冲有更迟出现的更小的峰值，在更低的速度下有更小的频率。

正如所显示的，第一VRS信号曲线201代表更高的速度，其中它达到相对高的峰值电平P1，然后在相对短的时间t1-t0之后下降回REF。第二VRS信号曲线203代表中间速度，其中它达到中间峰值电平P2，然后在中间时间t2-t0之后下降回REF。第三VRS信号曲线205代表更慢的速度，其中它达到相对低的峰值电平P3，然后在相对长的时间t3-t0之后下降回REF。总之，峰值大小随着递减的速度而减小（P1>P2>P3），而脉冲的持续时间随着递减的速度而增大（t1-t0<t2-t0<t3-t0）。

VRS信号曲线201、203以及205的正脉冲相对于REF的“区域”Φ被描影，其中每一个区域有伏特·时间（V·s）的尺寸，其中“s”表示以秒为单位的时间。VRS信号曲线201、203以及205的正脉冲相对于REF的区域Φ近似地相等。VRS接口100的积分器电路106积分了由VR传感器102生成的emf脉冲，因此确定了通过其耦合的磁通量的变化。比较器电路110将积分信号INT与代表预定的通量变化的预定的阈值进行比较。由TH代表的预定的通量变化可用作与旋转速度相对独立的电路的很好的待发阈值。

阈值曲线TH被显示分别与每一条VRS信号曲线201、203以及205在相应的交叉点处交叉，该交叉点代表了由每一个脉冲指示的预定的通量变化。正如所显示的，TH与VRS信号曲线201、203以及205分别在点PT1、PT2、以及PT3处交叉。在脉冲的发起和TH的交叉点之间的每一个正脉冲的变黑的区域代表了相对于由整个正脉冲指示的总通量变化由TH指示的预定的通量变化。每一个脉冲的变黑的区域有近似地相同的面积，并且因此代表了由每一个脉冲代表的总通量改变的大约相同的预定的百分比。由于将TH与VRS脉冲积分后的版本INT进行了比较，TH是固定的值并且提供了合适的独立于旋转速度的待发阈值。

图3是根据接口连接VR传感器102的更具体的实施例被实施的带有基于整合的待发阈值的VRS接口300的更详细的原理图和方框图。提供VRS的节点301耦合于电阻器R的一个端部以及耦合于有接收REF的反相的或负（-）输入的检测比较器302的非反相的或正（+）输入。电阻器R的另一个端部耦合于有接收REF的正输入的放大器304的负输入。电容器C耦合于放大器304的负输入和输出之间，其中放大器304被配置为反相积分器305。积分器305的输出给比较器306的负输入提供积分信号INT，比较器306在其正输入接收TH。

比较器306的输出被提供给滤波器308的输入，该滤波器有给D型锁存器或触发器（DFF）310的时钟输入提供ARM信号的输出。滤波器308通常为ARM信号滤波或者调节ARM信号以移除噪音和/或可能破坏操作的信号尖峰。DFF 310的D-输入接收源电压VDD并且其Q输出提供CD信号。检测比较器302的输出被提供给滤波器312的输入，该滤波器有给DFF310的反相重置输入提供ZD信号的输出。滤波器312以与滤波器308相似的方式操作，并且通常为ZD信号滤波或者调节ZD信号以移除噪音和/或可能破坏操作的信号尖峰。

CD信号被用作提供给被显示为N-型场效应晶体管（FET）或金属氧化物半导体（MOS）晶体管等的电子开关Q的控制输入或栅极的重置信号RST。正如所显示的，Q的漏极耦合于放大器304的输出，并且其源极耦合于放大器304的反相输入。当CD是低时，Q被截止。当CD是高时，Q被导通以有效地短路电容器C，并且因此正如本发明进一步描述的重置积分器305。

图4是示出了VRS接口300的操作的时序图，其中信号FLUX、VRS、INT、ARM、ZD、以及CD随时间被绘制。对于所示出的实施例，FLUX显示了VR传感器102的磁通量的变化响应于在旋转期间经过的轮齿。VRS信号被显示为脉冲信号，该脉冲信号包括以近似地在指示FLUX的变化速率的参考电压电平REF为中心的正脉冲紧接着负脉冲。为了说明的目的，脉冲信号的形状被显示为近似正弦脉冲。然而，FLUX信号的实际形状以及VRS上的正、负脉冲的相应形状随不同配置发生变化并且不一定是正弦曲线。

VRS的每一个脉冲随着轮齿边缘接近VR传感器102增加到高于REF，直到当轮齿边缘几乎与VR传感器102对齐时达到指示最大磁通量变化的峰值。VRS的每一个脉冲然后降低并且当轮齿与VR传感器102对齐时与REF在最大通量电平处交叉，然后随着轮齿开始从VR传感器102后退而降低到低于REF而达到负峰值。当轮齿已经通过，脉冲最终返回到REF。在相续轮齿之间的任何死区期间之后，下一轮齿生成相似的相对于REF的正、负脉冲。

在初始时间t0，FLUX和VRS开始增加，指示不断接近的轮齿。INT从之前的周期被充电到高。ARM、ZD、以及CD起初在t0之前是低，并且检测比较器302大约在时间t0断言ZD高。随着VRS上升，反相积分器305积分VRS并且INT下降。大约在时间t1，INT达到或者降到低于TH并且比较器306断言ARM高。当ARM为高时，DFF 310被时钟同步使得大约在时间t1其断言CD高。变高的CD导通开关Q短路电容器C，因此重置了积分器305，使得放大器304清除INT信号为低。VRS接口300被置于待发状态下。

VRS达到峰值并且下降，直到其在大约时间t2返回通过REF指示在FLUX的最高电平处的轮齿对齐。检测比较器302在时间t2断言ZD低，这重置了DFF 310将CD拉回到低。开关Q被返回截止使得积分器305再次开始积分VRS。因此，INT随着其积分VRS的负脉冲升高，并且大约在时间t3，INT升回到高于TH。比较器306大约在时间t3清除ARM返回到低，并且随着VRS负脉冲的结束，INT达到了最高电平并且返回到REF。操作对每一个循环以大体上相似的方式重复以响应于经过的轮齿。

VRS接口300使用CD信号来重置积分器305并且清除INT信号。当CD是高时，积分器305保持重置，并且当CD被拉为低时，恢复积分功能。在这种情况下，期望对下一个循环积分VRS的负脉冲以将INT拉回到高于TH的高电平，使得在时间t2处的零交叉点或之前积分器305从重置状态释放出来。此外，在这个配置中上升回高于TH的INT清除了ARM。

根据一个实施例，一种处理由可变磁阻传感器提供的可变磁阻传感器信号的接口包括积分器、待发比较器、以及检测电路。所述积分器包括接收所述可变磁阻传感器信号的输入以及包括提供表示所述可变磁阻传感器的总通量变化的积分信号的输出。所述待发比较器将所述积分信号与预定的待发阈值进行比较以及提供对其进行表示的待发信号。所述检测电路在所述待发信号被提供之后提供重置信号以重置所述积分器。

根据一个实施例，一种处理由可变磁阻传感器提供的可变磁阻传感器信号的方法包括积分所述可变磁阻传感器信号以及提供表示所述可变磁阻传感器的总通量变化的相应的积分信号，将所述积分信号与预定的待发阈值进行比较以及提供相应的待发信号，以及在所述待发信号被提供之后清除所述积分信号。

虽然本发明的描述参照具体实施例，正如随附权利要求书所陈述的，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种修改以及变化。因此，说明书以及附图被认为是说明性而不是狭义性的，并且所有这些修改列入本发明范围内。关于具体实施例，本发明所描述的任何好处、优点或解决方案都不旨在被解释为任何或所有保护范围的首要的、必需的、或必不可少的特征或元素。除非另有说明，使用术语如“第一”以及“第二”是用于任意区分这些术语描述的元素的。因此，这些术语不一定表示时间或这些元素的其它优先次序。

Claims (20)

1.一种处理由可变磁阻传感器提供的可变磁阻传感器信号的接口，包括：

积分器，其包括接收所述可变磁阻传感器信号的输入端，并且包括提供表示所述可变磁阻传感器的总通量变化的积分信号的输出端；

待发比较器，该待发比较器将所述积分信号与预定的待发阈值进行比较，并且该待发比较器提供对其进行表示的待发信号；以及

检测电路，该检测电路在所述待发信号被提供之后提供重置信号以重置所述积分器。

2.根据权利要求1所述的接口，其中所述积分器包括带有反馈电容器的放大器，所述接口还包括被耦合为响应于所述重置信号给所述电容器放电的开关。

3.根据权利要求1所述的接口，其中所述预定的待发阈值具有足以最小化错误待发的值。

4.根据权利要求1所述的接口，还包括：

检测比较器，用于将所述可变磁阻传感器信号与参考信号进行比较，并且该检测比较器提供对其进行表示的零检测信号；以及

其中当所述零检测信号在所述待发信号表示待发条件之后被提供时，所述检测电路提供交叉信号。

5.根据权利要求4所述的接口，其中所述交叉信号被用作所述重置信号。

6.根据权利要求1所述的接口，其中所述检测电路在所述待发信号被提供之后以及在所述可变磁阻传感器信号的后续脉冲之前的选定时间提供所述重置信号。

7.根据权利要求1所述的接口，其中所述待发比较器在所述可变磁阻传感器信号的后续脉冲发起之前清除所述待发信号。

8.根据权利要求1所述的接口，其中：

所述积分器包括：

电阻器，包括耦合于接收所述可变磁阻传感器信号的节点的第一端部，并且包括第二端部；

电容器；以及

放大器，包括耦合于所述电阻器的所述第二端部并且耦合于所述电容器的第一端部的第一输入端，包括接收参考信号的第二输入端，并且包括耦合于所述电容器的第二端部并且提供所述积分信号的输出端；以及

其中所述待发比较器包括接收所述积分信号的第一输入端，包括接收所述预定的待发阈值的第二输入端，并且包括提供所述待发信号的输出端。

9.根据权利要求8所述的接口，还包括：

晶体管，包括分别耦合于所述电容器的所述第一和第二端部的第一和第二电流端子，并且包括控制端子；以及

其中所述检测电路包括锁存器，所述锁存器包括接收所述待发信号的时钟输入端，包括接收逻辑一信号的数据输入端，并且包括给所述晶体管的所述控制端子提供交叉信号的输出端。

10.根据权利要求9所述的接口，还包括检测比较器，所述检测比较器包括用于接收所述可变磁阻传感器信号的第一输入端，包括接收所述参考信号的第二输入端，并且包括给所述锁存器的反相重置输入端提供检测信号的输出端。

11.根据权利要求10所述的接口，还包括：至少一个滤波器，用于对所述待发信号和所述检测信号中的至少一个滤波。

12.一种处理由可变磁阻传感器提供的可变磁阻传感器信号的方法，包括：

积分所述可变磁阻传感器信号并提供表示所述可变磁阻传感器的总通量变化的相应的积分信号；

将所述积分信号与预定的待发阈值进行比较，并且提供相应的待发信号；以及

在所述待发信号被提供之后清除所述积分信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述积分所述可变磁阻传感器信号包括：积分所述可变磁阻传感器信号的表示由所述可变磁阻传感器生成的电磁力的脉冲。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述将所述积分信号与预定的待发阈值进行比较包括：将所述积分信号与具有足以最小化错误待发的值的预定的待发阈值进行比较。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述积分所述可变磁阻传感器信号包括：给电容器充电，并且其中所述清除所述积分信号包括：给所述电容器放电。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将所述可变磁阻传感器信号与参考信号进行比较，并且提供对其进行表示的零检测信号；以及

当所述零检测信号在所述待发信号被提供之后被提供时，提供交叉信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述清除所述积分信号包括：响应于提供的所述交叉信号清除所述积分信号。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括：在待发信号被提供之后以及在所述可变磁阻传感器信号的后续脉冲发起之前清除所述待发信号。

19.根据权利要求12所述的方法，还包括：为所述待发信号滤波。

20.根据权利要求12所述的方法，还包括：使用所述待发信号以启用零交叉检测。

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