用于分析转动角度传感器的信号的装置和方法
阅读：314发布：2023-03-26
专利汇可以提供用于分析转动角度传感器的信号的装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了对转动 角 度 传感器 的 信号 进行的两次分析。在此，在第一信道中，将转动角度传感器的信号关于待计算的角度信号的尽可能高的角度品质进行处理。用于处理转动角度传感器的信号的第二信道与之相反基于错误的尽可能好的诊断性进行优化。，下面是用于分析转动角度传感器的信号的装置和方法专利的具体信息内容。
1.用于分析转动角度传感器（2）的信号的装置，其具有：
第一处理单元（10），所述第一处理单元具有：
带通滤波器（11），所述带通滤波器被设计用于弱化预先确定的频率范围之上和以下的频率部分并抑制转动角度传感器的信号的直流部分，并提供被滤波的第一信号；以及第一计算单元（12），所述第一计算单元被设计用于基于所述被滤波的第一信号来计算第一角度值；
第二处理单元（20），所述第二处理单元具有：
低通及带通滤波器（21），所述低通及带通滤波器被设计用于弱化预先确定的边界频率之上的频率部分，并提供被滤波的第二信号；以及
第二计算单元（22），所述第二计算单元被设计用于基于所述被滤波的第二信号来计算第二角度值；以及
分析装置（30），所述分析装置被设计用于将计算出的第一角度值与计算出的第二角度值进行比较。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一处理单元（10）包括第一采样装置，所述第一采样装置被设计用于以第一采样频率来采样所述被滤波的第一信号；
并且所述第二处理单元（20）包括第二采样装置，所述第二采样装置被设计用于以第二采样频率来采样所述被滤波的第二信号；
并且其中，所述第一计算单元（12）基于被采样的被滤波的第一信号来计算所述第一角度值，并在所述第二计算单元（22）中基于被采样的被滤波的第二信号来计算所述第二角度值。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一采样频率大于所述第二采样频率。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述第一采样装置包括德尔塔-西格玛-模拟-数字转换器、即DS-ADC。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述第二采样装置包括逐次逼近寄存器模拟数字转换器、即SAR-ADC。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述第一计算单元（12）基于第一信号导线与第二信号导线之间的电压差来处理所述转动角度传感器（2）的信号；以及所述第二处理单元（22）基于所述第一信号导线与参考电位之间的第一电压和所述第二信号导线与所述参考电位之间的第二电压来处理所述转动角度传感器（2）的信号。
7.驱动系统，其具有：
电马达（3），所述电马达被设计用于驱动驱动轴；
转动角度传感器（2），所述转动角度传感器与所述电马达（3）的所述驱动轴耦合，并且所述转动角度传感器被设计用于给出电信号，所述电信号与所述驱动轴的相对位置相一致；
根据前述权利要求1至6中任一项所述的用于分析转动角度传感器（2）的信号的装置。
8.根据权利要求7所述的驱动系统，其中，所述转动角度传感器（2）包括分解器。
9.用于分析转动角度传感器（2）的信号的方法，其具有下列步骤：
接收（S1）所述转动角度传感器（2）的信号；
将带通滤波应用（S2）到转动角度传感器的被接收的信号上，以便获得被滤波的第一信号，其中，弱化预先确定的频率范围之上和之下的频率部分并抑制被接收的信号的直流部分；
基于所述被滤波的第一信号来计算（S3）第一角度值；
将组合的低通及带通滤波应用（S4）到转动角度传感器的被接收的信号上，以便获得被滤波的第二信号，其中，弱化预先确定的边界频率之上的频率部分；
基于所述被滤波的第二信号来计算（S5）第二角度值；以及
将计算出的第一角度值与计算出的第二角度值进行比较（S6）。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，用于接收转动角度传感器（2）的信号的步骤（S1）接收一分解器的两个彼此相位偏移的信号。
用于分析转动角度传感器的信号的装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及用于分析转动角度传感器的信号的装置和方法。
背景技术
[0002] 电动车辆和混动车辆的意义不断增加。为了调节就像这种车辆中使用的永磁激励同步机（PSM）和电激励同步机（ESM），这类机器的转子位置角度的识别是必不可少的。此外，为了调节异步机（ASM）驱动器的电频率的识别是必要的。为了获知转子位置角度或电频率可以使用不同的传感器类型。例如可以是基于涡流效应的传感器、分解器或数字式角度传感器。
[0005] 基于用于调节机器或驱动器的角度信号的重要意义而期待的是，尽可能提早且可靠地探测转动角度传感器或信道以及继续处理的逻辑中出现的错误。
[0006] 因此存在对于用于分析转动角度传感器的信号的装置和方法的如下要求，该要求可以识别在确定转子角度时的可能的干扰或错误。此外存在对于转子角度确定的可靠且在此同时简单且成本低廉的分析的要求。
发明内容
[0007] 为此，根据第一方面，本发明提供了用于分析转动角度传感器的信号的装置。
[0008] 与之相应地，本发明提供了用于分析转动角度传感器的信号的装置，其具有第一处理单元、第二处理单元和分析装置。第一处理单元包括带通滤波器和第一计算单元。带通滤波器被设计用于，使处于预先确定的频率范围之上和之下的频率部分弱化或有时完全减弱。带通滤波器还被设计用于抑制转动角度传感器的信号的直流部分。带通滤波器就此提供了被滤波的第一信号。所述第一计算单元被设计用于基于所述被滤波的第一信号来计算第一角度值。第二处理单元包括低通及带通滤波器以及第二计算单元。低通及带通滤波器被设计用于，使处于预先确定的边界频率之上的频率部分弱化或有时完全减弱。低通及带通滤波器就此提供了被滤波的第二信号。所述第二计算单元被设计用于基于所述被滤波的第二信号来计算第二角度值。此外，分析装置被设计用于将计算出的第一角度值与计算出的第二角度值彼此进行比较。
[0009] 根据另一方面，本发明提供了用于分析转动角度传感器的信号的方法。
[0010] 与之相应地，本发明提供了一种方法，该方法具有接收转动角度传感器的信号的步骤和将带通滤波应用到转动角度传感器的接收到的信号上的步骤。就此获得被滤波的第一信号，其中，弱化或有时完全减弱处于预先确定的频率范围之上和以下的频率部分。同时抑制接收到的信号的直流部分。该方法还包括用于基于被滤波的第一信号来计算第一角度值的步骤。此外，该方法包括用于将组合的低通及带通滤波应用到转动角度传感器的接收到的信号的步骤。由此获得被滤波的第二信号，其中，弱化或有时完全减弱处于预先确定的边界频率之上的频率部分。接下来，基于所述被滤波的第二信号来计算第二角度值。该方法此外包括用于将计算出的第一角度值与计算出的第二角度值进行比较的步骤。
[0011] 发明优点
[0012] 本发明基于如下构思：将由转动角度传感器所提供的信号在两个不同的信道上处理并接下来将结果彼此进行比较。在此，第一信道中的处理基于转动角度的尽可能精确的获知来设计，而第二信道中的处理被优化用于错误探测。在此，通过将带通滤波器应用在第一信道中来隐没由于直流部分或偏移的可能的干扰。由此可以改善转动角度的确定。在另外的信道中与之相反，虽然由于引入直流部分使得转动角度的获知变得困难，但是同时该直流部分被此外提供用于可能的错误探测并可以连带引入到相应的处理中。
[0013] 除了应用两个信道中的不同滤波器特性之外，这些信道此外可以基于对应的应用情况，也就是说第一信道中的角度品质和第二信道中的错误的诊断性来优化。在此尤其地，第一信道中可以执行具有比第二信道中更高的准确性要求的处理。
[0014] 根据一种实施方式，所述第一处理单元包括第一采样装置，所述第一采样装置被设计用于以第一采样频率来采样所述被滤波的第一信号。此外，所述第二计算单元包括第二采样装置，所述第二采样装置被设计用于以第二采样频率来采样所述被滤波的第二信号。在此，第一计算单元基于采样的被滤波的第一信号来计算第一角度值。第二计算单元基于采样的被滤波的第二信号来计算第二角度值。以这种方式可行的是，用于每个信道中的信号的采样率适配相应的应用，也就是说用于角度品质或错误诊断性方面的优化。
[0015] 根据另一种实施方式，第一采样频率大于第二采样频率。该方式可以针对精确确定角度实施具有高的采样率、也就是说具有大量采样值的处理。同时可以以较小的采样率并由此以对于计算能力的较低要求来实施错误诊断。
[0016] 根据另一种实施方式，第一采样装置包括德尔塔-西格玛-模拟-数字转换器（DS-ADC）。尤其地，DS-ADC在此可以在微分模式中运行。此外，DS-ADC能够实现直至例如3μs的非常快速的采样。由此可以针对非常精确的角度提供非常多的采样值。
[0017] 根据另一种实施方式，第二采样装置包括逐次逼近寄存器模拟数字转换器（SAR-ADC）。尤其地，SAR-ADC在此可以在信号单端模式（Single-Ended-Modus）中运行。以这种方式可以绝对地检测转动角度传感器的所提供信号的电压值。这点对于电诊断、例如识别短路或中断是有利的。
[0018] 根据另一种实施方式，所述第一处理单元基于第一信号导线与第二信号导线之间的电压差来处理所述转动角度传感器的信号。此外，所述第二处理单元基于所述第一信号导线与参考电位之间的第一电压和所述第二信号导线与所述参考电位之间的第二电压来处理所述转动角度传感器的信号。由此可以在没有干扰的直流部分的情况下确定第一信道中的角度信号。此外，在第二信道中提供了用于错误诊断的直流部分。
[0019] 根据另一方面，本发明提供了具有电马达、转动角度传感器和根据本发明的用于分析转动角度传感器的信号的装置的驱动系统。电马达被设计用于驱动驱动轴。转动角度传感器与电驱动器的驱动轴耦合。此外，转动角度传感器被设计用于，给出电信号，该电信号与驱动轴的相对位置相一致。
[0020] 根据驱动系统的一种实施方式，转动角度传感器包括分解器。分解器在一回转内提供了绝对角度信号并因此不必在接通之后被参考。因此，分解器非常好地适于作为转动角度传感器。
[0022] 其他优点和实施方式由随后的描述参考附图来获得。
[0023] 附图的简短说明
[0024] 其中示出：
[0025] 图1：根据一实施方式的电驱动系统的示意图；
[0026] 图2：根据一实施方式用于处理角度信号的装置的示意图；以及
[0027] 图3：如基于根据一实施方式的方法那样的流程图表的示意图。
具体实施方式
[0028] 图1示出了根据一实施方式的电驱动系统的示意图。电机3由电源5通过整流器4来馈给。例如，电源5可以是电动车辆的牵引电池。电机3例如可以是永磁激励同步机、电激励同步机或还有是异步机。此外在原则上也可以的是另外的电机。三相电机3的这里所示的实施方式在此仅表示一种示例性的实施方式。此外也可以的是具有相位不同于三个数量的电机。整流器4转换由电源5所提供的电能并将被转换的电能提供用于操控电机3。在此，操控电机3可以基于预先给定或者说控制装置1的控制信号来进行。此外可以在制动电机3时也将动能通过电机3转变为电能并通过整流器4将该电能输入到能量源5的电能存储器中。
[0029] 在此，为了调节永磁的-或电激励的同步机关于该机器中转子的位置的识别是必不可少的。此外，为了调节异步机这种机器的电频率的识别是必要的。为此，电机3可以与转动角度传感器2耦合。例如，转动角度传感器2可以与电机3的驱动轴耦合。例如，为了确定机器3的转子位置和/或电频率，基于涡流效应的传感器、数字式角度传感器或所谓的分解器是可行的。
[0030] 在分解器中一般在一壳体中布置两个以90°电偏移的定子绕组，这些定子绕组围住具有转子绕组的被支承在壳体中的转子。原则上，用于获知角度位置的不同替换方案是可行的，其中随后示范性描述一种可能性。例如，分解器的转子绕组可以以正弦形的交变电压来激励。在此，在分解器的两个定子绕组中感应的电压的振幅与转子的角度位置相关并与转子的角度位置的正弦和余弦相应。由此，转子的角度位置可以由分解器的两个定子绕组的信号的反正切（arctan）来计算。
[0031] 为了可以在信号处理并尤其是也在调节电驱动器时保证足够的安全性，所期待的是，可以校验由转动角度传感器、例如分解器所提供的信号并在此有时也可以诊断这些信号中的错误和干扰。例如，电驱动系统可以具有接口，通过该接口可以将控制信号传递给功率电子装置并且提供转动角度传感器的传感器信号、例如还有输出信号。除了纯粹分析转动角度传感器的这些信号之外此外也可以基于可信性和错误检验这些信号。
[0032] 图2示出了根据一实施方式的用于分析转动角度传感器的信号的装置的示意图。在此，用于分析转动角度传感器的信号的装置包括第一处理单元10、第二处理单元20以及分析装置30。即使与一分解器的两个输出信号相关地来描述下面的实施例中的转动角度传感器的信号的分析，该示例性的图示不是对本发明的限制。确切地说，根据本发明对转动角度传感器的信号的分析也可以被应用到另外的转动角度传感器的输出信号上或也可以被应用到其它的与角度相关的信号上。此外，信号的根据本发明的分析也可以应用到另外的传感器的信号上。在此情况下，应用不被强制性限制到角度信号上。
[0033] 用于分析转动角度传感器的信号的装置在此例如接收转动角度传感器的原始信号。例如，这些原始信号可以是分解器的正弦信号和余弦信号。这些信号例如可以通过被标准化的接口或任意另外的连接来提供。用于分析转动角度传感器的信号的装置就此就像随后详细阐释的那样在两种不同的方法中分开地分析转动角度传感器的信号。在此，转动角度传感器的信号的分析取向到重建的角度信号的高品质上。转动角度传感器的信号的另外的分析与之相反被取向到可能的错误的尽可能高效且富有说服力的诊断性上。
[0034] 在第一信道中，转动角度传感器的信号的处理以用于进一步信号处理或调节的尽可能高的角度品质的目标来进行。如果每个信号（例如分解器的正弦信号和余弦信号）分别通过两个信号导线来传递，那么可以在第一处理路径中例如将这两个信号导线之间的电压进行微分测量。在此，一信号通过两个信号导线的这种传递能够实现该信号与参考电位无关的传递。由此，通过转动角度传感器的信号的两个信号导线之间的这种微分测量来抑制共模干扰、例如信号导线上的偏移，从而使得这类干扰不对角度信号的进一步分析产生影响。此外，转动角度传感器的信号可以在第一处理单元10中借助于带通滤波器11来滤波。在此，这种带通滤波器减弱或抑制转动角度传感器的信号中的如下的频率部分，这些频率部分处于第一频率之下或第二边界频率之上。第一和第二边界频率之间的频率部分与之相反不被或仅被非常小地减弱。尤其也可以通过这种带通滤波器11来抑制转动角度传感器的信号中的直流部分。如果转动角度传感器的信号首先以模拟形式存在，那么这些信号也可以在第一处理单元10中例如由模拟-数字转换器来采样并数字化，该模拟-数字转换器以微分模式运行。例如，这种模拟-数字转换器可以是德尔塔-西格玛-模拟-数字转换器（DS-ADC）。这类模拟-数字转换器能够实现输入信号的非常快的采样。例如，输入信号可以以直至3μs的采样率来采样。同时可以通过这类模拟-数字转换器在微分模式中抑制转动角度传感器的信号中的直流电压偏移。另外的模拟-数字转换器、尤其是具有微分运行模式的模拟-数字转换器同样是可行的。
[0035] 接下来，在第一处理单元10中通过第一计算单元12分析转动角度传感器的之前所描述的已整理信号，用以确定第一角度值。在此，该第一计算单元12以高的处理速度、即在非常高的时钟脉冲计算格栅上处理转动角度传感器的经带通滤波的数字化信号。在此，第一角度值通过第一计算单元12的计算借助于传统的已知的算法来进行用于从转动角度传感器的信号重建角度值。替换地显然也可以应用新式算法用于从转动角度传感器的信号重建转动角度。
[0036] 由此，通过转动角度传感器的信号的之前所描述的处理和滤波以及角度值在第一处理单元10中的快速的时钟脉冲的计算可以提供具有高品质的角度信号。处理和尤其是滤波在此能够实现隐没转动角度传感器的信号中的直流电压部分，从而使得重建的角度信号不由于这类直流电压部分受影响或歪曲。
[0037] 与第一处理单元10中的角度值的计算并行地，同时也进行通过第二处理单元20的第二角度值的计算。在此，该第二处理单元20例如可以借助于信号导线中的每个信号导线与一参考电位之间的信号单端测量来分开地检测转动角度传感器的通过两个信号导线所提供的信号。通过该分开地检测两个信号导线上的两个电压例如可行的是如下这样的电诊断，该电诊断能够实现输入信号中的共模干扰的探测。也可以以这种方式非常简单地探测接地或具有其它的电压电位的信号导线的短路。此外，第二处理单元20包括组合的低通及带通滤波器21。这类低通及带通滤波器21在此减弱或抑制处于预先给定的边界频率之上的频率部分。该边界频率以下的频率部分与之相反不被或仅以非常小的程度被减弱。尤其地，这种低通及带通滤波器21能够允许直流电压部分通过，从而使得这些直流电压部分可以在下面的分析中被探测。在此，组合的低通及带通滤波器21的低通组件也可以具有边界频率，该边界频率处于组合的低通及带通滤波器21的带通组件的下边界频率之下。以这种方式也可行的是，减弱处于低通组件的边界频率和带通组件的下边界频率之间的频率部分。
[0038] 该组合的低通及带通滤波器21的边界频率，以及第一处理单元10的带通滤波器11的第一和第二边界频率在此可以在考虑对于系统重要的组件的情况下固定地预先给定。替换地也可行的是，使对应的边界频率变化或必要时动态适配。
[0039] 此外也可行的是，组合的低通及带通滤波器21不是完全不阻止直流电压部分经过，而是使该直流电压部分经历一定的减弱。尤其地，该低通及带通滤波器21可以这样地设计，使得针对直流电压部分的减弱比针对使用信号的减弱更高，该使用信号经过组合的低通及带通滤波器21的带通组件。例如，使用信号可以是具有大致10kHz频率的信号。在此，通过减弱组合的低通及带通滤波器21中的直流电压部分可以例如提高系统的分流强度（Nebenschlussfestigkeit）。
[0040] 如果转动角度传感器的信号以模拟形式存在，那么这些信号也可以在第二处理单元20中通过模拟-数字转换器转换成数字信号。为此，在第二处理单元20中，所谓的逐次逼近寄存器模拟数字转换器(SAR-ADC)尤其是可行的。此外，显然另外的模拟-数字转换器也是可行的。如果模拟-数字转换器在此在信号单端模式中运行，那么在此尤其可以获知各个导线上的绝对电压值，在这些导线上提供了转动角度传感器的原始角度信号。由此，电诊断、尤其是还有电压偏移的诊断是可行的。在此，在第二处理单元20的第二信道中，对于错误诊断来说角度位置信号的明显更慢的处理和数字化是足够的，其对于通过第一处理单元10的处理来说是必不可少的。以这种方式，尤其是使用耐用的、成本低廉的结构元件是可行的。此外，在第二处理单元20中也可以将结构元件以及分析算法的选择基于干扰或错误的诊断性进行优化，对此特别高的信号处理速度不是必不可少的。
[0041] 由此，第二处理单元20已经可以通过分析转动角度传感器的信号推断出转动角度传感器的可能的干扰或推断出转动角度传感器和用于分析转动角度传感器信号的电路布置之间的信号导线中的错误。此外可以将第一处理单元10的角度信号和第二处理单元20的角度信号在分析装置30中彼此进行比较。在此，如果处理单元30确定了两个计算出的角度值之间的差异，那么由此可以同样推断出处理角度信号时的错误。在此，两个角度值的该比较的结果以及可能地通过第二处理单元20探测到的错误可以共同地可以分开地提供，以便由此产生可能的错误信号。在此，该错误信号可以由马达控制器或上级的系统监控组件来检测和分析。
[0042] 图3示出了用于分析转动角度传感器中的信号的方法的示意图。在第一步骤S1中接收转动角度传感器的信号。在步骤S2中带通滤波应用到转动角度传感器的该信号上。通过该带通滤波来获得被滤波的第一信号。在该被滤波的第一信号中，使得处于预先确定的频率范围之上和之下的频率部分弱化。尤其地也通过该带通滤波来抑制接收到的信号的直流部分。基于该被滤波的第一信号可以在步骤S3中计算第一角度值。
[0043] 在步骤S4中还将组合的低通及带通滤波应用到转动角度传感器的接收到的信号上。尤其通过该组合的低通及带通滤波来弱化处于预先确定的边界频率之上的频率部分。此外，也可以减弱低通及带通滤波器的低通组件的边界频率与低通及带通滤波器的带通组件的下边界频率之间的频率部分。此外也可以减弱转动角度传感器的信号中的可能的直流部分。在此，虽然使可能的直流部分弱化，但是与带通滤波相反在步骤S2中没有完全减弱。
通过组合的低通及带通滤波所滤波的信号被发出作为被滤波的第二信号。基于该被滤波的第二信号就此在步骤S5中计算第二角度值。在步骤S6中可以接着将计算出的第一角度值与计算出的第二角度值彼此进行比较。出于该比较可以就此可能地推断出用于分析电路的转动角度传感器的信号走向中的或转动角度传感器中的可能的错误。
通过组合的低通及带通滤波所滤波的信号被发出作为被滤波的第二信号。基于该被滤波的第二信号就此在步骤S5中计算第二角度值。在步骤S6中可以接着将计算出的第一角度值与计算出的第二角度值彼此进行比较。出于该比较可以就此可能地推断出用于分析电路的转动角度传感器的信号走向中的或转动角度传感器中的可能的错误。
[0044] 尤其地，转动角度传感器的信号是一分解器的两个彼此相位偏移的信号。在此，分解器的或还有另一转动角度传感器的这些信号中的每个信号可以通过两个彼此电绝缘的导线来传递。以这种方式，信号的与参考电位无关的传递是可行的，该信号可以基于分解器的感应原理来提供。尤其地，参考电位和转动角度传感器的信号之间的电流分离以这种方式也是可行的。
[0045] 总之，本发明涉及对转动角度传感器的信号进行两次分析。在此，在第一信道中，将转动角度传感器的信号关于待计算的角度信号的尽可能高的角度品质进行处理。用于处理转动角度传感器的信号的第二信道与之相反基于错误的尽可能好的诊断性进行优化。
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