位置编码器装置和用于确定这种装置的故障状态的方法与流程

本发明涉及一种位置编码器装置和一种用于确定这种装置的故障状态的方法。

位置编码器广泛地用于需要确定可移动物体的绝对位置或相对位置的各种应用中。为了进行这种测量，相应的位置编码器通常包括沿可移动物体的移动轴布置的多个传感器，其中，传感器配置成检测由可移动物体发射的源场。根据由可移动物体生成的源场矢量在传感器的相应的轴上的几何保护，生成相应的传感器值并且用于确定在传感器中的每个的位置处的局部源场。测量的量能够从传感器值，例如旋转位置编码器的角度导出。

相应的传感器装置通常包括另外的信号放大器，并且通常包括模数转换器以及用于评估数字信号以便确定可移动物体的位置的评估单元。

在相关元件(例如传感器、放大电路或评估单元)的一个或更多个发生故障的情况下，对待测量的量的确定可能是错误的。此外，如果传感器的至少一个发生故障并且没有如预期工作，但仍传递传感器信号，则在传统系统中可能检测不到该错误。尤其是对于汽车应用或安全相关的应用，这种情况可能是危险的。

因此，要实现的目的是提供一种允许确定具有改进的可靠性的位置编码器装置的故障状态的故障检测概念。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。故障检测概念的实施例和发展是从属权利要求的主题。

故障检测概念基于这样的思想，即，通过使用具有多个以已知的几何分布(例如均匀分布)设置的传感器元件的位置编码器装置，由传感器元件提供的传感器值不仅能够用于确定可移动物体的位置，而且能够用作功能安全fusa特征，利用该fusa特征来确定潜在的故障状态。与位置测量相比，fusa基于对传感器值的不同信号评估。特别地，该不同的信号评估基于来自传感器元件的传感器值中的每个与阈值的比较。如果适当地选择该阈值，则理想地，对于均匀分布的传感器元件，一半传感器值大于阈值，而另一半传感器值小于阈值，假设由可移动物体生成的源场是主导的并且对于所有传感器元件外部场基本上是恒定的。根据比较的结果，算法能够计算位置的粗略值。通过将可移动物体的传统确定的位置与该粗略位置进行比较，能够生成系统的功能性和可信度的标志。此外，也能够确定粗略位置测量的可信度。

故障检测概念允许例如检测位置编码器装置中的损坏或退化的传感器元件或连接的信号处理电路。对于所有的配置，能够至少部分地与传统位置确定并行地执行故障检测。

根据故障检测概念的示例实现，位置编码器装置配置成基于源场来检测可移动源的位置，该源场是磁场或电场并且由该可移动源发射。传感器装置包括多个传感器元件，这些传感器元件以已知的几何分布，优选均匀分布来设置，其中，每个传感器元件配置成基于源场提供传感器值。传感器装置还包括评估单元，该评估单元配置成基于传感器值来确定指示可移动源的位置的精细位置值。此外，评估单元还配置成根据传感器值生成二进制信号的传感器阵列，每个二进制信号对应于传感器值之一并且指示对应的传感器值是小于还是大于阈值。基于传感器阵列，评估单元还配置成确定精细位置值的可信度和/或指示位置编码器装置的故障状态是否存在的错误标志。

优选地，阈值被选择为零，使得评估单元配置成确定传感器值中的每个是正还是负，即所测量的源场是大于还是小于零。此外，传感器元件被理想地设置为使得固定数目的传感器值为正，而其余的示出负的传感器值。特别是对于旋转编码器，该装置配置成使得对于平均分布的传感器元件，一半传感器值为正，而另一半为负。

在一些实施例中，为了确定错误标志，将可移动源的移动范围划分在与传感器元件的数量对应的多个位置区段内，其中，位置区段为已知大小，例如相等大小，并且位置区段中的每个被分配给不同的区段阵列。在这些实施例中，评估单元配置成将传感器阵列与区段阵列中的每个进行匹配，并且将匹配结果记录在模式阵列中。然后，评估单元基于模式阵列来确定错误标志。

例如，对于具有n个传感器元件的系统，其中“n”是整数，传感器阵列由n个单独的位值组成，其中，每个位值指示相应的传感器值是小于还是大于阈值。相应地，移动范围被划分为n个位置区段，每个位置区段分配了不同的n位区段阵列。如果可移动物体的位置位于相应的位置区段内，则每个区段阵列的位指示传感器元件的期望值。特别地，在每个区段阵列中的特定数量的位可以是不确定的，即留作空白或占位符。通常，传感器元件的数量为例如8或16，但也能够根据所需系统而更大或更小。

在该装置的各种实施例中，模式阵列由多个位组成，其中位的数量对应于位置区段的数量。因此，模式阵列的每个位对应于位置区段中之一，并且指示传感器阵列是否与相应区段阵列重合。基于重合的区段阵列来确定这些实施例中的错误标志。

在这种实施例中，评估单元将传感器阵列与n个区段阵列中的每个进行比较，并且将传感器阵列是否与相应的区段阵列重合记录为二进制位，从而形成n位模式阵列。因此，模式阵列的每个位代表位置区段之一，并且指示与相应的传感器阵列重合。特别地，对于具有多个不确定位的区段阵列，一个以上的区段阵列可以与传感器阵列重合。

在各种实施例中，如果模式阵列的固定数量的，尤其是三个相邻位作为仅有的位暗示重合区段阵列，则错误标志不发出警告。此外，在这些实施例中，如果模式阵列的至少一个但少于固定数量的相邻位作为仅有的位暗示重合区段阵列，则错误标志发出指示干扰的警告，否则发出错误信号。

例如，虽然三个相邻的重合区段阵列指示性能良好的位置编码器装置，并且因此不引起任何警告，但是仅具有一个或两个相邻的重合区段阵列可以指示例如位置编码器装置靠近故障边界的操作。在这种情况下，错误标志生成例如指示被干扰的位置测量的警告。例如，包括指示重合区段阵列的非相邻位的模式阵列可能由故障的传感器元件引起。例如，根本没有重合区段阵列可能暗示没有放置好的可移动源。这两种情况导致错误标志生成错误。

在各种实施例中，为了确定可信度，评估单元配置成根据模式阵列确定有效区段值，并且根据该有效区段值确定指示可移动源的位置的粗略位置值。在这些实施例中，评估单元还配置成确定粗略位置值与精细位置值之间的偏差，并且基于该偏差确定指示可信度的另外的错误标志。

例如通过计算具有重合区段阵列的位置区段的平均值来根据模式阵列生成有效区段值，允许将可移动源的位置估计为粗略位置值。这可以与传统确定的精细位置值进行比较，并且基于这两个值之间的偏差，可以生成指示偏差的大小的另外的错误标志。

附加地或替代地，特别是在可移动源的位移期间，在一些实施例中，分别根据精细位置值的序列和粗略位置值的序列生成第一速度矢量和第二速度矢量。在这些实施例中，评估单元还配置成基于第一速度矢量和第二速度矢量来确定指示可信度的附加错误标志。

在第一速度矢量和第二速度矢量没有示出偏差或示出足够小的偏差的情况下，附加的错误标志可以指示没有警告，而其他情况其可以指示警告或错误。

在各种实施例中，位置编码器是线性编码器或旋转位置编码器，其中，可移动源的位置对应于可移动源的旋转角度。

在位置编码器装置的一些实施例中，源场是磁场，并且评估单元还配置成在模拟域中或数字域中针对杂散场来补偿传感器值。

在可移动物体是磁体的实施例中，例如，可能出现影响传感器值的杂散场。特别是对于传感器阵列的生成，这种影响可能根据杂散场的大小导致某些传感器元件的错误比较结果。因此，评估单元还可以配置成基于传感器值来估计杂散场，并且对其进行补偿。可以在模拟域或数字域中执行补偿。例如，在进一步的信号评估之前从传感器值中减去杂散场，或者将阈值设置为等于所计算的杂散场。

在一些实施例中，评估单元还配置成针对外部背景场来补偿传感器值。

由于可能的外部场也影响传感器元件，因此这些实施例中的评估单元还配置成例如通过传感器元件中的每个的dc场补偿来针对背景场校正传感器值。

在位置编码器装置的各种实施例中，传感器值同时生成或在给定时间内生成。

在一些实施例中，评估单元还配置成基于错误标志来适配精细位置值。

例如，在传感器元件之一发生故障并且不管所测量的源场如何都始终生成相同传感器值的情况下，评估单元可以配置成忽略该传感器值并且用乘以校正因子的另一传感器值来替换该传感器值。例如对于旋转编码器，另一传感器值可以是来自与故障的传感器元件相对设置的传感器元件的传感器值，该传感器值乘以-1的校正因子。在这种情况下，系统可以输出适配的精细位置值以及指示警告的错误标志。然而，基于误差标志的精细位置值的适配依赖于对潜在背景场的大小的精确了解。

在下文中，公开了一种用于根据故障检测概念来确定位置编码器装置的故障状态的方法。这种位置编码器装置具有多个均匀分布的传感器元件和发射源场的可移动源，该源场是电场或磁场。根据该方法，根据由传感器元件基于源场提供的传感器值确定指示可移动源的位置的精细位置值。该方法还包括根据传感器值生成二进制信号的传感器阵列，其中每个二进制信号对应于传感器值之一并且指示对应的传感器值是小于还是大于阈值。基于传感器阵列，确定精细位置值的可信度和/或指示位置编码器装置的故障状态是否存在的错误标志。

从对上述位置编码器装置的各种实施例的描述中，这种方法的各种实施例和实现对于本领域技术人员来说变得显而易见。

对于磁源场，在各种实施例中，例如在cmos实现中采用的传感器元件优选是霍尔传感器，如横向霍尔传感器或垂直霍尔传感器。然而，基于源场的类型，例如使用磁阻效应的其他磁场传感器或各种类型的电场传感器也能够与故障检测概念一起使用。例如，如果源场是电场，则诸如电感式或电容式传感器之类的传感器类型能够用于位置确定和故障检测概念。如果源场是电磁场，则传感器元件能够是例如光传感器。

下面将参照附图针对几个实施例详细描述本发明。相同的附图标记表示具有相同功能的元件或部件。在元件或部件在功能上彼此对应的情况下，在以下附图中的每个中将不再重复对它们的描述。

在附图中：

图1示出了采用故障检测概念的位置编码器装置的示例实施例，

图2示出了采用故障检测概念的位置编码器装置的另外的示例实施例，

图3示出了采用故障检测概念的位置编码器装置的另外的示例实施例，

图4示出了采用故障检测概念的位置编码器装置的另外的示例实施例，

图5示出了采用故障检测概念的位置编码器装置的模拟示例性数据，

图6示出了根据故障检测概念的模拟示例性数据的评估步骤，

图7示出了根据故障检测概念的模拟示例性数据的另外的评估步骤，以及

图8示出了根据故障检测概念的模拟示例性数据的另外的评估步骤。

图1示出了基于框图描绘的位置编码器装置的示例性实施例。该装置是旋转编码器装置，并且包括均匀分布并且相对于由点划细线十字表示的旋转轴对称地设置的四个磁场传感器元件ch0-ch3。编码器装置配置成测量由可旋转磁源发射的磁源场，该可旋转磁源优选放置在传感器元件之上，使得磁源的旋转轴与传感器元件的旋转轴重合。在实际实现中，磁源的旋转轴和传感器元件的旋转轴可以相对于彼此偏移。

例如由如cmos霍尔传感器的霍尔传感器形成的磁场传感器ch0至ch3中的每个提供与在传感器的位置处感测的磁场的强度对应的相应传感器值。磁场传感器的各个传感器信号在各自放大之后组合并且提供给评估单元eval。

评估单元eval可以执行信号评估以便将磁源的旋转角度确定为精细位置值，这在本领域中是公知的。然而，根据故障检测概念，评估单元eval还配置成将每个传感器值与阈值进行比较，并且根据各个传感器值是大于还是小于阈值，生成值为“1”或“0”的二进制信号。所有比较的结果，即所有传感器值的二进制信号，被组合到其大小对应于传感器元件的数量的传感器阵列中。例如，对于磁源的给定旋转角度，传感器阵列给定为“0110”。

图2示出了基于图1的位置编码器装置的另外的示例性实施例，具有均匀分布并且相对于由点划细线十字表示的旋转轴对称地设置的八个磁场传感器ch0-ch7。与在图1中所描述的相同的原理也适用于此处。相应地，在该实施例中，对于磁源的给定旋转角度，传感器阵列由八位，例如“00111100”组成。

图3示出了基于图1和2的实施例的位置编码器装置的另外的示例性实施例，并且根据一些实现进一步详述了评估单元的工作原理。为了简单起见，所示出的实施例仅包括例如具有自动增益控制agc和自旋电流的单个霍尔元件。在源场上，霍尔元件易受磁源的杂散场以及例如由于外部场引起的噪声和可能的偏移的影响。

霍尔传感器根据传感器的位置处的磁场生成传感器值，该传感器值通常在进一步评估之前放大。放大可以引入额外的偏移。放大器的输出信号被提供给模数转换器adc以及比较器，该比较器将传感器值与阈值(在这种情况下值为零)进行比较，并且如果传感器值为正，则输出值为“1”的二进制信号，或者如果传感器值为负，则输出值为“0”的二进制信号。

对于根据故障检测概念的位置编码器装置，比较器针对传感器值中的每个生成具有如上所述的二进制值的传感器阵列。例如，通过在传感器放大器与到adc和到比较器的路径之间采用开关单元，评估电路可以连续地处理传感器值。

在该实施例中，以三种不同的方式来评估adc的输出。首先，评估数字化的传感器值以计算dc补偿场，以补偿由于背景场引起的偏移。例如，为此，评估单元根据相对的传感器元件(例如图2所示的八传感器布置中的ch0和ch4)的传感器值来计算差值。该差值对应于由例如外部场引起的偏移或与其成比例。然后，评估单元可以通过从传感器值中直接减去该偏移来校正该偏移。

其次，以传统的方式评估数字化的传感器值以生成精细的位置值。第三，传感器值用于计算杂散场和由磁源引起的潜在dc场。例如，杂散场对应于传感器值的算术平均值。为了校正传感器值，在使用数模转换器dac将计算的杂散场转换回模拟域之后，可以从放大的传感器值中直接减去该计算的杂散场。替代地，例如如果数字域中不存在单通道传感器值，则可以在模拟域中计算杂散场。

比较器的输出用于模式检测，该模式检测生成模式阵列。对于模式检测，根据一些实现的移动范围被划分为与传感器元件的数量相对应的多个已知部分，从而定义位置区段。位置区段中的每个被分配不同的区段阵列，其中每个区段阵列的位指示各个传感器值的预期符号，假设源的旋转角度位于各个位置区段内。为了定义每个位置区段的位置范围，每个区段阵列中的一定数量的位可以是不确定的，即，留作空白或占位符。

例如，对于具有16个位置区段和四个占位符“x”的系统，用于第一区段的区段阵列可以给定为“x111111xx000000x”，用于第二区段的区段阵列可以给定为“xx111111xx000000”，等等。

为了生成模式阵列，将传感器阵列与区段阵列中的每个进行比较，并且对于相应的重合区段阵列，模式阵列的位记录为值“1”，并且如果相应的区段阵列与传感器阵列不重合，则位记录为值“0”。例如，对于16个传感器元件，可移动源的5°的旋转角度可以导致“1111111100000000”的传感器阵列。该传感器阵列与位置区段0、1和15的区段阵列重合，因此生成具有值“1000000000000011”的模式阵列。

模式阵列可以用于三重评估。首先，分析重合区段阵列的数量和区段，即，模式阵列中具有值“1”的位的数量和位置。如在以上示出的示例性模式阵列中，如果对于模式阵列的剩余位置，模式阵列显示值为“1”和值为“0”的三个相邻位，则评估单元可以生成指示没有警告的错误标志。对于模式阵列中的仅值为“1”的位的两个相邻位，可以生成指示小干扰的警告作为错误标志，而模式阵列中只有一个值为“1”的单个位可以使错误标志指示大干扰。干扰可能导致传感器阵列中值为“0”的位和值为“1”的位的数量不相等。如果上述情况都不适用，例如在模式阵列仅包括值为“0”的位或值为“1”的非相邻位的情况下，则错误标志可以指示错误的测量。对于上述旋转编码器的示例，通道可以任意标记。特别地，在这种装置中，第一位置区段和最后位置区段(在该示例中为0和15)，以及模式阵列的第一位和最后位，被认为是相邻的。

可以评估模式阵列的第二种方式是根据模式阵列中的值为“1”的位确定有效区段s作为平均值。例如，在以上示出的示例性模式阵列中，有效区段可以被确定为区段0。使用该有效区段s，可以确定旋转角度phi的粗略估计。它能够使用公式来计算：

phi＝s＊360°/n

其中，n对应于传感器元件的数量，因此定义估计的分辨率360°/n。该粗略位置值能够与传统确定的精细位置值进行比较，并且根据这两个值之间的偏差，可以生成另外的错误标志。例如，对于高于某个值的偏差，能够生成错误，而对于中间偏差，错误标志可以对应于警告。

区段阵列中占位符的数量指示估计的粗略位置值的精度。例如，增加占位符的数量，例如通过将来自以上示例的位置区段0的区段阵列定义为“xx1111xxxx0000xx”并且相应地定义其他位置区段，降低了估计的精度，因为更多的位置区段变得与传感器阵列重合。另一方面，该系统较不易受到干扰，并且因此即使对于大干扰也能够生成估计的粗略位置值。

对于高信号质量，即非常低或没有干扰，无论占位符的数量如何，模式检测的行为都是相同的。对于低信号质量，即高干扰，具有增加的占位符数量的模式检测证明在粗略位置值估计中更可靠。

第三，特别是除了第二评估之外并且在磁源的旋转期间，描述方向和旋转速度的旋转矢量能够根据模式阵列确定，并且与精细位置值随时间的变化进行比较。基于该比较，附加的错误标志随后可以指示在旋转矢量与磁源的真实旋转之间是否存在差异。

图4示出了基于图1和2的实施例的位置编码器装置的另外的示例性实施例。与图3中示出的实施例相比，在数字域中补偿所计算的杂散场。详细地，在比较器阶段处，杂散场值用作阈值。其余的评估类似于图3中显示和详述的评估。

替代根据传感器值计算杂散场作为平均值，能够利用不同的方法以在各种实施例中生成杂散场的值。另一种解决方案是通过确定一段时间内值为“1”的平均位数和值为“0”的平均位数来评估在比较器级处生成的传感器阵列，例如用于一系列位置测量。如果具有值“1”的位数占主导地位，则需要增加杂散场的值。因此，如果具有值“0”的位数占主导地位，则需要减小杂散场的值。

补偿杂散场的第二种方式是在传感器阵列的生成期间，快速增加杂散场的值，直到传感器阵列中“0”的数量等于“1”的数量。即使由于任何原因，例如由于不存在单个传感器值而使杂散场不能被计算，使用这两种方法中的一种也允许杂散场的补偿。

图5示出了传感器值的示例。特别地，该曲线图示出了在具有16个通道，即16个传感器元件的旋转编码器装置中，标准化为可移动源的近似振幅与旋转角度的关系的模拟传感器值。模拟数据包含在每个传感器的位置处测量的源场，其具有传感器上的随机噪声、杂散场和偏移。此外，模拟数据还考虑了在每个传感器的灵敏度中噪声。

图6示出了来自图5的模拟数据的比较器输出。特别地，在0°至379°的角度处示出了传感器值，即通道中的每个的比较器输出。黑色区域指示传感器数据大于阈值，即值为“1”的二进制比较器输出，而白色区域指示传感器数据小于阈值，即值为“0”的二进制比较器输出。以一定角度获取的所有二进制值(在此示例中为16个值)形成传感器阵列。根据上述实施例之一，针对杂散场对模拟数据进行校正。

图7示出了图6的比较器输出的分析结果，其用于产生模式阵列模式阵列。在每个角度处，传感器阵列与区段阵列比较，并且以二进制形式记录该比较结果。特别地，黑色区域指示重合的位置区段，因此指示在特定角度处的模式阵列中的相应位的二进制值“1”，而白色区域指示传感器阵列与相应区段阵列之间没有重合，因此指示模式阵列中的相应位的二进制值“0”。

图8示出了对图7的模式阵列的评估。一方面，模式计数指示在这种情况下相对于角度在二与三之间波动的相邻的重合位置区段。如上所述，这种模式计数可以指示干扰的级别，在该示例中，计数三指示没有干扰，而计数二指示例如由于在图5的模拟数据中添加的噪声而引起的小干扰。另一方面，还根据模式阵列确定有效位置区段，其用于估计旋转角度即粗略位置值。

尽管所有上述实施例描述了旋转编码器，特别是具有霍尔传感器元件的磁性旋转编码器及其评估步骤，但是故障检测概念也适用于其他类型的位置编码器，例如磁性线性位置编码器以及基于电源场的旋转和线性位置编码器。在电场的情况下，例如可以采用电感或电容类型的传感器来确定位置和故障检测概念。如果源场是电磁场，则传感器元件能够是例如光传感器。