专利名称：用于检测正交信号的装置的制作方法
用于检测正交信号的装置
本发明涉及一种用于检测信号单元的正交信号的装置，其中该信号 单元具有共同的供电导线和共同的接地线，并且该信号单元在运行中输 出在相位上相互偏移的两个矩形信号，用于在分析单元中进行分析。
这种装置比如在汽车中被用于针对车窗玻璃升降器、天窗、以及滑 动门、后盖等诸如此类的驱动系统，以检测电才几的、并/人而检测^皮驱动 部件的位置、速度或移动方向。作为传感器、通常是正交编码器，比如 可以使用霍尔传感器、但也是光编码器、容性和感性传感器等诸如此类。 对于这些传感器、也即对于其供电，同样如同对于输出信号一样需要安 装导线，所述导线通过电缆束传输至控制设备。该传感器在此或者可以 集成在电机中，或者可以作为所谓的"独立"传感器来实施。所述导线 在这种系统中产生造价，其中造价随着导线的数量而上升。在汽车中所 铺设的电缆束增加了汽车的重量。此外用于敷设电缆束的最大可能直径 受限于比如从车门到汽车底盘。此外在电缆束中附加的导线增大了故障 概率，比如由于在汽车中所需的插头接触。在此还具有其他的缺点，由 于每个导线对于干扰是敏感的，所以每个导线连接都具有技术风险。
在过去，如同传感器信号的输出一样采用了不同的途径来给传感器
供电，如在
图1至4中所示，其示出了按照当前技术的普遍解决方案。
比如在图1中示出了本身已知的双传感器单元1，其包含有两个传 感器A、 B,其输出信号通过晶体管TA及TB和电阻RA及RB而施加 到输出1A和1B上。另外为了供电还需要两个导线，也即一个共同的供 电导线VBATT以及一个共同的接地线GND。在这种构造中，在输出1A 和1B上的数据信号包含有关于电机、也即准确地说是这种电机转子的 位置和速度的完整信息内容。 一个通常的分析电子装置(未示出)与输 出1A和1B相连接，该电子装置从而比如可以总是正确地检测电机位置 和电才几速度。
在图2中示出了一个速度/方向传感器单元2，其又具有两个独立的 传感器A、 B，这些传感器在此通过逻辑模块2AB利用相似的输出晶体 管TS、 TD以及电阻RS及RD而施加到输出2S及2D上。该逻辑4莫块 2AB直接把该传感器A和B的位置信号分析为一个速度信号S( "Speed
4(速度)")以及一个方向信号D ( "Direction (方向)，，)，其中相 应的速度信号及方向信号被输出到该输出2S和2D上。另外这里再次为 了供电而具有一个供电线VBATT和一个接地线GND,也即同样共计四 根导线。在此，关于通常的分析电子装置，也可以实现所期望的参数的 检测。
在这两个已知构造中的缺点是，总共需要四根导线，这导致前迷的 缺点。
在图1和2的实施中，电阻RA、 RB及RS、 RD保护传感器输出以 防止对VBATT短路，其中这些电阻与晶体管TA、 TB及TS、 TD的所 谓"开路集电极"输出相串联。
在图1的实施的变化中，参见图3,另外还推荐在一个相似的双传
感器单元r中把两个传感器输出信号作为两个相位偏移矩形信号调制
到该传感器单元1、的传感器A、 B的供电电流上。从而为两个传感器A、 B设置了独立的供电线VBATT—A和VBATT—B,并把相应的矩形信号、 也即高/低电平调制到通过这些导线所传输的供电电流上，这比如借助电 阻RA、 RB来进行。在此这两个电阻RA和RB可以是相同的，也即 RA=RB=R。
除了通过电阻，电流调制也可以以本身通常的方式通过电流源来进行。
虽然在此该数据信号也包含有关于电机位置和速度的完整信息内 容，使得分析电子装置总能够正确检测相应的参数，但是该传感器单元
r总还需要三根导线。
在图4中示出了具有仅两根导线VBATT—A和GND的传感器单元3 的一种变型方案，但在这种情况下在该传感器单元3中仅包含有一个单 独的传感器A。该唯一的传感器输出信号比如可以又通过晶体管TA和 电阻RA而被调制到供电线VBATT—A的供电电流上，并作为第二导线 而具有接地线GND。
作为变型方案，直接与电阻RA相连的输出线VBAT丁一A可以被特 有的数据输出线3A来替换，并可以设置一个分离的供电线VBATT,如 在图4中虚线所示。在后一情况中，从而需要三根连接线，在第一情况 中是两根连接线。但在图4的变型方案中缺点是，所输出的数据信号不 再包含有关于位置和速度的完整信息内容。分析电子装置从而仅部分正
5确地检测电机的位置，并需要惯性评估器和反向评估器，以尝试评估正
确的位置。如果比如在电机不受控的情况下在传感器输出线VBATT一A 或3A上出现了脉冲边缘，那么就仅能够关于移动方向进行推断。另外 还对系统的自抑也提出了高的要求。
现在本发明的任务是，推荐如一种开头所述的装置，其中能够利用 信号单元的、尤其传感器单元的最少数量的连接线来保证与完整信息内 容有关的、所期望电机参数尤其位置和速度的传输。
为了解决该任务，本发明规定了如在权利要求1中所定义的一种装 置。有利的实施方案和改进在从属权利要求中给出。
利用该装置，借助供电电流的合适调制，能够传输该信号单元信号 的完整信息内容，比如在电机的情况下有关的位置、速度以及旋转方向 (移动方向)。在此，总共仅需要两根导线，以一方面实现电流供电， 并另一方面实施完整的信息检测。另外还获得的优点是，可以继续使用 常规的、已有的集成电路，并比如在控制设备中实现简单的信号分析。
对于本发明有意义的是，具有不同幅度或电平的矩形输出信号被调 制到供电电流上，使得在分析单元中实现相应的判断。在这种情况下一 种尤其简单的解决方案其特征在于，两个矩形信号通过相互不同的电阻 而被施加到共同的供电线上。从而，在此这两个电阻目的不仅是能够把 两个在相位上偏移的矩形信号调制到共同的供电电流上，而且还具有的 功能是保证这两个矩形信号的不同幅度。但原则上显然也可以考虑借助 相应构造的电流源来实现电流调制。
为了在分析中把被调制到供电电流上的两个信号进行分离，如果该 分析单元包含有比较器，其中一个输入与该供电导线相连，而在另一输 入上施加有预给定阈值，那么这是尤其有利的。该比较器在此提供一个 输出信号，该输出信号在合适选择阈值的情况下"生成"传感器(也即 具有较大幅度的那个传感器)的信号。然后在该分析单元中可以继续针 对该比较器输出信号来实施组合信号的分析，以便不仅导出相应的位置 信号，而且导出速度信号及方向信号。
如果利用在两个矩形信号的两个幅度(包含供电电流的幅度)之间 的电平来选择阈值，那么就获得了一个合适的阈值，其中该阈值减去供 电电流后优选地尽可能位于两个矩形信号的中心。
该比较器的输出有利地与逻辑单元的一个输入相连接，其中该逻辑单元将另 一输入与供电线相连接，以便输入被调制到该供电电流上的矩 形信号。该逻辑单元可以通过微控制器或诸如此类的^^莫块来构造，尤其 是具有可中断能力的输入的微控制器，在该输入上施加有该比较器的输 出信号。
此外，如杲该逻辑单元被设置用于对被调制上的矩形信号在比较器 输出信号的上升和/或下降边缘通过与预给定值相比较来进行分析，那么 在此是有利的。这样实现了可靠的信号识别，并且比如在电机位置信号 的情况下能够精确地检测位置以及从而检测电机的速度、此外还有旋转 移动的方向。
这些信号可以来自于一些独立的传感器比如位置传感器，由它们的 位置信号可以导出所期望的信息-位置、速度、移动方向，其中该位置传 感器的输出信号作为位置信号而被施加到共同的供电线上。
然而还可能有利的是，这两个信号已在该信号单元内被输入一个逻
辑模块，如前面借助图2所解释的，其中该逻辑模块被设置用于导出由 原始信号的逻辑运算而形成的其他信号，比如来自位置传感器输出信号 的速度信号和旋转方向信号，并且其中所导出的信号作为所述两个矩形 信号而被调制到(共同的)供电电流上。
下面借助在附图中所示的优选实施例来进一步解释本发明，但本发 明应该并不局限于此。其中
图1至4示意性示出了按照现有技术的传感器单元的电路图； 图5示出了根据本发明用于检测参数的装置的电路图，其中该装置 具有作为信号单元的一个双传感器单元和一个分析单元；
图6作为图5的替代而示出了一个变化的双传感器单元的电路图， 其具有连接到独立传感器上的逻辑模块；
图7示出了按照图5的双传感器的时间图，以示出图5的装置的作 用原理；
图8以变化的方式示出了该装置的功能图以及在此尤其示出了其中
所包含的分析单元的功能图；以及
图9与图7类似在一个时间图中示出了在图5的装置中采用了图6 的双传感器单元时的曲线。
图1至4在前文已经进行了解释。
图5作为用于检测正交信号的装置10的优选例子示出了一种用于检测电机转子(Rotor)(未示出)参数的装置，其中尤其能够检测电机 转子的位置、速度和旋转方向。为此目的该装置10具有作为信号单元 的双传感器单元ll，该双传感器单元原理上与图2类似地构造，但不同 之处在于，仅具有两个连接导线VBATT—A&B以及GND (接地线)。
该双传感器单元11具体具有两个独立的传感器A、 B,比如霍尔传 感器、光学编码器等，并且该传感器A、 B的输出信号比如通过晶体管 TA、 TB和电阻RA、 RB而被传输给该供电线VBATT—A&B,其中借助 电阻RA、 RB把传感器A、 B或者后接的放大晶体管TA、 TB的在相位 上相互相对偏移的矩形输出信号调制到供电电流上。为了在分析时能够 区分这两个矩形信号，其利用不同的幅度或电平而被调制到供电电流 上，并从而在此该电阻RA和RB的电阻值是相互不同的；比如电阻值 或者两个矩形信号的电平相互差别约1: 2的系数，也即与传感器A有 关的矩形信号幅度比如可以是与传感器B有关的矩形信号幅度的大约 二倍大。
除了所示的借助电阻RA、 RB而进行的供电电流的调制之外，在此 显然也可以借助电流源来进行调制，这是本身已知的并在此不应再详细 解释。
导线或端子VBATT—A&B通过电阻12以通常的方式与电压源13、 比如汽车的车载电网、也即电池相连接，其中共同的接地线GND ("Ground (地)")也与该电压源13相连接。通过输送模拟的、被 调制的电流信号的导线14，分析单元16的逻辑单元15利用一个输入 14、与端子VBATT—A&B相连接。另一输入17'与比较器17的输出相连 接，其中该比较器相应于由导线VBATT—A&B所输入的调制信号(见比 较器17的输入18)相对于一个阈值X而传输一个数字比较器输出信号， 其中该阈值借助阈值发生单元20而被输入给该比较器17的参考输入 19。
在图6中示出了作为信号单元的一种变化的双传感器单元21，其中 -与图2相比-在两个独立的传感器A和B上连接了一个逻辑模块2AB, 以便从而获得速度信号S( "Speed(速度)")以及方向信号D( "Direction (方向)")；信号S、 D又通过晶体管TS、 TD以及-不同大小的-电阻 RS、 RD而被传输给该供电线，并被调制到该供电电流上-与图5的实施 相似。在此从而两根连接线-通常是VBATT和GND-就足够了 ，以一方
8面从传感器单元21输出所有的 信息，并传输到该分析单元中(图5中的16)。
在图7中以四行图7.1、 7.2、 7.3和7.4借助四个时间图示出了图5 的装置10的运行方式。在此在行7.1中具体示出了传感器单元11 (或 者21)的供电电流Io以及其上示出了来自传感器A的矩形信号、电流 U。在下面在行7.2中在一个相应的时间图中示出了传感器B的电流(矩 形信号)、也即电流b。在第三行7.3中相互组合地示出了行7.1和7.2 的所有电流或信号(电流lK),也即示出了矩形信号(传感器信号)IA 和lB调制到该供电电流Io上的结果，其中还示出比较器17的阈值X。
最后在总图7的最下一行7.4中示出了该比较器17的输出信号V， 其中它是具有一致电平的脉沖信号，脉沖的出现所涉及的该脉沖信号重 新生成了传感器A的信号，参见在行7.1中电流信号U的脉冲。这通过 相应地选择阈值X来实现，其中对于该阈值X比如有
X= (IA+IB ) /2+10
在图7中依次示出了两个情况，对应于两个不同的旋转方向I和II, 以阐明主要由逻辑单元15和比较器17而构成的分析单元16如何视在 比较器输出信号V的脉冲上升边缘或者在下降边缘处的调节而定地来 进行导线14上组合信号的分析。如果比如在该比较器输出信号V的、 或者在该传感器A的矩形信号的上升边缘期间-见图7中的采样时间点 23-来验证该传感器B的矩形信号的电平，并且该传感器B的矩形信号 的电平(见图7的行7.2中的电流lB)是低的，那么出现第一旋转方向-情况I;但是如果该传感器B的矩形信号的电平是高的(也即脉沖lB领 先于脉沖U)，那么就出现相反的旋转方向II。附加地或代替地，可以 通过传感器A的矩形信号的、或者比较器输出信号V的下降边缘来触发 该分析，见图7的采样时间点24。如果在此显示出该传感器B的信号电 平在采样时间点24上是高的，那么就出现旋转方向I,但如果传感器B 的信号电平是低的，那么就出现旋转方向II。
逻辑单元15的控制和工作方式所涉及的过程在图8中进行略微变 化地:故示出。在此，用冲备25来表示组合电流的输入(在图5的逻辑单 元15的输入14、上)，并用格26来表示该比较器17的输出状态的传输
9(在逻辑单元15的输入17、上)。该比较器状态、也即图7的比较器输出信号V可以直接被用作位置信号，如在图8中用块27所示。
关于旋转方向的确定，出于可靠的目的，优选地组合实施了前文借助图7所解释的两个变型，通过脉沖信号V的上升边缘来触发计算，并通过下降边缘来触发计算，参见图8中的两个分支28和29。在此利用.块30及31来表示上升边缘的使用(块30)以及下降边缘的使用(块31)。组合的电流Ijc那么就为了逻辑单元15的比较目的而在输入14、上被馈入，并在逻辑单元15中对应于块32及33与预给定值I0+IA+IB-T及Io+T相比较，其中电流Io、 U和Is具有如前文借助图7所解释的含义，并利用T来考虑与电路的元件公差有关的公差量。如果在块32的
比较中揭示该组合电流的值lK不大于预给定值1o+I八+lB-T,参见输出N,
那么就判断为旋转方向I(输出块34)。但是如果符合条件IK〉I0+IA+IB-T,见块32的输出Y,那么就判断为旋转方向II (输出块35)。
在通过比较器输出信号的下降边缘来触发分析的情况下，见图8中的分支29,如果Ik不小于Io+T,那么就确定为旋转方向I;在其他情况中判断为旋转方向II,参见与分支28中输出块34、 35相对应的输出块36和37。
在图9中以类似于图7的组合时间图的形式示出了在使用图6的一种变化的双传感器单元时的情况，其中作为传感器单元21的输出信号一方面获得了一个速度信号-电流Is,另一方面获得了一个方向信号-电流b,参见图9的行9.1和9.2。利用图9的行9.2中的点41、 42、 43和44来分别表示未具体示出的电机的旋转方向反转。在行9.3中再次示出了组合的电流lK，它由分量Io (供电电流)、Is(速度信号电流)和Io(方向信号电流)组成。与图7中相类似，23再次表示采样时间点(针对在该比较器输出信号V的-参见行9.4-以及速度电流信号Is的上升边缘中的采样)，24表示在该脉沖的相应下降边缘中的采样时间点。以前文借助图7和8所述类似的方式，从而相应地在此不仅可以导出与速度有关的信息(通过基于比较器输出脉沖来重新生成电流脉沖Is,行9.4)，而且还可以导出与电^f几的相应旋转方向有关的信息。
在此该分析单元16 (见图5)还可以基于速度数据和旋转方向数据而总是正确地检测电机的位置。
在前迷的所有情况中，组合信号通过一个唯一的导线VBATT、而不是如以前一样通过两个分开的导线而被传输给实际的分析单元16。在按照图6的变化的信号单元或传感器单元21的情况下应该注意的是，电阻RS和RD应该如此来选择，使得信号的幅度在电机旋转方向的所有情况中都高于比较器17的阈值X。与图7的情况相类似，从而在此保证了该比较器输出信号V对应于图9中行9.1的速度信号。
从而显然要使用的导线数量通过所述的技术而被降低，亦即被降低到为供电原则上所需的最小两个导线。由于导线数量少，还可以节省在传感器单元侧以及在分析单元侧的插头管脚，这导致较小的插头体积并从而导致较小的位置需求。另外通过缩减导线和插头管脚还实现了重量降低、较低的故障概率以及降低所需的安装空间。这些优点还进一步导致较大的灵活性和较低的造价。
如果通常应该完全由信号单元来提供并分析正交信号，那么就相应地实现了这些优点。尤其为了获得这些优点，首先所描述的"编码"的形式是信号单元的至少两个信号，其中在此除了如前所述的传感器单元之外，其他的测量工具、如玻璃刻度尺等也可以作为信号的输出点。但本发明优选地应用于汽车领域，并这里再次尤其是检测参数，比如电机转子的位置、旋转方向或速度。
权利要求
1.装置(10)，其具有信号单元(11；21)并具有与该信号单元(11；21)相连接或能够与该信号单元相连接的分析单元(16)，用于检测该信号单元(11；21)的正交信号，其中该信号单元(11；21)具有一个唯一的供电导线(VBATT_A&B)和接地线(GND)，并在运行中输出至少两个在相位上相互偏移的矩形信号(IA，IB；IS，ID)用于在该分析单元(16)中进行分析，其特征在于，该信号单元(11；21)把所述两个相位偏移的矩形信号(IA，IB；IS，ID)以不同的幅度施加到所述唯一的供电导线(VBATT_A&B)上，其中所述两个矩形信号(IA，IB；IS，ID)被调制到通过该供电导线(VBATT_A&B)所馈送的供电电流(IO)上，并且该分析单元(16)包含有比较器(17)，其中一个输入(18)与所述唯一的供电导线(VBATT_A&B)相连接或能够与其连接，相反在另一输入(19)上施加了预给定的阈值(X)。
2. 根椐权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个矩形信号 (Ia, Ib; Is， Id)通过^皮此不同的电阻(RA， RB; RS, RD)^皮施加到共同的供电导线(VBATT—A&B)上。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该阈值(X)具 有在所述两个矩形信号( Ia, Ib; Is, Id )的两个幅度之间的电平加上该 供电电 流(Io )的幅度。
4. 根据权利要求1至3之一所迷的装置，其特征在于，该比较器 (17)的输出与一个逻辑单元(15)的输入(17、)相连接，该逻辑单元在另一输入(14、)上与该供电导线(VBATT_A&B)相连接，以馈送被 调制到该供电电流(Io)上的矩形信号(IA, IB; Is, ID)。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该逻辑单元(15) 被设置用于将在比较器输出信号(V)的上升和/或下降边缘处的被调制 上的矩形信号(U， IB; Is, ID)通过与预给定的值相比较来进行分析。
6. 根据权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，该信号单 元(11; 21 )是具有至少两个传感器(A， B)的传感器单元。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，这些传感器(A， B) 是电机的位置传感器。
8. 根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述信号 本身被施加到该共同的供电导线(VBATT—A&B)上。
9. 根据权利要求1至7之一所迷的装置，其特征在于，该信号单 元(21)包含有逻辑模块(2AB),该逻辑模块被设置用于导出通过对 原始信号进行逻辑运算而形成的信号，其中所述矩形信号(Is， b)相 应于这些被导出的信号来被调制到该供电电流(Io)上。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，通过所迷原始信号 的逻辑运算而形成的信号是由位置传感器输出信号所构成的速度信号 和旋转方向信号(S， D)。
全文摘要
本发明涉及用于检测信号单元(11；21)的矩形信号的装置(10)，其中该信号单元具有一个共同的供电导线(VBATT_A&B)和一个共同的接地线(GND)，并且该信号单元在运行中输出至少两个在相位上相互偏移的矩形信号(I<sub>A</sub>，I<sub>B</sub>；I<sub>S</sub>，I<sub>D</sub>)以在分析单元(16)中进行分析，其中所述两个相位偏移的矩形信号(I<sub>A</sub>，I<sub>B</sub>；I<sub>S</sub>，I<sub>D</sub>)以不同的幅度而被施加到共同的供电导线(VBATT_A&B)上，其中所述两个相位偏移的矩形信号(I<sub>A</sub>，I<sub>B</sub>；I<sub>S</sub>，I<sub>D</sub>)被调制到该供电电流(I<sub>O</sub>)上，并且其中该分析单元(16)与该供电导线相连接或可连接。
文档编号G08C19/02GK101688791SQ200880022442
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月23日 优先权日2007年6月28日
发明者A·埃杰, C·雷诺尔特, P·S·穆拉奇, W·科尔纳 申请人:欧陆汽车有限责任公司