用于使用线性霍尔效应单元确定磁性元件的位置的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于使用设备来确定磁性元件（50）的位置的方法，所述磁性元件能够以相对于纵轴（A）的至少两个方向被移动，即第一方向（Z）和第二方向（X）。所述设备包括：位置传感器（60），包括测量由磁性元件产生的单个磁场的两组两个霍尔效应单元，沿基本垂直于纵轴（A）的第一轴（B）提供的第一组，以及沿基本平行于第一轴（B）的第二轴（C）提供的第二组，其中所述磁性元件相对于所述位置传感器是可移动的；用于测量每个霍尔效应单元的输出处的电压的装置（90）；以及第一及第二装置（91，92），用于计算磁性元件在主方向（Z）和次方向（X）上的位置。所述方法包括以下步骤：计算值P，所述值P是根据在四个霍尔效应单元的端子之间测量的四个电压V1到V4的平均数计算的；并且根据由此计算的值P确定磁性元件（50）在次方向（X）上的位置。

说明书

本发明涉及一种用于使用线性霍尔效应位置传感器来确定磁性元件的位置的设备。本发明还涉及一种与该设备相关联的方法。 

更特别地，本发明涉及检测机动车的齿轮箱选择器的位置并且允许对驾驶员所选择的齿轮比进行预期。 

机动车的齿轮比的选择，对于手动齿轮箱，通常经由位于车辆乘客舱的变速杆来实现，并且其经由连接到齿轮箱比的选择轴的杆联接传动系统，而允许经由本领域技术人员所知的在此没有详细描述的各种齿轮系统来选择齿轮箱的齿轮比。后者一般位于车辆下面，并且连接到车轮和发动机。 

变速杆可以以两个垂直的方向移动。在这个示例中，讨论将限于齿轮箱包括6种齿轮比的情况：第一、第二、第三、第四、第五、以及倒挡R（参见图2）。表述“车辆的排挡”被理解为表示接合于齿轮箱的齿轮比以及“空挡”N，零齿轮比。变速杆的运动被传送到齿轮箱，到齿轮比选择轴-也被称作齿轮比选择器，所述选择器沿纵轴平移并且绕齿轮箱的纵轴旋转。通过各种机械传动系统，齿轮比选择器的这种平移和旋转运动允许驾驶员所选择的齿轮比被接合。 

为了使车辆执行一些操作，例如当齿轮箱处于空挡以便减少污染废气排放时，为了关闭发动机，通常使用包括齿轮比选择器的位置传感器的设备。所述位置传感器通常包括连接到集成电子电路的线性霍尔效应单元。表述“线性霍尔效应单元”将被理解为表示由电流流经的导体或半导体制成的元件，该元件受到垂直于该电流的磁场，由此产生与磁场和流经所述单元的电流成比例的输出电压。霍尔效应单元的测量平面垂直于由磁性元件所发射的磁场。本描述的其余部分中“霍尔效应单元”被理解为表示“线性霍尔效应单元”。 

如图1所示，位置传感器60一般位于齿轮箱30的外壳10上，在位于齿轮比选择器20上（经由支架40）的磁性元件50对面，在齿轮比选择期间，所述齿轮比选择器相对于选择器20的纵轴A以主方向Z旋转并且以次方向X平移。以这样一种方式为磁性元件50定向：磁性元件50产生磁场 ，所述磁场随我们希望检测到的齿轮比选择器20的运动方向而变化。在图1中，磁场被定向为垂直于纵轴A，并且横向地相对于齿轮比选择器20，这是为了测量齿轮比选择器20在主方向Z的旋转运动。在图2中更清楚地图示了磁场的方向，图2示出了图1的顶视图。其中，磁场沿齿轮箱30的横轴B被定向。霍尔效应单元70检测由磁性元件50的平移或旋转运动（如图1所示的示例）引起的磁场的变化，并且从而确定齿轮比选择器20的位置。 

然而，这种检测只能发生在齿轮比选择器20的一个运动方向上，霍尔效应单元70只在由磁性元件50发射的磁场的一个方向上是灵敏的。为了检测何时变速杆80例如位于空挡，定位霍尔效应单元70和磁性元件50，以便确定齿轮比选择器20在主方向Z上的旋转的位置。如上所解释，并且如图2所示，由磁性元件50产生、并且被位置传感器60检测的磁场沿齿轮箱30的横轴B被定向。如果齿轮比选择器20以主方向Z的正向转动，这表示由齿轮箱80选择了偶数排挡（第二、第四）或倒挡R。如果齿轮比选择器20以相反的方向，即负向转动，则选择了奇数排挡中的一个（第一、第三、第五），并且最后，如果齿轮比选择器20以纵轴A为中心，则认为变速杆80位于空挡。 

如图2所示，为了克服磁性元件的漂移以及分隔磁性元件和位置传感器60的距离的变化，通常在两个霍尔效应单元70a和70b的输出电压之间使用比率计量比（ratiometric ratio），所述单元被包含于单个位置传感器60中。这些霍尔效应单元70a和70b位于相同的测量平面，即所述单元在由纵轴A和横轴B所确定的平面内共面，并且它们测量相同的磁场。具体地，通过在两个霍尔单元70a和70b的输出电压之间使用比率计量比，这种影响被抵消了。例如，在专利申请FR2 926 881中描述了这种方法。在该专利申请FR2 926 881中，使用两个霍尔单元的输出电压间的比率计量比的反正切来检测齿轮比选择器20在旋转上的位置，因此独立于一些变化。 

目前，人们不满足于在单一的运动方向上的检测，为了通过预期例如齿轮比的改变来改善车辆的性能（噪音、排气），能够精确检测所选择的齿轮比是有用的。因此，不仅需要能够检测选择的齿轮比的类型（偶数、奇数、空挡），还需要能够检测齿轮比本身，并且因此检测齿轮比选择器20在两个运动方向上的运动，相对于齿轮箱纵轴A的旋转和平移。 

为此，常规做法是，为了设备添加在齿轮比选择器20上的附加的磁性元件500，所述磁性元件以在我们希望检测的第二运动方向或次方向X（在我们的示例中，平移）上产生磁场的方式被定向，并且添加位于所述附加的磁性元件（例如，在齿轮箱30的外壳10上，没有示于图3中）对面并且包括一个或两个霍尔单元700a和700b的位置传感器600。后者位于相同的测量平面，并且被定向以便测量所述第二磁场。这两个霍尔效应单元700a和700b因此均产生与齿轮比选择器20的运动成比例的输出电压，在本例中，在次方向X的正向的平移。在专利申请WO 97 46 815中描述了每个位置传感器采用单个霍尔效应单元的配置。 

使用包括两个磁性元件50和500以及两个位置传感器60和600（均包括一个或两个霍尔效应单元）的设备从而使得检测齿轮比选择器在两个方向上的运动成为可能，旋转和平移，并且从而使得确定由用户通过变速杆所选择的齿轮比成为可能。 

然而，该设备具有需要各自与磁性元件相关联的两个位置传感器的缺陷。由此该设备经证明为在成本和大小方面非常不利。 

因此，本发明提出了通过提供一种设备来克服该缺陷，所述设备只需要单个磁性元件，而关于齿轮比选择器在两个方向上的位置保持同样的准确度。 

本发明的一个主题是一种用于确定磁性元件的位置的设备，所述磁性元件能够以相对于纵轴的至少两个方向被移动，被称为主方向的第一方向，和被称为次方向的第二方向。所述设备包括： 

测量由磁性元件产生的相同磁场的两组两个霍尔效应单元，第一组包括沿基本垂直于纵轴的第一轴的第一单元和第二单元，并且第二组包括沿基本平行于第一轴的第二轴的第三单元和第四单元，所述磁性元件相对于所述两组两个霍尔效应单元是可移动的；

用于测量由每个霍尔效应单元输出的电压的装置；

第一装置，用于计算磁性元件在主方向上的位置；以及

第二装置，用于计算磁性元件在次方向上的位置。

在该设备的一个实施例中，所述设备包括两个邻近的位置传感器，每个传感器包括一组两个霍尔效应单元。 

在该设备的一个优选实施例中，所述设备包括一个位置传感器，所述传感器包括两组两个霍尔效应单元。 

有益地，位置传感器被放置于由磁性元件产生的磁场中，并且位于所述磁性元件对面。位置传感器包括四个霍尔效应单元，每个单元提供与磁性元件产生的磁场的幅度成比例的输出电压。 

根据特定实施例，该设备包括一个或多个下述特征，无论单独地还是任何技术上可能的组合： 

霍尔效应单元是线性霍尔效应单元；

霍尔效应单元基本是彼此相同的；

霍尔效应单元是共面的；

霍尔效应单元以相同的方向被定向；和/或

磁性元件是简单磁体，即该磁性元件不是多极磁体。

在一个实施例中，第一和第二计算装置是单独的装置。 

在优选实施例中，有益地，第一和第二计算装置是相同装置。 

在一个实施例中，测量装置对于每个霍尔效应单元是单独的装置。 

在优选实施例中，有益地，测量装置对四个霍尔效应单元是共同的。 

在本发明的一个实施例中，主方向是磁性元件绕纵轴的旋转的方向，并且次方向是磁性元件沿纵轴的平移的方向。 

在本发明的另一个实施例中，主方向是磁性元件沿纵轴的平移的方向，并且次方向是磁性元件绕纵轴的旋转的方向。 

在一个优选实施例中，该设备允许检测机动车的齿轮箱的选择器的旋转和平移。在这种实施例中，磁性元件被放置在轴为纵向的齿轮比选择器上。 

优选地，测量装置是已装备于车辆的、能够测量霍尔效应单元的端子之间的电压的装置。 

作为可选地共同装置的第一和第二装置包括至少一个计算机，所述计算机能够根据由测量装置得到的作为霍尔效应单元的输出的电压而计算磁性元件的位置。在一个特定实施例中，计算机可以是车辆计算机，该计算机还执行其他功能。 

在第一实施例中，并且在典型的用于前轮驱动车辆的齿轮箱配置中，主运动方向是齿轮比选择器绕纵轴的旋转的方向，并且次方向是齿轮比选择器沿纵向的平移的方向。 

在第二实施例中，并且在典型的用于后轮驱动车辆的齿轮箱配置中，主运动方向是齿轮比选择器沿纵轴的平移的方向，并且次方向是齿轮比选择器绕纵轴的旋转的方向。 

本发明还涉及一种用于使用所述设备来确定磁性元件的位置的方法。所述方法包括步骤： 

使用测量装置来测量由每个霍尔效应单元输出的电压；

使用第二计算装置，根据四个测量电压对值P进行计算，其中，是第一单元的端子之间的电压，是第二单元的端子之间的电压，是第三单元的端子之间的电压，并且是第四单元的端子之间的电压；以及

使用计算的值P确定磁性元件在次方向上的位置。

在该方法的一个实施例中，值P根据两组两个霍尔效应单元的每一组的两个电压间的几何平均数，来计算。 

在该方法的一个实施例中，值P如此计算，使得其等于： 

由给出的比率计量比，其中k是预设的常数；

或者由给出的比率计量比，

比率计量比的选择取决于两个几何平均数间比较的结果。

预设的常数k允许对设备的准确度进行调整。这种调整允许用户考虑尤其由磁性元件的校准（大小、位置）产生的或者甚至由位置传感器和磁性元件的相对位置的差异产生的公差，或者甚至是由霍尔效应单元进行的测量的公差。 

在该方法的简化实施例中，设置k=0，根据两个几何平均数间比较的结果可以计算值P，这样其等于或者。 

例如，值P被选择为，使得： 

=，当≤ 时；

=2-，当≥时。

在该方法的特定实施例中，为了获得磁性元件位置的更精确的确定，所述方法包括根据描述了每个组的几何平均数的差异的关系来校准下述元素的至少一个的值的预备步骤： 

磁性元件的大小；

两个组在纵轴上分隔的距离，

其中所述几何平均数本身取决于磁性元件相对于所述组的位置。

有益地，该方法包括通过计算第一电压和第二电压间的反正切和/或第三电压和第四电压间的反正切来确定磁性元件在主方向上的位置的附加步骤。 

在第一电压和第二电压间以及在第三电压和第四电压间的两个反正切计算可以产生关于磁性元件在主方向上的位置的信息的冗余。 

因此通过采用附加步骤实施该方法，可以精确地确定在主方向和次方向这两个方向上移动的磁性元件的位置。 

以非限制性的方式，该方法可以检测机动车的齿轮箱选择器的旋转和平移，磁性元件被放置在轴为纵向的齿轮箱选择器上。 

现在将通过优选实施例的方式对本发明进行了更加详细的描述，但优选实施例并不限制本发明的范围，如图1至7所示，其中： 

图1，参见上文，示出了装有现有技术的位置传感器的齿轮箱的局部示意图；

图2，参见上文，示出了装有图1的位置传感器的齿轮箱的局部示意性顶视图；

图3，参见上文，示出了装有两个现有技术的位置传感器的齿轮箱的局部示意图；

图4，示出了根据本发明的用于确定放置于齿轮箱选择器上的磁性元件的位置的设备的图；

图5，示出了根据本发明的装有位置传感器的齿轮箱的局部示意图；

图6和7，示出了根据本发明的齿轮比选择器的位置的测量的图形表示。

图4中图示了设备1，用于确定位于机动车的齿轮箱的选择器20上的磁性元件50的位置。 

在磁性元件50位于前轮驱动机动车的齿轮箱的选择器20上的情况下，以非限制性的方式对设备1进行了图示和描述。这种选择是非限制性的，该设备也可用于确定位于后轮驱动机动车的齿轮箱的选择器上的磁性元件50的位置。 

因此，在前轮驱动机动车的情况下，在车辆用户进行齿轮比选择期间，相对于齿轮箱的选择器的纵轴A，磁性元件以主方向Z旋转，并且以次方向X平移。 

针对包括六个齿轮比（五个速度和一个倒挡）的齿轮箱，对该设备进行了描述，如图5所示。 

虽然如图5所示并描述的齿轮比的数量为六个，但是这些排挡的数量并不限于所描述和图示的数量。因此，在不背离本发明范围的情况下，可以将该设备用于包括多于或少于六个齿轮比的齿轮箱。 

设备1包括位置传感器60，一般位于齿轮箱30的外壳上，在磁性元件50对面。 

位置传感器60，如图5所示，包括两组两个霍尔效应单元： 

第一组，包括第一单元70a和第二单元70b；以及

第二组，包括第三单元70c和第四单元70d。

每个霍尔效应单元70a、70b、70c、70d分别提供与由磁性元件50产生的磁场的幅度成比例的输出电压。 

根据优选实施例，霍尔效应单元是共面的并且以这样的方式定位： 

第一组的两个单元70a、70b在被称为第一横轴B的第一轴上对准（align），第一横轴B基本垂直于齿轮比选择器20的纵轴A；

第二组的两个单元70c、70d在被称为第二横轴C的第二轴上对准，第二横轴C基本平行于第一横轴B。

两组两个单元沿纵轴A偏移几毫米，例如大约八毫米。 

设备1进一步包括（参见图4）： 

装置90，用于测量由每个霍尔效应单元输出的电压；

第一装置91，用于根据由霍尔效应单元产生的电压计算磁性元件50在主方向Z上的位置；以及

第二装置92，用于根据由霍尔效应单元产生的电压计算磁性元件50在次方向X上的位置。

在一个实施例中，测量装置90能够测量每个霍尔效应单元70a至70d的端子之间的电压。 

第一计算装置91能够根据由每个霍尔效应单元输出的电压的测量来计算磁性元件在主方向Z上的位置。 

有益地，用于测量电压的测量装置90是为车辆的其他功能执行测量的共享装置，并且可以合并到微控制器中。 

在特定实施例中，用于计算磁性元件50的位置的第一和第二计算装置91、92是为车辆的其他功能执行计算的共享装置，并且可以合并到与测量装置90所使用的微控制器相同的微控制器中。 

在第一实施例中，为了确定磁性元件50在旋转上的位置，并且因此确定选择器20的位置，第一计算装置91计算源自第一组霍尔效应单元70a和70b的第一电压对第二电压之比的反正切。这种计算是本领域已知的。 

图6图示了曲线，和，所述曲线是磁性元件50并且因此是齿轮比选择器20在主方向Z上的旋转运动在最大运动范围内的函数。 

如图6所示，曲线和表现为相对于彼此异相的正弦曲线的形式，并且曲线大体是直线，这些值是与磁性元件50在主方向Z上的旋转运动成比例的。 

因此，根据由第一计算装置91计算的Q值，可以确定磁性元件50并且因此确定选择器20在主方向Z上的旋转运动。 

在另一个实施例中，第一计算装置91计算第二组霍尔效应单元70c和70d的电压对电压之比的反正切，以便确定磁性元件50并且因此确定选择器20在主方向Z上的旋转运动。 

在另一个实施例中，为了得到提供的信息的冗余，第一计算装置91计算第一电压对第二电压之比的反正切以及第二组的电压对电压之比的反正切，以便确定磁性元件50并且因此确定选择器20在主方向Z上的旋转运动。 

在第二实施例中，为了确定磁性元件在平移上的位置，并且因此确定选择器的位置，第二计算装置92在第一步骤中计算每组的两个霍尔效应单元的电压的几何平均数。 

这是因为，使两组两个单元偏移几毫米使得可以产生它们的几何平均数间的差异，该差异足以确定磁性元件并且因此确定选择器20的平移的位置。 

对于第一组，几何平均数是两个霍尔效应单元70a、70b的电压的几何平均数，即源自第一组霍尔效应单元。 

对于第二组，几何平均数是两个霍尔效应单元70c、70d的电压的几何平均数，即源自第二组霍尔效应单元。 

如图6所示，曲线示出了几何平均数对磁性元件50在主方向Z上的旋转运动几乎不敏感。 

曲线，尽管为了不使图凌乱而没有在图6中示出，但是也表明了几何平均数对磁性元件50在主方向Z上的旋转运动几乎不敏感。 

这意味着沿着平移轴X的检测对齿轮比选择器20沿着旋转轴Z的旋转位置是不敏感的，或者换句话说，根据本发明的设备不仅允许精确地确定所接合的齿轮比（第一、第二、第三、第四、第五或倒挡），还允许检测在齿轮比改变期间齿轮比选择器20的运动。因此，本发明使得了解驾驶员是否处于改变到更高或更低的齿轮比的过程中成为可能。这种预期尤其使得更好的管理发动机的电子操作（例如更好的管理在这些阶段的燃料供应）成为可能。 

第二计算装置92然后对值P进行计算，其等于： 

由给出的比率计量比，其中，k是预设的常数；

或者由给出的比率计量比。

根据两个几何平均数间比较的结果来对比率计量比或进行选择。 

常数k允许调整设备的准确度。这种调整允许用户考虑在磁性元件50的校准（大小、位置）中的公差、位置传感器和磁性元件的相对位置的差异、或甚至由霍尔效应单元进行的测量中的公差。 

通过设置k=0，可以对比率计量比或进行简化。因此，根据两个几何平均数间比较的结果，值P被计算为或。 

在一个实施例中，值P等于： 

，当时；以及

，当时。

图7图示了曲线、、、和作为磁性元件50并且因此作为齿轮比选择器的平移运动在最大运动范围内的函数。 

图7示出了从前述选择得到的曲线类似于直线，所述曲线的值与磁性元件50沿次方向Z的平移运动成比例。为了清晰起见，在图7中，为了使曲线不与曲线的在的部分重叠，曲线的值被乘以二。 

因此，根据由第二计算装置92计算的P的值，可以确定磁性元件50并且因此确定选择器沿次方向X的平移运动。 

因此，在用于确定齿轮比选择器20的旋转运动的相同的位置传感器60中使用两个霍尔效应单元70c、70d还使得确定齿轮比选择器20的平移运动成为可能。 

有益地，为了防止可能由于磁性元件的旋转而产生的比率计量比和的值的波动，并且为了得到与比率计量比和的值和齿轮比选择器的运动的值有更好的相关性的值P，几何平均数和被线性化。这种线性化可以例如通过使用移动平均数或者校正表来简单地实现。 

在本发明的改进实施例中，为了减少磁性元件50相对于位置传感器60的位置以及霍尔效应单元70a、70b、70c、70d在所述传感器中的位置对确定齿轮比选择器20沿次方向X的平移运动时的准确度的影响，在计算比率计量比和之前，根据描述对每个霍尔效应单元70a、70b、70c、70d测量的输出电压的差异的关系（这种关系本身取决于磁性元件50相对于所述霍尔效应单元的位置），对下述元素中的每一个进行校准： 

磁性元件50的大小；

两组霍尔效应单元在纵轴上的分隔距离；

霍尔效应单元70a、70b、70c、70d沿轴A和B的定向。

这种校准因而允许用户得到所需的准确度。 

优选地，为了简化前述校准，霍尔效应单元基本上彼此相同。为了使它们相同，可能需要校正。 

一种与所述设备相关联的方法，用于确定磁性元件50的平移和旋转的位置，因而尤其包括步骤： 

使用测量装置90测量每个霍尔效应单元所输出的电压；

使用第一计算装置91，根据四个测量电压或中的两个对值Q进行计算，并且使用计算的值Q确定磁性元件50在次方向上的位置；以及

使用第二计算装置92，根据四个测量电压对值P进行计算，并且使用计算的值P确定磁性元件50在次方向上的位置。

所述设备和与之关联的方法，根据本发明，因此允许确定位于机动车的齿轮箱选择器20上的磁性元件50的旋转和平移的位置。 

由于该设备，可以预期用户在做什么，主要为了调整发动机速度，并且因而减少污染排放。例如，某些操作可轻易实现，举例来说，当齿轮箱处于空挡时关闭发动机。 

有益地，该设备尤其使得确定倒挡R是否被接合成为可能。因此，可以移除目前用于机动车检测倒挡的特定传感器。 

针对共面的霍尔效应单元70a、70b、70c、70d的情况对本发明进行了描述。然而，本发明还应用于非共面的霍尔效应单元的情况。 

同样地，只要霍尔效应单元测量相同的磁场并且提供与所述磁场的幅度成比例的输出电压，就可以自由选择在位置传感器60中的霍尔效应单元70a、70b、70c、70d沿纵轴A以及横轴B和C的布置。 

在前轮驱动机动车的情况下对该设备和方法进行了描述，但是它们还适用于后轮驱动机动车的情况。在此情况下，在车辆的用户进行齿轮比选择期间，磁性元件50以主方向Z平移，并且以次方向X旋转。 

本发明还应用于齿轮箱的任何配置或类型（手动、自动、半自动等）。