位置传感器和系统及用于离合器主缸的位置传感器和系统

摘要

一种离合器活塞位置传感器和系统，用于感测并产生离合器活塞在缸顶位置信号、运动位置信号和缸底位置信号，包括：探测电路，用于感测离合器活塞在缸顶位置、运动位置和缸底位置；自检电路，用于对所述探测电路所感测的缸顶位置信号、运动位置信号和缸底位置信号进行自检；诊断电路，用于对所述探测电路进行故障诊断。本发明使用探测电路感测活塞的运动并获取位置信号，进行信号并通过自检电路比对自检，用以判断离合器活塞顶部位置信号、位置运动信号和底部位置信号是否出现错误；同时利用诊断探测电路单独感测离合器活塞在缸底位置，并与探测电路检测到的活塞在缸底位置进行比对，判断是否发生错误，从而达到自我诊断的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及位置感测装置，更具体的涉及根据感测到的离合器位置而产生监测信号的装置。

背景技术

在现在的汽车控制技术中，需要感测汽车发动机离合器位置，并产生离合器位置信号。目前离合器位置信号可由安装在离合器主缸(ClutchMasterCylinder或CMC)上的传感系统产生。例如，随着离合器踏板的踩动，现有的安装在离合器主缸上的传感系统能产生至少两个信号，即：离合器顶部位置信号和离合器底部位置信号。离合器顶部位置信号表示离合器即将或刚刚被踩动(即，离合器摩擦片即将或刚刚被逐渐分离；此时，齿轮箱和发动机还处于啮合状态)，发动机控制单元(ECU)准备启动汽车的发动机。离合器底部位置信号则表示离合器被踩到底部位置(离合器摩擦片处于分离位置；此时，齿轮箱和发动机已处于分离状态)，发动机控制单元可以启动汽车的发动机或者实现换挡。另外，现有的传感系统还能产生离合器运动信号，表示离合器处于底部和顶部之间的来回运动状态和位置。

但是，目前的离合器活塞装置只能提供的离合器顶部位置信号、离合器位置运动信号和离合器底部位置信号三个信号，但是不能对信号的准确的进行自我检测和对探测电路进行自我诊断，不能满足高性能汽车的控制要求。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种带自检和自我诊断能力的离合器活塞位置传感器和系统，以满足汽车控制系统更高的要求和需要。

为了达到以上目的，本发明提供了一种带自检和自我诊断功能的产生离合器位置信号的传感器，具体为：

一种离合器活塞位置传感器，用于感测并产生离合器活塞在缸顶位置信号、运动位置信号和缸底位置信号，包括：

探测电路，用于感测离合器活塞在移动中产生的信号，所述信号包括对应离合器活塞在缸顶位置、运动位置和缸底位置的信号；

自检电路，用于对所述探测电路所感测的信号进行自检；

诊断电路，用于对所述探测电路进行故障诊断。

为了达到以上目的，本发明提供了一种带自检和自我诊断功能的产生离合器位置信号的感测系统，具体为：

一种离合器活塞位置传感系统，用于产生离合器活塞在缸顶位置信号、运动位置信号和缸底位置信号，包括：

离合器活塞缸；包括离合器活塞缸体和离合器活塞杆，离合器活塞杆能在离合器活塞缸体中作往返移动；

磁铁装置，所述磁铁装置安装于离合器活塞杆上，并随离合器活塞杆的往返移动而做往返移动；以及：

如前述的离合器活塞位置传感器，所述离合器活塞位置传感器相对所述磁铁装置做往返移动。

本发明还公开了一种物体运动感测传感器。具体为：

一种位置传感器，用于感测并产生被测物体在起始位置信号、中间位置信号和最终位置信号，包括：

探测元件，用于感测被测物体在移动中产生的信号，所述信号包括起始位置、中间位置和最终位置的信号；

自检电路，用于对所述探测元件所感测的信号进行自检；

诊断电路，用于对所述探测电路进行故障诊断。

本发明还公开了一种位置传感系统，具体为：

一种位置传感系统，用于感测并产生被测物体在起始位置信号、中间位置信号和最终位置信号，包括：

如前述所述的位置传感器；以及

磁铁装置，所述磁铁装置安装于被测物体上，并随被测物体相对所述位置传感器进行往返移动。

本发明使用探测电路感测活塞的运动并获取位置信号，进行信号并通过自检电路比对自检，用以判断离合器活塞顶部位置信号、位置运动信号和底部位置信号是否出现错误；同时利用诊断电路感测离合器活塞在缸底位置，并与探测电路检测到的活塞在缸底位置进行比对，判断是否发生错误，输出位置传感器状态异常与否的诊断信号，从而达到自我诊断的目的。

附图说明

图1为离合器主活塞装置的局部剖视示意图；

图2表示本发明感测装置电路原理框图；

图3显示了第一处理装置具体结构的一个实施例框图；

图4显示了第二处理装置具体结构的一个实施例框图；

图5表示由第一处理装置中处理器对处理第一霍尔感应单元感测的余弦形电压输出和正弦形电压输出进行处理而产生的线性电压输出。

具体实施方式

下面将参考构成本说明书一部分的附图对本发明的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本发明中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等描述本发明的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。在可能的情况下，本发明中使用的相同或者相类似的附图标记指的是相同的部件。

图1为离合器主活塞装置106的局部剖视示意图，示出活塞缸体108的内部结构以及离合器活塞杆109和活塞缸体108的示意配合关系。如图1所示，离合器主活塞装置106包括活塞缸体108。活塞缸体108中具有空腔161，活塞杆109伸入活塞缸体空腔161中，能在活塞缸体空腔161中来回作直线移动。例如，活塞杆109的近端109a被离合器踏板(未示出)所驱动，随着离合器踏板的踩动和放开，活塞杆109作直线往复运动。活塞杆109的远端109b上设置有磁铁装置166(作为一个实施例磁铁166可以是如围绕活塞杆109的环形磁铁)，并且该磁铁装置166适合于随着活塞杆109的直线移动在活塞缸体108中作往复运动。在如图1所示的实施例中，磁铁装置166随活塞杆109在缸顶位置(S2位置)和缸底位置(S3位置)之间做往复移动。尽管图中未示出，磁铁装置166还可设置安装在活塞杆109轴向的其它位置。由于活塞杆109的近端109a被离合器踏板所驱动，所以磁铁装置166在活塞缸104中的相应位置反映了离合器踏板的操作位置，从而反映了离合器的相应操作位置。

在图1中，安装在活塞杆109上的磁铁装置166在活塞缸体108的空腔161中移动，可移动的总距离为L1+L2。其中S1到S2之间的移动距离L1表示离合器的自由移动行程，即离合器的移动还没有对离合器摩擦片施加分离力。当磁铁装置166到了S2处，离合器处于被踩动到刚刚脱离了自由状态，即刚刚对离合器摩擦片施加分离力，这时磁铁装置166处于缸顶位置(S2位置)。从S2到S3的行程L2表示对离合器摩擦片逐渐施加分离力，直到离合器摩擦片完全分离，这时磁铁装置166处于缸底位置(S3位置)。

离合器主活塞装置106在活塞缸体108外壁上设置有感测装置200。感测装置200可通过多种方式固定在活塞缸体108上。例如，感测装置200是通过安装支架110安装在活塞缸体108外壁上。在如图1所示的实施例中，感测装置200在活塞缸体108轴向的位置对应于磁铁装置166在缸顶位置(S2位置)和缸底位置(S3位置)之间往复运动的区域。当磁铁装置166在缸底位置和缸顶位置之间的任何位置时，感测装置200中的探测电路感测磁铁装置166产生的磁场(或磁通)。

操作过程中，当磁铁装置166随着活塞杆109在活塞缸体108的顶部位置S2和底部位置S3之间移动时，磁铁装置166在感测装置200处产生的磁场(或磁通)发生相应变化。设置在活塞主缸108外壁上的感测装置200中探测电路感测到磁铁装置166的磁场(或磁通)的变化，在特定时间拾取相应的数据从而产生用于指示离合器位置的信号。在本发明的一优选实施例中，感测装置200所产生的指示离合器位置的信号包括：离合器顶部位置信号CTS(当磁铁装置166在活塞缸体108中移动到S2处产生)、离合器底部位置信号CBS(当磁铁装置166在活塞缸体108中移动到S3处产生)以及运动信号EPB(当磁铁装置166在活塞缸体108处于位置S2与位置S3之间处产生)。离合器顶部位置信号CTS表示离合器处于被踩动到脱离了自由状态、磁铁装置166到了刚刚对离合器摩擦片施加分离力的缸体顶部位置，但此时离合器摩擦片处于贴紧位置，齿轮箱和发动机处于啮合状态。离合器底部位置信号CBS则表示磁铁装置166到了缸体底部位置(即，离合器摩擦片处于分离位置，齿轮箱和发动机完全分离)。运动信号EPB表示磁铁装置166处于位置S2和位置S3之间，离合器摩擦片处于从啮合到分离的过渡状态。

图2表示本发明感测装置200结构框图。在如图2所示的实施例中，感测装置200包括第一探测电路(主探测电路)、第二探测电路(辅探测电路)和第三探测电路。根据本发明的一优选实施例中，感测装置200中的探测电路包括多个霍尔感应单元。在如图2所示的示例中，第一霍尔感应单元301、第二霍尔感应单元302和第三霍尔感应单元303分别对应感测装置200中的第一探测电路、第二探测电路和第三探测电路，并组成对应的探测电路。该多个霍尔感应单元相互独立设置并操作。例如，第一霍尔感应单元301、第二霍尔感应单元302和第三霍尔感应单元303独立运作，分别感测磁铁装置166在不同位置产生的磁通密度和/或磁场，然后产生并输出对应的符合函数线的模拟电压信号，例如，正弦形或余弦形模拟电压信号。

各个霍尔感应单元301，302，303可在一个或多个维度方向(如：X、Y、Z维度)上感测磁铁装置166在不同位置产生的磁通密度和/或磁场。例如，第一霍尔感应单元301为2D霍尔感应单元，可感测两个维度方向(如X和Y维度)上的磁通密度和/或磁场。在如图2所示的示例中，感测装置200包括第一2D霍尔感应单元301、第二2D霍尔感应单元302和第三2D霍尔感应单元303。第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302各自在二维方向上(如，Bx和By维度)同步(或同时)感测磁通密度变化和/或磁场变化，并产生的符合两条函数线的模拟电压信号输出(例如，一条输出曲线为余弦形模拟电压信号输出，另一条输出曲线为正弦形模拟电压信号输出)。该第一2D霍尔感应单元301、第二2D霍尔感应单元302和第三2D霍尔感应单元303能感测到磁铁装置166在活塞缸体108中不同位置产生的磁场(或磁通)。

另外，感测装置200中的多个霍尔感应单元301、302、303可感测至少一个相同维度方向(例如，X或Y维度)上的磁通密度和/或磁场。在一个示例中，第一霍尔感应单元301和第二霍尔感应单元302可感测至少一个相同维度方向(例如，X或Y维度)上的磁通密度和/或磁场。在另一个示例中，第三霍尔感应单元303和第二霍尔感应单元302可感测相同维度方向(例如，X或Y维度)上的磁通密度和/或磁场。

感测装置200还包括第一处理装置(DSP)305。在图2中，第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302的输出连接到第一处理装置(DSP)305。随着磁铁装置166在活塞缸的空腔161中的来回周期性的移动，第一处理装置(DSP)305在磁铁装置166到达缸底和缸顶位置时产生跳变信号形式的离合器底部位置信号CBS和离合器顶部位置信号CTS，同时在磁铁装置166运动过程中产生周期变化信号的采集产生运动信号EPB。

图3显示了第一处理装置305具体结构的一个实施例框图。如图3所示，第一处理装置305包括比较器387、模数(A/D)转换电路362、处理器364和V/P转换(即电压/PMW转换)电路366。图3的电路结构表示第一处理装置305对信号进行自检的过程。例如，在本发明的一优选实施例中，第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302各自在相同的二维方向上(例如Bx和By维度)同步(或同时)感测磁通密度变化和/或磁场变化而产生的符合两条函数线的模拟电压信号(运动信号EPB)输出(例如，一条输出曲线为余弦形模拟电压信号输出，另一条输出曲线为正弦形模拟电压信号输出)。第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302各自将其余弦形模拟电压信号输出和正弦形模拟电压信号输出传送到第一处理装置305。

第一处理装置305中的比较器388和模数(A/D)转换电路362同时从第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302处接收各自产生的两个余弦形模拟电压信号输出(或两个正弦形模拟电压信号输出)；比较器388对两个余弦形模拟电压信号输出(或正弦形模拟电压信号输出)进行定期(例如，以0.8ms为间隔)采样，而后对两个采样值进行比较。

如果采样到的两个电压值相等或者差值在允许值内(比如两个信号峰值的差异超过5％)，表示感测信号自检正常。在自检结果显示正常时，比较器388将自检结果发送给。处理器364向模数(A/D)转换电路362发出命令在第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302的两组输出中选中一组，通过连接370和371，将选中的余弦形数字电压信号输出和正弦形模拟电压信号输出输送到处理器364。通过连接367和368，处理器364分别将控制信号和线性电压输出输送到V/P转换电路366。在处理器364的控制下，V/P转换电路366将处理器364输送来的线性电压输出转成脉冲宽度调制(PulseWidthModulation或PMW)信号。具体的：处理器364处理从模数(A/D)转换电路362输送来的余弦数字电压信号和正弦数字电压信号，从而输出一线性电压信号输出(即运动信号EPB)。通过连线368，处理器364将线性电压输出传送到V/P转换电路366；通过连线367，处理器364控制V/P转换电路366将线性电压输出转化成占空比变化范围是10％～90％PWM信号；然后，通过输出端345输出，同时输出开关信号形式的离合器底部位置信号CBS、离合器顶部位置信号CTS。V/P转换电路366将占空比变化范围是10％～90％PWM信号(运动信号EPB)分别传送给ECU。当ECU接收到当占空比变化范围为10％～90％PWM的输出信号时以及开关信号形式的离合器底部位置信号CBS、离合器顶部位置信号CTS，得知自检状态正常。

如果采样到的两个电压值(包括离合器底部位置信号CBS、离合器顶部位置信号CTS，和运动信号EPB)不等并且者差值超过允许值(比如两个信号峰值的差异超过5％)，表示感测信号自检异常，通过连线367，处理器364控制电压/PMW(V/P)转换电路产生恒定的5％占空比的PWM信号；然后，通过三个输出端353、354、355，V/P转换电路366将恒定的5％占空比的PWM信号传送给ECU。当ECU接收到当占空比为恒定5％占空比的PWM的输出信号时，得知自检状态异常；如有需要，ECU(或处理器364)对间歇性的异常状态发出文字报告信息或声音警告信号。

需要说明的是，当V/P转换电路366输出恒定的5％占空比的PWM信号时，代表第一2D霍尔感应单元301和/或第二2D霍尔感应单元302的工作状态处于间歇性的异常状态，而不是表示第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302处于永久性故障。这种间歇性的异常状态可能由于某种临时或瞬时的工作条件引起的(例如车辆在行驶中的突然颠簸、震动引起感测元件或磁铁原件位置的瞬时变化，或车辆在行驶中内部温度暂时的非正常提高)。也就是说，尽管当前测出的缸顶位置信号(CTS)、运动位置信号(EPB)和缸底位置信号(CBS)不适于使用；一旦工作条件恢复正常，以后测出的缸顶位置信号(CTS)、运动位置信号(EPB)和缸底位置信号(CBS)还是能正常使用的。这种报错方式的优点之一是省略了单独的报错信号通道，用于输出报错信号，并且报错方式与现有ECU性能兼容。而且，对第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302处产生的两个余弦形模拟电压信号输出(或两个正弦形模拟电压信号输出)进行比较，精度高、线路相对简单。

如前所述，随着磁铁装置166在活塞缸的空腔161中的来回移动的位置，第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302各自在二维方向上(例如，Bx和By维度)感测磁通密度变化和/或磁场变化而产生的符合两条函数线的电压输出(一条输出曲线为余弦形电压输出，另一条输出曲线为正弦形电压输出)。第一2D霍尔感应单元301(或第二2D霍尔感应单元302)将其余弦形电压输出和正弦形电压输出传送到第一处理装置305中的模数(A/D)转换电路362。模数(A/D)转换电路362将从第一2D霍尔感应单元301(或第二2D霍尔感应单元302)感测到的余弦模拟电压信号和正弦模拟电压信号转化成数字信号，然后将余弦数字电压信号和正弦数字电压信号输送到处理器364。处理器364将从模数(A/D)转换电路362输送来的余弦数字电压信号和正弦数字电压信号转化成一条线性电压输出，计算方法如以下公式所示：

(1)输出电压(V)＝角度的函数＝mx(角度)+b＝mxθ+b

(2)输出电压(V)＝行程的函数＝mx(行程)+b＝mxS+b

(3)tan(θ)＝sin(θ)/cos(θ)＝B_x/B_y

(4)θ＝arctan(θ)＝arc(sin(θ)/cos(θ))＝arc(B_x/B_y)

(5)输出电压(V)＝mxarc((sin(θ)/cos(θ))+b＝mxarc(B_x/B_y)+b

(6)单位行程和角度的换算＝(Lx2)/360°。

在上述6个计算公式中，磁铁装置166在活塞缸空腔161中有效行程Lx2，(即(S3-S2之间的距离)x2)对应于一个圆周周期；即：进入行程(从S2到S3)可对应于圆周期的上半周，而退出行程(从S3到S2)可对应于圆周期的下半周。m和b(b可为0)是两个常数参数，其中m表示线性函数的斜率。参数b和m可根据为第一霍尔感应单元301、第二霍尔感应单元302实际使用的器件通过模拟得出。θ为将磁铁装置166的直线行程转换为圆周周期后的旋转角度，B_x和B_y分别为在X反向和Y方向上的磁通量，L为磁铁装置166在活塞缸空腔161中行程。

现在参考图2，第一处理装置305的三个输出端343、344和345分别将缸顶位置信号(CTS)、运动位置信号(EPB)和缸底位置信号(CBS)分别输入到三个电流放大电路(三个场效应管)353、354和355，将输出的缸顶位置信号(CTS)、运动位置信号(EPB)和缸底位置信号(CBS)进行驱动电流放大。感测装置200还包括电流保护电路311，其三个输入端和三个电流放大电路353、354和355的输出相连。电流保护电路311是用来对第一处理装置305和第二处理装置306进行EMC保护的电路，并将离合器底部位置信号CBS输出到功率放大器386，经功率放大后再输出。功率放大器386的功能是使得缸底开关信号能驱动大功率负载例如传动链继电器。通过电流保护电路311，离合器顶部位置信号CTS、运动信号EPB以及离合器底部位置信号CBS输出到三个输出端子472、373和374上。

以下结合图2和图4说明感测装置200中的诊断电路。诊断电路包括：诊断探测电路，第二处理装置306，和比较装置。诊断探测电路用于感测离合器活塞在缸底位置。在根据本发明的一个示例中，第三霍尔感应单元303为诊断探测电路的一部分。

还是参考图2，第三霍尔感应单元303能够与第一2D霍尔感应单元301和第二2D霍尔感应单元302同步感测磁铁装置166在活塞缸体108中的缸底位置，用于作为缸底位置信号(CBS)的诊断信号(CBS+)。第二处理装置306的输入端346第三霍尔感应单元303的输出相连接，并通过其输出端347将缸底位置信号(CBS)的诊断信号(CBS+)输送到电流放大电路(场效应管)356，进行驱动电流放大。从电流放大电路355输出的缸底位置信号(CBS)被连接到稳流电路(regulator)357；而从电流放大电路356输出的缸底位置信号(CBS)的诊断信号(CBS+)被连接到稳流电路(regulator)358。稳流电路(regulator)357和358使得该传感器能应用于5V、12V、24V或者42V等类客户端整车电源系统环境中，提高产品的普适性。这两个稳流电路是用来适配诊断处理芯片回路的，使诊断电路正常工作。此外，本发明采用的处理芯片均为可标定型，端子377(teaching)为芯片编程接口，用于对芯片进行编程。

从稳流电路357输出的缸底位置信号(CBS)和稳流电路358输出的缸底位置信号(CBS)的诊断信号(CBS+)分别被输送到诊断电路(异或电路)310，对缸底位置信号(CBS)与缸底位置诊断信号(CBS+)进行异或比较。当信号CBS与诊断信号CBS+相同时，诊断电路(异或电路)310输出系统诊断(diagnosis)正确信号(可以是高电平信号或低电平信号)；当信号CBS与诊断信号CBS+不同时，诊断电路(异或电路)310输出系统诊断错误信号(可以是低电平信号或高电平信号)。通过输出端子376，诊断电路310将CBS诊断信号输送到ECU；如有需要，ECU(或处理器364)对间歇性的异常状态发出文字报告信息或声音警告信号。

图4显示了第二处理装置306具体结构的一个实施例框图。如图4所示，第二处理装置306包括模数(A/D)转换电路472和处理器474。第二处理装置306中的模数(A/D)转换电路472和处理器474可与第一处理装置305中的模数(A/D)转换电路362和处理器364相似，故不再赘述。随着磁铁装置166在活塞缸的空腔161中的来回移动的位置，第三霍尔感应单元303在一维或多维方向上(如，Bx和/或By维度)感测磁通密度变化和/或磁场变化而产生的符合函数线的电压输出。例如，第三霍尔感应单元303为2D霍尔感应单元，可感测二维方向的磁通密度变化和/或磁场变化，并产生符合两条函数线的电压输出(一条输出曲线为余弦形电压输出，另一条输出曲线为正弦形电压输出)。第三霍尔感应单元303将其余弦形电压输出和正弦形电压输出传送到第二处理装置306。为了方便感测信号的进一步处理，第三处理装置306按照以上列出的数学公式(1)-(6)，将从第三霍尔感应单元303输送来的余弦形电压输出和正弦形电压输出转化成一线性电压输出。

图5示出处理器364按照以上列出的6个公式，对第一2D霍尔感应单元301(或第二2D霍尔感应单元302)所产生的余弦形模拟电压信号输出和正弦形模拟电压信号输出进行处理，从而产生一个线性电压输出500。在图5中，横坐标表示磁铁装置166在活塞缸空腔161中的行程位置，而竖坐标表示对应于磁铁装置166行程位置的相应电压输出。如图5所示，对应于磁铁装置166在活塞缸空腔161中S2的行程位置，处理器364的输出电压为V_CTS；对应于磁铁装置166在活塞缸空腔161中S3的行程位置，处理器364的输出电压为V_CBS；对应于磁铁装置166在活塞缸空腔161中S2和S3之间的行程位置，处理器364的输出的电压为V_EPB，(即在电压V_CTS与电压V_CBS之间的电压都表示电压为V_EPB)。

尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本发明进行描述，但是应当理解，在不背离本发明教导的精神和范围和背景下，本发明的离合器活塞位置传感器及系统可以有许多变化形式。本领域技术普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变本发明所公开的实施例中的参数，例如尺寸、形状、或元件或材料的类型，均落入本发明和权利要求的精神和范围内。