一种基于功能安全设计的线性位移传感器及信号处理方法

摘要

本发明公开了一种基于功能安全设计的线性位移传感器及信号处理方法，包括磁体、PCBA板和控制器；磁体通过连接件固定在汽车后轮转向系统丝杆上，磁体正上方安装有PCBA板，PCBA板上沿磁体运动方向按一定间隔布置有两个磁阻传感器，两个磁阻传感器均可对磁体的运动位移进行检测；两个磁阻传感器均与控制器连接，控制器根据两个磁阻传感器的检测信号计算汽车后轮转向偏移量。本发明结构简单，可以当任一磁阻传感器出现故障时，另外一路磁阻传感器仍然可以检测磁体位置，此时传感器输出一路位移信号波形，保证车辆行驶的安全，同时多个磁阻传感器输出的多路位移信号可以供后轮转向控制器校验使用，保证位移信号的输入可靠性，实现对后轮转向系统位移检测。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器信号处理技术领域，具体涉及一种基于功能安全设计的线性位移传感器及信号处理方法。

背景技术

对于乘用车来说，前轮转向特性可以保证车辆行驶的稳定性，但在车辆高速转弯时往往会产生过度转向，具备后轮转向系统的车辆，可以弥补这种过度转向带来的行车危险，同时后轮转向系统可以使车辆在低速时更加灵活，高速过弯时也更加稳定，让驾驶同样充满乐趣。

因后轮转向系统与前轮转向和方向盘机构无直接机械性物理连接，属于线控转向类别，在乘用车对后轮转向的应用时，线性位移传感器的安全性就越来越突出了，因此急需一种响应速度快、分辨力高、高线性度的线性位移传感器。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于功能安全设计的线性位移传感器及信号处理方法。

本发明公开了一种基于功能安全设计的线性位移传感器，包括磁体、PCBA板和控制器；

所述磁体通过连接件固定在汽车后轮转向系统丝杆上，所述磁体正上方安装有所述PCBA板，所述PCBA板上沿所述磁体运动方向按一定间隔布置有两个磁阻传感器，两个所述磁阻传感器均可对所述磁体的运动位移进行检测，每个所述磁阻传感器均对应一个电源；

两个所述磁阻传感器均与所述控制器连接，所述控制器根据两个所述磁阻传感器的检测信号计算汽车后轮转向偏移量。

作为本发明的进一步改进，所述连接件包括卡扣和磁体支撑座，所述磁体通过所述卡扣固定在所述磁体支撑座上，所述磁体支撑座可拆卸式安装在所述汽车后轮转向系统丝杆上。

作为本发明的进一步改进，两个所述磁阻传感器包括A芯片和B芯片，所述磁体的运动行程为2x+2y，其中x、y为常数；

所述A芯片和所述B芯片对称安装在距磁体运动行程中心线距离为x的位置处，所述A芯片和所述B芯片的检测范围为2x+2y。

作为本发明的进一步改进，所述磁体在所述A芯片和所述B芯片的最大有效检测距离内往复运动时，所述A芯片和所述B芯片向所述控制器输出0％-100％的占空比PWM信号。

作为本发明的进一步改进，所述A芯片和所述B芯片均为A31315LLUBTR-XY-S-SE-10芯片，所述磁体与所述A芯片和所述B芯片的间隙不大于3.5mm。

本发明公开了一种基于功能安全设计的线性位移传感器的信号处理方法，步骤一、所述控制器获取所述A芯片和所述B芯片的占空比PWM输出值；

步骤二、根据所述A芯片和所述B芯片的占空比PWM输出值计算所述磁体相对于所述A芯片和所述B芯片的位移值；

步骤三、对所述磁体相对于所述A芯片和所述B芯片的位移值进行平均值计算；

步骤四、利用插值矫正函数对所求得的位移平均值进行数值校正，具体为

f(x)＝ax

其中x为磁体相对于A芯片和B芯片的位移平均值；a、b、c、d为四个在生产线产品下线时通过实际测量值标定的常数值；

步骤五、利用软件限制换算函数对矫正后的数值进行限制换算，具体为

LIMIT(X，y，-y)

其中X为矫正后的位移数值，y为A芯片和B芯片叠加后能够测量的距离/2，-y为A芯片和B芯片叠加后能够测量的距离/2。

作为本发明的进一步改进，所述磁体相对于所述A芯片的位移值为：

DIS_A＝(100％-S1-M)*(D1/D2)

所述磁体相对于所述B芯片的位移值为：

DIS_B＝(S2-M)*(D1/D2)

其中S1为A芯片输出占空比PWM值；

S2为B芯片输出占空比PWM值；

M为磁体在后轮转向零位处A芯片或B芯片的占空比PWM值与50％占空比PWM值的差值；

D1为A芯片或B芯片单独能够测量的距离；

D2为常数。

作为本发明的进一步改进，所述后轮转向零位的确定包括：

所述控制器获取所述A芯片的占空比PWM输出值；

对所述A芯片的占空比PWM输出值进行(100-S1)％处理；

对处理后的所述A芯片的占空比PWM输出值连成的输出曲线与所述B芯片的占空比PWM输出值连成的输出曲线求取交点，所述交点即后轮转向零位。

作为本发明的进一步改进，所述A芯片和所述B芯片可单独工作，也可协同工作，当所述A芯片或所述B芯片单独工作时，具体为：

当所述磁体在某一芯片中心线上时，该芯片输出50％占空比PWM信号；

当所述磁体移动到芯片中心线左侧时，芯片输出小于50％占空比PWM信号；

当所述磁体移动到芯片中心线右侧时，芯片输出大于50％占空比PWM信号；

所述磁体在芯片有效检测距离中移动时，芯片输出0％到100％占空比PWM信号。

作为本发明的进一步改进，当所述A芯片或所述B芯片双芯片工作时，具体为：

当所述A芯片或所述B芯片双芯片工作时：

a、当所述磁体在所述A芯片中心线上时，所述A芯片输出50％占空比PWM信号，与此同时，所述B芯片输出(50-2x)％占空比PWM信号；

b、当所述磁体在所述A芯片与所述B芯片的中心线上时，所述A芯片输出(50+x)％占空比PWM信号，与此同时，所述B芯片输出(50-x)％占空比PWM信号；

c、当所述磁体在所述B芯片中心线上时，所述B芯片输出50％占空比PWM信号，与此同时，所述A芯片输出(50+2x)％占空比PWM信号；

d、当所述磁体在所述B芯片右侧距离y时，所述B芯片输出(50+y)％占空比PWM信号，与此同时，所述A芯片输出(50+2x+y)％占空比PWM信号；

e、当所述磁体在所述A芯片左侧距离y时，所述A芯片输出(50-y)％占空比PWM信号，与此同时，所述B芯片输出(50-2x-y)％占空比PWM信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过设置至少两个磁阻传感器，且每个磁阻传感器均连接有一个单独的电源，使本发明电源具有冗余特性，可以实现当车辆在行驶过程中，因外力导致某一电源丢失或损坏的情况下，可以继续保持另一传感器正常工作，此时传感器输出一路位移信号波形，保证车辆行驶的安全，同时多个磁阻传感器输出的多路位移信号可以供后轮转向控制器校验使用，可以保证位移信号的输入可靠性，从而实现后轮转向系统安全可靠的位移控制。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器结构示意图；

图2为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的传感器和磁体布置结构示意图；

图3为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的检测范围示意图；

图4为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的单芯片输出占空比曲线图；

图5为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的双芯片协同输出占空比曲线图；

图6为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的后轮转向零位确认的占空比曲线图；

图7为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的连接器端口连接图；

图8为本发明公开的一种基于功能安全设计的线性位移传感器的信号处理方法流程图。

图中：

1、传感器外盖；2、PCBA板；3、磁体；4、磁体支撑座；5、连接器；6、M5螺栓；7-1、A芯片；7-2、B芯片；8-1、上止点；8-2、下止点。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明公开了一种基于功能安全设计的线性位移传感器，包括磁体3、PCBA板2和控制器；磁体3通过连接件固定在汽车后轮转向系统丝杆上，磁体3正上方安装有PCBA板2，PCBA板2上沿磁体3运动方向按一定间隔布置有两个磁阻传感器，两个磁阻传感器均可对磁体3的运动位移进行检测；两个磁阻传感器均与控制器连接，控制器根据两个磁阻传感器的检测信号计算汽车后轮转向偏移量。

本发明通过设置两个磁阻传感器，且每个磁阻传感器均连接有一个单独的电源，使本发明电源具有冗余特性，可以实现当车辆在行驶过程中，因外力导致某一电源丢失或损坏的情况下，可以继续保持另一传感器正常工作，此时传感器输出一路位移信号波形，保证车辆行驶的安全，同时多个磁阻传感器输出的多路位移信号可以供后轮转向控制器校验使用，可以保证位移信号的输入可靠性，从而实现后轮转向系统安全可靠的位移控制。

具体的：

如图1所示，本发明的多个磁阻传感器包括对称布置在PCBA板上的A芯片7-1和B芯片7-2，A芯片7-1和B芯片7-2按一定间隔布置在PCBA板2上，PCBA板2通过M5螺栓6与传感器外盖1连接在一起，本发明A芯片和B芯片均为A31315LLUBTR-XY-S-SE-10芯片。

进一步的，本发明的连接件包括卡扣和磁体支撑座4，磁体3通过卡扣固定在磁体支撑座4上，磁体支撑座4通过M5螺栓6可拆卸式安装在汽车后轮转向系统丝杆上，本发明的磁体3与A芯片7-1和B芯片7-2的设置间隙不大于3.5mm，本发明磁体3与A芯片7-1和B芯片7-2的设置间隙优选3.5mm，满足磁阻传感器的磁场设计要求。

如图2～3所示，本发明的A芯片7-1和B芯片7-2水平对称布置在PCBA板2上，A芯片7-1中心线和B芯片7-2的中心线与对称线的距离均为x，A芯片7-1和B芯片7-2分别的测量总行程均为4x+2y，根据A芯片7-1和B芯片7-2的特性，当磁体3在A芯片7-1或B芯片7-2的中心位置时，A芯片7-1或B芯片7-2输出占空比PWM为50％；当磁体3在在A芯片7-1或B芯片7-2的左边极限位置时，A芯片7-1或B芯片7-2输出占空比PWM为0％；当磁体3在在A芯片7-1或B芯片7-2的右边极限位置时，A芯片7-1或B芯片7-2输出占空比PWM为100％。本发明的A芯片7-1和B芯片7-2的最大有效监测距离与A芯片7-1和B芯片7-2的对称线的距离为x+y，本发明的A芯片7-1和B芯片7-2的最大有效监测距离与A芯片7-1和B芯片7-2的对称线的距离优选为±30mm。

表1磁体3位置和A芯片7-1或B芯片7-2的占空比输出关系对应表

进一步的，如图3～5所示，本发明A芯片7-1和B芯片7-2可以单独工作，也可协同工作，当A芯片7-1或B芯片7-2单独工作时，具体原理为：

当磁体3在某一芯片中心线上时，该芯片输出50％占空比PWM信号；

当磁体3移动到芯片中心线左侧时，芯片输出小于50％占空比PWM信号；

当磁体3移动到芯片中心线右侧时，芯片输出大于50％占空比PWM信号；

磁体3在芯片有效检测距离中移动时，芯片输出0％到100％占空比PWM信号。

当A芯片7-1和B芯片7-2双芯片工作时，具体原理为：

a、当磁体3在A芯片7-1中心线上时，A芯片7-1输出50％占空比PWM信号，与此同时，B芯片7-2输出(50-2x)％占空比PWM信号；

b、当磁体3在A芯片7-1与B芯片的中心线上时，A芯片7-1输出(50+X)％占空比PWM信号，与此同时，B芯片7-2输出(50-x)％占空比PWM信号；

c、当磁体3在B芯片中心线上时，B芯片7-2输出50％占空比PWM信号，与此同时，A芯片7-1输出(50+2x)％占空比PWM信号；

d、当磁体3在B芯片右侧距离y时，B芯片7-2输出(50+y)％占空比PWM信号，与此同时，A芯片7-1输出(50+2x+y)％占空比PWM信号；

e、当磁体3在A芯片7-1左侧距离y时，A芯片7-1输出(50-y)％占空比PWM信号，与此同时，B芯片7-2输出(50-2x-y)％占空比PWM信号。

进一步的，如图3所示，本发明为保证在磁体3移动过程中，可以被A芯片7-1和B芯片7-2同时检测到，因此需要设置上止点8-1和下止点8-2，将磁体的移动范围限制在(-x-y，x+y)，则磁体3能左右移动的范围为2x+2y。此时A芯片7-1的占空比PWM输出值范围为2x/4x+2y≤Signal_A≤100％；B芯片7-2的占空比PWM输出值范围为0≤Signal_B≤2x+2y/4x+2y％。

表2 A芯片和B芯片在上、下止点处占空比PWM输出值对应表

如图7所示，本发明的传感器连接器包括六个端子，其中端子1为5V电源，端子2为电源地线，端子1和端子2给A芯片7-1供电，当A芯片7-1检测到磁体3的不同位置时，通过连接器端子3向控制器输出不同占空比的PWM波形，表达磁体3不同的位置，端子6为5V电源，端子5为电源地线，端子6和端子5给B芯片7-2供电，当B芯片7-2检测到磁体3的不同位置时，B芯片7-2通过端子4向控制器输出不同占空比的PWM波形，双电源的设置保证了只要有一路电源及芯片正常工作，传感器即可输出一路正常的磁体为孩子信号，保证了对磁体3位移的检测。

如图8所示，本发明还公开了一种基于功能安全设计的线性位移传感器的信号处理方法，包括:

步骤一、控制器获取A芯片7-1和B芯片7-2的占空比PWM输出值；

步骤二、根据A芯片7-1和B芯片7-2占空比PWM输出值计算磁体3相对于A芯片7-1和B芯片7-2的位移值；

步骤三、对磁体3相对于A芯片7-1和B芯片7-2的位移值进行平均值计算；

步骤四、利用插值矫正函数对所求得的位移平均值进行数值校正，具体为

f(x)＝ax

其中x为磁体相对于A芯片7-1和B芯片7-2的位移平均值；a、b、c、d为四个在生产线产品下线时通过实际测量值标定的常数值；

步骤五、利用软件限制换算函数对矫正后的数值进行限制换算，具体为

LIMIT(X，y，-y)

其中X为矫正后的位移数值，y为A芯片7-1和B芯片7-2叠加后能够测量的距离/2，-y为A芯片7-1和B芯片7-2叠加后能够测量的距离/2。

进一步的，本发明的磁体3相对于A芯片7-1的位移值为：

DIS_A＝(100％-S1-M)*(D1/D2)

磁体3相对于B芯片7-2的位移值为：

DIS_B＝(S2-M)*(D1/D2)

其中S1为A芯片输出占空比PWM值；

S2为B芯片输出占空比PWM值；

M为磁体在后轮转向零位处A芯片或B芯片的占空比PWM值与50％占空比PWM值的差值；

D1为A芯片或B芯片单独能够测量的距离；

D2为常数。

进一步的，如图6所示，为实现对后轮转向零位的确认，本发明的信号处理方法还包括后轮转向零位的确定，具体为：

控制器获取A芯片7-1的占空比PWM信号值；

对A芯片7-1的占空比PWM输出值进行(100-S1)％处理；

对处理后的A芯片7-1的占空比PWM输出值连成的输出曲线与B芯片7-2的占空比PWM输出值连成的输出曲线求取交点，交点即后轮转向零位。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。