信號發生器和具有該信號發生器的電機的制作方法

本發明涉及一種信號發生器，

其中，信號發生器具有轉動元件，該轉動元件能夠圍繞旋轉軸線轉動，

其中，信號發生器還具有一定的數量的傳感器，

其中，傳感器分別輸出正弦信號和余弦信號，

其中，相應的傳感器的正弦信號和余弦信號相對于相應的參考方向而言表征轉動元件的轉動位置的正弦和余弦的特性，

其中，參考方向正交于旋轉軸線地定向，

其中，信號發生器具有計算單元，給該計算單元輸送正弦信號和余弦信號。

本發明還涉及一種電機，

其中，電機具有轉子和定子，

其中，轉子布置在轉子軸上并且具有一定的數量的極對，

其中，相對于定子位置固定地布置有信號發生器的一定的數量的傳感器，并且

其中，在轉子軸處布置有與傳感器共同作用的、信號發生器的能轉動的轉動元件。

背景技術：

在電機的面向場的調節中，需要了解電機的磁通軸的方位和/或轉速(＝電角)。磁通量的定向緊密地與電機的轉子的轉動位置耦合。轉子的轉動位置對應于轉子的機械角。在雙極電機的情況下，轉子的轉動位置與用于面向場的調節相關的電角相同。然而當轉子的磁極對的數量大于1時，代替于此適用如下關系

在此，表示電角，表示機械角，并且n表示轉子的磁極對的數量。

在現有技術中，存在多種開頭提出種類的信號發生器，其中由信號發生器的計算單元提供的角度信號與機械角相對應。傳感器的數量為1。這種信號發生器的實例是基于磁阻技術(magnetoresistivetechnologie)的信號發生器。

對于多種需要而言，已知的信號發生器已經相當良好地工作。然而，在一些情況下，由計算單元所確定的角度信號的精度需要提高。提高的精度尤其能夠對于電機的良好的調節而言是必要的，該電機的轉子具有大于1的磁極對數量。

在磁阻的信號發生器中嘗試應用轉動元件，所述轉動元件不構造為雙磁極，而是構造為四磁極或更多的極。然而在該情況下，由信號發生器檢測的信號不再示出磁性轉動元件的更多的極數。因此，在實際中采用其他的、通常明顯更復雜的方案。

技術實現要素：

本發明的目的在于，提出可簡單實現的可行性，借助所述可行性能夠以改進的精度確定角度信號。

該目的通過本發明的信號發生器來實現。

根據本發明，通過如下方式構造開頭提出類型的信號發生器，

計算單元通過傳感器的正弦信號和余弦信號的算數關聯來確定得出的正弦信號和得出的余弦信號，

計算單元提供得出的正弦信號和得出的余弦信號以用于進一步的處理，和/或通過對得出的正弦信號和得出的余弦信號進行三角函數的求值來確定得出的角度信號，并且提供得出的角度信號以用于進一步處理。

因此執行由傳感器輸出的正弦信號和余弦信號的加法、減法和可能還有乘法。通常不需要進行除法。所提出的計算操作結合傳感器的設計相互協調成，使得得出的正弦信號和得出的余弦信號和必要時還有確定的得出的角度信號具有改進的精度。由于僅必須執行簡單的算數運算，對計算能力的要求相對小。

在第一優選的設計方案中提出，傳感器的數量大于1，并且傳感器的參考方向成對地分別形成角度，所述角度不等于0°或180°。角度值0°和180°顯然表示幾何的機械的角度。只要下面沒有明確地指出其為電角的話，這也適用于其他的角度值。

通過該設計方案，根據傳感器的數量尤其可行的是，以高的精度確定角度信號，所述角度信號在轉動元件圍繞旋轉軸線的每轉(機械轉動)中具有多個周期，例如為2、3、4……個周期。

可行的是，傳感器的數量是偶數。在該情況下，傳感器的參考方向形成具有180°/n的角間距的網格布置，其中n是傳感器的數量。

替選地可行的是，傳感器的數量是奇數。在該情況下，傳感器的參考方向也能夠形成具有180°/n的角間距的網格布置，其中n是傳感器的數量。然而替選地，在該情況下同樣可行的是，傳感器的參考方向形成具有360°/n的角間距的網格布置。

在另一設計方案中提出，計算單元提供傳感器中的一個傳感器的正弦信號和余弦信號以用于進一步處理，和/或通過對傳感器中的一個傳感器的正弦信號和余弦信號進行三角函數的求值來確定另外的角度信號，并且也提供另外的角度信號以用于進一步處理。通過該設計方案，尤其能夠實現的是，除了提供得出的正弦信號和得出的余弦信號和/或根據得出的正弦信號和得出的余弦信號而確定得出的角度信號(即電角的結果)之外，也一同提供機械角或基于機械角的信號。這調節位置的框架下能夠是有利的。

優選地提出，傳感器設置在唯一的芯片處。通過該設計方案，特別地，能夠尤其可靠地設置傳感器彼此間的布置。由此也可以將各個傳感器彼此靠近地設置。

優選地，計算單元也設置在芯片處。這引起的是，芯片的輸出信號在方案中與在現有技術中的芯片中相同，然而其中以根據本發明的方式處理傳感器的正弦信號和余弦信號。

如已經提及的那樣，可行的是，在轉動元件的轉動位置變化的情況下，得出的正弦信號和得出的余弦信號的變化與轉動元件的轉動位置的變化的整數倍的變化相對應。通過該設計方案，尤其能夠直接地確定角度信號或直接提供角度信號，所述角度信號的周期性與電機的轉子的磁極對的數量相協調，其電驅控利用角度信號來執行。

傳感器所基于的技術能夠根據需要決定。現在優選的是，傳感器構造為磁阻傳感器。例如，傳感器能夠基于gmr(巨磁阻)效應、amr(異向磁阻)效應、tmr(穿隧磁阻)效應或其他磁阻效應。

該目的還通過本發明的電機來實現。

根據本發明，在開頭提出類型的電機中，根據本發明地構造信號發生器。

優選地，信號發生器與電機相協調，在轉子以一定的轉速轉動時，在提供得出的正弦信號和得出的余弦信號的情況下，通過計算單元改變得出的正弦信號和得出的余弦信號，并且在提供得出的角度信號的情況下，通過計算單元以一定的頻率改變得出的角度信號，并且由計算單元提供的信號的頻率與轉子的轉速的商等于轉子的極對的數量。

附圖說明

本發明的上述的特性、特征和優點以及如何實現其的方式和方法結合下面描述的實施例變得更加清楚易懂，所述實施例結合附圖詳細闡述。在此，以示意圖示出：

圖1示出電機和根據本發明的信號發生器的立體透視圖，

圖2示出穿過圖1的電機的剖面圖，

圖3示出穿過圖1的電機的轉子的橫截面，

圖4示出傳感器的示意圖，

圖5示出正弦信號和余弦信號的示意圖，

圖6示意性地示出信號發生器的方框圖，

圖7示出具有兩個傳感器的信號發生器，

圖8示出具有四個傳感器的信號發生器，

圖9示出具有三個傳感器的信號發生器，以及

圖10示出具有三個傳感器的另外的信號發生器。

具體實施方式

下面，結合圖1至3中示意性地示出的電機1闡述本發明，所述電機具有在圖1中同樣示出的信號發生器2，因為這是最常用的應用情況。然而，就信號發生器2而言，其也能夠使用在其他的應用中。

根據圖1和2，電機1具有轉子3和定子4。轉子3設置在轉子軸5上，所述轉子軸本身可轉動地支承在軸承6中。轉子軸5與其轉子4因此能夠圍繞旋轉軸線7轉動。轉子3根據圖3中的圖具有多個極對。在圖3中示出四個極8，即兩個極對。然而，極對的數量也能夠是1或大于2，例如三個極對、四個極對等。

信號發生器2的傳感器部件相對于定子4位置固定地設置。特別地，信號發生器2的傳感器部件通常設置在電機1的軸承蓋上。將信號發生器2的轉動元件9設置在轉子3處。轉動元件9位置固定地設置在轉子軸5處。因此，所述轉動元件連同轉子3一起轉動。轉動元件9與信號發生器2的傳感器部件共同作用。

特別地，信號發生器2的傳感器部件具有一定數量的傳感器10。在圖1中示出最小數量的傳感器10，即僅一個唯一的傳感器10。然而通常，這從其他的實施方案中可見的是，存在多個這種傳感器10。

下面，結合圖4和5首先闡述單一的傳感10的工作方式。然而，相應的實施方案適用于全部的傳感器10。只要下面還僅涉及單一的傳感器10或者其為哪一個傳感器10是不重要的，就僅僅應用附圖標記10。只要在不同的傳感器10之間進行區分，就相應地對附圖標記10進行補充。例如，在該情況下提出傳感器10a，10b等。

傳感器10輸出兩個信號x，y。相對于相應的參考方向11，一個信號x表征轉動元件9的轉動位置α的余弦。因此，信號x下面稱作為余弦信號。類似地，信號y表征轉動元件9的轉動位置α的正弦。因此，信號y下面稱作為正弦信號y。參考方向11正交于旋轉軸線7地定向。

只要在下面涉及唯一的傳感器10的信號x，y或哪個傳感器10輸出相應的信號x，y是不重要的，就僅應用附圖標記x，y。只要必須在不同的傳感器10的信號之間進行區分，就分別對附圖標記x，y(類似于傳感器的附圖標記10)添加補充。例如，在余弦信號中提出信號xa，xb等。類似的實施方案適用于正弦信號y。

原則上，傳感器10能夠基于任意的技術，所述技術提供前述結果。然而在多種情況下，傳感器10構造為磁阻傳感器。特別地，該設計方案當前是優選的。在該情況下，轉動元件9構造為雙磁極，所述雙磁極的磁化軸線相對于旋轉軸線7正交地延伸。

在作為磁阻傳感器10的設計方案中，傳感器10根據圖4中的圖具有兩個h形橋件12，所述h形橋件分別具有四個電阻13。兩個h形橋件中的一個提供正弦信號y，另一個提供余弦信號x。在圖4中，將箭頭繪入電阻13中。當關于電阻13中的一個所測量的磁場的方向平行于其箭頭方向延伸時，相應的電阻13就具有最小的電阻。當所測量的磁場的方向相對于箭頭反向平行(antiparallel)地延伸，那么相應的電阻13具有最大電阻。所述設計方案對于本領域技術人員是普遍已知的。其例如在可從英飛凌(infineon)公司獲得的傳感器芯片tle5012b中實現，并且也在對應的技術手冊中闡述。

根據圖6，信號發生器2還具有計算單元14。計算單元14具有至少一個算數單元15。傳感器10的正弦信號y和余弦信號x輸送給計算單元14。在圖6中，在此示出多個傳感器10的正弦信號y和余弦信號x。

計算單元14借助于算數單元15通過傳感器10的正弦信號y和余弦信號x的算術關聯來確定得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr。特別地，在算數單元15中為了確定得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr進行傳感器10的正弦信號y和余弦信號x的加法、減法和乘法。通常不需要除法。在算數單元15中不進行其他的計算操作。得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr能夠由計算單元14提供用于進一步處理。例如，得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr能夠輸出給控制裝置17(參見圖2)，該控制裝置通過對得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr進行三角函數的求值來確定得出的角度信號αr，并且基于此，確定變流器單元18的驅控，其為定子4供應電能。

通常，計算單元14除了算數單元15之外具有角度確定裝置16。在該情況下，這兩個得出的信號yr、xr由算數單元15傳輸給角度確定單元16。計算單元14借助于角度確定單元16通過得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr的三角函數的求值來確定得出的角度信號αr。得出的角度信號αr在該情況下由計算單元14提供用于進一步處理。例如，得出的角度信號αr(參見圖2)能夠輸出給控制裝置17。角度確定單元16的結構和作用方式對于本領域技術人員是普遍已知的。特別地，在考慮這兩個得出的信號yr、xr的符號的情況下能夠確定象限，得出的角度信號αr必須處于所述象限中。此外，在該象限之內能夠通過如下關系式中的一個

αr＝arctan(yr/xr)(2)

αr＝arccot(xr/yr)(3)

或等同的方法確定得出的角度信號αr的數值。得出的角度信號αr在單獨情況下能夠與機械角、即轉動元件9的轉動位置相對應。然而，在許多情況下，其是機械角的整數倍。

通常，由計算單元14提供得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr或得出的角度信號αr以用于進一步處理。然而不排除的是，由計算單元14提供得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr還有得出的角度信號αr以用于進一步處理。

下面，結合最小配置方案(唯一的傳感器10，所述傳感器輸出正弦信號y和余弦信號x)闡述本發明的可行的簡單的實施方案。此后，結合其他的附圖闡述更復雜的設計方案。

假設在轉子3圍繞其旋轉軸線7旋轉了(機械的)基礎角α的情況下，得出的角度信號αr應對應于基礎角α的雙倍。在該情況下，得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr必須反應該事實。因此，適用的是：

xr＝cos(2α)(4)

yr＝sin(2α)。(5)

因此，從正弦和余弦的普遍已知的加法定理中得出，在算數單元13中必須執行計算

xr＝x·x-y·y(6)

yr＝2·x·y。(7)

當進行前述計算時，得出的角度信號αr本身得到期望的結果。

在最小配置方案中，如上述實施的那樣，存在唯一的傳感器10。然而通常，傳感器10的數量大于1。這通常在確定得出的信號yr，xr和αr時產生改進的精度。

在根據圖7的設計方案的情況下，信號發生器2例如具有兩個傳感器10a，10b。傳感器10a，10b的參考方向11根據圖7形成角度β。該角度β在根據圖7的設計方案中為90°。在另外的設計方案的范圍中，角度β能夠不同于90°。然而因此總是適用的是，角度β不同于0°和180°。

在圖7的設計方案的情況下，計算單元14(更確切地說，算數單元15)優選如下通過正弦信號ya，yb和余弦信號xa，xb的算數關聯確定得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr：

xr＝-xa·yb-ya·xb(8)

yr＝-ya·yb+xa·xb。(9)

因此，類似于在最小配置方案中的方法，在轉子3圍繞其旋轉軸線7轉動了(機械的)基礎角α的情況下，得出的角度信號αr對應于基礎角α的雙倍。然而由于應用多個傳感器10a，10b，能夠以改進的精度進行確定。理論上，在根據圖7的設計方案中也能夠確定比兩倍更高倍數的基礎角α。然而，通常這導致相對大的誤差。

圖8示出另一信號發生器2和其傳感器10。在根據圖8的設計方案中，存在四個傳感器10a至10d。在圖8的設計方案中，根據考慮的傳感器10，角度β為-45°、90°或135°。

在根據圖8的設計方案的范圍中，算數單元15優選如下地通過正弦信號ya至yd和余弦信號xa至xd來確定得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr：

首先，算數單元15確定中間信號xz1、xz2、yz1、yz2根據如下關系式確定，

xz1＝-xa·yc+ya·xc(10)

xz2＝-xb·yd-yb·xd(11)

yz1＝-ya·yc-xc·xa(12)

yz2＝-yb·yd+xd·xb。(13)

因此，算數單元15借助中間信號xz1、xz2、yz1、yz2根據如下關系式確定這兩個得出的信號xr、yr：

xr＝-xz1·yz2-yz1·xyz2(14)

yr＝-yz1·yz2+xz2·xz1。(15)

因此，在根據圖8的設計方案中，在轉子3圍繞其旋轉軸線7轉動了(機械的)基礎角α的情況下，得出的角度信號αr對應于基礎角α的多倍。由于應用多個傳感器10a至10d能夠以高的精度進行確定。

類似地，通過利用相應更高數量的傳感器10結合相應更復雜的算數預求值在算數單元15中也還以高的精度確定更高整數倍的基礎角α。

根據圖7和8中的視圖，對于傳感器10的定向或布置而言，在傳感器10的數量是偶數的情況下，適用的是，傳感器10的參考方向11形成具有180°/n的角間距的網格布置。在此，n是傳感器10的數量。

當傳感器10的數量是奇數時，傳感器10的參考方向11同樣能夠形成具有180°/n的角間距的網格布置，其中n還是傳感器的數量。圖9示出在三個傳感器10a，10b，10c的情況下的相應的設計方案。替選地，在傳感器10的數量為奇數的情況下可行的是，傳感器10的參考方向11同樣能夠形成具有360°/n的角間距的網格布置。這在圖10中示出。

在根據圖9的設計方案的情況下，算數單元15優選根據如下關系式

xr＝-4·xa·xb·xc(16)

yr＝4·ya·yb·yc(17)

確定得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr。系數4原則上能夠被忽略，因為為了確定角度αr僅需要這兩個得出的變量xr、yr的和其商的符號。

在根據圖9的設計方案中，因此，在轉子3圍繞其旋轉軸線7轉動了(機械的)基礎角α的情況下，得出的角度信號αr對應于基礎角α的三倍。由于應用多個傳感器10能夠以高的精度進行確定。

在根據圖10的設計方案中，在公式16和17中相應地改變符號，然而原理上的確定方式是相同的。

上面結合圖9和10闡述的方法也能夠擴展到更高的奇數數量的傳感器10。例如對于五個傳感器10a至10e而言，為了確定五倍的基礎角α得到如下關系

xr＝16·xa·...·xe(18)

yr＝16·ya·...·ye。(19)

在此，也類似于公式16和17地在原理上能夠忽略系數16。

通常，由計算單元14僅提供得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr和/或得出的角度信號αr以用于進一步處理。然而可行的是，計算單元14除了所提出的得到的信號yr，xr，αr之外也提供傳感器10中的一個的正弦信號y和余弦信號x用于進一步處理。還可行的是，通常根據圖6中的圖除了角度確定單元16之外然而例外地也在不存在角度確定單元16的情況下，計算單元14具有另外的角度確定單元16’。當存在另外的角度確定單元16’時，將傳感器10中的一個的正弦信號y和余弦信號x輸送給該另外的角度確定單元16’。該另外的角度確定單元16’在該情況下通過對所述正弦信號y和所述余弦信號x的三角函數的求值來確定另外的角度信號α，所述另外的角度信號(在確定精度的范圍內)與基礎角度一致。另外的角度信號α在該情況下由計算單元14同樣提供用于進一步處理。角度確定單元16’的結構和作用方式類似于角度確定單元16的結構和作用方式。類似于得出的信號yr，xr，αr彼此的關系，通常傳感器10中的一個傳感器的正弦信號y和余弦信號x或另外的角度信號α提供用于進一步處理。然而，也能夠提供全部三個信號y，x，α。

傳感器10根據圖6中的視圖尤其能夠設置在唯一的芯片20處。在芯片20處同樣也能夠共同設置有計算單元14。

如上面詳細闡述的那樣，在轉動元件9的轉動位置α變化的情況下，得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr的相對應的變化或者由計算單元14確定的且提供用于進一步處理的得出的角度信號αr的相對應的變化與轉動元件9的轉動位置α的變化的整數倍相對應。這在上面針對兩倍至五倍方案明確地進行了闡述。然而更高的倍數也是可行的。

通過信號發生器2的根據本發明的設計方案因此尤其可行的是，在轉子3以一定轉速轉動時，由計算單元14確定的和提供的得出的角度信號αr以一定頻率變化，其中由計算單元14確定的和提供的得出的角度信號αr的頻率與轉子3的轉速的商等于極對的數量。類似的事實也適用于得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr。在這兩個情況下，僅必須進行正弦信號y和余弦信號x的適當的算數預求值。

綜上所述，本發明因此涉及如下事實：

一種信號發生器2，具有轉動元件9，所述轉動元件能夠圍繞旋轉軸線7轉動。信號發生器2還具有一定數量的傳感器10，所述傳感器分別輸出正弦信號y和余弦信號x。相應的傳感器10的正弦信號y和余弦信號x相對于相應的參考方向11而言表征轉動元件9的轉動位置α的正弦和余弦的特性。參考方向11正交于旋轉軸線7地定向。信號發生器2具有計算單元14，將正弦信號y和余弦信號x輸送給計算單元。計算單元14通過傳感器10的正弦信號y和余弦信號x的算數關聯來確定得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr。計算單元14提供得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr以用于進一步的處理。替選地或附加地，計算單元14通過對得出的正弦信號yr和得出的余弦信號xr進行三角函數的求值來確定得出的角度信號αr，并且提供得出的角度信號αr以用于進一步處理。

本發明具有多種優點。特別地，其能夠以節約空間和成本適宜的方式實現并且提供良好的結果。

盡管詳細地通過優選的實施例闡述和描述本發明，然而不通過所公開的實例來限制本發明，并且能夠由本領域技術人員從中導出其他的變型形式，而沒有脫離本發明的保護范圍。