专利名称：测量铁磁部件的循环运动的系统和方法
技术领域：
本发明总体涉及测量系统，该测量系统使用由铁磁部件所产生的磁场来估计与该 铁磁部件的循环运动相关的量值(速度、位置等)。更具体的说本发明涉及与铁磁部件的旋 转运动相关的测量。
背景技术：
使用磁场测量方式来确定汽车车轮的转速是已知的。例如，文献EP-A-0828161描 述了一种检测方法和装置，其中磁性传感器靠近车轮设置以使用磁性传感器的铁磁特性并 从中推断出车轮的转速。为了降低靠近车轮(底盘、门等)的其它磁性源的影响，对源自于 靠近车轮设置的多个传感器的信号进行差动测量。因此消除了源自于附近放置的固定值的 磁场源的场分量。通过磁场的测量，希望能够提取出与汽车发动机的铁磁部件(例如，机轴、凸轮轴 等)的转动相关的信息。机轴或者凸轮轴的角度位置目前是通过光编码器来确定的。这样的编码器必须与 使得测量值失真的泥土(soil)相隔离。这实现起来很复杂。然而，将已知的用于车轮的磁性系统转换成对其他车辆元件的运动的评估，特别 是对发动机的转动元件的运动的分析，是个问题，因为可变磁场(与期望进行旋转测量的 部件的磁场相比，其具有不可忽略的振幅)干扰测量值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于在被其它可变电源所干扰的环境下从铁磁部件 发出的磁场的测量值中提取与铁磁部件的转动相关的信息的方法和系统。更大体上说，本发明的实施方式的目的是分析在由一个或多个可变电源产生的噪 音干扰的环境中的铁磁部件的循环运动。为了实现全部或部分的这些和其它目的，本发明提供了一种用于测量在受具有交 流分量的至少一种电源的噪音干扰的环境中的铁磁部件的循环运动的系统，包括对运动的所述部件敏感的至少一个第一磁强计；所述电源中的电流的图像的传感器；用于计算所述电源对所述第一磁强计测量的信号产生的噪音的估计值的装置；以 及用于从所述测量的信号中减去所述估计值的装置。根据本发明的实施方式，所述交流电源中的电流的图像是其两端的电压。根据本发明的实施方式，所述计算装置包含至少一个威纳滤波器 (Wienerfilter)。根据本发明的实施方式，所述磁强计被设置得与所述铁磁部件的距离比与任何其 它移动铁磁部件的距离更近。
根据本发明的实施方式，所述系统包括靠近第二运动铁磁部件设置的至少一个第二磁强计；用于计算所述第二部件对所述第一磁强计测量的信号产生的噪音的估计值的装 置；以及用于从所述测量的信号中减去该估计值的装置。根据本发明的实施方式，所述具有交流分量的所述电源是与车辆发动机相关联的 交流发电机。根据本发明的实施方式，所述具有交流分量的电源是电动机的交变电流。本发明还提供用于估计在受具有交流分量的至少一个电源产生的噪音干扰的环 境中的至少一个铁磁部件的循环运动的方法，该方法包括步骤如下测量至少被所述铁磁部件所影响的磁场的图像；测量所述电源中的电流的图像；对所述磁场的图像进行关联滤波，以消除所述电源的影响。根据本发明的一个实施方式，通过使用至少一个第二磁强计利用关联滤波来消除 来自另一个铁磁部件的噪音分量，所述至少一个第二磁强计与该另一个部件相关联。本发明的前述和其他的目的、特征和优势将在下列结合附图对特定实施方式的非 限制性的描述中详细讨论。
图1是装备有根据本发明的实施方式的系统的汽车的简化图，该系统用于测量发 动机的旋转部件的运动；图2是示例汽车的运动部件的局部简化透视图；图3是示出本发明的实现模式的框图；图4以时序图的形式示出了利用图3的系统所获得的响应的示例；以及图5是本发明的另一实施方式的框图。
具体实施例方式相同的部件在不同的附图中用相同的附图标记表示。为了清楚，仅显示并将描述 对本发明的理解有用的那些部件和步骤。特别是，没有详细描述能沿着一个或多个轴线提 供信息的磁强计的实际成型，本发明能够兼容常用的磁强计。另外，也没有详细描述与被 分析的循环运动相关的信息的利用，本发明在此也兼容进行循环运动的部件的测量值(速 度、位置等)的常规使用。图1是装备有根据本发明的实施方式的系统的汽车1的简化的俯视图，该系统用 于分析发动机的铁磁部件的旋转运动。在该示例中，期望估计出车辆的发动机2的凸轮轴(图1中未示出)的旋转速度。图2是示出包含在汽车发动机2中的旋转部件的局部透视图。在图2的示例中， 发动机具有两个上部凸轮轴21和23。图2中还显示出了发动机的机轴25、活塞27、机轴末 端的驱动轴四、和与每个汽缸相关的进出阀31。这些部件属于进行根据其他实施方式可被 分析的循环运动的发动机部件。驱动轴四驱动同步齿带(未示出)，同步齿带除了啮合其它部件，还啮合与凸轮轴21和23相关的齿轮212和232。被驱动轴四所驱动的另一个带 (62，图1)用于驱动为电池7充电的交流发电机。在图1的实施方式中，磁性传感器42位于发动机2的架22上并靠近凸轮轴，其获 得的信号通过连接导线44发送给解读和分析电路5。本申请的发明人发现，由靠近发动机的旋转铁磁部件布置的磁强计测量的主要噪 音源来自于交流发电机，更具体来说是源自交流发电机形成为具有交流分量的电源这一事 实。而且，该交流分量可以从交流发电机两端的电压的测量值来确定，不必使用一个 另外的磁性传感器进行差分测量。因此，根据本发明的实施方式，能够从两端电压的测量值获得交流发电机的电流 的图像，并消除由交流发电机所产生的噪音对磁强计42所产生的信号影响。典型地，通过使磁强计抵靠发动机架而尽可能地靠近凸轮轴，能感应到振幅约为 一微特斯拉的场。交流发电机对该磁强计的干扰也是相同数量级，因此不能忽略。消除由交流发电机所带来的噪音可足以获得有用信号。特别地，如果该磁强计足 够靠近凸轮轴(在图2的示例中，置于发动机的顶部)，则来自于其它旋转源的噪音可以被 忽略，且不会干扰测量。在相反的情况下，至少一个第二磁强计被用来估计一个或多个不可忽略的噪音源 的噪音。例如，如果该噪音来自于机轴，则磁强计设置成抵靠架并尽可能地靠近机轴(图2 的示例中，位于发动机的底部)。来自该第二磁强计的信号被用来提取来自于机轴的噪音， 如下文参照图5所看到的。图3是本发明的实施方式的框图，根据该实施方式，来自磁强计42的信号m通过 所谓关联滤波的技术被提供给一滤波器，以消除由交流发电机6所产生的噪音。测量的信 号被认为被来自于从交流发电机到电池的电流的磁场所干扰。尽管电池储存直流电压，然 而来自于交流发电机的电流(或者电池两端的电压)具有交流分量。如图3中所示，可以认为由磁强计42测量的信号对应于表示凸轮轴的磁场的有用 信号u和源自于交流发电机的噪音信号b之和。现在，除了噪音信号m的观察值之外，独立于有用信号u(与有用信号不相关)的 与噪音b相关的信息可供利用。该信号对应于电池7两端的电压，其可以被测量，并不受 凸轮轴的磁场所影响。然后，能够确定具有转换函数f的滤波器8 (例如，所谓的威纳滤波 器)，该滤波器能够从电池电压a获得噪音b的估计值eb6。接着，从测量出的信号m中减 去估计值eb6以重获有用信号u，那么该有用信号u仅表示通过凸轮轴所产生的磁场。转换函数f可以被表示成f(v) =^lia(V)Aaa(V),其中Sma (ν)表示电池电压a的观 察值与噪音测量值m之间的交叉谱功率密度，并且Saa(V)表示信号a的平均功率谱密度。用于消除噪音的干扰的关联滤波技术是已知的，对于该技术，可以利用所谓 的“仅噪音(noise alone)参考”。例如可以参考由D. BAUDOIS，A. SILVENT撰写的文 章“Application du correlofiltre‘ elimination de raies en presence de bruitstationnaire，， (Septieme colloque sur Ie traitement du signal et ses applications, Nice，法国，5 月 28 日至 6 月 2 H , 1979)。图4示出了图3中所示的用于提取有用信号的系统的运行。表示由凸轮轴所产生的磁场的有用信号u的示例显示在图的上部，并且由磁强计42所测量的噪音信号m显示在 下部。在图3的示例中，假设了与测量的信号(在大约-0. 1 μ T和大约0. 1 μ T之间振荡) 相关的有用信号(在大约0. 1 μ T和大约0. 25 μ T之间振荡)的参考级的转换。解读有用信号u以推断出速度、角位置、加速度以及其它信息只需要基于时间和 位置基准的信号处理。位置基准可以例如在制造时定刻度来获得。作为变型，可以执行训 练过禾呈(training procedure)。如果交流发电机6不永远转动(例如电动车的情况)，则在交流发电机不运行期 间，不考虑由于交流发电机产生的噪音。图5是另一实施方式的框图，该实施方式示出多个磁性传感器42和48可以靠近 不同的旋转金属部件设置的情况。例如，除了传感器42靠近凸轮轴设置外，另一个传感器 48靠近机轴05，图幻设置，以测量机轴的角位置或者其速度。与凸轮轴的情况相同，测量 信号m的主要噪音来自于交流发电机6。因此必须对测量的信号m'进行滤波以消除从电 池电压a的测量值估计出的噪音分量eb' 6。滤波器8’的转换函数f’不同于凸轮轴的滤 波器8的转换函数，因为传感器42和48与交流发电机6相距的距离不同(还可能在不同 的方向上)。然后由电子减法器46和46'提供的有用信号u和u'被信号处理电路52和 54(SP)所使用，以便将与凸轮轴和机轴的运动相关的信息传送到电路5，例如车载计算机。如果在滤除了由交流发电机产生的噪音后所重获的凸轮轴的信号u仍然被另外 的铁磁源的大量噪音所干扰，于是可以使用该关联滤波技术来消除该干扰。这一功能在图 5中用虚线表示，其中机轴被认为对与凸轮轴相关的磁强计42所测量的信号引入了不可忽 略的噪音。在这种情况下，由电子减法器46'提供的信号u'被认为表示由凸轮轴所引起 的单独噪音分量，然后能够利用威纳滤波器f48通过与上文中所讨论的相同方式进行计算 而估计出(信号eb48)其对磁强计42产生的信号的干扰，并从测量的信号m中减去该干扰 (电子减法器46〃 )。其它传感器可以进一步与其他部件相关联。本发明的优势是，通过将磁强计靠近旋转铁磁部件布置，尽管存在由具有交流分 量的电源所产生的不可忽略的噪音，仍然能够以简单的方式获得信息。现在可以通过磁场测量值分析发动机部件的运动，而不受发动机环境中必然存在 的干扰的影响。另一个优势是，仅需要基于电池电压的测量值的信号处理即可消除交流发电机的 噪音。特别是，不需要磁强计来消除交流发电机的噪音。尽管在上文中本发明参照汽车发动机的应用进行了描述，然而其更一般地应用于 铁磁部件是旋转的并且所述铁磁部件靠近具有交流分量的电源的情况。例如，在机床的情 况下，即使所述磁场被发动机的交流电源电流所干扰，仍能够从磁强计所接收的磁场中提 取与发动机轴的位置和速度相关的信息。已经描述了各种实施方式。本领域技术人员能够想到各种改变、修改和改进。特 别是，靠近铁磁部件的磁强计的各个位置的选择取决于期望被提取信息的部件的结构和其 环境。优选地，用于测量给定部件的磁场的磁强计与该部件的距离比其与其它任何运动铁 磁部件的距离更近。此外，尽管本发明参照每个铁磁部件使用单个磁强计的示例进行了描述，然而类似于在其他应用中使用多轴线测量，可以使用不同取向的多个磁强计或者多轴线磁强计， 以提取另外的信息。例如，使用在不同方向上的多个传感器能够实现所谓的独立分量分析 源分离方法。例如可以参考由C. Jutten和J. Herault撰写的、发布于Signal Processing 24 (1991) l_10_Elsevier上白勺文章“Blindseparation of sources,Part I :An adaptative algorithm based on neuromimeticarchitecture"。另外，基于上文中所给出的功能描述和通常的信号处理工具，本领域的技术人员 能够实际实现本发明。特别是，作为示例提供的关联滤波技术可以用其他类似的与所描述 的功能相关的信号处理技术代替，另外，信号处理可以是模拟的和/或数字的。这样的改变、修改和改进也被认为是本公开内容的一部分，并且在本发明的精神 和范围之内。因此，上文的描述仅是示例而不用于限制。本发明仅被所附的权利要求及其 等同物所限制。
权利要求
1.一种用于测量在受具有交流分量的至少一个电源(6)的噪音干扰的环境中的铁磁 部件01，23，25)的循环运动的系统，该系统包括对运动的所述部件敏感的至少一个第一磁强计G2，48)；所述电源中的电流的图像(a)的传感器；用于计算所述电源对所述第一磁强计测量的信号(m，m')产生的噪音(eb6，eb' 6) 的估计值的装置(8，8')；和用于从所述测量的信号中减去所述估计值的装置G6，46')。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述交流电源(6)中的所述电流的所述图像是电 源两端的电压。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算装置(8，8')包括至少一个威纳滤波器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁强计0 被设置得与所述铁磁部件01， 23)的距离比与任何其它运动的铁磁部件03)的距离更近。
5.根据权利要求1所述的系统，包括靠近运动的第二铁磁部件0 设置的至少一个第二磁强计G8)；用于计算所述第二铁磁部件对所述第一磁强计0 测量的信号(m)产生的噪音 (eb48)的估计值的装置(f48)；和用于从所述测量的信号中减去该估计值的装置)。
6.根据权利要求1所述的系统，其中具有交流分量的所述电源是与车辆(1)的发动机 ⑵相关联的交流发电机(6)。
7.根据权利要求1所述的系统，其中具有交流分量的所述电源是电动机的交变电流。
8.一种用于估计在受具有交流分量的至少一个电源(6)产生的噪音干扰的环境中的 至少一个铁磁部件01，23，2幻的循环运动的方法，该方法包括如下步骤测量至少被所述铁磁部件影响的磁场(m)的图像；测量所述电源中的电流的图像(a)；对所述磁场的图像应用关联滤波，以消除所述电源的影响。
9.根据权利要求8所述的方法，其中通过使用至少一个第二磁强计08)利用关联滤波 来消除来自另一个铁磁部件0 的噪音分量，所述至少一个第二磁强计与所述另一个铁 磁部件相关联。
全文摘要
本发明涉及测量铁磁部件的循环运动的系统和方法。一种用于测量在受具有交流分量的至少一个电源的噪音干扰的环境中的铁磁部件的循环运动的系统包括对运动的部件敏感的至少一个第一磁强计；所述电源中的电流的图像的传感器；用于计算所述电源对第一磁强计测量的信号产生的噪音的估计值的装置；和用于从所述测量的信号中减去该估计值的装置。
文档编号G01P3/487GK102135546SQ20111002487
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者A·勒戈夫, R·布兰佩因 申请人:原子能与替代能源委员会
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