改進的位置傳感器的製作方法

2023-07-23 22:43:41

專利名稱：改進的位置傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於提供線性位置或角位置的精確信息的具有磁性傳感器的絕對位置系統的領域。這種測量系統要求極大的穩定性和極大的精確度，尤其被應用在汽車工業領域。
背景技術：
在現有技術中，已知美國專利US7741839描述的一種解決方法，該方法介紹了絕對位置傳感器的一般原理，該絕對位置傳感器使用產生連續可變磁場的磁體以及給出代表形狀為正弦曲線的磁分量的兩個電信號的磁性傳感器，從而確定出磁體和傳感器的相對位置。該專利提出對由兩個傳感器給出的信號之比進行反正切計算，用來提供活動磁體的大概位置。按照這種方式，可在測量點直接測量磁場的角度。

由此確定的信號精確度並不令人滿意，因為，在一般情況下，兩磁場分量具有非常不同的振幅。因此，通過反正切計算的磁場角度與位置變化不成比例，由此導致對位置認識的極不精確。能實現分量之間相等的幾何形狀很有限，或者要求對尺寸的顯著影響，例如專利US7030608中所描述的示例。為了改善精確度，已經在法國專利FR2893410中提出一種方法，該方法旨在對由傳感器給出的信號之比施加增益係數，並提出一種探測器，其包括連接在通量集中器上的兩對霍爾元件。該現有技術專利描述了一種傳感器，其包括沿直徑磁化的圓柱形磁體。檢測元件位於磁體的圓周，並獲取磁場切向和徑向分量的變化。為了解碼傳感器的實際旋轉角度，施加修正增益係數，該係數等於來自切向分量的電壓與來自徑向分量的電壓的最大振幅比。因此，所獲得信號的非線性得到改善。然而，這種結構限於被徑向磁化的環形的情況。所述方法已經由法國專利EP1989505描述的發明補充。該專利描述了具有磁體的線性或旋轉傳感器，該磁體在磁體內部的磁化方向的改變為線性變化。按照這種方式，依然通過施加與來自徑向場和切向場的電壓振幅比相等的歸一化因子，可通過反正切計算，確定探測器相對於磁體的角或線性位移。然而，在很多情況下，尤其在磁化諧波較大的情況下，或在材料中實現的磁化不按照完整的周期變化時，應用該簡單的比值不能獲得足夠精確的位置信息。以往技術的缺點由以往技術的傳感器提供的位置信息不完全令人滿意，因為相對於將來由工業強制規定的限制，磁信號和電信號的非線性導致較低的精確度。實際上，在實際情況中，真實測得的信號不是單純的正弦曲線，而是具有可能較大的諧波成分。因此可以按照以下等式寫出各磁場分量= E^-sinO'B)
IB2=Ebi-CosQ. Θ )
其中，-BI表不由磁體產生的與位移方向正交的磁分量，-B2表不由磁體產生的成90°相位差的切向磁分量-Θ表示電角度，即在相關的信號周期上的角位置。這是試圖獲知的角度，其與探測器相對於磁體的位置成比例，並且不與測量點的磁角度相混淆，磁角度被定義為與兩相關分量對應的兩矢量之間的角度，-Bi表示構成信號B1的不同諧波的振幅，-bi表示構成信號B2的不同諧波的振幅，_i表示諧波的次數。信號諧波來自不同的幹擾，尤其是·-磁體幾何形狀固有的邊緣效應，主要在有效行程末端產生。該邊緣效應因磁體尺寸在位移方向上接近有效行程，甚至小於有效行程而變得更大。可以通過選擇大尺寸的磁體來減小這種效應，但這與小型化和降低研發成本相悖。-磁化過程中的缺陷。實現方向連續變化的磁化會給磁化工具的製造帶來困難。例如，很難以完全線性的方式實現沿位移方向的磁化，且偏差角將導致由霍爾效應元件測得的電信號的諧波，-磁體的相對磁導率該相對磁導率不完全等於空氣磁導率，這會產生磁體和空氣之間的衍射寄生現象，從而使由霍爾效應元件檢測到的局部磁場發生變形，-磁體不均勻當用某些類型的磁體，特別是接合在一起的磁體工作時時，有時材料會不均勻，由此導致磁體特性不一致，並引起局部磁場的變形，-檢測磁場分量的霍爾元件的錯誤排列。因此，以往技術適用於諧波含量較小或不存在諧波以及信號被表述為基波表達式的構造。上述描述的分量B1和B2因此變為B1 = av sin ( θ )B2 = Id1 · cos ( θ )因此簡單地計算BI除以B2的商就可以獲得電角度，這樣可獲得以下等式Θ =
Q1 B2因此，在傳感器的位移的任意位置獲知電角度可以獲得傳感器的絕對位置信息。通常，當由於上述原因，信號為變形的正弦曲線而並非是單純正弦時，在磁體表面和測量探測器之間以較小距離，也就是靠近磁體來進行工作時，將增大諧波含量。越遠離磁體，其諧波含量越小。然而，當希望以儘可能小的磁體工作時，即便測量磁隙較大，邊緣效應也可能導致較大的諧波含量。由以往技術給出的提供電角度的公式不足以適用。本行業技術人員已試圖通過諸如信息後期處理等方案來改善精度，例如，應用允許進行線性化數值處理的修正表。該方法會導致成本過高並會降低系統是穩定性，且對機械變化和位置偏差，特別是磁體和探測器之間的距離變化十分敏感。上述提到的某些參數會隨著時間而變化，而僅通過後期處理進行補償會導致因傳感器老化所致的功能偏差。在專利FR2893410中提出的另一種解決方案在於通過磁體的非恆定形狀，例如橢圓截面而非圓截面，來彌補線性缺陷。該方法意味著更為複雜的製造工藝。
另一解決方案在於通過彎曲扇面應用校正係數，從而以重複的方式逐個區域地改善傳感器的線性。然而，這需要額外的電子資源，此外，其也是一種對公差缺乏穩定性的方法,這種方法將會隨時間變化日益變差。

發明內容
本發明的目的在於通過提出如下的絕對測量系統來克服這些缺陷，該絕對測量系統相比於現有技術的傳感器具有改善的精度並且既無需後處理也不需要特定構造的磁體。當然，也可以對根據本發明的測量系統應用附加的處理，但按照本發明的測量系統本質上具有比以往技術的傳感器更高的精確度。明確的是，在本專利範疇內術語「絕對位置」擴展至多周期的測量系統。絕對位置因此將涉及在一個周期上的絕對位置，關於第幾個周期的信息由附加裝置確定。有利的是，本發明特別能使本行業技術人員實現穩定的傳感器，並且特別在平行六面體形狀的磁體，或呈扇形或瓦狀的磁體的情況下，可使磁體尺寸相對於行程最小化，並 且獲得基本上小於行程的磁體，同時保持十分良好的線性。有利的是，本發明允許本行業技術人員用小的磁隙來與大磁隙的情況一樣地進行工作，在測量磁隙較小的情況下諧波含量較大。實際上，在該情況下，諧波含量雖然更小，但當磁體比測得的行程更小時，邊緣效應將導致較大的諧波含量。在上述提到的不同情況中，諧波含量都不可忽視。就廣義而言，本發明涉及一種絕對位置的測量系統，其包括永磁體、在給定行程上關於該磁體相對移動的至少一個探測器以及計算部件，磁體在探測器處產生磁場，該磁場具有沿位移方向的稱為切向磁分量的第一磁分量Bt以及與第一磁分量正交並成90°相位差的稱為法向磁分量的第二磁分量Bn，探測器給出分別取決於分量Bn、Bt的兩個電信號Vn、Vt，計算部件提供根據信號Vn、Vt之間的比值的反正切計算的位置信息，該比值被施以校正係數G，其特徵在於，計算部件被參數化，用以把嚴格區別於k的非零增益G施加在信號Vn、Vt中的一個上,其中，k代表比值Vmaxt/Vmaxn,其中,Vmaxt和Vmaxn分別表示信號Vt和Vn在行程上的振幅，增益G被計算為使來自磁分量的位置值與對應的真實機械位置值之間的偏差最小。 按照第一實施變型，永磁體具有沿位移方向連續變化的磁化方向。按照第二實施變型，永磁體具有單一方向的磁化，並且磁化強度沿位移方向連續變化。優選地，所述計算部件被參數化，從而把介於O. 4k和O. 98k或介於I. 02k和2. 5k之間的增益G施加在信號Vn、Vt中的一個上，其中，k指信號Vt和Vn的振幅比值。優選地，所述磁傳感器包括至少兩個霍爾效應元件。更好地，所述磁傳感器包括與通量集中器關聯的至少兩對霍爾效應元件，例如，由邁利芯(Melexis)公司生產的MLX90316型探測器。在第二實施方式中，探測器可以具有霍爾效應而不需要集中器，例如，微開(Micronas)公司的HAL3625型探測器。在第二實施方式中，探測器可以為磁阻型。
按照第一變型，永磁體是管狀。按照第二變型，永磁體是呈瓦狀的半管型。按照第三變型，永磁體是扇形。 按照第四變型，永磁體是平行六面體元件。按照第五變型，永磁體為盤狀。按照一個特定的實施方式，永磁體被徑向磁化。按照一個特定的實施方式，永磁體為管型並被徑向磁化。方向連續變化的磁化，可以在沿測量維度定位的區域內具有優選方向。例如，可以根據是否有(例如來自電線的)幹擾磁場施加在磁體上，以及是否希望使影響最小以便在所 有情況下在磁體的該中心位置保持不劣化的精度，來在磁體中央施加例如法向或切向的磁化。因而獲知在磁體中央處的幹擾磁場的方向，使得能夠正確地選擇在磁體中央處的磁化方向。因此，如果幹擾磁場在位移的中央處具有切向方向，則可以選擇在磁體中央處具有切向方向的磁化。顯然，以上提出的例子完全不局限於傳感器行程的中間位置，而是可以運用於傳感器行程上任意點。按照一個特定的實施方式，永磁體沿在中央法線方向和與行程的末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在行程上的總轉動基本等於180°。按照另一個特定的實施方式，永磁體沿在中央切線方向和與行程末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在行程上的總轉動小於360°。在非管型磁體的情況下，將根據尺寸限制和希望的性能確定磁化類型(在中央處正交或在中央處正切)以及磁體上磁化的總旋轉。圖4和圖5的表格示出針對給定行程和固定的磁體尺寸實現的一些示例。表格顯示根據希望的磁體大小來特別是根據在非線性上獲得的性能指導磁化類型的選擇。按照一個變型，磁體為各向異性型，磁化方向與各向異性方向對準。優選地，磁體具有各向異性，各向異性的方向沿磁體行程連續變化本發明還涉及絕對位置測量系統的參數設定方法，其包括確定信號Vn、Vt在有效行程上的最大值Vmaxn、Vmaxt,計算與比值Vmaxt/Vmaxn相等的係數k,並在計算反正切之前，通過使真實位置和計算位置之間的差別完全最小化來設置嚴格區別於k的非零增益G。本發明還涉及上述描述的絕對位置測量系統的實施方法，該測量系統包括磁體和探測器，並且其中信號Vn和Vt是變形的正弦波或偽正弦波，而不是單純的正弦波，該方法包括預校準操作，包括針對探測器和磁體的多個不同相對位置，通過測量或模擬，建立把相對位置中的每一個的測量值X與針對該相對位置X獲得的電信號Vn和Vt的比值Vn/Vt相關聯的規則，預優化操作，包括確定增益G的值，使得對於該值，針對多個相對位置獲得的、在不同的測量值X和與函數C · Arctg (G · Vn/Vt)對應的不同值之間的偏差最小，其中C是已知的構造常數，該方法還包括在使用該系統時執行的後續擴展操作，其包括把探測器和磁體的任一相對位置的測量值X與函數C · Arctg (G · Vn/Vt)的值進行比較。在所實施的方法中，如閱讀本說明書的本行業技術人員將理解的，預校準和預優化的預操作構成所涉及的絕對位置測量系統的參數設定方法。此外，構造常數C由磁體的磁化間距確定並且代表探測器和磁體的相對位移的距離與角度Arctg (G. Vn/Vt)的相應變化的比值。
具體實施例方式通過閱讀參照附圖的非限定性示例實施例的描述，將更好地理解本發明，附圖中-圖I示出包括平行六面體形磁體的測量系統的示意圖，該磁體具有方向連續變化的磁化。-圖2示出在圖I的磁體附近測得的磁感應。-圖3a、3b和3c示出根據應用於圖2的磁感比值的係數類型獲得的非線性結果以及計算的電角度。-圖4示出對於平行六面體形的磁體，概括要應用於磁化正切於磁體中央的情況的性能以及校正參數的表格。
-圖5示出對於平行六面體形的磁體，概括要應用於磁化正交於磁體中央的情況的性能以及校正參數。-圖6a、6b和6c分別示出包括盤狀磁體的測量系統的示意圖、測量點處的磁感應以及非線性方面的結果。-圖7a、7b和7c分別示出包括管狀磁體的測量系統的示意圖、測量點處的磁感應以及非線性方面的結果。-圖8a和Sb分別示出具有瓦形狀的第一測量系統的示意圖以及在非線性方面的結果。-圖9a和9b分別示出具有瓦形狀的第二測量系統的示意圖以及非線性方面的結
果O-

圖10示出具有瓦形狀的第三測量系統的示意圖。-圖11示出具有多周期環形狀的測量系統的示意圖。-圖12示出包括在單一方向上磁化但強度沿位移方向改變的磁體的測量系統的示意圖。圖I示出具有平行六面體磁體(I)的線性絕對位置測量系統的第一實施示例的示意圖。在該示例中，涉及在28mm行程上以固定為24mm的更小長度(L)的磁體(I)實現線性位置傳感器。因而好處在於材料和體積上的受益，以及由此有益於成本和重量。在該圖I中，磁體(I)的寬度(LA)為5mm而高度(H)為3mm。需注意，磁體(I)的寬度和高度僅對諧波含量產生微弱的影響，且僅僅影響所獲得信號的振幅。該磁體(I)在磁體內在接近180°的角度上按照連續改變的磁化方向被磁化。該角度通過分析確定為使得能夠在非線性方面獲得更好的結果。在該磁體(I)的上方，探測器(2)位於離上表面3. 5mm的距離(D)處，該探測器包括能在兩垂直軸上檢測磁場振幅Bt和Bn的磁敏檢測部件，Bt和Bn分別為在空間中的該點上磁場相對於位移方向限定的切向分量和法向分量。需注意，可以很容易設想為沿維度(LA)把所述檢測部件從磁體(I)對稱平面移開，目的在於擴展出與其說是切向和法向的磁分量不如說是切向和軸向的磁分量。圖2示出在圖I的情況下，根據探測器相對於檢測部件(2)的霍爾元件的相對位置，在放置磁體(I)的點處磁場的法向(Bn)和切向(Bt)分量的感應測量結果。在這種配置中，切向和法向信號明顯不同於相位偏移90°的兩個正弦波，這是因為諧波含量較大，特別是因為邊緣效應，更一般地說，是因為前面闡述的多種原因。因此，如圖3a所示，如果基於兩個分量之間的反正切計算，來計算位置(例如US7741839中所描述)，或如圖3b所示，如果如EP1989505所描述那樣預先施加等于振幅比值Vmaxt/Vmaxn的係數k,則將導致較大的不精確性。在圖3a上，曲線POS示出在未施加增益的情況下，根據應用於圖2的信號的比值的反正切計算而計算出的電角度(位置的映像)。信號NL示出根據真實機械位置得到的信號POS的非線性。可以看出，由於在信號上獲得的非線性為+/-2. 8%，因此結果較差。在圖3b上，在計算反正切之前，施加於法向和切向分量上的增益等於所述分量的振幅之比。按照圖2，把切向信號的振幅設為433高斯，並把法向信號的振幅設為660高斯，該增益值因此接近O. 65 (433/660)。在行程上將該增益施加於分量的比值以及反正切的計算當中，利用該比值計算的位置POSk具有表示為NLk的+/-I. 3%的非線性。在許多應用中，這種非線性不能接受。本行業人員因此試圖藉助上述描述的不同技術來校正這種非線性。 為此，既不把反正切計算應用在由霍爾效應元件檢測的電信號之比上，也不將反正切計算應用在由簡單的振幅比(VmaXt/VmaXn) k加權的信號上，而是藉助由本發明特有的增益係數G加權的信號。實際上，在電信號是變形的正弦波而非單純正弦的情況下，該增益係數，儘管可能接近振幅比VmaXt/VmaXn，但卻總是不同於該比值。該係數的精確值由應用於所計算的磁位置和真實機械位置的模擬數據的優化算法確定。對磁位置值和機械位置值之間的偏差進行最小化處理，從而確定測量系統的計算部件要使用的增益係數G。因此在不能通過模擬獲得感應磁場的情況下，或在涉及校正探測器定位錯誤的情況下，可以根據真實的機械位置對模型進行分量的測量，其中該機械位置是藉助標準位置傳感器測得的。因此與上述一樣，對由比值Vn/Vt的反正切計算得到的磁位置值和機械位置值之間的偏差進行最小化處理，從而確定測量系統的計算部件要使用的增益係數G。圖3c示出仍然是在圖I所示的情況下，但通過應用本發明提出的方法，輸出信號和該信號的非線性上的結果。信號POSG表示通過對被施加增益G的、切向和法向分量的映像電壓的比值進行反正切計算而獲得的信號。如果施加的增益G等於O. 76，則所獲得位置信號的由NLG表示的非線性由此降至+/-0. 62%，或者說是比僅利用振幅比值的增益獲得的非線性小2倍的值。與圖I的實施方式相關的例子絕非局限於此，不同的磁體尺寸和測量條件意味著不同的校正增益值。已經進行的不同試驗顯示，該增益G或者在振幅比值k的值以下，即在O. 4k到
O.98k的範圍，或者在k的值以上，即在I. 02k到2. 5k的範圍，也就是如果諧波含量不可忽略不計，則係數G將不同於k。圖4示出在磁化方向與平行六面體磁體中央相切的情況下，概括了為研究行程28mm的線性位置傳感器而進行的試驗的表格，以便顯示出結果的變化以及使用以往技術給出的增益k和使用為了獲得在行程上得到的信號的非線性的更好結果而被施加於法向和切向分量的比值的最佳校正增益G之間的區別。第一列「尺寸」示出所考慮的不同幾何形狀的情況的尺寸。其中的每一個涉及長度在20mm到32mm之內變化的平行六面體磁體。第二列的「空氣隙」列出磁體表面和檢測部件之間的測量磁隙或距離(D)。第三列示出例如按照以往技術的教導計算的與切向振幅％)和法向振幅U1)的比值對應的係數k的變化。第四列示出由本發明給出且等於k值的λ倍的係數G的變化。第五列列出λ的值。第六列示出採用校正係數G在28mm行程上獲得的非線性的值，而第七列示出採用以往技術的校正係數k在28mm行程上獲得的非線性的值。所有這些具體的非限定性的典型示例中的每一個都表明，通過利用嚴格區別於k的係數G，可以顯著改善利用以往技術的係數k獲得非線性。圖4的表格特別示出，可以實現長度遠小於行程而同時確保良好線性的傳感器。以「情況#5」為例，磁體的長度為20mm，小於28mm的行程。通過使用由以往技術給出的O. 47的修正係數，所獲得的最佳非線性為+/_9%。該值不符合工業規範。通過使用為I. 05的校正係數G，所獲得的最佳非線性因此為+/-0. 94%。以往技術不允許使用例如磁體小於行程 的構造，而藉助由本發明給出的校正係數，則可以使這樣的方案可行。圖5示出在磁化方向與平行六面體磁體正交的情況下，概括為了研究28mm行程的線性位置傳感器而進行的試驗的表格。在該表格上可見與圖4的表格示出的相同的列。讀者由此可以看到根據所實現的情況實現在磁體(I)的中央處正切或正交的磁化產生的影響和好處。例如，選取「情況#14」。其涉及長度為24mm的磁體(I )，因此比行程更短，對於該磁體在磁體上方的測量距離為6. 5mm,即距離相對較大。通過使用由以往技術給出的O. 52的校正係數k，所獲得的最佳非線性為+/-3.7%。該值不符合大部分工業規範。通過使用1.3倍於該係數的校正係數G，即等於O. 69的校正係數，所獲得的最佳非線性因此為+/-0. 08%。通過查看與磁化方向在中央處正交的情況有關的圖4的表格，可以看出對於O. 87的係數G，所獲得的最好結果是+/-0.21%。因此，通過在磁體(I)的中央實現法向磁化，將獲得磁體(O的尺寸被最小化的傳感器，同時確保以距磁體較大的距離進行工作的可能性，保證最小的非線性並符合最嚴格的規範。還是在圖5的表格中，選取另一實施例。「情況#20」表示磁體大於行程(長度為32mm)的情況。通過以距磁體3. 5mm的距離工作，可以將係數k為O. 48時的+/-4. 6%的非線性改變為係數G為O. 3時的+/-0. 29%的非線性。因此即便磁體長度比行程更大，也可以實現精確度提高的傳感器。有利的是，圖5的表格能確定限制非常嚴格的特別優選的情況。「情況#21」對應於測量間隙很小(2mm)，且磁體(I)的長度比行程小得多(在28mm的行程中為20mm)的情況。在該情況下，邊緣效應較大，而且探測器(2)和磁體(I)之間的靠近使諧波含量很大。利用以往技術的O. 55的校正係數獲得的最佳非線性是+/_6%，而利用O. 31的校正係數G獲得的非線性等於+/-0. 6%。因此能以尺寸較小的磁體實現具有較大精確度的傳感器，並以較小的測量磁隙進行工作。圖6a示出帶有盤狀磁體的絕對角位置測量系統的第一實施示例示意圖。方向沿磁體(I)厚度連續變化的磁化實現360°旋轉。探測器被定位在標記為(S)的圓上，該圓與磁體(I)同心且位於磁體(I)的上方，代表探測器(2)相對於磁體(I)或探測器(I)相對於探測器(2)所處的真實路徑。為計算絕對位置而使用的分量是被標為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。
在圖6b中，在360°的機械角行程上示出在磁體(I)的外直徑為20mm，內直徑為IOmm且厚度為2. 5mm的情況下，由定位在距表面3mm的距離(D)處的探測器所見的分量Bt和Bn。可以注意到，該信號包含次數i=3的諧波，該諧波按照分量趨於產生三角形或梯形形變。在圖6c上，可以再次觀察到由本發明提出的係數G的效果，相比於通過以往技術給出的+/-3. 6%的非線性，其允許獲得+/-0. 4%的傳感器非線性。因此相比於簡單的兩信號振幅比值O. 44，施加O. 67的係數。圖7a示出帶有管狀磁體(I)的絕對角位置測量系統的第一實施例的示意圖。從探測器(2)所見的方向在磁體(I)內部連續變化的磁化，在360°的完整角行程 上實現360°的旋轉。探測器(2)被定位在標為(S)的圓形軌跡上，該圓形軌跡與磁體(I)同心，並且有利的是，被定為在磁體(I)的高度(H)上。計算絕對位置所使用的分量是被標為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照讀取直徑(S)的高度，根據感應振幅或傳感器精確度的因素來選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖7b中，在360°機械角行程上示出在磁體(I)的外直徑為7mm，內直徑為5mm且厚度為3. 5mm的情況下，從探測器(2)所見的分量Bt和Bn，其中探測器被定位在距表面
3.16mm的距離(D)處。可以注意到，曲線含有非常小的諧波含量，看上去完全為正弦輪廓。然而在圖7c上可觀察到，儘管主要由於磁化工具的幾何形狀和磁體磁導率導致較小的諧波含量，而使所提出的係數(G)與以往技術的係數(k)之間的差別很小(為k的
I.03倍)，但其效果非常顯著，使傳感器的非線性從+/-0. 3%改善為+/-0. 04%。圖8a示出帶有瓦狀磁體的絕對角位置測量系統的第一實施例的示意圖。磁化方向在磁體(I)內部按照位移方向連續變化，並且所研究的完整角行程為80°。在磁體(I)前方探測器(2)被定位在軌跡(S)上，該軌跡對應比磁體(I)的外直徑更大的直徑，與磁體(I)同心並且有利的是設置在磁體(I)的高度(H)上。計算絕對位置所使用的分量是被標為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照讀取直徑(S)的高度，根據感應振幅或傳感器精確度的因素來選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖Sb上，可觀察到相對於使用以往技術的係數k，使用本發明的增益G所帶來的改進。對於90°、100°和120°的磁體(I)角向長度，所獲得的最佳非線性分別從+/-4%改變為 +/-1%，從 +/-I. 51% 改變為 +/-0. 65%,從 +/-0. 9% 改變為 +/-0. 39%。圖9a示出帶有瓦狀磁體的絕對角位置測量系統的第二實施例的示意圖。磁化方向在磁體(I)內部按照位移方向連續變化，並且所研究的完整角行程為40°。在磁體(I)前方探測器(2)被定位在距磁體(I)距離(D)處，位於呈圓弧形的軌跡
(S)上，該軌跡與磁體(I)同心。計算絕對位置所使用的分量是被標為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照讀取直徑(S)，根據感應振幅或傳感器精確度的因素來選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖9b上，可觀察到相對於使用以往技術的係數k，使用本發明的增益G所帶來的改進。對於30°、40°、50°和70°的磁體(I)的角向長度，所獲得的最佳非線性分別從+/-2. 53% 改變為 +/-0. 14%,從 +/-5. 3% 改變為 +/-0. 13%,從 +/-3. 7% 改變為 +/-0. 45%,從+/-0. 24% 改變為 +/-ο. 04%O圖10示出帶有瓦狀磁體的絕對角位置測量系統的第三實施例的示意圖。在該情況下，探測器(2)被定位在與磁體(I)的曲率半徑同心的軌跡(S)上，但位於比該曲率半徑更小的半徑上。實際上，與軌跡(S)的半徑大於磁體(I)的曲率半徑的情況相比，如果是半徑比該曲率半徑更小的軌道(S)從而所形成的位移較小，則會因此導致待施加校正因數的不同結果。圖11示出按照本發明的傳感器的構造，該傳感器包括具有方向連續變化的多極磁化的環狀磁體(I)。實際上可以觀察到，該環具有5個以72°的機械角磁化的周期。在各周期上，可觀察到磁化方向的旋轉角度等於360°。當磁體相對於探測器或探測器相對於磁體旋轉時，定位在磁體表面附近的探測器(2)因此以在5個周期上解碼角位置。位置傳感器因此不再提供360°旋轉角上的絕對位置，而是提供在一個72°周期上的絕對位置。該類型的多極磁體結構例如能提供發動機電周期上的絕對位置。編碼器的精確度將影響發動 機效率或者甚至由發動機提供的動態扭矩的穩定性。本發明能夠通過使用合適的增益來改善這兩個因素。圖12示出磁化類型的變型。與方向連續變化的磁化不同的是，在此提出的磁化經由沿單一方向改變的磁化振幅調製來實現，該方向與傳感器的位移相對應。此外，即便所述磁化允許獲得準正弦的電信號，在計算反正切之前引入不同於所測量的兩個信號的振幅比值的增益，也允許獲得更好的精度。在此處詳細描述並通過若干示例闡明的本發明當然不局限於按照位移方向的傳感器。根據與上述針對位移方向描述的原理相同的原理，可藉助一個或多個探測器，通過使用在測量點產生的磁場的3個分量(切向和兩個法向)來實現遵從兩個位移方向的傳感器(稱為2D傳感器)。
權利要求
1.一種絕對位置測量系統，包括永磁體、在給定行程上關於所述磁體相對移動的至少一個探測器以及計算部件，所述磁體在所述探測器處產生磁場，所述磁場具有沿位移方向的稱為切向磁分量的第一磁分量Bt以及與所述第一磁分量正交並成90°相位差的稱為法向磁分量的第二磁分量Bn，所述探測器給出分別取決於所述分量Bn、Bt的兩個電信號Vn、Vt，所述計算部件提供根據所述信號Vn、Vt之間的比值的反正切計算的位置信息，所述比值被施以校正係數G，其特徵在於，所述計算部件被參數化，用以把嚴格區別於k的非零增益G施加在所述信號Vn、Vt中的一個上,其中，k代表比值Vmaxt/Vmaxn,其中,Vmaxt和Vmaxn分別表示所述信號Vt和Vn在所述行程上的振幅，所述增益G被計算為使來自磁分量的位置值與對應的真實機械位置值之間的偏差最小。
2.根據權利要求I所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體具有沿位移方向連續變化的磁化方向。
3.根據權利要求I所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體具有單一方向的磁化，並且磁化強度沿位移方向連續變化。
4.根據上述權利要求中任意一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述計算部件被參數化，以把介於O. 4k和O. 98k之間的增益G施加於所述信號Vn、Vt中的一個。
5.根據權利要求I至3中任意一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述計算部件被參數化，從而把介於I. 02k和2. 5k之間的增益G施加於所述信號Vn、Vt中的一個。
6.根據權利要求I至5中任意一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述磁傳感器包括至少兩個霍爾效應元件。
7.根據權利要求I至5中任意一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述磁傳感器包括與通量集中器關聯的至少兩對霍爾效應元件。
8.根據上述權利要求中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體為管狀。
9.根據權利要求I至7中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體為呈瓦狀的半管形狀。
10.根據權利要求I至7中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體為盤狀。
11.根據權利要求I至7中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體為扇形。
12.根據權利要求I至7中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體是平行六面體。
13.根據權利要求2以及權利要求6至12中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體沿在中央法線方向和與所述行程的末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在所述行程上的總轉動基本等於180°。
14.根據權利要求2以及權利要求6至12中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述永磁體沿在中央切線方向和與所述行程末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在所述行程上的總轉動小於360°。
15.根據權利要求I到14中至少一項所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述磁體為各向異性型，磁化方向與各向異性方向對準。
16.根據權利要求15所述的絕對位置測量系統，其特徵在於，所述磁體具有各向異性，各向異性的方向連續變化。
17.根據上述權利要求中至少一項所述的絕對位置測量系統的參數設定方法，包括確定所述信號Vn、Vt在有效行程上的最大值Vmaxn、Vmaxt,計算與比值Vmaxt/Vmaxn相等的係數k，並在計算反正切之前，設置嚴格區別於k的非零增益G。
18.根據上述權利要求中至少一項所述的絕對位置測量系統的參數設定方法，其特徵在於，測量信號Vn和Vt，通過比值Vn/Vt的反正切計算磁位置，對由反正切計算得到的所述磁位置的值和真實的機械位置值之間的偏差進行最小化處理，以確定增益係數G。
19.根據權利要求I至17中任意一項所述的絕對位置測量系統的使用方法，其特徵在於，所述方法包括預校準操作，包括針對所述探測器和所述磁體的多個不同相對位置，通過測量或模擬，建立把所述相對位置中的每一個的測量值X與針對該相對位置X獲得的電信號Vn和Vt的比值Vn/Vt相關聯的規則；預優化操作，包括確定所述增益G的值，使得對·於該值，針對多個相對位置獲得的、在不同的測量值X和與函數C · Arctg (G - Vn/Vt)對應的不同值之間的偏差最小，其中C是已知的構造常數；以及後續擴展操作，包括把所述探測器和所述磁體的任一相對位置的測量值X與函數C · Arctg (G · Vn/Vt)的值進行比較。
全文摘要
本發明尤其涉及為絕對位置的測量系統設定參數的方法，測量系統包括永磁體、在給定行程上關於所述磁體相對移動的至少一個探測器以及計算部件，計算部件提供根據受校正係數G作用的、探測器輸出信號之間的比值的反正切計算得到的位置信息，所述信號是偽正弦波或方波。所述方法包括優化操作，包括選擇係數G的值，其中係數G使因探測器的輸出信號的偽正弦特徵而導致的測量系統的誤差最小。
文檔編號G01D5/14GK102893131SQ201180023873
公開日2013年1月23日 申請日期2011年9月23日 優先權日2010年9月29日
發明者米夏埃爾·德爾巴爾, 蒂埃裡·多格, 迪迪埃·弗拉商, 熱拉爾德·馬松 申請人:移動磁體技術公司