多傳感器磁性傳感器模塊的製作方法
2023-12-10 10:49:17 2
多傳感器磁性傳感器模塊的製作方法
【專利摘要】本公開涉及多傳感器磁性傳感器模塊。一種磁性角傳感器模塊，具有第一磁性極輪和第二磁性極輪，所述第一磁性極輪包括第一數量的極，而所述第二磁性極輪包括大於第一數量的第二數量的極。第一和第二磁阻傳感器分別以第一角度位置和第二角度位置位於第一極輪的周圍。第一和第二磁阻傳感器共同產生對應於第一極輪的測量角的傳感器信號，而第三磁阻傳感器產生對應於第二極輪的測量角的第三傳感器信號。信號處理器接收第一和第三傳感器信號且執行算法，該算法根據第一傳感器信號確定第二極輪的信號曲線內的位置以及根據信號曲線內的位置和第三傳感器信號確定增強角。
【專利說明】多傳感器磁性傳感器模塊
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及磁性軸外角度測量感測原理，更具體地，涉及一種在軸外配置中利用磁性原理進行旋轉裝置的機械角的角度測量的多傳感器磁性傳感器模塊以及測量軸外磁場的方法。
[0002]【背景技術】
[0003]磁性極輪被用在許多現代的角度位置傳感器中以檢測旋轉對象的角度位置。這樣的角度位置傳感器在許多領域都有應用，例如汽車、工業等。例如，在汽車中，角度位置傳感器被用在無刷直流電機內以檢測運行時的轉子位置且應用在轉向角度測量中以提供關於司機想要進行自動轉向應用(例如電動助力轉向、電子穩定控制、主動轉向系統、泊車輔助系統等)的方向的信息。
[0004]傳統的磁性角度位置傳感器被安置在位於軸的末端的旋轉磁碟的前面。在這樣的位置上，磁性角度位置傳感器可精確地測量磁場的變化並確定那一點軸的角度。然而，如果由於機械限制(例如在電動汽車電子中)軸的末端不可觸及，那麼該磁性角度位置傳感器相反沿著該軸位於旋轉軸線的外側位置上(例如，軸外位置(an out-of-axis position))。在這種軸外位置上，軸外磁性角度位置傳感器測量軸外磁場的變化並確定那一點軸的角度。
[0005]實用新型內容
[0006]因此，本公開的一些方面提供用於精確測量由磁性極輪產生的軸外磁場的方法和/或設備。
[0007]根據本實用新型的一個方面，提供了一種在軸外配置中利用磁性原理進行旋轉裝置的機械角的角度測量的多傳感器磁性傳感器模塊，包括:第一磁性極輪，包括具有交替極性的多個部分，所述多個部分位於環形結構內且被配置為產生作為所述第一磁性極輪的機械角的函數而變化的磁場；第一磁阻傳感器，被配置為產生對應於所述第一磁性極輪的第一測量角的第一傳感器信號；以及第二磁阻傳感器，被配置為同時產生對應於所述第一磁性極輪的第二測量角的第二傳感器信號，其中，所述第一磁阻傳感器以取決於所述第一磁性極輪中的所述多個部分的數量的角度相對於所述第一磁性極輪的徑向而被定向。
[0008]其中，所述第二磁阻傳感器相對於所述第一磁阻傳感器以等於90度十180度/所述多個部分的所述數量的旋轉角旋轉。
[0009]其中，所述第一磁阻傳感器位於第一角度位置；以及其中，所述第二磁阻傳感器位於第二角度位置，所述第二角度位置以使得所述第一磁阻傳感器在第一部分的中心的前面而所述第二磁阻傳感器在相鄰部分之間的轉換部的前面的分離角與所述第一角度位置分離。
[0010]其中，所述分離角等於360度/ (2X所述多個部分的所述數量)。
[0011]所述多傳感器磁性傳感器模塊還包括:信號處理器，被配置為接收所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號並執行產生估計機械角的值的算法，所述估計機械角的值等於根據所述第一傳感器信號確定的所述第一測量角和根據所述第二傳感器信號確定的所述第二測量角的平均值。[0012]所述多傳感器磁性傳感器模塊還包括:旋轉軸，被配置為繞著延伸過所述第一磁性極輪的原點的旋轉軸線旋轉；第二磁性極輪，具有比所述第一磁性極輪更少數量的部分，其中，所述旋轉軸線延伸過所述第二磁性極輪的原點；以及第三磁阻傳感器，沿著所述第二磁性極輪的徑向設置且被配置為產生對應於所述第二磁性極輪的第三測量角的第三傳感器信號，其中，所述估計機械角被確定為所述第一傳感器信號、所述第二傳感器信號和所述第三傳感器信號的函數。
[0013]其中，所述算法進一步被配置為執行以下操作:確定作為所述估計機械角的函數的所述第一磁性極輪的信號曲線內的位置；基於作為所述估計機械角的函數的所述第一磁性極輪的所述信號曲線內的所述位置，確定所述信號曲線內的所述位置作為信號周期；根據所述信號周期和所述第一傳感器信號與所述第二傳感器信號計算增強角；以及調整所述增強角以消除誤差峰。
[0014]其中，確定作為所述估計機械角的函數的所述第一磁性極輪的所述信號曲線內的所述位置，包括:確定與所述第一磁性極輪的所述估計機械角相關的精細角；確定與所述第二磁性極輪的所述第三測量角相關的粗糙角；以及計算所述精細角和所述粗糙角之差，其中，所述差對應於Nonius角。
[0015]其中，所計算的增強角對應於通過所述第一磁性極輪對機械角的測量，所述第一磁性極輪具有比所述第二磁性極輪更多數量的部分。
[0016]其中，根據所述信號周期計算所述增強角，包括:計算閾值，所述閾值等於360度X2/所述第一磁性極輪中的部分的數量；計算信號周期，所述信號周期等於floor(Nonius角/所述閾值)；以及通過將2與所述精細角的乘積和所述信號周期與360度的乘積之和除以所述第一磁性極輪內的部分的數量，來計算所述增強角。
[0017]其中，調整所述增強角以消除誤差峰，包括:將所述增強角和所述Nonius角進行比較；以及如果所述增強角和所述Nonius角的差大於最大Nonius角誤差，則產生等於所述增強角減去所述閾值的調整的增強角，或者如果所述增強角和所述Nonius角的所述差小於最大Nonius角誤差，則產生等於所述增強角加上所述閾值的調整的增強角。
[0018]根據本實用新型的另一方面，提供了一種多傳感器磁性傳感器模塊，包括:主磁性極輪，包括位於旋轉軸周圍的具有交替極性的第一數量的部分；第一磁阻傳感器，被配置為產生對應於所述主磁性極輪的第一測量角的第一傳感器信號；從磁性極輪，包括比所述第一數量的部分數量更大的第二數量的部分，所述第二數量的部分具有交替極性且位於所述旋轉軸的周圍；第二磁阻傳感器，被配置為產生對應於所述從磁性極輪的第二測量角的第二傳感器信號；以及信號處理器，被配置為接收所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號並執行算法，所述算法根據所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號確定所述從磁性極輪的信號曲線內的位置，並根據所述從磁性極輪的所述信號曲線內的所述位置確定增強角。
[0019]所述多傳感器磁性傳感器模塊還包括:第三磁阻傳感器，相對於所述第二磁阻傳感器以旋轉角被定向，所述旋轉角允許所述第三磁阻傳感器在所述第二磁阻傳感器產生所述第二傳感器信號的同時產生第三傳感器信號，所述第三傳感器信號對應於由所述從磁性極輪的第一部分產生的磁場，其中，所述第三磁阻傳感器以使得所述第二磁阻傳感器在所述從磁性極輪的第一部分的中心的前面而所述第三磁阻傳感器在所述從磁性極輪的相鄰部分之間的轉換部的前面的分離角與所述第二磁阻傳感器分離。
[0020]所述多傳感器磁性傳感器模塊還包括:信號處理器，被配置為接收所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號並執行進行以下操作的算法:確定與所述第一測量角相關的粗糙角；確定與所述第二測量角相關的精細角；基於所述精細角和所述粗糙角之差計算所述從磁性極輪的信號曲線內的位置；基於信號曲線內作為角度的所述位置確定作為信號周期的所述從磁性極輪的所述信號曲線內的位置；根據所述從磁性極輪的所述信號曲線內作為所述信號周期的所述位置計算所述增強角；以及調整所述增強角以消除誤差峰。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1A示出被配置為根據Nonius原理檢測軸外磁場的軸外磁性傳感器模塊的框圖。
[0022]圖1B為示出由圖1A的軸外磁性傳感器檢測的角度以及相關的誤差的曲線圖。
[0023]圖2為被配置為測量軸外位置處的磁場的多傳感器磁性傳感器模塊的一些實施方式的框圖。
[0024]圖3為示出由圖2的軸外磁性傳感器測量的角度以及相關的誤差的曲線圖。
[0025]圖4A和圖4B示出了被配置為在軸外位置處測量磁場的多傳感器磁性傳感模塊的一些可選實施方式。
[0026]圖5是用於形成多傳感器軸外磁場模塊的方法的一些實施方式的流程圖。
[0027]圖6是用於精確地測量軸外位置上磁場的公開的方法的一些實施方式的流程圖。
[0028]圖7是用來利用改善的Nonius原理精確測量軸外位置上的磁場的公開的方法的更具體的實施方式的流程圖。
[0029]圖8為示出在圖7的方法中所測量的示例性角度的曲線圖。
[0030]圖9A示出被配置為執行所公開的測量軸外位置處的磁場的方法的磁性傳感器模塊的一些實施方式的框圖。
[0031]圖9B為示出由圖9A的軸外磁性傳感器模塊測量的角度的曲線圖。
[0032]圖1OA示出被配置為實施圖7的方法的磁性傳感器模塊的一些另外的實施方式的框圖。
[0033]圖1OB示出由圖1OA的軸外磁性傳感器測量的增強角(enhanced angle)以及相關的誤差的仿真。
[0034]圖11為示出由被配置為執行改善的Nonius算法的軸外磁性傳感器測量的增強角的曲線圖。
【具體實施方式】
[0035]這裡參考附圖作出描述，其中，通篇相似的參考標號通常用於表示相似的元件，且其中，多種結構不必按縮放比例畫出。在下面的描述中，出於說明的目的，為了方便理解，闡述了許多特定的細節。然而，對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，這裡所描述的一個或多個方面可以比這些具體細節不那麼具體地進行實施。在其他的實例中，為便於理解，以框圖示出已知的結構和裝置。
[0036]—些通過軸外(out-of-axis)磁場測量旋轉機械角傳統方法使用Nonius原理(例如Vernier原理)。Nonius原理通過結合從由兩個極輪觸發的兩個傳感器接收的信號信息允許在機械360°旋轉上進行軸角檢測。例如，圖1A示出被配置為利用Nonius原理檢測軸外磁場的軸外磁性傳感器模塊100的框圖。磁性傳感器模塊100包括安裝在旋轉軸106上且通過空氣間隔110與磁場傳感器108分開的主極輪102a和從極輪102b。主極輪102a和從極輪102b包括具有多個部分104的同心環結構,部分104具有交替向外極性(alternatingoutward polarities)(例如「北磁極」 104a和「南磁極」 104b)。主極輪102a和從極輪102b具有相同的幾何尺寸但不同數量的極對(pole pair),從而使得主極輪102a的部分具有比從極輪102b的部分更大的尺寸(即LAL2X
[0037]隨著旋轉軸106旋轉，磁性極輪102a和102b旋轉，這使得部分104a和104b移動經過磁場傳感器108。第一磁場傳感器108a檢測由主極輪102a產生的磁場的變化，且由此產生第一輸出信號outl。第二磁場傳感器108b檢測由從極輪102b產生的磁場的變化，且由此產生第二輸出信號out2。如圖1B的曲線圖112中所示，旋轉軸(rotating shaft)106的Nonius角(即，估計的機械角)基於對應於第一輸出信號outl的測量角和對應於第二輸出信號out2的角的差而確定。
[0038]使用Nonius原理比使用單個極輪(例如，對於直徑極輪(diametric polewheel),其具有高達+/-35°的誤差)的傳感器模塊提供了基於極輪的磁性傳感器模塊的靈敏度。例如，曲線圖112示出與Nonius角(y軸)相關的誤差作為實際的機械角(X軸)的函數。如曲線圖112中所示，Nonius角的誤差範圍為+4.23° /-3.50°。然而，即使使用Nonius原理，也會出現檢測誤差。
[0039]因此，本公開的一些方面提供用於精確測量由磁性極輪產生的軸外磁場的方法和/或設備。
[0040]在一些實施方式中，本公開涉及具有第一極輪的磁性傳感器模塊，所述第一極輪包括多個部分，具有交替的磁極性且位於環形結構的周圍。第一磁阻傳感器位於第一角度位置。第二磁阻傳感器位於第二角度位置。第二磁阻傳感器以取決於多個部分的數量的非零角度相對於磁性極輪的徑向而被定向。第一和第二磁阻傳感器被配置為同時產生與磁場成比例的第一和第二傳感器信號，所述磁場對應於第一極輪的第一測量角。信號處理器被配置為接收第一和第二傳感器信號並確定第一極輪的估計機械角到高精確度。
[0041]在其他實施方式中，本公開涉及通過基於檢測信號的信號周期確定軸外磁場來測量對應於旋轉裝置的機械角的增強角的方法。所述方法包括操作一個或多個磁場傳感器以確定信號曲線內對應於機械旋轉的位置。該位置然後被轉化成由一個或多個磁場傳感器所測量的位置的信號周期。然後根據該信號周期計算增強角。通過根據信號周期確定增強角，增強角的精度可更好估計旋轉裝置的實際機械角。
[0042]圖2示出被配置為基於在軸外位置處測量的磁場來測量磁性極輪的估計的機械角的多傳感器磁性傳感器模塊200的一些實施方式的框圖。
[0043]多傳感器磁性傳感器模塊200包括具有多個部分204 (即「極」)的磁性極輪202，該磁性極輪被配置為在環形結構周圍產生具有交替極性的磁場。例如，第一部分204a被配置為產生具有第一極性的磁場(例如，具有朝著徑向向外的北磁極)，而第二部分204b被配置為產生具有第二極性的磁場(例如，具有朝著徑向向外的南磁極)。第一部分204a和第二部分204b的交替極性導致了作為磁性極輪202的角的函數而變化的磁場。儘管多傳感器磁性傳感模塊200示出具有兩個部分(極)，但是應理解的是所公開的多傳感器磁性傳感器模塊可包括任何數量的部分。
[0044]磁性極輪202安裝在旋轉軸206上且與第一磁阻傳感器208a和第二磁阻傳感器208b被空氣間隔212分開。第一磁阻傳感器208a和第二磁阻傳感器208b被配置為檢測從磁性極輪202輸出的磁場214且基於所檢測的磁場214分別產生第一輸出信號outl和第二輸出信號out2。第一輸出信號和第二輸出信號對應於磁性極輪202的估計機械角。在一些實施方式中，第一磁阻傳感器和第二磁阻傳感器包括巨磁阻傳感器。
[0045]隨著旋轉軸206的旋轉磁性極輪202旋轉，引起部分204a和204b移動經過磁場傳感器208。因為由磁性極輪202產生的磁場214作為角度的函數而變化，所以由磁場傳感器208產生的所得的輸出信號outl和out2包括具有信號周期的正弦信號，所述信號周期取決於磁性極輪202中部分204的數量。第一輸出信號outl和第二輸出信號out2被提供給信號處理器210。信號處理器210運行算法以確定第一磁阻傳感器208a的第一測量角和第二磁阻傳感器208b的第二測量角。然後第一測量角和第二測量角被平均以產生磁性極輪202的估計機械角。在一些實施方式中，所述算法對應於如下所述的方法700和800。
[0046]第一磁阻傳感器208a位於第一角度位置α !且第二磁阻傳感器208b位於第二角度位置α2。第一角度位置\和第二角度位置％被分離角Λ α分離，這取決於磁性極輪202中存在的極對的數量。分離角Λ α使得第一磁阻傳感器208a位於對應於磁極(例如204b)中心的位置上，而第二磁阻傳感器208b位於對應於磁極轉換部(例如204b和204a之間的轉換部)的位置上。由於當傳感器面向極的中間或極轉換部時磁性傳感器的誤差小(即，磁阻傳感器在極的中心和極轉換部處(在該處，磁場基本是直的)具有高度的精確性)，所以這種分離可提高磁性傳感器模塊200的精確性。
[0047]第一磁阻傳感器208a和第二磁阻傳感器208b被配置為同時測量由磁性極輪202的相同部分產生的磁場。在一些實施方式中，第一磁阻傳感器208a和第二磁阻傳感器208b相對於極輪的徑向216,以不·同的角度被定向。由於磁阻傳感器208的方向依賴性(例如，磁阻傳感器具有與磁場入射到磁阻傳感器上的角度成比例的阻抗)，這樣的定向允許第一磁阻傳感器208a和第二磁阻傳感器208b沿著由磁性極輪202的相同部分產生的磁場線定向，從而使得第一磁阻傳感器208a和第二磁阻傳感器208b同時測量磁性極輪202的相同機械角。
[0048]例如，對於圖2的直徑磁性極輪202，其中，90°的角度分離使得第一磁阻傳感器208a位於磁極的中心，而第二傳感器位於兩部分(即磁極)的轉換位置處，第一磁阻傳感器208a相對於磁性極輪202的徑向216以0°定向，而第二磁阻傳感器208b相對於磁性極輪202的徑向216以180°定向。這樣的定向允許第二磁阻傳感器208b與第一磁阻傳感器208a測量相同的估計機械角。
[0049]圖3為示出由公開的多傳感器磁性傳感器模塊(例如，多傳感器磁性傳感器模塊200)測量的估計機械角和相關的誤差的趨向圖300、306。曲線圖300示出作為旋轉裝置的實際機械角(X軸)的函數的估計機械角(y軸)。圖306示出作為實際機械角(X軸)的函數的與估計機械角(y軸)相關的誤差。
[0050]如曲線圖300中所示，在第一區域302(其中第一傳感器從極中心移動到極轉換部且第二傳感器從極轉部換移動到極中心)中，第一測量角具有負誤差，從而使得第一測量角小於實際機械角。另外，第二測量角具有正誤差，從而使得測量角大於實際機械角。將第一區域302中的第一測量角和第二測量角進行平均(即均值)，會使得正和負的誤差值相互抵消，結果，估計機械角具有減小的整體誤差。
[0051]在第二區域304(其中，第一傳感器從極中心移動到極轉換部且第二傳感器從極中心移動到極轉換部)中，第一測量角具有負誤差，從而使得第一測量角小於實際機械角。另夕卜，第二測量角具有正誤差，從側第二測量角大於實際機械角。將第二區域304中的第一測量角和第二測量角進行平均(均值)，會使得正和負的誤差值相互抵消，結果，估計機械角具有減小的整體誤差。曲線圖306中所示的結果誤差在+/-9.4°之間。
[0052]圖4A和圖4B示出被配置為測量軸外位置上的磁場的多傳感器磁性傳感器模塊400的一些可選實施方式。
[0053]多傳感器磁性傳感器模塊400包括兩個極輪:具有η個極對的主極輪402a(即，粗糙極輪(coarse polewheel))和具有n+1個極對的從極輪(即，精細極輪(finepolewheel))。如圖4A和4B中所示，主極輪具有3個極對(即6個極)而從極輪具有4個極對(即8個極)。主極輪402a和從極輪402b安裝在旋轉軸406上，該旋轉軸被配置為繞著旋轉軸線416旋轉，所述旋轉軸線延伸穿過主極輪402a和從極輪402b的原點。各個極輪具有環形結構，所述環形結構具有多個部分404 (極)，這些部分具有不同的磁極以至於極輪402的外表面在具有北磁極的部分404a和具有南磁極的部分404b之間交替。在一些實施方式中，部分404可由諸如Hartferrit的磁性材料形成。
[0054]極輪402a和402b與磁場傳感器408被空氣間隔412分開。具體地,第一磁阻傳感器408a與主磁性極輪402a相關，而第二磁阻傳感器408b和第三磁阻傳感器408c與從磁性極輪402b相關。磁場傳感器408a-408c被配置為向信號處理器410提供信號,所述信號處理器被配置為測量旋轉軸406的機械角。在一些實施方式中，信號處理器410包括存儲元件414，所述存儲元件被配置為存儲用在處理從磁場傳感器408接收的信號以確定估計機械角的算法(例如，對應於方法600或700的算法)。
[0055]圖4B示出磁性傳感器模塊400中主極輪402a和從極輪402b的頂視圖418、420。頂視圖418不出位於主極輪402a的周圍的第一角度位置上的第一磁阻傳感器408a。頂視圖420還示出分別位於從極輪402b周圍的第二和第三角度位置上的第二磁阻傳感器408b和第二磁阻傳感器408c。第二角度位置和第三角度位置被22.5°的分離角分離，這使得第二磁阻傳感器408b位於對應於從極輪402b的部分404的中心的位置上，而第三磁阻傳感器408c位於對應於從極輪402b的部分404之間的轉換的位置上。通過將兩個磁阻傳感器408a、408b設置在同時測量第二極輪402b的磁場的位置上，可以提高第二極輪的估計機械角。
[0056]圖5是用於形成多傳感器軸外磁場模塊的方法600的一些實施方式的流程圖。
[0057]在502中，提供包括一個或多個位於旋轉軸周圍的磁性極輪的磁性傳感器模塊。磁性極輪包括具有不同磁極性的多個部分(「極」)，從而使得極輪的外表面在具有北磁極的部分和具有南磁極的部分之間交替。
[0058]在504中，在相對於磁性極輪的第一角度位置上提供第一磁阻傳感器。
[0059]在506中，在相對於磁性極輪的第二角度位置上提供第二磁阻傳感器。通常，對於具有η個極(S卩，部分)的極輪而言，第一和第二磁阻傳感器被分離角Λ α分離，其中:[0060]Δ α=360。/2η
[0061]另外，相對於第一磁阻傳感器以旋轉角β來定向第二磁阻傳感器，其中:
[0062]β =90° +360° /2η
[0063]第一和第二磁阻傳感器之間的這樣的定向使得磁阻傳感器相對於磁性極輪的徑向以不同的角度被定向。
[0064]在508中，第一磁阻傳感器被操作為產生對應於第一測量角Ct1的第一傳感器信號。第一測量角為第一磁阻傳感器的旋轉軸的機械角的測量值。然而，由於測量中的誤差，第一測量角小工可稍微偏離實際機械角Φπ_。
[0065]在510中，第二磁阻傳感器被操作為產生對應於第二測量角Φ2的第二傳感器信號。第二測量角Φ2為第二磁阻傳感器的旋轉軸的機械角的測量值。然而，由於測量中的誤差，第二測量角02可稍微偏離實際機械角Φπ_。
[0066]在512中，根據第一和第二測量角的均值確定估計機械角Φ@，
[0067](6^=((^+(^)/2
[0068]通過根據第一和第二測量角的均值確定估計機械角Φ@，減小了與第一和第二測量角Cji1和Φ2相關的誤差，提供了所得的多傳感器磁性傳感器模塊的很好的精確性。
[0069]圖6和圖7示出方法600和700的一些實施方式的流程圖，所述方法通過計算由一個或多個軸外磁場傳感 器測量的極輪位置的實際信號周期來測量極輪的增強估計機械角(即增強角)。通過根據實際信號周期確定增強角，可進一步提高所得增強角的準確性。
[0070]圖6示出了用來基於信號周期測量旋轉裝置的增強角的公開的方法600的一些實施方式的流程圖。
[0071]在602中,提供了軸外磁場傳感器模塊。軸外磁場傳感器模塊包括一個或多個磁場傳感器，它們沿著位於旋轉軸周圍的一個或多個旋轉磁性極輪設置。一個或多個磁場傳感器被配置為測量由磁性極輪產生的磁場的分量。在一些實施方式中，一個或多個磁場傳感器包括磁阻傳感器(例如，巨磁阻傳感器)。在一些實施方式中，軸外磁場傳感器模塊包括同軸旋轉極輪，其中，各個極輪包括一個或多個沿著極輪設置的磁場傳感器。
[0072]在604中，至少一個磁場傳感器被操作為確定信號曲線內旋轉軸的位置。在一些實施方式中，信號曲線內旋轉軸的位置被確定為測量角的函數。例如，在機械360°旋轉上延伸的信號曲線內，旋轉軸的位置可包括通過將由磁性傳感器產生的傳感器信號轉化成測量角所確定的測量角。在一些實施方式中，信號曲線內旋轉軸的位置包括Nonius角(B卩，通過利用Nonius原理確定的測量角),其中，Nonius角與由與第一極輪相關的第一磁性傳感器產生的第一測量角和與第二極輪相關的第二磁性傳感器產生的第二測量角之差成比例。
[0073]在606中，信號曲線內的旋轉軸的位置被轉化成信號周期。信號周期是信號通過一個完整的循環(iteration)所花費的時間。在具有多個部分/極的極輪中，來自磁性傳感器的信號輸出將經過機械360°旋轉上的η個信號周期。例如，具有η個極對(B卩，其中每個極對具有兩個部分)的極輪將經過機械360°上的η個信號周期。在一些實施方式中，極輪的Nonius角(在604中確定的)可被轉化成信號周期，由此允許信號曲線內的旋轉角的位置成為信號周期的函數而不是角度的函數。例如，對於具有兩個極輪對的極輪，180°的Nonius角將轉化成I的信號周期。
[0074]在608中，根據信號周期計算旋轉軸的增強角。增強角是旋轉軸的物理角位置的估計。
[0075]在610中，可以調整增強角以消除誤差峰。在一些實施方式中，可以增強角以消除Nonius角(信號周期根據其確定)內固有的誤差。例如，如果基於由Nonius角確定的信號周期計算增強角，則Nonius角內的誤差可引起信號周期錯誤，這導致增強角中的誤差峰。因此，通過將增強角與Nonius角的最大誤差進行比較，誤差峰可以被識別且隨後被校正。
[0076]圖7是更詳細的方法700的一些實施方式的流程圖，方法700利用改進的Nonius原理精確測量軸外位置上的磁場。傳統的Nonius原理根據從同軸極輪測量的角的相位差計算估計機械角，與這種計算不同，本公開的方法700根據信號周期計算增強估計機械角。
[0077]當所公開的方法(例如方法600、700和800)被示出和描述成一系列的操作或事件時，應該理解的是，所示出的這些操作或事件的順序並不被解釋為受到限制。例如，除了這裡所示出和/或描述的之外，一些操作可以不同的順序和/或與其他的操作或事件同時發生。另外，並非要求所有示出的操作來執行這裡的描述的實施方式的一個或多個方面。另外，這裡所示出的操作的一個或多個可以更多分開的操作或階段的方式來實施。
[0078]在702中，提供具有兩個同軸極輪的軸外磁性傳感器模塊。在一些實施方式中，軸外磁場傳感器模塊包括與主極輪相關的第一磁性傳感器和與從極輪相關的第二磁性傳感器。主極輪具有第一數量的部分/極(例如η個極對)。從極輪與主極輪同軸設置且具有第二數量的部分/極，該數量大於第一數量的部分/極(例如，η+1個極對)。
[0079]在704中，確定與主極輪相關的第一粗糙角(Θ圖8示出與具有3個極對的主極輪相關的示例性粗糙角9__的曲線圖800。粗糙角在跨越120°機械角的周期內跟隨0°到360°上的趨勢線802。因為存在3個極對，所得粗糙角在360°的機械角上3次通過0°到360°。
[0080]在706中，確定與從極輪相關的第二精細角(Θ fine)。圖8示出與具有4個極對的從極輪相關的示例性精細 角efiM。精細角在跨越90°機械角的周期內跟隨0°到360°的趨勢線806。因為存在4個極對，所得精細角在360°的機械角上4次通過0°到360°。在一些實施方式中，如相對於圖2所描述的，根據由第一磁阻傳感器產生的第一測量信號和由第二磁阻傳感器產生的第二測量信號來確定精細角Θ fineD
[0081]在708中，根據粗糙角Θ。。.和精細角9伽中確定旋轉軸的Nonius角(ΘΝ。—)。Nonius角Θ Nmius為由精細極輪所測量的旋轉軸的近似機械角。可根據Nonius原理確定Nonius角Θ Nmius,其中，從精細角Qfine中減去粗糙角Θ e(OTse以產生精細極輪的Nonius角θ Nonius (即θ Nonius= θ fine_ θ。。咖e )，這提供了旋轉軸機械角的粗略估計。在一些實施方式中，取Nonius角0Nmius和360°的模來校正Nonius角Θ Nmius中的超過量(overshoot)。在這樣的實施方式中，所得Nonius角9Nmius等於:
[0082]Θ Nonius=mod( Θ Nonius，，360。)
[0083]其中，Θ―，= Θ fine- Θ co咖。對於精細角Θ fine和粗糙角Θ coarse之間的負的差，該模定義為:mod (-X，360。)=360° -χ (例如 mod (-35。, 360° ) =325。)。
[0084]圖8的曲線圖808示出Nonius角Θ Nmius。Nonius角Θ Nmius具有跟隨趨勢線810的值且與精細角Qfine和粗糙角0。。_的差成比例。例如，在第一機械角M1上，粗糙角Θ。。.約等於100°而精細角Qfine約等於135° ,結果Nonius角9Nmius為35°。Nonius角Θ Nonius通常具有約+4° /-3.5°的誤差。[0085]在710中，旋轉軸的位置被確定為精細極輪的信號周期的函數。在一些實施方式中，通過首先計算閾值且然後用閾值除測量角來確定所述信號周期，其中，閾值在程度上等於精細極輪信號周期的大小。在這樣的實施方式中，閾值等於360度除以精細極輪的極對的數量(即閾值=360° /精細極輪的極對數量)，信號周期等於Nonius角Θ Nmius等於對Nonius角Θ Nonius除以閾值的floor (即，信號周期數=Floor ( Θ Nonius/閾值))，其中，x的floor函數(floor function)將因子x四捨五入到小於或等於x的最近整數。
[0086]例如，具有4個極輪對的精細極輪具有360° /4=90°的閾值。因此，約10°的Nonius角Θ Nmius將導致信號周期為O (即Floor (10° /90)),這表示Nonius角Θ Nmius在精細極輪的第一信號周期範圍內，而約120°的Nonius角Θ Nmius將導致信號周期為I (即Floor (120° /90))，這表示Nonius角Θ Nmius在精細極輪的第二信號周期內。
[0087]在712中，確定增強角。基於信號周期和精細角ΘΗμ計算增強角。在一些實施方式中，增強角
9 enhanced
等於:
[0088]Θ enhanced= (360° *信號周期數量+ Θ fine) /精細極輪的極對數量
[0089]例如，對於具有4個極對的精細極輪，信號周期數為I且精細角為35°而言，則增強角 Genhaneed 等於 395° /4=98.75。。
[0090]在714中，選擇性地調整增強角以去除峰值誤差。因為Nonius角有時是錯誤的，所以不總能正確計算正確的信號周期，引起所計算的信號周期大小差一。這導致振幅等於閾值增強角中出現誤差峰。為了解決這種峰值誤差，首先識別峰值誤差且然後通過等於閾值的值調整增強角。
[0091]例如，在一些實施方式中，為了解釋誤差峰，將增強角Θ enhaneed和Nonius角Θ Nmius進行比較。如果增強角Θ enhaneed和Nonius角Θ Nmius的差大於Nonius角的最大誤差(SP，「Nonius誤差」)(操作716)，則所述方法假設存在正的誤差峰且產生等於增強角Θ enhanced減去閾值的調整的增強角(操作722)。如果增強角Θ—ed和Nonius角Θ的差小於最小Nonius誤差(操作720)，所述方法假設存在負的誤差峰且產生等於增強角9 enhanced加上閾值的調整的增強角0 enhance/ (操作722)。如果增強角Θ —d和NoniUS角Θ Nonius的差小於最大Nonius誤差或大於最小Nonius誤差，那麼不存在峰值且不調整增強
9 enhanced ° 總之，可根據下面的等式調整增強角9 enhanced:
[0092]如果Θ Nonius- Θ enhanced>max (abs (ErrorNonius))
[0093]Θ enhanced - Θ enhanced-閾值
[0094]如果Θ Nonius- Θ enhanced<-max (abs (ErrorNonius))
[0095]Θ enhanced - Θ enhanced-1"閾值 [0096]在一些實施方式中，方法600和700可通過所公開的多傳感器磁場模塊(例如多傳感器磁性傳感器模塊200和500)來執行。然而，將要認識到的是，方法600和700不局限於這裡的多傳感器磁場模塊。而是，所公開的方法可獨立於所公開的多傳感器磁場模塊或結合所公開的多傳感器磁場模塊來應用。
[0097]例如，圖9A示出被配置為實施在軸外位置上測量磁場的方法的單個傳感器磁性傳感器模塊900的一些實施方式的框圖(例如方法600)。
[0098]磁性傳感器模塊900包括安裝在旋轉軸906上且與一個或多個磁場傳感器908被空氣間隔912分開的極輪902，其中，磁場傳感器908被配置為測量從極輪902輸出的磁場。極輪902包括多個部分904，它們被配置為在環形結構周圍產生具有交替極性的磁場。
[0099]基於所檢測的磁場,磁場傳感器908被配置為產生一個或多個輸出信號，所述輸出信號對應於由極輪902產生的磁場，它們被提供給信號處理器910。信號處理器910包括存儲元件914，所述存儲元件被配置為儲存確定信號周期的算法，該信號周期對應於由磁場傳感器908產生的輸出信號。
[0100]例如，圖9B的曲線圖916示出示例性趨勢線918，該趨勢線示出由信號處理器910基於輸出信號測量的Nonius角。在一些實施方式中，信號處理器910運行存儲在存儲兀件914中的算法以根據趨勢線918的角度確定信號周期。例如，角P1對應於第一信號周期918a，而角P2對應於第二信號周期918b。基於所確定的信號周期，信號處理器910執行算法以基於信號周期確定旋轉軸906的增強角和/或調整的增強角。
[0101]圖1OA示出了被配置為實施在軸外位置上測量磁場的方法(例如方法700)的軸外磁場傳感器模塊1000。
[0102]磁性傳感器模塊1000包括主極輪1002a (B卩，粗糙極輪)和從極輪1002b (B卩，精細極輪)，它們以使得極輪關於軸線1014同軸的方式安裝在旋轉軸1006上。磁性極輪1002與磁場傳感器1008被空氣間隔1012分開。磁場傳感器1008被配置為檢測從極輪輸出的磁場。在機械360°旋轉上,磁場傳感器1008發送2個信號到信號處理器1010,其中，來自主(粗糙)極輪1002a的信號比來自從(精細)極輪1002b的信號具有更大的周期。
[0103]圖1OB示出由磁性傳感器模塊1000檢測的增強角Θ enhanced (或/和被調整的增強角)的仿真結果和相關的誤差。為具有39個極對的主極輪(即，粗糙極輪)和具有40個極對的精細極輪(即，從極輪)測量了增強角(曲線圖1016)。如曲線圖1018中所示，誤差為+0.11° /-0.14。。
[0104]圖11為示出由執行方法800的多傳感器磁性傳感器模塊(例如，對應於多傳感器磁性傳感器模塊500)測量的增強角或調整的增強角以及相關的誤差的曲線圖1100、1102。圖1100示出作為實際機械角(X軸)的函數的增強角(y軸)(或/和調整的增強角)。圖1102示出作為實際機械角(X軸)的函數的與增強角相關的誤差(y軸)。如圖表1102中所示，使用方法800的改善的Nonius原理在軸外位置上測量磁場的多傳感器磁性傳感器模塊1000可獲得0.06° /-0.07°的精確度。
[0105]將理解的是，對於本領域的技術人員而言，基於對本說明書和附圖的閱讀和/或理解可做出等同替換和/或修改。本公開包括所有這些修改和替換且通常意不在受到限制。例如，儘管這裡提供的附圖被示出和描述為具有特定的信息類型(doping type)，本領域的技術人員將意識到的是，可以利用替換的信息類型。
[0106]另外，儘管已經相對於幾個實施中的僅一個披露了特定的特徵或方面，然而，如所期望的，這樣的特徵或方面可與其他實施的一個或多個其他特徵和/或方面結合。另外，在一定程度上使用了術語「包括」、「具有(having)」、「具有(has)」、「具有(具有)」和/或它們的變體，這些術語意在包括諸如「包含(comprising)」的意思。此外，「示例性」只意味著實例的意思，而不是最好的。還將理解的是，為了簡化和容易理解的目的，這裡所述的特徵、層和/或元件相對於另一個以特定尺寸和/或定向示出，而實際的尺寸和/或定向可以與這裡示出的完全不同。
【權利要求】
1.一種在軸外配置中利用磁性原理進行旋轉裝置的機械角的角度測量的多傳感器磁性傳感器模塊，其特徵在於，包括: 第一磁性極輪，包括具有交替極性的多個部分，所述多個部分位於環形結構內且被配置為產生作為所述第一磁性極輪的機械角的函數而變化的磁場； 第一磁阻傳感器，被配置為產生對應於所述第一磁性極輪的第一測量角的第一傳感器信號；以及 第二磁阻傳感器，被配置為同時產生對應於所述第一磁性極輪的第二測量角的第二傳感器信號， 其中，所述第一磁阻傳感器以取決於所述第一磁性極輪中的所述多個部分的數量的角度相對於所述第一磁性極輪的徑向而被定向。
2.根據權利要求1所述的多傳感器磁性傳感器模塊，其中，所述第二磁阻傳感器相對於所述第一磁阻傳感器以等於90度+ 180度/所述多個部分的所述數量的旋轉角旋轉。
3.根據權利要求1所述的多傳感器磁性傳感器模塊， 其中，所述第一磁阻傳感器位於第一角度位置；以及 其中，所述第二磁阻傳感器位於第二角度位置，所述第二角度位置以使得所述第一磁阻傳感器在第一部分的中心的前面而所述第二磁阻傳感器在相鄰部分之間的轉換部的前面的分離角與所述第一角度位置分離。
4.根據權利要求3所述的多傳感器磁性傳感器模塊，其中，所述分離角等於360度/(2X所述多個部分的所述數量)。
5.根據權利要求1所述的多·傳感器磁性傳感器模塊，還包括: 信號處理器，被配置為接收所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號並執行產生估計機械角的值的算法，所述估計機械角的值等於根據所述第一傳感器信號確定的所述第一測量角和根據所述第二傳感器信號確定的所述第二測量角的平均值。
6.根據權利要求5所述的多傳感器磁性傳感器模塊，還包括: 旋轉軸，被配置為繞著延伸過所述第一磁性極輪的原點的旋轉軸線旋轉； 第二磁性極輪，具有比所述第一磁性極輪更少數量的部分，其中，所述旋轉軸線延伸過所述第二磁性極輪的原點；以及 第三磁阻傳感器，沿著所述第二磁性極輪的徑向設置且被配置為產生對應於所述第二磁性極輪的第三測量角的第三傳感器信號， 其中，所述估計機械角被確定為所述第一傳感器信號、所述第二傳感器信號和所述第三傳感器信號的函數。
7.一種多傳感器磁性傳感器模塊，其特徵在於，包括: 主磁性極輪，包括位於旋轉軸周圍的具有交替極性的第一數量的部分； 第一磁阻傳感器，被配置為產生對應於所述主磁性極輪的第一測量角的第一傳感器信號; 從磁性極輪，包括比所述第一數量的部分數量更大的第二數量的部分，所述第二數量的部分具有交替極性且位於所述旋轉軸的周圍； 第二磁阻傳感器，被配置為產生對應於所述從磁性極輪的第二測量角的第二傳感器信號；以及信號處理器，被配置為接收所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號並執行算法，所述算法根據所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號確定所述從磁性極輪的信號曲線內的位置，並根據所述從磁性極輪的所述信號曲線內的所述位置確定增強角。
8.根據權利要求7所述的多傳感器磁性傳感器模塊，還包括: 第三磁阻傳感器，相對於所述第二磁阻傳感器以旋轉角被定向，所述旋轉角允許所述第三磁阻傳感器在所述第二磁阻傳感器產生所述第二傳感器信號的同時產生第三傳感器信號，所述第三傳感器信號對應於由所述從磁性極輪的第一部分產生的磁場， 其中，所述第三磁阻傳感器以使得所述第二磁阻傳感器在所述從磁性極輪的第一部分的中心的前面而所述第三磁阻傳感器在所述從磁性極輪的相鄰部分之間的轉換部的前面的分離角與所述第二磁阻傳感器分離。
【文檔編號】G01B7/30GK203642873SQ201320448250
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年7月25日 優先權日:2012年7月25日
【發明者】沃爾夫岡·格拉尼格, 格諾特·賓德爾 申請人:英飛凌科技股份有限公司