磁传感器装置制造方法
【专利摘要】提供一种用于确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的磁传感器装置。磁传感器装置包括第一磁传感器、第二磁传感器和确定单元，第一磁传感器用于感测与周期性改变的磁场相关来呢的信号，所述磁场是由于机械组件相对于磁传感器装置的相对运动而产生的；第二磁传感器用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号；其中第一磁传感器设置为相距第二磁次传感器的固定距离；确定单元耦合到第一磁传感器和第二磁传感器上，用于接收第一磁传感器的输出信号和第二磁传感器的输出信号，其中第一磁传感器的输出信号相对于第二磁传感器的输出信号相位偏移，以便对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及以便基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
【专利说明】磁传感器装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种磁传感器装置。
[0002]此外，本发明涉及一种包括磁传感器装置的传感器系统。
[0003]除此之外，本发明涉及一种确定对机械组件的特性加以表示的信息的方法。
[0004]另外，本发明涉及一种计算机可读介质。
[0005]此外，本发明涉及一种程序单元。
【背景技术】
[0006]磁传感器与永磁体或磁化组件相结合可以用来感测机械组件的位置和速度。例如，如果磁传感器放置于相距磁化轮的近距离处，将所述磁化轮的周长分为以磁南和磁北交替磁化的部分，当轮旋转时，磁传感器将感测周期性改变的磁场。通过分析传感器的输出并且了解轮的机械构造，例如，可以确定在传感器位置处的时变磁场的频率，进而确定轮的角速度。
[0007]在一些应用中，只需探测机械部分的特殊位置。这转化为时刻检测，在所述时刻磁传感器的输出具有特定值。例如，在许多实际情况，感兴趣的是确定磁场的零交叉的时刻。
[0008]传感器中或传感器读数中的任意误差，例如叠加到信号的任意偏移，将在零交叉的确定中引起误差。在许多磁传感器中，例如各向异性磁阻(AMR)传感器，偏移可能比信号振幅大得多，导致无法接受的误差或甚至无法检测。此外，如果在磁畴中存在任何偏移，例如平行于要感测的场的任何DC杂散场，许多用于偏移抵消的传统技术都不能适当地工作。
[0009]通过在有限量的时间内观察传感器输出信号并且将所述传感器输出信号与期望信号拟合，可以推算出偏移。然而，如果在小于一个周期内观察信号并且要求信号的一些特性(形状、振幅、频率)的知识，而所述知识在正常工作期间并非总是可用的，上述方法就不适用。相反，通过对传感器输出信号的一个周期进行平均，不需要任何关于信号特性的现有知识就可以得到偏移。然而，在一些应用中，在产生第一个精确的零交叉信号之前不允许等待输出信号的一个完整周期。在那些情况下，观察到了亚赫兹磁场，并且等待信号的完整周期会导致太长的等待时间。
[0010]目前，这些问题的通用解决方法是在测试期间的偏移校准。可以通过传感器的激光微调或在测试期间测量偏移并且在正常操作期间前馈补偿来实现。弊端是这些技术增加了测试成本，并且可能带来由于温度和老化的偏移变化而导致的不准确结果。
[0011]US 2010/0194387 Al公开了一种磁阻传感器系统，其中所述系统包括磁场源、具有易磁化轴的磁阻传感器以及微分元件。磁场源适用于发射根据振荡输入信号产生的辅助磁场。辅助磁场与磁阻传感器的易磁化轴垂直。磁阻传感器适用于感测与外部磁场和辅助交变磁场的叠加相关联的信号，其中微分元件适用于对所感测信号进行微分。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是提供一种磁传感器装置和方法，用于提供一种有效的方式，来通过感测机械组件产生的磁场来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
[0013]为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求所述的磁传感器装置、包括磁传感器装置的传感器系统、确定方法、计算机可读介质和程序元件。
[0014]根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于确定对机械组件的特性加以表示的信息的磁传感器装置。所述磁传感器装置包括:第一磁传感器，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述周期性改变的磁场是由于机械组件相对于磁传感器装置的相对运动而产生的；第二磁传感器，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中所述第一磁传感器设置为相距第二磁传感器固定距离；以及确定单元，耦合到第一磁传感器和第二磁传感器。确定单元适用于接收第一磁传感器的输出信号和第二磁传感器的输出信号，其中将第一磁传感器的输出信号相对于第二磁传感器的输出信号相位偏移，以便对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及以便基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
[0015]根据另一示例性实施例，提供一种传感器系统。传感器系统包括具有上述特点和机械组件的磁传感器装置。
[0016]根据另一示例性实施例，提供一种确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的方法。所述方法包括:通过第一磁传感器，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述磁场是由于机械组件相对于磁传感器装置的相对运动而产生的；通过第二磁传感器，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中第一磁传感器设置在相距第二磁传感器的固定距离处；通过与第一磁传感器和第二磁传感器耦合的确定单元，接收第一磁传感器的输出信号和第二磁传感器的输出信号，其中将第一磁传感器的输出信号相对于第二磁传感器的输出信号相位偏移。所述方法还包括对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
[0017]根据另一示例性实施例，提供一种计算机可读介质，其中存储了确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序适用于实行或控制具有上述特征的方法。
[0018]根据又一示例性实施例，提供一种确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的程序单元(例如，软件程序，以源代码或以可执行代码)，当由处理器执行时，所述程序单元适用于实行或控制具有上述特征的方法。
[0019]可以通过计算机程序(即软件)、或者通过使用一个或多个专用电子优化电路(gp硬件)或者按照混合形式(即通过软件部件和硬件部件)实现可以根据本发明实施例执行的确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
[0020]本发明描述了怎样得到机械组件的信息，例如通过精确的零交叉探测，无需任何等待时间或额外的校准，而仅用与信号有关的有限信息。具体地，不需要与传感器输出的绝对振幅和它们的偏移有关的彳目息。
[0021]术语“磁传感器”可以表示能够确定或感测与磁场相关联的信号的任意类型的传感器，在这种情况下，具有交变信号的周期性或交变磁场。在一种实施例中，磁传感器可以是磁阻传感器。[0022]术语“绝对相位”可以是指与周期性改变的磁场相关联的信号的相位。
[0023]术语“相位偏移”可以是指这样的事实:两个传感器感测相同的信号，因此具有相同信号输出、但是在不同的时间点，因此输出信号是相位偏移。
[0024]在下文中，将解释磁传感器装置的另一示例性实施例。然而，这些实施例同样应用在传感器系统、确定方法、程序元件和计算机可读介质中。
[0025]可以基于每个输出信号的导数之比进行输出信号的比较，所述输出信号用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位。将输出信号相对于时间求导。结果用于确定对与周期性磁场相关联的信号的绝对相位加以表示的比值。
[0026]所述周期性改变的磁场可以是由于机械部组件的相对运动导致的旋转磁场。在这种情况下，磁传感器装置可以是用于感测在旋转磁场和固定方向之间角度的角度传感器。第一磁传感器可以适用于感测沿所述固定方向的旋转磁场的信号，以及第二磁传感器可以适用于感测沿与所述固定方向的垂直方向的旋转磁场的信号。对机械组件的特性加以表示的信息可以与旋转磁场和固定方向之间的角度相对应。
[0027]在此描述的系统可用于任何传感器系统，在所述传感器系统中至少使用两个传感器以感测相同物理量，并在传感器的输入处存在物理量之间的相移。通过了解所述相移的值，使用算法可以抵消两个传感器的影响。
[0028]一种应用可能是在角度传感器(例如，磁角度传感器)的应用。角度传感器通常包括两个传感器，所述传感器感测要感测角度的余弦和正弦分量。例如，在磁角度传感器中，需要感测旋转磁场和固定方向之间的角度α。第一磁传感器可以放置为感测所述场的沿固定方向的分量，以及第二磁传感器可以放置为感测垂直于固定方向的分量。在这样的配置下，第一传感器输入可以等于H cos(a),第二传感器输入可以是Hsin ( a )，其中H是磁场的振幅。因此，所述两个传感器输入是经过φ=9(Ρ移相的，可以应用之前描述的系统。
[0029]确定单元还可以适用于基于输出信号的比较，来确定第一磁传感器的输出信号的和第二次传感器的输出信号的特性。基于所述比较，不仅可以确定绝对相位，也可以确定传感器及其输出信号的一些特征。
[0030]输出信号的特性可以包括输出信号之间的偏移、输出信号的绝对相位以及输出信号的零交叉。零交叉用于表示周期性改变的磁场，所以表示机械组件，并且可以用于确定机械组件的合适功能。
[0031]所确定的用于对机械组件的特性加以表示的信息可以包括所产生磁场的空间周期以及机械组件的位置。基于所述信息，可以确定与机械组件有关的不同信息。空间周期表示与周期性磁场相关联的信号的波长，即波的形状重复的距离。此外，如果传感器输出波形是已知的，所提出的概念可以不仅用于得到零交叉，而且可以用于得到机械部件的位置。
[0032]机械组件可以是提供交变磁场的旋转运动机械组件或直线运动机械组件。可以是例如轮子，如齿轮。在任何情况下，机械组件可以由干扰偏置磁场的磁性材料构成，或可以是被磁化的。机械组件可以进行排列以便产生叠加在偏置(外部)磁场上的辅助磁场。可以将外部磁场的改变感测为与机械组件的周期性改变的磁场相关联的信号。
[0033]磁传感器装置还可以包括第三磁传感器，所述第三磁传感器适用于感测与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号，其中第三磁传感器设置为相距第一磁传感器和/或第二磁传感器的固定距离，其中确定单元进一步耦合到第三磁传感器并还适用于接收第三磁传感器的输出信号，其中第三磁传感器的输出信号是第一磁传感器和/或第二磁传感器的输出信号的相位偏移版本，以便对输出信号进行比较，用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且以便基于所确定的与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。通过使用算法和上述方法，前两个传感器可以用于获得磁信号的无偏移读数，因此获得机械位置的精确读数。尽管提供对偏移的良好补偿，所述方法可能无法实现某些规格，例如噪音性能。在这样的情况下，共同提供无偏移读数的前两个传感器用于补偿第三传感器的偏移，所述第三传感器可提供所有所需的规格，例如所需噪音性能。
[0034]根据此后要描述的实施例的示例，本发明的上述和其他方面是显而易见的，并且结合这些实施例的示例进行解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]此后结合实施例的示例详细描述本发明，且本发明不局限于此。
[0036]图1示出了根据本发明的示例性实施例的磁传感器装置。
[0037]图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的磁传感器装置。
[0038]图3示出了若干长度内传感器相移对到轮子距离的示意图。
[0039]图4示出了最大相位变化对传感器之间距离的示意图。
[0040]图5示出了平均相位变化对传感器之间距离的示意图。
[0041]图6示出了根据本发明的实施例的示出了传感器输出导数近似的框图。
[0042]图7示出了估计的绝对相位的示意图。
[0043]图8示出了在图7的绝对相位估计中的误差的示意图。
[0044]图9示出了用于另一种近似的估计的绝对相位的示意图。
[0045]图10示出了在图9的绝对相位估计中的误差的示意图。
[0046]图11示出了利用近似的导数计算的绝对相位估计仿真的示意图。
[0047]图12示出了在绝对相位估计中的误差的示意图。
[0048]图13示出了估计的绝对相位的示意图。
[0049]图14示出了在图13的绝对相位估计中的误差的示意图。
[0050]图15示出了获得具有与信号频率近似成正比频率的时钟的框图。
[0051]图16示出了图15的传感器输出的示意图。
[0052]图17示出了图15的输出Vout的示意图。
[0053]图18示出了图15的时钟的示意图。
[0054]图19示出了图15的瞬时时钟频率的示意图。
【具体实施方式】
[0055]在图样中的阐述是示意性的。在不同的图中，向相似或相同的部件提供相同的参考符号。
[0056]如图1所示，所述磁传感器装置100包括以固定距离I间隔开的两个磁传感器101、102 (在此示例中置于包括确定单元的衬底103上)，所述两个磁传感器位于放置于产生感测磁场的机械零件或机械组件104附近。[0057]磁传感器装置100适用于确定用于对机械组件104的特性加以表不的信息。第一磁传感器101适用于感测由于机械部件相对于磁传感器装置的移动产生的周期性改变的磁场相关联的信号，并且第二磁传感器102适用于感测与由于机械组件的运动产生的周期性改变的磁场相关联的信号。确定单兀103稱合到第一磁传感器101和第二磁传感器102,并且适用于接收第一磁传感器101的输出信号和第二磁传感器102的输出信号，其中第一磁传感器101的输出信号是第二磁传感器102的输出信号的相位偏移版本，对输出信号进行比较，用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且适用于基于所确定的与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
[0058]根据对于设备的机械尺寸(机械零件的尺寸、传感器的位置)的了解中，可以确定感测磁场的空间周期。因为所述两个传感器间隔开，所以它们的输出将不会是相同的，却是同一信号的相位偏移的副本，具有不同的偏移量。因为传感器之间的距离I是已知的，两个信号之间的相位偏移也是已知的。通过对两个信号进行比较，可以在无需知道信号的振幅或者信号频率的情况下下，探测信号的绝对相位、信号的偏移以及零交叉。
[0059]作为示例，图2示出了用于测量轮子104的旋转的磁传感器200的设备。轮子或是由磁性材料制成的齿轮，使得齿间隙205结构扰动偏置磁场，或扰动磁化的轮子，其中用磁北磁南极子来代替齿间隙对。传感器101和102输出将是:
[0060]
【权利要求】
1.一种磁传感器装置(100)，用于确定对机械组件(104)的特性加以表示的信息， 所述磁传感器装置包括: 第一磁传感器(101)，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述周期性改变的磁场由于机械部件相对于磁传感器装置的相对运动而产生， 第二磁传感器(102)，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中第一磁传感器(101)设置为相距第二磁传感器(102)固定距离，以及 确定单元(103)，耦合到第一磁传感器(101)和第二磁传感器(102)，并且适用于:接收第一磁传感器(101)的输出信号和第二磁传感器(102)的输出信号,其中第一磁传感器(101)的输出信号相对于第二磁传感器(102)的输出信号相位偏移， 对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
2.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)， 其中输出信号的比较是基于每个输出信号的导数之比，所述输出信号用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位。
3.根据权利要求1所述的磁传感器装置， 其中所述周期性改变的磁场是由于机械组件的相对运动导致的旋转磁场，其中所述磁传感器装置(100)是用于感测旋转磁场和固定方向之间角度的角度传感 器， 其中所述第一磁传感器(101)适用于感测沿固定方向的旋转磁场的信号，并且所述第二磁传感器(102)适用于感测与固定方向垂直的旋转磁场的信号，以及其中用于对机械组件的特性加以表示的信息与旋转磁场和固定方向之间的角度相对应。
4.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)， 其中所述确定单兀(103)还适用于基于输出信号的比较,来确定第一磁传感器(101)的输出信号和第二磁传感器(102)的输出信号的特性， 其中所述输出信号的特性包括输出信号之间的偏移、输出信号的绝对相位或输出信号的零交叉。
5.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)，其中所确定的用于对机械组件(104)的特性加以表示的信息包括机械组件的位置。
6.根据权利要求1所述的磁传感器装置， 其中所述机械组件(104)是提供周期性改变的磁场的旋转运动机械组件或者直线运动机械组件。
7.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)， 还包括: 第三磁传感器，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号， 其中所述第三磁传感器设置为相距所述第一磁传感器(101)和/或所述第二磁传感器(102)固定距离，以及 其中所述确定单元(103)还耦合到所述第三磁传感器，并且还适用于:接收第三磁传感器的输出信号，其中所述第三磁传感器的输出信号相对于第一磁传感器(101)和/或第二磁传感器(102)的输出信号相位偏移， 对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
8.—种传感器系统(200)，所述传感器系统包括根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)和机械组件(104)。
9.一种确定用于对机械组件(104)的特性加以表示的信息的方法， 所述方法包括: 通过第一磁传感器(101)，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述磁场由机械件相对于磁传感器装置的相对运动而产生， 通过第二磁传感器(102)，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中第一磁传感器(101)设置为相距第二磁传感器(102)固定距离，以及 通过与第一磁传感器(101)和第二磁传感器(102) I禹合的确定单兀(103),接收第一磁传感器(101)的输出信号和第二磁传感器(102)的输出信号,其中第一磁传感器(101)的输出信号相对于第二磁传感器(102)的输出信号相位偏移， 对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。
10.一种计算机可读介质，其中存储了确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机可读程序适用于实行或控制根据权利要求9所述的方法。
11.一种确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的程序单元，当由处理器执行时，所述程序单元适用于实行或控制根据权利要求9所述的方法。
【文档编号】G01R33/09GK103472414SQ201310220602
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】法比奥·塞巴斯蒂亚诺, 罗伯特·H·M·范费尔德温 申请人:Nxp股份有限公司