多传感器磁性传感器模块的制作方法

多传感器磁性传感器模块的制作方法
【专利摘要】本公开涉及多传感器磁性传感器模块。一种磁性角传感器模块，具有第一磁性极轮和第二磁性极轮，所述第一磁性极轮包括第一数量的极，而所述第二磁性极轮包括大于第一数量的第二数量的极。第一和第二磁阻传感器分别以第一角度位置和第二角度位置位于第一极轮的周围。第一和第二磁阻传感器共同产生对应于第一极轮的测量角的传感器信号，而第三磁阻传感器产生对应于第二极轮的测量角的第三传感器信号。信号处理器接收第一和第三传感器信号且执行算法，该算法根据第一传感器信号确定第二极轮的信号曲线内的位置以及根据信号曲线内的位置和第三传感器信号确定增强角。
【专利说明】多传感器磁性传感器模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及磁性轴外角度测量感测原理，更具体地，涉及一种在轴外配置中利用磁性原理进行旋转装置的机械角的角度测量的多传感器磁性传感器模块以及测量轴外磁场的方法。
[0002]【背景技术】
[0003]磁性极轮被用在许多现代的角度位置传感器中以检测旋转对象的角度位置。这样的角度位置传感器在许多领域都有应用，例如汽车、工业等。例如，在汽车中，角度位置传感器被用在无刷直流电机内以检测运行时的转子位置且应用在转向角度测量中以提供关于司机想要进行自动转向应用(例如电动助力转向、电子稳定控制、主动转向系统、泊车辅助系统等)的方向的信息。
[0004]传统的磁性角度位置传感器被安置在位于轴的末端的旋转磁盘的前面。在这样的位置上，磁性角度位置传感器可精确地测量磁场的变化并确定那一点轴的角度。然而，如果由于机械限制(例如在电动汽车电子中)轴的末端不可触及，那么该磁性角度位置传感器相反沿着该轴位于旋转轴线的外侧位置上(例如，轴外位置(an out-of-axis position))。在这种轴外位置上，轴外磁性角度位置传感器测量轴外磁场的变化并确定那一点轴的角度。
[0005]实用新型内容
[0006]因此，本公开的一些方面提供用于精确测量由磁性极轮产生的轴外磁场的方法和/或设备。
[0007]根据本实用新型的一个方面，提供了一种在轴外配置中利用磁性原理进行旋转装置的机械角的角度测量的多传感器磁性传感器模块，包括:第一磁性极轮，包括具有交替极性的多个部分，所述多个部分位于环形结构内且被配置为产生作为所述第一磁性极轮的机械角的函数而变化的磁场；第一磁阻传感器，被配置为产生对应于所述第一磁性极轮的第一测量角的第一传感器信号；以及第二磁阻传感器，被配置为同时产生对应于所述第一磁性极轮的第二测量角的第二传感器信号，其中，所述第一磁阻传感器以取决于所述第一磁性极轮中的所述多个部分的数量的角度相对于所述第一磁性极轮的径向而被定向。
[0008]其中，所述第二磁阻传感器相对于所述第一磁阻传感器以等于90度十180度/所述多个部分的所述数量的旋转角旋转。
[0009]其中，所述第一磁阻传感器位于第一角度位置；以及其中，所述第二磁阻传感器位于第二角度位置，所述第二角度位置以使得所述第一磁阻传感器在第一部分的中心的前面而所述第二磁阻传感器在相邻部分之间的转换部的前面的分离角与所述第一角度位置分离。
[0010]其中，所述分离角等于360度/ (2X所述多个部分的所述数量)。
[0011]所述多传感器磁性传感器模块还包括:信号处理器，被配置为接收所述第一传感器信号和所述第二传感器信号并执行产生估计机械角的值的算法，所述估计机械角的值等于根据所述第一传感器信号确定的所述第一测量角和根据所述第二传感器信号确定的所述第二测量角的平均值。[0012]所述多传感器磁性传感器模块还包括:旋转轴，被配置为绕着延伸过所述第一磁性极轮的原点的旋转轴线旋转；第二磁性极轮，具有比所述第一磁性极轮更少数量的部分，其中，所述旋转轴线延伸过所述第二磁性极轮的原点；以及第三磁阻传感器，沿着所述第二磁性极轮的径向设置且被配置为产生对应于所述第二磁性极轮的第三测量角的第三传感器信号，其中，所述估计机械角被确定为所述第一传感器信号、所述第二传感器信号和所述第三传感器信号的函数。
[0013]其中，所述算法进一步被配置为执行以下操作:确定作为所述估计机械角的函数的所述第一磁性极轮的信号曲线内的位置；基于作为所述估计机械角的函数的所述第一磁性极轮的所述信号曲线内的所述位置，确定所述信号曲线内的所述位置作为信号周期；根据所述信号周期和所述第一传感器信号与所述第二传感器信号计算增强角；以及调整所述增强角以消除误差峰。
[0014]其中，确定作为所述估计机械角的函数的所述第一磁性极轮的所述信号曲线内的所述位置，包括:确定与所述第一磁性极轮的所述估计机械角相关的精细角；确定与所述第二磁性极轮的所述第三测量角相关的粗糙角；以及计算所述精细角和所述粗糙角之差，其中，所述差对应于Nonius角。
[0015]其中，所计算的增强角对应于通过所述第一磁性极轮对机械角的测量，所述第一磁性极轮具有比所述第二磁性极轮更多数量的部分。
[0016]其中，根据所述信号周期计算所述增强角，包括:计算阈值，所述阈值等于360度X2/所述第一磁性极轮中的部分的数量；计算信号周期，所述信号周期等于floor(Nonius角/所述阈值)；以及通过将2与所述精细角的乘积和所述信号周期与360度的乘积之和除以所述第一磁性极轮内的部分的数量，来计算所述增强角。
[0017]其中，调整所述增强角以消除误差峰，包括:将所述增强角和所述Nonius角进行比较；以及如果所述增强角和所述Nonius角的差大于最大Nonius角误差，则产生等于所述增强角减去所述阈值的调整的增强角，或者如果所述增强角和所述Nonius角的所述差小于最大Nonius角误差，则产生等于所述增强角加上所述阈值的调整的增强角。
[0018]根据本实用新型的另一方面，提供了一种多传感器磁性传感器模块，包括:主磁性极轮，包括位于旋转轴周围的具有交替极性的第一数量的部分；第一磁阻传感器，被配置为产生对应于所述主磁性极轮的第一测量角的第一传感器信号；从磁性极轮，包括比所述第一数量的部分数量更大的第二数量的部分，所述第二数量的部分具有交替极性且位于所述旋转轴的周围；第二磁阻传感器，被配置为产生对应于所述从磁性极轮的第二测量角的第二传感器信号；以及信号处理器，被配置为接收所述第一传感器信号和所述第二传感器信号并执行算法，所述算法根据所述第一传感器信号和所述第二传感器信号确定所述从磁性极轮的信号曲线内的位置，并根据所述从磁性极轮的所述信号曲线内的所述位置确定增强角。
[0019]所述多传感器磁性传感器模块还包括:第三磁阻传感器，相对于所述第二磁阻传感器以旋转角被定向，所述旋转角允许所述第三磁阻传感器在所述第二磁阻传感器产生所述第二传感器信号的同时产生第三传感器信号，所述第三传感器信号对应于由所述从磁性极轮的第一部分产生的磁场，其中，所述第三磁阻传感器以使得所述第二磁阻传感器在所述从磁性极轮的第一部分的中心的前面而所述第三磁阻传感器在所述从磁性极轮的相邻部分之间的转换部的前面的分离角与所述第二磁阻传感器分离。
[0020]所述多传感器磁性传感器模块还包括:信号处理器，被配置为接收所述第一传感器信号和所述第二传感器信号并执行进行以下操作的算法:确定与所述第一测量角相关的粗糙角；确定与所述第二测量角相关的精细角；基于所述精细角和所述粗糙角之差计算所述从磁性极轮的信号曲线内的位置；基于信号曲线内作为角度的所述位置确定作为信号周期的所述从磁性极轮的所述信号曲线内的位置；根据所述从磁性极轮的所述信号曲线内作为所述信号周期的所述位置计算所述增强角；以及调整所述增强角以消除误差峰。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1A示出被配置为根据Nonius原理检测轴外磁场的轴外磁性传感器模块的框图。
[0022]图1B为示出由图1A的轴外磁性传感器检测的角度以及相关的误差的曲线图。
[0023]图2为被配置为测量轴外位置处的磁场的多传感器磁性传感器模块的一些实施方式的框图。
[0024]图3为示出由图2的轴外磁性传感器测量的角度以及相关的误差的曲线图。
[0025]图4A和图4B示出了被配置为在轴外位置处测量磁场的多传感器磁性传感模块的一些可选实施方式。
[0026]图5是用于形成多传感器轴外磁场模块的方法的一些实施方式的流程图。
[0027]图6是用于精确地测量轴外位置上磁场的公开的方法的一些实施方式的流程图。
[0028]图7是用来利用改善的Nonius原理精确测量轴外位置上的磁场的公开的方法的更具体的实施方式的流程图。
[0029]图8为示出在图7的方法中所测量的示例性角度的曲线图。
[0030]图9A示出被配置为执行所公开的测量轴外位置处的磁场的方法的磁性传感器模块的一些实施方式的框图。
[0031]图9B为示出由图9A的轴外磁性传感器模块测量的角度的曲线图。
[0032]图1OA示出被配置为实施图7的方法的磁性传感器模块的一些另外的实施方式的框图。
[0033]图1OB示出由图1OA的轴外磁性传感器测量的增强角(enhanced angle)以及相关的误差的仿真。
[0034]图11为示出由被配置为执行改善的Nonius算法的轴外磁性传感器测量的增强角的曲线图。
【具体实施方式】
[0035]这里参考附图作出描述，其中，通篇相似的参考标号通常用于表示相似的元件，且其中，多种结构不必按缩放比例画出。在下面的描述中，出于说明的目的，为了方便理解，阐述了许多特定的细节。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，这里所描述的一个或多个方面可以比这些具体细节不那么具体地进行实施。在其他的实例中，为便于理解，以框图示出已知的结构和装置。
[0036]—些通过轴外(out-of-axis)磁场测量旋转机械角传统方法使用Nonius原理(例如Vernier原理)。Nonius原理通过结合从由两个极轮触发的两个传感器接收的信号信息允许在机械360°旋转上进行轴角检测。例如，图1A示出被配置为利用Nonius原理检测轴外磁场的轴外磁性传感器模块100的框图。磁性传感器模块100包括安装在旋转轴106上且通过空气间隔110与磁场传感器108分开的主极轮102a和从极轮102b。主极轮102a和从极轮102b包括具有多个部分104的同心环结构,部分104具有交替向外极性(alternatingoutward polarities)(例如“北磁极” 104a和“南磁极” 104b)。主极轮102a和从极轮102b具有相同的几何尺寸但不同数量的极对(pole pair),从而使得主极轮102a的部分具有比从极轮102b的部分更大的尺寸(即LAL2X
[0037]随着旋转轴106旋转，磁性极轮102a和102b旋转，这使得部分104a和104b移动经过磁场传感器108。第一磁场传感器108a检测由主极轮102a产生的磁场的变化，且由此产生第一输出信号outl。第二磁场传感器108b检测由从极轮102b产生的磁场的变化，且由此产生第二输出信号out2。如图1B的曲线图112中所示，旋转轴(rotating shaft)106的Nonius角(即，估计的机械角)基于对应于第一输出信号outl的测量角和对应于第二输出信号out2的角的差而确定。
[0038]使用Nonius原理比使用单个极轮(例如，对于直径极轮(diametric polewheel),其具有高达+/-35°的误差)的传感器模块提供了基于极轮的磁性传感器模块的灵敏度。例如，曲线图112示出与Nonius角(y轴)相关的误差作为实际的机械角(X轴)的函数。如曲线图112中所示，Nonius角的误差范围为+4.23° /-3.50°。然而，即使使用Nonius原理，也会出现检测误差。
[0039]因此，本公开的一些方面提供用于精确测量由磁性极轮产生的轴外磁场的方法和/或设备。
[0040]在一些实施方式中，本公开涉及具有第一极轮的磁性传感器模块，所述第一极轮包括多个部分，具有交替的磁极性且位于环形结构的周围。第一磁阻传感器位于第一角度位置。第二磁阻传感器位于第二角度位置。第二磁阻传感器以取决于多个部分的数量的非零角度相对于磁性极轮的径向而被定向。第一和第二磁阻传感器被配置为同时产生与磁场成比例的第一和第二传感器信号，所述磁场对应于第一极轮的第一测量角。信号处理器被配置为接收第一和第二传感器信号并确定第一极轮的估计机械角到高精确度。
[0041]在其他实施方式中，本公开涉及通过基于检测信号的信号周期确定轴外磁场来测量对应于旋转装置的机械角的增强角的方法。所述方法包括操作一个或多个磁场传感器以确定信号曲线内对应于机械旋转的位置。该位置然后被转化成由一个或多个磁场传感器所测量的位置的信号周期。然后根据该信号周期计算增强角。通过根据信号周期确定增强角，增强角的精度可更好估计旋转装置的实际机械角。
[0042]图2示出被配置为基于在轴外位置处测量的磁场来测量磁性极轮的估计的机械角的多传感器磁性传感器模块200的一些实施方式的框图。
[0043]多传感器磁性传感器模块200包括具有多个部分204 (即“极”)的磁性极轮202，该磁性极轮被配置为在环形结构周围产生具有交替极性的磁场。例如，第一部分204a被配置为产生具有第一极性的磁场(例如，具有朝着径向向外的北磁极)，而第二部分204b被配置为产生具有第二极性的磁场(例如，具有朝着径向向外的南磁极)。第一部分204a和第二部分204b的交替极性导致了作为磁性极轮202的角的函数而变化的磁场。尽管多传感器磁性传感模块200示出具有两个部分(极)，但是应理解的是所公开的多传感器磁性传感器模块可包括任何数量的部分。
[0044]磁性极轮202安装在旋转轴206上且与第一磁阻传感器208a和第二磁阻传感器208b被空气间隔212分开。第一磁阻传感器208a和第二磁阻传感器208b被配置为检测从磁性极轮202输出的磁场214且基于所检测的磁场214分别产生第一输出信号outl和第二输出信号out2。第一输出信号和第二输出信号对应于磁性极轮202的估计机械角。在一些实施方式中，第一磁阻传感器和第二磁阻传感器包括巨磁阻传感器。
[0045]随着旋转轴206的旋转磁性极轮202旋转，引起部分204a和204b移动经过磁场传感器208。因为由磁性极轮202产生的磁场214作为角度的函数而变化，所以由磁场传感器208产生的所得的输出信号outl和out2包括具有信号周期的正弦信号，所述信号周期取决于磁性极轮202中部分204的数量。第一输出信号outl和第二输出信号out2被提供给信号处理器210。信号处理器210运行算法以确定第一磁阻传感器208a的第一测量角和第二磁阻传感器208b的第二测量角。然后第一测量角和第二测量角被平均以产生磁性极轮202的估计机械角。在一些实施方式中，所述算法对应于如下所述的方法700和800。
[0046]第一磁阻传感器208a位于第一角度位置α !且第二磁阻传感器208b位于第二角度位置α2。第一角度位置\和第二角度位置％被分离角Λ α分离，这取决于磁性极轮202中存在的极对的数量。分离角Λ α使得第一磁阻传感器208a位于对应于磁极(例如204b)中心的位置上，而第二磁阻传感器208b位于对应于磁极转换部(例如204b和204a之间的转换部)的位置上。由于当传感器面向极的中间或极转换部时磁性传感器的误差小(即，磁阻传感器在极的中心和极转换部处(在该处，磁场基本是直的)具有高度的精确性)，所以这种分离可提高磁性传感器模块200的精确性。
[0047]第一磁阻传感器208a和第二磁阻传感器208b被配置为同时测量由磁性极轮202的相同部分产生的磁场。在一些实施方式中，第一磁阻传感器208a和第二磁阻传感器208b相对于极轮的径向216,以不·同的角度被定向。由于磁阻传感器208的方向依赖性(例如，磁阻传感器具有与磁场入射到磁阻传感器上的角度成比例的阻抗)，这样的定向允许第一磁阻传感器208a和第二磁阻传感器208b沿着由磁性极轮202的相同部分产生的磁场线定向，从而使得第一磁阻传感器208a和第二磁阻传感器208b同时测量磁性极轮202的相同机械角。
[0048]例如，对于图2的直径磁性极轮202，其中，90°的角度分离使得第一磁阻传感器208a位于磁极的中心，而第二传感器位于两部分(即磁极)的转换位置处，第一磁阻传感器208a相对于磁性极轮202的径向216以0°定向，而第二磁阻传感器208b相对于磁性极轮202的径向216以180°定向。这样的定向允许第二磁阻传感器208b与第一磁阻传感器208a测量相同的估计机械角。
[0049]图3为示出由公开的多传感器磁性传感器模块(例如，多传感器磁性传感器模块200)测量的估计机械角和相关的误差的趋向图300、306。曲线图300示出作为旋转装置的实际机械角(X轴)的函数的估计机械角(y轴)。图306示出作为实际机械角(X轴)的函数的与估计机械角(y轴)相关的误差。
[0050]如曲线图300中所示，在第一区域302(其中第一传感器从极中心移动到极转换部且第二传感器从极转部换移动到极中心)中，第一测量角具有负误差，从而使得第一测量角小于实际机械角。另外，第二测量角具有正误差，从而使得测量角大于实际机械角。将第一区域302中的第一测量角和第二测量角进行平均(即均值)，会使得正和负的误差值相互抵消，结果，估计机械角具有减小的整体误差。
[0051]在第二区域304(其中，第一传感器从极中心移动到极转换部且第二传感器从极中心移动到极转换部)中，第一测量角具有负误差，从而使得第一测量角小于实际机械角。另夕卜，第二测量角具有正误差，从侧第二测量角大于实际机械角。将第二区域304中的第一测量角和第二测量角进行平均(均值)，会使得正和负的误差值相互抵消，结果，估计机械角具有减小的整体误差。曲线图306中所示的结果误差在+/-9.4°之间。
[0052]图4A和图4B示出被配置为测量轴外位置上的磁场的多传感器磁性传感器模块400的一些可选实施方式。
[0053]多传感器磁性传感器模块400包括两个极轮:具有η个极对的主极轮402a(即，粗糙极轮(coarse polewheel))和具有n+1个极对的从极轮(即，精细极轮(finepolewheel))。如图4A和4B中所示，主极轮具有3个极对(即6个极)而从极轮具有4个极对(即8个极)。主极轮402a和从极轮402b安装在旋转轴406上，该旋转轴被配置为绕着旋转轴线416旋转，所述旋转轴线延伸穿过主极轮402a和从极轮402b的原点。各个极轮具有环形结构，所述环形结构具有多个部分404 (极)，这些部分具有不同的磁极以至于极轮402的外表面在具有北磁极的部分404a和具有南磁极的部分404b之间交替。在一些实施方式中，部分404可由诸如Hartferrit的磁性材料形成。
[0054]极轮402a和402b与磁场传感器408被空气间隔412分开。具体地,第一磁阻传感器408a与主磁性极轮402a相关，而第二磁阻传感器408b和第三磁阻传感器408c与从磁性极轮402b相关。磁场传感器408a-408c被配置为向信号处理器410提供信号,所述信号处理器被配置为测量旋转轴406的机械角。在一些实施方式中，信号处理器410包括存储元件414，所述存储元件被配置为存储用在处理从磁场传感器408接收的信号以确定估计机械角的算法(例如，对应于方法600或700的算法)。
[0055]图4B示出磁性传感器模块400中主极轮402a和从极轮402b的顶视图418、420。顶视图418不出位于主极轮402a的周围的第一角度位置上的第一磁阻传感器408a。顶视图420还示出分别位于从极轮402b周围的第二和第三角度位置上的第二磁阻传感器408b和第二磁阻传感器408c。第二角度位置和第三角度位置被22.5°的分离角分离，这使得第二磁阻传感器408b位于对应于从极轮402b的部分404的中心的位置上，而第三磁阻传感器408c位于对应于从极轮402b的部分404之间的转换的位置上。通过将两个磁阻传感器408a、408b设置在同时测量第二极轮402b的磁场的位置上，可以提高第二极轮的估计机械角。
[0056]图5是用于形成多传感器轴外磁场模块的方法600的一些实施方式的流程图。
[0057]在502中，提供包括一个或多个位于旋转轴周围的磁性极轮的磁性传感器模块。磁性极轮包括具有不同磁极性的多个部分(“极”)，从而使得极轮的外表面在具有北磁极的部分和具有南磁极的部分之间交替。
[0058]在504中，在相对于磁性极轮的第一角度位置上提供第一磁阻传感器。
[0059]在506中，在相对于磁性极轮的第二角度位置上提供第二磁阻传感器。通常，对于具有η个极(S卩，部分)的极轮而言，第一和第二磁阻传感器被分离角Λ α分离，其中:[0060]Δ α=360。/2η
[0061]另外，相对于第一磁阻传感器以旋转角β来定向第二磁阻传感器，其中:
[0062]β =90° +360° /2η
[0063]第一和第二磁阻传感器之间的这样的定向使得磁阻传感器相对于磁性极轮的径向以不同的角度被定向。
[0064]在508中，第一磁阻传感器被操作为产生对应于第一测量角Ct1的第一传感器信号。第一测量角为第一磁阻传感器的旋转轴的机械角的测量值。然而，由于测量中的误差，第一测量角小工可稍微偏离实际机械角Φπ_。
[0065]在510中，第二磁阻传感器被操作为产生对应于第二测量角Φ2的第二传感器信号。第二测量角Φ2为第二磁阻传感器的旋转轴的机械角的测量值。然而，由于测量中的误差，第二测量角02可稍微偏离实际机械角Φπ_。
[0066]在512中，根据第一和第二测量角的均值确定估计机械角Φ@，
[0067](6^=((^+(^)/2
[0068]通过根据第一和第二测量角的均值确定估计机械角Φ@，减小了与第一和第二测量角Cji1和Φ2相关的误差，提供了所得的多传感器磁性传感器模块的很好的精确性。
[0069]图6和图7示出方法600和700的一些实施方式的流程图，所述方法通过计算由一个或多个轴外磁场传感 器测量的极轮位置的实际信号周期来测量极轮的增强估计机械角(即增强角)。通过根据实际信号周期确定增强角，可进一步提高所得增强角的准确性。
[0070]图6示出了用来基于信号周期测量旋转装置的增强角的公开的方法600的一些实施方式的流程图。
[0071]在602中,提供了轴外磁场传感器模块。轴外磁场传感器模块包括一个或多个磁场传感器，它们沿着位于旋转轴周围的一个或多个旋转磁性极轮设置。一个或多个磁场传感器被配置为测量由磁性极轮产生的磁场的分量。在一些实施方式中，一个或多个磁场传感器包括磁阻传感器(例如，巨磁阻传感器)。在一些实施方式中，轴外磁场传感器模块包括同轴旋转极轮，其中，各个极轮包括一个或多个沿着极轮设置的磁场传感器。
[0072]在604中，至少一个磁场传感器被操作为确定信号曲线内旋转轴的位置。在一些实施方式中，信号曲线内旋转轴的位置被确定为测量角的函数。例如，在机械360°旋转上延伸的信号曲线内，旋转轴的位置可包括通过将由磁性传感器产生的传感器信号转化成测量角所确定的测量角。在一些实施方式中，信号曲线内旋转轴的位置包括Nonius角(B卩，通过利用Nonius原理确定的测量角),其中，Nonius角与由与第一极轮相关的第一磁性传感器产生的第一测量角和与第二极轮相关的第二磁性传感器产生的第二测量角之差成比例。
[0073]在606中，信号曲线内的旋转轴的位置被转化成信号周期。信号周期是信号通过一个完整的循环(iteration)所花费的时间。在具有多个部分/极的极轮中，来自磁性传感器的信号输出将经过机械360°旋转上的η个信号周期。例如，具有η个极对(B卩，其中每个极对具有两个部分)的极轮将经过机械360°上的η个信号周期。在一些实施方式中，极轮的Nonius角(在604中确定的)可被转化成信号周期，由此允许信号曲线内的旋转角的位置成为信号周期的函数而不是角度的函数。例如，对于具有两个极轮对的极轮，180°的Nonius角将转化成I的信号周期。
[0074]在608中，根据信号周期计算旋转轴的增强角。增强角是旋转轴的物理角位置的估计。
[0075]在610中，可以调整增强角以消除误差峰。在一些实施方式中，可以增强角以消除Nonius角(信号周期根据其确定)内固有的误差。例如，如果基于由Nonius角确定的信号周期计算增强角，则Nonius角内的误差可引起信号周期错误，这导致增强角中的误差峰。因此，通过将增强角与Nonius角的最大误差进行比较，误差峰可以被识别且随后被校正。
[0076]图7是更详细的方法700的一些实施方式的流程图，方法700利用改进的Nonius原理精确测量轴外位置上的磁场。传统的Nonius原理根据从同轴极轮测量的角的相位差计算估计机械角，与这种计算不同，本公开的方法700根据信号周期计算增强估计机械角。
[0077]当所公开的方法(例如方法600、700和800)被示出和描述成一系列的操作或事件时，应该理解的是，所示出的这些操作或事件的顺序并不被解释为受到限制。例如，除了这里所示出和/或描述的之外，一些操作可以不同的顺序和/或与其他的操作或事件同时发生。另外，并非要求所有示出的操作来执行这里的描述的实施方式的一个或多个方面。另外，这里所示出的操作的一个或多个可以更多分开的操作或阶段的方式来实施。
[0078]在702中，提供具有两个同轴极轮的轴外磁性传感器模块。在一些实施方式中，轴外磁场传感器模块包括与主极轮相关的第一磁性传感器和与从极轮相关的第二磁性传感器。主极轮具有第一数量的部分/极(例如η个极对)。从极轮与主极轮同轴设置且具有第二数量的部分/极，该数量大于第一数量的部分/极(例如，η+1个极对)。
[0079]在704中，确定与主极轮相关的第一粗糙角(Θ图8示出与具有3个极对的主极轮相关的示例性粗糙角9__的曲线图800。粗糙角在跨越120°机械角的周期内跟随0°到360°上的趋势线802。因为存在3个极对，所得粗糙角在360°的机械角上3次通过0°到360°。
[0080]在706中，确定与从极轮相关的第二精细角(Θ fine)。图8示出与具有4个极对的从极轮相关的示例性精细 角efiM。精细角在跨越90°机械角的周期内跟随0°到360°的趋势线806。因为存在4个极对，所得精细角在360°的机械角上4次通过0°到360°。在一些实施方式中，如相对于图2所描述的，根据由第一磁阻传感器产生的第一测量信号和由第二磁阻传感器产生的第二测量信号来确定精细角Θ fineD
[0081]在708中，根据粗糙角Θ。。.和精细角9伽中确定旋转轴的Nonius角(ΘΝ。—)。Nonius角Θ Nmius为由精细极轮所测量的旋转轴的近似机械角。可根据Nonius原理确定Nonius角Θ Nmius,其中，从精细角Qfine中减去粗糙角Θ e(OTse以产生精细极轮的Nonius角θ Nonius (即θ Nonius= θ fine_ θ。。咖e )，这提供了旋转轴机械角的粗略估计。在一些实施方式中，取Nonius角0Nmius和360°的模来校正Nonius角Θ Nmius中的超过量(overshoot)。在这样的实施方式中，所得Nonius角9Nmius等于:
[0082]Θ Nonius=mod( Θ Nonius，，360。)
[0083]其中，Θ―，= Θ fine- Θ co咖。对于精细角Θ fine和粗糙角Θ coarse之间的负的差，该模定义为:mod (-X，360。)=360° -χ (例如 mod (-35。, 360° ) =325。)。
[0084]图8的曲线图808示出Nonius角Θ Nmius。Nonius角Θ Nmius具有跟随趋势线810的值且与精细角Qfine和粗糙角0。。_的差成比例。例如，在第一机械角M1上，粗糙角Θ。。.约等于100°而精细角Qfine约等于135° ,结果Nonius角9Nmius为35°。Nonius角Θ Nonius通常具有约+4° /-3.5°的误差。[0085]在710中，旋转轴的位置被确定为精细极轮的信号周期的函数。在一些实施方式中，通过首先计算阈值且然后用阈值除测量角来确定所述信号周期，其中，阈值在程度上等于精细极轮信号周期的大小。在这样的实施方式中，阈值等于360度除以精细极轮的极对的数量(即阈值=360° /精细极轮的极对数量)，信号周期等于Nonius角Θ Nmius等于对Nonius角Θ Nonius除以阈值的floor (即，信号周期数=Floor ( Θ Nonius/阈值))，其中，x的floor函数(floor function)将因子x四舍五入到小于或等于x的最近整数。
[0086]例如，具有4个极轮对的精细极轮具有360° /4=90°的阈值。因此，约10°的Nonius角Θ Nmius将导致信号周期为O (即Floor (10° /90)),这表示Nonius角Θ Nmius在精细极轮的第一信号周期范围内，而约120°的Nonius角Θ Nmius将导致信号周期为I (即Floor (120° /90))，这表示Nonius角Θ Nmius在精细极轮的第二信号周期内。
[0087]在712中，确定增强角。基于信号周期和精细角ΘΗμ计算增强角。在一些实施方式中，增强角

9 enhanced
等于:
[0088]Θ enhanced= (360° *信号周期数量+ Θ fine) /精细极轮的极对数量
[0089]例如，对于具有4个极对的精细极轮，信号周期数为I且精细角为35°而言，则增强角 Genhaneed 等于 395° /4=98.75。。
[0090]在714中，选择性地调整增强角以去除峰值误差。因为Nonius角有时是错误的，所以不总能正确计算正确的信号周期，引起所计算的信号周期大小差一。这导致振幅等于阈值增强角中出现误差峰。为了解决这种峰值误差，首先识别峰值误差且然后通过等于阈值的值调整增强角。
[0091]例如，在一些实施方式中，为了解释误差峰，将增强角Θ enhaneed和Nonius角Θ Nmius进行比较。如果增强角Θ enhaneed和Nonius角Θ Nmius的差大于Nonius角的最大误差(SP，“Nonius误差”)(操作716)，则所述方法假设存在正的误差峰且产生等于增强角Θ enhanced减去阈值的调整的增强角(操作722)。如果增强角Θ—ed和Nonius角Θ的差小于最小Nonius误差(操作720)，所述方法假设存在负的误差峰且产生等于增强角9 enhanced加上阈值的调整的增强角0 enhance/ (操作722)。如果增强角Θ —d和NoniUS角Θ Nonius的差小于最大Nonius误差或大于最小Nonius误差，那么不存在峰值且不调整增强
9 enhanced ° 总之，可根据下面的等式调整增强角9 enhanced:
[0092]如果Θ Nonius- Θ enhanced>max (abs (ErrorNonius))
[0093]Θ enhanced - Θ enhanced-阈值
[0094]如果Θ Nonius- Θ enhanced<-max (abs (ErrorNonius))
[0095]Θ enhanced - Θ enhanced-1"阈值 [0096]在一些实施方式中，方法600和700可通过所公开的多传感器磁场模块(例如多传感器磁性传感器模块200和500)来执行。然而，将要认识到的是，方法600和700不局限于这里的多传感器磁场模块。而是，所公开的方法可独立于所公开的多传感器磁场模块或结合所公开的多传感器磁场模块来应用。
[0097]例如，图9A示出被配置为实施在轴外位置上测量磁场的方法的单个传感器磁性传感器模块900的一些实施方式的框图(例如方法600)。
[0098]磁性传感器模块900包括安装在旋转轴906上且与一个或多个磁场传感器908被空气间隔912分开的极轮902，其中，磁场传感器908被配置为测量从极轮902输出的磁场。极轮902包括多个部分904，它们被配置为在环形结构周围产生具有交替极性的磁场。
[0099]基于所检测的磁场,磁场传感器908被配置为产生一个或多个输出信号，所述输出信号对应于由极轮902产生的磁场，它们被提供给信号处理器910。信号处理器910包括存储元件914，所述存储元件被配置为储存确定信号周期的算法，该信号周期对应于由磁场传感器908产生的输出信号。
[0100]例如，图9B的曲线图916示出示例性趋势线918，该趋势线示出由信号处理器910基于输出信号测量的Nonius角。在一些实施方式中，信号处理器910运行存储在存储兀件914中的算法以根据趋势线918的角度确定信号周期。例如，角P1对应于第一信号周期918a，而角P2对应于第二信号周期918b。基于所确定的信号周期，信号处理器910执行算法以基于信号周期确定旋转轴906的增强角和/或调整的增强角。
[0101]图1OA示出了被配置为实施在轴外位置上测量磁场的方法(例如方法700)的轴外磁场传感器模块1000。
[0102]磁性传感器模块1000包括主极轮1002a (B卩，粗糙极轮)和从极轮1002b (B卩，精细极轮)，它们以使得极轮关于轴线1014同轴的方式安装在旋转轴1006上。磁性极轮1002与磁场传感器1008被空气间隔1012分开。磁场传感器1008被配置为检测从极轮输出的磁场。在机械360°旋转上,磁场传感器1008发送2个信号到信号处理器1010,其中，来自主(粗糙)极轮1002a的信号比来自从(精细)极轮1002b的信号具有更大的周期。
[0103]图1OB示出由磁性传感器模块1000检测的增强角Θ enhanced (或/和被调整的增强角)的仿真结果和相关的误差。为具有39个极对的主极轮(即，粗糙极轮)和具有40个极对的精细极轮(即，从极轮)测量了增强角(曲线图1016)。如曲线图1018中所示，误差为+0.11° /-0.14。。
[0104]图11为示出由执行方法800的多传感器磁性传感器模块(例如，对应于多传感器磁性传感器模块500)测量的增强角或调整的增强角以及相关的误差的曲线图1100、1102。图1100示出作为实际机械角(X轴)的函数的增强角(y轴)(或/和调整的增强角)。图1102示出作为实际机械角(X轴)的函数的与增强角相关的误差(y轴)。如图表1102中所示，使用方法800的改善的Nonius原理在轴外位置上测量磁场的多传感器磁性传感器模块1000可获得0.06° /-0.07°的精确度。
[0105]将理解的是，对于本领域的技术人员而言，基于对本说明书和附图的阅读和/或理解可做出等同替换和/或修改。本公开包括所有这些修改和替换且通常意不在受到限制。例如，尽管这里提供的附图被示出和描述为具有特定的信息类型(doping type)，本领域的技术人员将意识到的是，可以利用替换的信息类型。
[0106]另外，尽管已经相对于几个实施中的仅一个披露了特定的特征或方面，然而，如所期望的，这样的特征或方面可与其他实施的一个或多个其他特征和/或方面结合。另外，在一定程度上使用了术语“包括”、“具有(having)”、“具有(has)”、“具有(具有)”和/或它们的变体，这些术语意在包括诸如“包含(comprising)”的意思。此外，“示例性”只意味着实例的意思，而不是最好的。还将理解的是，为了简化和容易理解的目的，这里所述的特征、层和/或元件相对于另一个以特定尺寸和/或定向示出，而实际的尺寸和/或定向可以与这里示出的完全不同。
【权利要求】
1.一种在轴外配置中利用磁性原理进行旋转装置的机械角的角度测量的多传感器磁性传感器模块，其特征在于，包括: 第一磁性极轮，包括具有交替极性的多个部分，所述多个部分位于环形结构内且被配置为产生作为所述第一磁性极轮的机械角的函数而变化的磁场； 第一磁阻传感器，被配置为产生对应于所述第一磁性极轮的第一测量角的第一传感器信号；以及 第二磁阻传感器，被配置为同时产生对应于所述第一磁性极轮的第二测量角的第二传感器信号， 其中，所述第一磁阻传感器以取决于所述第一磁性极轮中的所述多个部分的数量的角度相对于所述第一磁性极轮的径向而被定向。
2.根据权利要求1所述的多传感器磁性传感器模块，其中，所述第二磁阻传感器相对于所述第一磁阻传感器以等于90度+ 180度/所述多个部分的所述数量的旋转角旋转。
3.根据权利要求1所述的多传感器磁性传感器模块， 其中，所述第一磁阻传感器位于第一角度位置；以及 其中，所述第二磁阻传感器位于第二角度位置，所述第二角度位置以使得所述第一磁阻传感器在第一部分的中心的前面而所述第二磁阻传感器在相邻部分之间的转换部的前面的分离角与所述第一角度位置分离。
4.根据权利要求3所述的多传感器磁性传感器模块，其中，所述分离角等于360度/(2X所述多个部分的所述数量)。
5.根据权利要求1所述的多·传感器磁性传感器模块，还包括: 信号处理器，被配置为接收所述第一传感器信号和所述第二传感器信号并执行产生估计机械角的值的算法，所述估计机械角的值等于根据所述第一传感器信号确定的所述第一测量角和根据所述第二传感器信号确定的所述第二测量角的平均值。
6.根据权利要求5所述的多传感器磁性传感器模块，还包括: 旋转轴，被配置为绕着延伸过所述第一磁性极轮的原点的旋转轴线旋转； 第二磁性极轮，具有比所述第一磁性极轮更少数量的部分，其中，所述旋转轴线延伸过所述第二磁性极轮的原点；以及 第三磁阻传感器，沿着所述第二磁性极轮的径向设置且被配置为产生对应于所述第二磁性极轮的第三测量角的第三传感器信号， 其中，所述估计机械角被确定为所述第一传感器信号、所述第二传感器信号和所述第三传感器信号的函数。
7.一种多传感器磁性传感器模块，其特征在于，包括: 主磁性极轮，包括位于旋转轴周围的具有交替极性的第一数量的部分； 第一磁阻传感器，被配置为产生对应于所述主磁性极轮的第一测量角的第一传感器信号; 从磁性极轮，包括比所述第一数量的部分数量更大的第二数量的部分，所述第二数量的部分具有交替极性且位于所述旋转轴的周围； 第二磁阻传感器，被配置为产生对应于所述从磁性极轮的第二测量角的第二传感器信号；以及信号处理器，被配置为接收所述第一传感器信号和所述第二传感器信号并执行算法，所述算法根据所述第一传感器信号和所述第二传感器信号确定所述从磁性极轮的信号曲线内的位置，并根据所述从磁性极轮的所述信号曲线内的所述位置确定增强角。
8.根据权利要求7所述的多传感器磁性传感器模块，还包括: 第三磁阻传感器，相对于所述第二磁阻传感器以旋转角被定向，所述旋转角允许所述第三磁阻传感器在所述第二磁阻传感器产生所述第二传感器信号的同时产生第三传感器信号，所述第三传感器信号对应于由所述从磁性极轮的第一部分产生的磁场， 其中，所述第三磁阻传感器以使得所述第二磁阻传感器在所述从磁性极轮的第一部分的中心的前面而所述第三磁阻传感器在所述从磁性极轮的相邻部分之间的转换部的前面的分离角与所述第二磁阻传感器分离。
【文档编号】G01B7/30GK203642873SQ201320448250
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2012年7月25日
【发明者】沃尔夫冈·格拉尼格, 格诺特·宾德尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司