用于处理来自磁场传感器的测量信号的装置和方法与流程

本申请要求于2017年11月24日提交的德国专利申请de102017127837.0的权益和优先权。德国专利申请de102017127837.0的全部公开内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种用于处理来自磁场传感器的测量信号的装置和方法。

背景技术：

使用磁场传感器的测量信号进行旋转角度的非接触式测量是已知的。例如，从reymond，s等人的出版物中已知一种装置。“真正的2-dcmos集成霍尔传感器(true2-dcmosintegratedhallsensor)”，ieee传感器2007大会，第860-863页，用于旋转角度的非接触式测量，该装置具有半导体基板，其中所谓的垂直霍尔传感器集成为磁场传感器64。该出版物中的磁场传感器在位于半导体衬底的芯片平面内的圆形路径上彼此以均匀的距离布置。磁场传感器延伸到其中的垂直平面分别相对于理论的中心轴线径向布置，该理论的中心轴线穿过圆形路径的圆心并垂直于芯片平面。磁场传感器连接到扫描装置，使得各个磁场传感器的测量信号可以连续地施加到用于旋转扫描信号的差分输出端。因此，磁场传感器的值在循环旋转的基础上被读取。

欧洲专利号ep2149797(micronasgmbh)公开了一种用于测量磁场在一个平面中布置的角度的装置。该装置具有至少两个磁场传感器，这些磁场传感器被布置为它们的测量轴在该平面中和/或与该平面平行，并且彼此相反地定向。

metz等人在1997年6月16日至19日芝加哥举行的换能器1997，国际固态传感器和执行器会议的出版物“在单片机上使用四个霍尔器件的非接触式角度测量(contactlessanglemeasurementusingfourhalldevicesonsinglechip)”中描述了旋转角度的非接触式测量。该出版物显示了四个横向霍尔传感器，其在位于半导体衬底的芯片平面内的圆形路径上彼此以均匀的距离布置。具有两个磁极的永磁体应用于旋转轴的末端并在霍尔传感器中产生磁场。相同的装置在欧洲专利no.ep-b-0916074中被描述。

在美国专利申请us2014/0070796a1中进一步公开了一种用于利用霍尔效应来检测磁体的磁场的角度取向的传感器。在美国专利申请us2009/0219016a1中已知一种用于检测旋转元件相对于非旋转元件的角位置的系统。

已知的装置的共同之处在于，永磁体安装在旋转元件上并产生由霍尔传感器检测的磁场，霍尔传感器提供测量信号。需要进一步开发所提供的测量信号的信号处理方法，以便提高测量精度并将磁场传感器的数量减少到最小。

技术实现要素：

在本说明书中公开了一种用于处理来自多个磁场传感器的测量信号的装置。该装置包括永磁体、奇数个磁场传感器，其提供测量信号的信号值，其中奇数个磁场传感器被布置在具有两个或四个磁极的永磁体下方的平面中，以及信号处理单元。信号处理单元适于检测奇数个磁场传感器的信号值，以从所检测的信号值中过滤出磁场的基波(基频)的频率组分，并计算永磁体的旋转角度的值。

在一个方面，磁场传感器是霍尔传感器。这些磁场传感器可以从过滤出的基频确定旋转角度的值。

在一个方面，磁场传感器是横向霍尔传感器，其优选地等角度地布置在圆形路径中，因为这种布置简化了旋转角度的计算。原则上，磁场传感器(霍尔传感器)可以被布置在不同的位置。

通过变换(例如，傅立叶变换)从测量信号导出频谱组分。

在一个方面，永磁体可围绕旋转轴旋转，该旋转轴基本上垂直于平面，并且旋转轴基本上穿过圆心。

还公开了一种用于处理来自多个磁场传感器的测量信号的方法。该方法包括以下步骤：检测充满磁场的至少三个磁场传感器中磁场的信号值，以及从测量的信号值中过滤出磁场的基波(基频)的频率组分。该方法可用于从过滤出的频率组分计算旋转角度。

附图说明

为了更好地说明本发明，接下来基于以下附图解释若干示例性实施例，其中本发明不限于这些示例性实施例，并且一个实施例的方面可以与另一个实施例的方面结合。附图示出：

图1是用于执行该方法的装置的示例性实施例的概览图；

图2是芯片平面上的磁场传感器的俯视图；

图3是磁场传感器的测量信号；

图4是失真的测量信号；

图5是测量信号的频率的光谱图示；

图6-图8是频率的进一步光谱图示；以及

图9是方法的顺序。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一非限制性方面中的装置的概述。在这方面，装置10具有磁体60(例如永磁体)，其放置在轴65的前部63处并产生磁场b轴65绕旋转轴70旋转，并且装置10可以测量轴65的旋转角

在该示例性方面，三个磁场传感器(例如横向霍尔传感器40a-40c)被放置在半导体衬底(芯片)35上的圆形路径50中。这些磁场传感器40a-c以及圆形路径50在图2中以俯视图示出。圆形路径50位于磁体60下方的芯片平面30中。轴65的旋转轴70穿过圆形路径50的圆心55并且相对于芯片平面30基本上正交地布置，并且因此，相对于半导体衬底35的表面也是正交的。磁场传感器40a-40c通过导线80连接到信号处理单元90。信号处理单元90接受来自磁场传感器40a-40c的信号值vs1、vs2、vs3，并从所述信号值计算旋转角度15的值。

图2示出了三个横向霍尔传感器40a-f在圆形路径50中基本上等角度地布置。该图中的永磁体60是两极的。原则上，永磁体60还可以具有额外的磁极。永磁体60示出磁测量角并且具有磁通密度b0。由于相应的角位移，三个横向霍尔传感器40a-f的测量信号vs1、vs2、vs3的信号值在圆形路径50上相移±2π/3并且在图3中理想化地描绘。在图3中的图示中，假设永磁体60产生理想场。

在该理想化方面，永磁体60的磁场的检测信号值在整个圆形路径50上形成正弦曲线，其在三个横向霍尔传感器40a-c的三个位置处被检测到。换句话说，所描绘的曲线的频率对应于基频f1。

众所周知，真正的磁体不会沿圆形路径15产生纯正弦磁场；而是存在如图4中以简化方式所示的失真。该传感器信号如图4所示,可以分解成基波和多个谐波。图4示出了分解为基波和三次谐波。在实践中，三次谐波是所有谐波中最明显的。

通过变换，例如，傅立叶变换，可以产生检测到的磁场b的组成部分的光谱表示，如图5所示。在图5中可以识别每个特定频率组分的强度。磁信号的基波在频率f1(基频)处呈现为谱线，在3f1处3次谐波为一条线。

如上所述，霍尔传感器40a-c扫描磁场b众所周知，在离散点处扫描信号时，通过所谓的奈奎斯特(nyquist)频率fnyq解调频率。例如，如果在图8中，磁场b将在圆形路径50上的四个等距位置处用四个霍尔传感器扫描(即采样频率fs＝4f1)，然后通过奈奎斯特频率fnyq＝2f1在该方面解调频率。该解调如图8所示。以类似的方式，当用图2中的三个霍尔传感器40a-c扫描(采样频率fs＝3f1)时，奈奎斯特频率被计算为fnyq＝1.5f1。

从图6(四个磁场传感器)，显然，3f1处的三次谐波在基频f1处被混叠(aliased)到基波。同样地，五次谐波5f1被混叠至-f1，其中-f1与f1不可区分。在将谐波解调为基波之后，不再能够将谐波与基波区分开。因此，在角度15的这种计算中会出现不可避免的角度误差。

该问题的解决方案包括使用更多数量的磁场传感器40。在这种情况下采样频率fs将更高，因此，只有更高的奇次谐波将被解调为基波f1。这些更高次谐波通常具有较弱的值并且可以被忽略。然而，更多数量的磁场传感器40将具有计算量增加的缺点。

通过使用奇数个磁场传感器40提供进一步的解决方案。图7示出了例如采用圆形路径50上一些五个霍尔传感器40的解调。图7示出了仅4f1处的四次谐波下降到基波f1并且6f1处的六次谐波下降到-f1。当使用奇数个霍尔传感器40时，没有奇次谐波下降到基波。

一般而言，奇次谐波的值比偶次谐波更明显。这种奇次谐波因此在角度计算期间导致最大误差，并且当这些奇次谐波未被解调为基波时是有利的。如前所述，对于更高次谐波，信号强度下降。因此，将四次谐波解调为基波导致不太明显的角度误差。

图8中示出了四极永磁体60与五个霍尔传感器的组合。四极永磁体60的谐波在4f1、6f1等处，基波在2f1处。位于奇数个频率处的是频谱中的间隙。在简单解调的情况下，频率3f1(未示出)将下降到2f1处的基波并且频率7f1(也未示出)下降到-2f1。只有经过两重解调后，f8下降到-2f1。然而，这未在图8中示出。

在四极永磁体60的情况下，五个是圆形路径50上的霍尔传感器的最低数量，无需奇次谐波被解调为基波。在偶数霍尔传感器的情况下，需要10个霍尔传感器来混叠8f1到2f1。然而，这将代表计算工作量翻倍。

原则上，在奇数个磁场传感器40的情况下，所有偶数个频率在简单解调为奇数个频率期间下降。这种奇数个频率不会使角度计算失真。只有经过两重解调后，偶数个频率下降至偶数个频率。

为了确定磁体角度15，仅必须考虑具有由磁体60生成的磁场的基频f1的基波。扫描后，频谱的剩余组分(其在0和fs/2之间)必须通过滤波来抑制。该滤波可以通过卡尔曼滤波器、pll或相关分析来完成。该过程中的基波的相位信息通过反正切计算提供磁体角度15。

在所描述的系统中，奇数个磁场传感器40与具有任意数量磁极的任何磁体60一起工作，因为磁极数始终是偶数。在偶数个霍尔传感器40的情况下，磁极数一定不能与霍尔传感器40的数目相同。因此，在六磁极永磁体的情况下，可以使用五个磁场传感器，而不是六个霍尔传感器。

还已知的是，与传感器芯片相对的磁体60以及磁场传感器40的定位也引起谐波(参见图7)。本文描述的系统还消除了不正确定位的影响。在信号的频谱滤波期间也降低了传感器噪声，因为同样抑制了更高的频率。

该方法的顺序在图9中示出。在第一步骤200中，磁场的信号值由磁场传感器40检测并在适用时存储在存储器中。在下一步骤210中，通过变换计算所检测的信号值的频率组分。在另一步骤220中，过滤出不必要的频率组分，并且在步骤230中，通过反正切计算从信号值的实部和虚部计算角度15。

附图标记列表

10装置

15旋转角度

30芯片平面

35半导体衬底

40a-f第一横向霍尔传感器

50圆形路径

55圆心

60磁体

65轴

70旋转轴

75干扰导体

80导线

90信号处理单元