具有误差检测的磁位置传感器系统、方法和设备与流程

文档序号:39919779发布日期:2024-11-08 20:11阅读:23来源:国知局
具有误差检测的磁位置传感器系统、方法和设备与流程

本发明总体上涉及磁位置传感器系统、设备和方法的领域,并且更具体地涉及具有误差检测能力的线性和/或角磁位置传感器系统和设备以及确定线性位置或角位置并检测是否已发生误差的方法。


背景技术:

1、磁传感器系统,特别是线性位置或角位置传感器系统在本领域中是已知的。它们提供的优点在于,能够在不进行物理接触的情况下测量线性位置或角位置,从而避免了机械磨损、刮擦、摩擦等问题。

2、存在位置传感器系统的许多变体,解决以下需求中的一个或多个:使用简单或便宜的磁结构、使用简单或便宜的传感器设备、能够在相对大范围上进行测量、能够以高精度进行测量、仅需简单的算术、能够以高速进行测量、对定位误差是高度稳健的、对外部干扰场是高度稳健的、提供冗余、能够检测误差、能够检测并纠正误差、具有良好的信噪比(snr)等。

3、经常,这些需求中的两个或多个彼此冲突,因此需要进行权衡。

4、ep3783316(a1)公开了磁位置传感器系统,该磁位置传感器系统包括磁体或磁结构,以及相对于所述磁体或磁结构可移动安装的传感器设备。然而,本文档中描述的系统不具有误差检测能力。

5、总是存在改进或替代的余地。


技术实现思路

1、本发明的实施例的目的是提供磁位置传感器系统,该磁位置传感器系统能够确定传感器设备相对于磁体或磁结构的位置,并且能够检测误差(例如,与有缺陷的传感器或换能器相关的误差)。

2、本发明的实施例的目的也是提供专门适用于此类系统的传感器设备。

3、本发明的实施例的目的也是提供确定传感器设备相对于磁体或磁结构的位置的方法,并提供指示误差的附加信息,和/或允许连接到传感器设备的另一处理器检测误差。

4、本发明的实施例的目的是提供此类系统、设备和方法,其中以对外部干扰场(也称为“杂散场”)高度不敏感的方式确定位置。

5、这些目标通过本发明的实施例实现。

6、根据第一方面,本发明提供位置传感器设备,包括:第一传感器,该第一传感器被配置用于确定第一传感器位置处的第一磁场分量(例如bx1)和第二磁场分量(例如by1或bz1),该第一磁场分量被定向在第一方向(例如x),该第二磁场分量被定向在垂直于该第一方向的第二方向(例如y或z);以及第二传感器,该第二传感器被配置用于确定与第一传感器位置隔开的第二传感器位置处的第三磁场分量(例如bx2)和第四磁场分量(例如by2或bz2),第三磁场分量被定向在第一方向,第四磁场分量被定向在第二方向;处理单元,该处理单元被连接到第一传感器和第二传感器,并且被配置用于确定第一磁场分量和第三磁场分量之间的第一差(例如δbx),并用于确定第二磁场分量和第四磁场分量之间的第二差(例如δby或δbz),并用于基于第一差和第二差的比率确定第一角度(例如θ1),并用于输出第一角度;其中,处理单元被进一步配置用于执行以下操作中的一个:

7、i)确定第一磁场分量和第三磁场分量的第一和(例如∑bx),并且确定第二磁场分量和第四磁场分量的第二和(例如∑by或∑bz),并且输出第一和与第二和,以允许外部处理器确定第二角度(例如θ2)并且比较第一角度和第二角度以检测误差;ii)确定第一磁场分量和第三磁场分量的第一和(例如∑bx),并且确定第二磁场分量和第四磁场分量的第二和(例如∑by或∑bz),并且基于第一和与第二和的比率确定第二角度(例如θ2),并且输出第二角度,以允许外部处理器比较第一角度和第二角度以检测误差;iii)确定第一磁场分量和第三磁场分量的第一和(例如∑bx),并且确定第二磁场分量和第四磁场分量的第二和(例如∑by或∑bz),并且基于第一和与第二和的比率确定第二角度(例如θ2),并且比较第一角度和第二角度,并且基于比较的结果输出诊断信号。

8、优点是,基于两个差信号(或梯度)的比率来计算第一角度(在本文中也称为“主角度”),因为该第一角度对外部干扰场(也称为“杂散场”)是高度稳健的。

9、该传感器系统的优点是,基于两个和信号的比率计算第二角度,因为第一角度和第二角度的比较允许检测误差,例如传感器元件中的一个的缺陷。发明人惊奇地发现,即使在存在外部干扰场的情况下,此类比较也是非常可行的。

10、在实施例中,第一传感器包括第一集成磁集中器和布置在第一imc的相对侧上的第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件;并且第二传感器包括第二集成磁集中器和布置在第二imc的相对侧上的第三水平霍尔元件和第四水平霍尔元件。

11、此类位置传感器设备的示例在图3的(c)部分、图3的(d)部分、图4的(c)部分、图5的(d)部分、图5的(e)部分中示出。第一传感器和第二传感器可以间隔1.0mm至3.0mm。

12、在这些实施例中的一些实施例中,位置传感器设备包括两个imc,每个imc只有两个水平霍尔元件,因此总共只有四个水平霍尔元件,例如,如图3的(c)部分和图5的(d)部分所示。这些实施例的优点是,在不增加传感器元件的数目的情况下提供诊断功能。

13、在实施例中,第一传感器进一步包括第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件,第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件与第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件间隔90°;并且第二传感器进一步包括第七水平霍尔元件和第八水平霍尔元件,第七水平霍尔元件和第八水平霍尔元件与第三水平霍尔元件和第四水平霍尔元件间隔90°。

14、此类位置传感器设备的示例在图3的(d)部分、图4的(c)部分、图5的(e)部分中示出。

15、在实施例中,第二磁场分量(by1)和第四磁场分量(by2)被定向在y方向上,平行于半导体衬底,例如如图4的(c)部分所示。

16、在实施例中,第二磁场分量(bz1)和第四磁场分量(bz2)被定向在z方向上,垂直于半导体衬底,例如如图3的(d)部分和图5的(e)部分所示。可基于从不位于x轴上的霍尔元件获得的信号,即基于图3的(d)部分和图5的(e)部分的信号h3、h4、h7、h8来确定第二磁场分量和第四磁场分量。

17、在实施例中,第一传感器包括第一水平霍尔元件和第一垂直霍尔元件;并且第二传感器包括第二水平霍尔元件和第二垂直霍尔元件。

18、此类位置传感器设备的示例在图3的(e)部分和图5的(f)部分中示出。优选地,在这种情况下,位置传感器设备不包括集成磁集中器。这些实施例的优点是,在不增加传感器元件的数目的情况下提供诊断功能。垂直霍尔元件可以具有被定向在第一方向(x)上的最大灵敏度方向。

19、在实施例中,第一传感器包括第一垂直霍尔元件和第二垂直霍尔元件;并且第二传感器包括第三垂直霍尔元件和第四垂直霍尔元件。

20、此类位置传感器设备的示例在图4的(d)部分中示出。优选地,在这种情况下,位置传感器设备不包括集成磁集中器。这些实施例的优点是,在不增加传感器元件的数目的情况下提供诊断功能。

21、根据第二方面,本发明还提供一种磁位置传感器系统,该系统包括:磁源,用于生成具有至少两极的磁场;以及根据第一方面的位置传感器设备,可相对于所述磁源移动,或者反之亦然。

22、在实施例中,磁源是永磁体,可绕旋转轴旋转;并且位置传感器设备安装在非零径向距离处,并且被定向使得第一方向与具有在旋转轴上的中心的假想圆相切。

23、此类位置传感器系统通常被称为“角位置传感器系统”。

24、磁体可以是轴向或直径或径向磁化的环形磁体或盘形磁体,更具体地,轴向或直径两极环形磁体或盘形磁体,或具有多于两个极的轴向或径向磁化的环形磁体或盘形磁体,例如至少四个极或至少六个极、或至少八个极。

25、在实施例中,磁源是细长结构,包括在纵向方向上延伸的多个交变磁极;并且位置传感器设备可在纵向方向上移动,在距磁源的非零距离处。

26、优选地,距离基本上是恒定的。优选地,传感器设备被定向为其第一方向(x)平行于磁源的纵向方向上。

27、此类位置传感器系统通常被称为“线性位置传感器系统”。优选地,在此情况下,位置传感器设备进一步被配置用于以本领域已知的方式将至少第一角度θ1转换为第一线性位置。

28、在实施例中,磁位置传感器系统进一步包括第二处理器(例如ecu),该第二处理器通信地连接到位置传感器设备,并且被配置用于执行以下操作中的一个:i)接收第一角度、第一和与第二和,并且基于第一和与第二和的比率确定第二角度,并且比较第一角度和第二角度以检测误差;ii)接收第一角度和第二角度,并且比较第一角度和第二角度以检测误差;iii)接收第一角度和指示误差的诊断信号。

29、在该实施例中,第一处理器和第二处理器可以协作以检测是否发生了误差,和/或在系统级采取适当的动作。通过在两个不同的处理器上执行某些功能,可以进一步提高检测误差的概率。

30、根据第三方面,本发明还提供了一种确定位置传感器设备相对于磁源的位置的方法,包括以下步骤:a)确定第一传感器位置处的第一磁场分量和第二磁场分量,第一磁场分量被定向在第一方向,第二磁场分量被定向在与第一方向垂直的第二方向上;b)确定与第一传感器位置间隔的第二传感器位置处的第三磁场分量和第四磁场分量,第三磁场分量被定向在第一方向,第四磁场分量被定向在第二方向;c)确定第一磁场分量和第三磁场分量之间的第一差,并且确定第二磁场分量和第四磁场分量之间的第二差,并且基于第一差和第二差的比率确定第一角度,并输出第一角度;d)确定第一磁场分量和第三磁场分量的第一和,并且确定第二磁场分量和第四磁场分量的第二和,并且可选地将第一和与第二和输出或传送到第二处理器;e)基于第一和与第二和的比率确定第二角度,并且可选地输出或传送第二角度;f)比较第一角度和第二角度,并且可选地基于比较的结果输出诊断信号。

31、这些步骤由角位置传感器系统执行,这些步骤中的部分或全部可由位置传感器设备内的处理单元执行。更具体地,步骤e)和f)可由第二处理器执行,该第二处理器通信地连接到位置传感器设备本身,但在物理上位于位置传感器设备本身外部。

32、在实施例中,该系统进一步包括连接到位置传感器设备的第二处理器,并且该方法进一步包括以下步骤:由第二处理器接收第一角度;以及执行以下操作中的一个:i)接收第一角度并接收第一和与第二和,并且基于第一和与第二和的比率确定第二角度,并且比较第一角度和第二角度以检测误差;ii)接收第一角度,并且接收第二角度,并且比较第一角度和第二角度以检测误差;iii)接收第一角度,并且接收指示误差的诊断信号。

33、如权利要求中所提到的,这些步骤可由第二处理器执行,例如由磁传感器设备外部的ecu执行。

34、在实施例中,比较第一角度和第二角度的步骤包括:测试第一角度和第二角度之间的差是否是在预定义范围内的值。

35、预定义范围可以是[90°±ε]的范围,或者是[-90°±ε]的范围。

36、ε的值可取决于最大允许的外部磁场而选择,但通常值小于10°,或小于5°,或小于2.0°,或小于1.0°,或小于0.5°。

37、在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适当地结合,而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。

38、根据此后所描述的(多个)实施例,本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的,并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

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