CN101680740B - 外部磁场角度确定 - Google Patents

Abstract

磁阻传感器通常被用于在很多汽车应用中进行角度检测。根据本发明示例性实施例，提供了一个传感器，其中，第一半桥包括具有螺旋条纹的磁阻电阻器，第二半桥包括没有螺旋条纹的磁阻电阻器。没有螺旋条纹的电阻器之一相对于其它三个电阻器旋转90度。这可提供可降低由于偏移而导致的角度误差的改善的磁场角度确定。

Description

外部磁场角度确定

技术领域

本发明涉及磁场角度确定的领域。尤其是，本发明涉及用于测量外部磁场角度的传感器，还涉及用于测量外部磁场角度的方法、计算机可读介质和程序组件。

背景技术

磁阻传感器通常被用于在很多汽车应用中进行角度检测，例如，用于踏板定位或节流阀控制。当前生产和开发的传感器使用了两个彼此旋转分开45度角的惠斯通电桥。

如果外部磁场的角度α被改变，则这两个电桥发送具有45度相位差的信号。然而，该传感器元件可具有相对高的偏移，并且该偏移可能随着温度而漂移。这可能导致需要由客户进行或在信号调节芯片上进行复杂的偏移补偿。

发明内容

期望的是具有对磁场角度的改进的确定。

本发明提供了具有根据独立权利要求的特征的传感器、方法、程序组件和计算机可读介质。

应该注意，以下描述的本发明的示例性实施例也应用于测量外部磁场角度的方法、程序组件和计算机可读介质。

根据本发明的第一方面，提供一种基于磁场调制来测量外部磁场角度的传感器，该传感器包括第一半桥、第二半桥和用于在两个方向调制磁场的调制单元，其中，第一半桥具有第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器，所述第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器具有螺旋条纹(barber-pole stripes)，并且其中，第二半桥具有第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器，所述第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器不具有螺旋条纹或具有与第一半桥的第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器的螺旋条纹朝向不同的螺旋条纹。

换言之，第一半桥可包括第一电阻器R2和第二电阻器R4。第二半桥可包括第三电阻器R1(例如，等于R2)和第四电阻器R3(例如，等于R4)。这四个电阻器都具有螺旋条纹。

可选地，第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器不具有螺旋条纹。

这可提供传感器信号的幅度最大化，并且因此提供了改善的磁场角度确定。

根据本发明的另一示例性实施例，调制单元包括第一线圈，其在x方向产生了磁调制场；第二线圈，其在y方向产生了磁调制场；和振荡器，其以交替方式激励第一线圈和第二线圈以产生磁调制场。

换言之，提供了磁阻惠斯通电桥和两个线圈，其中，四个电阻中的两个电阻具有螺旋条纹，并且另外两个不具有螺旋条纹。这两个线圈被用于在x方向和y方向上产生磁调制场。

根据本发明的另一示例性实施例，以连续方式激励第一线圈和第二线圈二者以产生磁调制场，其中，用正弦信号激励第一线圈，并且其中，用余弦信号激励第二线圈，从而通过使磁场矢量旋转来使外部磁场重叠。

在此情况下，得到的输出信号的交流(AC)部分具有相对于原始正弦信号的相移，该相移与外部磁场的角度相等(或者通过例如使该相移与外部磁场的角度成比例来与外部磁场的角度相关联)。

根据本发明的另一示例性实施例，还采用计算和控制单元，其基于测得的峰值幅度来判断两个半桥中的哪一个被用于计算外部磁场角度。

另外，根据本发明的另一示例性实施例，用于检测与来自两个半桥的输出相对应的峰值幅度的检测器形成了传感器的一部分。另外，传感器包括计算和控制单元，其用于根据下式来计算外部磁场角度：

α＝arctan(U1pk/U2pk)，

其中，U1pk和U2pk是测得的峰值幅度。

另外，根据本发明的另一示例性实施例，第三磁阻电阻器相对于第四磁阻电阻器旋转90度，其中，第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器被布置为与第三磁阻电阻器平行。

换言之，一个半桥包含具有螺旋条纹的磁阻电阻器，并且另一个半桥包含不具有螺旋条纹的磁阻电阻器，两个半桥彼此旋转分开90度。

可选地，根据本发明的另一示例性实施例，两个半桥彼此旋转分开45度，其中，每个半桥都包括两个平行的磁阻电阻器。

根据本发明的另一方面，提供一种基于磁场调制来测量外部磁场角度的方法，其中，由调制单元在两个方向上调制磁场，调制单元包括第一半桥和第二半桥，其中，第一半桥具有第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器，所述第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器具有螺旋条纹，并且其中，第二半桥具有第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器，所述第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器不具有螺旋条纹。

这可提供可消除由于偏移而导致的角度误差的改善的磁场角度确定。

根据本发明的另一示例性实施例，该方法还包括在x方向和y方向上交替地产生磁调制场的步骤。

根据本发明的另一示例性实施例，该方法还包括步骤：以连续方式激励第一线圈和第二线圈以产生磁调制场，其中，用正弦信号激励第一线圈，并且其中，用余弦信号激励第二线圈，从而通过使磁场矢量旋转来使外部磁场重叠。

另外，根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读介质，其中存储了一种基于磁场调制来测量外部磁场角度的计算机程序，当由处理器执行时，该计算机程序使得处理器执行上述方法步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种基于磁场调制来测量外部磁场角度的程序组件，当由处理器执行时，该程序组件使得处理器执行上述方法步骤。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施例变得清楚，并且参照所述实施例进行阐明。

以下将参照附图来描述本发明的示例性实施例。

图1示出了具有反位和补偿线圈的罗盘传感器的示意图。

图2示出了根据图1的传感器的输出信号。

图3A和图3B示出了当交替激励x线圈和y线圈时指向0度方向的磁场矢量的影响。

图4B和图4B示出了当交替激励x线圈和y线圈时指向90度方向的磁场矢量的影响。

图5示出了信号调节单元的框图。

图6示出了根据本发明的示例性实施例的通过以正弦/余弦信号激励集成线圈的外部磁场的调制。

图7A示出了根据本发明示例性实施例的线圈激励信号。

图7B示出了来自30度的外部磁场角度的磁阻惠斯通电桥的输出信号，与图7A的激励信号相对应。

图8示出了根据本发明的示例性实施例的角度感测的传感器。

图9示出了根据图8的传感器的两个半桥的输出信号。

图10示出了根据本发明的示例性实施例的包括图8的传感器组件的角度计算传感器装置。

图11示出了根据本发明的示例性实施例的同时具有线圈激励和相位差评估的角度计算的传感器装置，其包括图8所示的传感器。

具体实施方式

图中所示为示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件由相同的标号表示。

当前在生产和开发中用于角度感测的磁阻传感器使用两个彼此旋转分开45度角的惠斯通电桥。如果外部磁场的角度α被改变，则这两个电桥发送具有45度相位差的信号。

这些信号通常被放大并被转换为数字信号。在以下步骤中，外部磁场角度通过

α＝1/2*arctan(U1/U2)

计算得到，其中，U1和U2是两个惠斯通电桥的输出电压。

该方法的缺点可能是相对高的传感器元件偏移和随温度而导致其偏移漂移，这引起了显著的角度误差。这些缺点可能导致需要在信号调节芯片上进行复杂的偏移补偿。提出了新的元件和新的信号调节概念，这将消除由于偏移而导致的角度误差，并且因此消除了对偏移补偿的需要。

以上方法是通过用在传感器芯片上实现的平面线圈来调制外部磁场而实现的。

图1示出了具有本发明所基于的反位和补偿线圈的罗盘传感器的示意图。图1所示的传感器元件包括一个磁阻惠斯通电桥和两个被用于在x方向和y方向产生磁场的线圈105和106。

惠斯通电桥包括四个磁阻电阻器101、102、803和804。电阻102和804之间的接点连接到地电位118。而且，分别在电阻101和803之间、电阻101和102之间、以及电阻803和804之间提供电连接119、120和121，以施加信号或测量传感器输出。

坐标轴122和123分别示出了x方向和y方向。

这种传感器元件通常被用于罗盘应用，其中，反位线圈106被用于通过将高电流施加到短的匝来设置透磁结构的内部磁化方向。这样做是为了防止元件传输特性的意外反转(反位)。补偿线圈105在罗盘应用中被用于生成在尺寸上和方向上与外部磁场相反的场。通过这样的测量，磁阻惠斯通电桥(MR惠斯通电桥)在恒定的偏压点工作以避免非线性误差。

如图1所示，磁阻电阻器101、804和102、803的金属条纹导致电流方向旋转分开±45度。

换言之，以具有成对的同方向的螺旋条纹的磁阻电阻器的形式来采用这四个电阻器。

图2示出了在没有对集成线圈进行激励的饱和转向磁场中图1的传感器的操作。如果图1的传感器在强磁场中工作，则内部磁化与外部磁场方向对准，并且如图2所示的传感器的输出特性可被实现。

水平轴201示出了角度α，其范围从0度到400度。垂直轴202以mV/V为单位示出了输出电压U_out，其范围从-15mV/V到+15mV/V。标号203示出了传感器的输出曲线。

因为由于反位而导致的传输特性的反转只可能在感测到弱场时出现，因此输出由于外部磁场强度的原因是连续的(传感器在饱和状态下工作)。重要的是要注意到，在该工作模式下，传感器输出仅取决于磁场的方向而不取决于磁场强度。

本发明的基本思路是交替地或同时地激励两个集成线圈以调制外部磁场矢量的方向，并且因此调制MR惠斯通电桥的输出信号。

图3示出了当用x方向的交流场(见图3A)和y方向的交流场(见图3B)调制指向0度方向的磁场时对所得到的磁场矢量的影响。

水平轴302示出了磁场的x分量Hx，并且垂直轴301示出了磁场的y分量Hy。标号303表示电磁场矢量，并且标号304示出了调制场。

当在x方向激励时，完全不会改变磁场方向和电桥输出，而在y方向(见图3B)用另一线圈激励会导致所得到的磁场角度的改变，这也使得输出信号305改变。

当外部磁场矢量转动90度时，上述关系反转，如图4A和4B所示。

水平轴401再次示出了磁场的x分量Hx，并且垂直轴402示出了磁场的y分量Hy。标号403表示电磁场矢量，并且标号404示出了磁调制场。在图4A中，调制场404垂直于外部磁场403，并且在图4B中，调制场404平行于外部磁场403。

标号405示出了当调制场404指向正x方向时所得到的磁场矢量。

为了评估磁场角度，可能的解决方案因此用交流磁场激励线圈，并且在惠斯通电桥输出端测量所得到的交流幅度。

图5示出了信号调节单元的框图。信号调节单元500也可被称作传感器装置或简称为传感器。

信号调节单元或传感器500包括振荡器107、电压电流转换器108、开关109、110和两个线圈105、106。在本申请的上下文中，这些元件可被称作调制单元。

开关109、110被用于总是提供对线圈105、106之一的激励。

信号调节单元500还包括具有电阻器101、102、803和804的惠斯通电桥，惠斯通电桥连接到放大器111。换言之，振荡器107总是激励线圈105、106之一，并且在x方向或y方向产生磁场。其后，磁阻电桥的输出被仪表放大器111放大。

其后，用高通滤波器112对交流部分滤波，并且例如由峰值检测器113或根均方(RMS)检测器来测量幅度。测得的幅度随后被模数转换器114转换为数字幅度，并且由计算单元115计算外部磁场角度：

α＝arctan(U1pk/U2pk)，

其中，U1pk和U2pk是测得的峰值幅度。

随后，计算出的值由输出端116输出。而且，计算单元115通过线路117连接到开关109、110，以基于来自转换器114的信号或基于计算出的信号控制开关。

由振荡器107产生的激励信号可具有正弦信号或余弦信号的形式，或者可具有三角信号的形式，或者简单地具有阶跃的开/关信号或其它形式的信号。

进行评估的可选方式是用正弦信号和余弦信号恒定地调制这两个集成激励线圈。在此情况下，外部磁场的磁场矢量与图6所示的旋转磁场矢量重叠。

换言之，用正弦信号激励线圈105，并且用余弦信号激励第二线圈106。

图6中的水平轴示出了磁场的x分量，并且y轴602示出了磁场的y分量。外部磁场由标号603表示，并且调制场由箭头604表示，箭头604在圈605的边界内旋转。

在此情况下，所得到的输出信号的交流部分具有相对于原始正弦信号的相移，该相移与外部磁场的角度相对应，甚至相等。该原理在外部磁场角度为30度的图7A和图7B中示出。

图7A示出了当用正弦/余弦电流激励时线圈105、106所产生的磁场703、704。磁场703由线圈105产生，并且磁场704由线圈106产生。

图7A中的水平轴701、705示出了以μs为单位的时间，其范围为从0到300μs。图7A中的垂直轴702示出了以A/m为单位的磁场H，其范围为从-100到+100，并且图7B中的垂直轴示出了以mV/V为单位的输出电压U_out，其范围为从-0.03mV/V至+0.03mV/V。图7B中的曲线707示出了来自惠斯通电桥的所得到的输出。

输出信号相对于激励信号的相移对应于外部磁场的角度。

然而，出于电流消耗的原因，可能只能用小磁场进行调制，这只会导致测得的磁场角度的小变化。参照图2，显然，可周期性地每90度的磁场角度产生极小的幅度，这是因为在产生极小的幅度的这些点，输出信号的梯度是0。

因此，提出使用磁阻传感器元件结构，其中，一个半桥包含具有螺旋条纹的磁阻电阻器，并且另一半桥包含不具有螺旋条纹的磁阻电阻器，但是不具有螺旋条纹的磁阻电阻器彼此旋转分开90度(见图8)。

如图8所示，电阻器103相对于电阻器101、102、104旋转90度。电阻器103、104不包含螺旋条纹，并且电阻器101、102包含螺旋条纹。

可选地，两个半桥彼此旋转分开45度。

图9示出了具有图8中所示的改变了结构的两个半桥的输出信号903、904。水平轴901示出了角度α，其范围为0到360度。垂直轴902示出了以V/V为单位的输出电压，其范围为从0.494至0.506。

曲线903示出了不具有螺旋条纹的半桥输出，并且曲线904示出了具有螺旋条纹的半桥的半桥输出。

如图9所示，最大值905、906和最小值907、908彼此偏移开45度。通过仅评估具有较大幅度的半桥，因此可总是获得具有足够幅度的输出信号。

图10和图11示出了两个用于角度计算的传感器装置，每一个传感器装置都包括如图8所示的传感器元件。

图10中所示的传感器装置被用于实现根据本发明的示例性实施例的以下方法。该装置除此之外还包括两个附加开关1002、1003，由计算和控制单元1001通过控制线1005来控制附加开关1002、1003。

控制逻辑1001根据测得的幅度判断哪个半桥被用于估计。其后，通过开关1002或1003选择该半桥(桥101、102或桥103、104)，并且通过当交替激励集成线圈105、106(通过开关110、109)时测量所选择的半桥幅度来计算外部磁场角度。

图11示出了实现根据本发明的另一示例性实施例的第二传感器装置，其中，同时用正弦信号和余弦信号激励两个集成线圈105、106，这导致第二磁场矢量围绕实际的外部磁场矢量旋转。

该装置除此之外还包括电压电流转换器1102、1103，用于激励线圈106、105。来自第一半桥或第二半桥(可由开关1002、1003选择)输出信号由峰值检测器113检测。峰值检测器113的输出被通过运算放大器1105(其还连接到基准电压1106)发送到控制逻辑1101。控制逻辑1101通过开关1002、1003选择具有较大幅度的半桥。来自该半桥的信号的交流部分与原始激励信号1108的相位差在通过放大器1104之后由相位检测器1107测得。相位检测器1107的输出信号116直接等于(或直接对应于)外部磁场的角度。

应该注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个。而且，可结合在不同实施例中描述的元件。

应该注意，权利要求的标号不应该被理解为限制权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种基于磁场调制来测量外部磁场角度的传感器，该传感器(100)包括：

第一半桥；

第二半桥；

用于在两个方向调制磁场的调制单元；

其中，第一半桥具有第一磁阻电阻器(101)和第二磁阻电阻器(102)，所述第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器具有螺旋条纹，并且

其中，第二半桥具有第三磁阻电阻器(103)和第四磁阻电阻器(104)，所述第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器不具有螺旋条纹或具有与第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器的螺旋条纹朝向不同的螺旋条纹；以及

第三磁阻电阻器(103)相对于第四磁阻电阻器(104)旋转90度的角度，并且其中，第一磁阻电阻器(101)和第二磁阻电阻器(102)被布置为与第三磁阻电阻器(103)平行。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，调制单元包括：

第一线圈(105)，其在x方向产生了磁调制场；

第二线圈(106)，其在y方向产生了磁调制场；和

振荡器(107)，其以交替方式激励第一线圈(105)和第二线圈(106)以产生磁调制场。

3.如权利要求1所述的传感器，

其中，以连续方式激励第一线圈和第二线圈二者以产生磁调制场；

其中，用正弦信号激励第一线圈，并且其中，用余弦信号激励第二线圈，从而通过使磁场矢量旋转来使外部磁场重叠。

4.如权利要求2或3所述的传感器，

其中，还采用计算和控制单元(1101、1001)，其基于测得的峰值幅度来判断两个半桥中的哪一个被用于计算外部磁场角度。

5.如权利要求2所述的传感器，还包括：

检测器(1113)，其用于检测与来自两个半桥的输出相对应的峰值幅度；以及

计算和控制单元(115)，其用于根据下式来计算外部磁场角度：

α＝arctan(U1pk/U2pk)，

其中，U1pk和U2pk是测得的峰值幅度。

6.如权利要求1所述的传感器，

其中，第一磁阻电阻器(101)和第二磁阻电阻器(102)相对于第三磁阻电阻器(103)和第四磁阻电阻器(104)旋转45度的角度。

7.一种基于磁场调制来测量外部磁场角度的方法，该方法包括步骤：

由调制单元在两个方向上调制磁场，调制单元包括第一半桥和第二半桥；

其中，第一半桥具有第一磁阻电阻器(101)和第二磁阻电阻器(102)，所述第一磁阻电阻器和第二磁阻电阻器具有螺旋条纹；并且

其中，第二半桥具有第三磁阻电阻器(103)和第四磁阻电阻器(104)，所述第三磁阻电阻器和第四磁阻电阻器不具有螺旋条纹；

其中，第三磁阻电阻器(103)相对于第四磁阻电阻器(104)旋转90度的角度，并且其中，第一磁阻电阻器(101)和第二磁阻电阻器(102)被布置为与第三磁阻电阻器(103)平行。

8.如权利要求7所述的方法，还包括步骤：

在x方向和y方向上交替地产生磁调制场的步骤。

9.如权利要求7所述的方法，还包括步骤：

以连续方式激励第一线圈和第二线圈以产生磁调制场；

其中，用正弦信号激励第一线圈，并且其中，用余弦信号激励第二线圈，从而通过使磁场矢量旋转来使外部磁场重叠。

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