CN103256883A - 在多次旋转时也能确定绝对旋转角度的旋转角度传感器 - Google Patents

Abstract

用于在相对于旋转轴的单次或多次旋转时检测绝对旋转角度的旋转角度传感器包括磁场传感器（30）和发送器装置（20）。磁场传感器（30）适用于检测磁场的至少两个正交的量值。发送器装置（20）能够取决于绝对旋转角度相对于磁场传感器围绕旋转轴旋转，使得由磁场传感器检测的磁场取决于发送器装置与磁场传感器的相对角位置。此外，发送器装置（20）可相对于磁场传感器推移。从至少两个由磁场传感器检测的磁场的正交的量中能够确定出发送器装置（20）与磁场传感器（30）的相对角位置和相对平移位置。借助相对角位置和相对平移位置能够确定绝对旋转角度。根据一种替代的实施方式，发送器装置包括多级轮。同样还提出了一种用于确定绝对旋转角度的方法。

Description

在多次旋转时也能确定绝对旋转角度的旋转角度传感器

技术领域

本发明的实施例提出一种用于在单次或多次旋转时检测绝对旋转角度的旋转角度传感器。其它的实施例提出一种能够确认/监控容许偏差的旋转角度传感器。本发明的另一些实施例提出一种确定绝对旋转角度的方法。

背景技术

对于许多应用场合来说，必须测量角距大于360°的夹角，这就是说，必须完成超过一次的完整旋转才能从一个角度达到另一个角度。这类应用场合的实例例如能在汽车技术中找到，这时为了电转向系统或助力转向要确定实时的转向轮位置。更多的应用场合例如能在机器人技术和起重技术（起重机、升降机、叉车等）中找到，其中，例如卷索鼓或绞盘能够旋转过多次旋转的范围。

在提供绝对旋转角度作为输出值的旋转角度传感器中，典型地都是直接借助旋转角度传感器的实时配置或者是内部位置确定绝对旋转角度。与之相对地，微分旋转角度传感器或者相对旋转角度传感器测量旋转运动的数值，并且可能测量旋转运动的方向，使得通常必须首先启用一个已知的基准角度，以该基准角度出发通过形成差值才能确定其它的角度。然而，即使在确定相对旋转角度时有小小的不准确也会叠加起来，尤其是在进行多次旋转时。

许多目前使用的绝对角度传感器具有固定在转轴端部上的永磁体，和布置在转轴轴线的延长线上的磁场传感器。当转轴旋转时，永磁体的磁场也相对于本身静止的磁场传感器旋转。传感器侦测磁场，并且从中推导出旋转角度。这类系统能够使用水平的霍尔传感器（HHall-devices）、或者垂直的霍尔传感器（VHall-devices）、或者像GMR传感器（巨磁阻）或AMR传感器（各向异性磁阻）这样的磁阻传感器、或者比较特殊的XMR传感器（其中，简称XMR是作为以磁阻效应AMR、GMR、TMR、CMR和GMI为基础的技术性知识的上位概念），或者使用它们的组合。它们能够侦测0°到360°之间的角度。利用这类磁绝对角度传感器，难以实现具有贯通轴的布置，这就是说，当传感器必须放置在偏离旋转轴线中心的位置上，而不是定位在旋转轴线上或旋转轴线的延长线上时。

许多目前使用的微分的或者是相对的磁性角度传感器都具有带有许多永磁化的北极和南极的测量轮，或者由具有齿部和切口的软磁性材料制成。一个/多个传感器元件被放置在测量轮圆周的附近（或者在径向上或者在轴向上以一个间隙轻微地错开布置；这个间隙被称为气隙）。所有上述传感器技术也都能够用于这些类型的旋转角度传感器。通常它们在测量轮旋转时侦测磁场的波动。有种算法侦测这种图案的极限位置，并且从中推导出切换点：典型地，切换点是之前最大值和最小值的平均值。例如当沿着测量轮的圆周布置60对南北极（也就是说，p=60极对）时，传感器角可以将增量通过360°/60/2化解为3°，即半个周期。原则上可以在每个增量之间内插，因为磁场通常是以正弦形式变化。然而，角度的绝对精确度却经常由于磁化图案不工整或者传感器元件的敏感度不足或者在气隙大的情况下抵抗外界磁干扰的强劲度不足（尤其是对于小的磁性范畴，这对于极对p的数量意味着大的值）而下降。

在所有之前所述的绝对角度传感器的情况下，可侦测角度的范围最大为360°。如果要侦测多次旋转，有几种目前使用的旋转角度传感器使用传动装置，该传动装置将转轴的旋转复制到具有不同旋转速度的两个转轴上。这两个转轴的每一个都有它们自身的磁体，具有分配给它的传感器，并且比较两个传感器信号，从而确定绝对角度。如果两个磁体的传动比或者减速比为1:5就能够侦测5×360°范围内的角，然而其中，如果传动比或者减速比大，那么即使两个角度传感器的小错误也能够造成绝对角中的大错误，它可能达到360°的好几倍。这类系统由于有传动装置而具有大的体积并且昂贵，并且通常无法将其构造很小，因为这可能会导致两个传感器系统之间的磁串扰，为此不存在简单的纠正可能性。

值得期待的是，如果有这样的绝对角度传感器供使用，其在配置中能够装配贯通轴，并且能够侦测直至旋转好几次的角度范围。还值得期待的是，实现一种旋转角度传感器，其允许确定或者监控，是否能够保持在对于旋转角度测量的精确度来说非常重要的容许范围内，还是会离开这个范围。

发明内容

该目的通过根据权利要求1或权利要求12所述的旋转角度传感器，根据权利要求22所述的方法和根据权利要求29所述的计算机程序实现。

本发明的实施例实现一种用于在相对于旋转轴进行单次或多次旋转时检测绝对旋转角度的旋转角度传感器。这种旋转角度传感器包括磁场传感器和发送器装置。磁场传感器被配置用于获取磁场的至少两个正交的量值。这些量值可以是被磁场传感器检测的磁场的角度、数值或带符号的数值。发送器装置能够取决于相对磁场传感器的绝对旋转角度围绕着旋转轴旋转，使得由磁场传感器检测的磁场取决于发送器装置与磁场传感器的相对角位置。至少另一个与之正交的分量取决于发送器装置与磁场传感器的相对平移位置。例如，磁场的一个分量可以主要反映旋转位置，而磁场的至少另一个分量主要反映平移位置。从磁场传感器检测的磁场的至少两个正交的量值中能够确定出发送器装置对磁场传感器的相对角位置和相对平移位置。然后就能够借助相对角位置和相对平移位置确定出绝对旋转角度。

根据可选的实施例，旋转角度传感器包括用于检测磁场的至少两个正交的量值（角度、数值、带符号的数值等等）的磁场传感器和具有至少四个发送器元件的发送器装置。发送器装置能够取决于相对磁场传感器的绝对旋转角度围绕着旋转轴旋转，使得作用于磁场传感器的磁场的至少一个分量取决于相对角位置，并且至少另一个与至少一个分量正交的磁场分量取决于发送器装置与磁场传感器的相对平移位置。从磁场传感器检测的磁场的至少两个正交的量值中能够确定出发送器装置对磁场传感器的相对角位置和相对平移位置。因此就能够借助相对角位置和相对平移位置确定出绝对旋转角度。

另外的实施例实现一种确定绝对旋转角度的方法，该方法包括以下操作或动作：从磁场传感器接收第一传感器信号和第二传感器信号；确定发送器装置相对于磁场传感器的相对平移位置；确定发送器装置相对于磁场传感器的相对角位置；并且在已确定的或者是查明的相对平移位置和已确定的或者是查明的相对角位置的基础上确定绝对旋转角度。第一传感器信号和第二传感器信号代表由磁场传感器检测的磁场的两个正交的量值（角度、数值或带符号的数值等等）。通过评估第一传感器信号实现确定相对平移位置。通过评估至少第一传感器信号和第二传感器信号实现确定相对角位置。

实施例的基础是，基本上在一个位置检测到的或者是测得的磁场的两个正交的量值对磁场传感器和发送器装置之间的相对角位置的变化或这两个组件之间的相对平移位置的变化会做出不同的反应。由于两个量值属于同一个磁场，并且基本上在相同的物理位置上被磁场传感器检测或测量到，使得例如许多与被安放在不同位置上的两个磁场传感器的安装公差相关的问题得以根除或者至少被减少。此外，在要进行的计算中取出几个会受容差和/或老化影响的参量，使得这些参量的不准确或变化（几乎）不会对结果产生影响。例如，磁场的所有量值都与剩磁或者是永磁体的剩磁通密度具有（基本上）线性的依赖关系。因此，剩磁的例如因老化造成的变化会对磁场的这三个量值的强度或者是振幅产生相同程度的影响。

磁场传感器和发送器装置在径向方向上相互错开的布置方式使得能够以简单的方式将提出的旋转角度传感器与贯通轴布置组合起来。此外这种布置方式能够比较节约空间地实现，并且能够以简单的方式实现可能存在的、用于产生磁场传感器和发送器装置之间的平移相对运动的传动装置。

只要发送器装置包括一个多极轮，正如在几个实施例中设计的那样，那么这些实施例的特征在于，磁场的两个正交的量值中的至少一个取决于相对平移位置发生变化。以这种方式能够通过使用取决于相对平移位置的量值化解相对角位置中可能出现的模棱两可的情况，这种情况是因为将多极轮按区划分成了相同的或者类似的部段。与之相应地，在这类实施例中，以下特性得以实现，即，磁场的两个正交的量值一方面由同一个元件产生或者是受其影响，并且另一方面由磁场传感器基本上在同一个位置上检测到。由合适的磁场传感器检测磁场的这两个量值使得在此能够很好地比较至少两个正交的量值的测量值，因为磁场传感器能够例如借助微电子制造法（例如CMOS流程或者诸如此类）以极高的精确度制成，并且例如像供电电压、温度等等的外界参量也对于整个磁场传感器基本上一致。

于是展示一种绝对角度传感器，其能够装配到贯通轴配置中，并且能够侦测直至好几次旋转的角度范围。从它使用传感器电路用于检测磁场的两个或者多个量值，对于不同几何的和磁性的边界条件却能够最优化磁性测量轮和可能的传动装置的意义上说，这类旋转角度传感器是全面的。

在有几个实施例中，旋转角度传感器可以具有评估电子装置，用于从磁场传感器检测的至少两个正交的量值中确定相对角位置和相对平移位置。该评估电子装置还能够帮助从相对角位置和相对平移位置中确定出绝对旋转角度。

根据另外的实施例，发送器装置可以包括至少四个发送器元件，使得发送器装置在圆周方向上具有至少两个磁变周期。如果发送器装置具有一个（活动的）多极轮，那么这意味着，该多极轮具有至少两个北极和两个南极，它们交替地布置在这个多极轮的圆周方向上。在例如由背偏置磁体驱动的无源型发送器装置中，发送器元件通常对应于齿部或缺口，所以在所要求的至少四个发送器元件中要预设两个齿部和两个缺口。发送器元件的数量也可以更多，并且例如具有直至80个发送器元件（也就是说40极对或者齿部-缺口-对）。对于许多应用场合来说会提供尤其是10至60个发送器元件（也就是说5至30个发送器元件对）。在无源型发送器装置中，测量轮典型地是软磁性的（即它的相对导磁率数较高）。

根据另外的实施例，气隙能够将发送器装置和磁场传感器至少在径向方向上（相对于旋转轴）相互分隔。因此该气隙必须至少在径向方向上横穿过，以从发送器装置到达磁场传感器。磁场传感器可以在径向上布置在发送器装置的外部，或者（当发送器装置是冠状的情况下）也可以在径向上布置在发送器装置的内部。

取决于实施例，发送器装置和磁场传感器之间的平移相对运动能够在轴向方向上、在径向方向上或者不仅在轴向方向上也在径向方向上实现。绝对旋转角度和平移相对运动之间的变换比可以被预先确定，并且因此被引用来评估由磁场传感器提供的传感器信号。

按照另外的实施例，旋转角度传感器可以包括传动装置，用于取决于绝对旋转角度生成发送器装置与磁场传感器的相对平移位置。该传动装置尤其可以是螺杆传动装置、螺旋传动装置、斜齿轮传动装置、偏心轮传动装置、连杆传动装置或者曲轴传动装置。可选地可以使用或者调试本来就已经存在的传动装置。

根据另外的实施例，磁场传感器可以包括半导体芯片，该半导体芯片包括用于磁场的第一量值的第一传感器元件和用于磁场的第二量值的第二传感器元件。

在另外的实施例中，磁场传感器可以设计用于实践微分测量原理（differenzialles Messprinzip）。为了这个目的，磁场传感器可以分别具有用于磁场的每个要检测的量值的两个传感器元件，它们相互间隔布置。两个这类传感器元件之间的间距特别是能够在发送器装置的磁化区段和磁场传感器之间的相对运动的方向上延伸，例如沿着传感器装置和磁场传感器之间的相对旋转运动的圆周方向。可选地，这两个传感器元件的间距也可以定向在其它的方向，例如一个传感器元件可以靠近磁轮，并且另一个远离磁轮。利用这种为微分测量原理设计的布置方式可以让旋转角度传感器强劲地抵抗外界的磁干扰。

附图说明

下面借助附图更详尽地描述本发明的实施例。其示出：

图1示出根据实施例的旋转角度传感器的透视示意原理图；

图2示出根据其它的实施例的旋转角度传感器的透视示意原理图；

图3示出图2的细节截取图的透视图；

图4示出磁场的第一量值的以及平移位置的、取决于一种可能的旋转角度传感器的绝对旋转角度的函数图；

图5示出磁场的第二量值的以及平移位置的、取决于取决于同一个旋转角度传感器的绝对旋转角度的函数图，该函数图也以图4为基础；

图6示出的示意性方框图用于阐明根据实施例的一种可能的计算方法；

图7示出的示意性方框图用于阐明根据可选的实施例的一种计算方法；

图8示出的示意性方框图用于阐明针对错误定向的一种可选的纠正方法；

图9示出半导体芯片的示意性俯视图，该半导体芯片能够应用在根据实施例的旋转角度传感器的磁场传感器内；

图10示出另一种可能的半导体芯片的示意性俯视图，该半导体芯片能够应用在根据实施例的旋转角度传感器的磁场传感器内；

图11示出磁场的z分量取决于取决于发送器装置和磁场传感器之间的相对平移位置的、对于不同参量作为解析解的和数字计算的解的曲线图；

图12示出函数图，其中描绘磁场的两个量值的振幅比取决于取决于发送器装置和磁场传感器之间的相对平移位置，并且具体来说是针对参量g/λ（气隙宽度/磁变周期）的不同数值；

图13示出函数图，其中描述关于相对平移位置的磁场的z方向分量的振幅，具体来说还是针对参量g/λ的不同数值；

图14示出一种装置的示意性横截面视图，该装置使用根据实施例的旋转角度传感器用于测量转轴的绝对旋转角度；以及

图15示出一种按照实施例确定绝对旋转角度的方法的示意流程图。

具体实施方式

在下面借助附图阐述实施例之前，要指出的是，相同的元件或者相同功能的元件使用相同的参考标号，并且不再重复描述这些元件。因此，具有相同参考标号的元件的说明内容能够相互交换。一个实施例的一个特点或者多个特点能够与另一个实施例的一个特点或者多个特点组合或者由它们取代。

图1示出根据一种或者多种可能的实施例的旋转角度传感器的透视的示意原理图。旋转角度传感器包括磁场传感器30和发送器装置20。发送器装置20包括多个发送器元件22-1至22-12。在图1中所示的实施例中，每个发送器元件22-1至22-12相应于一个永磁体，其磁化方向在发送器装置20的径向方向上延伸。多个发送器元件22-1至22-12布置在周围，使得两个相邻的发送器元件具有相反的磁化方向。发送器装置20与平行于圆柱坐标系的z方向延伸的旋转轴旋转对称。典型地，这样选择发送器装置20的旋转轴，使该旋转轴与圆柱坐标系的z轴一致。圆柱坐标系的径向方向用r表示，圆柱坐标系的切线方向用Ψ表示。多个发送器元件22-1至22-12相对于z轴环形地布置，其中，这个环的内半径用r₁表示，这个环的外半径用r₂表示。与之相应地，这个环在径向方向上具有t=r₂-r₁的厚度。在轴向方向上，也就是说平行于z方向，发送器装置20或者说每个发送器元件22-1至22-12延伸的高度为w。每两个相邻的发送器元件形成一个发送器元件对，其定义一个磁变周期λ。在图1中示出了一个这种磁变周期λ，它包括发送器元件22-6和22-7。因此，该磁变周期λ对应于一个磁极对。在图1中所示的配置具有12个发送器元件，并且相应地具有六个发生器极对或者是磁极对。因为磁场在圆周方向上按照磁变周期周期性地重复，所以发送器装置具有六个分别为60°的扇形区。

磁场传感器30在图1中所示的实施例中基本上在z方向上布置为与发送器装置20相同的高度上。然而，该磁场传感器30却相对于发送器装置20在径向上错开地布置，因为其在径向上布置在发送器装置20的外面。因此，磁场传感器30与旋转轴（也就是z轴）的间距大于发送器装置20的外环的半径r₂。特别是磁场传感器30与发送器装置20被具有径向长度的气隙分隔开，该径向长度用g表示。气隙或者气隙宽度例如能够定义为传感器元件与磁体区段（发送器元件）在磁化方向上的最小间距。

发送器装置20能够取决于绝对旋转角度相对于磁场传感器30围绕着旋转轴旋转，这以箭头42表示。此外，发送器装置20能够相对于磁场传感器30平移移动，这在图1中用箭头44表示。这种平移可移动性可以是有意设计的，并且例如通过合适的传动装置引发。然而，可选地也可能因为轴承间隙或者组装公差而出现意外的平移移动。在所示实施例中，发送器装置20和磁场传感器30之间的相对平移移动是在z轴的方向上实现的，也就是说在轴向方向上。然而可选地也可以考虑其它形式的平移相对移动，例如在特定的径向方向上。该特定的径向方向例如可以穿过磁场传感器30，使得发送器装置20和磁场传感器30取决于绝对旋转角度相对靠近运动或者相互分开运动。对于发送器装置20和磁场传感器30之间的气隙，这意味着气隙的径向长度g在旋转角度传感器运行期间取决于绝对旋转角度发生变化。

在图1中所示的实施例中和其它的实施例中，使用一个测量（齿）轮或目标轮（英语：”target wheel”）和至少两种磁场传感器，它们侦测磁场的两个量值（例如方向分量）。这两个方向分量是彼此线性不相关的，并且特别是能够选择为相互正交。为了简化示出和阐明的目的，下面主要示出并描述多极的永磁编码轮（英语：code wheels），尽管这个原理对于由磁性效果材料制成的发送器装置也起作用，这些发送器装置被做成这样的形式，即，它们取决于发送器装置20和磁场传感器30之间的相对角位置和相对平移位置影响由磁场传感器30检测的磁场。特别是可以在发送器装置20的框架内使用由钢、铁或者其它的铁磁材料制成的软磁性轮，其例如具有齿部和缺口。这种无源的发送器装置能够与背偏置磁体（Backbias-Magneten）共同起作用，用于驱动磁场传感器30。

也可以像下面这样诠释图1。图1示出一种传统的多极磁性编码器环（Encode-Ring），例如用于检测汽车技术中的车轮速度。这个环的轴线与此外同为z轴的旋转轴一致。轴向对称面落在z=0的位置。因此，单个的发送器元件或者是区段从z=-w/2延伸至z=+w/2，其中，w是环的轴向宽度。这个环包括径向方向厚度t的两个2p区段（图1中所示的是p=6的情况），这些区段布置在内直径2r₁和外直径2r₂=2r₁+2t的环的圆周上。每个区段在径向方向上都被磁化，然而对于相邻区段具有不断更替的符号。磁性北极和南极用N和S表示。在两个磁化区域之间存在一个细窄的楔形体，在这里材料不被磁化，理想情况下，该楔形体的宽度可以忽略不计。

在实践中，发送器装置的这种编码环经常装配在钢制支撑装置上，正如在图2中所示的那样。因此，图2示出发送器装置220的一种可选的实施例。该钢制支撑装置在此被实现为钢套筒或钢环226。就磁场而言，高导磁的钢套筒（具有μ_r＞1000的相对导磁率）的作用如同磁性镜子：磁套筒几乎让永磁性区段的厚度翻倍（也就是说从t变成2×t）。作为钢制支撑装置226的替代方案，也可以使用需要确定其旋转角度的自旋转的转轴（例如转向柱）。

也可以如下地对几个实施例进行组合。可以在转轴上或者在与转轴利用运动学连接的部件上（通过万向轴或螺纹（Gewinde）、联动器）装配永磁性多极轮，使得在转轴旋转时，多极轮朝向传感器芯片旋转地并且还平移地运动（更准确地说：多极轮在环圆周上周期性地串连北极和南极。多极带和传感器之间的相对运动使得在串连的纵向上存在一个运动分量，并且在横向朝向串连方向上存在一个运动分量，并且不存在垂直于这两个方向的运动分量（也就是固定间距=固定气隙））。如果我们称串连的纵向为psi方向，与该方向垂直的运动方向为z方向，那么这个间距应在r方向上尤其保持恒定。此外从psi和/或r分量中获取信号，以及从z分量中（有利地以psi和/或r分量进行标准化）获取另一个信号。从两个信号的组合中能够查明旋转角度（这些信号可能也超过360°）。

对于平移运动例如存在以下两种选项：

1.平移运动在轴向上实现。

2.在这里，多极轮例如看起来像一个盘子-即该多极轮在轴向方向上非常薄。在那里，能够将转轴的旋转运动通过螺旋件（例如螺旋形式的沟槽）与径向方向上的进给运动连接。然而例如传感器在径向上从外向内运动或从内向外运动。如果在“盘子”的外部圆环区域内布置多极区段，那么大约在圆环的内径和外径之间的中间位置，磁场的r分量等于零。如果将传感器从中间在径向上这样推移，那么会导致出现r分量，该分量大约线性地随着推移上升，并且因此又能够用作平移信号。在大部分情况下，用于这种径向运动的机械装置比在第一种装置中（轴向运动）的耗费更大，其中，但是尽管如此，这种机械装置是有可能实现的。

就多极轮而言能够看出的是，存在至少两个北极加两个南极（即四个发送器元件）。优选地能够预设10至60个元件，其中，优选地，所有元件都一样大，并且要有规律地布置（通常它们装配在钢背（steel back）上，钢背不仅负责形状稳定性，还通过其磁镜效果也提高磁场强度）。如果使用钢背，那么这些区段通常垂直于钢背被磁化。

在有几个实施例中可以设计的是，在旋转运动和轴向运动之间不存在确定性的连接。传感器再次侦测两个分量，由这两个分量传感器确定旋转的和轴向的位置。如果查明的轴向位置离开某个特定的允许范围，那么传感器能够侦测到，并且报告故障。因此，相应的实施例在传感器侧就与前文所述的一起评估磁场的两个正交的量值的情况是一样的。由此在执行器侧给出一个区别，因为没有使用螺旋齿轮传动装置或者诸如此类，而是例如仅使用轴承座。因此，目的不是检测多次的旋转，而是当装配不太准确时，在（微分）传感器系统中利用多极轮报告故障。特别是在磁阻（MR）传感器中，当传感器被定位在极带/环的中间以外的过远处时，特别不方便。因此，可以通过侦测另一个磁场分量识别这种情况，并且报告干扰或者说“离开安全的/可靠的测量范围”。

图3示出图2的一个截取部分，示出磁场传感器30位置上的磁通密度。磁通密度在这里用B表示。其在圆柱坐标中有三个分量，即B_psi、B_r和B_z。B_psi和B_r相对于Ψ坐标是正弦形状的，并且具有相对于气隙宽度呈指数减小的并且仅略微地取决于z坐标的振幅。在B_psi和B_r之间存在90°的相位移动。

磁场在轴向方向上的方向分量B_z在对称平面z=0中消失。对于z≠0的情况，B_z也是正弦形状的，其中，只要满足|z|<w/2，其振幅基本上线性朝向z坐标。对于|z|＞w/2的情况，B_z的振幅又减小。因此，Bz振幅在|z|=w/2附近（也就是说在环的上边缘/下边缘附近）有最大值，该最大值在气隙小的情况下更明显。

根据实施例，环220相对于磁场传感器30的旋转运动（或者磁场传感器30相对于环220的旋转运动）与环和磁场传感器之间的z运动组合。例如环220能够或者有效地沿着螺纹路径或者是螺旋线运动，或者环自旋转，而磁场传感器30同步地在z方向上运动。在径向和切线方向上的方向分量B_r和B_psi的（峰值）振幅主要仅取决于气隙，相对地，B_z分量还取决于z位置，即发送器装置220和磁场传感器30之间的相对平移位置。现在，以磁场的被检测的方向分量为基础的、用于确定绝对旋转角度的系统就能够将径向的磁通密度分量B_r的振幅与轴向的磁通密度分量B_z的振幅进行比较。可选地也可以将切线方向的磁通密度分量B_psi的振幅与轴向的磁通密度分量B_z的振幅进行比较。在这两种情况下，磁场的两个使用的方向分量包含对于磁通密度足够的信息，信息是关于发送器装置220的对于磁场传感器30的方位角的和轴向的相对位置。轴向位置是与旋转次数关联的。以这种方式，现今该系统就能够最终侦测出多次旋转范围内的角位置。

磁场或者是磁通密度的不同方向分量与相对角位置和相对平移位置的依赖关系能够以数学方法如下地表达出来。首先假设相对方位角位置与相对轴向位置例如由于有相应的传动装置（例如螺杆传动装置或者螺纹套）而相互关联，于是以下等式成立：

z=Δ_zΨ/(2π)

相对简单的传动装置是转轴，利用该传动装置能够实现这种运动，转轴的轴承是细牙螺纹（具有螺距小的螺纹），一旦转轴旋转，细牙螺纹就以特定的方式在轴向方向上移动转轴。在有些实施例中，发送器装置抗扭地并且平移地与转轴固定连接，使得在顺时针方向上旋转时，螺纹将发送器装置的编码环例如在正的z方向上挤压，然而在逆时针方向上旋转时，编码环在负的z方向上被挤压。如果这时确定作为参考位置，在绝对旋转角度Ψ=0时，发送器装置与轴向的对称平面对称，也就是说，处于z=0的位置，那么对于螺纹的螺距Δ_z并且旋转角度Ψ=π/2的情况，得出轴向位置z=Δ_z/4。当Ψ=π时z=Δ_z/2，在Ψ=2π时z=Δ_z，在Ψ=4π时z=2Δ_z，当Ψ=6π时z=3Δ_z等等。

磁场或者是磁通密度或者是磁感应的方向分量在圆柱坐标中表示为：

$B_{\mathrm{\&psi;}}={\hat{B}}_{\mathrm{\&psi;}}\sin \left(\mathrm{p\&psi;}\right),$ ${\hat{B}}_{\mathrm{\&psi;}}=\frac{{4B}_{\mathrm{rem}}}{\mathrm{\&pi;}}\sinh \left(\frac{\mathrm{\&pi;t}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\cos \left(\mathrm{lf}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\right)\exp (-\mathrm{\&pi;}\frac{2g+t}{\mathrm{\&lambda;}})$

$B_r={\hat{B}}_r\cos \left(\mathrm{p\&psi;}\right),$ ${\hat{B}}_r=\frac{{4B}_{\mathrm{rem}}}{\mathrm{\&pi;}}\sinh \left(\frac{\mathrm{\&pi;t}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;lf}}{2}\right)\exp (-\mathrm{\&pi;}\frac{2g+t}{\mathrm{\&lambda;}})$

$B_z={\hat{B}}_z\cos \left(\mathrm{p\&psi;}\right),$ ${\hat{B}}_z=\frac{{2B}_{\mathrm{rem}}}{{\mathrm{\&pi;}}^2}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\mathrm{lf}\right)\{K_0\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{{(2z-w)}^2+{\left(2g\right)}^2}\right)-$

$K_0\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{{(2z+w)}^2+{\left(2g\right)}^2}\right)\}$

其中，B_rem是永磁化区段的剩磁，p是极对的数量，r是读取半径（也就是传感器元件30与旋转轴之间的距离），λ是极轮220（=2πr/p）的磁变周期，lf是环内（除了钢背）未磁化体积的百分数，g是气隙或者是气隙的宽度，并且K₀是修改后的贝塞尔函数。U.Ausserlechner出版在《电磁研究中的进展》（Progress In Electromagnetics Research）B，Vol.38，71-105，2012中的文章《多极磁环的闭合解析公式》的第89和90页上包含上面提出的用于轴向磁场振幅B_z的解析答案的推导。

可以看出，B_r和B_z在相内，而B_psi却与之正交。此外振幅

一致。如果传感器元件没有过于靠近编码轮的边缘，并且|z|<w/2，那么贝塞尔函数K₀可以通过指数函数接近。与之相应地可以如下地表示轴向的磁场分量：

${\hat{B}}_z\&ap;\frac{{8B}_{\mathrm{rem}}}{\mathrm{\&pi;}}\frac{\mathrm{wz}}{\sqrt{2\mathrm{\&lambda;}}}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\mathrm{lf}\right)\frac{\exp (-\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{w^2+{\left(2g\right)}^2})}{{(w^2+{\left(2g\right)}^2)}^{3/4}}$

其示出，B_z振幅与z坐标线性成比例，并且随着气隙或者是气隙宽度呈指数减小。通过准备数字表格（“look up tables”）或者用于关系或者还有关系的插入函数f（）可以改善准确度。然后，随着借助关系式

计算ψ，这个系统就可以继续运行。于是就可以相对于间隔为360°/p的规则栅格将这个结果进行比较。

作为实例（对于特殊装置），图4示出切线磁场或者是切线磁通密度B_ψ在角度范围-900°至+900°的变化曲线。该磁通密度用特斯拉表示，并且从图4中的左边刻度中得出。与之相应地，磁通密度在切线方向上达到峰值

为了阐明该目的，假设发送器装置具有p=4极对，使得四个正弦周期是一次完整的旋转。发送器装置和磁场传感器之间的相对z位置在图4中表示为虚线，对于z位置有效的是单位为米的右边刻度。在一次旋转内，z位置变化0.001m=1mm。当然也可以为参数p和Δ_z考虑其它的值。图4清楚示出，至少对于发送器装置和磁场传感器之间的相对较小的平移位移（通常直至发送器装置的轴向长度），切线上的磁场分量B_psi不取决于z位置。在真实的装置中至少可以实现让切线上的磁场分量仅在很小的程度上取决于z位置。

图5示出类似图4的示图，然而是针对轴向的磁场分量B_z。能够看出的是，从Ψ=0并且z=0的中间位置出发，极限值基本上随着与中心不断增加的间距呈线性增加。在-900°或者是+900°的角度范围的边沿上，在B_z最大的位置上，B_z值达到0.018T，即稍微大于切线方向或者是径向的方向分量B_psi或者是B_r。B_z方向分量与z位置的较强的依赖关系可以按照目的用于确定绝对旋转角度。

旋转角度传感器允许将为磁场或者说磁通密度B_ψ的切线方向的方向分量所测得的值与（已知的）最大振幅值

进行比较，从中推导出直至360°/p的好几倍（整数倍）的绝对旋转角度Ψ。同样有可能的是，将为径向的方向分量B_r所测得的值与（已知的）最大振幅值

进行比较。此外可以将B_ψ与B_r进行比较，例如借助已知的CORDIC算法。紧接着可以将与

进行比较。以这种方式约分出剩磁B_rem：因此，这个系统能强劲地抵抗磁体强度的变化或漂移。尽管在等式中用于磁场的三个方向分量B_ψ，B_r和B_z的那些项（Terme）不是完美一致的，它们包含气隙g和极轮或者说发送器装置的轴向宽度w，但是它们足够类似，足以使得测量系统能够以可以接受的准确度确定z坐标。

在图6的示意方框图中，由磁场传感器30提供了这三个方向分量B_r、B_psi和B_z用于进一步计算，这在图6的框架内用方块62、63或64示出。尽管这样通常对评估有利，但是不一定必须由磁场传感器30不仅检测径向的方向分量B_r还检测切线方向的方向分量B_psi，并且准备用于进一步的计算。径向的方向分量B_r和切线方向的方向分量B_psi被输送给运算块65，该运算块被用于计算发送器装置和磁场传感器之间的在一个小范围内（具体来说通常是在一个磁变周期内）的相对角位置。为了这个目的可以使用CORDIC算法。简写CORDIC在此表示“COordinate Rotation DIgitalComputer”。径向和切线方向的方向分量B_r和B_psi的值也被传递到另一个运算块66上，其用于计算发送器装置和磁场传感器之间的相对平移位置，在这里是发送器装置的取决于绝对旋转角度的z位置。除了B_r和B_psi，也还使用磁场或者说磁通密度B_z的轴向方向分量作为运算块66的输入量值。在这里也可以使用CORDIC算法。运算块65和66的结果被用作进一步的运算块67的输入量值，该运算块将精确的相对旋转角度值psi与在运算块66中为发送器装置的z位置查明的值组合起来，从中确定出旋转角度psi的大范围值，也就是确定绝对旋转角度。此外也可以在运算块67的框架内实现旋转的抽取。精确的psi值和z位置的组合尤其可以追溯到这两个量值之间的已知的机械性关联，它们例如由传动装置（螺杆传动装置、曲轴传动装置、齿条传动装置等）以参量Δ_z的形式预定。

在图7中所示的示意方框图类似于图6的方框图。区别在于，径向和切线方向的方向分量B_r和B_psi不输送给运算块用于计算发送器装置相对于磁场传感器的z位置。取而代之的是，用于精确计算psi的已修改运算块75将为相对角位置查明的值（即精确的psi值）提供给用于z位置的已修改的运算块76。而且不仅可以在运算块75的框架内，还可以在运算块76的框架内使用CORDIC算法。正如在图6所示的方框图中那样，运算块75、76的结果被传送给进一步的运算块67，该运算块从这些输入量值中为psi，即例如绝对旋转角度计算出大范围值。

图8示出示意方框图用于纠正旋转角度传感器的单个分量之间可能出现的错误定向或者也用于平衡可能出现的制造公差，例如就发送器装置和磁场传感器之间的气隙的宽度g而言。如果考虑到了传感器模块的错误定向和/或制造公差，以这种方式可以改进传感器系统。如果传感器例如相对于旋转轴倾斜地布置在空间内，可以方便在图6和7所示的信号处理之前进行坐标旋转。当磁场传感器相对于旋转轴的定向歪斜或者说倾倒了，那么磁场传感器的这三个传感器元件不侦测磁场或者是磁通密度的真实的径向、切线和轴向的方向分量，而是侦测那些相对于真实的方向分量扭转的方向分量，并且在这里用B_r′，B_psi′和B_z′表示。在图8中，这些真实地由磁场传感器30侦测到的方向分量在示意方框图的相应方块82、83、84中示出。信号处理块88通过将这些矢量(Br′，Bpsi′，Bz′)与矩阵相乘来纠正这些错误定向。如果这个矩阵的行列式等于1，那么在空间中进行了真正的旋转。然而也可以方便地按比例缩放若干场分量，于是行列式不等于1。矩阵相乘的结果是纠正后的场矢量{B_r，B_psi，B_z}，该场矢量能够如同图6和7中的输入矢量一样使用。为了这个目的，将纠正后的值B_r、B_psi和B_z再次提供到方块62、63、64中，在那里它们能够被调入进行图6或者是7中的计算65、66或者是75、76。

如果利用根据实施例的旋转角度传感器侦测例如五次旋转，那么有利的是，将发送器装置的轴向高度选择为每转平移移动量的三至七倍，也就是说w=3Δ_z…7Δ_z。然而轴向运动的总冲程差不多等于编码轮或者是发送器装置的宽度，于是B_z场几乎线性地随着z位置变化，并且因此随着旋转次数变化。如果相反对仅仅需要侦测一次旋转，也就是绝对角度范围是360°，那么使用提出的系统总是还能够达到目的的，并且在这种情况下，选择发送器装置的轴向高度w=Δ_z…1.4Δ_z。

应该这样选择编码轮或者是发送器装置的极对的数量p，即，使得轴向运动Δ_z/p足够大，足以充分可靠地被传感器系统侦测到。在这种情况下，通过将B_z分量与其它的分量（B_r、B_psi）进行比较达到360°/p的角分辨率，同时能够通过正弦形状地插值其它的分量（B_r、B_psi）达到更高的分辨率。

有些系统旨在估计场图案（Feldmuster）的振幅。一种相对简单的可能在于，在一定时间段内观察场图案，在这段时间内，轮子或者是发送器装置相对于磁场传感器（或者磁场传感器相对于发送器装置）旋转，具体来说至少超过psi=360°/p的角度。对于那些在恒定速度下工作的系统，这是一种可行的选择。

对于那些其中的转轴能够静止较长时间，并且系统却必须识别或者是确认转轴的角位置（例如转向角传感器）的系统来说，就必须使用传感器系统，该传感器系统能够在轮子或者是转轴没有任何运动的情况下直接推导或者是确定振幅（例如真正的开机功能或者说“power-on functionality”）。

实现它的一种可能性在于，将相同类型的两个传感器元件（也就是说针对磁场的同一个方向分量的）相互间隔布置，例如以λ/4的间距（也就是说磁变周期的四分之一）。这两个传感器元件可以或者设计到两个分隔的半导体芯片上，或者设计到一个唯一的半导体芯片上。由相互间隔的传感器元件提供的两个传感器信号以90°相位移动，具体来说是在磁变周期延伸的方向上移动。如果两个信号中的一个按照定义展示为正弦波，那么另一个信号是余弦波。现在可以通过毕达哥拉斯加法查出振幅，也就是说通过求每个传感器信号的平方，将这些平方值相加求和，并且确定求和结果的平方根。

其它的系统不必提取振幅，取而代之的是将切线方向的方向分量B_ψ的瞬时值与径向的方向分量B_r的瞬时值进行比较。优选地基本上在用于确定磁场的方向分量的磁场传感器具有的半导体芯片上的相同位置上测量切线方向和径向的方向分量B_ψ和B_r，只要能够将这两个基础的传感器元件尽可能相互靠近地布置到这个半导体芯片上。这两个分量B_ψ和B_r就像正弦和余弦那样变化，并且能够代入到CORDIC算法中，从而计算出角位置psi（具有未知的多个整数倍的360°/p）。

为了让系统能够强劲地抵抗外界磁干扰，可以使用微分测量原理。为了这个目的，存在用于每个要侦测的方向分量（通常有两个方向分量或三个方向分量）的两个传感器元件。这两个传感器元件保持特定的间距s（s用英语是：”spacing”），这个间距例如在磁化区段和传感器之间的相对运动的方向上指向。因为与沿着轮子或者是发送器装置的圆周在切线方向上的运动相比，每转的轴向运动Δ_z小，所以间距s通常同样也与轮子圆周相切延伸。如果现在一个磁场分量具有符合sin(2πrψ/λ)的图案，那么第一传感器元件侦测到sin(2π(rψ-s/2)/λ)，第二传感器元件侦测到sin(2π(rψ+s/2)/λ)。由两个传感器元件侦测到的信号相减得出2sin(πs/λ)cos(2πrψ/λ)。这意味着，得到了针对2s=λ的最大微分信号。然而，项sin(πs/λ)自身对于稍微较小些的间距s（例如(3…4)s=λ）来说也不会太小，也就是说足够大。对于4s=λ的情况例如得出sin(πs/λ)=0.71，这意味着，失去了最大可支配信号的29%，这个最大信号在2s=λ时应该达到。然而，传感器元件之间的间距s更小有助于节约芯片尺寸，因为在实践中经常希望λ大，但是也希望间距s小（这意味着半导体芯片的必要尺寸小）。微分测量原理使得在计算时能够约分出或者是通过计算取消均一的背景磁场，这让角度确定过程能够强劲地对抗磁干扰。

图9以示意性的、不合比例的俯视图示出磁场传感器30的半导体芯片32的一种布局图。在半导体芯片32中或其表面上布置两组传感器元件。左边一组包括三个传感器元件，其中传感器元件1a是用于侦测B_r分量的第一传感器类型，传感器元件2a是用于侦测B_psi分量的第二传感器类型，并且传感器元件3a是用于侦测B_r分量的第三传感器类型。在间距s处还存在有右边一组的三个传感器元件，其中传感器元件1b是用于侦测B_r分量的第一传感器类型，传感器元件2b是用于侦测分量B_psi的第二传感器类型，并且传感器元件3b是用于侦测B_z分量的第三传感器类型。这三种传感器类型的间距应该在垂直方向上（参照图9示图）尽可能小。

这些不同的传感器类型元件也可以在水平方向上（x方向或者是psi方向）推移，正如在图10中示意性示出的那样。此外，左边那组传感器元件包括两个传感器元件1a和2a，它们例如适用于侦测B_r分量或者是B_z分量。右边那组传感器元件也同样包括两个传感器元件1b和2b，它们对同一个磁场分量做出反应，即例如B_r或者是B_z。传感器元件1a和1b之间的间距在此典型地被选为与传感器元件2a和2b的间距差不多刚好一样大。然而也有可能的是，不同类型的传感器元件以交织的方式布置在半导体芯片32中或其表面上，使得例如传感器元件2a和2b相互之间的间距比传感器元件1a和1b之间的更小。不同的间距可以在下面评估查明的磁场值时予以考虑。在交织布置的情况下，两对传感器元件有同一个重心，但是因子sin(Π×s/λ)是不同的，其中，后者可以被校准（并进而被纠正）。在相互错开地布置的情况下，例如以λ/4错开地布置，可以在测量B_psi和B_r时在接通电路的同时通过数值平方的和形成振幅。

根据实施例，可以在可旋转的转轴上布置编码轮，并且在其附近放置传感器，其中，旋转与传感器和转轴或者是编码轮之间的相对平移运动相关联。传感器具有磁性传感器元件（对磁场起反应的传感器元件），它们侦测至少两个（或三个）独立的磁场分量B_r、B_z或B_psi、B_z或B_r、B_psi、B_z。一种算法使用至少两个分量（B_r、B_z或B_psi、B_z），从中推导出或者是查出相对平移位置，并且使用至少一个分量（B_r、B_psi或者两者），以便查出编码轮和传感器之间的旋转位置或者是相对角位置。相比仅利用磁场分量B_r、B_psi单独能达到的范围，平移位置和旋转位置的组合在一个更大的（角）范围内给出清楚的旋转位置。

在一些实施例中使用了微分传感器，其中，第一传感器类型测得第一磁场分量，并且第二传感器类型测得第二磁场分量。另外，每种类型的两个传感器元件以至少0.5mm（必要时也可以至少1mm或者至少2mm或者至少3mm）的间距彼此布置。

图11示出一幅图表，其中示出取决于z位置的振幅

作为基础的布置方式例如在图2中示意性示出。于是图11示出多极带或者是多极轮的

场与平移位置（在这里是发送器装置的z位置）的依赖关系。前文中用等式形式提供的分析解在图11中以气隙宽度g的不同参量值的实线表示。此外，图11还示出相同的参量值的数字解，这些数字解是借助于有限元模拟（FEM）查明的。将分析解与有限元模拟进行比较，显示出所有考虑到的气隙宽度g和所有z位置的完全一致，本身超越了编码环或者是发送器装置220的边缘。以下边界条件被设定：剩磁=500mT，抗磁性Hcb=355kA/m，λ＝4mm，w=6.6mm，t=2.4mm，具有钢背。正如在图11中能看到的那样，在带或者是编码轮的边缘上实现最大的B_z场，也就是在z=w/2的z位置上。

接下来，确定旋转角度传感器的尺寸。选择报告同一个磁场分量的传感器元件之间的间距s=3mm，因为这在几乎是能够安置在通常大小（大约6mm²）的半导体芯片上的最大的间距内。该芯片的大小例如为3.3mm×1.8mm。在为了定向的目的要被称为左侧的一侧上放置B_psi、B_r和B_z的传感器元件。在间距为3mm时，用于B_psi、B_r和B_z的额外的传感器元件放置在半导体芯片的更右边或者是右侧附近。该系统评估相应的右边和左边的传感器元件之间的区别，这就得出三个微分场分量（differenziellen Feldkomponent）dB_psi=B_psi(左)–B_psi(右)，dB_r＝B_r(左)–B_r(右)和dB_z=B_z(左)–B_z(右)。

如果选择的间距s满足4s=λ，看起来能在芯片大小和微分信号的强度之间实现好的平衡。于是，作为磁变周期的值得到λ=12mm。

现在假设，有直径为30mm的空间可以供磁性编码环或者是发送器装置使用。这就得出94mm的周长，能够容纳具有λ＝11.78mm的p=8极对。上面提及的值sin(πs/λ)在这种情况下是sin(πs/λ)=0.72。

如果现在选择发送器装置的高度w=5mm，那么B_z/B_r的比值是z坐标的一种很好的度量。这种关系在图12中为参量g/λ的不同参量值（就是说气隙宽度g与磁变周期λ的比值）图形地示出。图12中的函数图横坐标示出相对偏心率，也就是发送器装置参照零位置或者是参考位置的z位置与发送器装置的一半高度w/2的比值。纵坐标示出磁场的z分量的振幅与r分量的振幅的比值。图12示出，对于发送器装置的零位置在z=0的情况下在环的中间平面或者是对称平面中的情况，比值B_z/B_r基本上为0。图12中的函数图仅示出正的z值，其中，然而在z值为负的情况下，函数是奇函数，也就是说f(-x)=-f(x)。可以看出，对于特定的气隙宽度g，在|z|<w/2…w时，也就是在相对宽的范围内，曲线几乎是线性的。条件是，气隙不能太小，因为对于小的气隙，曲线示出剧烈的曲率（这让评估更难，但是尽管如此是可以的）。作为很好地选择气隙宽度g与磁变周期λ的比值的实例，这里给出的是g/λ=0.33。

图13示出绝对单位的B_z场，也就是mT。永磁性编码环的剩磁Brem是在500mT的情况下获取的，并且其相对导磁率是μ_r=1.17。比较图12和图13显示，B_z场比B_z/B_r或B_z/B_psi比值更加线性。因此一种算法可以单独使用B_r分量和/或B_psi分量，从而确定气隙，并且然后从B_z中推导出z坐标。

在有些实施例中，旋转角度传感器可以包括传动装置或者机构，该装置借助绝对旋转角度产生相对平移位置。这种旋转角度检测方法尤其是在以下应用场合有用，其中，就位置而言的精准机构例如被手轮或步进马达移动，因为运动的源头就是旋转，并且该旋转被转化为往复运动。

在图14中用示意性剖面图绘出一种可能的传动机构和根据实施例的旋转角度传感器。旋转角度传感器的目的是检测转轴80的绝对旋转角度，该转轴例如可能是转向柱。要检测的绝对旋转角度在此可能能够在某个大于一整圈的旋转角度范围内变化，也就是大于360°。转轴80借助轴承座90、轴承94和螺纹装置支承在其图14中所示的端部上。属于螺纹装置的有转轴80的外螺纹82和相应的设计在轴承座90中的内螺纹92。可选地也可以设计一个螺纹套，其抗扭地与轴承座90相连，并且具有与转轴80的外螺纹82共同起作用的内螺纹。轴承94可以是烧结轴承（Sinterlager），因为这种轴承不仅允许旋转运动还允许轴向运动，并且成本低廉。由于外螺纹82与内螺纹92共同起作用，当转轴自旋转时，转轴80时会上下运动。在转向柱的情况下，如果转轴80的这种上下运动只在小的程度内进行，那么操作者几乎无法感觉到这种运动。例如由外螺纹和内螺纹82、92构成的螺纹可以具有1mm或2mm的螺纹高度，使得在转轴80可能旋转五圈时将转轴在轴向上推移5mm。在大部分情况下，在外螺纹82和内螺纹92之间存在的螺距的活动空间很小。该活动空间例如可以通过施加弹簧力进行最小化。此外，螺纹端部和烧结轴承94之间的间距可以选择得相对较大。烧结轴承94的径向活动空间较小（相比螺纹端部的活动空间）。因此，相比螺纹端部，发送器装置20的测量轮应该更接近地布置在烧结轴承94上或者是多个烧结轴承上。

如果不希望在轴向上移动转轴80，那么发送器装置可以包括一个套筒，其例如通过形状配合、力配合或摩擦配合牢固地与转轴80相连。真正的编码轮或者是多极轮就可以例如通过齿部或导槽/弹簧装置成为抗扭的，却相对于套筒可轴向推移，并因此相对于转轴80可推移。编码轮就可以具有内螺纹或外螺纹，其与固定地与轴承座90相连的相应配对螺纹相互作用。

除了发送器装置20和磁场传感器30之间在轴向方向上的平移相对运动，可选地或者附加地还可以实施径向方向上的相对运动。为了这个目的可以将发送器装置20布置成能够相对于转轴80径向移动。径向相对运动例如可以通过与发送器装置20固定连接的导向销实现，该导向销插入相对于轴承座90位置固定的、螺旋形式的导槽内。以这种方式，能够在径向方向上取决于绝对旋转角度改变气隙宽度，这对由磁场传感器30检测的磁场产生作用。发送器装置20和磁场传感器30之间的相对径向运动的另一种可能性是通过齿轮/齿条机构提供的。发送器装置可以具有相对于转轴80抗扭的齿轮。于是，齿轮的角位置相应于绝对旋转角度。齿轮可以与齿条共同起作用，齿条相对于转轴80的旋转轴线平行于径向方向延伸，并且能够沿着这个方向推移。以这种方式使绝对旋转角度转换成齿条的直线位置。磁场传感器30可以间接地或直接地与齿条相连，使得磁场传感器30参与由齿条执行的纵向运动。以这种方式能够取决于转轴80的绝对旋转角度改变磁场传感器30和转轴80的旋转轴线之间的径向间距。提及的齿轮尤其可以在轴向方向上与编码轮错开地布置，使得齿条也布置在相应的轴向位置上。磁场传感器30可以被固定在支撑部上，该支撑部在轴向方向上延伸，并且其自身与齿条连接，使得磁场传感器30布置在和发送器装置20一样的轴向位置上。

图15示出一种根据实施例确定绝对旋转角度的方法的示意性流程图。在第一步骤152中，从磁场传感器接收第一传感器信号和第二传感器信号，其中，第一传感器信号和第二传感器信号代表由磁场传感器检测的磁场的两个独立的方向分量。然而也有可能的是，还检测第三传感器信号或者甚至还检测其它的传感器信号，它们源自这个磁场传感器或者一个或者是多个磁场传感器。通常在第一传感器信号和两个独立的方向分量中的其中一个之间以及第二传感器信号和磁场的另一个独立的方向分量之间存在归属关系。然而这不一定是这种情况，因为可能也能够通过矢量分量划分这两个传感器信号查出那两个独立的方向分量。

在确定绝对旋转角度的方法的步骤154中，通过共同评估第一传感器信号和第二传感器信号来确定发送器装置（例如发送器轮）与磁场传感器的相对平移位置。通过共同评估第一传感器信号和第二传感器信号可以化解这两个传感器信号中的其中一个可能存在模糊多义性，使得至少能够将相对平移位置限制到足够小的范围内。在此具体来说利用的是，第一传感器信号和第二传感器信号相对于相对平移位置的变化有不同的表现。

发送器装置与磁场传感器的相对角位置可以通过评估至少第一传感器信号或第二传感器信号确定，正如图15中的156中所示的流程图所示的那样。然而，步骤154和156也能够以相反的顺序或者也可以相互同时执行。此外有可能的是，确定相对平移位置要引用由确定相对角位置（即步骤156）产生的、以及在图7的方框图中示意性示出的结果。

然后就可以在特定的相对平移位置和特定的相对角位置的基础上确定绝对旋转角度，正如在步骤158中表明的那样。为了这个目的，可以追溯到相对平移位置和相对角位置之间已知的关系，这个关系例如从用于从绝对旋转角度中产生相对平移位置的螺纹的螺距中得出。总的来说为了这个目的可以引用传动比，传动比表示出相对平移位置是如何相对于绝对旋转角度和/或相对角位置表现的。这种传动比通常由用于在绝对旋转角度的基础上产生相对平移位置的传动装置预先给定。

在许多目前已知的绝对旋转角度传感器中可以不使用多极轮，因为周期性划分多极轮限制了可检测的角度范围。另一方面，随着大的磁变周期（正如在极对数量少时情况是如此），磁场检测的不准确性也增加。因此，在这种已知的旋转角度传感器中，对大的可检测的角度范围要求与对高精准的要求是相互竞争的要求。

与贯通轴进行组合可能相对简单，因为不一定必须让用于产生磁场所使用的磁体处于转轴的轴线上。

与有些公知的旋转角度传感器相反，提出的旋转角度传感器不要求例如借助线性引导装置（它产生运动的强制性条件（英语“constraint”））引导磁体，使得转轴的旋转运动线性地反应到轴向运动上。这种线性引导装置在机械上耗费大，此外由于存在轴承间隙而不准确，并且引起磨损。此外，在这些旋转角度传感器的某几种中，用于检测线性运动的传感器必须差不多和轴向冲程一样大。与之相反地，在实施例中，传感器可以小，并且只有磁体或者是发送器装置的宽度必须大约和冲程一样。以这种方式，在这类实施例中虽然需要更多的磁体材料（其中，却能够使用价格便宜的结合塑料的铁氧体）；另一方面这些实施例只要有最小的传感器芯片就行了（每个面积单位的传感器芯片要比磁体贵）。

在几种其它的公知的旋转角度传感器中，使用了两个在空间上相互间隔的传感器：一个从侧边/径向上安放并且一个放置在转轴的轴线上。这一方面昂贵，另一方面不精确，因为这两个传感器或者是它们的壳体以很大的公差相对于转轴或磁体定位/安装。在实施例中，原则上能够利用传感器元件检测磁场所有要检测的方向分量，这些传感器元件布置在一个唯一的半导体芯片上，并且因此相互之间的指向分毫不差。因此，在根据实施例的旋转角度传感器中，仅仍然存在磁体和芯片之间的一种位置公差，相反地，在提及的公知旋转角度传感器中存在至少两种位置公差。此外，在这些公知的装置中，必须至少将几个传感器信号从一个芯片传输到另一个芯片或者传输到第三个芯片，这在布线方面十分麻烦，并且可能产生其它的不准确性。

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，可以理解的是，这些方面也是对相应的方法的描述，所以装置的模块或构造元件也可以理解为相应的方法步骤或方法步骤的特征。与之类似地，那些在方法步骤的上下文中或者作为方法步骤描述的方面也是对相应装置的相应模块或者细节或者特征的描述。一些或者所有方法步骤可以通过硬件设备（或者在使用硬件设备的情况下）执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，有几个或者多个最重要的方法步骤可以通过这种设备执行。

根据特定的具体实施要求，本发明的实施例可以在硬件中或者在软件中实现。具体实现可以在使用数码存储媒介的情况下进行，例如软盘、DVD、蓝光碟、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘或者其它的磁性或者光学存储器，其上存储可电子读取的控制信号，这些控制信号与可编程的计算机系统能够这样共同起作用或者共同起作用，使得相应的方法得以执行。因此，数码存储媒介可以是可计算机读取的。

根据本发明的有些实施例就包括具有可电子读取的控制信号的数据载体，这些控制信号能够这样与可编程的计算机系统共同起作用，使得文中描述的方法其中一种得以执行。

一般来说，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码能够如下地起效，使得其中一种方法得以执行。

程序代码例如也能够存储到可机器读取的载体上。

其它的实施例包括用于执行文中描述的其中一种方法的计算机程序，其中，计算机程序被存储在可机器读取的载体上。

因此，换句话说，根据本发明的方法的一个实施例是一种计算机程序，该计算机程序具有当计算机程序在计算机上运行时用于执行文中描述的其中一种方法的程序代码。

因此，根据本发明的方法的另一种实施例是数据载体（或者数字存储媒介或可计算机读取的媒介），其上记录着用于执行文中描述的其中一种方法的计算机程序。

因此，根据本发明的另一种实施例是数据流或者一系列信号，数据流或者系列信号代表用于执行文中描述的方法的计算机程序。例如可以如下地配置数据流或者系列的信号，使得能够通过数据通讯连接传输，例如通过因特网。

另一种实施例包括处理装置，例如计算机或可编程的逻辑模块，其如下地配置或调适，使得能够执行文中描述的其中一种方法。

另一种实施例包括计算机，其上安装用于执行文中描述的其中一种方法的计算机程序。

按照本发明的另一种实施例包括一种装置或一种系统，该装置或系统被设计用于将执行至少一种文中描述的方法的计算机程序传输给接收方。传输例如可以以电子形式或者光学形式实现。接收方例如可以是计算机、移动设备、存储设备或者类似的装置。该装置或该系统例如可以包括将计算机程序传输给接收方的文件服务器。

在有些实施例中，可编程的逻辑组件（例如现场可编程的门阵列、FPGA）被用于执行文中描述的方法的某些或者所有功能。在有些实施例中，现场可编程门阵列与微处理器共同起作用，执行文中描述的其中一种方法。一般来说，这些方法在一些实施例中在任意的硬件装置一方执行。该硬件装置可以是像计算机处理器（CPU）这样的可普遍通用的硬件，或者是针对该方法的特殊硬件，例如ASIC。

以上描述的实施例仅仅是对本发明的原理的阐明。不言而喻的是，文中描述的装置和细节的修改方案和变化方案能被其它的专业技术人员想到。因此，故意仅通过权利要求的保护范围限定本发明，而不是通过借助对实施例的说明和阐述在文中展示的具体的细节限定本发明。

在先前的详细说明中可以看出，各种各样的特征在实施例中集中成组。这种公开方式不应理解为企图让要求权利的实施例需要的特征比在相应权利要求中明确提及的更多。而是让发明内容能够落到一个单独的公开实施例的少于所有的特征中。因此，文中的权利要求应该以此收纳入说明书中，其中，每个权利要求本身可以作为单独的实施例。尽管每个权利要求本身可以作为单独的实施例，但是要注意，尽管一个独立权利要求可以在权利要求中涉及与一个或多个权利要求的具体组合，但是其它的实施例也可以包括或包含该独立权利要求与另外每一个独立权利要求的主题的组合或者每个特征与其它独立与从属权利要求的组合。本文中提出的这种组合方式，只要没有明确表示，不企图进行某种具体的组合。此外也有意地让一个权利要求的特征能够容纳到任意一个另外的从属权利要求中，甚至当这个权利要求不直接引用该从属权利要求。

还要注意的是，可以通过一种装置实现在说明书或权利要求中公开的方法，该装置具有执行该方法的各个步骤或行为的元件。

此外，在有些实施例中，可以将一个单独的步骤/行为划分为多个子步骤或者包含多个子步骤。这类子步骤可以包含在对单个步骤的公开内容中，并且是对单个步骤的公开内容的一部分。

Claims (32)

1.一种用于在相对于旋转轴单次或多次旋转时检测绝对旋转角度的旋转角度传感器，其中，所述旋转角度传感器包括：

用于检测磁场的至少两个正交的量值的磁场传感器（30），其中，所述量值是由所述磁场传感器（30）检测到的磁场的角度、数值或带符号的数值中的至少一个；以及

发送器装置（20），所述发送器装置能够取决于所述绝对旋转角度相对于所述磁场传感器（30）围绕所述旋转轴旋转，使得作用于所述磁场传感器（30）的磁场的至少一个分量取决于相对角位置，并且与所述至少一个分量正交的至少另一个分量取决于所述发送器装置（20）与所述磁场传感器的相对平移位置；

其中，从由所述磁场传感器（30）检测的所述磁场的所述至少两个正交的量值中能够确定出所述发送器装置（20）与所述磁场传感器（30）的所述相对角位置和所述相对平移位置，并且借助所述相对角位置和所述相对平移位置能够确定所述绝对旋转角度。

2.根据权利要求1所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）相对于所述旋转轴在径向上与所述磁场传感器（30）错开地布置。

3.根据权利要求1或2所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）取决于所述绝对旋转角度能够平移移动，使得所述发送器装置（20）的所述相对平移位置取决于所述绝对旋转角度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转角度传感器，还包括评估电子装置（65，66；75，76），用于从由所述磁场传感器（30）检测的所述至少两个正交的量值中确定出所述相对角位置和所述相对平移位置，并且用于从所述相对角位置和所述相对平移位置中确定出所述绝对旋转角度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）包括至少四个发送器元件（22-1至22-12），使得所述发送器装置（20）在圆周方向上具有至少两个磁变周期。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转角度传感器，其中，气隙至少在径向上将所述发送器装置（20）和所述磁场传感器（30）相互分隔。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）能够相对于所述磁场传感器（30）在轴向上、在径向上或者在轴向和径向上平移移动。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转角度传感器，还包括用于取决于所述绝对旋转角度产生所述发送器装置（20）与所述磁场传感器（30）的所述相对平移位置的传动装置（82，92）。

9.根据权利要求8所述的旋转角度传感器，其中，所述传动装置（82，92）是螺杆传动装置、螺旋传动装置、斜齿轮传动装置、偏心轮传动装置或曲轴传动装置。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）设计为永磁性多极轮。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）包括由磁性材料制成的环和多个布置在所述环上的永磁体（22-1至22-12）。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）是无源的软磁性发送器轮，所述发送器轮设计用于与至少一个背偏置磁体共同起作用。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述磁场传感器（30）包括半导体芯片（32），所述半导体芯片包括用于所述磁场的第一量值的第一传感器元件（1a）和用于所述磁场的第二量值的第二传感器元件（2a）。

14.一种用于在相对于旋转轴单次或多次旋转时检测绝对旋转角度的旋转角度传感器，其中，所述旋转角度传感器包括：

用于检测磁场的至少两个正交的量值的磁场传感器（30），其中，所述量值是所述检测到的磁场的角度、数值或带符号的绝数值中的至少一个；以及

具有至少四个发送器元件的发送器装置（20），其中，所述发送器装置（20）能够取决于所述绝对旋转角度相对于所述磁场传感器（30）围绕所述旋转轴旋转，使得作用于所述磁场传感器（30）的磁场的至少一个分量取决于相对角位置，并且与所述至少一个分量正交的另一个分量取决于所述发送器装置（20）与所述磁场传感器（30）的相对平移位置；

其中，从由所述磁场传感器（30）检测到的所述磁场的所述至少两个正交的量值中能够确定出所述发送器装置（20）与所述磁场传感器（30）的所述相对角位置和所述相对平移位置，并且借助所述相对角位置和所述相对平移位置能够确定所述绝对旋转角度。

15.根据权利要求14所述的旋转角度传感器，还包括评估电子装置（65，66；75，76），用于从由所述磁场传感器（30）检测到的所述至少两个正交的量值中确定出所述相对角位置和所述相对平移位置，并且用于从所述相对角位置和所述相对平移位置中确定出所述绝对旋转角度。

16.根据权利要求14或15所述的旋转角度传感器，其中，气隙至少在径向方向上将所述发送器装置（20）和所述磁场传感器（30）相互分隔。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）能够相对于所述磁场传感器（30）在轴向方向上、在径向方向上或者在轴向方向和径向方向上平移移动。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的旋转角度传感器，还包括用于取决于所述绝对旋转角度产生所述发送器装置（20）与所述磁场传感器（30）的所述相对平移位置的传动装置（82，92）。

19.根据权利要求18所述的旋转角度传感器，其中，所述传动装置（82，92）是螺杆传动装置、螺旋传动装置、斜齿轮传动装置、偏心轮传动装置或曲轴传动装置。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）设计为永磁性多极轮。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）包括由磁性材料制成的环和多个布置在所述环上的永磁体（22-1至22-12）。

22.根据权利要求14至20中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述发送器装置（20）是无源的发送器轮，所述发生器轮设计用于与至少一个背偏置磁体共同起作用。

23.根据权利要求14至22中任一项所述的旋转角度传感器，其中，所述磁场传感器（30）包括半导体芯片（32），所述半导体芯片包括用于所述磁场的第一量值的第一传感器元件（1a）和用于所述磁场的第二量值的第二传感器元件（2a）。

24.一种用于确定绝对旋转角度的方法，具有以下步骤：

从磁场传感器（30）接收第一传感器信号和第二传感器信号，其中，所述第一传感器信号和所述第二传感器信号描述由所述磁场传感器（30）检测的磁场的两个正交的量值；

通过评估至少所述第一传感器信号来确定发送器装置（20）对于所述磁场传感器（30）的相对平移位置；

通过评估至少所述第二传感器信号来确定所述发送器装置（20）对于所述磁场传感器（30）的相对角位置；

基于已确定的所述相对平移位置和已确定的所述相对角位置确定所述绝对旋转角度。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述磁场传感器（30）是根据权利要求1至23中任一项所述的旋转角度传感器的一部分。

26.根据权利要求24或25所述的方法，其中，通过共同评估所述第一传感器信号和所述第二传感器信号实现确定所述相对平移位置。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，共同评估所述第一传感器信号和所述第二传感器信号包括测定所述第一传感器信号与所述第二传感器信号的关系，其中，所述关系基本上与所述相对角位置无关。

28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，其中，在确定所述相对平移位置之前实现确定所述相对角位置；并且其中，共同评估所述第一传感器信号和所述第二传感器信号要使用确定所述平移角位置的结果。

29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，其中，确定所述相对平移位置、确定所述相对角位置和确定所述绝对旋转角度的至少其中一个步骤使用坐标旋转数字计算算法。

30.根据权利要求24至29中任一项所述的方法，其中，确定所述相对平移位置和确定所述相对角位置的至少其中一个步骤要使用第三传感器信号，所述第三传感器信号相应于由所述磁场传感器（30）检测到的磁场的第三正交的量值。

31.根据权利要求24至30中任一项所述的方法，其中，所述磁场传感器（30）与磁性发送器装置（20）共同起作用，所述发送器装置能够取决于所述绝对旋转角度围绕所述旋转轴相对于所述磁场传感器（30）旋转以及平移移动，使得由所述磁场传感器（30）检测到的所述磁场取决于所述发送器装置（20）与所述磁场传感器（30）的相对角位置和相对平移位置，并且其中，通过以下计算给出磁场的切线方向量值、径向量值和轴向量值：

$B_{\mathrm{\&psi;}}={\hat{B}}_{\mathrm{\&psi;}}\sin \left(\mathrm{p\&psi;}\right),$ ${\hat{B}}_{\mathrm{\&psi;}}=\frac{{4B}_{\mathrm{rem}}}{\mathrm{\&pi;}}\sinh \left(\frac{\mathrm{\&pi;t}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\cos \left(\mathrm{lf}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\right)\exp (-\mathrm{\&pi;}\frac{2g+t}{\mathrm{\&lambda;}})$

$B_r={\hat{B}}_r\cos \left(\mathrm{p\&psi;}\right),$ ${\hat{B}}_r=\frac{{4B}_{\mathrm{rem}}}{\mathrm{\&pi;}}\sinh \left(\frac{\mathrm{\&pi;t}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;lf}}{2}\right)\exp (-\mathrm{\&pi;}\frac{2g+t}{\mathrm{\&lambda;}})$

$B_z={\hat{B}}_z\cos \left(\mathrm{p\&psi;}\right),$ ${\hat{B}}_z=\frac{{2B}_{\mathrm{rem}}}{{\mathrm{\&pi;}}^2}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\mathrm{lf}\right)\{K_0\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{{(2z-w)}^2+{\left(2g\right)}^2}\right)-$

$K_0\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{{(2z+w)}^2+{\left(2g\right)}^2}\right)\}$

其中，Brem是所述发送器装置（20）或发送器元件的剩磁场强度；

p是所述发送器装置（20）的极对的数量；

r是所述旋转轴和所述磁场传感器（30）之间的半径；

λ是所述发送器装置（20）的磁变周期，其中满足：λ=2×Π×r/p；

lf是未磁化体积占被所述发送器装置（20）包围的总体积的百分比数；

g是所述发送器装置（20）和所述磁场传感器（30）之间的气隙的宽度；

K₀是已修正的贝塞尔函数；

t是所述发送器装置（20）的有磁性效果的径向长度；

w是所述发送器装置（20）的轴向长度；以及

sgn(z)是z/|z|。

32.一种具有程序代码的计算机程序，所述计算机程序用于在计算机上运行时执行根据权利要求24至31中任一项所述的方法。

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