CN103403499B - 用于确定运动体的绝对位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定能相对于两个磁感传感器运动的元件的绝对位置的方法和相应的装置，在该能运动的元件上固定有磁场源，由此利用各一个磁感传感器来测量第一传感器信号和第二传感器信号，本发明的任务在于，可靠并且安全工作地实现能运动的元件的绝对位置的确定。这通过如下方式来解决，即，各自的传感器信号的幅值比和关于传感器信号的各自的零点的偏置值由传感器信号的最小值和最大值来确定，并且由这些值计算标准化的传感器信号；由标准化的传感器信号形成和信号和差信号，该和信号和该差信号又被标准化，其中，最小值和最大值的确定通过元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上进行，以及借助于标准化的和信号和标准化的差信号来计算绝对位置。

Description

用于确定运动体的绝对位置的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定能相对于两个磁感传感器运动的元件的绝对位置的方法，在该能运动的元件上固定有磁场源，其磁场特性借助于磁感传感器通过如下方式来测定，即，第一传感器信号利用第一磁感传感器来测量，而第二传感器信号利用第二磁感传感器来测量。在此，代表了磁场分量的传感器信号具有处于或者范围内的相位偏移

磁感传感器以下尤其应该理解为霍尔传感器和磁阻传感器。

本发明还涉及一种用于以无接触的方式采集能相对运动的元件的装置，该能相对运动的元件具有固定在能运动的元件上的磁场源。

背景技术

对运动体的绝对转动角度位置的无接触式确定由于其稳定性和耐用性特别在汽车工业的传感器、工业自动化的传感器、医疗技术仪器和消费品工业仪器中是必须的。

借助于能转动地支承的磁铁和基于霍尔传感器的测量原理对绝对转动角度的无接触式采集在不同的专利文献中都有所描述。

在DE69816755T2(奥地利微系统(AustriaMikrosysteme)公司，2004年6月3日)中描述了一种方法，该方法从两个霍尔传感器组的差值形成中测定用于计算转动位置所需要的信号。这种方法的缺点是，需要三个或者四个传感器并且所描述的装置需要如下轴向结构，在该轴向结构中，霍尔传感器位于能转动地支承的磁铁下面。

利用根据DE69816755T2的方法不能通过在磁场源周边安装传感器来实现转动位置的确定(如本发明申请中所描述的那样)，这是因为传感器必须相对于转动轴线居中地安设。

在WO2009088767A2(阿莱格罗微系统(AllegroMicroSystems)公司，2009年7月16日)中描述了两种实施方式。在第一种实施方式中(图1至图47，权利要求1至12)描述了一种结构，该结构借助于两个或者四个布置在磁场源下面的霍尔传感器通过测量轴向磁场来确定绝对角度位置。信号评估类似地进行。在该实施方式中也描述了用于校正相位偏移的模拟方法，其中，该相位偏移必须为

在WO2009088767A的第二种实施方式(图48至图55，权利要求13至19)中描述了一种结构，在该结构中将传感器安设在磁场源的周边上，并且测量径向磁场。然而，为此需要三个或者四个霍尔传感器。

在本发明申请中描述的方法针对这种测量方式仅使用两个霍尔传感器。

在WO200004339A1(UniqueMobility公司，2000年1月27日)中描述了一种结构，在该结构中两个霍尔传感器通过如下方式安设在磁场源的周边上，即，它们采集切向磁场。此外，传感器通过如下方式布置，即，使得所测到的信号具有固定的相位偏移90°。

在此缺点是，相位偏移可能在安装霍尔传感器时由于位置误差而发生改变。这种错误不能得到补偿。此外，这种结构要求在分开的壳体中存在两个线性霍尔传感器。

在WO2008/077861(ZF转向系统(ZFLenksysteme)公司，2008年7月3日)中描述了一种结构，在该结构中两个霍尔传感器通过如下方式安设在两极磁化的磁场源的周边上，即，它们采集径向磁场。传感器通过如下方式布置，即，使得所测量的信号具有固定的相位偏移90°。

在此缺点是，相位偏移可能在安装霍尔传感器时由于位置误差而发生改变。这种错误不能得到补偿。此外，这种结构要求在分开的壳体中存在两个线性霍尔传感器。

为了实现90°的相位偏移，传感器必须精确地与磁场源相距四分之一转地定位，这带来相对较大的空间需求。

在US20080290859(Timken公司，2008年11月27日)中描述了一种结构，在该结构中线性运动的物体或者能转动的物体的绝对位置可以借助于多极磁铁来确定。为此，通过如下方式将一组成列的多个霍尔传感器联接起来，即，由此形成正弦信号和余弦信号。由相对于传感器组长度的不同极长度引起的信号相位差别可以借助于增益调节来补偿。

在这种方法中缺点是，只能在多极磁场源的极对内部测定绝对位置。利用这种方法，不能在整个旋转360°上实现直接的绝对位置确定。

在US20100194385(移动磁铁技术(MovingMagnetTechnologies)公司，2010年8月5日)中，在磁场源的周边上通过传感器既采集径向磁场又采集垂直磁场来确定绝对位置。然后，由这两个自然彼此相移了90°的信号来计算绝对角度位置。

由于既测量径向磁场又测量切向磁场，需要特定的传感器类型(具有铁磁场集中器的横向霍尔传感器，参见迈来芯(Melexis)公司，商标)。传感器由对两个轴(x轴和y轴，分别是径向磁场和切向磁场)内的磁场的灵敏度而定地易受外部干扰磁场的干扰。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于确定能运动的元件的绝对位置的方法，该方法安全可靠。

此外，本发明的任务在于，提供一种用于实施根据本发明的方法的装置。

根据本发明，该任务通过如下方法实现，即，一种用于确定能相对于两个磁感传感器转动的元件的绝对位置的方法，在所述元件上固定有磁场源，所述磁场源的磁场特性借助于所述磁感传感器通过如下方式来测定，即，第一传感器信号利用第一磁感传感器来测量，而第二传感器信号利用第二磁感传感器来测量，其中，所述第一传感器信号和所述第二传感器信号代表了磁场的分量，并且所述传感器信号具有处于或者范围内的相位偏移其特征在于，

-幅值比通过能预先给定的信号振幅除以各自的传感器信号的最大值和最小值的差值来确定；

-关于所述传感器信号的各自的零点的偏置值由所述传感器信号的最小值和最大值来确定；

-借助于从所述传感器信号中减去所述偏置值并且通过利用所述幅值比进行标准化来计算标准化的传感器信号，其中，最小值和最大值的确定通过所述元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上在同时采集两个传感器的传感器信号的情况下进行；

-由所述标准化的传感器信号形成和信号和差信号；

-所述和信号和所述差信号又在确定所述幅值比之后进行标准化，其中，最小值和最大值的确定通过所述元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上在同时测量所述和信号以及所述差信号并且评估所述和信号和所述差信号的最小值和最大值的情况下进行；以及

-借助于标准化的和信号和标准化的差信号来计算所述磁场源的绝对位置。

根据本发明，该任务还通过如下装置来实现，即，一种用于以无接触的方式采集能转动的元件的绝对位置的装置，所述能转动的元件具有固定在能运动的元件上的磁场源，其特征在于，

两个处于一个平面内的、沿着运动方向在空间上错开的磁感传感器与所述磁场源相距开地布置，其中，通过如下方式来选择所述传感器之间的间距，即，使得传感器信号所产生的相位偏移不是180°和360°。

本发明涉及一种用于确定能相对于两个磁感传感器运动的元件的绝对位置的方法，在该能运动的元件上固定有磁场源，其磁场特性借助于磁感传感器通过如下方式来测定，即，第一传感器信号利用第一磁感传感器来测量，而第二传感器信号利用第二磁感传感器来测量，其中，第一传感器信号和第二传感器信号代表了磁场的分量，并且传感器信号具有处于或者范围内的相位偏移其中，设置如下，

-幅值比通过能预先给定的信号振幅(Signalhubs)除以各自的传感器信号的最大值和最小值的差值来确定；

-关于传感器信号的各自的零点的偏置值由传感器信号的最小值和最大值来确定；

-借助于从传感器信号中减去偏置值并且通过利用幅值比进行标准化来计算标准化的传感器信号，其中，最小值和最大值的确定通过元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上在同时采集两个传感器的传感器信号的情况下进行；

-由标准化的传感器信号形成和信号和差信号；

-和信号和差信号又在确定幅值比之后进行标准化，其中，最小值和最大值的确定通过元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上在同时测量和信号以及差信号并且评估和信号和差信号的最小值和最大值的情况下进行；以及

-借助于标准化的和信号和标准化的差信号来计算磁场源的绝对位置。

在该方法的实施方式中设置，磁场的分量是径向分量或者垂直分量。

在该方法的实施方式中设置，能运动的元件以能转动的方式受支承或者平移地受支承。

在该方法的实施方式中设置，磁场源的绝对转动位置通过形成标准化的和信号和标准化的差信号的比例关系的反正切来计算。

在该方法的实施方式中设置，磁场源的绝对转动位置借助于坐标变换的算法来计算，优选利用CORDIC算法来计算。

在该方法的实施方式中设置，传感器信号大于噪声。

此外，本发明涉及一种用于以无接触的方式采集能相对运动的元件的装置，该能相对运动的元件具有固定在能运动的元件上的磁场源，其中，两个处于一个平面内的、沿着运动方向在空间上错开的磁感传感器与磁场源相距开地布置，其中，通过如下方式来选择传感器之间的间距，即，使得传感器信号所产生的相位偏移不是180°和360°。

在该装置的实施方式中设置，磁场源具有多极磁化的带有pp极对的盘形磁铁或者环形磁铁，其能实现360度除以极对数量的绝对能测量的转动位置范围。

在该装置的实施方式中设置，磁场源具有两极对置磁化的盘形磁铁。

在该装置的实施方式中设置，能运动的元件实施为以能转动的方式支承的元件或者实施为能平移运动的元件。

在该装置的实施方式中设置，传感器共同地集成在一个传感器芯片上。

在该装置的实施方式中设置，传感器芯片包含模/数转换器，其在输入侧与传感器的输出端相连以及在输出侧与数字计算单元相连。

在该装置的实施方式中设置，数字计算单元具有用于记录偏置和增益的存储器。

下面结合实施例并参考附图对方法和配属的装置进行描述。

附图说明

图1示出一种实施方式。集成在共同的基底6上的霍尔元件1、2的对磁场测量来说敏感的轴线表示为箭头。

图2示出图1中所描述的实施方式的俯视图；

图3至图6示出合适的磁场源的不同实施方式；

图3和图4示出两极对置磁化的盘形磁铁5或者环形磁铁8，利用它们可以在360°上确定绝对转动位置；

图5和图6示出多极磁化的盘形磁铁7或者环形磁铁9；

图7示出信号处理的模拟方框图；

图8示出信号处理的数字方框图；以及

图9至图13示出信号曲线。

在图9和图10中示出方框100中的模拟信号处理路径，和方框200中的数字信号处理路径。

具体实施方式

在如图9的实施例中示出的是，假定：霍尔传感器1、2所测到的信号具有30°的相位差情况(Phasenlage)、已经被预先放大并且由于定位精度的影响以及由于工艺技术公差既带有偏置电压又带有不同的信号水平。

在第一步骤中，减去传感器信号101、102的偏置电压，并且将信号水平补偿到标准化的信号振幅(例如2V_ss)上。标准化的信号水平作为信号107和108来提供并且在图10中示出。

为了计算针对Offset1、Offset2、Gain1和Gain2所需要的调平值，足够的是，测定传感器信号101、102的最小值以及最大值。这可以通过在同时测定传感器信号101、102的最小值和最大值时简单地转动磁场源来实现。

然后，由这些最小值和最大值能够以如下方式计算出调平所需要的值：

$\mathrm{Offset}1=\frac{H{1}_{\max }+H{1}_{\min }}{2}---\left[1\right]$

$\mathrm{Offset}2=\frac{H{2}_{\max }+H{2}_{\min }}{2}---\left[2\right]$

其中，

H1_max、min＝传感器1信号101的最大值、最小值；

H2_max、min＝传感器2信号102的最大值、最小值。

在下一步骤中，由这些标准化信号形成总和109和差值110。在图11中示出这些信号。

和信号相对于差信号的信号振幅比例关系依赖于输入信号101、102的相位差情况但是，和信号相对于差信号的相位差情况总是90°。

一种例外是相位差情况以及的特殊情况，在这种情况下不能确定转动位置，这是因为在时和信号变为0，而在时差信号变为0。

在图13中以图表的形式示出这种关系。X轴示出输入信号101、102的相位关系，而Y轴示出和信号的峰值相对于差信号的峰值的幅值比。

和信号的峰值相对于差信号的峰值的通过如下方式以相位差情况来计算出：

对于

对于

在另一步骤中，将和信号109和差信号110再次标准化到预先给定的值上，例如2V_ss上。

为了计算Gain3和Gain4所需要的调平值，足够的是，测定和信号和差信号的最小值以及最大值。这可以通过在同时测定和信号和差信号的最小值和最大值时在整个周期内简单地转动磁场源5来实现。

于是，由这些最小值和最大值能够以如下方式计算出调平所需要的值：

以标准化的传感器信号107、108相应于纯粹的正弦形状且不再具有偏置电压为出发点，因此同样不会由于形成总和和差值而出现附加的偏置(Offset)。这可以借助于和信号和差信号的最小值和最大值来检验并且在需要时也可以加以校正：

因此，和信号113和差信号114的标准化信号形成两个精确相移90°的信号，其带有相同的信号振幅。这些信号现在被直接用于计算转动位置。

下面利用Vsin来描述标准化和信号113，而利用Vcos来描述标准化差信号114。

Vsin＝Gain3＊[Gain1＊(H1-Offset1)+Gain2＊(H2-Offset2)][11]

Vcos＝Gain4＊[Gain1＊(H1-Offset1)-Gain2＊(H2-offset2)][12]

其中，

H1＝霍尔传感器1的传感器信号101；

H2＝霍尔传感器2的传感器信号102；

Offset1＝霍尔传感器1的偏置信号103；

Offset2＝霍尔传感器2的偏置信号104；

Gain1＝传感器信号H1的增益105；

Gain2＝传感器信号H2的增益106；

Gain3＝和信号的增益111；

Gain4＝差信号的增益112。

从输入信号Vsin113和Vcos114出发，可以借助于反正切函数来测定磁场源的绝对转动位置W202：

$W=\arctan \frac{V\sin }{V\cos }---\left[13\right]$

或者借助于坐标变换的其他合适的工具例如像数字CORDIC算法来测定。

坐标变换的量值B203对于所有的转动位置来说都是恒定的并且是：

图12示出标准化和信号113＝Vsin，以及标准化差信号114＝Vcos。

此外，在第二坐标轴上以+/-180°的标度示出由Vsin和Vcos计算出的绝对转动位置202。

在很多应用中可能具有意义的是，使所计算出的转动位置与能转动的元件4的限定的机械位置一致，例如转动调节器的零位置。为了使这一点变得容易，可以通过减去零参考值204而将任意转动位置置于零。

此外，能够可选地通过线性化电路205来提高所示转动位置实现的精度。线性化的常见形式是表格或者数学校正函数，其尝试将所计算出的转动位置补偿到由使用者限定的参考点上。

下面可以通过转换成模拟信号形式207或者数字信号形式208将所计算出并且线性化的转动位置W_L提供给使用者。

在具有优点的实施方式中(如图8中所示)，可以在数字路径上实施信号处理。由霍尔传感器1、2产生的信号101、102直接借助于模/数转换器201/1被变换成数字信号形式，并且在图7中方框100所描述的信号处理步骤在数字计算单元中实施。为此针对增益、偏置、零点和线性化所需要的参数可以储存在数字存储器中。

如果要对磁场的垂直分量进行评估，那么将霍尔传感器布置在磁场源的下面。

利用本发明，可以测定能转动体的绝对角度位置，其中，两个霍尔传感器集成在共同的基底上并且在磁场源周边测量和评估安装在能转动体上的磁场源的径向磁场或者垂直磁场。霍尔传感器的信号可以具有在很宽的范围内的任意相位偏移和信号振幅。在使用两极磁场源的情况下，可以在整个旋转360°上测量直接的绝对角度位置。在使用多极磁场源的情况下，可以在极对内部测量直接的绝对角度位置。因此，可以在整个旋转360°上直接确定绝对位置。

此外，这种结构允许很宽的公差范围用于相对于磁场源调整传感器，这是因为两个霍尔传感器由于安装误差产生的信号变化在相位偏移、偏置和信号振幅方面通过参考运行(Referenzfahrt)来测定并且得以校正。为此，使磁场源在待测量的角度范围上运动，并且在此测量相关信号点，如最大值和最小值。由这些信号点来计算校正参数，该校正参数允许从两个带有幅值偏移、偏置偏移和相位偏移的传感器信号中来计算两个精确相移90°的信号，其带有相同的信号水平且不带有偏置。紧接着，将这两个信号转换成数字信号形式并且在数字路径上计算能转动体的绝对转动位置。通过借助于形成总和和差值来评估信号的方式，尤其在极的区域内、在90°或者270°左右的角度位置的区域中实现相对于外磁场的显著的抗干扰性。

本发明的优点是其在以无接触的方式确定运动体的绝对转动角度位置时的适用性，特别是由于其稳定性和耐用性适用于汽车工业中的传感器、工业自动化中的传感器、医疗技术仪器和消费品工业。

本发明可以实现的是，既将传感器又将评估电路集成在一个基底上并且利用半导体工业的标准工艺方法低成本地也就是在尽可能小的面上来制造。

因为在本发明的具有优点的构造方式中借助于两个霍尔传感器仅采集径向磁场并进行评估，因此仅在一个轴线上测量该磁场，所以这种结构不会受到外部干扰磁场的干扰。对这种干扰抑制的进一步改善通过微分评估这两个传感器信号来实现。由此，尤其在极的区域内、在90°或者270°左右的角度位置的区域中实现相对于外磁场的显著的抗干扰性。此外，本发明的优点还在于，可以在或者的范围内实现相位偏移的校正。

此外，本发明的优点还在于，能够将两个霍尔传感器集成在一个壳体中。

借助于示例和附图对本发明进行了详细阐述，其中，这些图示不应该限制本发明。不言而喻的是，本领域技术人员可以做出改动和变形，而不会离开下面的权利要求的范围。尤其是，本发明包括具有在这里所描述的不同实施方式的特征的任意组合的实施方式。

附图标记列表

1第一磁感传感器

2第二磁感传感器

4能转动的元件

5磁场源

7多极磁化的盘形磁铁

8两极对置磁化的环形磁铁

9多极磁化的环形磁铁

10平移地受支承的元件

101第一传感器信号

102第二传感器信号

103第一偏置

104第二偏置

105第一增益

106第二增益

107第一标准化传感器信号

108第二标准化传感器信号

109和信号

110差信号

113标准化和信号

114标准化差信号

202绝对转动位置

203坐标变换的量值B

207模拟信号形状

208数字信号形状

100模拟信号处理模块

200数字信号处理模块

Claims (14)

1.一种用于确定能相对于两个磁感传感器转动的元件的绝对位置的方法，在所述元件上固定有磁场源，所述磁场源的磁场特性借助于所述磁感传感器通过如下方式来测定，即，第一传感器信号(101)利用第一磁感传感器来测量，而第二传感器信号(102)利用第二磁感传感器来测量，其中，所述第一传感器信号(101)和所述第二传感器信号(102)代表了磁场的分量，并且所述传感器信号(101、102)具有处于或者范围内的相位偏移其特征在于，

-幅值比通过能预先给定的信号振幅除以各自的传感器信号(101、102)的最大值和最小值的差值来确定；

-关于所述传感器信号(101、102)的各自的零点的偏置值(103、104)由所述传感器信号(101、102)的最小值和最大值来确定；

-借助于从所述传感器信号(101、102)中减去所述偏置值并且通过利用所述幅值比进行标准化来计算标准化的传感器信号(107、108)，其中，最小值和最大值的确定通过所述元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上在同时采集两个传感器(1、2)的传感器信号(101、102)的情况下进行；

-由所述标准化的传感器信号(107、108)形成和信号(109)和差信号(110)；

-所述和信号(109)和所述差信号(110)又在确定所述幅值比之后进行标准化(113、114)，其中，最小值和最大值的确定通过所述元件及其上固定的磁场源的相对运动在整个运动行程上在同时测量所述和信号(109)以及所述差信号(110)并且评估所述和信号(109)和所述差信号(110)的最小值和最大值的情况下进行；以及

-借助于标准化的和信号(113)和标准化的差信号(114)来计算所述磁场源的绝对位置(202)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁场的分量是径向分量或者轴向分量。

3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，所述磁场源的绝对转动位置(202)通过形成所述标准化的和信号(113)和所述标准化的差信号(114)的比例关系的反正切来计算。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述磁场源的绝对转动位置(202)借助于坐标变换的算法来计算。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述传感器信号(1、2)大于噪声。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述磁场源的绝对转动位置(202)利用CORDIC算法来计算。

7.一种用于以无接触的方式采集能转动的元件的绝对位置的装置，所述能转动的元件具有固定在能运动的元件(4)上的磁场源，其特征在于，

两个处于一个平面内的、沿着运动方向在空间上错开的磁感传感器(1、2)与所述磁场源(5)相距开地布置，其中，通过如下方式来选择所述传感器(1、2)之间的间距，即，使得传感器信号所产生的相位偏移不是180°和360°。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述磁感传感器构造为霍尔传感器。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述磁感传感器通过如下方式来配置，即，所述磁感传感器采集磁场的径向分量或者轴向分量。

10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述磁场源具有多极磁化的带有数量pp个极对的盘形磁铁(7)或者环形磁铁(9)，其能实现360度除以极对数量的绝对能测量的转动位置范围。

11.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述磁场源具有两极对置磁化的盘形磁铁。

12.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述传感器(1、2)共同地集成在一个传感器芯片上。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述传感器芯片包含模/数转换器，所述模/数转换器在输入侧与所述传感器(1、2)的输出端相连以及在输出侧与数字计算单元相连。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述数字计算单元具有用于记录偏置(103、104)和增益(105、106、111、112)的存储器。