CN104048594B

CN104048594B - 磁角度位置传感器

Info

Publication number: CN104048594B
Application number: CN201410155748.9A
Authority: CN
Inventors: A·F·茨威泽; K·E·范奥斯特兰德
Original assignee: Sensata Technologies Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2018-06-12
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: EP2778621B1; US9372064B2; JP2014178316A; KR20140113411A; JP6170854B2; EP2778621A3; CN104048594A; EP2778621A2; US20140266158A1; EP2778621A8

Abstract

公开了磁角度位置传感器。在具体实施例中，是一种可以用于基于，例如，磁体的磁角度来测量与多个磁体相关联的多个位置的方法。该方法可以包括多个操作，这些操作包括，例如，测量与多个磁体相关联的磁场分量。此外，所述操作包括基于所测量的磁场分量确定第一角度和第二角度。已确定的第一和第二角度可以用于确定多个磁体中第一磁体的位置和多个磁体中第二磁体的位置。

Description

磁角度位置传感器

相关申请

本申请要求申请号为No.61/781,706，发明名称为“磁角度定位传感器”，申请日为2013年03月14日的美国临时专利申请的利益和优先权，其内容被作为参考引入，相当于其全部内容在此阐明。

技术领域

本公开提供用于感测多个磁体的位置的方法和装置。具体而言，本公开提供了用于基于磁体的磁角度来感测多个磁体的位置的方法和装置。

背景技术

一些位置传感器可以通过永磁线性无触点位移(PLCD)或线性可变差动变压器(LVDT)技术来测量位置。不利的是，与这类传感器相关联的封装和电子器件可能是复杂的。因此，需要克服这些缺点的新型传感器。

发明内容

本文所描述的技术可以基于，例如，由磁体感应的磁场角来测量与一个或多个磁体相关联的多个位置。在具体实施例中，磁角度位置传感器可以包括测量因磁体运动而感应的三维(3D)场的电路。该电路可以结合在单片集成电路(IC)中。在一个实施例中，该电路可以结合，例如，霍尔效应技术来测量3D磁场

附图说明

包含在说明书中并作为说明书一部分的附图，阐述了本文所描述的一个或多个具体实施例，并与说明书一起解释这些具体实施例，在图中：

附图1示出了具有两个磁体和一个传感器的磁角度位置传感器的例子；

附图2A-B示出了两个磁体的角度和位置之间的关联的示例图；

附图2C展示了可能与两磁体间串扰相关的误差的示例图；

附图2D示出了与磁体相关联的通量密度的示例图；

附图3示出了用于确定第一磁体和第二磁体位置的示例性操作的流程图；

附图4示出了在磁角度位置传感器中使用的磁体的例子；

附图5A-C示出了与圆形(圆柱形的)磁体和锥形(圆锥形的)磁体相关联的各种参数的示例性结果构成的各种图；

附图6示出了实施本文所述的一种或多种技术的设备的例子。

具体实施方式

参照附图进行以下的详细描述。不同附图中的相同的附图标记表示相同或相似的组件。并且，以下的详细描述并不限定本发明。

本文所描述的技术可以基于，例如，由磁体感应的磁场角来测量与一个或多个磁体相关联的多个位置。在具体实施例中，磁角度位置传感器可以包括测量因磁体运动而感应的三维(3D)场的电路。该电路可以包括在单片集成电路(IC)中。该电路可以结合，例如，霍尔效应技术来测量该3D磁场。

特别地，该电路可以测量与磁体相关联的磁场的磁通量密度。该磁通量密度可以，例如，与该电路正交或平行。该电路应该对与磁体相关联的磁场的各个磁场分量都是敏感的。这些磁场分量可以包括，例如，“Bx”、“By”和/或“Bz”分量，此处，“B”表示磁场强度，“x”、“y”、“z”表示磁场方向。

附图1示出了具有第一磁体122、第二磁体120和传感设备130的磁角度位置传感器100的例子。该磁角度位置传感器100可以用于参考例如传感设备130的位置来测量磁体120、122的位置。

应注意到，磁角度位置传感器100是可以结合本文所描述的一种或多种技术来确定磁元件比如，举例来讲，磁体的位置的设备的例子。但是，应注意到，其它设备可以结合本文所描述的一种或多种技术来确定磁元件的位置。比如，包含多于两个磁体和两个或更多传感设备的设备可以实施本文所描述的一种或多种技术来确定该设备中所包含的一个或多个磁体的位置。

现在参照附图1，第一磁体122可以是环形的，但是，如将在下面进一步解释的那样，也可以采用其它形状。该第一磁体122可以包括用于保护第一磁体122的覆层。第一磁体122由磁性材料组成。合适的磁性材料可以包括，例如，铁合金比如铝、镍、钴(AlNiCo)；钕、铁氧体或钐钴。应该注意也可以用其它合适的磁性材料。

第二磁体120也可以是环形的，但是，其它形状例如，举例来说，下面所描述的形状也可以被使用。第二磁体120也包含用于保护第二磁体120的覆层。此外，第二磁体120也可以由合适的磁性材料组成，举例来说，如上文所描述的。

传感设备130可以是能够确定与磁体120和122相关联的磁场分量”Bx”、“By”和“Bz”的3D霍尔效应传感器。传感设备130可以包括，例如，用于确定”Bx”、“By”和“Bz”分量的电子线路。

传感设备130可以被包含在集成电路(IC)内。可以用于实施传感设备130的传感设备的例子可以包括系列传感IC，能够从Melexis，Microelectronics IntegratedSystems，Ypres，Belgium取得。可以使用的系列传感IC的例子是MelexisMLX90365传感IC。

第一磁体122被放置和/或被设计，以便它影响由传感设备130所确定(例如，测量)的“Bx”分量，但并不影响由传感设备130所确定的“By”分量。第二磁体120被放置和/或被设计，以便它影响由传感设备130所确定的“By”分量，但并不影响由传感设备130所确定的“Bx”分量。

举例来说，在正交点处(例如，90°点处，但是角度与90°有所不同)，传感设备130测量的“By”分量受第二磁体120影响，但不受第一磁体122所影响。仍然是在正交点处，传感设备130测量的“Bx”分量受第一磁体122影响，但不受第二磁体120所影响。

可以由传感设备130来确定的“Bz”分量的读数，可以用于，例如，补偿与磁角度位置传感器100的操作相关联的温度和/或漂移效应。“Bz”分量可以垂直于，例如，“Bx”和“By”分量。“Bz”受第一磁体122和第二磁体120两者的影响。例如，第一磁体122的位置和第二磁体120的位置可以影响“Bz”。

使用”Bx”、“By”和“Bz”可以确定角度“xz”和角度“yz”。例如，角度“xz”可以使用公式：角度“xz”＝arctan(Bx/Bz)来确定。角度“yz”可以例如，使用公式：角度“yz”＝arctan(By/Bz)来确定。如下面将进一步描述的，角度“xz”可以用于确定磁体122的位置，角度“yz”可以用于确定磁体120的位置。

应注意到，磁体120的位置和磁体122的位置受各种因素的影响。这些因素包括，例如，磁体120、122的形状；磁体120、122和传感设备130之间的距离；磁体120，122之间的距离；还有传感设备130相对于磁体120、122的角度。

磁角度位置传感器100可以在各种设备中实施。可以实施磁角度位置传感器的设备的例子是例如，举例来讲，磁角度位置传感器100可以包括双离合器式自动变速器(DCT)。应该注意，其它设备也可以实施本文所描述的结合一种或多种技术的磁角度位置传感器。下面参照附图6，对实施磁角度位置传感器100的设备600的例子做进一步的详细描述。

附图2A示出了角度“xz”与磁体120和122位置之间关联的示意图。参见附图2A，第一磁体122的位置可以由变量“z1”确定，第二磁体120的位置由变量“z2”确定。

附图2B示出了角度“yz”与磁体120和122位置之间关系的示意图。参见附图2B，第一磁体122的位置由变量“z1”确定，第二磁体120的位置由变量“z2”确定。

结合两个附图2A与2B，可以通过已知角度“xz”和角度“yz”来确定两个已知位置“z1”与“z2”。

附图2C是呈现误差的示意图，该误差与两个磁体比如，举例而言，第一磁体122和第二磁体120，之间的串扰相关联。参见附图2B，假定角度“yz”与第二磁体的位置“z2”相关联。例如，当“Bz”等于0或是第一磁体的位置“z1”的常数函数时，应该不存在串扰。

现在假定角度“yz”与第二磁体的位置“z2”相关联，并且当“z1”等于0时校准角度“yz”。例如，可以通过计算“z1”不等于0时的角度“yz”曲线和“z1”等于0时的角度“yz”曲线之间的差来确定串扰。当“z2”在整个行程上移动时，该差可以被，例如，与“z1”等于0相关联的角度内的总变化值相除，得到一个百分比满量程(FS)误差。

如附图2C中的示例图所示出的，串扰可以上升至，例如，4.7％FS。然而，使串扰尽可能低是期望的。例如，可以根据确定角度“xz”和角度“yz”并基于所确定的角度来求解未知的位置“z1”和“z2”来校正非零串扰。

附图2D示出了与第一磁体122相关联的通量密度的示例图。参见附图2D，在示例图中，举例来说，示出了不存在第二磁体120时第一磁体122的通量密度。并且，在图中“By”可以是0，这可以从图中对称点来解释。另外，在该示例图中，“Bz”可以几乎保持常量，这可以将串扰值限制在4.7％FS。假如“Bz”能保持常量，那么，串扰可以为，举例来讲，0％FS，但这只是一个理想的目标。

附图3示出了可以用于分别确定第一磁体和第二磁体，例如，举例来讲，第一磁体122和第二磁体120的位置的示例性方法的流程图。第一磁体和第二磁体可以是磁角度位置传感器，例如，举例而言，磁角度位置传感器100，的一部分。磁角度位置传感器还可以包括传感设备，例如，举例而言，传感设备130。

参见附图3，在方框310处，进行磁场分量”Bx”、“By”和“Bz”的测量。可以使用传感设备，例如，举例而言，传感设备130来测量磁场分量”Bx”、“By”和“Bz”。

磁场分量“By”受第二磁体的影响。例如，在正交点处，磁场分量“By”可以受第二磁体的影响，而不受第一磁体的影响。磁场分量“By”可以使用传感设备来测量。

磁场分量“Bx”受第一磁体的影响。例如，在正交点处，磁场分量“Bx”可以受第一磁体的影响，而不受第二磁体的影响。磁场分量“Bx”可以使用传感设备来测量。

在方框312处，可以确定角度“xz”和角度“yz”。可以基于测量的”Bx”、“By”和“Bz”磁分量来确定角度“xz”和角度“yz”。

例如，角度“xz”可以基于公式：角度“xz”＝arctan(Bx/Bz)来确定，其中“Bx”和“Bz”分别是方框310处所测量的磁分量“Bx”和“Bz”。此外，例如，角度“yz”可以基于公式：角度“yz”＝arctan(By/Bz)来确定，其中“By”和“Bz”分别是方框310处所测量的磁分量“By”和“Bz”。

在方框314处，基于方框312处所确定的角度“xz”和角度“yz”来确定第一磁体的位置(“z1”)和第二磁体的位置(“z2”)。

在采用例如两个磁体的磁角度位置传感器中，这两个磁体可以在相同的方向被极化。因而，这两个磁体可以对磁场分量“Bz”均有贡献。当使用两个磁体而非一个磁体时，这意味着合成的残留通量密度场“Br”要更高一些。更高的场能够使较小的磁体被使用。

附图4是可以在磁角度位置传感器100中使用的磁体410，450的例子。参见附图4，磁体410可以是圆柱形的。箭头416表示磁体410的高度，箭头418可以表示磁体410的长度。磁体410的示例性体积是485立方毫米(mm)³。

箭头414表示传感设备130和磁体410间的间距。该间距可以使得磁体410产生磁场密度，该密度能够由传感设备130测量。

例如，合成场“Br”可以使用以下公式来确定：“Br”＝sqrt(By²+Bz²)，此处”sqrt”表示开平方根。如果传感设备130要求200高斯(Gauss)的最小合成场“Br”，由箭头414表示的间距可以是，使得例如磁体410行程的末端至少满足这一要求。实际上，鉴于磁体410的设计，磁体410事实上不只为传感设备130提供了一个必需的“Br”，因而，在某种程度上可以认为它被过度设计了。

磁体450是在磁角度位置传感器，例如，磁角度位置传感器100中使用的另外一个磁体的例子。磁体450可以是锥形的。可以使用箭头458表示磁体450的长度。磁体450的示例性体积可以是335mm³。

箭头454可以表示传感设备130和磁体450之间的间距。箭头454表示的间距可以是，使得例如，磁体450行程的末端至少要符合“Br”的最小值要求。

磁体450可以具有由箭头452表示的第一宽度，和由箭头456表示的第二宽度。第一宽度可以是与磁体450相关联的最大宽度，并可以基本上朝磁体450的中心定位。第二宽度则可以基本上朝磁体450的一个或多个端(ends)定位。磁体450可以从第一宽度向第二宽度逐渐变细。

与磁体410相比，制作磁体450可以需要更少的材料，因此，与磁体410相比，制作磁体450可以更便宜。除此之外，与磁体450相关联的“Br”能够更加接近传感器设备130所要求的“Br”最小值，因而，磁体450不像磁体410那祥被认为是过度设计。

附图5A-C是各种示意图，其示出了与圆(圆柱形)磁体和锥(锥形)磁体相关联的各种参数的示例性结果。点520a-f示出与锥形磁体相关联的结果的例子，点530a-f示出与圆形磁体相关联的结果的例子。从附图5A-C中所示的点中可以看到，锥磁体和圆磁体的示意性结果易于证明，当在例如磁角度位置传感器中使用时，锥磁体的性能要优于圆磁体。

磁体到磁体的典型距离要小于，例如，40mm。在这种情况下，可以使用一个传感设备130来测量角度“xz”和角度“yz”。通过使用角度“yz”来减少磁体120对角度“xz”所造成的磁影响/串扰。通过使用角度“xz”来减少磁体122对角度“yz”所造成的磁影响/串扰。

然而，当磁体到磁体的距离变大时(比如，40mm至100mm)，仍可使用相似的方法。在这种情况下，使用两个传感设备而非一个传感设备。这时，将确定两种技术，其中，在第一个传感设备中，测量Angle_xz_1和Angle_yz_1，在第二个传感设备中，测量Angle_xz_2和Angle_yz_2。

第一种技术可以包括主要受第一个磁体影响的Angle_xz_1。第二磁体对角度Angle_xz_1的磁影响/串扰可以利用Angle_yz_1消除。Angle_xz_2，例如，主要是受第二磁体的影响。第一磁体对角度Angle_xz_2的磁影响/串扰例如可以利用Angle_yz_2消除。

第二种技术可以包括主要受第一个磁体影响的Angle_xz_1。第二磁体对角度Angle_xz_1的磁影响/串扰可以利用Angle_xz_2消除。Angle_xz_2主要是受第二磁体的影响。第一磁体对角度Angle_xz_2的磁影响/串扰例如可以利用Angle_xz_1消除。

附图6示出了实施本文所描述的一种或多种技术的设备600的例子。参见附图6，设备600可以包括磁角度位置传感器100和计算设备620。磁角度位置传感器100的示例实施方式如上文所述。

计算设备620包括处理逻辑622和存储器624。处理逻辑622可以包括，例如，用于解释、执行、和/或其他处理信息的逻辑。该信息可以包括存储在，例如存储器624中的信息。

处理逻辑622可以包括各种不同种类的硬件。该硬件可以包括，例如，下述器件的某些组合：一个或多个处理器、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)，专用指令集处理器(ASIP)、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、图形处理单元(GPU)和/或其它类型的、可以例如解释、执行、复制、和/或其他处理信息的处理逻辑。处理逻辑622可以包括单核或多核。用于执行处理逻辑622的处理器的例子可以包括，但不限于， Atom^TM牌的处理器，其可以从Intel Corporation，Santa Clara，California取得。

存储器624可以为计算设备620提供存储器。该存储器可以是有形的、非临时性存储器，用于存储信息，这些信息比如，举例来讲，可以是被处理逻辑622使用的计算机可执行指令和/或数据。该信息可以包括，举例来讲，计算机可执行指令，当处理逻辑运行该指令时，可以执行本文所描述的一种或多种技术。例如，该信息可以包括计算机可执行指令，当该指令由处理逻辑622执行时，则可以执行关于附图3所描述的一种或多种操作。

存储器624可以包括存储该信息的一个或多个存储器设备。存储器设备可以支持，例如，串行或随机访问存储于存储器设备上的信息。支持串行访问存储于存储器设备上的信息的存储器设备可以称为串行存储器设备。支持随机访问存储于存储器设备上的信息的存储器设备可以称为随机访问存储(RAM)设备。

存储器设备可以是，例如，易失性存储器设备或非易失性存储器设备。易失性存储器设备是这样一个存储器设备，当存储器设备断电之后，该设备上所存储的信息就会丢失。非失性存储器设备则是这样一个存储器设备，当存储器设备断电之后，该设备上所存储的信息仍然被保存。

用于存储器624中的存储器设备的例子包括，但不限于，动态RAM(DRAM)设备、闪存设备、静态RAM(SRAM)设备、零电容RAM(ZRAM)设备、双晶体管RAM(TTRAM)设备、只读存储(ROM)设备、铁电晶体管RAM(FeTRAM)设备、磁阻RAM(MRAM)设备、相变存储(PCM)设备、PCM和开关(PCMS)设备、基于纳米线的设备、电阻型RAM(RRAM)存储器设备和电可擦可编程ROM(EEPROM)设备。

针对具体实施方式的前述描述意在提供阐述和说明所公开的内容，并不意味着穷尽或将本发明限定到一个精确的形式。在上述教导的指引下，可以做出修改和变形，或者可以从本发明的实际操作中获取修改和变形。比如，如上述参考附图3所示的一系列操作，在其他实施例中可以改变操作的顺序。更进一步地，可以以并行方式实施非依赖性操作。

对本发明而言，除非被明确地描述应该这样，本文所使用的元件，操作或指令不能被认为是严格的或必需的。并且，本文使用的，冠词“a”意味着包括一个或多个。当意思是只有一个时，使用术语“一个”或相似的语言。进一步地，短语“基于”意思是指“至少部分地基于”，除非另有详细声明。

应理解到，本发明并不被限制于上述所公开的特定具体实施例中，而是本发明包括落入以下所附权利要求范围内的任何和所有特定实施例和变形。

Claims

1.一种测量方法，其特征在于包括：

测量与包含在磁角度位置传感器中的多个磁体相关联的多个磁场分量，所述多个磁场分量包括：

x磁场方向中的多个磁体的磁场的强度Bx；

y磁场方向中的多个磁体的磁场的强度By；及

z磁场方向中的多个磁体的磁场的强度Bz，其中所述x磁场方向、y磁场方向和z磁场方向是相对于以下点而言的：Bx、By和Bz从该点进行测量；

基于所测量的磁场分量确定第一角度，所述第一角度表示与所述多个磁体中的第一磁体相关联的角度位置；

基于所测量的磁场分量确定第二角度，所述第二角度表示与所述多个磁体中的第二磁体相关联的角度位置；

基于确定的第一角度和确定的第二角度确定所述第一磁体的位置；

基于确定的第一角度和确定的第二角度确定所述第二磁体的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中使用传感设备来测量所述磁场分量。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述传感设备是三维(3D)霍尔效应传感器。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一磁体的所确定的位置包括所述第一磁体相对于所述x磁场方向、y磁场方向和z磁场方向的位置。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二磁体的所确定的位置包括所述第二磁体相对于所述x磁场方向、y磁场方向和z磁场方向的位置。

6.一种测量设备，其特征在于包括：

多个磁体；

用于测量与所述多个磁体相关联的多个磁场分量的传感器，所述多个磁场分量包括：

x磁场方向中的多个磁体的磁场的强度Bx；

y磁场方向中的多个磁体的磁场的强度By；及

z磁场方向中的多个磁体的磁场的强度Bz，其中所述x磁场方向、y磁场方向和z磁场方向是相对于以下点而言的：Bx、By和Bz从该点进行测量；和

处理逻辑，用于：

基于所测量的磁场分量确定第二角度，所述第二角度表示与多个磁体中的第二磁体相关联的角度位置；

7.如权利要求6所述的设备，其中使用传感设备测量所述磁场分量。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述传感设备是三维(3D)霍尔效应传感器。

9.一种测量设备，其特征在于包括：

用于测量与包含在磁角度位置传感器中的多个磁体相关联的多个磁场分量的装置，所述多个磁场分量包括：

x磁场方向中的多个磁体的磁场的强度Bx；

y磁场方向中的多个磁体的磁场的强度By；及

用于基于所测量的磁场分量确定第一角度的装置，所述第一角度表示与所述多个磁体中的第一磁体相关联的角度位置；

用于基于所测量的磁场分量确定第二角度的装置，所述第二角度表示与所述多个磁体中的第二磁体相关联的角度位置；

用于基于确定的第一角度和确定的第二角度确定所述第一磁体的位置的装置；

用于基于确定的第一角度和确定的第二角度确定所述第二磁体的位置的装置。

10.如权利要求9所述的设备，其中，使用传感设备测量所述磁场分量。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述传感设备是三维(3D)霍尔效应传感器。

12.如权利要求9所述的设备，其中所述第一磁体的所确定的位置包括所述第一磁体相对于所述x磁场方向、y磁场方向和z磁场方向的位置。

13.如权利要求9所述的设备，其中所述第二磁体的所确定的位置包括所述第二磁体相对于所述x磁场方向、y磁场方向和z磁场方向的位置。