CN105258633A - 用于非接触式角度测量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

说明了用于非接触式测量旋转角度15的设备10。具有多个极的永磁体60安装在轴的前面，其中极的数量总计为四个或更多，并且不能被三整除。在永磁体60下方的平面中，至少三个第一横向霍尔传感器40a-c位于圆形路径50中。还说明了由横向霍尔传感器40a-40c辅助的用于计算旋转角度15的方法。

Description

用于非接触式角度测量的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于非接触式测量旋转角度的设备和方法。

背景技术

由霍尔效应辅助地非接触式测量旋转角度是已知的。例如，由雷蒙德,S.(Reymond,S.)及其他人在电气与电子工程师协会(IEEE)传感器2007年会议的出版物“纯二维互补金属氧化物半导体(CMOS)集成霍尔传感器”的第860-863页教导了一种用于非接触式旋转角度测量的设备。该设备具有半导体衬底，该半导体衬底中集成了所谓的垂直霍尔传感器形式的64个磁场传感器。此出版物中的这些磁场传感器以相等的间隔设置在置于半导体衬底的芯片平面的圆形的路径上。这些磁场传感器所在的竖直平面围绕假想的中心轴线沿径向设置，该假想的中心轴线延伸通过圆形路径的中心并与芯片平面正交。这些磁场传感器连接至扫描装置，使得独立的磁场传感器的测量信号可顺序地连接至用于旋转扫描信号的微分输出连接器。因此，磁场传感器的值以循环旋转的方式读取。

第EP2149797号欧洲专利(Micronas股份有限公司)公开了一种用于测量角度的设备，该设备中磁场设置在平面中。该设备具有至少两个磁场传感器，该至少两个磁场传感器设置为其测量轴线在平面中和/或平行于平面，并且取向为彼此横切。

梅茨(Metz)及其他人在1997年6月16-19日在芝加哥召开的固态传感器和致动器1997年国际会议的出版物换能器(Transducers)的“在单个芯片上使用四个霍尔装置的非接触式角度测量”中也说明了非接触式旋转角度测量。此出版物示出了四个横向的霍尔传感器，该四个横向的霍尔传感器与另一个霍尔传感器相等间隔地设置在置于半导体衬底的芯片平面中的圆形路径上。具有两个磁极的永磁体接附在旋转轴的端部，并在霍尔传感器中产生磁场。第EP-B0916074号欧洲专利文件中说明了相同的设备。

现有技术设备的共同之处在于，永磁体安装在可旋转元件上，并生成由霍尔传感器所捕获的磁场。这种设备的问题在于霍尔传感器周围的磁干扰场。处理信号的处理器需要进行对从霍尔传感器接收的测量值的补偿，以对这些磁干扰场进行补偿。对于均匀背景场来说，此补偿可以以相对简单的样式实现。对于由相邻导体中的电流所生成的磁场的补偿更为复杂，因为该补偿还必须考虑所生成的磁场的场梯度。

现代汽车具有导致这种磁场的多个载流导体。对旋转角度测量装置附近的这些磁干扰场进行完全的屏蔽是不可能的。

发明内容

本说明书中公开了用于非接触式测量旋转角度的设备，该设备使用用于补偿磁干扰场的新方法。该设备包括具有偶数个极的永磁体和设置在永磁体下方的平面中的至少三个第一横向霍尔传感器。在本发明的一个方面中，永磁体具有多个极，其中所述极的数量总计为四个或更多，并且不能被三整除。该永磁体围绕旋转轴线旋转，其中该旋转轴线的方向延伸通过圆形路径的圆心，并且设置为大致与该平面正交。

由于高信噪比、对来自霍尔传感器的测量信号的简单的数字处理，以及对由磁干扰场导致的不精确性的广泛消除，此设备使得可以精确地测量角度。

在本发明的另一个方面中，至少三个第一横向霍尔传感器大致以相等角度设置在圆形路径中。因此，该设备具有匀称设计，并且便于对从霍尔传感器接收的测量信号的处理。在本发明的又一个方面中，至少两个第二横向霍尔传感器与第一横向霍尔传感器中的两个相对地设置在圆形路径中。通过使用相对的霍尔传感器，现在可以计算磁干扰场的场梯度，并且很大程度上消除场梯度，以改进测量旋转角度的精度。

还公开了用于非接触式测量旋转角度的方法。该方法包括以下步骤：

·用永久磁体生成待测量的旋转角度下方的磁场；

·测量至少三个第一横向霍尔传感器中的信号值；以及

·计算旋转角度。

如果三个第一横向霍尔传感器以相等角度设置，则可以将测量执行三次。随后通过确定所有这三次测量的平均值而对信号值进行计算。

通过考虑诸如均匀背景场和由载流导体导致的场梯度的干扰因素，该方法使得可以精确地测量角度。

附图说明

为了更好地理解本发明，将借助于以下附图解释多个示例性实施例，其中本发明不限于这些示例性实施例，并且一个实施例的方面可以与其他实施例的方面组合。

附图说明如下：

图1设备的整体图；

图2第一横向霍尔传感器的设置方式；

图3三个第一横向霍尔传感器的测量信号；

图4三阶谐波振荡；

图5在四个磁极的情况下三个第一横向霍尔传感器的测量信号；

图6六个横向霍尔传感器的设置方式；

图7五个横向霍尔传感器的设置方式；

图8计算的流程图。

具体实施方式

图1示出了第一方面的设备的整体图。设备10具有接附至轴65的前面63的永磁体60。轴65围绕旋转轴线70旋转，并且设备10可以测量轴65的旋转角度15。

在半导体衬底35上，三个第一横向霍尔传感器40a-40c接附在圆形路径50中。在图2中将这三个第一横向霍尔传感器40a-c与圆形路径50一起表示出来。此圆形路径50置于永磁体60下方的芯片平面30中。轴65的旋转轴线70延伸通过圆形路径50的圆心55，并且设置为大致与芯片平面30正交，因此也与半导体衬底35的表面正交。第一横向霍尔传感器40a-40c经由电线80连接至信号处理器90。信号处理器90可以接收来自霍尔传感器40a-40c的测量值S1、S2、S3，并根据其计算旋转角度15的值。

图1还示出了设备10附近的载流干扰导体75。此干扰导体75导致干扰场B_st，该干扰场B_st具有沿三个方向的梯度：梯度1、梯度2和梯度3。本领域技术人员可以理解，干扰导体75仅为在设备10附近的几个干扰导体的实例。设备10置于由B_off标示的均匀背景磁场中。

图2示出了围绕圆形路径50大致以相等角度设置的三个横向霍尔传感器40a-c的平面图。此图中的永磁体60是双极的，北极N在图的左侧，南极S在图的右侧，但是此设置方式并非对本发明进行限制。永磁体60具有磁测量角度和通量密度B₀。三个横向霍尔传感器40a-c各自生成一个测量信号S1、S2和S3，测量信号S1、S2和S3由于相应的角度平移而发生±2π/3的相移。因此，根据以下算法计算对应的横向霍尔单元中的电压V_S1、V_S2和V_S3。

图3示出了磁角度时的测量信号V_S1、V_S2和V_S3。因此，根据测量信号V_S1、V_S2和V_S3的值这样计算测量角度

在等式中测量值V_S1的权重太高。因此，优选地，根据三个测量值V_S1、V_S2和V_S3中的每个三次计算测量角度之后根据所计算的三个磁角度确定平均值。

均匀背景场B_off是所有三个测量信号V_S1、V_S2、V_S3的平均值，并且如下计算：

$\frac{1}{3}(V_{S1}+V_{S2}+V_{S3})=B_{off}$

在设备的又一个方面中，测量信号的差值V_S12、V_S23和V_S31可以代替测量信号的绝对值V_S1、V_S2和V_S3使用。

V_S12＝V_S1-V_S2

V_S23＝V_S2-V_S3

V_S31＝V_S2-V_S1

这些值V_S12、V_S23和V_S31各自发生±2π/3的相移，以计算测量角度因此，通过这些具有差值的等式而消除了均匀背景场B_off的值。

图1的设备10给出了非常良好的测量值，因为设备10有效地捕获并消除均匀背景场B_off的值。然而，当存在由于干扰导体80导致的场梯度时，仍然存在一些不精确性。

在与旋转轴线或圆心55有一定距离处进行磁场测量会引起测量信号S1、S2和S3中的谐波失真，因为测量信号S1、S2和S3倾向于呈现三角形式。为此原因，在测量信号中存在奇次谐波。最强的谐波是三阶振荡。第一横向霍尔传感器40a-c在圆形路径50中大致相等的角度位移及围绕圆形路径的±2π/3角距很大程度上消除了这些干扰，因为干扰的±2π/3的周期对应于测量信号S1、S2和S4之间的相移，从图4中可以得出。

图4示出了三阶谐波在第一横向霍尔传感器40a-40c中的每个中具有相同的振幅。换句话说，这些三阶谐波仅仅像可以消除的恒定背景信号那样发生。经过处理器90确定传感器信号的差值，抑制了三阶谐波所产生的干扰。

也可以将具有多于四个极的永磁体60和三个第一横向霍尔传感器40a-40c一起使用，只要极的数量不能被3整除即可。换句话说，永磁体60可以具有四个或八个极。理论上可以有更多数量的极，但是由于经济原因，这不是优选的。图5示出了具有四个极的永磁体60在的情况下的测量信号V_S1、V_S2和V_S3。在图5的实施例中，磁场B₀在每次旋转具有两个周期。测量信号VS1、VS2和VS3相应地发生±4π/3的相移。该相移对应于±4π/3的角度位移。因此，与双极永磁体60相比，旋转方向看上去是反转的。当然，测量信号V_S1、V_S2和V_S3在一半的旋转之后重复，这将测量范围限制至0至π。在此方面，由于横向霍尔传感器40a-c中的不规则导致的角度测量中的错误以系数2减小。

使用三个第一横向霍尔传感器40a-c，由于通过第一横向霍尔传感器40a-c的高信噪比而引起角度测量方面的高度精度。图2的设备10较容易校准，并使得可以抑制三阶谐波振荡并消除均匀背景场的影响。

图6中示出了本发明的第二方面。图6的设备示出了圆形路径50及三个第一横向霍尔传感器40a-c以及附加的三个第二横向霍尔传感器45a-c，附加的三个第二横向霍尔传感器45a-c与相应的第一横向霍尔传感器40a-c相对地设置在圆形路径50上。这些第二横向霍尔传感器45a-c使得可以计算干扰导体75的磁干扰场中的场梯度，因为干扰导体75的场在相应的第一横向霍尔传感器40a-c和第二横向霍尔传感器45a-c的相对位置中是相同的。为此原因，在测量磁场时由于不需要的干扰场导致差值。可以探知这些差值并将其从测量信号V_S1、V_S2和V_S3中减除。

对干扰场的场梯度的校正系数可以如下计算。第一横向霍尔传感器40a-c以及第二横向霍尔传感器的位置矢量如下计算：

$\stackrel{\→}{S_1}=(1,0)$

$\stackrel{\→}{S_2}=(-\frac{1}{2},\frac{\sqrt{3}}{2})$

$\stackrel{\→}{S_3}=(-\frac{1}{2},-\frac{\sqrt{3}}{2})$

$\stackrel{\→}{S_3^{\′}}=(-\frac{1}{2},-\frac{\sqrt{3}}{2})$

$\stackrel{\→}{S_1^{\′}}=(1,0)=-\stackrel{\→}{S_1}$

$\stackrel{\→}{S_2^{\′}}=(\frac{1}{2},-\frac{\sqrt{3}}{2})=-\stackrel{\→}{S_2}$

$\stackrel{\→}{S_3^{\′}}=(\frac{1}{2},\frac{\sqrt{3}}{2})=-\stackrel{\→}{S_3}$

在霍尔传感器i处的对应测量信号Si是传感器矢量和磁矢量以及梯度矢量与均匀背景场一起的内积：

$V_{\mathrm{Si}}=\stackrel{\→}{S_i}\·(\stackrel{\→}{B_z}+\stackrel{\→}{\mathrm{grad}})+B_{\mathrm{off}}$

因此，这样为相应的第一横向霍尔传感器40a-c和第二横向霍尔传感器45a-c计算测量信号V_S1、V_S2和V_S3：

V_S1＝B₀cos(2φ)+B_off+grad_x

$V_{S2}=B_{0}cos\left(2\left(\mathrm{\φ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\right)+B_{off}-0.5{\mathrm{grad}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{grad}}_y$

$V_{S3}=B_{0}cos\left(2\left(\mathrm{\φ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\right)+B_{off}-0.5{\mathrm{grad}}_x-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{grad}}_y$

V_S，1＝B₀cos(2φ)+B_off-grad_x

$V_{S^{\′}2}=B_{0}cos\left(2\left(\mathrm{\φ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\right)+B_{off}-0.5{\mathrm{grad}}_x-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{grad}}_y$

$V_{S^{\′}3}=B_{0}cos\left(2\left(\mathrm{\φ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\right)+B_{off}+0.5{\mathrm{grad}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{grad}}_y$

均匀背景场B_off具有以下值：

$B_{off}=\frac{1}{3}(V_{S1}+V_{S2}+V_{S3})$

沿轴线40a-45a、40b-45b和40c-45c的场梯度如下计算：

${\mathrm{grad}}_1=\frac{1}{2}(V_1-V_{S^{\′}1})={\mathrm{grad}}_x$

${\mathrm{grad}}_2=\frac{1}{2}(V_2-V_{S^{\′}2})={\mathrm{grad}}_x$

${\mathrm{grad}}_3=\frac{1}{2}(V_3-V_{S^{\′}3})={\mathrm{grad}}_x$

针对测量信号VS1的校正值如下计算：

V_S1，corr＝V_S1-B_off-grad₁＝B₀cos(2φ₁)

$V_{S2,corr}=V_{S2}-B_{off}-{\mathrm{grad}}_2=B_{0}cos\left(2\left({\mathrm{\φ}}_2-\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\right)$

$V_{S3,corr}=V_{S3}-B_{off}-{\mathrm{grad}}_3=B_{0}cos\left(2\left({\mathrm{\φ}}_3+\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)\right)$

这三个等式可以针对角度值的计算求解，并且给出了三个角度值的估计值Φ1、Φ2和Φ3。然后例如通过对以下值求平均值而确定角度值：

${\mathrm{\φ}}_1=atan\left(\frac{\sqrt{3}{V}_{S1,corr}}{V_{S3,corr}-V_{S2,corr}}\right)$

${\mathrm{\φ}}_2=atan\left(\frac{\sqrt{3}{V}_{S2,corr}}{V_{S1,corr}-V_{S3,corr}}\right)+\frac{2\mathrm{\π}}{3}$

${\mathrm{\φ}}_3=atan\left(\frac{\sqrt{3}{V}_{S3,corr}}{V_{S2,corr}-V_{S1,corr}}\right)-\frac{2\mathrm{\π}}{3}$

图7中表示了本发明的第三方面。图7的设备示出了在圆形路径50上的两个第一横向霍尔传感器40a和40c，以及两个相对的第二横向霍尔传感器45a和45c。第三横向霍尔传感器47设置在圆心55处。使用两对霍尔传感器(与第二横向传感器45a成对的第一横向传感器40a；与第二横向传感器45c成对的第一横向传感器40c)使得可以测量磁干扰场的场梯度。第三横向霍尔传感器47测量磁背景场B_off。

图8示出了对根据本说明书的方法的顺序的简化表示。用于非接触式测量旋转角度15的测量的方法在步骤500中开始。在步骤510中，由永磁体60生成磁场。在步骤520中，由第一横向霍尔传感器40a-40c并可以由第二横向霍尔传感器45a-45c以及可以由第三横向霍尔传感器47捕获信号值V_S1、V_S2和V_S3。在步骤525中，校正信号值V_S1、V_S2和V_S3，以补偿设备10附近的干扰场的影响。在步骤530中，计算旋转角度15，并且在步骤540中，无论对于旋转角度15的计算来说信号值V_S1、V_S2和V_S3的不同组合是否可能，都将旋转角度15校正。如果可能，则计算进一步的组合。在步骤550中，通过根据步骤530的计算确定平均值而计算旋转角度15。

附图标记列表

10设备

15旋转角度

30芯片平面

35半导体衬底

40a-c第一横向霍尔传感器

45a-c第二横向霍尔传感器

47第三横向霍尔传感器

50圆形路径

55圆心

60永磁体

65轴

70旋转轴线

75干扰导体

80电线

90信号处理器

Claims (10)

1.用于非接触式测量旋转角度(15)的设备(10)，包括：

具有多个极的永磁体(60)，其中所述极的数量总计为四个或更多，并且不能被三整除；以及

至少三个第一横向霍尔传感器(40a-c)，所述至少三个第一横向霍尔传感器(40a-c)设置在所述永磁体(60)下方的平面(30)中的圆形路径(50)中。

2.根据权利要求1所述的设备(10)，其中所述至少三个第一横向霍尔传感器(40a-c)大致以相等角度设置在圆形路径(50)中。

3.根据权利要求1或2所述的设备(10)，进一步包括至少两个第二横向霍尔传感器(45a-c)，其中所述至少两个第二横向霍尔传感器(45a-c)中的两个分别与所述第一横向霍尔传感器(40a-c)中的一个相对地设置在所述圆形路径(50)中。

4.根据任一项前述权利要求所述的设备(10)，进一步包括设置在所述圆形路径(50)内的圆心(55)中的第三横向霍尔传感器(47)。

5.根据任一项前述权利要求所述的设备(10)，其中所述永磁体(60)可旋转地设置在所述圆形路径(50)的所述平面(30)上方。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述永磁体(60)可以围绕大致垂直于所述平面(30)设置的旋转轴(65)旋转，并且所述旋转轴(65)大致延伸通过所述圆心(55)。

7.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中所述永磁体(60)具有两个极。

8.用于非接触式测量旋转角度(15)的方法，包括以下步骤：

(510)生成旋转角度(15)下方的磁场(B)，所述旋转角度(15)要用具有偶数数量的极的永磁体(60)测量，其中所述极的所述数量总计为四个或更多，并且不能被三整除；

(520)测量大致设置在圆形路径(50)中并被所述磁场(B)所覆盖的至少三个第一横向霍尔传感器(40a-c)中的信号值(V_S1、V_S2和V_S3)；

(530)根据以下等式计算旋转角度

9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述计算(530)执行数次，并且针对所述旋转角度确定平均值。

10.根据权利要求8或9所述的方法，进一步包括：

通过考虑干扰因素而对信号值(V_S1、V_S2、V_S3)进行校正(525)，其中所述干扰因素是背景场和场梯度。