CN105319519A

CN105319519A - 用于确定传感器附近的漏磁场的方法和设备

Info

Publication number: CN105319519A
Application number: CN201510468493.6A
Authority: CN
Inventors: 罗尔夫·哈肯尼斯
Original assignee: MEIKENAS CO
Current assignee: MEIKENAS CO; TDK Micronas GmbH
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: DE102014110974A1; CN105319519B; US10162019B2; US20160033586A1

Abstract

本发明公开了一种设备(10)，用于确定传感器附近的漏磁场。该设备(10)包括具有四极或更多极和旋转轴(70)的多极永磁铁(60)。所述多极永磁铁(60)产生具有磁场矢量(67)的磁场(65)。两个垂直霍尔传感器(40a、40b)布置在围绕旋所述转轴(70)的圆形路径(50)上的两个位置，以便在所述两个位置测量的所述磁场矢量(67)的和大致为零。

Description

用于确定传感器附近的漏磁场的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月1日提交的名称为“MethodforreduingtheinfluenceofstraymagneticfieldsfromcurrentcarryingconductorsonsystemsforthemeasurementofanglesusingX/YHallsensorsandpermanentmagnets”，DE102014110974.0号德国专利申请的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于确定传感器附近的漏磁场的设备和方法。

背景技术

借助霍尔效应的非接触旋转角度测量是本领域熟知的。例如，来自Reymond,S等出版的，"True2-DCMOSIntegratedHallSensor"，IEEE传感器2007会议,第860-863页，用于旋转角度的非接触测量的设备是熟知的，该设备具有内部集成64个作为磁场传感器的所谓的垂直霍尔传感器的半导体衬底。该出版物的磁场传感器沿布置在半导体衬底的芯片平面中的圆形路径等间距间隔布置。所述磁场传感器所位于的垂直面，每一个都沿径向布置至穿过所述圆形路径的圆心延伸的抽象中心轴，并且所述垂直面正交于所述芯片平面设置。所述磁场传感器与扫描装置连接以使来自单个磁场传感器的测量信号连续连接至差分输出连接器以产生旋转扫描信号。来自所述磁场传感器的值因而以循环轮流的方式读出。

Metz等在出版物"ContactlessAngleMeasurementusingFourHallDevicesonSingleChip",Transducers,1997国际固态传感器和制动器会议,芝加哥1997年6月16-19中也描述了旋转角度的非接触测量。该出版物显示了在布置在半导体衬底的芯片平面中的圆形路径上以等间距间隔布置四个横向霍尔传感器。具有两极的永久磁铁附接在旋转轴的端部，并在所述霍尔传感器中产生磁场。相同的设备在第EP-B-0916074号欧洲专利申请中描述。

所熟知的设备共同具有的是安装在旋转元件上并产生被霍尔传感器捕获的磁场的永久磁铁。这种设备的一个问题是在所述霍尔传感器周围存在漏磁场或干扰磁场。信号处理处理器需要补偿来自所述霍尔传感器的测量值，以为这些漏磁场进行补偿。用于大致均匀的背景场的补偿以相对简单的方式是可能的。用于由附近导体中流动的电流产生的磁场的补偿更加困难，因为该补偿的计算还不得不考虑由附近导体中的电流产生的磁场的磁场梯度。

现代汽车具有大量这种引起这种漏磁场的携带电流的导体。完全屏蔽这些旋转角度测量装置附近的漏磁场以避免来自所述漏磁场的干扰是不可能的。

所述漏磁场的效应可以通过使用来自多个霍尔传感器中的若干个霍尔传感器的磁场测量值(信号场加所述漏磁场的贡献)的差分确定大致消除。这种确定在本领域也是熟知的。用于这种抑制的一种布置是使用具有四个布置在一圆周上的横向霍尔传感器的相反磁铁。根据来自这些霍尔传感器中的两个霍尔传感器的测量值的所述差分确定计算漏磁场的磁性旋转矢量的X分量和Y分量是可能的。

另外的熟知的方案是利用具有四个垂直霍尔传感器的四极磁铁，所述四个垂直霍尔传感器组合为布置彼此等距离地设置在一直线上的X/Y像素单元。所述漏磁场的磁性旋转矢量也可以使用这种方案计算。

在这些现有的技术方案中，当所述永磁铁的磁场强度大约30mT时，由具有400A的携带电流的导体在预定距离(例如，2.5cm)引起的漏磁场强度的抑制大约51dB。然而，在使用本领域熟知的四极磁铁的旋转角度测量中，这种由于漏磁场的干扰会导致最大大约0.5度的角度误差。

来自欧洲专利第EP1775501A1号的另外的方案是熟知的，其教导在角度传感器中使用的用于检测自动齿轮中选择杠杆的位置的位置传感器。所述磁场通过两个能够修正由于所述漏磁场的存在导致的任何误差的传感器元件测量。

所述德国专利申请教导一种磁场产生单元，其产生具有第一位置中的第一部分磁场和第二位置中的第二部分磁场的旋转磁场。一种检测单元可以检测在所述相应的第一和第二位置的第一和第二角度。使用所述第一和第二角度的值，可以计算一表征所述旋转磁场的方向的角度值。

发明内容

存在改善旋转角度的角度测量精确性的需求。

本文教导一种用于检测传感器附近的漏磁场的设备，其使用具有四极或更多极的多极永磁铁。所述多极永磁铁例如呈磁盘状，可旋转地安装在设置在Z方向的旋转轴上并产生相对设置在Z方向的旋转轴对称的磁场。用于产生与所述磁场的X/Y分量对应的测量信号的两对垂直霍尔传感器以到所述旋转轴和所述多极永磁铁等距离的方式布置在所述多极永磁铁的磁场中的两个位置，以便在所述垂直霍尔传感器的两个对应的位置上所述磁场矢量的和为零。这种布置导致两个垂直霍尔传感器的测量信号值的和一同表示由于干扰导体的所述漏磁场的强度。所述漏磁场的计算值可以从所述测量值中减去已计算旋转角度的值。更精确的旋转角度的计算因此实现。

为了更好地理解本发明，通过附图说明若干示例性实施例。本发明并局限于这些示例性实施例，一示例性实施例的方面可以与另外示例性实施例的其它方面结合。

附图说明

图1示出了设备的概视图；

图2示出了具有四极永磁铁中的磁场线的设备的平面图；

图3示出了具有六极磁铁的设备的平面图；

图4示出了具有两个垂直霍尔传感器40a和40b的设备10的视图；

图5示出了漏磁场的计算；

图6示出了所述方法的步骤。

具体实施方式

图1示出了用于确定传感器附近的漏磁场的设备10的概视图。设备10具有附接在车轴端部60上的磁盘状永磁铁60。所述车轴围绕旋转轴70旋转，并且设备10可以测量所述车轴的旋转角度15。

一半导体衬底35，两对垂直霍尔传感器40a和40b与永磁铁的旋转车轴等距离地布置。所述霍尔传感器40a、40b测量所述磁场的X和/或Y分量，并且整体集成在半导体衬底35内。这些垂直的霍尔传感器40a和40b在图2中更详细地示出并在随后参考图2进行详细描述。圆形路径50设置在永磁铁60下方的芯片平面30。所述车轴的旋转轴70平行于Z方向，穿过圆形路径50的圆心55延伸，并大致正交于芯片平面30布置，因此也正交于半导体衬底35的表面。微处理器20与霍尔传感器40a和40b连接，并接收信号值以计算所述漏磁场和所述信号场的值。

图1还示出了在所述设备附近带有电流的干扰导体75。该干扰导体75引起具有X分量和Y分量的漏磁场B_ST。应当明白的是，干扰导体75仅是设备10附近几种可能干扰导体的例子，并且本发明不局限于单个干扰导体。

图2示出布置在圆形路径50上的两个垂直霍尔传感器40a和40b的平面图。永磁铁60为四极磁铁并且磁场线65在X-Y平面中的投影以图2中的箭头表示。所述两个垂直霍尔传感器40a和40b设置在相对磁场的圆形路径50上，这样X-Y平面中磁场矢量的和总是大致为零，独立于永磁铁60的旋转角度15。所述用于测量芯片平面中的磁场矢量的霍尔传感器40a和40b是熟知的，例如根据EP2174153号欧洲专利申请。根据EP1076924号欧洲专利申请可选的2D磁场传感器是熟知的。这两个欧洲专利申请的内容通过引用并入本文中。

图3示出了本发明的另一方面，具有六极永磁铁60以及所述磁场线65对应的投影。从图3中可以看出两个垂直霍尔传感器40a和40b不是在圆形路径50上彼此相对布置，而是以大约60度的角度距离设置。在这种布置中，两个霍尔传感器40a和40b在两个位置中的磁场的矢量和为零。

因此在图2和图3描述的示例性实施例中，由各自垂直霍尔传感器40a和40b测量的永磁铁60的磁场矢量B_a、B_b的X-Y平面的矢量和大致为零。这意味着垂直霍尔传感器40a和40b的磁场矢量B_a、B_b的测量值的矢量和仅包含漏磁场的X分量和Y分量。因此，漏磁场的分量和可以通过组合来自霍尔传感器40a和40b在霍尔传感器40a和40b的两个位置的测量值计算。

图4示出了具有两个垂直霍尔传感器40a和40b，以及由信号场和由导体75产生的漏磁场的组合引起的磁场矢量的设备10的视图。矢量和410为第一霍尔传感器40a的第一磁场矢量420a和第二霍尔传感器40b的第二磁场矢量420b的和。矢量差分420为第一磁场矢量402a和第二磁场矢量420b之间的差分。

应当明白的是，在X方向矢量和410大致为零。矢量和410的幅值给出关于所述漏磁场的强度信息。所述矢量差分420表示带电流导体75的方向。

对于漏磁场的完整测量，还需要漏磁场的梯度。然而，该梯度不能直接使用所描述的布置测量，但是所述梯度可使用下述假定估计。假定所述漏磁场由带电流导体75产生。所述带电流导体75具有距离霍尔传感器40a和40b的最小距离。在非限制性例子中该最小距离为29mm。

所述漏磁场的场梯度假定是线性的。换句话说，所述带电流导体75和所述霍尔传感器40a和40b之间的距离大致大于在各个霍尔传感器40a和40b之间距离的2x(x为霍尔传感器40a或40b和圆心55之间的距离)。

所述带电流导体75与霍尔传感器40a和40b的距离变得越大，所述漏磁场的影响变得越小。因此，为了估计带电流导体75与与霍尔传感器40a和40b的距离，可以建立一导致最下误差的值，即使带电流导体75假定为在最小距离和无限距离之间可移动/可变化。如果最小距离为25mm，29mm的最佳距离d可以被选择。因此，从图5推出一种计算，根据该计算按如下计算场强度：

α_n＝α_a+γ_n

γ_-f＝γ_-n

α_f＝α_a-γ_f

所述漏磁场的计算值|Va|和|Vb|从所述霍尔传感器40a和40b的磁场测量中减去已计算信号场的值。基于该计算确定的旋转角度15具有改善的精确性。使用本文描述的方法，可以实现大于等于65dB的漏磁场的抑制。

图6示出了如上所述的用于确定设备附近的漏磁场的方法的步骤，以能够，例如根据测量值确定信号场。所述方法在步骤600开始。在第一步骤610中捕获霍尔传感器40a和40b的测试量。在步骤620中计算所述漏磁场的影响。在随后任选的步骤630中计算信号场，并在此之后，在另外的任选步骤640中，确定旋转角度15。

设备10以及所述方法应用于例如用于例如加速踏板、刹车、节流阀的角度传感器。

Claims

1.一种设备(10)，用于确定传感器附近的漏磁场，包括：

具有四极或更多极和旋转轴(70)的多极永磁铁(60)，其中所述多极永磁铁(60)产生具有磁场矢量(65)的磁场；和

两对用于产生测量信号的垂直霍尔传感器(40a、40b)，其中所述两对垂直霍尔传感器(40)布置在所述多极永磁铁(60)的磁场(65)内的围绕旋所述转轴(70)的圆形路径(50)上的两个位置(55)，以便在所述两个位置(55)测量的所述磁场矢量(65)的和大致为零。

2.根据权利要求1的设备(10)，进一步包括微处理器(20)，用于处理所述霍尔传感器(40a、40b)的测量信号以确定所述漏磁场强度。

3.根据权利要求2的设备(10)，其中所述微处理器(20)适于根据所述信号和所述漏磁场强度确定信号场强度。

4.根据权利要求3的设备(10)，其中所述微处理器(20)适用于确定角度值(15)。

5.根据权利要求1的设备(10)，其中所述两个垂直霍尔传感器(40a、40b)为大致相同的配置。

6.根据权利要求1的设备(10)，其中所述两个垂直霍尔传感器(40a、40b)整体集成在半导体衬底(35)中。

7.根据权利要求1的设备(10)，其中所述多极永磁铁(60)为磁盘状。

8.一种方法，用于计算设备附近的漏磁场，所述设备包括具有四极或更多极和旋转轴(70)的多极永磁铁(60)，其中所述多极永磁铁(60)产生具有磁场矢量(65)的磁场；和两对用于产生测量信号的垂直霍尔传感器(40a、40b)，其中所述两对垂直霍尔传感器(40)布置在所述多极永磁铁(60)的磁场(65)内的围绕旋所述转轴(70)的圆形路径(50)上的两个位置(55)，以便在所述两个位置(55)测量的所述磁场矢量(65)的和大致为零，所述方法包括：

捕获所述霍尔传感器(40a、40b)的测量信号；和

计算所述漏磁场。

9.根据权利要求8的方法，进一步包括：根据所述测量信号和所计算的漏磁场计算旋转角度(15)。