CN105705959B - 在具有偏移斜率适应的霍尔传感器中磁控制场的温度补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种用于检测磁场源相对于磁场传感器的相对位置的测量方法。该磁场传感器检测所产生的磁场的至少两个磁场分量。本发明进一步还涉及对应的位移传感器。根据本发明，基于该两个所检测的磁场分量与偏移校正量的商数，建立对应于该磁场源相对于该磁场传感器的该位置的输出信号，其中在建立该输出信号之前，补偿对该所产生的磁场的温度效应。

Description

在具有偏移斜率适应的霍尔传感器中磁控制场的温度补偿 方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测磁场源相对于磁场传感器的相对位置的测量方法。通过磁场传感器检测磁场的至少两个磁场分量。本发明进一步涉及对应的位移传感器。
背景技术
通过根据本发明的方法，特定而言旨在补偿基于霍尔效应的磁控制场对磁传感器的输出信号的热致变动效应，自两个所检测的磁场分量与偏移斜率适应(OS适应)的商数建立该输出信号。
三维(3D)霍尔传感器的测量原理基于在三个空间方向上建立磁通量密度向量B的分量。如在图1中所绘示，磁场源102(例如，永磁体)与以固定方式配置的3D霍尔传感器100平行而移动。检测通量密度B在移动方向104上延伸的分量Bz及与分量Bz垂直的分量By及Bx(未在图1中绘示分量Bx)。若3D霍尔传感器100相对于永磁体102以合适的方式定向，则仅需检测两个空间方向，此是因为磁场未给第三空间方向做出任意场贡献且因此为零。如在图1中所绘示，接着将评估简化为通量密度分量By及Bz。
图2展示根据永磁体102在移动方向104上的位置的所检测通量密度By及Bz的曲线进展，该移动方向在图1中指示为Z轴。图1及图2中的位置z＝0对应于在霍尔传感器100及永磁体102相对移动期间其等之间的间隔达到最小间隔值d的永磁体102的位置。在永磁体102精确定位于霍尔传感器100前方时达成间隔d。
参考通量密度分量Bz及By的值，可根据下列方程式计算磁通量密度B的值|B|及径向分量By与通量密度B的向量之间的角α：
在图3及图4中说明归因于方程式(1)及(2)及在图1中所绘示的关于分量By及Bz的值的值|B|及角α的计算结果。
可根据方程式(2)计算的角α大体上用作测量信号。特定言之，线性化角α的结果以使其可用作位移比例输出信号OUT。在图5中说明此输出信号的实例为根据位置z的百分比信号。
因为磁铁的磁控制场可随温度范围改变(例如，现今现有在汽车工业中自-40℃至150℃改变多达30％)，所以使用具有根据方程式(2)的内部反正切计算的3D霍尔传感器是显著优势，归因于其温度相对于磁场的独立性。
作为来方程式(1)及(2)的结果，将控制磁铁的与温度相关的磁场变动相似地插入所测量的通量密度值By及Bz中。特定言之，方程式(2)导致角α与温度无关的结果，此是因为在比率计算Bz(T)比By(T)中缩减通量密度变动，如在方程式(3)中所说明：
其中km(T)是磁场的温度因数，且Bz及By对应于针对预定参考温度(例如，20℃)建立于3D霍尔传感器中且在Z方向及Y方向上的通量密度。
因此，作为在方程式(3)中缩减的结果，控制磁铁的热致磁场变动不对角值α的结果具有任何影响。
已公开的欧洲专利申请案EP 2159546 A2揭示一种用于检测霍尔传感器与永磁体之间的线性相对移动的测量方法，该霍尔传感器检测两个互相垂直的磁场分量(R、A)。霍尔传感器的输出信号根据关系y＝a+b·R/f·(c·Rn+d·An)形成准线性位置测量曲线U＝f(y)，其中R是径向场分量，A是轴向场分量，U是测量电压且a、b、c、d及n是常数因数。在此方法中，(例如)通过温度传感器可动态地将因数b调适为定标因数，使得可达成对于永磁体的温度系数的补偿。
然而，上述的现有2D及3D霍尔传感器及测量方法具有下列缺点：其等以非常敏感的方式对控制磁铁与霍尔传感器之间的间隔中的变动做出反应。(例如)因为机械振动或甚至热致材料膨胀的间隔中的变动可显著影响霍尔传感器的测量的精确度。
如在已公开的德国专利申请案DE 10 2011 115 302 A1中所描述，为克服在现有测量方法中永久磁场与3D霍尔传感器之间的间隔d对角α的效应，或至少最小化该等效应，发展具有偏移斜率适应(OS适应)的测量方法及对应的位移传感器。
相较于具有内部反正切计算的现有3D霍尔传感器，具有OS适应的2D或3D霍尔传感器使用不同的计算方法，所检测的磁场分量Bz比By的直接商数不用于计算测量信号或角α，而是在商数形成之前，通过常数偏移值来校正在移动方向上延伸的磁场分量Bz。偏移值OS导致针对永磁体102与霍尔传感器100之间的不同间隔d(针对z＝0mm)的角α的曲线的斜率同化。根据下列方程式来建立角α的校正值：
为获得针对OS适应的足够效应，大体上将偏移值OS界定于磁场分量Bz值的自20％至60％。可通过DE 10 2011 115 302 A1中描述的方法的一者来建立OS值。因此，在此实例中省略详细描述。
然而，使用具有OS适应的评估方法可通过控制磁铁的磁场导致对反正切计算的温度表现的负面影响。尽管针对磁场温度T的所检测的磁场分量Bz及By的值被控制磁铁的相同热变动影响，然而由缩减根据方程式(4)的具有OS适应的商数计算不再提供温度补偿。
取决于在方程式(4)中的个别项的关系，产生高达12％的与温度相关的额外误差，此对于3D霍尔传感器的测量精确度而言是不可接受的。
因此，为能够完整利用具有OS适应的评估表现，绝对需要磁控制场对磁传感器的测量信号的温度效应的补偿。
发明内容
因此，本发明的目标是改良已提及的类型的测量方法及位移传感器使得通过尽可能大的温度范围产生与温度无关的测量信号。此外，磁场源与磁场传感器之间的间隔变动应尽可能不影响该测量信号。
此目标由独立专利请求项的标的达成。附属请求项关于根据本发明的方法及位移传感器的有利发展。
本发明基于下列构想：不直接将所测量的场分量用于反正切计算而是补偿控制磁铁对所检测的磁场分量的值的温度效应且将OS适应方法应用至经温度补偿的磁场分量。
附图说明
为更好了解本发明，参考随附的附图中所绘示的实施例更详细地解释本发明。使用相同参考数字及相同组件标识指代相同组件。此外，来自所展示及所描述的不同实施例的一些特征或特征组合也可是独立解决方案、发明解决方案或根据本发明的解决方案本身。在图示中：
图1展示根据本发明的其信号可经评估的位移传感器；
图2展示根据永磁体在线性移动方向上的位置z，通过根据图1的位移传感器检测的磁场分量By及Bz在y方向及z方向上的路径；
图3展示根据永磁体的位置的磁场或磁通量密度B的值|B|的路径，其自图2中所绘示的磁场分量By及Bz与方程式(2)计算；
图4展示作为永磁体在线性移动方向Z上的位置的函数的角α及自角α计算的经线性化的角α_lin的路径；
图5展示当使用偏移斜率适应时根据图1的位移传感器的特性线的路径；
图6展示作为温度的函数的根据本发明的磁场源材料的磁场因数km(T)的特性线、温度补偿因数kc(T)的特性线及温度因数km(T)与温度补偿因数kc(T)之间的关系的路径。
具体实施方式
下文最初参考图1至图7将更详细地解释本发明。出于简易的目的，下文仅将磁通量密度称为磁场。
图1中展示根据本发明的位移传感器配置。磁场传感器(例如，3D霍尔传感器100)经安装以固定于位置中，然而永磁体102经配置以可相对于霍尔传感器100线性移动。永磁体102具有使得其的北/南轴线平行于移动方向104定向的此等极。然而，原则上，也可将本发明的原理应用至其中永磁体102具有使得其的北/南轴线相对于移动方向横向延伸的此等极的配置。可使永磁体102在两个方向上自图1中所展示的零位置位移(例如)大约30mm。霍尔传感器100检测至少两个正交磁场分量－一者沿着移动线延伸且一者相对于其横向延伸。将角α界定为由总磁场向量B及移动方向104的垂线所围封的角。
如已提及，在既有的具有OS适应的测量方法中，根据方程式(4)自分别沿着及横向于移动方向检测的磁场分量Bz及By计算角αOS：
根据本发明，根据方程式(4)的两个检测的分量Bz与By的商数的反正切不被用作测量信号，而是在建立输出信号之前补偿永磁体102对所产生的分量Bz及By的值的温度效应。
在第一实施例中，基于与温度相关的温度补偿因数kc(T)建立针对永磁体102的给定温度T的由磁场传感器100测量的磁场分量Bz(T)及By(T)的温度补偿值。宜产生下列方程式(5)用于计算具有温度补偿的角αOS_TK：
其中，使所测量的磁场分量Bz(T)及By(T)乘以温度补偿因数kc(T)。
接着将OS适应应用至磁场分量的经温度补偿值kc(T)×Bz(T)。如在方程式(5)中所说明，可通过加上常数偏移值OS来校正经补偿磁场分量kc(T)×Bz(T)。
可通过在专利申请案DE 10 2011 115 302 A1中所描述的具有OS适应的方法的一者来建立偏移值OS。例如，可通过下列步骤，针对磁场源102的预定参考温度建立偏移值：针对磁场源102在移动方向上的大量位置，建立磁场分量的曲线；计算相对于磁场源102的位置的曲线的二阶导数；建立该二阶导数的零位置；及自磁场源102与磁场传感器100之间的最小间隔的位置上的函数值减去在零位置上的曲线的函数值，以计算偏移校正量的值。
如下文所描述，调适温度补偿因数kc(T)以补偿磁场的热致变动。市面上有售的磁铁的磁场温度表现严格取决于材料且因此可相对容易予以描述。通常，通过材料的温度系数TKmagnet描述磁铁的温度表现。温度系数TKmagnet描述根据温度相对于固定参考温度的改变的磁通量密度值的相对改变。因此，若温度增加100℃(或绝对温度)，则-0.1％/℃的温度系数TKmagnet对应于磁通量密度B的10％之一减少。
也可通过下列永磁体102的温度系数TKmagnet及温度T的线性函数表达与温度相关的磁场因数km(T)：
其中使用20℃的参考温度。
包括NdFeB材料的磁铁具有(例如)通常TKmagnet＝-0.11％/℃的温度系数。针对包括此等材料的控制磁铁，函数(6)导致(例如)下列与温度相关的磁场因数值：
温度T:磁场因数km(T):
-40℃ km(-40℃)＝1.066
+20℃ km(20℃)＝1.0
+120℃ km(120℃)＝0.89
如在图6中针对自-40℃至+140℃的温度范围所说明，函数(6)导致磁场随温度的标准化磁场损失B(T)/B(20℃)＝km(T)。
若3D霍尔传感器100已知磁铁的温度数据或其可自另一定位(例如，3D霍尔传感器100中的内部温度测量)存取该数据且也已知采取温度系数TKmagnet形式的控制磁铁的磁性质，则可通过扩展计算补偿与温度相关的磁场变动。
此通过基于额外补偿因数kc(T)的磁控制场的温度因数km(T)的与温度相关的所计算的减少或增加而达成。理想地，达成下列补偿结果：
km(T)×kc(T)＝1 (7)
方程式(7)接着针对补偿因数kc(T)产生下列关系：
图6展示根据永磁体102的温度的磁场因数km(T)的特性线108及温度补偿因数kc(T)的特性线110的进展。补偿要求(7)在图6中标识为112。
为能够周期性计算3D霍尔传感器100中的补偿因数kc(T)，所使用的控制磁铁102的温度系数TKmagnet需经传送至3D霍尔传感器100或相应地需储存于传感器100中用于计算。可建立磁铁102的温度数据，例如直接建立于控制磁铁102外部或其封闭环境中，且经由通信连接使其为3D霍尔传感器100可取得。替代地，可相对于预期的磁铁102的温度使用且视情况调适3D霍尔传感器100中的内部温度数据。
图6仅是计算的变形。然而，存在用于磁控制场的与温度相关的补偿的其他计算方法。
本文实质上旨在表达使用根据要求(7)的校正与温度相关的磁控制场的计算方法。
可如下列般指示根据方程式(5)的温度补偿效应。若通过磁场因数将所测量的磁场分量Bz(T)及By(T)的值表达为Bz(T)＝km(T)×Bz或By(T)＝km(T)×By，则自方程式(5)理想地产生温度因数km(T)的缩减，如在下列方程式中所说明：
Bz及By是针对预定参考温度的磁场分量值且因此与温度无关。针对根据关系(8)的温度补偿因数kc(T)，参考温度对应于20℃。
关系km(T)×kc(T)＝1针对具有OS适应及温度补偿的角αOS_TK的计算产生下列：
在基于具有OS适应的反正切计算的测量方法中，温度补偿因数kc(T)接着导致控制磁铁102对所检测的磁场分量的值的温度效应的缩减。
接着可自根据方程式(10)的角αOS_TK的结果建立与温度无关的输出信号OUT，其进一步仅被磁场源102与磁场传感器100之间的可能间隔变动少量影响。
就形式而言，方程式(11)再次对应于具有OS适应的3D霍尔传感器的角计算的原始方程式，现补偿与温度相关的磁场变动。
温度补偿的进一步规格可通过采取一线方程式的形式或采取校正表的形式描述且(例如)储存于3D霍尔传感器中用于计算的磁铁102的完整温度表现通过更复杂类型的温度补偿因数kc(T)达成。
例如，可基于温度补偿文件建立针对磁场源102的给定温度T的温度补偿因数kc(T)的值，补偿文件含有大量磁场源102的温度及大量磁场因数km(T)或温度补偿因数kc(T)的对应值。
在第二实施例中，可通过替代计算实施对具有OS适应的霍尔传感器中所检测的磁场分量的温度效应的补偿，通过与温度相关的偏移校正量而非通过自所测量的磁场分量Bz(T)及By(T)建立温度补偿值补偿温度效应。可基于与温度相关的温度补偿因数kc(T)建立经补偿偏移值OS(T)，使OS适应的常数偏移值乘以因数1/kc(T)。接着自下列方程式建立具有温度补偿及OS适应的角αOS_TK：
在第二实施例中，也使用根据要求(7)校正与温度相关的磁控制场的计算方法。如在第一实施例中，针对具有OS适应及温度补偿的角计算自此得出下列：
在两个实施例中，在反正切计算之前通过温度补偿因数kc(T)补偿商数项。因为根据本发明的计算是相对简单的计算运算，所以可以极简单的方式在具有OS适应的2D或3D霍尔传感器中实施磁控制场的温度补偿方法且可改良一般类型的位移传感器的精确度。
此外，已可在已经具备整合微处理器的二维或三维霍尔传感器中的传感器中实施根据本发明的计算。接着传感器可直接输出独立于控制磁铁温度的线性位移测量信号。替代地，随后可由以数位或类比方式运作的外部类比或数位计算单元或处理器进行评估。
自然地，也可将根据本发明的原理传递至其他磁场源，例如电磁铁，且至其他磁场传感器，诸如磁阻传感器或电感传感器。此外，可替代二维或三维霍尔传感器使用两个或三个个别传感器用于检测不同场分量。
附图标记列表
附图标记 说明
100 霍尔传感器
102 永磁体
104 永磁体的移动方向
106 磁场向量B的方向
108 曲线km(T)
110 曲线kc(T)
112 曲线km(T)x kc(T)＝1

Claims (13)

1.一种用于由至少两个磁场分量而检测产生磁场的磁场源(102)相对于磁场传感器(100)的相对位置的测量方法，所述至少两个磁场分量借助所述磁场传感器(100)检测，
其中所述测量方法包括下列步骤：
基于所述至少两个磁场分量与偏移校正量的商数，建立对应于所述磁场源(102)的所述相对位置的输出信号；
在建立所述输出信号之前，补偿对所检测的磁场分量的温度效应；以及
基于经调适以补偿所述磁场的热致变动的、与温度相关的温度补偿因数kc(T)，建立针对由所述磁场传感器所检测的磁场分量的磁场分量值，
其中，由关系式kc(T)×km(T)＝1产生温度补偿因数kc(T)，其中km(T)是对应于所述磁场的热致变动的磁场因数。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述测量方法包括：
检测在介于所述磁场源(102)与所述磁场传感器(100)之间的相对移动方向(104)上的第一磁场分量；
检测垂直于所述第一磁场分量的第二磁场分量；及
将所述偏移校正量应用至所述第一磁场分量。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其中所述测量方法包括：
基于经调适以补偿所述磁场的热致变动的、与温度相关的温度补偿因数kc(T)，建立针对由所述磁场传感器(100)所检测的所述第一磁场分量及所述第二磁场分量的第一磁场分量值及第二磁场分量值，及
通过所述偏移校正量来校正所述第一磁场分量值；
其中，由经校正的第一磁场分量值与第二磁场分量值的商数而建立所述输出信号。
4.根据权利要求3所述的测量方法，
其中通过使所述第一磁场分量及所述第二磁场分量乘以温度补偿因数kc(T)来建立所述两个磁场分量的值。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述测量方法包括：
建立针对由所述磁场传感器(100)所检测的第一磁场分量及第二磁场分量的第一磁场分量值及第二磁场分量值；
基于经调适以补偿所述磁场的热致变动的、与温度相关的温度补偿因数kc(T)及预定常数偏移校正量来建立经补偿的偏移校正量；及
通过所述经补偿的偏移校正量来校正所述第一磁场分量值；
其中，由经校正的第一磁场分量值与第二磁场分量值的商数来建立所述输出信号。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其中通过下列关系式，针对所述磁场源(102)的给定温度T，计算所述磁场因数km(T)：
其中，
Tref是固定参考温度，及
TKmagnet是对应于所述磁场源(102)的材料的常数温度系数，所述常数温度系数对应于每度的百分比磁场变动。
7.根据权利要求3到6中的任一项所述的测量方法，其中，
基于温度补偿文件，针对所述磁场源(102)的给定温度T，建立所述温度补偿因数kc(T)的值，所述温度补偿文件含有大量所述磁场源(102)的温度，及大量所述磁场因数km(T)或所述温度补偿因数kc(T)的对应值。
8.根据权利要求3到6中的任一项所述的测量方法，其中所述测量方法包括：
检测所述磁场源(102)的温度；或
通过使用所述磁场传感器(100)的内部温度数据来建立所述磁场源(102)的预期温度。
9.根据权利要求3到6中的任一项所述的测量方法，其中所述磁场传感器(100)包括二维霍尔传感器或三维霍尔传感器，和/或其中所述磁场源(102)包括永磁体。
10.根据权利要求3到6中的任一项所述的测量方法，其中通过下列步骤，针对所述磁场源(102)的给定温度来建立所述偏移校正量的值：
建立针对所述磁场源(102)在移动方向上的大量位置的所述磁场分量的曲线；
计算相对于所述磁场源(102)的所述位置的所述曲线的二阶导数，且建立所述二阶导数的零位置；及
由所述磁场源(102)与所述磁场传感器(100)之间的最小间隔的位置上的函数值减去在所述零位置上的线的函数值，以计算所述偏移校正量的值。
11.一种用于由至少两个磁场分量而检测产生磁场的磁场源(102)相对于磁场传感器(100)的相对位置的位移传感器，所述至少两个磁场分量借助所述磁场传感器(100)检测，其中所述位移传感器包括：
所述磁场传感器(100)，其是以使其检测至少两个磁场分量的方式构造；
输出信号单元，其基于所述至少两个磁场分量及偏移校正量的商数来建立输出信号，其中所述输出信号对应于所述位置；及
温度补偿单元，其经构造以在建立所述输出信号之前补偿对所检测的磁场分量的温度效应，
其中，所述温度补偿单元经调适以通过计算使所检测的磁场分量乘以温度补偿因数kc(T)，由关系式kc(T)×km(T)＝1产生所述温度补偿因数kc(T)，其中km(T)是对应于所述磁场的热致变动的磁场因数。
12.根据权利要求11所述的位移传感器，其中所述磁场传感器(100)包括二维霍尔传感器或三维霍尔传感器，和/或其中所述磁场源(102)包括永磁体。
13.根据权利要求11所述的位移传感器，其中所述磁场源(102)产生相对于轴(Z)旋转对称的磁场，所述轴(Z)在介于所述磁场源(102)与所述磁场传感器(100)之间的相对移动方向(104)上延伸；且
所述磁场传感器(100)经配置以沿着旋转对称轴检测第一磁场分量。
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