CN107121648A - 角度传感器和测量磁场的角度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及角度传感器以及测量磁场的角度的方法。该角度传感器被配置成测量描述磁场在平面中的方向的角度，该角度传感器包括：第一磁场传感器(1)，该第一磁场传感器具有第一灵敏度方向并且传递第一电压；第二磁场传感器(2)，该第二磁场传感器具有第二灵敏度方向并且传递第二电压；第一电流源(3)，该第一电流源将第一偏置电流提供给第一磁场传感器(1)；第二电流源(4)，该第二电流源将第二偏置电流提供给第二磁场传感器(2)；以及电子电路，该电子电路被配置成以下述方式调节第一偏置电流和第二偏置电流：第一电压和第二电压之和等于0。

Description

角度传感器和测量磁场的角度的方法
技术领域
本发明涉及角度传感器，该角度传感器被配置成测量磁场在平面中的方向，以及涉及测量对磁场在平面中的方向进行描述的角度的方法。
背景技术
例如根据US 6545462、US 8324891和US 8624587已知被配置成测量磁场的方向的角度传感器。例如根据US 5942895已知包括水平霍尔元件的磁场传感器，该水平霍尔元件能够测量指向与霍尔元件的表面平行的方向的磁场。
发明内容
本发明的目的在于开发快速且可靠的角度传感器。
根据本发明的传感器的基本构思主要在于提供具有可变灵敏度方向的磁场传感器并且旋转灵敏度方向直到磁场传感器的灵敏度矢量S和磁场B的标量积为零，即S*B＝0为止。
一种角度传感器，该角度传感器被配置成测量描述磁场在平面中的方向的角度α，角度传感器包括：
第一磁场传感器，该第一磁场传感器具有第一灵敏度方向，
第二磁场传感器，该第二磁场传感器具有第二灵敏度方向，
第一磁场传感器和第二磁场传感器均具有两个电流端子和两个电压端子，
第一电流源，该第一电流源将第一偏置电流I1提供给第一磁场传感器的电流端子，
第二电流源，该第二电流源将第二偏置电流I2提供给第二磁场传感器的电流端子，以及
形成闭环控制回路的电子电路，该电子电路被配置成通过改变偏置电流I1和偏置电流I2来旋转角度传感器的灵敏度方向，直到信号U等于0为止，以及根据信号U等于0时角度传感器的灵敏度方向来确定角度α，
其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器的电压端子串联连接并且串联连接的电压端子上出现的电压被分接并且被放大以传递信号U，或者第一磁场传感器和第二磁场传感器的电压端子并联连接并且在并联连接的电压端子处出现的电压被分接并且被放大以传递信号U，或者其中，角度传感器包括：第一放大器，该第一放大器耦接至第一磁场传感器的电压端子；第二放大器，该第二放大器耦接至第二磁场传感器的电压端子；以及求和点，该求和点耦接至第一放大器和第二放大器的输出端并且具有传递信号U的输出。
第一灵敏度方向和第二灵敏度方向包括角度δ。优选地，角度δ为90°。电子电路优选地被配置成通过提供I1＝I*sinδ*cosθ作为第一偏置电流I1并且提供I2＝I*(sinδ-cosδ)*sinδ*sinθ作为第二偏置电流并改变角度θ来旋转角度传感器的灵敏度方向，其中量I表示标称电流强度以及量θ表示角度，并且电子电路还被配置成将角度α确定为α＝θ-90°或α＝θ+90°。
根据本发明，一种测量描述磁场在平面中的方向的角度α的方法，包括：
提供第一磁场传感器，该第一磁场传感器具有第一灵敏度方向并且传递第一电压U1，
提供第二磁场传感器，该第二磁场传感器具有第二灵敏度方向并且传递第二电压U2，
将第一偏置电流I1提供给第一磁场传感器，
将第二偏置电流I2提供给第二磁场传感器，
形成信号U，该信号U与第一电压U1和第二电压U2之和成比例，
调节偏置电流I1和偏置电流I2直到信号U等于0为止，以及
基于当信号U等于0时偏置电流I1和偏置电流I2的经调节的值来确定角度α。
优选地，通过以下方式调节偏置电流I1和偏置电流I2直到信号U等于0为止：提供I1＝I*sinδ*cosθ作为第一偏置电流I1并且提供I2＝I*(sinδ-cosδ)*sinδ*sinθ作为第二偏置电流，其中量I表示标称电流强度，量θ表示角度以及量δ表示第一灵敏度方向和第二灵敏度方向包括的角度，并且改变角度θ直到信号U等于0为止。然后，该方法还包括将角度α确定为α＝θ-90°或α＝θ+90°。
附图说明
并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或更多个实施方式，并且结合具体描述以用于说明本发明的原理和实现方式。附图未按比例绘制。在附图中：
图1示出了根据本发明的角度传感器的示意图，
图2示出了说明角度传感器的灵敏度矢量S与磁场B之间的关系的图，
图3示出了根据本发明的角度传感器的实施方式，
图4示出了若干信号图，
图5示出了根据本发明的角度传感器的另一实施方式，以及
图6示出了根据本发明的具有霍尔元件的角度传感器的实施方式。
具体实施方式
在下文中，相同的附图标记用于表示不同的实施方式中的相同的元素。可以使用现有技术CMOS技术来制造传感器。
图1示出了根据本发明的角度传感器的示意图。使用具有彼此垂直地取向的x轴和y轴的笛卡尔(Cartesian)坐标系来说明本发明。传感器包括第一磁场传感器1、第二磁场传感器2以及电子电路，该电子电路被配置成操作磁场传感器1和2并且提供输出信号。磁场传感器1、2均分别具有预定灵敏度方向SA或SB。第一磁场传感器1的灵敏度方向SA可以与x轴平行，第二磁场传感器2的灵敏度方向SB可以与y轴平行。优选地，两个磁场传感器1、2的灵敏度方向SA和SB彼此垂直地取向。然而，磁场传感器1和2可以具有任何其他取向并且其灵敏度方向SA和SB可以包括任意角δ。理想地，两个磁场传感器1、2具有由S0表示的相同的标称灵敏度。
第一磁场传感器1和第二磁场传感器2均可以是垂直霍尔元件或由平行排列的垂直霍尔元件构成的群。或者，第一磁场传感器1和第二磁场传感器2均可以是由一个或更多个水平霍尔元件和一个或更多个磁场集中器以下述方式构成的：第一磁场传感器1对指向x方向的磁场敏感而第二磁场传感器2对指向y方向的磁场敏感，如例如在US 5942895中所公开的那样。每个霍尔元件包括四个电端子，即用于提供偏置电流的两个电流端子和用于分接霍尔电压的两个电压端子。磁场传感器1、2还可以是被电流偏置并且传递电压的任何其他类型的磁场传感器，例如由被耦接以形成惠斯通电桥的四个磁阻电阻器构成的磁阻(MR)传感器。因此，磁场传感器1和2均包括四个电端子，即，被配置成提供偏置电流的两个电流端子和被配置成分接电压的两个电压端子。
传感器还包括提供第一偏置电流I1的第一电流源3和提供第二偏置电流I2的第二电流源4。第一电流源3耦接至第一磁场传感器1的电流端子，第二电流源4耦接至第二磁场传感器2的电流端子。
传感器还包括第一电路5，该第一电路5被配置成控制第一电流源3和第二电流源4以使得第一偏置电流I1和第二偏置电流I2通过以下等式彼此相关：
I1＝I*sinδ*cosθ (1)
I2＝I*(sinδ-cosδ)*sinδ*sinθ (2)
其中，参数I表示恒定标称电流强度以及参数θ表示角度。
如果δ为90°，即，如果灵敏度方向SA和SB彼此正交，则等式(1)和(2)化简至：
I1＝I*cosθ (3)
I2＝I*sinθ (4)
在这种情况下，电压U1和U2由以下等式给出：
U1＝S0*I1*BX (5)
U2＝S0*I2*BY (6)
其中，S0表示磁场传感器1和2的灵敏度的大小以及BX和BY表示磁场沿x轴或y轴的分量。
在以下实施方式中，假定角度δ为90°。
在实施方式中，传感器还包括第一放大器6和第二放大器7，该第一放大器6被配置成对第一磁场传感器1的电压U1进行放大，该第二放大器7被配置成对第二磁场传感器2的电压U2进行放大。理想地，放大器6和放大器7具有相同的增益k。第一放大器6和第二放大器7的输出电压被馈送至求和点8的输入端并且在求和点8处被相加。求和点8的输出端传递以下电压：
U＝k*(U1+U2)＝k*S0*I*(BX*cosθ+BY*sinθ) (7)
在理想情况下，磁场传感器的灵敏度、提供给磁场传感器的标称电流强度以及放大器的增益对于两个磁场传感器而言全部都相同。因此，理想地，磁场传感器具有如上所述的相同的灵敏度S0、被提供有相同的标称电流强度I并且放大器具有相同的增益k。如果存在从理想情况的偏离，则这可以在校准步骤中例如通过针对两个放大器6和7调节不同的增益或者通过调节不同的标称电流强度来校正，使得以上给出的等式适用。
在另一实施方式中，第一磁场传感器1和第二磁场传感器2的电压端子串联或并联连接。串联连接的电压端子上出现的电压U1+U2可以被分接并且被放大以传递电压U＝k*(U1+U2)或者并联连接的电压端子上出现的电压被分接并且被放大以传递电压U＝k*(U1+U2)，其中，量k再次表示增益。
由第一电路5、两个电流源3、4、两个磁场传感器1、2、放大器6、7以及求和点8构成的传感器，以及具有先前段落中所描述的结构和元件的传感器是具有两个电流输入端以及传递电压U＝k*(U1+U2)的电压输出端的传感器，所述两个电流输入端分别接收偏置电流I1和I2中的一个偏置电流。传感器可以被用作具有可调节的灵敏度方向S的磁场传感器。灵敏度方向S在xy平面中的方向由角度θ给出。优选地，灵敏度方向SA和SB彼此正交并且偏置电流I1和I2根据等式(3)和(4)来设置。电压U与磁场的指向灵敏度方向S的分量成比例。第一电路5具有被配置成接收角度θ的第一输入端。
角度传感器还包括第二电路9，该第二电路9具有被配置成接收电压U的输入端和耦接至第一电路5的第一输入端的输出端。在下文中，磁场在xy平面中的实际角度被表示为αB，由角度传感器确定的角度被表示为α。
第一电路5和第二电路9形成闭环控制回路，该闭环控制回路被配置成改变偏置电流I1和I2直到电压U等于零为止。在该实施方式中，这可以通过以下方式来实现：根据等式(1)和(2)给磁场传感器1和2分别提供偏置电流I1和I2并且通过由电路5和9形成的闭环回路来自动地改变角度θ直到U＝0为止，直到U＝0为止实际上意味着直到|U|≤UT为止，其中UT表示最小可检测的电压。因为U＝k*(U1+U2)，这意味着第一磁场传感器1和第二磁场传感器2的电压之和被调节为零，即调节到
U1+U2＝0 (8)
当灵敏度矢量S和磁场矢量B的标量积为零时，即当S*B＝0时，条件U＝0满足。该等式具有两个解，其意味着角度θ和α彼此之间的关系符合以下等式中的一个：
α＝θ-90° (9)
α＝θ+90° (10)
图2示出了加上标记的磁场传感器的灵敏度矢量S与磁场矢量B之间的关系并且因此示出了角度θ与α之间的关系。S1是表示第一磁场传感器1的灵敏度的方向和大小的矢量以及S2是表示第二磁场传感器2的方向和大小的矢量。
电路5和9可以由数字和/或模拟电路形成。
根据本发明的角度传感器的构思在于提供具有可变灵敏度方向的磁场传感器以及旋转灵敏度方向直到磁场传感器的灵敏度矢量S和磁场B的标量积为零，即S*B＝0为止，以及如果S*B＝0则发现U1+U2＝0。因此：
a)角度传感器包括两个磁场传感器1和2，每个磁场传感器均具有两个电流端子和两个电压端子。
b)第一磁场传感器1和第二磁场传感器2的电压端子被耦接以传递电压U＝k*(U1+U2)，其中k是预定的放大系数。
c)灵敏度方向通过改变偏置电流I1和I2来旋转直到电压U＝k*(U1+U2)为零为止。
d)因为如果S*B＝0，则灵敏度矢量S垂直于磁场矢量B，因此磁场在由x轴和y轴确定的平面中的测量方向由角度α＝θ-90°或α＝θ+90°来给出。
图3示出了根据本发明的角度传感器的实施方式。角度传感器包括控制角度传感器的操作的时钟信号发生器10。第一电路5包括查找表11和两个D/A(数字到模拟)转换器12和13。两个电流源3和4是电压控制的电流源。在时钟信号发生器10的每个时钟脉冲CK1处，第一电路5在其第一输入端处获得值θ，在查找表11中读取数字值sinθ和cosθ，并且将数字值sinθ馈送至D/A转换器12以及将数字值cosθ馈送至D/A转换器13并且更新角度α的值。D/A转换器12的模拟输出被馈送至第一电流源3，D/A转换器13的模拟输出被馈送至第二电流源4。因此，由第一电流源3提供的电流与I*sinθ成比例而由第二电流源4提供的电流与I*cosθ成比例。电流源3和4被调节以传递相同的标称电流I。
第二电路9包括极性检测器14、信号检测器15、与(AND)门16以及加减计数器17。求和点8的输出被馈送至极性检测器14的输入端以及信号检测器15的输入端。极性检测器14传递二进制输出信号，如果在极性检测器14的输入端处的电压U为正或为零，则该二进制输出信号为1，以及如果在极性检测器14的输入端处的电压U为负，则该二进制输出信号为0。信号检测器15的输出以及时钟发生器10的时钟信号CK1被馈送至与门16的两个输入端。信号检测器15基于输入电压U的大小来传递二进制输出信号。如果输入电压U的大小高于最小可检测信号，即，大于预定的阈值UT，则信号检测器的输出信号为1。否则，信号检测器的输出信号为0。
基于对与门16的输入的与逻辑，与门16的输出信号为二进制信号。仅在两个输入信号都为1的情况下，输出为1。因此，与门在信号检测器的输出为1的情况下使时钟脉冲CK1通过并且在信号检测器的输出为0的情况下阻挡时钟信号。
在时钟信号发生器10的每个时钟CK1处，加减计数器17在极性检测器14的输出信号为1的情况下使其值递增1个单位并且在极性检测器14的输出信号为0的情况下使其值递减1个单位。加减计数器17的值被馈送至第一电路5。如果电压U为零，即，如果U＝0，则加减计数器17的值保持恒定。如果电压U不为零，则加减计数器17的值在每个时钟CK1处改变直到电压U已收敛至零为止。加减计数器17的值表示灵敏度矢量S的角度θ。
加减计数器17在其输出端处提供值的有限数量N，最低值对应于角度θ＝0°，最高值对应于角度θ＝360°-360°/N。如果角度传感器提供1°的角分辨率，则数量N可以例如为360，或者如果角度传感器提供0.1°的角分辨率，则数量N＝3600。
在该实施方式中，加减计数器17的值在电压U为正时递增而在电压U为负时递减。因为电压U与标量积S*B＝|S|*|B|*cos(θ-α)成比例，因此这意味着灵敏度矢量S在-90°<θ-α<90°的情况下沿逆时针方向旋转而在90°<θ-α<270°的情况下沿顺时针方向旋转并且结果是角度θ与α之间的关系由等式(9)给出。因此，电路5被配置成在每个时钟CK1处读取在其输入端处的角度θ并且使用等式(9)来确定角度α。
在角度传感器的操作的开始处(在打开处)，将预定角度θ0用作θ的起始值。θ0可以是0或者假定任何其他值。在一定数量的时钟CK1之后，角度θ的值已收敛至使U＝0的值。不管何时条件U＝0满足，输出的角度α都正确地表示磁场B的角度αB，不管何时该条件不满足，输出的角度α不表示角度αB。
图4示出了在时间t的过程中若干信号的示例性过程。附图标记表示：
-信号线18：表示磁场矢量B的实际方向的角度αB，
-信号线19：由角度传感器输出的角度α，
-信号线20：求和点8的输出端处的电压U，
-信号线21：极性检测器14的二进制输出信号，
-信号线22：信号检测器15的二进制输出信号
-信号线23：基本时钟信号CK1，
-信号线24：与门16的二进制输出，以及
-信号线25：加减计数器17的输出。
在图4中，磁场矢量B的方向首先在某时间段内在时间上恒定，然后改变至另一恒定值。在打开角度传感器之后，由于由第一电路5和第二电路9形成的反馈电路而提供的调节，以下出现：
-因为起始值θ0远远不满足条件θ0＝α+90°，电压U具有大值。随着时间继续，电压U逐步收敛至零。
-极性检测器14的输出信号为1并且当电压U已收敛至0时改变为0。
-信号检测器的输出信号为1并且当电压U已收敛至0时改变为0。
-只要信号检测器的输出信号为1，时钟发生器10的时钟就通过与门16。当信号检测器的输出信号为0时，时钟发生器10的时钟不通过与门16。
-只要极性检测器14的输出为1，加减计数器17就在每个脉冲出现在与门16的输出端处的情况下而使其值递增1个单位，并且只要极性检测器14的输出为0，加减计数器17就在每个脉冲出现在与门16的输出端处的情况下而使其值递减1个单位。
在时刻t1处，当角度αB减小时，输出电压U变成负。当输出电压U变成负时，信号检测器15的二进制信号从0变为1。只要信号检测器15的二进制输出信号为1，由于与门16然后使时钟脉冲CK1通过，因此加减计数器17随着每个脉冲使其值递减1个单位。
在另一实施方式中，如图5所示，信号检测器不包括极性检测器14但是包括耦接至第一放大器6的输出端的极性检测器26。极性检测器26传递二进制输出信号，该二进制输出信号在极性检测器26的输入端处的电压U1为正或零的情况下为1而在极性检测器26的输入端处的电压U1为负的情况下为0。因此，极性检测器26的输出信号表示电压U1的符号并且被馈送至第一电路5的第二输入端。
角度θ限定灵敏度方向。因此，偏置电流I1和I2的符号确定灵敏度矢量S位于四个象限中的哪个象限中。电压U1的符号确定磁场矢量B是位于之前的象限(第二象限和第三象限)之一还是位于之后的象限(第一象限和第四象限)之一。然后，将该信息用于确定角度θ与α之间的关系是由等式(9)给出还是由等式(10)给出，例如，通过使用包含该信息的以下查找表，确定如何计算角度α：
I1的符号 I2的符号 U1的符号 α＝θ+以下值
- + - -90°
+ - + +90°
- + + +90°
+ - - -90°
- - + -90°
+ + + +90°
- - - +90°
+ + - -90°
在该实施方式中，当电压U不等于零时，加减计数器17的值一直增大。这意味着当U≠0时，灵敏度矢量S一直沿逆时针方向旋转。
图6示出了根据本发明的角度传感器的实施方式，其中，磁场传感器1和2是包括霍尔元件的霍尔传感器。为了减少或消除霍尔传感器的偏移和1/f噪声问题，使用众所周知的旋转电流技术来操作霍尔传感器。旋转电流技术在某个旋转时钟CK2处使每个霍尔传感器的电流和电压端子换向。优选地，使用四相旋转电流技术，但是也可以使用两相旋转电流技术。角度传感器包括第一旋转电流电路27和第二旋转电流电路28，该第一旋转电流电路27将第一磁场传感器1的电流端子耦接至第一电流源3并且将电压端子耦接至第一放大器6，该第二旋转电流电路28将第二磁场传感器2的电流端子耦接至第二电流源4并且将电压端子耦接至第二放大器7。如果使用四相旋转电流技术，则时钟信号发生器10还产生比基本时钟信号CK1快四倍的旋转时钟CK2，或者如果使用两相旋转电流技术，则时钟信号发生器10产生比基本时钟信号CK1快两倍的旋转时钟CK2。例如形成为开关电容滤波器的积分器29连接至求和点8的输出端，以在四个或两个旋转电流相位上对霍尔电压U进行积分。
对于本领域技术人员明显的是，包括微控制器等的其他模拟和/或数字电路可以用于实现本发明的传感器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式和应用，但是对于受益于本公开内容的本领域的技术人员而言明显的是，在不脱离本文的发明构思的情况下，可以进行比上述更多的修改。因此，本发明只受所附权利要求及其等同物的限制。

Claims (6)

1.一种角度传感器，所述角度传感器被配置成测量描述磁场在平面中的方向的角度α，所述角度传感器包括：
具有第一灵敏度方向的第一磁场传感器(1)，所述第一磁场传感器(1)具有两个电流端子和两个电压端子，
具有第二灵敏度方向的第二磁场传感器(2)，所述第二磁场传感器(2)具有两个电流端子和两个电压端子，
第一电流源(3)，所述第一电流源(3)将第一偏置电流I1提供给所述第一磁场传感器(1)的电流端子，
第二电流源(4)，所述第二电流源(4)将第二偏置电流I2提供给所述第二磁场传感器(2)的电流端子，以及
形成闭环控制回路的电子电路，所述电子电路被配置成通过改变所述偏置电流I1和所述偏置电流I2来旋转所述角度传感器的灵敏度方向，直到信号U等于0为止，根据信号U等于0时所述角度传感器的灵敏度方向来确定角度α，
其中，所述第一磁场传感器(1)和所述第二磁场传感器(2)的电压端子串联连接并且所串联连接的电压端子上出现的电压被分接并且被放大以传递所述信号U，或者所述第一磁场传感器(1)和所述第二磁场传感器(2)的电压端子并联连接并且在所并联连接的电压端子上出现的电压被分接并且被放大以传递所述信号U，或者其中，所述角度传感器包括：第一放大器(6)，所述第一放大器(6)耦接至所述第一磁场传感器(1)的电压端子；第二放大器(7)，所述第二放大器(7)耦接至所述第二磁场传感器(2)的电压端子；以及求和点(8)，所述求和点(8)耦接至所述第一放大器(6)和所述第二放大器(7)的输出端并且具有传递所述信号U的输出。
2.根据权利要求1所述的角度传感器，其中：
所述第一灵敏度方向和所述第二灵敏度方向包括角度δ，
所述电子电路被配置成通过提供I1＝I*sinδ*cosθ作为所述第一偏置电流I1并且提供I2＝I*(sinδ-cosδ)*sinδ*sinθ作为所述第二偏置电流并改变角度θ来旋转所述角度传感器的灵敏度方向，其中量I表示标称电流强度，量θ表示角度，以及
所述电子电路还被配置成将所述角度α确定为α＝θ-90°或α＝θ+90°。
3.根据权利要求2所述的角度传感器，其中，所述角度δ为90°。
4.一种测量角度α的方法，所述角度α描述磁场在平面中的方向，所述方法包括：
提供第一磁场传感器(1)，所述第一磁场传感器(1)具有第一灵敏度方向并且传递第一电压U1，
提供第二磁场传感器(2)，所述第二磁场传感器(2)具有第二灵敏度方向并且传递第二电压U2，
将第一偏置电流I1提供给所述第一磁场传感器(1)，
将第二偏置电流I2提供给所述第二磁场传感器(2)，
形成信号U，所述信号U与所述第一电压U1和所述第二电压U2之和成比例，
调节所述偏置电流I1和所述偏置电流I2直到信号U等于0为止，以及
基于当所述信号U等于0时所述偏置电流I1和所述偏置电流I2的经调节的值来确定所述角度α。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，
通过以下方式来调节所述偏置电流I1和所述偏置电流I2直到所述信号U等于0为止：提供所述第一偏置电流I1如I1＝I*sinδ*cosθ并且提供所述第二偏置电流如I2＝I*(sinδ-cosδ)*sinδ*sinθ，其中量I表示标称电流强度，量θ表示角度，量δ表示所述第一灵敏度方向和所述第二灵敏度方向所成的角度；改变所述角度θ直到信号U等于0为止，以及
将所述角度α确定为α＝θ-90°或α＝θ+90°。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述角度δ为90°。
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