CN108072318A - 测量绝对角位置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及测量绝对角位置。一种磁传感器布置(100、150、220)，其包括：磁体组件(25、31)和磁传感器(6)；所述磁体组件(25、31)在所述磁传感器(6)的位置形成具有至少两个具有不同角度周期性的磁场分量(Bp、Bs)的磁场，以及所述磁传感器(6)包括用于感测不同磁场分量(Bp、Bs)以产生至少第一和第二传感器元件信号的装置；以及计算元件，其用于接收所述至少第一和第二传感器元件的信号且组合它们以产生磁体相对于所述传感器的唯一角位置。还提供了一种确定唯一角位置的方法。

Description

测量绝对角位置
技术领域
本发明涉及使用磁场的角位置传感器的领域。更具体而言，本发明涉及使用特定磁体确定在0°到360°范围内的角位置的非接触布置和方法，以及传感器设备和这种磁体。
背景技术
旋转角的测量在诸如手动电开关或者电机或阀等的位置检测之类的各种应用中被需要。根据成本和精度的限制，可以通过各种方法来实现这个任务，诸如机械接触、电位器、光学编码器或磁性编码器。
现代集成电路技术提供了在单个芯片上集成磁传感器及其读出电路和角度计算电子设备的可能性。这允许以有竞争性的成本和良好的性能提供机械旋转的检测器，该检测器由附连到转子的永磁体和附连到定子的单片集成传感器(monolithicallyintegrated sensor)组成。在转子与磁体之间以及在定子与传感器之间没有机械接触允许传感器的密封封装。这允许在恶劣的环境条件下进行无磨损的角度测量。
随着电气系统的紧凑性的增加，特别是在随着混合动力发动机系统的到来的汽车中，这样的位置传感器被附加地暴露于来自邻近的承载强电流(例如，大于100A)的电流导体的外部磁场。为了在这种条件下保持高感测精度，传感器可以由铁磁屏蔽来屏蔽，或者应该朝向这样的场被制成内在地稳健。
EP0916074B1描述了一种能够测量从0°到360°范围内的角度的角位置传感器。
US20020021124描述了使用用于使磁场线弯曲的一个或多个所谓的磁场聚集器(简称为“IMC”)结合位于该IMC下面的水平霍尔元件或成切线地位于该IMC边缘的垂直霍尔元件的位置传感器。
由本发明的同一申请人提交的WO2014029885(A1)(进一步缩写为WO'885)描述了一种用于测量角位置的布置，其包括多极磁体和包括布置在圆上的多个传感器元件的传感器。用于计算角位置的两种算法被公开。尽管其中描述的传感器提供了诸如对外部场(“外场”)的不敏感性之类的几个有利的特征，但是这种布置的缺点在于角位置范围仅限于360°的整数分数，即对于四极磁体为180°，对于六极磁体为120°，和对于高阶磁体为甚至更小的度数。
发明内容
本发明的目的是提供用于测量转子相对于定子的绝对角位置的一种布置、方法和传感器设备，该传感器设备对不需要的外部磁场(“外场”)基本上不敏感且具有360°的测量范围。
该目的通过根据本发明的各实施例的布置和方法来实现。
在第一方面，本发明提供了一种磁传感器布置，其包括磁体组件和磁传感器。该磁体组件被布置成使得其在磁传感器的位置形成具有至少两个具有不同角周期性的磁场分量的磁场，并且磁传感器包括用于感测不同磁场分量以产生至少第一和第二传感器元件信号的装置。该磁传感器布置还包括用于接收至少第一和第二信号的且用于组合它们以产生磁体相对于传感器的唯一角位置的计算元件。
这种磁传感器布置的优点在于可以提供全360°范围内的角度。
本发明的实施例的优点在于，该布置对恒定的外部磁场非常不敏感(稳健)。
在本发明的实施例中，磁体组件可以是单个磁体，意味着是磁化材料的连续元件。
在本发明的实施例中，磁体组件可以具有两个或更多个不同幅值的磁极。磁体组件可以具有不同的扇区(sector)，并且不同的幅值可能是磁体组件的差分(differential)扇区磁化的结果。在本发明的实施例中，差分扇区磁化可以是不同扇区磁化强度或不同扇区区域或其组合的结果。
在本发明的实施例中，磁体组件可以是或包括永磁体。在替换的实施例中，磁体组件可以是线圈的布置，以及磁体控制器。在后面的实施例中，磁体组件可以具有两个或更多个不同幅值的磁极，且磁体控制器可以向线圈的电流提供不同的电压以形成不同幅值的磁极。
在本发明的实施例中，磁传感器可以包括两个或更多个传感器元件。
在本发明的实施例中，计算元件可以包括用于组合第一和第二传感器元件信号的电路。
在本发明的特定实施例中，磁传感器具有表面和两个或更多个感测元件，这些感测元件提供电输出且设置在磁传感器的表面。感测元件的电输出可以被线性组合以产生第一和第二信号。磁场感测元件可对垂直于表面的或平行于表面的或其组合的磁场敏感。
在本发明的实施例中，计算元件装置不包括傅里叶变换电路。
在第二方面，本发明提供了一种确定磁体组件相对于传感器的唯一角位置的方法，该磁体组件在磁传感器的位置形成具有至少两个具有不同角周期性的磁场分量的磁场，并且磁传感器包括用于感测的装置和计算元件。该方法包括下列步骤：使用用于感测磁传感器的装置来感测不同的磁场分量以产生至少第一和第二传感器元件信号，以及使用计算装置来接收所述至少第一和第二传感器元件信号且组合它们以产生所述唯一角位置。至少一个传感器可以被使用来感测所述至少第一和第二传感器元件信号。
本发明的特别的和优选的方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征以及其他从属权利要求的技术特征适当地结合，而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。
出于对本发明以及相对现有技术所实现的优势加以总结的目的，上文描述了本发明的某些目的和优势。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本发明的任意特定实施例而实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到本发明可按实现或优化本文所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定要实现本文可能教导或建议的其他目的或优势。
参考本文以下描述的实施例，本发明的上述和其他方面将是显而易见的和可阐明的。
附图说明
现将参照附图通过示例来进一步描述本发明，其中：
图1是WO'885中图2的副本且示出了使用四个极的盘形磁体用于在180°范围内的绝对角位置测量的现有技术布置。根据磁极的数量、所使用的传感器元件的数量和算法，该传感器布置对于恒定的外部干扰场非常不敏感。
图2是WO'885中图24的副本且示出了类似于图1那样但代替了恒定外部场而示出由电流导线引起的外部场的现有技术布置。根据磁极的数量、所使用的传感器元件的数量和算法，该传感器也对于具有场梯度的外部干扰场不敏感。这个现有技术传感器的测量范围也是180°。
图3是WO'885中图6的副本且示出了在俯视图(图3的底部)和侧视图(图3的顶部)中示出的具有中心开口的四极环形磁体的示例。图3还示出了在位于距离磁体一距离的平面中的现有技术的传感器设备的传感器元件的示例性位置。
图4是WO'885中图7的副本且示出了在磁体表面以下3mm的距离处的图3的四极环形磁体的切向场分量"Bt"的模拟。外圆和中间圆对应于环形磁体的外直径和内直径。内圆对应于放置传感器元件的假想圆。
图5是WO'885中图15的副本且示出了作为(如可被在A-A线上测量的)半径的函数的图4的切向磁场分量"Bt"的强度。
图6是WO'885中图9的副本且示出了在磁体表面以下3mm的距离处的图3的四极环形磁体的径向场分量"Br"的模拟。与图4中相同的环被示出。
图7是WO'885中图14的副本且示出了作为(如可被在A-A线上测量的)半径的函数的图6的径向磁场分量"Br"的强度。
图8是WO'885中图11的副本且示出了在磁体表面以下3mm的距离处的图3的四极环形磁体的轴向场分量"Bz"的模拟。与图4中相同的环被示出。
图9是WO'885中图13的副本且示出了作为(如可被在A-A线上测量的)半径的函数的图8的轴向磁场分量"Bz"的强度。
图10示出了根据本发明的第一实施例的布置。它包括磁体和传感器设备，该磁体由四极子和单偶极子组成，该传感器设备包括布置在第一圆上的多个主传感器元件。由四极子生成的磁场被称为主磁场"Bp"。由偶极子生成的场被称为次级磁场"Bs"。
图11示出由单圆柱形偶极子生成的磁场的典型示例。该场的下部分是由传感器元件“看见”的场。
图12(a)示出具有主传感器元件的第一圆的放大图，并且示出了由图10的圆柱形偶极子生成的次级磁场“Bs”的XY平面中的场线。它还示出具有传感器元件的半径以及离开偶极子的距离的典型相对尺度。
图12(b)示出了作为距离的函数的由偶极子生成的次级磁场“Bs”的典型幅度曲线。
图12(c)和图12(d)分别示出这个次级磁场Bs对由切向地或径向地取向的垂直霍尔元件所测量的主信号的和值和差值的影响。
图13(a)和图13(c)是由图10的四极子生成的主磁场“Bp”的轴向场分量“Bz”的计算机模拟。
图13(b)和图13(d)是包括由图10的四极子生成的主磁场“Bp”和由偶极子生成的次级磁场“Bs”的组合磁场的轴向场分量“Bz”的计算机模拟。
图14(a)示出由四极子生成的图13(a)的主磁场“Bp”的轴向场分量的“Bz”信号的示例。
图14(b)示出图13(c)的组合的主磁场和次级磁场的轴向场分量的“Bz”信号的示例。
图14(c)示出了如通过使用特定公式来相加或相减像图14(a)中所示的信号以及它们的相移版本的信号可得到的第一和第二区别信号“diff1”和“diff2”。
图14(d)示出了基于图14(b)的信号及其相移版本的第一和第二区别信号“diff1”和“diff2”。
图15示出了作为本发明的第二个实施例的第二布置。这种布置包括由四极子和两个相同圆柱形偶极子组成的永磁体，所述两个相同圆柱形偶极子位于在离开旋转轴的相同距离处的旋转轴的相对侧且以相反方向取向。
图16(a)示出了由图15的两个偶极子生成的次级磁场“Bs”的XY平面中的场线(未示出四极子的场)。
图16(b)和图16(c)示出这个次级磁场Bs对由切向地或径向地取向的垂直霍尔元件所测量的主信号的和值和差值的影响。
图17示出根据本发明的实施例的用于计算在0°至360°范围内的角位置的方法的流程图。前两个步骤与作为“第二算法”的在WO'885中的描述完全相同。这些步骤在四极子的情况下提供0°至180°范围内的角度α1。其余的步骤被用于使用次级磁场将主角α1转换成0°至360°范围内的角。
图18示出了使用布置成用于测量由四极子生成的旋转对称磁场的径向分量“Br”的(相同)垂直霍尔元件可以如何确定(由图15的两个偶极子生成的，与在校正步骤174之后(即，在“去除”由四极子生成的主磁场“Bp”之后)从主传感器元件得到的信号对应的)图16的次级磁场的取向(本文称为“次级角α2”)。
图19示出了使用布置成用于测量由四极子生成的旋转对称磁场的切向分量“Bt”(相同)的垂直霍尔元件可以如何确定(由图15的两个偶极子生成的，与在校正步骤174之后(即，在“去除”由四极子生成的主磁场“Bp”之后)从主传感器元件得到的信号对应的)图16的次级磁场的取向(本文称为“次级角α2”)。
图20(a)至图20(g)示出了外部干扰场对在图18和图19中确定的次级角α2的影响。
图21是图18的变体，且图22是图19的变体，示出由图32或图33所示的两个外部环形段生成的次级场"Bs"的场线，对应于在校正步骤174之后(即，在“移除”由四极子生成的主磁场"Bp"之后)从主传感器元件得到的信号。
图23示出两个像图14(b)中的信号的"Bz"信号和它们的相移版本的比较如何可被用于将主角α1转换为在全360°范围中的角。
图24示出作为本发明的第三个实施例的另一个示例性布置。该装置包括由四极子和三个相同的圆柱形偶极子构成的永磁体，三个偶极子中至少两个取向在不同的方向上。
图25至图30示出可以在本发明的实施例中使用的传感器设备的多个示例。
图25示出根据本发明的实施例的传感器设备，其具有布置在第一圆上的且取向为测量在XY平面中的径向场分量"Br"的以垂直霍尔元件的形式的八个主传感器元件，以及具有可选地布置在第二圆上用于测量垂直于XY平面的垂直场分量"Bz"的以两个附加水平霍尔元件的形式的多个至少两个的次级传感器。
图26示出根据本发明的实施例的传感器设备，其具有布置在第一圆上的且取向为测量在XY平面中的切向场分量"Bt"的以垂直霍尔元件的形式的八个主传感器元件，以及具有可选地布置在第二圆上用于测量垂直于XY平面的垂直场分量"Bz"的以水平霍尔元件的形式的多个至少两个的次级传感器。
图27(a)示出了根据本发明的实施例的传感器设备的俯视图，其具有八个水平霍尔元件，且还包括以中心盘和多个细长带的形式的集成磁场聚集器，霍尔元件布置在中心盘下。这幅图与WO'885的图26类似，但是传感器元件和带的数量是不同的，且计算角度的算法是不同的。图27(b)示出传感器元件和它们的信号。
图28(a)示出图27(a)的俯视图所示的传感器设备的变体的俯视图。八个主传感器元件位于细长带之下。这幅图与WO'885的图27类似，但是传感器元件和带的数量是不同的，且计算角度的算法是不同的。图28(b)示出传感器元件和它们的信号。
图29示出了根据本发明的传感器设备的实施例，其具有八对水平霍尔元件且还包括以环形段的形式的集成磁场聚集器(IMC)，该环形段设置在第一圆的上方。这幅图与WO'885的图19类似，但是传感器元件和带的数量是不同的，且计算角度的算法是不同的。
图30示出图29的实施例的变体，进一步包括多个至少两个的布置在第二圆上的次级霍尔元件。
图31至图59示出可以在本发明的实施例中使用的磁体的多个示例。
图31示出具有非恒定厚度的四极子盘形磁体的示例。
图32和图33示出具有以4极盘形磁体的形式的中心部分以及以在垂直方向上(在附图的深度方向上)磁化的两个环形段的形式的外部部分的磁体示例。
图34示出非规则的4极盘形磁体的示例，其具有四个恒定厚度的盘形段，但是至少两个盘形段具有不同尺寸。
图35示出具有偏心磁化的非规则的四极子盘形磁体的另一个示例。该磁场将被安装使得磁场的几何中心位于转子的旋转轴，但磁场的“零点”偏离所述旋转轴。
图36(俯视图)和图37(立体图)示出可被用在本发明的实施例中的永磁体组件，该磁体组件由四个离散的圆柱形偶极子磁体组成，两个为第一尺寸且两个为与第一尺寸不同的第二尺寸，这些偶极子通过诸如环氧树脂或聚合物之类的粘合材料保持在一起。主磁场是四极子，次级磁场是两个垂直偶极子的组合。
图38(俯视图)和图39(立体图)示出可被用在本发明的实施例中的永磁体组件，该磁体组件由四个离散的圆柱形偶极子磁体组成，其中三个为第一尺寸，一个为与第一尺寸不同的第二尺寸。主磁场是四极子，次级磁场是单个垂直偶极子。
图40是可被用在本发明的实施例中的非规则的四极子的俯视图，该四极子呈现磁体组件的形式，该磁体组件由全部取向在相同的直立位置(例如，相对于传感器平面的90°以下)的相同尺寸的仅四个离散的圆柱形偶极子磁体组成。三个偶极子位于具有位于旋转轴上的中心的圆上，但是偶极子中的一个相对于所述圆向内或向外径向偏移。
图41是可被用在本发明的实施例中的非规则四极子的立体图，该四极子呈现磁体的形式，该磁体由全部位于具有位于旋转轴上的中心的圆上的相同尺寸的仅四个离散的圆柱形偶极子磁体组成。三个偶极子平行于传感器的平面取向，偶极子中的一个相对于垂直传感器平面的所述方向以10°至90°的范围内的角度倾斜。
图42(俯视图)示出可被用在本发明的实施例中的永磁体组件，该磁体组件由六个圆柱形偶极子磁体组成的，第一尺寸的四个(内部)圆柱形偶极子一起形成了四极子，且第二尺寸的两个(外部)圆柱形偶极子生成次级磁场。旋转轴正好位于两个偶极子的中间。
图43是图42所示磁体组件的变体，由相同的圆柱形磁体组成，但是两个外部磁体非对称性对准。这个磁体组件也可以用于本发明的实施例中。
图44至图48示出可被用于本发明的实施例中的磁体的多个示例，该磁体具有以4极环形磁体的形式的内部部分和以环形段形式的两个外部段。
图49示出可被用于本发明的实施例中的磁体，该磁体包括以4极环形磁体的形式的内部部分和以梁的形式的位于环形磁体的外侧的两个偶极子。
图50至图55是可被用于本发明的实施例中的图44至49所示磁体的变体，该磁体具有以4极环形磁体的形式的外部部分，以及用于形成旋转对称的次级磁场的以环形段或梁的形式的内部部分。
图56至图60示出可被用于本发明的实施例中的磁体组件的多个示例，且该磁体组件适用于形成旋转对称的6极(具有120°的周期性)，以及用于形成旋转非对称的次级磁体的一个或两个或三个垂直偶极子。这些磁体将与具有十二个主传感器元件(4组×3个元件/组)的传感器设备结合使用。
这些附图只是示意性且非限制性的。在附图中，出于说明性目的，一些元件的尺寸可被放大且可能未按比例绘制。尺度和相对尺度并不必然对应于对本发明实践的实际简化。
权利要求书中的任何附图标记不被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或可比拟的元件。
具体实施方式
将相对于具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。
说明书和权利要求书中的术语第一、第二等被用于区分类似元件，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或其它方式上的顺序。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他顺序来操作。
此外，在说明书和权利要求书中的诸如顶部、底部、前部、后部、前缘、尾缘、下方、上方等之类的方向性术语被用于参考正被描述的附图的方向的描述性目的，而不一定是用于描述相对位置。因为可以以数个不同的取向来放置本发明的实施例的各部件，所以仅出于说明的目的使用方向性术语且决不作为限制，除非另有说明。因此，应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他取向来操作。
要注意，权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限定其后列出的装置；它并不排除其他元件或步骤。因此，其解读为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件、或其群组的存在或添加。因此，措词“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由部件A和B构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的相关部件是A和B。
贯穿本说明书提及“一个实施例(one embodiment)”或“实施例(an embodiment)”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方的出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定全部引述同一实施例，而是可能引述同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员会从本公开中显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开以及辅助对各个创造性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时在单个实施例、附图或其描述中被编组在一起。然而，这种公开方法不应被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映，各创造性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，在详细描述之后的权利要求书由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些而不是其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内并且形成不同实施例，如本领域技术人员所理解的那样。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用不应当用来暗示该术语在本文中被重新定义以受限于包括与所述术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。
在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
当参考“外磁场”、或“不需要的场”或“干扰场”或“外场”或“杂散场”时，是指不是由磁传感器布置的磁体引起的磁场。
使用“相对于旋转轴的旋转对称场”是指在磁场围绕所述旋转轴旋转等于被称为周期性的360°的整数分数的角度(特别地在4极磁体的情况下为180°、在6极磁体的情况下为120°，等)之后该磁场看起来相同。
使用“相对于旋转轴的旋转非对称场”是指该场相对于所述旋转轴不是旋转对称的，意味着周期性是360°。
使用“恒定外部场”或“均匀外部场”是指具有恒定幅度和恒定方向的场。这样的场可以被描述为恒定矢量(Bxo,Byo,Bzo)。
使用“具有恒定梯度的场”是指具有随距离线性变化的幅度的场。这样的场可以由(Bx0+GradX*x,By0+GradY*y,Bz0+GradZ*z)来描述，其中Bxo、Byo、Bzo、GradX、GradY和GradZ是常数，x、y、z是坐标。
在本申请中，术语“磁体”或“磁体组件”或“磁体结构”用作同义词。磁体可以是永磁体，或者可替换地是线圈和磁体控制器的布置。
在本申请中，术语“规则的盘形磁体”是指诸如图1所示的那样的盘形磁体，其中每个盘形段(disk segment)具有相同的厚度，由相同的材料制成，限定相同角度(在4极的情况下为90°，在六极的情况下为60°)的段，磁化强度的中心与盘形的几何中心对齐等。
对于“规则的环形磁体”，可以给出类似的定义，其中磁体则不具有盘形而是环形的。
在本申请中，术语“不规则盘形磁体”是指具有至少一个不规则性的盘形磁体，例如，非恒定的厚度，和/或限定不同角度的段、磁化强度的中心不与盘形的几何中心部对齐等。
在本申请中，参考“算法2”或“第二算法”，是参考公式[2](参见进一步)，或者在具有四极子的磁体的情况下，参考公式[3]至[10]的组集或公式[11]至[14]的组集或公式[15]至[16]的组集，或等效公式。
在本文件中，术语“四极子(quadrupole)”或“四极(four-pole)”或“4极”或“具有四极的多极”被用作为同义词。
在本文件中，术语“XY平面”和“传感器平面”和“由第一圆定义的平面”被用作为同义词。
本发明是对被认为是最接近的现有技术的由本发明的相同申请人提交的WO'855(A1)中公开的内容的进一步改进。对这个公开的良好理解对于充分理解和领会本发明至关重要。WO'855的全部文件通过引用并入本文中。对于不允许这种并入的管辖区域，那个公开的摘要被认为是足够的。如有必要，有兴趣的读者可以咨询WO'885了解更多信息。
图1示出了用于在180°范围内的绝对角位置测量的现有技术布置1。布置1包括在恒定外部场Bfremd中的四极子盘形磁体5和包括布置在圆上的多个传感器元件的传感器设备6。该图是WO'885中图2的副本，在该文本中描述了用于确定角位置的两种算法，称为“算法1”和“算法2”。简而言之，算法1归结为公式：
arctan(Σ(Si)/Σ(Ti)) [1],
以及算法2归结为公式：
arctan((Σ(Si)-Σ(Ui))/(Σ(Ti)-Σ(Vi)) [2],
其中Si、Ti、Ui、Vi表示从具有特定几何关系的传感器元件得到的信号，如WO'885描述的那样。公式[2]在本文中也被称为“和的差值的比的反正切”。
虽然本发明不限于四极子以及具有八个传感器元件的传感器，但是为了提供更好的理解，下文描述的大多数示例涉及四极子。
如果图1的磁体5是规则的四极子，“第二算法”也可以由以下方程组表示：
sum1＝S1+S2 [3]
sum2＝T1+T2 [4]
sum3＝U1+U2 [5]
sum4＝V1+V2 [6]
diff1＝sum1-sum3 [7]
diff2＝sum2-sum4 [8]
R＝diff1/diff2 [9]
α1＝(arctan R)/2 [10]
或者由以下方程组表示：
diff1＝(S1+S2)-(U1+U2) [11]
diff2＝(T1+T2)-(V1+V2) [12]
R＝diff1/diff2 [13]
α1＝(arctan R)/2 [14]
或者由任何其他的等价方程组表示，例如：
R＝(U1+U2-S1-S2)/(V1+V2-T1-T2) [15]
α1＝(arctan R)/2 [16]
仍然参考图1，根据磁极的数量、所使用的传感器元件的数量和“第一或第二算法”(分别对应于公式[1]和[2])，现有技术的传感器设备6通过测量由四极子磁体产生的磁场可以确定磁体相对于传感器设备的角位置α1并由此确定转子相对于定子的角位置。这种确定对于均匀的外部干扰场是非常不敏感的。在这方面参考了WO'885的表1，其显示了这种布置的最重要特征的概述。
在本发明中，仅使用“第二算法”(即算法2)，但是为了避免混淆，在本文中仍然将其称为“第二算法”，即使它是在本发明中使用的计算主角(primary angle)α1的唯一算法，或者更准确地说：根据本发明的方法将使用这种“第二算法”作为步骤之一(图17中的步骤172)，但是将添加进一步的步骤。
图2示出了类似于图1那样的现有技术布置1，但是替代了恒定的外部场，示出了由电流导线引起的外部场Bfremd。根据磁极的数量、所使用的传感器元件的数量和算法，现有技术的传感器设备6也对于具有场梯度的外部干扰场(即，具有随距离变化的幅度)不敏感。该附图是WO'885中的图24的副本。这个现有技术传感器设备6的测量范围是180°。
图3示出了包括规则四极环形磁体15和传感器设备的现有技术布置的示例，规则四极环形磁体15以俯视图(图3底部)和侧视图(图3顶部)示出且具有中心开口，传感器设备具有安装在距离磁体15的一距离d1处的平面XY中的圆上的多个传感器元件“E”。这是WO'885中的图6的副本。
图4示出了在磁体表面以下3mm的距离处的图3的四极环形磁体15的切向场分量"Bt"的模拟。外圈和中圈对应于环形磁体15的外直径和内直径。内圆对应于放置传感器元件E的假想圆。这是WO'885中的图7的副本。虽然未示出，但是在圆8上的不同位置处测量的切向场分量"Bt"以正弦方式变化。
图5示出了作为传感器元件E安装在其上的圆8的半径r的函数的图4的切向磁场分量"Bt"的强度。该附图是WO'885中的图15的副本。该附图有助于解释适用于测量切向场Bt的传感器对位置误差非常不敏感。它还表示，“Bt”的信号幅度随着半径8的减小而减小，意味着能够测量切向场的传感器设备(原则上)可以被缩小到非常小的尺寸。并且实际上，对于所设想的传感器设备，传感器元件所位于的半径优选地在100微米至2500微米的范围内，例如在200微米至2500微米的范围内。
图6示出了在磁体表面以下3mm的距离处的图3的四极环形磁体的径向场分量的模拟。与图4中相同的环被示出。这是WO'885中的图9的副本。虽然未示出，但是在圆8上的不同位置处测量的径向场分量"Br"以正弦方式变化。
图7示出了作为传感器元件E安装在其上的圆8的半径r的函数的图6中的径向磁场分量"Br"的强度。这是WO'885中的图14的副本。该附图有助于解释适用于测量径向场Br的传感器也对位置误差非常不敏感。它还示出“Br”的信号幅度随着半径8的减小而减小，因此，这个设备(原则上)也可以被缩小到非常小的尺寸。
图8示出了在磁体表面以下3mm的距离处的图3的四极环形磁体的轴向场分量"Bz"的模拟。与图4中相同的环被示出。这是WO'885中的图11的副本。虽然未示出，但是在圆8上的不同位置处测量的轴向场分量"Bz"以正弦方式变化。
图9示出了作为传感器元件E安装在其上的圆8的半径r的函数的图8中的轴向磁场分量"Bz"的强度。这是WO'885中的图13的副本。如图所示，信号幅度不随半径线性变化。这个曲线图显示了这类传感器对位置误差更敏感。
即使在WO'885中描述并在图1至图9中示出的传感器布置具有非常有利的特征，特别是：高灵敏度，对位置偏移误差没有敏感性或低灵敏度，对均匀的外部场(外场)没有或低灵敏度，以及对具有场梯度的外部场的低灵敏度，它具有一个主要的缺点：其测量范围有限，对于四极子磁体组件仅为180°，对于六极磁体组件为120°；通常地对于具有N个磁极的磁体布置为360°/(N/2)。
本发明的发明人面临的问题是找到一种在全360°范围内允许测量角度而不会失去由先前发明提供的所有优点的方法。他们惊奇地发现，不再将外部场视为一个问题，即需要被“过滤掉”的场使得其不会被测量到。与先前发明完全相反，他们决定故意引入相对于转子轴线的不旋转对称的次级磁场“Bs”，并且使用该次级磁场“Bs”来解决角度不确定性(即，180°是否应该被加入使用四极子磁体组件的情况中，0°或120°或240°是否应该被加入六极磁体组件的情况中；或者一般地，360°/(N/2k)是否应该被加入到N极磁体组件的情况中的测量，其中k为整数)。这是本发明的底层概念中的一个概念。
图10示出了作为本发明的第一实施例的布置100。该布置100包括磁体组件25和传感器设备6。该磁体组件25在磁传感器6的位置处形成具有至少两个具有不同角度周期性的磁场分量的磁场。在所示的实施例中，该磁体组件25包括以任何合适的方式(例如借助于环氧树脂或聚合物(未示出))固定地连接在一起的规则四极子26和单个圆柱形偶极子27。如图所示，转子2的旋转轴4穿过四极子26的中心，并穿过传感器元件所位于的圆8的中心。由于之后将变得清楚的原因，在示出八个传感器元件的示例中，传感器元件所位于的圆8被称为“第一圆”，并且在以45°角距离示出的示例中，位于第一圆上的传感器元件被称为“主传感器元件”。
由四极子26生成的磁场被称为“主磁场”。该场相对于具有180°的周期性的旋转轴4旋转对称，并且主传感器元件以与WO’855(使用“第二算法”)完全相同的方式被用于计算在0°至180°范围内的角度α1，在本文中被称为“主角”。
但是，与现有技术相反，由传感器设备6看见的磁场不仅是由四极子26生成的场，而且还是这个主磁场“Bp”与由圆柱形偶极子27产生的次级磁场“Bs”(该磁场不是关于旋转轴4旋转对称的)的叠加，因为偶极子27被偏心地安装。
图11示出了本领域本身已知的单个圆柱形偶极子生成的磁场的典型示例。该场的下部分是由传感器元件“看到”的场。
图12至图14将用于示出结合算法2，这个次级磁场"Bs"很大程度上(虽然不完全)地被第一圆8上的主传感器元件“过滤掉”，因此不会显著影响主角α1的测量。
图12(a)(在左手边)示出放大视图的图10中的具有“主传感器元件”(以黑点表示)的“第一圆”8和由圆柱形偶极子27生成的次级磁场"Bs"的俯视图。箭头表示XY平面中的次级磁场Bs的场线，虚线圆圈段表示XY平面中的次级场Bs的等电势面。如本领域已知的，垂直于偶极子27的纵向轴线的平面XY中的图11的偶极子27的场线径向地取向，并且磁幅度随着离开偶极子27的距离的增加而减小。
图12(b)示出了在XY平面中的位置处测量的由偶极子27生成的次级磁场“Bs”的径向分量“Br”和切向分量“Bt”的典型幅度曲线。
图12(c)和图12(d)分别示出该次级磁场Bs对由切向地或径向地取向的垂直霍尔元件测量的主信号的和值和差值的影响。
如可见的，至少一些和值和差值不完全等于零，因此，由偶极产生的次级磁场Bs将影响主角α1的测量，但是，当考虑到第一圆8(相对小的)尺度和传感器元件与圆柱形偶极子27的纵向轴之间的(相对大的)距离，并且当考虑到偶极子27的场线时，可以理解，影响其实非常小，使得如果Bs/Bp的最大比(如可被传感器元件测量)至少为因子50，优选地至少为因子100时，主角α1的误差被估计为小于0.5度，例如处于0.1度的数量级。通过减小圆8的半径和/或通过减小(由偶极子27生成的)次级磁场Bs相对于(由四极子26生成的)主磁场Bp的场强，和/或通过增加旋转轴4和偶极子27的纵向轴之间的距离，该误差可被进一步地减小。
然而，不是所有的应用都需要0.5°的角度精度，并且对于允许例如约1°至2°的角位置误差的应用，传感器元件与圆柱形偶极子27的纵向轴之间的距离与第一圆8的直径的比率d3/d1可以适当地被选择为例如小于因子10.0，例如在3.0至9.0范围内的因子(例如为约8.0或约6.0或约4.0)。
图13(a)是由图1的规则四极子5(被单独使用，即不存在如图10中的圆柱形偶极子)生成的主磁场"Bp"的轴线场分量"Bz"的计算机模拟所得到的强度描绘。第一圆8上的传感器元件的位置由"+"符号指示。
图13(c)示出与图13(a)的强度场对应的场线。如可认识到的，主磁场Bp关于具有180°(不是如黑白附图可能错误地提示的90°)周期性的(在中心的)旋转轴是旋转对称的。
图13(b)是由图10的永磁体组件25生成的磁场的轴向场分量“Bz”的示例性的强度描绘，该磁场是由四极子26生成的主磁场“Bp”和垂直安装的圆柱形偶极子27生成的次级磁场“Bs”的叠加。如可见的，这个组合场(Bp和Bs)完全不同于图13(a)所示的那样，且不是关于(在第一圆中心的)旋转轴4旋转对称。
图13(d)示出与图13(b)的强度场对应的场线。如可见的，这些场线完全不同于图13(c)所示的那些场线。
图14(a)示出了与由多极磁体5生成的图13(a)中所示的主磁场Bp的轴向场分量“Bz”对应的信号，该信号将如图10中所示的在没有圆柱形偶极子27的情况下由在第一圆8上的单独主传感器元件来测量。其他主传感器元件将测量完全相同的信号，但是相移45°的整数倍(在存在8个主传感器的情况下)。如所见的，这是具有180°周期性的正弦信号(在磁体组件5是四极子的情况下)。
图14(c)示出使用像图14(a)那样的和它的相移版本的信号(只示出一个信号)、根据上述的公式[11]和[12]的第一和第二区别信号"diff1"和"diff2"。如所见的，在与如图14(a)的环境相同的环境下，这些区别信号是具有180°周期性的正弦信号。
图14(b)示出了与图13(c)所示的磁场的轴向场分量“Bz”对应的信号，该信号将在存在组合场的情况下由单个主传感器元件来测量，该组合场是由于多极(例如，四极子26)的主磁场Bp和由于偶极子27的次级磁场Bs的叠加。如可见的，该信号不具有180°的周期性。
图14(d)示出使用将由其他传感器元件测量的像图14(a)那样的和它的相移版本的信号(只示出一个信号)、根据上述的公式[11]和[12]的第一和第二区别信号"diff1"和"diff2"。
如可见的，这些区别信号diff1、diff2几乎与图14(c)的那些信号相同。因此，diff1和diff2的比率的反正切函数将给出对于没有偶极子存在的图14(c)和具有偶极子27存在的图14(d)的几乎相同的结果。这表明当与被称为“第二算法”的第二算法一起被使用时，具有八个主传感器元件的传感器设备6对由偶极子27生成的Bz场非常不敏感。
在描述次级磁场Bs如何可被用于计算360度范围内的角度之前，将示出本发明的永磁体可以包含多于一个单偶极子，例如，如图15中所示的两个偶极子、或如图24中所示的三个偶极子、或者甚至多于三个偶极子(未示出)。
图15示出了作为本发明的第二实施例的布置150。这个布置也包括在传感器设备6的位置形成具有不同角度周期性的磁场分量的磁场的永磁体组件25。在所示的实施例中，磁体组件25由规则四极子26和第一和第二圆柱形偶极子27、28组成，该第一和第二圆柱形偶极子在实施例中被示出为平行于旋转轴4取向(例如，垂直地)且在磁性上以相反方向取向的相同的圆柱形偶极子。在所示的实施例中，转子2的旋转轴4恰好布置在两个偶极子27、28之间的中间并且平行于它们的纵向轴。
四极子26以与上述相同的方式生成旋转对称且具有180°周期的主磁场“Bp”。两个偶极子27、28生成不具有180°周期的次级磁场“Bs”。
图16(a)是示出由图15中示出的布置150的偶极子27、28生成的次级磁场Bs的场线的示意图。
图16(b)示出针对具有以垂直霍尔元件形式的被取向成用于测量径向场"Br"的八个主传感器元件的传感器，由对称布置的偶极子27、28产生的磁极磁场Bs对于上述的"diff1"和"diff2"的公式的影响。如可见的，尽管事实上该场不是恒定的，但diff1和diff2的值令人惊奇地证明是正好为零。这意味着次级磁场“Bs”对主角α1的测量的影响被完全消除。此外，无论(主传感器元件所位于的)第一圆8的半径的尺度如何，都是如此。这暗示即使偶极子27、28之间的距离d4减小，主角α1的测量的精度也不会负面地受到次级场存在的影响，这意味着不仅传感器设备6可被小型化，而且磁体组件25本身可被小型化；此外，彼此无关是可能的。由于磁体的价格在很大程度上取决于它们的尺寸(或重量)，所以这意味着可优选使本发明的布置150如技术所允许的那样小。这是本发明的实施例的主要优点。
图16(c)示出了也用于支持具有以垂直霍尔元件形式的被取向成用于测量切向场“Bt”的八个主传感器元件的传感器设备6的相同表述，当使用“第二算法”时也看上去被具有八个传感器元件的传感器设备6完全消除。
图17至图23示出根据本发明的实施例的方法。图17是该方法的一般表示。图18至图20示出了第一具体实施例，其中使用从主传感器元件得到的信号测量或估计次级场Bs的角度α2。图21和22示出图32的磁体的相同原理。图23示出基于从水平霍尔元件得到的相移的Bz测量值的第二具体实施例，该水平霍尔元件可以是主传感器元件的部分或者可以是附加的传感器元件。
图17是示出用于计算转子2相对于定子的角位置α1的方法的流程图，其中该角度是0°至360°范围内的值。
尽管现在在传感器设备6的位置对于具有至少两个具有不同角度周期性的磁场分量的非旋转对称的磁场执行这些步骤，且由在转子2处的多极磁体和相对于转子2偏心地放置的至少一个圆柱形偶极子磁体形成的磁体组件生成该磁场，但是从主传感器元件得到的主传感器信号S1、S2、T1、T2、U1、U2、V1、V2的第一步骤171以及应用“第二算法”的第二步骤172(参见上述公式[2]至[16])是与如现有技术所做的相同。方法步骤171、172提供从0°至360°/(N/2)范围内的主角α1(其中N是在转子2的旋转轴的多极磁体的磁极数)，例如在四极子的情况下为0°至180°，在六极的情况下为0°至120°等。
在下一步骤173中，使用次级传感器元件测量由至少一个圆柱形偶极子磁体生成的次级磁场Bs。在一些实施例中(例如，传感器设备不具有附加的水平霍尔元件)，这个步骤173实际上与步骤171相同，在这种情况下，信号S1至V2也用作次级信号。在其它实施例中(传感器设备具有至少两个附加的霍尔元件XE1、XE2)，该步骤意味着使用这些至少两个附加的霍尔元件XE1、XE2来测量磁场，并且提供从至少两个附加的传感器元件得到的作为“次级信号”的传感器信号SE1、SE2(称为“二次信号”是因为它们包含关于“次级磁场”Bs的信息)。
该方法还包括校正在一些实施例中的次级传感器信号S1至V2或在其他实施例中的次级传感器信号SE1、SE2等，以消除由多极(例如，四个)生成的主磁场Bp的影响并用于提供校正信号的可选步骤174。注意到，该步骤是可能的，因为在这个阶段，主角α1是已知的(虽然在180°的范围内，但由于主磁场是具有180°周期性的旋转对称的，所以这不是问题)。
使用校正的信号是有利的，因为这降低了错误地估计次级磁场的取向的风险，并且增加了外部场的灵敏度。
在步骤175中，使用公式α＝α1+M.UA计算转子2相对于定子3的角位置α，其中UA是不确定性角或360°/(N/2)的周期性(例如，在四极子的情况下为180°、在六极的情况下为120°等)，其中N是多极的磁极数以及M为整数值0,1，...，其中M基于在一些实施例中可选地被校正的次级信号S1至V2或在另一些实施例中可选地被校正的次级信号SE1、SE2等来选择。
用于确定M值的计算可以通过例如包括比较、或找到最大或最小值的简单的布尔或算术运算来执行是有利的。
该公式背后的想法是基于对由偶极子生成的次级磁场Bs的取向(本文称为次级角α2)的估计来解决不确定性。如将进一步说明，可以以不同的方式进行这个估计，但本发明不限于仅有的这些具体方式，且其他方式也可以被使用。
图18示出对具有八个垂直霍尔元件的传感器设备6的用于确定次级磁场Bs的次级角α2的第一个具体示例，所述霍尔元件布置成用于测量由四极子生成的主磁场Bp的径向分量"Br"。假设在步骤174中至少对于信号S1至V2的子集去除了主磁场Bp的影响，所示出的仅是次级磁场Bs的场线。根据信号的幅度，可选的步骤174可以不是必须的。
在该示例中，从主传感器元件得到的单个信号S1至V2也用作为次级信号SE1至SE8。然后可以容易地确定第二角α2，例如通过找到产生最大正信号的主传感器元件。在所示的示例中，那将是对应于信号U1的传感器元件，因此，第二角α2将被选择为于对应于传感器元件的方向，在该示例中，指向图的左侧。代替找到最大值，也可以找到最低的值(最负的)，在这种情况下，它将是信号U2，然后选择相反的方向(再次向图的左侧)。由于存在N*2个传感器位置(其中N是多极的磁极数，例如，在四极子的情况下为八个传感器位置)且只存在被选择的极值(例如，一个最大值或一个最小值)，所以所得到的角度α2将是360°/(N*2)的整数倍(例如，对于八个传感器位置为45°的整数倍)，但是，因为第二角α2仅用于确定在步骤172中确定的是否需要将180°添加到主角α1，所以那是足够精确的。因此，对于实施例所示的具有取向成用于测量径向场“Br”的八个垂直霍尔元件的传感器设备6，不需要附加的霍尔元件来测量次级磁场Bs，只需要改变传感器设备的软件。
尽管图18示出了由两个偶极子生成的场线，但是应当理解，可选地校正信号S1至V2且找到可选地被校正的信号S1至V2的最大值或最小值的相同的步骤也可以被应用于确定由单偶极子生成的次级磁场的次级角α2(见图12a)。同样在这种情况下，对应于信号U1的传感器将产生最大值，因此传感器可以检测到图12(a)的指向左侧的次级场Bs。
取决于四极子26和一个或多个偶极子27、28(其对于给定磁体是固定的，并且可以在程序中被硬编码或存储在非易失性存储器中)的相对角位置(偏移)，可以针对该偏移校正第二角α2，且接着可以使用任何合适的距离标准(例如：最小角距离)，根据角度α1或α1+180°中的哪个角度最佳地对应于估计的和可选的偏移校正的角度α2来确定是否应该将180°添加到主角α1。
图19示出对具有八个垂直霍尔元件的传感器设备6的用于确定次级磁场Bs的次级角α2的第二个具体示例，所述霍尔元件布置成用于测量由四极子26生成的主磁场Bp的切向分量"Bt"。同样在这种情况下，可以找到八个主信号S1至V2中的最大值，在这种情况下将是信号S2。由此所得的次级角α2将是对应于S2的传感器元件中指示的箭头符号，其再次指向附图的左侧。因此，对于具有取向成用于测量切向场的八个垂直霍尔元件的这个传感器设备，也不需要附加的霍尔元件来测量次级磁场Bs。在最小值被找到的情况下，结果将是信号S1，且α2的方向将被选择为与箭头符号相反，因此再次指向图的左侧。再次，取决于多极磁体和偶极子的相对角位置(偏移)，可以接着确定角度α1或α1+180°中的哪个角度对应于估计和可选的偏移校正角度α2。
代替找到最大值或最小值，例如也可以通过考虑作为余弦信号的(U2-U1)和作为正弦信号的(S1-S2)，或者基于两个或更多个主信号的其他组合来找到次级磁场Bs的取向α2。
干扰场
在存在不需要的干扰场(外场)时，上述的本方法也工作得非常好，因为：
1)由“第二算法”(步骤172)确定的主角α1对于恒定的外部场是非常不敏感的(如WO'885中所述)，以及
2)次级角α2也可以以对外部场非常不敏感的方式来确定，如下面将要解释的。
参考图20，假设步骤172中计算出的主角α1是图20(a)所示的角度。这意味着“真实的”转子位置处于位置α1或位置α1+180°，如图20(b)所示。假设存在具有如图20(c)所示的幅度和大小的恒定的外部场Bfremd，并且假设次级角α2被确定为指向左侧并具有如图20(d)所示的幅度的矢量，那么实际的次级场Bs_真实将是取代图20(d)所示的估计的矢量的图20(e)中所示的矢量。然而，由于矢量Bs_估计与如图20(b)中所示的α1+180°相比“更接近”如图20(a)中所示的矢量α1，决定应该加上0°(即应选择M＝0的值)，得到正确的结果。
图20(f)示出了表示外部场Bfremd的矢量的其他几个示例，且图20(g)示出只要次级磁场的幅度Bs_真实大于外部场Bfremd的幅度，则进行选择(α1)而不是(α1+180°)作为最接近的角度的正确决定。从这些图可以理解，即使存在外部干扰场Bfremd(具有小次级磁场的幅度的幅度)，本发明的方法也可以在0°至360°的范围内为角度α提供精确和正确的结果。
应注意，估计次级场矢量Bs_估计可以用于提供外部场Bfremd的强度的估计。这是可能的，因为次级磁体部分的磁场强度是固定的(例如，在校准期间被预定义或被测量)，并且可以被硬编码或存储在非易失性存储器中。由此计算的外场Bfremd的强度值可以可选地由传感器输出，并且例如可以用作测量的可靠性的指示，这在一些应用中是重要的。
图21是对于图32或图33中所示类型的磁体组件31的图18的变体，其中主磁场由规则的4极盘形磁体32生成，且次级场由两个半环部分33生成。图21仅示出了在执行校正步骤174之后的次级场Bs的场线。注意的是，该次级磁场Bs的场线是均匀的，并且第二算法完全消除了该场，因此次级场Bs的存在不对与由四极子生成的主磁场Bp相关的主角α1的测量产生负面影响。与图18中解释的相同的原理也可以被用于此处以确定次级角α2。
图22是对于图32或图33的磁体组件31的图19的变型，示出了如何使用与第一圆切线取向的垂直霍尔元件来测量次级磁场的取向的另一示例。
从图12(a)至图12(d)和图16(a)至图16(c)、图18、图19、图21和图22，受益于本公开的技术人员应清楚，使用本发明的原理，因为具有第二算法的传感器布置对于这种次级场是高度或完全地稳健，所以主角α1可以在没有或仅有很小的存在次级场B的影响的情况下与WO'885中描述的相同的方式来测量，且应清楚由于主磁场的周期性，次级场Bs可用于解决有限的测量范围。在图12中示出单圆柱形偶极子，图16和图18示出一对圆柱形偶极子，且图21和图22示出一对半圆形偶极子。从这些示例，技术人员可以理解，次级磁体部分的形状可能对主角α1的精度有较小的影响，但是本文描述的所有实施例的角位置可以在360°全度范围内被确定。
图23将被用来解释如何使用来自至少两个或至少三个水平霍尔元件的信号来发现次级角α2，并且将进一步被描述。
图24示出了作为本发明的第三实施例的另一个示例性布置240。这种布置包括由离散的规则四极子41和三个单个的圆柱形偶极子42、43、44组成的永磁体组件40。偶极子42、43、44垂直地取向(即，垂直于四极子41的平面，在所示的实施例中的XY平面)，并且它们中的至少两个被取向在相反的方向上，在所示的实施例中，偶极子42和43被取向成与偶极子44相反。四极子41生成周期为180°的关于旋转轴4旋转对称的主磁场Bp。该三个偶极子42、43、44组生成关于旋转轴4不旋转对称的次级磁场Bs。
注意的是，如果三个偶极子42、43、44将全部被向上取向或全部被向下取向，即，将全部被以相同的方向取向，则次级场Bs将具有周期性为120°的旋转对称，其将不起作用。由该偶极子42、43、44组生成的磁场将是图12(a)中所示类型的三个磁场的叠加。与图15所示的两个偶极子组相反，由三个偶极子42、43、44生成的场将不会被“第二算法”完全消除，因此将在主角α1中引起小误差。如图12所述，当考虑真实尺度和场强时，该误差实际上很小，并且可以通过选择第一圆8的更小半径和/或在旋转轴线4与偶极子的纵轴之间的更大距离，和/或通过降低相对于主磁场Bp的次级磁场Bs的强度来被进一步减小。
在上述实施例中，传感器设备6具有以径向地或切向地取向的垂直霍尔元件的形式的八个主传感器元件，并且相同的主传感器元件或其子组也用于检测由更多一个的偶极子生成的次级磁场Bs，但这并不是绝对必需的。
图25中所示的传感器设备6具有布置在与第一圆8同心的第二圆9上的至少两个附加的水平霍尔元件XE1,XE2(仅示出其中的两个)。在该示例中，第二圆9的半径小于第一圈8的半径，但该半径也可以相同或更大。在该示例中，至少两个附加的霍尔元件XE1、XE2以约35°的角距离被示出，但这不是必需的，并且尽管优选保持该角度相对较小，例如在5°至45°的范围内，但在约5°至约175°的范围内的任何角度也将起作用。使用水平霍尔元件是有优势的，因为与垂直霍尔元件相比，它们提供更高的灵敏度并且具有更小偏移的特征。
该至少两个水平霍尔元件XE1、XE2提供指示磁体和传感器之间的总磁场(例如，图13(b)和图13(d)中所示的磁场的)的垂直场分量Bz的数值的信号SE1、SE2。
图23示出通过比较信号SE1和SE2(例如，通过找到两个信号的最大信号)，可以确定0°或180°是否应该被加入主角α1。在这个示例中，如果SE1>SE2，则在方法步骤175中，M被设定为等于0且0°将被加入主角α1。如果SE1<SE2，则在方法步骤175中，M设定为等于1，且180°将被加入主角α1。虽然在理论上这是正确的，特别是如果信号S1和S2几乎相同(在图23的示例中α1接近160°且接近340°的情况)，有时可能做出错误的决定，但是，因为如果例如信号SE1和SE2几乎相同，则SE1和SE3或SE2和SE3将会非常不同，所以通过使用至少三个水平霍尔元件XE1、XE2、XE3(未示出)可以容易地解决该问题。注意的是，因为向所有信号SE1、SE2和可选的SE3添加相同的值不会改变比较的结果，所以这个原理对恒定的外部场是高度稳健的。
因此，将至少两个附加传感器元件XE1、XE2添加到传感器6允许以对于恒定杂散场基本上稳健的方式找到次级角α2。使用至少三个附加传感器元件XE1至XE3将允许以对于具有恒定梯度的杂散场基本上稳健的方式找到次级角α2。
如图23中可见，信号SE1和SE2中的每个信号与图14(b)所示的组合磁场(主场Bp和次级场Bs)的信号Bz1和Bz2对应，即使没有(图17的)可选校正步骤174，也可以直接对次级信号SE1、SE2本身进行比较。在其他实施例中，在进行比较之前执行校正步骤174。
图26示出根据本发明的实施例的另一个传感器设备6。该传感器设备具有垂直霍尔元件形式VH1至VH8的八个主传感器元件和具有水平霍尔元件形式的三个附加次级元件XE1、XE2、XE3，垂直霍尔元件取向为用于测量切向场Bt且位于第一圆8上，水平霍尔元件位于与第一圆8同心的第二圆9上。第二圆9的半径可以被选择为小于、等于或大于主传感器元件所位于的第一圆8的半径。可以看出，附加传感器元件XE1、XE2、XE3的位置不需要与主传感器元件的位置相关，并且可以独立地被选择。当然，在步骤175中考虑所有传感器元件的相对角位置。这些相对位置通常被硬编码，因为它们独立于正被使用的磁体组件，但也可以被存储在非易失性存储器中。
次级传感器元件XE1、XE2、XE3提供指示在磁体和传感器之间的总磁场的垂直场分量Bz的值的信号SE1、SE2、SE3。这些值可以可选地被补偿以减去由四极子生成的对称场Bz的影响，但这不是绝对必需的。
关于0°或180°(在四极子的情况下)或更一般地360°/(N/2)(其中，N为多极磁体的磁极数量)是否应当被添加到主角α1，可以如有关图25所描述的基于信号SE1、SE2、SE3的比较。水平霍尔元件可以可选地在顶部具有IMC，但这不是必需的。使用与IMC组合的水平霍尔元件具有优点，因为IMC可以弯曲磁场线，允许水平霍尔元件测量在其他情况下该元件不能测量的信号。IMC以被动方式提供信号放大。
图27(a)和图27(b)示出了根据本发明的传感器设备6的实施例，其具有八个水平霍尔元件HH1至HH8，且还包括以中心盘11和多个径向取向的细长带10形式的集成磁场聚集器，霍尔元件布置在中心盘11下。这幅图与WO'885的图26类似，但是传感器元件和带的数量是不同的。图27(a)示出传感器设备的俯视图。图27(b)示出主传感器元件HH1至HH8及其信号S1至T1。
在使用该传感器确定0°至360°范围内的角度的方法中，主角α1在步骤172中将使用“第二算法”(例如使用公式[2]或公式[3]-[10]或公式[11]-[14]或公式[15]-[16])来计算。不需要附加的辅助传感器元件XE1、XE2等来测量图13(d)所示的Bz场，因为信号S1至V2已经包含关于次级场Bs的信息，因此主信号也可以用作次级信号SE1至SE8。这个实施例的优点在于它不需要专用的次级传感器元件，因为这节省了空间。
该方法的步骤174将意味着一旦确定了主角α1，从主传感器HH1至HH8所获得的值减去图13(c)中所示的场，但该步骤是可选的。然后，如上所述，例如通过找到各个传感器的最大(最大值)信号，或通过找到最小(最小值)，并通过根据这些角度中的哪一个最好地对应于次级磁场的取向α2将转子位置α选择为α1(在步骤175中为N＝0)或α1+180°(在步骤175中为N＝1)，且可选地考虑到磁体的主磁场Bp和次级磁场Bs之间的角偏移，信号SE1至SE8可以被用来确定次级磁场的取向。
图28(a)和图28(b)示出图27(a)和图27(b)所示的传感器设备的变形，其中八个主传感器元件HH1至HH8位于径向地取向的细长带10的下面，而不是位于中心盘11的下面。实际上，在该实施例中不需要中心盘11，并且可以省略中心盘11。
图29示出了根据本发明的传感器设备6的实施例，其具有八对水平霍尔元件且还包括以环形段的形式的集成磁场聚集器(IMC)，该环形段设置在传感器元件所位于的第一圆8上方。该图与WO'885的图19类似，但是传感器元件和IMC条的数量是不同的，并且用于计算角度α的方法是不同的，特别是该方法的第二部分(即，步骤173-175)。该实施例不具有专用的次级传感器元件，因为信号S1至V2可以被用作为用于(例如，通过找到最大值或最小值)来决定是否添加180°的次级信号，如上所述。
图30示出图29的实施例的变例，其中添加了两个附加传感器元件XE1、XE2，其可以用于根据哪个附加信号SE1、SE2较大来确定是否应该添加180°，如有关图26所讨论的。如上文所解释的，最好具有至少三个附加霍尔元件XE1、XE2、XE3(未示出)。
图31至图60示出可以在本发明的实施例中使用的磁体的多个示例。
图31示出具有非恒定厚度的四极子盘形磁体50的示例。例如，段51a和51d具有第一厚度T1，并且段51b和51c具有与第一厚度T1不同的第二厚度T2。在另一个示例中(未示出)，段51a、51b和51c将具有第一厚度T1，且段51d将具有与第一厚度T1不同的第二厚度T2。尽管事实上，这种磁体由单片(但具体成形的和磁化的)磁性材料组成，但这样的磁体将产生一个磁场，该磁场可被认为是以规则四极子的形式的主磁场和以一个或多个偶极子的形式的次级磁场，以及可选地对传感器的行为没有显着影响的一些更高阶的次序项的叠加，该磁场非常类似于由图10所示的磁体产生的磁场。在该示例中，厚度的变化产生次级磁场Bs。
图32和图33示出可在本发明的实施例中使用的磁体的示例，其具有以规则的4极盘形磁体形式的中心部分(具有恒定的厚度和90度的段，并且安装成使得磁体的几何中心与旋转轴对齐)，并具有以作为两个垂直偶极子的两个环形段的形式的外部部分(假设垂直偶极子沿着图的深度方向被垂直磁化)。由这些环形段产生的次级场如图20、21所示。
图32和图33示出类似的磁体组件的两个示例，但是在四极子32和两个环形段33之间具有不同的角偏移。在其他实施例中(未示出)，可以选择四极子32和偶极子33的另一个相对角位置，例如10°或20°或30°或任何其他值。相对角位置(例如，角偏移)可以被硬编码或者可以被存储在非易失性存储器中。图32的实施例被预期将提供与关于图16所讨论的相同的对称性优点，但是这不是使发明工作所必需的。
图34示出具有四个盘形段的不规则4极盘形磁体34的示例，四个盘形段中的至少一个限定了不同于90°的角度，例如在92°至110°的范围内的角度。模拟已经表明，这样的磁体将产生一磁场，该磁场可以被认为是以规则四极子的形式的主磁场和以一个或多个偶极子形式的次级磁场，以及可选地对传感器的行为没有显着影响的一些更高阶的次序项的叠加。在该示例中，段角度的变化产生次级磁场Bs。
图35示出了具有定义角度为90°的四个盘形段的非规则4极盘形磁体35的另一个示例，但是磁性中心(即，磁场分量Bt、Br和Bz为零的位置，见图5、图7和图9)与磁体的几何中心不对齐。模拟已经表明，这样的磁体将产生一个磁场，该磁场可以被认为是以规则四极子的形式的主磁场和以一个或多个偶极子形式的次级磁场，以及可选地对传感器的行为没有显着影响的一些更高阶的次序项的叠加。在这个例子中，当这个磁体以其几何中心在旋转轴线4上的方式被安装时，磁化的偏移产生次级磁场Bs。这个磁体的主磁场Bp不是完全旋转对称的，但是如果偏移dx、dy相对于第一圆的半径足够小，与“第二算法”结合的由主传感器元件“看见”的主磁场将提供与如果磁体将完全规则(其中dx＝0和dy＝0)则会出现的情况完全相同的主角α1。在该示例中，偏移dx、dy产生次级磁场Bs。
在特定实施例中，磁体的外径可以小于20mm或小于10mm，并且偏移dx和/或dy将是盘形磁体外径的至少3％的值，例如至少5％，例如至少10％，或至少15％，或至少20％。
图36(俯视图)和图37(立体图)示出由四个离散的圆柱形偶极子磁体组成的永磁体组件，两个为第一尺寸和两个为与第一尺寸不同的第二尺寸。图38(俯视图)和图39(立体图)示出由四个圆柱形偶极子磁体组成的永磁体组件，三个为第一尺寸，一个为与第一尺寸不同的第二尺寸。这些圆柱形偶极子磁体将借助于诸如环氧树脂或聚合物或其他任何合适材料之类的非磁性材料被保持在一起。这些磁体可被视为四极子和一个或两个垂直偶极子的组合。第二尺寸(例如，直径)和第一尺寸(例如，直径)的比率可以例如在200％至105％的范围中选择，例如在200％至约120％或200％至约130％或200％至约140％或200％至约150％的范围中选择，但是也可以使用其他值。预期到，即使对于120％的比率，例如如图14(d)中所示的信号Bz是足够大的以允许在存在中等外部场的情况下即使没有数值的校正(步骤174)也可以进行有关180°是否需要被添加的有效决定。
图40是由全部取向在相同的直立位置(例如，在相对于传感器平面的90°下)的相同尺寸的仅四个圆柱形偶极子磁体组成的磁体组件的俯视图。三个偶极子位于具有位于旋转轴上的中心的圆上，但是偶极子中的一个向内或向外径向移动一距离dr。
图41是由全部位于具有位于旋转轴上的中心的圆上的相同尺寸的仅四个圆柱形偶极子磁体组成的磁体组件的俯视图。三个偶极子垂直于传感器平面取向，偶极子中的一个相对于所述传感器平面的法线在5°至80°的范围内倾斜，优选在10°至30°的范围内倾斜。
图31、图34、图35和图38、图39、图40和图41所示的磁体是示出具有以例如厚度变化、或段角度变化、或在磁体中心和几何中心之间的偏移变化、或单个磁体的尺寸变化、或向内或向外的径向移动、或倾斜角度或其组合的形式的有意的不规则性的多极磁体可以产生被视为有关旋转轴4基本上旋转对称的主磁场(在具有N个磁极的多极磁体的情况下具有360°/(N/2)的周期性，例如，在四极子的情况下具有180°的周期性)和非旋转对称的次级磁场的叠加的磁场的示例。
图42(俯视图)示出由六个圆柱形偶极子磁体组成的永磁体组件，第一尺寸的四个(内部)圆柱形偶极子一起形成了规则的四极子和第二尺寸的两个(外部)圆柱形偶极子产生次级磁场。第二尺寸可以小于、等于或大于第一尺寸。如此形成的四极子的旋转轴正好位于两个外部偶极之间的中间。这个实施例被预期将提供与关于图16所讨论的相同的对称性优点，但是这不是使发明工作所必需的。
在这个实施例的变体中(未示出)，省略了外部偶极子中的一个。
图43是图42所示的磁体组件的变体，其中两个外圆柱形磁体没有在由四个内部偶极子形成的四极子的旋转轴的相对侧上对准。
在图42和图43的实施例的变体中，所有六个圆柱形偶极子具有相同的尺寸，这在制造这种磁体组件时是有利的。
图44至图48示出了磁体组件48的几个实施例，其具有以规则的4极环形磁体的形式的内部部分，以及以环形段的形式的两个外部段。注意的是，出于实际的原因，环形部分和环形段可以以彼此相距小的距离被放置，并且例如使用环氧树脂或聚合物被保持在一起，如由在两者之间的黑色区域所提示的。外部部分的角位置可以与内部部分的角位置无关地选择，但是如上所解释的，一些实施例可以提供与关于图1所讨论的相同的对称性优点，尽管这不是使发明工作所必需的。在本发明的实施例中，例如如图49所示，环形段不需要完全围绕4极环形磁体的环形部分。
在这些实施例的变体中(未示出)，省略了外部环形段中的一个。
图49示出具有以规则的4极环形磁体的形式的内部部分和以梁的形式的两个垂直偶极子的磁体组件。在该磁体的变体中，两个外部部分将是两个圆柱形磁体或任何其它合适形状的磁体。
图50至图55是图44至49所示的磁体的变体，其具有以规则的4极环形磁体的形式的外部部分和用于形成次级磁场的内部部分。这些磁体被预期提供与图44至49的那些非常类似的结果。
在这些磁体的变体中(未示出)，省略了内部部分中的一个。
具有六极的磁体
图56至图60示出用于形成旋转对称的6极(具有120°的周期性)和用于形成次级磁场Bs的一个单个的或仅两个的或仅三个的垂直偶极子的磁体组件的几个示例，如可用于本发明的实施例中。
以WO'885所述的方式且如例如它的图23和图25所示的，这些磁体将与传感器设备6结合使用，传感器装置6具有12个主传感器元件，其被分成4组S、T、U、V，每组三个主元件。主传感器元件可以是适于测量径向场分量的垂直霍尔元件(如WO'885的图22中)，或者可以是适于测量切向场分量的垂直霍尔元件(如WO'885的图23中)，或者可以是由IMC覆盖的水平霍尔元件(如WO'885的图24至图27中)。除了适用于四极子的公式[3]至[16]，在这种情况下将使用以下公式[17]和[18]或等效公式：
diff1＝(S1+S2+S3)-(U1+U2+U3) [17]
diff2＝(T1+T2+T1)-(V1+V2+V3) [18]
预期的是，图56至图60的所有磁体和图31至图55的磁体的变体(其中四极子盘/环/圆柱体被六极盘/环/圆柱体替换)将与这种传感器组合工作，在某种意义上，在对主角α1的精度没有或仅有微小的影响下，角α将在360°范围中被确定。预期的是，对于图57的磁体，公式[17]和[18]对由两个偶极子生成的次级磁场Bs完全不敏感，而对于图56和图58至图60的其他磁体，次级磁场Bs将可能会有一些更多的影响，导致主角α1中的一些不精确度。但是由于与上述相同的原因，预期该不精确度小于约2°，而随着第一半径减小和/或偶极子的旋转轴和纵向轴之间的距离增加；和/或次级磁场的强度相对于主场减小，预期精度将提高。在该方法的步骤175中(参见图17)，在6极的情况中的不确定角度或周期性UA＝120°，将决定分别对应于M＝0、1或2是否需要添加0°或120°或240°。如上所述，M的最佳值可基于多个至少两个、或至少三个、或至少四个，例如六个或八个或十二个的次级信号SEi，其可以是从多个至少两个或至少三个的附加的水平霍尔元件XEi得到的信号，或可以是与主传感器信号相同的信号。信号SE或S1至V2可以可选地被校正(参见图17的方法步骤174)。
在图56至图60所示的磁体组件的变体中(未示出)，代替六个圆柱形偶极子，六极磁体可以是具有六个段的盘形磁体，以及偶极子可以是类似于图32和图33的环形段，但是四极子将被六极替代。外部环形段的数量将维持为两个。
在其他实施例中(未示出)，代替六个圆柱形偶极子，六极磁体可以是具有六个段的环形磁体，以及一个或两个或更多个偶极子可以是类似于图44和图55的环形段或梁，但是具有四个环形段的环将被具有六个环形段的环替代。
在图31所示的磁体的变体中，提供了具有六个段的六极盘形磁体，其中至少一个段具有与其他段不同的厚度。
在图34所示的磁体的变体中，提供了具有六个段的六极盘形磁体，其中至少一个段定义了不同于60°的角，例如在45°至75°的范围内，或在50°至70°的范围内，或在55°至65°的范围内。
在图35所示的磁体的变体中，提供了具有六个段的六极盘形磁体，其中磁体中心与磁体的几何中心不对齐。
根据上述内容，获得本公开的益处的技术人员可以容易地将本发明的教导扩展到八极磁体或更高阶的磁体。
虽然许多实施例给出了圆柱形磁体，但是本发明当然还可以与具有其它形状的磁体一起工作，像例如梁形磁体(具有正方形或矩形横截面)。
虽然已经用产生磁场的永磁体描述了本发明，但是本发明也将与以背偏磁体(back bias magnet)或至少一个线圈的形式的磁体一起工作。
尽管已经在附图和前面的描述中具体地解说和描述了本发明，但是此类解说和描述被认为是解说性的或者示例性的而非限制性的。前面的描述具体说明了本发明的某些实施例。然而，应当理解，不管以上在文本中显得如何详细，本发明可以其他方式实现。本发明不限于所公开的实施例。

Claims (15)

1.一种磁传感器布置(100、150、240)，其包括：
磁体组件(25、31)和磁传感器(6)；所述磁体组件(25、31)在所述磁传感器(6)的位置形成具有至少两个具有不同角度周期性的磁场分量(Bp、Bs)的磁场，以及所述磁传感器(6)包括用于感测不同磁场分量(Bp、Bs)以产生至少第一和第二传感器元件信号的装置；和
计算元件，其用于接收所述至少第一和第二信号且用于组合它们以产生所述磁体相对于所述传感器(6)的唯一角位置。
2.根据权利要求1所述的磁传感器布置，其中所述磁体组件是单个磁体，意味着是磁化材料的连续元件。
3.根据权利要求1或2所述的磁传感器布置，其中所述磁体组件具有两个或更多个不同幅值的磁极。
4.根据权利要求3所述的磁传感器布置，其中所述磁体组件具有不同的扇区，并且所述不同幅值是所述磁体组件的差分扇区磁化的结果。
5.根据权利要求4所述的磁传感器布置，其中所述差分扇区磁化是不同扇区磁化强度或不同扇区区域或其组合的结果。
6.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器布置，其中所述磁体组件可包括永磁体。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的磁传感器布置，其中所述磁体组件是线圈的布置和磁体控制器。
8.根据权利要求7所述的磁传感器布置，其中所述磁体组件具有两个或更多个不同幅值的磁极，且所述磁体控制器向所述线圈提供不同的电压电流以形成所述不同幅值的磁极。
9.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器布置，其中所述磁传感器包括两个或更多个传感器元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器布置，其中所述计算元件包括用于组合所述第一和第二传感器元件信号以产生所述磁体相对于所述传感器的所述唯一角位置的电路。
11.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器布置，其中所述磁传感器具有表面和两个或更多个感测元件，所述感测元件提供电输出且设置在所述磁传感器的所述表面。
12.根据权利要求11所述的磁传感器布置，其中所述感测元件的所述电输出被线性地组合以产生所述第一和第二信号。
13.根据权利要求12所述的磁传感器布置，其中所述磁场感测元件对垂直于所述表面的或平行于所述表面的或其组合的磁场敏感。
14.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器布置，其中，所述计算元件装置不包括傅里叶变换电路。
15.一种确定磁体组件(25、31)相对于磁传感器(6)的唯一角位置的方法，
所述磁体组件(25、31)在所述磁传感器(6)的位置形成具有至少两个具有不同角度周期性的磁场分量(Bp、Bs)的磁场；
所述磁传感器(6)包括用于感测的装置和计算元件；
所述方法包括以下步骤：
使用磁传感器(6)的所述用于感测的装置来感测不同磁场分量(Bp、Bs)以产生至少第一和第二传感器元件信号；以及
使用所述计算装置来接收所述至少第一和第二传感器元件信号并组合它们以产生所述唯一角位置。
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