CN108692652A - 旋转位置传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋转位置传感器(1)。该旋转位置传感器包括用于生成指示至少两个不同阶的磁场的两个独立信号的磁性传感器(2)，以及在该磁传感器的位置处形成具有第一阶的第一磁场分量的磁组件(3、4)，其中该第一磁场分量通过接收第一角度相对于该磁传感器可旋转。该磁组件还适用于在该磁传感器的位置处形成具有与第一阶不同的第二阶的第二磁场分量，其中第二磁场分量通过接收第二角度相对于该磁传感器以及该第一磁组件可旋转。该位置传感器包括用于组合两个独立信号以产生代表第一角度和第二角度的独特系统状态的处理器(5)。

Description

旋转位置传感器
技术领域
本发明涉及诸如用于在驾驶杆中使用的例如用于确定代表(例如可以相对于参考角超过360°的杆轴的旋转角的)至少一个角的状态的旋转位置传感器的领域。更具体而言，它涉及旋转位置传感器和相关的方法。
背景技术
各种应用需要传感器检测杆轴的角位置，其中需要检测超过360°的角。例如，角位置可以组合输入杆轴的多次旋转被检测。
本领域中已知使用计数器用于计数由杆轴驱动的代码支架的旋转。在另一种方法中，已知通过用输入杆轴致动多个齿轮级来提供多匝角位置传感器。因此，不同的齿轮传动比可以被用于通过观察与不同的齿轮传动比相关联的多个角度来测量多匝角度，其中每个被观察的角与要确定的输入杆轴的多匝角度具有不同的关系。
例如，本领域已知提供用于确定相对于预定参考可超过360°的杆轴的旋转角的多匝旋转编码器。例如，US 8,154,427公开了这种多匝旋转编码器，其包括单匝单元和第一多匝单元，该单匝单元包括代码载体和用于处理单匝位置信号以形成单匝代码字的单匝评估单元，第一多匝单元包括至少一个第一多匝代码载体和第一多匝评估单元，所述第一多匝评估单元用于处理第一多匝位置信号以形成指示由输入杆轴覆盖的旋转数的第一多匝代码字。该设备还包括第二多匝单元，该第二多匝单元包括至少一个第二多匝代码载体和第二多匝评估单元，第二多匝评估单元用于处理第二多匝位置信号以形成同样指示由输入杆轴覆盖的旋转数的第二多匝代码字。多匝代码字因此可以彼此独立地生成，并且多匝单元的功能可以通过两个多匝代码字来查明。
本领域也已知使用磁传感器确定轴线。在这种现有技术设备中，磁体可被机械地链接到齿轮，并且磁传感器用于确定该磁体的角位置。例如，不同磁传感器可检测链接到相应齿轮的相应磁体的磁场(例如磁场取向)，其中每个齿轮相对于机械地连接至输入杆轴的齿毂具有不同的齿轮传动比。这些磁传感器使用游标原理来达到精确的角度确定。因此，如果使用适当的不同齿轮传动比，则可以检测输入杆轴的多匝角度。
例如，US 7637020公开了一种旋转角传感器，用于确定可以旋转通过多圈的物体的绝对角位置。传感器包括两个随主体旋转而旋转的码盘。码盘以不同的齿轮比驱动，使得码盘比主体旋转得更快并且码盘以不同的速率旋转。两个传感器元件分别确定码盘的旋转角位置。旋转角位置之间的差是拍角(beat angle)。选择不同的齿轮比使得拍角周期处于传感器的角度测量范围内，并且拍角周期中的码盘的绝对角位置是不同的。在连续的拍角周期中的码盘的绝对角位置通过传感器元件的测量范围的第n部分而偏移，其中n是拍角周期的数量。
US 2015/226581公开了一种用于测量转子相对于定子的角位置的布置。此布置包括安装在转子上的多极磁体、安装在定子上的传感器以及组织成两组或四组以测量磁场分量的多个传感器元件。公开了一种用于基于每组元件的信号来计算角位置方法。因此，可提供测量多极磁体的磁场、同时实质上对偶极场不敏感的磁传感器。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供确定角度(例如确定在超过至少一个完全旋转(例如至少两次旋转)的范围内的角度)或角度的组合的良好且有效的装置。
以上目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
本发明的实施例的优点是可以使用单个磁传感器(例如单个集成电路磁传感器)来有效地确定多个角度。
本发明的实施例的优点是可以使用单个磁传感器(例如单个集成电路磁传感器)来有效地确定多匝角度。
本发明实施例的优点是以不同的比率耦合到输入杆轴的不同磁性部件的两次旋转可以通过单个磁传感器元件实现在超过360度的范围内(例如在输入杆轴的多次旋转中)的角位置的精确确定。
在第一方面，本发明涉及旋转位置传感器，例如用于感测杆轴的旋转位置的多匝旋转位置传感器。旋转位置传感器包括用于检测磁场(例如两个不同阶的磁场)的多极展开的两个不同阶的磁传感器，并生成指示所述多极展开(例如所述两个不同阶的磁场)的所述两个不同阶的两个独立信号。旋转位置传感器还包括磁组件，该磁组件用于在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的第一磁场分量，该第一多极阶对应于由磁传感器可检测的所述多极展开的两个不同阶中的一个，其中该第一磁场分量例如通过接收第一角度相对于磁传感器在第一角度上是可旋转的。磁组件还适用于形成第二磁场分量，该第二磁场分量具有与第一多极阶不同的并且对应于由磁传感器可检测的两个不同阶的磁场中的另一个的第二多极阶，其中第二磁场分量例如通过接收第二角度相对于磁传感器并相对于第一磁场分量在第二角度上是可旋转的。旋转位置传感器还包括处理器，用于接收两个独立信号并将它们组合以产生代表第一角度和第二角度的独特系统状态。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，磁组件可适于根据第一角度和第二角度的不同预定的传动比从共同杆轴接收第一角度和第二角度。
例如，磁组件可以机械地耦合到输入杆轴，例如耦合到共同杆轴诸如以接收第一角度和第二角度，使得第一角度经由第一传动比与输入杆轴的输入角度相关，并且第二角度经由不同于第一传动比的第二传动比与输入角度相关。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，处理器可以适于组合两个独立信号以通过考虑预定传动比产生以独特角位置形式的独特系统状态，该独特角位置代表共同杆轴的角度和旋转数。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，磁传感器可以适用于检测至少两个不同阶的磁场(例如所述多极展开的阶)，包括以下中的至少两个：偶极磁场、四极磁场、六极磁场、八极磁场和十极磁场，其中两个独立信号可适用于区分这些至少两个不同阶的磁场。
例如，第一磁场分量可以是偶极磁场，且第二磁场分量可以是四极磁场、六极磁场、八极磁场或十极磁场。
例如，第一磁场分量可以是四极场，且第二磁场分量可以是六极磁场或十极磁场。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，磁传感器可以适用于检测至少偶极磁场和四极磁场，并且用于生成两个独立信号作为指示偶极磁场和四极磁场的独立信号。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，磁组件可包括第一磁组件，用于在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的第一磁场分量，该第一磁组件通过接收第一角度相对于磁传感器可旋转；并且其中该磁组件可包括第二磁组件，用于在该磁传感器的位置处形成具有第二多极阶的第二磁场分量，该第二磁组件通过接收第二角度相对于该磁传感器且相对于该第一磁组件可旋转。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，第一磁组件可以包括用于形成以四极磁场形式的具有第一阶的第一磁场分量的四极磁体。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，第二磁组件可以包括用于在磁传感器的位置处产生以偶极磁场形式的具有第二阶的第二磁场分量的偶极磁体。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，第二磁组件可以适用于通过其存在改变(例如局部再成形)由第一磁组件所产生的第一磁场分量，诸如以产生具有第二多极阶的第二磁场分量。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，第二磁组件可以包括用于局部地改变由第一磁组件产生的磁场的磁场配置的磁通量聚集器，使得第二阶的第二磁场分量被磁传感器观察。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，磁通量聚集器可以包括至少一个区段，该区段具有位于第一磁组件附近的区域中的第一部分和位于磁传感器附近的区域中的第二部分，例如第一部分靠近第一磁组件并远离磁传感器且第二部分远离第一磁组件并靠近磁传感器。第一部分和第二部分可以围绕第一磁组件的旋转轴线在预定角度上偏移，使得由第一磁组件生成的磁场分量的磁场线在磁传感器层面的该预定角度上被局部地位移。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，磁通量聚集器可以包括所述区段中的两个区段，使得第二部分彼此相对布置，并且第一部分彼此相邻布置。
根据本发明的实施例的旋转位置传感器可以包括齿轮传动组件，用于将来自输入杆轴(例如共同输入杆轴)的输入角度分别转换到被施加以旋转第一磁场分量(例如被施加以旋转第一磁组件)的第一角，以及被施加以旋转第二磁场分量(例如被施加以旋转第二磁组件)的第二角。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，齿轮传动组件可以包括用于旋转第一磁组件的第一齿轮和用于旋转第二磁组件的第二齿轮。第一齿轮和第二齿轮可以具有不同数目的齿部和/或不同的周长，用于生成不同的第一角度和第二角度，并且第一齿轮和第二齿轮可以从共同齿轮接收输入角度，所述共同齿轮被机械地链接到多匝角度将被确定所针对的输入杆轴。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，处理器和磁传感器可以被共同集成在半导体集成电路器件中。
在根据本发明的实施例的旋转位置传感器中，处理器可适用于基于指示具有第一多极阶的第一磁场分量的(两个独立信号中的)第一信号来计算第一角度(例如第一值)。处理器可以适用于基于指示具有第二多极阶的第二磁场分量的(两个独立信号中的)第二信号来计算第二角度(例如第二值)。处理器可以适用于基于至少第二角度(例如基于至少第二值)来计算杆轴(例如共同输入杆轴)的角位置的区段，其中该区段对应于杆轴相对于参考角位置旋转的区段数的整数值，并且其中每个区段代表第一磁场分量的角对称性的单个周期。
在第二方面，本发明涉及一种用于确定旋转位置(例如杆轴的多匝旋转位置)的方法。该方法可以包括根据不同的预定传动比将由杆轴的旋转提供的角度转换成第一角度和第二角度。该方法包括在磁传感器的位置处施加第一角度以旋转具有第一多极阶的第一磁场分量。例如，该方法可以包括施加第一角度以使第一磁组件相对于磁传感器旋转，其中第一磁组件在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的磁场分量。该方法包括在磁传感器的位置处施加第二角度以旋转具有第二多极阶的第二磁场分量。例如，该方法可以包括施加第二角度以使第二磁组件相对于磁传感器且相对于第一磁组件旋转，其中第二磁组件在磁传感器的位置处形成具有不同于第一多极阶的第二多极阶的第二磁场分量。该方法包括以下步骤：使用磁传感器检测第一阶磁场分量和第二阶磁场分量，并且生成分别指示第一阶磁场分量和第二阶磁场分量的两个独立信号。该方法还包括组合至少两个独立信号以产生代表第一角度和第二角度的独特系统状态，例如通过考虑预定传动比以产生代表杆轴的角度和旋转数的独特的角位置。
在根据本发明的实施例的方法中，第一阶磁场分量可以是四极磁场，并且第二阶磁场分量可以是偶极磁场。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的多匝旋转位置传感器的示例性实施例。
图2示出根据本发明的实施例的用于在旋转位置传感器中使用的四极磁体。
图3示出根据本发明的实施例的用于在旋转位置传感器中使用的磁通量聚集器的区段。
图4示出根据本发明的实施例的用于在选择位置传感器中使用的磁通量聚集器。
图5图示根据本发明的实施例的包括齿轮传动组件的多匝旋转位置传感器。
图6示出在图示本发明的实施例的第一示例中的第二磁组件相对于第一磁组件的三个示例性位置。
图7示出在图示本发明的实施例的第二示例中的第二磁组件相对于第一磁组件的三个示例性位置。
图8示出根据本发明的实施例的多匝旋转位置传感器可以如何通过不同的齿轮比率被连接到芯的示例。
图9示出根据本发明的实施例的另一个多匝旋转位置传感器的侧视图，其中两个磁场分别通过一个四极磁体和一对偶极磁体来生成。
图10示出根据图9所示的本发明的实施例的多匝旋转位置传感器的俯视图。
图11至13图示根据本发明的实施例的第一磁体组件的偏心旋转。
这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说性目的，可将元素中的一些元素的尺寸放大且不按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的元素。
具体实施方式
将针对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。所描述的附图只是示意性的且非限制性的。在附图中，出于图示性目的，可将元素中的一些元素的尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的元素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述序列。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，说明书和权利要求中的术语顶、下方等等用于描述性的目的，并且不一定用于描述相对位置。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，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置/手段；它并不排除其他要素或步骤。由此该术语被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，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，措辞“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件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部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用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。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部引用同一实施例，而是可以引用同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中将对本领域普通技术人员显而易见的，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，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解释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，如所附权利要求所反映的，发明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。由此，详细描述之后所附的权利要求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，尽管本文所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。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。
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。
在第一方面，本发明涉及旋转位置传感器。旋转位置传感器包括磁传感器，用于检测至少两个不同阶的磁场并生成指示至少两个不同阶的磁场的至少两个独立信号。该传感器进一步包括磁组件，该磁组件在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的第一磁场分量。第一磁组件适用于通过接收第一角度相对于磁传感器旋转第一磁场分量。该磁组件适用于在磁传感器的位置处产生具有与第一多极阶不同的第二多极阶的第二磁场分量。该磁组件适用于通过接收第二角度相对于磁传感器并相对于第一磁场分量旋转第二磁场分量。该传感器还包括处理器，用于接收两个独立信号并将它们组合以产生代表第一角度和第二角度的独特系统状态。
参考图1，示出根据本发明的实施例的旋转位置传感器1(例如多匝旋转位置传感器)的示例性实施例。
传感器可以适用于在超过360°的角度范围内感测杆轴的旋转位置，例如代表杆轴的角度和旋转数的角位置。
该旋转位置传感器包括磁传感器2，用于检测至少两个不同阶的磁场并生成指示该至少两个不同阶的磁场的至少两个独立信号。例如，磁传感器可适用于至少检测偶极磁场和四极磁场，并生成指示该偶极磁场和四极磁场的独立信号。
磁场的至少两个不同阶是指在磁场的多极展开(例如数学的多极分解，例如实球谐函数中的拉普拉斯展开)的意义上的不同的阶。换句话说，不同的阶并不是指例如不同的数量级，而是可以指多极展开项的不同的阶。此外，第一阶和第二阶不一定是指这种多极展开的第一阶展开项和第二阶展开项，而是指由“第一”和“第二”(为了清楚起见指这两个不同的多极阶中的特定的一个阶)标识的两个不同阶的展开项。
该旋转位置传感器还包括磁组件3、4，用于在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的磁场分量。该第一磁场分量通过接收第一角度相对于磁传感器是可旋转的。该磁组件还适用于在磁传感器的位置处形成具有与第一多极阶不同的第二多极阶的第二磁场分量。该第二磁场分量通过接收第二角度相对于磁传感器并相对于第一磁场分量是可旋转的。
该磁组件可包括在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的第一磁场分量的第一磁组件3，例如第一磁组件部分。该第一磁组件可适用于通过接收第一角度相对于磁传感器旋转。例如，该第一磁组件可连接至转子，该转子用于在平行于磁传感器2的检测表面的平面上旋转。
该第一磁组件3可包括多极磁体，诸如用于形成四极磁场的四极磁体，例如，具有第一多极阶的第一磁场分量可以是四极磁场。例如，该第一磁组件可以包括以十字形布置的四个磁条，其中相邻磁条的极性取向交替。例如，图2图示了四极磁体。
该磁组件可包括用于在磁传感器的位置处产生具有与第一多极阶不同的第二多极阶的第二磁场分量的第二磁组件4，例如第二磁组件部分。
例如，第二磁组件4可包括用于在磁传感器的位置处生成偶极磁场的偶极磁体，而第一磁组件3可包括用于在磁传感器的位置处生成四极磁场的四极磁体。
例如，具有第一多极阶的第一磁场分量(例如四极磁场)可以具有比具有第二阶的第二磁场分量(例如偶极磁场)更高的阶。
第一磁组件3和/或第二磁组件4不一定具有永磁场，例如“磁组件”可以是适用于改变例如基本上改变磁场的设备，例如，第二磁组件可适于改变由第一磁组件3(例如可以包括永磁体)生成的磁场。然而，磁组件也可以例如借助于永磁体或电磁体生成永磁场。因此，第一磁组件和/或第二磁组件可以包括永磁体或电磁体。例如，第二磁组件可以包括偶极磁体，例如围绕共同的旋转中心对称地相对的两个偶极磁体41，诸如图9和图10所图示。
根据本发明的实施例，第二磁组件4可以包括磁通量聚集器。磁通量聚集器可以局部地改变由第一磁组件3生成的磁场的磁场配置(例如偶极磁场叠加在由第一磁组件3生成的四极磁场上)，使得磁传感器观察到不同阶的磁场分量(例如具有第二阶的第二磁场分量)。
参照图3，该磁通量聚集器可以包括具有第一部分11(例如形成收集器的收集器部分)和第二部分12(例如形成激励器的激励器部分)的至少一个区段9，该第一部分位于第一磁组件3附近的区域中(例如在垂直于第一磁组件3的旋转轴线并与第一磁组件3相交的第一平面中的第一部分)，该第二部分在磁传感器附近的区域中(例如在垂直于第一磁组件3的旋转轴线并比第一平面更接近磁传感器的第二平面中的第二部分)。第一部分11和第二部分12可以围绕第一磁组件3的旋转轴线在预定角度Δα上偏移，使得由第一磁组件3生成的磁场的磁场线在磁传感器层面的该预定角度上被局部地位移。第一部分和/或第二部分可以在60°至120°的范围内(优选地在80°至100°的范围内，例如约90°)的角度上形成圆弧。该预定角度Δα的绝对值可以例如在30°至60°的范围内，例如在40°至50°的范围内，例如大约45°。
参照图4，磁通量聚集器可以包括这样区段9的两个区段。第二部件12可以彼此相对地布置，例如在垂直于旋转轴线的第二平面中占据相对的象限，并且第一部分11可以彼此相邻地布置，例如占据邻近的象限。例如，两个区段9中的两者的第一部分11和第二部分12可以各自覆盖例如90°的弧，其中收集器以相反的角感测方向(例如朝向彼此或远离彼此)相对于收集器成角度地移位例如45°。
然而，本发明的实施例不限制于磁通量聚集器的该特定配置。例如，当将由第一磁组件在第一磁组件3附近的第一区域中生成的场与在磁传感器的附近的第二区域中的修改的场进行比较时，磁通量聚集器可以适用于从第一角度范围到不同的第二角度范围在角度上移位第一磁组件3的磁场的部分，其中该移位形成与由第一磁组件直接生成的场相比具有不同阶(例如不同多极阶)的场，诸如偶极磁场，在该处第一磁组件生成四极场。例如，每个区段的收集器部分的尺寸(例如被覆盖的弧的角度)可以是大约360°除以磁场从其被收集的第一磁组件的极数，例如，对于四极场为360°/4＝90°以及对于六极场为360°/6＝60°。然而，本领域技术人员应该理解的是，例如，对于不同的角度(被大体上小于720°除以磁场从其被收集的第一磁组件的极数的弧覆盖的任何角度(例如对于四极场为大体上小于180°以及对于六极场为大体上小于120°))，激励器部分可以产生大体上的偶极磁场分量。同样，即使效率可能降低，弧所覆盖的角度甚至可以大体上小于360°除以极数。本领域技术人员应该理解的是，这个示例涉及多极(例如四极或六极)的磁场转换到偶极场分量，但是本发明的实施例不限于此。例如，收集器可以接收六极磁场并且激励器可以通过对收集的磁场进行局部再成形来提供四极磁场。
不同阶的磁场可由磁传感器检测到，而由第一磁组件直接生成的被排除在第一角度范围之外(例如大体上不受磁通量聚集器的影响)的场可以同时由磁传感器检测到，例如使得磁传感器可以同时检测和辨别不同的多极阶的两个场。
磁通量聚集器可以适用于将由四极磁体产生的在围绕磁体的两个邻近象限中的磁场线转移到围绕磁传感器的两个相对的象限中。
该第二磁组件4可以适用于通过接收第二角度相对于磁传感器2且相对于第一磁组件3被旋转。第一磁组件3和第二磁组件4可以适合于根据对于第一角度和第二角度不同的预定的传动比从共同杆轴分别接收第一角度和第二角度。例如，第一磁组件3可以具有磁场的角度周期性，例如具有180°的角度周期的周期性，而第二磁组件4可以生成具有不同的角周期性的场。
例如，第一角度可以经由第一传动比r1与输入杆轴的输入角度相关。例如，此第一传动比可以表示由输入角度的单位增量引起的第一角度的增量。该第二角度可以经由第二传动比r2与输入杆轴的输入角度相关。例如，此第二传动比可以表示由输入角度的单位增量引起的第二角度的增量。
由第一磁组件3形成的磁场分量可以具有拥有周期为A1＝720°/n1的第一角度周期性，其中n1是第一磁场分量的极阶数，即对于偶极n1＝2，对于四极n1＝4，对于六极n1＝6等。这可以对应于作为输入角度为A1/r1的函数的周期性。
由第二磁组件4形成的磁场分量可以具有拥有周期为A2＝720°/n2的第二角度周期性，其中n2是第二磁场分量的极阶数，即对于偶极n2＝2，对于四极n2＝4，对于六极n2＝6等。这可以对应于作为输入角度为A2/r2的函数的周期性。
因此，可以选择第一传动比和第二传动比，使得A1/r1不是A2/r2的整数倍，反之亦然。
通常，在其上输入轴线的多匝角度可以被唯一地确定的范围可以是k.A1/r1，其中k是对于存在第二个非零正整数l使得k.A1/r1＝l.A2/r2的最小非零正整数。
例如，该第一传动比r1可以等于2/3，例如每输入角度的3个单位的角度增量实现第一角度的角度增量为2。该第二传动比r2可以等于5/3，例如每输入角度的3个单位的角度增量实现第二角度的角度增量为5。由第一磁组件3形成的磁场分量可以具有拥有周期为A1＝720°/n1＝180°的第一角度周期性，其中对于四极场n1＝4，即四极场的极阶数为4。由第二磁组件4形成的磁场分量可以具有拥有周期为A2＝720°/n2＝360°的第二角度周期性，其中对于偶极场n2＝2，即偶极场的极阶数为2。因为，在该示例中，A1/r1＝270°以及A2/r2＝216°。因此，k＝4是对于存在第二个非零正整数(l＝5)使得k.A1/r1＝4x270°＝1080°＝5x216°＝l.A2/r2的最小非零正整数。因此，在该示例中，在1080°的范围(即超过3个旋转)内输入轴线的角度可以被唯一地确定。
第二磁组件4和第一磁组件3可适于围绕旋转的共同轴线A旋转。该旋转的共同轴线可以垂直于磁传感器2的感测表面。
然而，磁组件也可以通过第一磁组件3(例如四极磁体)的复合旋转来实施。第一磁组件可以是围绕偏轴中心可旋转，而该偏轴中心可围绕主轴旋转，如图11至图13中图示，例如，分别示出了本发明的实施例在时间顺序排列的时间点上的配置。主轴可以与磁传感器2对齐，例如使得第一磁组件的复合旋转在平行于磁传感器的平面中发生，并且围绕主轴的旋转围绕磁传感器为中心。通过四极磁体的偏心位置，在磁传感器2的感测位置处获得具有偶极和四极分量的磁场，其中四极分量由四极磁体的旋转位置确定以及偶极分量由围绕主轴的四极磁体的角位置确定。
该磁组件可适于根据对于第一角度和第二角度不同的预定传动比从共同杆轴接收第一角度和第二角度。例如，第一磁组件3和第二磁组件4可以适合于根据对于第一角度和第二角度不同的预定的传动比从共同杆轴分别接收第一角度和第二角度。
参照图5，旋转位置传感器1可以包括齿轮传动组件，用于将来自杆轴的输入角度分别转换为施加到第一磁场分量的第一角度和施加到第二磁场分量的第二角度。例如，这种齿轮传动组件可以包括用于旋转该第一磁组件3的第一齿轮21和用于旋转该第二磁组件4的第二齿轮22。第一齿轮21和第二齿轮22可以具有用于生成不同的第一角度和第二角度的不同数量的齿部。第一齿轮21和第二齿轮可以从被机械地链接到多匝角度将被确定所针对的杆轴的共同齿轮20(例如齿毂轮)接收输入角度。
参照图8，在另一个示例中，旋转位置传感器1也可以包括齿轮传动组件，用于将来自杆轴的输入角度分别转换为施加到第一磁组件3的第一角度和施加到第二磁组件4的第二角度。这种齿轮传动组件可以包括固定到杆轴上的圆锥齿轮81，或者具有不同半径和/或固定到杆轴的不同数量的齿部的至少两个齿轮，用于接合分别耦合到第一磁组件3和第二磁组件4的齿轮。因此，可以提供不同的齿轮传动比，用于将杆轴的旋转的角度转化成第一磁组件3和第二磁组件4各自的不同的第一角度和第二角度。
旋转位置传感器1进一步包括处理器5，用于接收两个独立信号并且用于组合独立信号以产生代表第一角度和第二角度的独特系统状态，例如以通过考虑预定的传动比产生代表共同输入杆轴的角度和旋转数的角位置。
例如，处理器和磁传感器可以在半导体集成电路器件中被共同集成。
处理器可以适用于基于至少两个独立信号中的第一信号计算第一角度(即代表例如第一角度的角度的第一值)，所述第一信号指示至少两个不同阶磁场中的第一阶磁场。例如，第一阶磁场可以是例如由第一磁组件3生成的四极磁场。因此，四极磁场的旋转角度可在180°的范围中被确定，例如由于四极磁场的旋转对称性。
处理器可以适用于基于至少两个独立信号中的第二信号计算第二角度(即代表例如第二角度的另一个角度的第二值)，所述第二信号指示至少两个不同阶磁场的第二阶磁场。例如，第二阶磁场可以是例如由第二磁组件4提供的偶极磁场。因此，可以确定第二磁组件的旋转的角度。例如，第二磁组件的该旋转角度可以包括在由第一磁组件3生成的四极磁场和(例如通过生成偶极磁场或通过将由第一磁组件3生成的四极磁场的部分再成形到不同阶的多极场(例如偶极场))由第二磁组件4提供的偶极磁场之间的相对角度。
该处理器可适用于基于第一角度和第二角度来计算杆轴的角位置的区段。例如，计算该区段可以包括将乘法因子和在由第一磁组件3生成的四极磁场与由第二磁组件4提供的偶极磁场之间的相对角度的乘积四舍五入，其中该乘法因子由第二磁组件4的几何配置和由第一磁组件3生成的场的对称性来预定。注意到，在包括磁通量聚集器的实施例中，尽管在被计算的区段和磁通量聚集器的区段之间可能存在几何相关性，由处理器计算的该区段不一定直接与这种磁通量聚集器的(物理的)区段相关。
该区段可以对应于相对于参考位置旋转的杆轴的区段数的整数值(例如0°的多角度)，其中每个区段代表由第一磁组件3生成的磁场的角对称性的单个周期，例如代表多匝角度的180°区段。因此，处理器可适用于通过将所确定的区段乘以由第一磁组件3直接生成的磁场的角对称性的周期(例如对于四极磁场乘以180°)，并将该第一角度加到此乘法乘积来计算多匝角度。
例如，图6示出相对于第一磁组件3的第二磁组件4的第一部分11的三个示例性位置31、32、33。例如，第一位置31可以对应于被确定为0°的多匝角度，代表该第一磁组件3的取向的第一角度为0°并且例如通过使相对于第一磁组件的第二磁组件的相对角度(例如相对于被检测的四极场的被检测的偶极场的相对角度)的整数部分除以因子(对于该特定示例例如等于90°/6)，区段被确定为区段0。同样地，第二位置32可以对应于被确定为3x180°的多匝角度，该第一角度为0°且被确定的区段为3。同样地，第三位置33可以对应于被确定为6x180°的多匝角度，该第一角度为0°且被确定的区段为6。
参照图7，在另一个示例中，示出第二磁组件4的第一部分11相对于第一磁组件3的三个位置34、35、36。在该示例中，磁传感器2适用于以指示四极磁场的取向的值和指示在旋转框架中经历的磁通量Brot的值的形式生成指示至少两个不同阶的磁场的至少两个独立信号。
例如，第一位置34可以对应于被确定为-3x180°的多匝角度，代表该第一磁组件3的取向的第一角度为0°并且例如通过使指示第二磁组件相对于第一磁组件的相对角度的Brot磁通量的整数部分除以校准因子，区段被确定为区段-3。校准因子可以包括通量值Brot的归一化比例。校准因子还可以包括由第二磁组件和第一磁组件的几何形状确定的因子。校准因子还可以包括温度校正因子。同样地，第二位置35可以对应于被确定为0°的多匝角度，该第一角度为0°且被确定的区段为0。第三位置36可以对应于被确定为3x180°的多匝角度，该第一角度为0°且被确定的区段为3。
在第二方面，本发明涉及一种用于确定旋转位置的方法。这种方法可以包括根据不同的预定传动比将由杆轴的旋转提供的角度(为此多匝旋转位置将被确定)转换成第一角度和第二角度。
该方法包括施加第一角度以相对于磁传感器旋转第一磁场分量，其中第一磁场分量在磁传感器的位置处具有第一多极阶。
该方法进一步包括施加第二角度以相对于磁传感器以及相对于第一磁场分量旋转第二磁场分量，其中第二磁场分量在磁传感器的位置处具有与第一多极阶不同的第二多极阶。该方法还包括使用磁传感器以检测第一磁场分量和第二磁场分量，并且生成分别指示第一磁场分量和第二磁场分量的至少两个独立信号。该方法进一步包括组合该至少两个独立信号以产生代表第一角度和第二角度的独特系统状态，例如通过考虑预定传动的代表杆轴的角度和旋转数的角位置。
在根据本发明的实施例的方法中，第一阶磁场可以是四极磁场，并且第二阶磁场可以是偶极磁场。
在根据本发明的实施例的方法中，第二阶磁场可以由偶极磁体生成，并且第一阶磁场可以由四极磁体生成。因此，可以生成并且可以同时检测到四极磁场和偶极磁场的叠加，诸如以便辨别四极磁场和偶极磁场两者。
例如，WO2014/029885中公开了用于独立于偶极分量获得四极角度的测量的示例性方法。
因此，根据本发明的实施例的旋转位置传感器中的磁传感器可以包括如WO 2014/029885中所公开的用于测量转子相对于定子的角度位置的布置，以及根据本发明的实施例的这种多匝旋转位置传感器的处理器可适用于如WO2014/029885中所公开的执行用于确定转子相对于定子的角度位置的方法的步骤。同样地，根据本发明的实施例的方法可以包括用于确定转子相对于定子的角度位置的方法，如WO2014/029885中所公开。
WO 03/081182中公开了用于独立于四极分量获得偶极角度的测量的示例性方法。因此，根据本发明的实施例的旋转位置传感器中的处理器可以包括如WO 03/081182中公开的角度检测装置。
因此，磁传感器可以包括用于检测偶极角度(例如如WO 03/081182中所公开的)和用于检测多极角度(例如四极角度，例如如WO 2014/029885中所公开的)的多个霍尔传感器元件。
在根据本发明的实施例的方法中，第一阶磁场可以由四极磁体生成，并且第二阶磁场可以通过局部地改变磁场(例如通过磁通量聚集器)来形成以产生第二阶磁场作为偶极磁场。因此，可以生成并且可以同时检测到四极磁场和偶极磁场的叠加，诸如以便辨别四极磁场和偶极磁场两者。
在根据本发明的实施例的方法中，第一值可以包括指示四极磁场的取向的值。
在根据本发明的实施例的方法中，第二值可以包括指示偶极磁场的取向的值，例如指示偶极磁场相对于四极磁场的相对取向的值。例如，第二值可以包括观察到的磁场Brot的旋转分量的磁通量测量值。

Claims (15)

1.一种旋转位置传感器(1)，所述旋转位置传感器包括：
-磁传感器(2)，用于检测磁场的多极展开的两个不同阶并且生成指示所述多极展开的所述两个不同阶的两个独立信号；
-磁组件(3、4)，用于在所述磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的第一磁场分量，所述第一多极阶对应于由所述磁传感器可检测的所述多极展开的所述两个不同阶中的一个阶，所述第一磁场分量相对于所述磁传感器在第一角度上是可旋转的，所述磁组件适用于在所述磁传感器的位置处形成具有第二多极阶的第二磁场分量，所述第二多极阶与所述第一多极阶不同并且对应于由所述磁传感器可检测的所述多极展开的所述两个不同阶中的另一个阶，所述第二磁场分量相对于所述磁传感器并且相对于所述第一磁场分量在第二角度上是可旋转的；
-处理器(5)，用于接收所述两个独立信号并用于组合它们以产生代表所述第一角度和所述第二角度的独特系统状态。
2.如权利要求1所述的旋转位置传感器(1)，其中所述磁组件(3、4)被机械地耦合到输入杆轴，使得所述第一角度经由第一传动比与所述输入杆轴的输入角度相关并且所述第二角度经由与所述第一传动比不同的第二传动比与所述输入角度相关。
3.如权利要求2所述的旋转位置传感器(1)，其中所述处理器(5)适用于组合所述两个独立信号以产生所述独特系统状态，所述独特系统状态代表比所述场分量的最小角度磁周期性大的范围内的角度或通过考虑预定传动比的所述共同杆轴的角度和旋转数。
4.如上述权利要求中任一项所述的旋转位置传感器(1)，其中所述磁传感器(2)适用于检测所述多极展开的至少两个不同阶，所述多极展开包括以下的至少两个：偶极磁场、四极磁场、六极磁场、八极磁场和十极磁场，其中所述两个独立信号适用于区分所述至少两个不同阶的磁场。
5.由权利要求4所述的旋转位置传感器(1)，其中所述磁传感器(2)适用于检测至少偶极磁场和四极磁场，并且生成所述两个独立信号作为指示所述偶极磁场和所述四极磁场的独立信号。
6.如权利要求1至3中任一项所述的旋转位置传感器(1)，其中所述磁组件包括第一磁组件(3)，用于在所述磁传感器的位置处形成具有所述第一多极阶的所述第一磁场分量，所述第一磁组件通过接收所述第一角度相对于所述磁传感器可旋转；并且其中所述磁组件包括第二磁组件(4)，用于在所述磁传感器的位置处形成具有所述第二多极阶的第二磁场分量，所述第二磁组件通过接收所述第二角度相对于所述磁传感器且相对于所述第一磁组件可旋转。
7.如权利要求6所述的旋转位置传感器(1)，其中所述第一磁组件(3)包括用于形成以四极磁场形式的具有所述第一阶的所述第一磁场分量的四极磁体，并且其中所述第二磁组件(4)包括用于在所述磁传感器的位置处产生以偶极磁场形式的具有所述第二阶的所述第二磁场分量的偶极磁体。
8.如权利要求6所述的旋转位置传感器(1)，其中所述第二磁组件(4)适用于通过其存在改变由所述第一磁组件(3)生成的所述第一磁场分量，诸如以产生具有所述第二阶的所述第二磁场分量。
9.如权利要求8所述的旋转位置传感器(1)，其中所述第二磁组件(4)包括用于局部地改变由所述第一磁组件(3)生成的所述磁场的所述磁场配置的磁通量聚集器，使得所述第二阶的所述第二磁场分量被所述磁传感器观察到。
10.如权利要求9所述的旋转位置传感器(1)，其中所述磁通量聚集器包括至少一个区段(9)，所述至少一个区段(9)具有位于所述第一磁组件(3)附近的区域中的第一部分(11)和位于所述磁传感器附近的区域中的第二部分(12)，其中所述第一部分(11)和所述第二部分(12)围绕所述第一磁组件(3)的旋转轴线在预定角度上偏移，使得由所述第一磁组件(3)生成的所述磁场的磁场线在所述磁传感器层面的该预定角度上被局部地位移。
11.如权利要求10所述的旋转位置传感器(1)，其中所述磁通量聚集器包括所述区段(9)中的两个区段，使得所述第二部分(12)彼此相对布置并且所述第一部分(11)彼此相邻布置。
12.如权利要求6所述的旋转位置传感器(1)，包括齿轮传动组件，用于将来自输入杆轴的输入角度分别转换为被施加以旋转所述第一磁场分量的所述第一角度和被施加以旋转所述第二磁场分量的所述第二角度。
13.如权利要求12所述的旋转位置传感器(1)，其中所述齿轮传动组件包括用于旋转所述第一磁组件(3)的第一齿轮(21)和用于旋转第二磁组件(4)的第二齿轮(22)，其中所述第一齿轮(21)和所述第二齿轮(22)具有用于生成不同的第一角度和第二角度的不同数目的齿部和/或不同的周长，并且其中所述第一齿轮(21)和所述第二齿轮(22)从共同齿轮(20)接收输入角度，所述共同齿轮被机械地链接到多匝角度将被确定所针对的所述输入杆轴。
14.如权利要求1至3中任一项所述的旋转位置传感器(1)，
其中所述处理器(5)适用于基于所述两个独立信号中的第一信号计算第一角度，所述第一信号指示具有所述第一多极阶的所述第一磁场分量，
其中所述处理器(5)适用于基于所述两个独立信号中的第二信号计算第二角度，所述第二信号指示具有所述第二多极阶的所述第二磁场分量，以及
其中所述处理器(5)适用于基于至少所述第二角度计算所述杆轴的所述角度位置的区段，所述区段对应于所述杆轴相对于参考角位置旋转的区段数的整数值，其中每个区段代表所述第一磁场分量的角对称性的单个周期。
15.一种用于确定旋转位置的方法，所述方法包括：
-在所述磁传感器的位置处施加第一角度以相对于磁传感器旋转具有第一多极阶的第一磁场分量；
-在所述磁传感器的位置处施加第二角度以相对于所述磁传感器并且相对于所述第一磁场分量旋转具有与所述第一多极阶不同的第二多极阶的第二磁场分量；
-使用所述磁传感器检测所述第一磁场分量和所述第二磁场分量，并且生成分别指示所述第一磁场分量和所述第二磁场分量的两个独立信号；以及
-组合所述至少两个独立信号以产生代表所述第一角度和所述第二角度的独特系统状态。
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