CN109073414A - 位置传感器和用于生成传感器输出信号的方法 - Google Patents

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Abstract

一种位置传感器(10)包括：至少一个磁敏元件(11‑14)；信号评估单元(16)，耦合到所述至少一个磁敏元件(11‑14)并且被配置为产生测量信号(SM)；输出激励单元(17)，被配置为产生设置信号(ST)；以及接口单元(18)，其在其输入侧耦合到信号评估单元(16)和输出激励单元(17)。接口单元(18)被配置为在测量操作模式中根据测量信号(SM)以及在校准操作模式中根据设置信号(ST)来提供传感器输出信号(SOUT)。

Description

位置传感器和用于生成传感器输出信号的方法
本发明涉及位置传感器、电机装置和用于生成传感器输出信号的方法。
位置传感器通常用于检测电机的位置，尤其是电机转子的位置。在线性电机的情况下，位置传感器检测线性位置，并且在旋转电机的情况下，位置传感器检测角度位置。
必须确定角度位置以控制电换向电机，缩写为EC电机，例如无刷直流电机，缩写为BLDC电机，或永磁同步电机，缩写为PMSM。EC电机基本上是一个转子极对内的绝对系统。位置传感器还提供相对于电机轴的机械位置的绝对角度输出。位置传感器用作调节电机的位置反馈。由于位置传感器用作电机轴位置的反馈传感器，因此需要角域的对准，这称为“零角度编程”。该零角度在不同系统之间是不同的，并且必须在生产线中确定或编程以制造电机。
本发明的一个目的是提供一种位置传感器、一种电机装置和一种用于产生具有容易零角度对准的传感器输出信号的方法。
该目的由独立权利要求实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。
在实施例中，位置传感器包括至少一个磁敏元件、信号评估单元、输出激励单元和接口单元。信号评估单元耦合到至少一个磁敏元件。信号评估单元被配置为产生测量信号。输出激励单元被配置为产生设置信号。接口单元在其输入侧耦合到信号评估单元和输出激励单元。接口单元被配置为在测量操作模式中根据测量信号以及在校准操作模式中根据设置信号来提供传感器输出信号。
有利地，位置传感器通过接口单元不仅能够提供测量信号，还能够提供设置信号。在校准操作模式中，可以通过取决于设置信号的传感器输出信号来设置电机的位置。由于电机的位置是已知的，因此可以执行位置传感器的校准，例如零角度校准。在测量操作模式中，传感器输出信号能够用作对电机的反馈，以控制电机的位置，其中传感器输出信号是测量信号的函数。
在实施例中，位置传感器包括半导体本体。至少一个磁敏元件、信号评估单元、输出激励单元和接口单元在半导体本体的第一主表面上实现。
在实施例中，接口单元包括多路复用器，其具有耦合到信号评估单元的第一输入和耦合到输出激励单元的第二输入。
在实施例中，多路复用器的输出耦合到接口单元的接口。
在可替代实施例中，多路复用器的输出耦合到接口单元的接口和接口单元的另外的接口。
在实施例中，接口被实现为由增量接口、绝对接口和脉冲宽度调制解码器组成的组的元件。
在接口单元包括接口和另外的接口的情况下，接口和另外的接口可以实现为所述组的两个元件。
增量接口可以以增量传感器输出信号的形式产生传感器输出信号。通常，增量输出信号可以实现为三个信号，称为A B I信号。
绝对接口可以以绝对传感器输出信号的形式产生传感器输出信号。通常，绝对传感器输出信号可以实现为三个信号，称为U V W信号。
脉冲宽度调制解码器可以以脉冲宽度调制信号的形式产生传感器输出信号。通常，脉冲宽度调制器信号可以是单个信号。
在实施例中，位置传感器包括串行外设接口，缩写为SPI。SPI耦合到位置传感器的总线端子。此外，SPI耦合到输出激励单元。输出激励单元根据经由SPI从总线端子接收的信息来确定设置信号。
在实施例中，至少一个磁敏元件被实现为由以下元件组成的组中的元件：霍尔元件、磁二极管、磁晶体管、各向异性磁阻元件、巨磁阻元件、隧道磁阻元件和庞磁阻元件。
在实施例中，位置传感器包括存储器。存储器可以实现为只读存储器(缩写ROM)、可编程只读存储器(缩写PROM)、电可擦除可编程只读存储器(缩写EEPROM)或一次性可编程存储器(缩写OTP)。
在实施例中，存储器可以耦合到输出激励单元。输出激励单元根据存储在存储器中的设置数据来确定设置信号。存储器可以通过SPI从总线端子接收设置数据。在通过存储器接收设置数据和通过存储器将设置数据提供给输出激励单元之间可能存在大的时间差。存储器可以具有存储设置数据的设置数据块。
在实施例中，信号评估单元包括线性化单元，该线性化单元在其输出侧耦合到接口单元。线性化单元在其输入侧耦合到至少一个磁敏元件。例如，信号评估单元可以包括布置在至少一个磁敏元件和线性化单元之间的模数转换器。
在实施例中，存储器耦合到线性化单元。存储器可以包括存储校准数据的校准数据块。存储器在测量操作模式下向线性化单元提供校准数据。线性化单元根据校准数据产生测量信号。因此，线性化单元产生针对在校准操作模式中确定的位置传感器对电机的单个位置的值为零的测量信号。另外，线性化单元通过使用校准数据来减少测量信号中的误差。
在实施例中，位置传感器在校准操作模式下将校准数据存储在存储器的校准数据块中。可以在校准操作模式下编程OTP或EEPROM。
在实施例中，校准数据在校准操作模式中确定，使得测量信号表示在位置传感器和设备之间的单次对准时的、测量操作模式中的零位置。在测量操作模式下测量设备的位置。对于测量操作模式中的、在其处位置传感器和设备在该单次对准时彼此布置的任何时间点，信号评估单元产生具有表示零位置的值的测量信号。
在实施例中，位置传感器实现为线性位置传感器。零位置是线性轴上的值为零的位置。设备在线性轴上的位置可以在微米、毫米、厘米或米范围内测量。
在可替代实施例中，位置传感器实施为角度位置传感器。零位置是具有零值的角度。该位置可以以度为单位或以完整圈的分数来度量。
至少一个磁敏元件产生至少一个磁信号。磁信号可以是与磁敏元件位置处的磁通相关的模拟信号。
在实施例中，线性化单元通过使用校准数据使线性化单元的输入信号线性化来提供测量信号。线性化单元的输入信号取决于至少一个磁信号。线性化单元的输入信号是数字信号，并且可以取决于布置在至少一个磁敏元件和线性化单元之间的模数转换器的数字输出信号。因此，线性化单元提供具有表示位置传感器和设备的单次对准时的零位置的值。通过线性化，减少了测量信号中的误差。这种误差可能是由于设备和位置传感器的非理想定向造成的，例如旋转设备的旋转轴对位置传感器表面的非理想定向。误差可能是例如由于额外的偏移计算而对称。有利地，能够执行位置传感器内的传感器输出信号的线性化。
在实施例中，存储在存储器中的数据在测量操作模式中不改变。
在实施例中，位置传感器包括耦合到存储器的数字电路。数字电路在校准操作模式下确定校准数据，并在校准操作模式下将校准数据存储在存储器的校准数据块中。数字电路可以实现为包括微控制器、微处理器和状态机的组的元件。
在可替代实施例中，编程器单元经由总线端子和SPI耦合到位置传感器。编程器单元使用经由总线端子接收的信号在校准操作模式期间计算校准数据。在计算之后，编程器单元经由总线端子将校准数据存储在存储器中。
在实施例中，编程器单元包括另外的半导体主体。包括位置传感器的半导体本体没有编程器单元。编程器单元被实现为位置传感器外部的块或设备。
在实施例中，编程器单元在校准操作模式期间连接到位置传感器。编程器单元可用于生产线过程结束。生产线过程结束包括校准操作模式和可选的进一步测试。在测量操作模式期间，编程器单元可以不连接到位置传感器。
在实施例中，电机装置包括位置传感器。另外，电机装置包括具有转子和定子的电机以及机械连接到转子的编码器磁体。编码器磁体产生用于通过位置传感器进行位置检测的磁场。此外，电机装置包括电耦合到定子的电机控制器。位置传感器布置在编码器磁体的磁场中。另外，位置传感器电耦合到电机控制器。位置传感器将传感器输出信号提供给电机控制器。
在实施例中，电机控制器包括另外的半导体本体。包括位置传感器的半导体本体没有电机控制器。电机控制器可以被实现为位置传感器外部的加外的块或设备。
至少一个磁敏元件测量编码器磁体的磁场。磁场可以具有垂直于至少一个磁敏元件的分量。
在实施例中，至少一个磁敏元件仅测量垂直于至少一个磁敏元件的磁场分量。
有利地，编码器磁体和位置传感器能够在电机和电机控制器之间提供反馈。通过该反馈，电机控制器接收关于电机的位置的信息，尤其是电机的转子的位置。所述信息由传感器输出信号提供。另外，在校准操作模式中，设置电机的位置，因为传感器输出信号是校准操作模式中的设置信号的函数。
定子可包括第一数量N个极。每个极包括线圈或绕组。电机控制器控制流过第一数量N个极中的每一个的线圈或绕组的电流。
位置传感器可以实现为用作电机控制应用的磁性旋转编码器、角度位置传感器或磁性位置传感器。
电机装置可以允许将位置传感器手动和顺序调节到电机。首先，位置传感器可以手动固定到电机。顺序地，在校准操作模式中调整零角度。在具有校准操作模式的阶段之后，在测量操作模式中执行表示角度信息的传感器输出信号的测量。
在实施例中，首先将电机装置设置在具有校准操作模式的阶段中，然后将其设置在具有测量操作模式的至少一个阶段中。具有测量操作模式的几个阶段可以通过空闲阶段分开。具有校准操作模式的阶段可以称为校准阶段，并且可能仅需要一次。例如，修理电机装置后，可能需要具有校准操作模式的另外的阶段。
电机装置涉及电机控制应用领域以及电动换向电机(简称EC电机，例如BLDC或PMSM)中的角度位置传感器的实现。EC电机基本上是一个转子极对内的绝对系统。位置传感器还提供相对于电机轴(也可以称为电机轴)的机械位置的绝对角度输出。由于位置传感器用作电机轴位置的反馈传感器，因此必须通过校准操作模式执行角域的对准(称为零角度编程)。该零角度在不同电机装置中是不同的，并且在电机制造商的生产线中编程。通过使用校准操作模式，实现了位置传感器、发射器或编码器磁体与电机轴之间的零角度对准过程的显著简化。
在校准操作模式中，电机控制器强制恒定电流流过电机绕组。因此，电机的转子将保持在限定的角度位置，该角度位置提供零角度对准的信息。无需额外的电流源和连接硬件。
电机装置的对准过程直接在实际应用中完成，并与完整配置的电机控制器单元结合。传感器输出信号(例如通过增量和/或绝对接口提供)能够通过数字接口设置为任何状态。能够在位置传感器内模拟任何角度位置，并通过位置传感器直接激励电机控制器。因此，位置传感器和电机零角度的对准可以在实际应用中完成。强制电机电流由电机控制器直接处理。无需额外设备。零角度校准能够在生产线测试结束期间一步完成。在校准阶段，位置传感器、电机控制器和电机在一个步骤中进行测试。由于角度值的多次读数和随后的平均，噪声效应被抵消。在实施例中，执行多点校准，因此，给出了关于系统精度的附加信息。
在实施例中，用于产生传感器输出信号的方法包括通过至少一个磁敏元件产生至少一个磁信号。此外，信号评估单元根据至少一个磁信号产生测量信号。此外，输出激励单元提供设置信号。
另外，传感器输出信号由接口单元提供。传感器输出信号取决于测量操作模式中的测量信号，并取决于校准操作模式中的设置信号。
因此，传感器输出信号能够用于提供包含位置信息的测量信号或者提供设置信号例如给耦合到接口单元的电机控制器。
在实施例中，至少一个磁敏元件、信号评估单元、输出激励单元和接口单元在半导体本体的第一主表面上实现。位置传感器包括半导体本体，该半导体本体包含至少一个磁敏元件、信号评估单元、输出激励单元和接口单元。
以下对示例性实施例的附图的描述可以进一步说明和解释本发明。具有相同结构和相同效果的装置和电路块分别具有相同的参考标号。就设备或电路块在不同附图中的功能彼此对应而言，对于以下附图中的每一个，不再重复其描述。
图1示出了位置传感器的示例性实施例；
图2A和2B示出了具有编码器磁体的位置传感器的示例性实施例和传感器输出信号的示例性实施例；
图3示出了具有位置传感器的电机装置的示例性实施例；以及
图4A和4B示出了电机装置的细节。
图1示出了位置传感器10的示例性实施例。位置传感器10包括至少一个磁敏元件11。至少一个磁敏元件11可以实现为霍尔元件，例如横向霍尔元件。位置传感器10可以包括数量M个磁敏元件11至14。在图1所示的实施例中，数量M是4。四个磁敏元件11至14可以布置成圆形。四个磁敏元件11至14以规则方式布置。
位置传感器10包括信号评估单元16，其在其输入侧耦合到至少一个磁敏元件11。因此，数量M个磁敏元件11至14电连接到信号评估单元16。位置传感器10包括输出激励单元17和接口单元18。接口单元18在第一输入处耦合到信号评估单元16并且在第二输入处耦合到输出激励单元17。
接口单元18包括多路复用器19。多路复用器19的第一输入耦合到信号评估单元16的输出。多路复用器19的第二输入耦合到输出激励单元17的输出。接口单元18包括接口20，接口20具有耦合到多路复用器19的输出的输入。接口单元18可以包括另外的接口21，接口21的输入也耦合到多路复用器19的输出。接口20可以实现为绝对接口。接口20在其输出侧连接到输出端子22。另外的接口21可以实现为增量接口。另外的接口21在其输出侧连接到另外的输出端子23。接口单元18包括耦合到输出端子22和/或另外的输出端子23的脉冲宽度调制解码器38。
此外，位置传感器10包括串行外设接口24，缩写为SPI。位置传感器10的总线端子25连接到SPI 24。总线端子25实现为双向端子。SPI 24连接到输出激励单元17的输入。此外，SPI 24可以耦合到多路复用器19的控制输入。
另外，位置传感器10包括存储器26。存储器26可以实现为一次性可编程存储器或EEPROM。此外，位置传感器10包括易失性存储器27。易失性存储器27可以实现为随机存取存储器，例如静态随机存取存储器，缩写为SRAM，或动态随机存取存储器，缩写为DRAM。存储器26和易失性存储器27均耦合到SPI 24。
信号评估单元16包括线性化单元30。线性化单元30在其输出侧连接到多路复用器19的第一输入端。线性化单元30在其输入侧耦合到至少一个磁敏元件11至14。
此外，信号评估单元16包括模拟前端电路31，模拟前端电路31在其输入侧连接到至少一个磁敏元件11至14。模拟前端电路31包括放大器32。此外，模拟前端电路31可以包括未示出的滤波器。
另外，信号评估单元16包括模数转换器33，模数转换器33在其输入侧经由模拟前端电路31耦合到至少一个磁敏元件11到14。信号评估单元16包括位置计算单元34。模数转换器33的输出耦合到位置计算单元34的输入。位置计算单元34实现为坐标旋转数字计算机块，缩写为CORDIC。位置计算单元34也称为数字处理单元。数字处理单元34可以实现为状态机、微处理器或微控制器。数字处理单元34经由自动增益控制电路37耦合到模拟前端电路31的控制输入。
另外，信号评估单元16包括内插器35，内插器35在其输入侧耦合到数字处理单元34的输出。此外，信号评估单元16可以包括误差补偿单元36，误差补偿单元36在其输入侧耦合到内插器35的输出。误差补偿单元36用于动态角度误差补偿。误差补偿单元36的输出耦合到线性化单元30的输入。
存储器26的设置数据块29经由SPI 24耦合到输出激励单元17或直接经由未示出的连接耦合到输出激励单元17。存储器的校准数据块28耦合到线性化单元30。所述块还可以耦合到数字处理单元34。数字处理单元34耦合到SPI 24。另外，数字处理单元34耦合到脉冲宽度调制解码器38。
此外，位置传感器10包括低压降调节器40。低压降调节器40将第一供电端子41连接到位置传感器10的第二供电端子42。位置传感器10可以包括参考电位端子39。参考电位端子39和低压降调节器40与不同电路部分的连接未在图1中示出。
至少一个磁敏元件11将至少一个磁信号S1提供给模拟前端电路31。因此，数量M个磁敏元件11至14产生数量M个磁信号S1至S4。在图1所示的实施例中，位置传感器10包括四个磁敏元件11至14，它们产生四个磁信号S1至S4。数量M个磁信号S1至S4中的每一个被提供给模拟前端电路31。在放大和滤波之后，模拟前端电路31将四个放大的磁信号提供给模数转换器33的输入。将至少一个磁信号S1至S4中的每一个分别转换为数字磁信号SD1至SD4。因此，通过模拟前端31和模数转换器33将至少一个磁信号S1至S4转换为至少一个数字磁信号SD1至SD4。
至少一个数字磁信号SD1至SD4被提供给数字处理单元34。数字处理单元34根据至少一个数字磁信号SD1至SD4产生位置信号SP。数字处理单元34可以使用反正切函数来计算位置信号SP，其中至少一个数字磁信号SD1至SD4是反正切函数的输入。位置信号SP是数字信号并包括位置信息。位置信号SP可以包括角度信息。数字处理单元34还产生控制信号SC，该控制信号SC经由自动增益控制电路37提供给模拟前端电路31的控制输入。在未示出的编码器磁体50与至少一个磁敏元件11至14的距离大于预定值的情况下，自动增益控制电路37增加模拟前端电路31的放大器32的放大系数。
经由内插器35和误差补偿单元36将位置信号SP提供给线性化单元30。线性化单元30产生测量信号SM。测量信号SM被提供给多路复用器19的第一输入。
至少一个磁敏元件11至14可以将垂直于位置传感器10的表面的磁场分量转换为可以是电压的至少一个磁信号S1至S4。来自至少一个磁敏元件11至14的至少一个磁信号S1至S4由模拟前端电路31放大和滤波，以便由模数转换器33转换成是数字信号的至少一个数字磁信号SD1至SD4。数字处理单元34处理至少一个数字磁信号SD1至SD4，以计算磁矢量的角度和大小。磁矢量的大小是由至少一个磁敏元件11至14测量的磁场强度的函数，并且被自动增益控制电路37使用来调节模拟前端电路31的放大电平，以补偿温度和磁场变化。
在高速旋转的情况下，内插器35产生位置信号SP的缺失值。误差补偿单元36被实现为动态误差补偿块，并使用预测计算算法校正位置信号SP的延迟。位置信号SP表示关于计算出的角度α的信息。线性化单元30使用存储在存储器26的校准数据块28中的校准数据或校准点来产生具有正确的零值并且与位置信号SP相比具有减小的误差的测量信号SM。
接口单元18提供传感器输出信号SOUT。接口20产生绝对传感器输出信号，包括三个信号U、V、W。另外的接口21产生增量传感器输出信号，包括三个信号A、B、I。位置信号SP被提供给脉冲宽度调制解码器38。脉冲宽度调制解码器38产生脉冲宽度调制信号PWM，其被提供给输出端子20和/或另外的输出端子23。
传感器输出信号SOUT被实现为具有信号U、V、W的绝对输出信号、和/或具有信号A、B、I的增量传感器输出信号、和/或脉冲宽度调制信号PWM。输出端子22具有三个引脚。相应地，另外的输出端子23也包括三个引脚。脉冲宽度调制信号SW可以由输出端子22的一个引脚提供，或者由另外的输出端子23的一个引脚提供。
在测量操作模式中，测量信号SM由多路复用器19提供给接口20和另外的接口21。因此，传感器输出信号SOUT是测量操作模式中的测量信号SM的函数。在更高的速度下，内插器35在增量输出信号A、B、I中填充丢失的脉冲。
总线端子25可以包括四个引脚。四个引脚中的三个可以实现为输入引脚，用于向SPI 24提供输入信号CSn、SCL、MOSI。总线端子25的四个引脚中的一个可以实现为输出引脚，用于将由SPI 24产生的输入信号MISO提供给另一个设备。
能够通过总线端子25和SPI 24对位置传感器10的非易失性设置进行编程。SPI 24实现为从设备。
在校准操作模式中，输出激励单元17产生到多路复用器19的第二输入的设置信号ST。因此，传感器输出信号SOUT是校准操作模式中的设置信号ST的函数。绝对传感器输出信号U、V、W和增量传感器输出信号A、B、I是校准操作模式中的设置信号ST的函数。
SPI 24产生多路复用器控制信号SMU，其被提供给多路复用器19的控制端子。多路复用器控制信号SMU在校准操作模式中具有第一逻辑值，在测量操作模式中具有第二逻辑值。可以根据总线端子25从SPI 24接收的信号来产生多路复用器控制信号SMU。多路复用器控制信号SMU确定设置信号ST或测量信号SM是否被提供给接口20和/或另外的接口21。
位置传感器10包括半导体本体。至少一个磁敏元件11至14、信号评估单元16、输出激励单元17和接口单元18在半导体本体的第一主表面上实现。因此，图1显示了所述表面上的电路。
有利地，位置传感器10实现为智能传感器。在半导体本体的第一主表面上集成至少一个磁敏元件11至14、信号评估单元16、输出激励单元17和接口单元18导致位置传感器10的高性能、高安全性、低面积和低成本。由于尺寸小，位置传感器10可以布置得非常靠近未示出的编码器磁体50。位置传感器10可以简单地用于申请人。位置传感器10可以仅包括数字接口。位置传感器10可以没有任何模拟接口。
在图1中，示出了位置传感器10的图或集成电路设计。位置传感器10可以实现为具有用于零角度对准的块的电机控制磁角度传感器。
输出激励单元17和多路复用器19使得能够在外部控制传感器输出信号SOUT。仍然存在正常的角度测量功能，并且测量的原始角度，例如，位置信号SP可以通过SPI 24读取。在该零角度校准阶段期间，如图3、4A和4B所示的电机61能够逐步通过几个离散的角点。通过适当的电流调节，转子62可以被迫到达几个校准点。校准点的数量可以是转子极对(缩写为R)的数量乘以6。例如。具有四个R的电机61可以具有24个校准点。可替换地，校准点的最小数量可以是R的数量乘以6。
在实施例中，校准点被保存在位置传感器10自身内(例如，在实现为OTP的存储器26中)。因此，还可以在位置传感器10的集成电路内实现线性化算法。在这种情况下，位置传感器10最佳地与电机61的每个切换点对准，这提高了效率，减小了转矩脉动并降低了噪声。另外，如果完成线性化，则将放松关于编码器磁体选择、机械对准(例如，编码器磁体50到位置传感器10的机械对准)和编码器磁体50的安装的要求。
在未示出的实施例中，位置传感器10包括数字电路，该数字电路耦合到存储器26，并且在校准操作模式下确定校准数据并将其存储在存储器26的校准数据块28中。位置传感器10自身运行校准程序，仅由初始命令触发。数字电路可以是微处理器、微控制器或状态机。用户的最小努力和电机61的最佳控制性能是有益的。
在未示出的替代实施例中，位置传感器10包括另一数量的磁敏元件11，作为图1的实施例中所示的数量四个磁敏元件11。
在未示出的替代实施例中，接口单元14仅包括一个接口，例如接口20或另外的接口21。在这种情况下，传感器输出信号SOUT仅包括绝对传感器输出信号U、V、W或增量传感器输出信号A、B、I。
图2A示出了位置传感器10和编码器磁体50的示例性实施例。位置传感器10容纳在封装51中。封装51可以实现为双列直插式封装。双列直插式封装在封装51的两侧具有引脚。封装51在封装51的一个角落中具有标记52。标记52用于识别第一引脚和四个磁敏元件11至14的位置。
编码器磁体50恰好包括一个南极和一个北极。编码器磁体50可以具有圆柱形式。编码器磁体50的旋转轴垂直于位置传感器10的表面并因此垂直于至少一个磁敏元件11至14的表面。
在未示出的替代实施例中，封装51可以被制造为在封装的四个侧面上具有端子的四方扁平无引线封装，缩写为QFN封装。这种QFN可以实现为微引线框，缩写为MLF。
图2B示出了绝对传感器输出信号的示例性实施例，其包括取决于角度α的三个信号U、V、W，显示了360°的一整圈。
图3示出了包括位置传感器10、编码器磁体50和电机61的电机装置60的示例性实施例。电机61具有转子62和定子64，如图4A和4B所示。电机61的转子62连接到轴63，轴63示出在电机61的左侧和右侧。编码器磁体50附接到轴63。编码器磁体50的圆柱体固定到轴63。编码器磁体50的转动轴线大致与轴63的转动轴线对齐。电机装置60也可以称为电机设备或电机系统。
在图3中，为了说明的目的，跳过具有封装51的位置传感器10，使得示出了总线端子25的引脚、输出端子22的引脚和另外的输出端子23的引脚。实际上，编码器磁体50的转动轴线垂直于位置传感器10的表面。
此外，电机装置60包括电机控制器65，电机控制器65在其输入侧耦合到位置传感器10。因此，位置传感器10的输出端子22和/或另外的输出端子23连接到电机控制器65的输入端子。电机控制器65可以实现为通用电机控制器。
电机控制器65包括接口66。电机控制器65可以包括另外的接口67。电机控制器65的接口66连接到位置传感器10的输出端子22。另外，电机控制器65的另外的接口67连接到另外的输出端子23。电机控制器65电连接到电机61。在图3所示的实施例中，电机61具有三个极对。因此，电机控制器65包括第一至第三输出68至70，它们通过三条连接线电连接至电机61。电机61和电机控制器65之间的连接线的数量等于或大于电机61的极对数。电机控制器65能够控制流过电机61的极的每个线圈或绕组的电流。电机控制器65包括控制输入73。控制输入73可以连接到现场总线74，现场总线74耦合到诸如CAN、USB或RS232接口的用户接口。
另外，电机装置60可以包括耦合到位置传感器10的编程器单元71。编程器总线72将编程器单元71耦合到位置传感器10的总线端子25。编程器总线72实现为SPI总线。在图3所示的示例中，编程器单元71具有耦合到总线端子25的三个输入的三个输出和耦合到总线端子25的输出的一个输入。
编程器单元71产生将位置传感器10设置为校准操作模式的输出信号MISO。输出激励单元17可以根据由编程器单元71产生的输出信号MISO提供的信息来产生设置信号ST。因此，传感器输出信号SOUT是设置信号ST的函数并且被提供给电机控制器65。因此，电机控制器65在提供给电机61的第一至第三输出68至70处产生电机控制信号PH1、PH2、PH3。因此，电机61根据电机控制信号PH1至PH3改变轴63的位置。因此，轴63的角度α是电机控制信号PH1至PH3的函数，电机控制信号PH1至PH3又是传感器输出SOUT的函数，并且因此是输出激励单元17的设置信号ST的函数。设置信号ST可以是由编程器单元71提供的输出信号MISO的函数。可替换地，设置信号ST可以是存储在存储器26的设置数据块29中的设置数据的函数。
在校准操作模式中，至少一个磁敏元件11至14产生至少一个磁信号S1至S4，其被转换为位置信号SP并被转换为测量信号SM。位置信号SP和/或测量信号SM经由SPI 24和总线端子25提供给编程器单元71。因此，编程器单元71接收针对由编程器单元71在之前设置的轴63的角度α的位置信号SP和/或测量信号SM的值。编程器单元71使用位置信号SP和/或测量信号SM的值来确定校准数据。校准数据由编程器单元71经由总线端子75和SPI 24提供给存储器26的校准数据块28。
在校准操作模式中，编程器单元71可以设置电机61的轴63的角度α的几个值，并且可以接收针对角度α的这些值的位置信号SP和/或测量信号SM的值。因此，编程器单元71能够确定针对具有零值的角度α的校准数据以及针对线性化单元30用于产生线性化测量信号SM的信息的校准数据。
在测量操作模式中，编程器单元71可以从位置传感器10移除。在测量操作模式中，电机装置60包括电机61、位置传感器10和电机控制器65。在测量操作模式中，电机装置60可以没有编程器单元71。位置传感器10测量轴63的位置，这意味着测量轴63的角度α，并根据测量信号SM产生传感器输出信号SOUT。传感器输出信号SOUT被提供给电机控制器65。电机控制器65根据传感器输出信号SOUT确定电机控制信号PH1至PH3。由于校准操作模式中的校准，仅当轴63的角度α具有零值时，测量信号SM和传感器输出信号SOUT才提供角度具有零值的信息。因此，不需要将编码器磁体50安装在轴63上以及将位置传感器10安装在电机61的支架或壳体上的高精度，因为在所述安装步骤之后使用校准操作模式。通常，在校准之前的生产期间，编码器磁体50在电机61的轴63上的位置是未知的。
通过电机控制器65控制电机61，电机控制器65在电机控制器65的控制输入73处接收命令。命令可以包括电机61的操作模式、电机61的打开/关闭、轴63的移动方向和/或转速的值。
在实施例中，位置传感器10可以仅设置在校准操作模式中一次。只有在执行改变编码器磁体50或位置传感器10相对于轴63的位置的机械修正时，才需要将电机装置60设置在校准操作模式中的另外阶段。
在图3中，在校准阶段示出了电机装置60。电机装置60包括处于校准操作模式的电机61、电机控制器65、位置传感器10和编程器单元71，其中校准操作模式被设计用于零角度对准。
编程器单元71经由串行接口24(例如SPI总线)连接到位置传感器10。位置传感器10从测量操作切换到校准模式。在该模式中，传感器输出信号SOUT能够通过编程器单元71完全控制。传感器输出信号SOUT可以是绝对传感器输出信号UVW和增量传感器输出信号ABI。用户能够将传感器输出信号SOUT设置为定义的状态并保持传感器输出信号SOUT静态。电机控制器65本身处于正常操作模式。相电流PH1至PH3将被感应到电机61，并且转子62将相应于定子64的磁场排列。只要传感器输出信号SOUT保持其静态配置，电机61的转子62也将保持其位置。在这种状态下，可以从串行接口24读取位置传感器10的角度值。该角度值给出了所需零角度编程的基本信息。
编程器单元71可以用于位置传感器10的配置，例如用于选择是在输出端子22还是在另外的输出端子23处提供脉冲宽度调制信号PWM。
传感器输出信号SOUT，例如，增量信号ABI和绝对信号UVW的手动力通过用户控制的串行接口24施加。在电机装置60中，零角度对准是可能的。
在存储器26中执行用于校准点和线性化的存储。电机61作为校准的参考。电机61本身给出参考位置。最佳电流切换点存储在位置传感器10内。
在位置传感器10内实现校准程序的完全顺序控制。只需一个命令即可开始校准。位置传感器10接收将位置传感器10设置为校准操作模式的信号。在实施例中，除了增量传感器输出信号A、B、I和/或绝对传感器输出信号U、V、W之外，电机控制器10不接收任何将电机控制器10设置为校准操作模式的信号。
编程器单元71可以产生传感器输出信号SOUT，例如，实现为受激励磁信号。
有利地，位置传感器10可以连接到不同的电机控制器65，因为位置传感器10由于通用接口20和另外的接口21而与不同类型的电机控制器65兼容。
在未示出的替代实施例中，传感器输出信号SOUT仅以一种形式从位置传感器10提供给电机控制器65，例如仅作为绝对传感器输出信号U、V、W。在该实施例中不需要增量传感器输出信号A、B、I。
图4A和4B示出了电机61的示例性实施例，其是上述实施例的进一步发展。在图4A和4B中，示出了电机61的示意图。
图4A示出了电机61的正常操作模式。电机61实现为无刷DC电机，缩写为BLDC电机。电机61包括转子62和定子64。转子62包括转子磁体82。转子磁体82实现为永磁体。因此，转子62恰好包括一个转子极对。转子磁体82机械地耦合到图3中所示的轴63。
定子64包括第一数量N的定子线圈83至85。在图4A和4B中，数量N是3。因此，定子64包括第一至第三定子线圈83至85。定子线圈83至85中的每个对应于定子64的一个极。
如图4A所示，在阶段1中，电流PI流过第一和第二定子线圈83,84，并产生结果定子磁通矢量SV。电流PI实现为相电流。转子磁体82产生转子磁通矢量RV。定子磁通矢量SV在转子磁通矢量RV的前面运行。因此，实现了旋转方向RD。从阶段1的开始到结束示出旋转方向RD。
在阶段2中，实现相电流方向，使得电流PI流过第一和第三定子线圈83、85。因此，定子磁通矢量SV从阶段1中所示的角度移动到阶段2中所示的角度。转子磁通矢量RV沿旋转方向RD移动。在阶段3中，电流PI流过第二和第三定子线圈84、85，而在阶段4中，电流PI流过第二和第一定子线圈84、83。与阶段1相比，电流PI在阶段4中具有相反的方向。在阶段5中，电流PI流过第三和第一定子线圈85、83，而在阶段6中，电流PI流过第三和第二定子线圈85、84。因此，实现了定子磁通矢量SV的一个完整的360°旋转，并且因此实现了转子磁体82的一个完整的360°旋转，并且因此实现了轴63的一个完整的360°旋转。
电机61包括六个相电流切换点86至91。当转子62并且因此转子磁通矢量RV接近相电流切换点86至91中的一个时，相电流方向改变，因此，结果定子磁通矢量SV改变。例如，当阶段1中的转子磁通矢量RV接近第一相电流切换点86时，电流PI的流动从阶段1中所示的情况变为阶段2中所示的情况。定子64的磁场在转子62的磁场前面运行。通过在定子线圈83至85或定子64的定子极与转子磁体82之间产生吸引力来实现转子62的旋转。因此，定子极83至85产生旋转磁场，迫使转子磁体82旋转。
在图4A和4B中，示出了BLDC矢量图。在图4A中，示出了BLDC换向的不同阶段。作为示例，采用一极对电机61，但是该方法可以针对任何数量的极对执行。作为示例，电机61在块换向中被驱动，因此出现六个相电流切换点86至91。
在图4A中，配置表示正常操作模式。电机61以块(梯形)换向方式驱动。定子磁通矢量SV总是在转子磁通矢量RV之前的120°至60°。永久地测量转子62的角度位置a。电机控制单元，缩写为MCU，也称为电机控制器65，切换与位置反馈相关的相电流PI，并确保定子磁通矢量SV和转子磁通矢量RV之间的角度差保持在适当的范围内。在电机换向矢量定向控制模式中，控制器65确保定子与转子磁通角始终保持在90°。因此，需要转子62的高分辨率位置反馈，但方法是相同的。
在未示出的可替代实施例中，转子62包括一个以上的极对。转子62可以包括一个以上的转子磁体82。
在未示出的可替代实施例中，定子线圈83至85的第一数量N可以大于3。
图4B示出了处于校准模式的如图4A所示的电机61。电流PI在校准模式的阶段1中流过第一和第二定子线圈83、84。如在正常操作模式的阶段1中所示，电流在校准模式的阶段1中产生相同的结果定子磁通矢量SV。转子磁体82在定子磁通矢量SV的方向上定向其转子磁通矢量RV。电机控制器65控制电流PI并因此控制定子磁通矢量SV，电机控制器65又由位置传感器10控制。因此，位置传感器10设置第一校准点。轴63上的编码器磁体50为该校准点产生磁信号S1至S4。因此，位置传感器10被配置为确定磁信号S1至S4以及由磁信号S1至S4产生的信号，例如第一校准点处的测量信号SM、位置信号SP和/或数字磁信号SD1至SD4。
在阶段2中示出的第二校准点中，电流PI流过第一和第三定子线圈83、85。在短的调节时间之后，转子磁通矢量RV也在定子磁通矢量SV上。因此，可以针对第二校准点确定磁信号S1至S4。可以通过阶段3到阶段6来实现第三到第六校准点。在这些阶段3至6中，电流PI流过定子线圈83至85，如图4B所示。校准模式中的阶段1至6对应于图4A中所示的正常操作模式中的阶段1至6。在图4A和4B所示的示例中，实现了六个校准点。校准点等于相电流切换点86至91。因此，在电机61的正常操作中从一相切换到下一相是以高精度实现的。
在图4B中，示图表示在校准模式下驱动的相同电机61。这意味着测量的转子角度不被视为直接反馈，因为强制输出信号被强制到某个位置并且不代表实际测量角度。因此，MCU 65不产生旋转场，但是定子磁通矢量SV保持在某些位置。转子62跟随定子磁通矢量SV并立即并排。在该静止位置处，转子角度α由位置传感器10测量并且作为参考值。可以在一个旋转的几个位置重复该过程。在图4B中，示出了以块换向模式给出的六个参考位置86至91。
在校准操作模式中，可以执行以下步骤：首先，将恒定电流PI(或恒定电流)强制或设置到至少一个定子线圈83至85。转子62将并排并保持在该位置。由于定子64的定子线圈83至85中的电流模式，转子62的位置是已知的。位置传感器10的位置能够例如，通过读取位置信号SP和/或测量信号SM来读取。在轴63的一个完整旋转中，对每个线圈设置重复该过程。最后，可以对测量的位置和偏移角进行编程。
输出激励单元17可以被理解为具有输出的单元。设置信号ST可以被理解为信号。测量模式可以被理解为标准操作模式。设置数据可以理解为数据。
参考标号
10 位置传感器
11-14 磁敏元件
16 信号评估单元
17 输出激励单元
18 接口单元
19 多路复用器
20 接口
21 另外的接口
22 输出端子
23 另外的输出端子
24 串行外设接口
25 总线端子
26 存储器
27 易失性存储器
28 校准数据块
29 设置数据块
30 线性化单元
31 模拟前端电路
32 放大器
33 模数转换器
34 数字处理单元
35 内插器
36 误差补偿单元
37 自动增益控制电路
38 脉宽调制解码器
39 参考电位端子
40 低压降调节器
41 第一供电端子
42 第二供电端子
50 编码器磁体
51 封装
52 标记
60 电机装置
61 电机
62 转子
63 轴
64 定子
65 电机控制器
66 接口
67 另外的接口
68-70 输出
71 编程器单元
72 编程器总线
73 控制输入
74 现场总线
82 转子磁体
83-85 定子线圈
86-91 相电流切换点
α 角度
A,B,I 增量传感器输出信号
CSN,SCL,MOSI 输入信号
MISO 输出信号
PH1-PH3 电机控制信号
PI 电流
RD 旋转方向
RV 转子磁通矢量
SC 控制信号
SM 测量信号
SMU 多路复用器控制信号
SOUT 传感器输出信号
SP 位置信号
SD1-SD4 数字磁信号
ST 设置信号
SV 定子磁通矢量
S1-S4 磁信号
U,V,W 绝对传感器输出

Claims (16)

1.一种位置传感器，包括：
-至少一个磁敏元件(11-14)；
-信号评估单元(16)，耦合到所述至少一个磁敏元件(11-14)并且被配置为产生测量信号(SM)；
-输出激励单元(17)，被配置为产生设置信号(ST)；以及
-接口单元(18)，接口单元(18)在其输入侧耦合到信号评估单元(16)和输出激励单元(17)，并且被配置为在测量操作模式中根据测量信号(SM)以及在校准操作模式中根据设置信号(ST)来提供传感器输出信号(SOUT)。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，
其中位置传感器(10)包括半导体本体，并且所述至少一个磁敏元件(11-14)、信号评估单元(16)、输出激励单元(17)和接口单元(18)在半导体本体的第一主表面上实现。
3.根据权利要求1或2所述的位置传感器，
其中，接口单元(18)包括多路复用器(19)，多路复用器(19)具有：
-耦合到信号评估单元(16)的第一输入，
-耦合到输出激励单元(17)的第二输入，以及
-耦合到接口单元(18)的接口(20)的输出。
4.根据权利要求3所述的位置传感器，
其中，接口(20)被实现为包括增量接口、绝对接口和脉冲宽度调制解码器的组的元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的位置传感器，
其中，位置传感器(10)包括总线端子(25)和串行外设接口(24)，串行外设接口(24)连接到总线端子(25)和输出激励单元(17)，并且输出激励单元(17)被配置为根据经由串行外设接口(24)从总线端子(25)接收到的设置数据来提供设置信号(ST)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的位置传感器，
其中，位置传感器(10)包括存储器(26)，存储器(26)包括设置数据块(29)并且耦合到输出激励单元(17)，并且
输出激励单元(17)被配置为根据存储在设置数据块(29)中的设置数据来提供设置信号(ST)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的位置传感器，
其中，信号评估单元(16)包括线性化单元(30)，线性化单元(30)在其输出侧耦合到接口单元(18)，并且
位置传感器(10)包括具有校准数据块(28)的存储器(26)，校准数据块(28)耦合到线性化单元(30)，以用于在测量操作模式下将存储在线性化数据块(28)中的校准数据提供给线性化单元(30)。
8.根据权利要求7所述的位置传感器，
其中，位置传感器(10)被配置为在校准操作模式下将校准数据存储在存储器(26)的校准数据块(28)中。
9.根据权利要求7或8所述的位置传感器，
其中，校准数据在校准操作模式中确定，使得测量信号(SM)表示位置传感器(10)和设备(61)之间的单次对准时的、测量操作模式中的零位置，其中在测量操作模式下测量所述设备的位置。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的位置传感器，
其中，线性化单元(30)被配置为通过使用校准数据使线性化单元(30)的输入信号线性化来提供测量信号(SM)。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的位置传感器，
其中,存储器(26)实现为一次性可编程存储器或电可擦除可编程只读存储器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的位置传感器，
其中，位置传感器(10)实现为角度位置传感器，并且测量信号(SM)表示角度信息(α)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的位置传感器，
其中，所述至少一个磁敏元件(11-14)实现为霍尔元件。
14.一种电机装置(60)，包括
-电机(61)，具有转子(62)和定子(64)，
-编码器磁体(50)，机械地耦合到转子(62)以产生磁场，
-电机控制器(65)，电耦合到定子(64)，以及
根据权利要求1至13中任一项所述的位置传感器(10)，位置传感器(10)布置在编码器磁体(50)的磁场中，并且电耦合到电机控制器(65)，以用于将传感器输出信号(SOUT)提供给电机控制器(65)。
15.一种用于产生传感器输出信号(SOUT)的方法，包括：
-由至少一个磁敏元件(11-14)产生至少一个磁信号(S1-S4)，
-由信号评估单元(16)根据所述至少一个磁信号(S1-S4)来产生测量信号(SM)，
-由输出激励单元(17)提供设置信号(ST)，以及
-由接口单元(18)在测量操作模式中根据测量信号(SM)以及在校准操作模式中根据设置信号(ST)来提供传感器输出信号(SOUT)。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中，所述至少一个磁敏元件(11-14)、信号评估单元(16)、输出激励单元(17)和接口单元(18)在半导体本体的第一主表面上实现。
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