CN110319766A - 用于测量角位置的系统以及杂散磁场消除的方法 - Google Patents

用于测量角位置的系统以及杂散磁场消除的方法 Download PDF

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艾德温·沙彭顿克
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Abstract

用于确定角位置的系统包括具有旋转轴的偶极磁体，其中该偶极磁体产生磁场。响应于该磁场，第一磁场传感器产生第一输出信号且第二磁场传感器产生第二输出信号。该磁场传感器以饱和模式操作，其中该磁场传感器在很大程度上对该磁场的场强不敏感。因此，该第一输出信号指示该磁场的第一方向且该第二输出信号指示该磁场的第二方向。由处理电路执行的方法需要组合该第一和第二输出信号以获得该磁体的旋转角值，其中基本上消除来自杂散磁场的角误差。

Description

用于测量角位置的系统以及杂散磁场消除的方法
技术领域
本发明大体上涉及磁场传感器。更具体来说，本发明涉及并有用于测量角位置同时基本上消除杂散磁场的磁场传感器的系统。
背景技术
用于测量旋转角或角位置的角传感器实施于大量汽车和工业应用中。举例来说，在汽车行业中，角传感器可以用于阀门控制、踏板位置感测、方向盘位置感测、油门位置感测、电动机轴位置感测和多个其它用途。通常，磁场传感器是优选的，这是因为其非接触式测量使其不受机械磨损的影响。在这些应用中，测量安装在移动部件上的磁体的磁场变化。磁场不受碎片和其它非磁性材料阻碍。一些磁场传感器基于磁阻效应，其中材料倾向于响应于外部施加的磁场而改变其电阻的值。磁阻装置包括例如各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto Resistance，AMR)技术、巨磁电阻(Giant Magneto Resistance，GMR)、隧道磁致电阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)等。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种系统，包括：
具有旋转轴的偶极磁体，所述偶极磁体被配置成产生磁场；
第一磁场传感器，所述第一磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号；以及
第二磁场传感器，所述第二磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第一和第二磁场传感器中的每一个被配置成以饱和模式操作，使得所述第一输出信号指示所述磁场的第一方向且所述第二输出信号指示所述磁场的第二方向。
在一个或多个实施例中，所述第一输出信号包括第一杂散场分量，所述第二输出信号包括第二杂散场分量，并且所述系统还包括处理电路，所述处理电路与所述第一和第二磁场传感器耦合并且被配置成组合所述第一和第二输出信号以获得旋转角值，其中基本上消除所述第一和第二杂散场分量。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括：
第三磁场传感器，所述第三磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第三输出信号，所述第三输出信号包括第三杂散场分量；以及
第四磁场传感器，所述第四磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第四输出信号，所述第四输出信号包括第四杂散场角分量，其中所述第三和第四磁场传感器中的每一个被配置成以所述饱和模式操作，使得所述第三输出信号指示所述磁场的第三方向并且所述第四输出信号指示所述磁场的第四方向，并且所述处理电路进一步与所述第三和第四磁场传感器耦合并且还被配置成将所述第三和第四输出信号与所述第一和第二输出信号组合以获得所述旋转角值，其中另外基本上消除所述第三和第四杂散场分量。
在一个或多个实施例中，所述偶极磁体是圆柱形偶极磁体。
在一个或多个实施例中，所述圆柱形偶极磁体在直径上磁化。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器是第一和第二磁阻(MR)传感器。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器与所述偶极磁体的外表面间隔开，使得在所述外表面与所述第一和第二磁场传感器之间形成气隙，所述外表面远离所述旋转轴横向地移位。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器相对于彼此定位，使得所述磁场在所述第一磁场传感器处的所述第一方向与所述磁场在所述第二磁场传感器处的所述第二方向相反。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器围绕所述偶极磁体的所述旋转轴沿着圆形路径布置在两个位置处，所述圆形路径具有大于所述偶极磁体的径向尺寸的半径。
在一个或多个实施例中，所述圆形路径与所述偶极磁体的底座间隔开，所述底座垂直于所述旋转轴。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器沿着所述圆形路径彼此间隔开90度。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括：
第三磁场传感器，所述第三磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第三输出信号，所述第三输出信号包括第三杂散场分量；
第四磁场传感器，所述第四磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第四输出信号，所述第四输出信号包括第四杂散场分量，所述第三和第四磁场传感器中的每一个被配置成以所述饱和模式操作，并且所述第三和第四磁场传感器沿着所述圆形路径布置在两个额外位置处，使得所述第三和第四磁场传感器沿着所述圆形路径彼此间隔开90度。
根据本发明的第二方面，提供一种系统，包括：
具有旋转轴的偶极磁体，所述偶极磁体被配置成产生磁场；
第一磁场传感器，所述第一磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号，所述第一输出信号包括第一杂散场分量；
第二磁场传感器，所述第二磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第二输出信号包括第二杂散场分量，所述第一和第二磁场传感器中的每一个被配置成以饱和模式操作，使得所述第一输出信号指示所述磁场的第一方向并且所述第二输出信号指示所述磁场的第二方向，其中所述第一和第二磁场传感器相对于彼此布置，使得所述磁场在所述第一磁场传感器处的所述第一方向与所述磁场在所述第二磁场传感器处的所述第二方向相反；以及
处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一和第二输出信号并且组合所述第一和第二输出信号以获得旋转角值，其中基本上消除所述第一和第二杂散场分量。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器是第一和第二磁阻(MR)传感器。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器与所述偶极磁体的外表面间隔开，使得在所述外表面与所述第一和第二磁场传感器之间形成气隙，所述外表面远离所述旋转轴横向地移位。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器围绕所述偶极磁体的所述旋转轴沿着圆形路径布置在两个位置处，所述圆形路径具有大于所述偶极磁体的径向尺寸的半径。
在一个或多个实施例中，所述圆形路径与所述偶极磁体的底座间隔开，所述底座垂直于所述旋转轴。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器沿着所述圆形路径彼此间隔开90度。
根据本发明的第三方面，提供一种用于确定偶极磁体的角位置的方法，所述偶极磁体具有旋转轴，其中所述磁体被配置成产生磁场，所述方法包括：
以饱和模式操作第一磁场传感器和第二磁场传感器，其中所述第一和第二磁场传感器对所述磁场的方向敏感；
在所述第一磁场传感器处产生第一输出信号，所述第一输出信号指示所述磁场在所述第一磁场传感器的第一位置处的第一方向，所述第一输出信号包括第一杂散场分量；
在所述第二磁场传感器处产生第二输出信号，所述第二输出信号指示所述磁场在所述第二磁场传感器的第二位置处的第二方向，所述第二输出信号包括第二杂散场分量；以及
组合所述第一和第二输出信号以获得所述偶极磁体的旋转角值，其中基本上消除所述第一和第二杂散场分量。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁场传感器的所述第一和第二位置围绕所述偶极磁体的所述旋转轴沿着圆形路径，所述圆形路径具有大于所述偶极磁体的径向尺寸的半径，并且所述方法进一步包括相对于彼此定位所述第一和第二磁场传感器，使得所述磁场在所述第一位置处的所述第一方向与所述磁场在所述第二位置处的所述第二方向相反。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用于另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，并且附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1示出接近磁体的磁场传感器的简化侧视图；
图2示出具有由磁场传感器“看见”或检测到的磁场的图1的磁场传感器的简化俯视图；
图3示出在存在不合需要的杂散磁场的情况下图1的磁场传感器的简化俯视图；
图4示出具有由磁场传感器“看见”或检测到的磁场的图1的磁场传感器的简化俯视图，其中磁场是外部磁场和杂散磁场的组合；
图5示出展示图1的磁场传感器对不合需要的杂散磁场的敏感度的图形；
图6示出根据实施例的用于旋转角感测的系统的简化透视图；
图7示出围绕偶极磁体并且实施于图6的系统内的磁场传感器的布置的俯视图；
图8示出图6的系统的偶极磁体的俯视图；
图9示出偶极磁体以及其中偶极磁体已相对于磁场传感器旋转的磁场传感器的布置的另一俯视图；
图10示出展示图9的磁场传感器对不合需要的杂散磁场的敏感度的图形；
图11示出展示图9的磁场传感器对不合需要的杂散磁场的敏感度的另一图形；
图12示出展示用于图6的系统的两个磁场传感器的例子波形的一对图形；
图13示出用于图6的系统的偶极磁体的完整旋转的相对于彼此绘制的图12的波形的HX和HY分量的图形；
图14示出展示用于图6的系统的两个磁场传感器的角误差以及两个磁场传感器的组合角误差的一对图形；
图15示出根据另一实施例的可以实施于图7的系统内的围绕偶极磁体的磁场传感器的布置的俯视图；
图16示出用于图6的系统的偶极磁体的完整旋转的相对于彼此绘制的图15的全部磁场传感器处的磁场的HX和HY分量的图形；
图17示出图15的磁场传感器的组合角误差的图形；以及
图18示出根据另一实施例的系统的简化侧视图。
具体实施方式
概括地说，本公开涉及用于测量物体的角旋转的系统和方法。更具体来说，系统包括位于极化圆柱形物体(例如，偶极磁体)附近的磁场传感器的组件，可以通过组合磁场传感器的输出准确地测量该组件的角旋转。系统和方法可以允许高达360°的角旋转测量。此外，对于向外部磁场的角度提供响应，同时大体上不向外部磁场的场强提供响应的任何类型的磁场传感器，系统和方法可以实现杂散磁场抑制，而不需要屏蔽结构。另外，可以通过磁场传感器的组件来大大降低未对准(例如，磁体的偏心、不均匀性等)的不利影响，以提高角准确度、敏感度且增强稳定性。
提供本公开以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅通过所附权利要求书界定，该所附权利要求书包含在发布的本申请案和那些权利要求的所有等效物的悬而未决期间进行的任何修正。
应理解，例如，第一和第二、顶部和底部等关系术语(如果存在的话)可以仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必需要或意指此类实体或动作之间的任何实际此类关系或次序。此外，附图中的一些可以通过使用各种底纹和/或阴影线来示出以区分在各个结构层内产生的不同元件。可以利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用了不同的底纹和/或阴影线，但结构层内的不同元件可以由相同材料形成。
参考图1，图1示出接近磁体22的磁场传感器20的简化侧视图。在此例子中，磁体22可以是在一侧上具有北极(标记为N)且在另一侧上具有南极(标记为S)的偶极磁体。磁体22可以是呈圆柱体、杆、盘、环或任何其它合适形状的形式的永磁体。为了旋转角感测，磁体22可以耦合到旋转物体，例如轮轴或轴杆(未示出)。因此，磁体22被配置成相对于磁场传感器20围绕旋转轴24旋转。此外，磁体22产生磁场26，该磁场26连同磁体22一起相对于磁场传感器20旋转。在此例子配置中，磁场传感器20竖直地位移到磁体22的中心下方。磁场传感器20可以是被配置成检测由磁体22产生的磁场26的磁阻装置，例如，AMR、GMR、TMR或类似技术。
参考图1和2，图2示出具有由磁场传感器20“看见”或检测到的磁场的磁场传感器20的简化俯视图。磁场26具有可由磁场传感器20检测的平面内分量，其由箭头28表示。因此，在由图2表示的理想配置中，磁场传感器20测量磁场26的平面内磁场分量28。
图3示出在存在由倾斜虚线箭头表示的不合需要的杂散磁场30的情况下磁场传感器20的简化俯视图。更具体来说，图3表示磁场26的平面内磁场分量28和杂散磁场30两者。杂散磁场(例如，杂散磁场30)改变由磁场传感器20测量的磁场。杂散磁场30有时被称作干扰场，这是由于该杂散磁场30改变由磁场传感器20测量的磁场，且因此将误差引入到测量信号中。
现在参考图4，图4示出具有由磁场传感器20“看见”或检测到的由倾斜实线箭头表示的磁场32的磁场传感器20的简化俯视图。在存在不合需要的杂散磁场30(图3)的情况下，检测到的磁场32是磁场26的平面内磁场分量28和在本文中称为杂散磁场30的平面内磁性杂散磁场分量的总和。因此，磁场传感器20对由磁体22产生的平面内磁场分量28和杂散磁场30两者敏感。
图5示出磁场传感器20对不合需要的杂散磁场30的敏感度的图形34。具体而言，图形34示出包括X轴36和Y轴38的笛卡尔坐标系中的向量。在此例子中，磁场传感器20以饱和模式操作。一般来说，饱和模式是当总磁场的平面内分量(例如，磁场26的平面内磁场分量28)高于特定场强水平(称为饱和场)时，磁场传感器中的磁矩在很大程度上与总外部场的平面内分量在相同方向上对准的情况。因此，角磁场传感器装置的输出反映传感器的平面中的外部磁场的方向，而不是磁场的场强。
在饱和模式中，标记为HORIG的第一向量40表示在不存在杂散磁场30的情况下来自磁体22的磁场26在传感器20的位置处的方向。标记为的旋转角42因此表示相对于磁体22的原始位置的磁体22的旋转角值，其中例如磁体22的原始角位置为零且与X轴36对准。标记为HNEW的第二向量43表示在存在标记为HSTRAY的杂散磁场30的情况下检测到的磁场32(图4)。杂散磁场30的存在导致角误差44，标记为角误差44可能被错误地解释为磁体22已旋转的额外角度。因此，误差条件或不准确的测量随之发生，这是因为可以确定磁体22的旋转角值是实际旋转角42加上角误差44的组合(例如，)。
因此，在图1到5的单个磁体传感器配置中，杂散磁场30的效应无法与磁体22的实际旋转区分开。因此，可能无法从仅提供角信息的单个磁场传感器22的输出中准确地实现对杂散磁场30的检测或抑制。
上文结合图1到5呈现的论述涉及以饱和模式操作的磁阻磁场传感器。对磁场的仅单一分量具有线性响应的霍尔效应传感器是用于角测量的另一常用的磁场传感器技术。然而，磁阻传感器技术，例如AMR、TMR、GMR等具有优于霍尔传感器的一些独特优点。相比于霍尔效应传感器，磁阻传感器技术可以实现较好的噪声性能。另外，磁阻传感器可以在相对于霍尔效应传感器高得多的温度下可靠地操作，且相对于霍尔效应传感器，使用磁阻传感器可以实现更高的角准确度。
这些优点中的一些可以通过以饱和模式操作磁阻传感器以用于角测量来获得。在饱和模式中，传感器几乎仅对磁场的角度(例如，场角)敏感且几乎不对磁场的强度(例如，场强)敏感。因此可以相对准确地测量局部磁场角，而不受磁场强度影响。除上文提及的磁体22外，实施磁阻传感器装置的一个关键挑战是存在源的干扰磁场(例如，杂散磁场30)。如图形34中所展示，杂散磁场30改变正由磁场传感器测量的磁场，由此损害测得的旋转角的准确度。下文所描述的实施例包括用于实现对磁场传感器，且具体而言以饱和模式操作的磁阻传感器的杂散磁场的抑制的系统和方法。此外，系统和方法可以允许高达360°的角旋转测量。
现在参考图6和7，图6示出根据实施例的用于旋转角感测的系统50的透视图，而图7示出周围偶极磁体且实施于系统50内的磁场传感器的布置的俯视图。在此所示配置中，系统50分别包括偶极磁体52以及第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60。第四磁场传感器60在图6的透视图中不可见，但在图7的俯视图中可见。第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60可以与处理电路62耦合。处理电路62与磁场传感器54、56、58、60的耦合可以通过有线(由从处理电路62延伸的缩短迹线表示)或无线连接实现。
处理电路62可以是单独管芯，或可以与第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60集成在单个封装中。本领域的技术人员将认识到，处理电路62可以涵盖各种处理、控制或其它结构。因此，为了简洁起见且使混淆各种实施例的原理和概念的任何风险最小化，此类结构(如果存在的话)的进一步论述将限于相对于各种实施例的原理和概念的本质。
偶极磁体52可以胶合或以其它方式附接到可旋转物体64(一般在图18中示出)，例如轮轴、轴杆等。因此，可旋转物体64和磁体52(借助于其附接到可旋转物体64)被配置成围绕旋转轴66旋转。偶极磁体52具有两个极点，即一侧上的北极(标记为N)以及另一侧上的南极(标记为S)。在此例子中，偶极磁体52是圆柱形的且均匀地在直径上磁化(例如，跨越其直径磁化)。在可替换的实施例中，偶极磁体52可以呈棒、盘、环或任何其它合适形状的形式。
第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60与偶极磁体52的外表面68间隔开，使得在外表面68与第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60中的每一个之间形成气隙70。更具体来说，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60沿着围绕偶极磁体52的旋转轴66的圆形路径72(由图7中的圆形虚线表示)布置在四个位置处，其中圆形路径72的半径74大于偶极磁体52的径向尺寸76(例如，半径)。在一些实施例中，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60可以位于偶极磁体52的底部表面下方的平面中。在此种配置中，圆形路径72的半径74应足够大于偶极磁体52的半径76，以确保当偶极磁体52完整旋转360°时由磁体52产生的磁场完整旋转360°。
图6和7未示出呈封装形式并且为了简单说明附接到对应结构的第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60。相反，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60被示为沿着三维坐标系的X和Y轴远离偶极磁体52的外表面68移位。在实际配置中，应显而易见的是，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60将被封装和附接到与偶极磁体52适当接近的支撑结构。
结合图6和7参考图8，图8示出系统50的偶极磁体52的俯视图。偶极磁体52被配置成使用通量线产生图8中所描绘的磁场78。覆盖磁场的箭头指示在某些位置处磁场78的方向。可以观察到，在偶极磁体52的平面俯视图中，在相对于偶极磁体52的左/右的顶部/底部处存在场的反转(由相反方向的箭头表示)。
第一磁场传感器54和第二磁场传感器56沿着圆形路径72相对于彼此定位，使得磁场78在第一磁场传感器54处的第一方向与磁场78在第二磁场传感器56处的第二方向相反(例如，大体上与其相反)。类似地，第三磁场传感器58和第四磁场传感器60沿着圆形路径72相对于彼此定位，使得磁场78在第三磁场传感器58处的第一方向与磁场78在第四磁场传感器60处的第二方向相反(例如，大体上与其相反)。磁场78的这些相反方向由图8中的相反箭头表示。
在图7中所示的实施例中，第一磁场传感器54和第二磁场传感器56沿着圆形路径72彼此间隔开90度。同样，第三磁传感器58和第四磁传感器60沿着圆形路径72彼此间隔开90度。因此，第一磁场传感器54和第三磁场传感器58沿着圆形路径72在直径上彼此相对，并且第二磁场传感器56和第四磁场传感器60沿着圆形路径72在直径上彼此相对。也就是说，第一磁传感器54和第三磁传感器58位于圆形路径72的直径的相对端处，并且第二磁场传感器56和第四磁场传感器60同样位于圆形路径72的直径的相对端处。
处理电路62可以被实施为专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)，该ASIC被定制为与第一磁传感器54、第二磁传感器56、第三磁传感器58和第四磁传感器60一起运作。处理电路62在图6中通过简单框表示，其中第一导电路径80将第一磁场传感器54互连到处理电路62，第二导电路径82将第二磁场传感器56互连到处理电路62，第三导电路径84将第三磁场传感器58互连到处理电路62，并且第四导电路径86将第四磁场传感器60互连到处理电路62。同样，导电路径80、82、84、86可以是有线的、无线的，或其某一组合。
第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60可以是磁阻感测元件(例如，AMR、GMR、TMR和其它相关技术)。因此，第一磁场传感器54被配置成响应于磁场78而产生第一输出信号，该第一输出信号通过第一导电路径80传送到处理电路62。第二磁场传感器56被配置成响应于磁场78而产生第二输出信号，该第二输出信号通过第二导电路径82传送到处理电路62。第三磁场传感器58被配置成响应于磁场78而产生第三输出信号，该第三输出信号通过第三导电路径84传送到处理电路62。并且，第四磁场传感器60被配置成响应于磁场78而产生第四输出信号，该第四输出信号通过第四导电路径86传送到处理电路62。
图9示出偶极磁体52和其中偶极磁体52已相对于磁场传感器54、56、58、60旋转的磁场传感器54、56、58、60的布置的另一俯视图。根据实施例，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60被配置成在饱和模式下操作。如上文简要提及，在饱和模式中，在磁场传感器54、56、58、60中的每一个处的场的绝对值|H|状态足够大，使得磁场传感器54、56、58、60中的每一个几乎完全对场H的方向敏感，且不对其绝对值|H|敏感。当绝对值|H|明显大于HKeff时达到饱和条件，其中HKeff是来源于传感器退磁能量项和其各向异性能量项(随磁化角而变)的总和的场值。磁耦合能量项另外涉及类似于GMR和TMR的复杂多层结构。在薄膜NiFe AMR传感器中且在GMR和TMR传感器中，这些可以总计为若干kA/m(千安培/米)。对于|H|＞＞HKeff，磁阻传感器的自由层中的磁化几乎与总场H在相同方向上。因此，场强的变化不会改变或最低限度地改变磁阻传感器(例如，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60)的响应。然而，偶极磁体52的旋转引起旋转角的变化，这引起磁阻传感器(例如，分别第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60的第一、第二、第三和第四输出信号)的响应的变化。
现在参考图10，图10示出展示第一磁场传感器54和第二磁场传感器56对标记为HSTRAY的不合需要的杂散磁场30的敏感度的图形88。第三磁场传感器58和第四磁场传感器60(图6)也对杂散磁场30敏感。然而，为了简单起见，在此初始论述中忽略第三磁场传感器58和第四磁场传感器60对杂散磁场30的敏感度。类似于图5的图形34，图形88示出包括X轴36和Y轴38的笛卡尔坐标系中的向量。
由于第一磁场传感器54和第二磁场传感器56以饱和模式操作，因此其相应第一输出信号和第二输出信号反映磁场78的方向(图8)，而不是磁场78的场强。在饱和模式下，标记为HORIG1的第一向量90表示在不存在杂散磁场30的情况下在第一磁场传感器54的位置处的磁场78(图8中所示)。在此例子中，第一磁场传感器54的旋转角是零。同样，标记为HORIG2的第二向量92表示在不存在杂散磁场30的情况下在第二磁场传感器56的位置处的磁场78(图8中所示)。同样，第二磁场传感器56的旋转角是零。因此，旋转角和在图10中不可见。
当引入标记为HSTRAY的杂散磁场30时，第一向量94表示在第一磁场传感器54的位置处的总平面内磁场。在第一磁场传感器54处引入杂散磁场30引起第一磁场传感器54的第一角输出信号中的角误差96(标记为)。因此，第一向量94反映第一杂散磁场分量，例如角误差96。类似地，在第二磁场传感器56处引入杂散磁场30引起第二磁场传感器56的第二角输出信号中的角误差100(标记为)。因此，第二向量98反映第二杂散磁场分量，例如角误差100。在此例子中，角误差几乎与角误差相反。
现在参考图11，图11示出展示第一磁场传感器54和第二磁场传感器56(图8中所示)对标记为HSTRAY的不合需要的杂散磁场30的敏感度的另一图形102。同样，由于第一磁场传感器54和第二磁场传感器56以饱和模式操作，因此其相应第一输出信号和第二输出信号反映磁场78的方向(图8)，而不是磁场78的场强。在图11的例子中，图形102展示和的非零旋转角103、105。在第一磁场传感器54处引入杂散磁场30引起标记为的角误差104，并且在第二磁场传感器56处引入杂散磁场30引起标记为的角误差106。而且在此例子中，角误差的标记几乎与角误差相反。
处理电路62(图6)被配置成组合第一输出信号94和第二输出信号98以获得旋转角值(例如，补偿输出角)，其中第一和第二杂散分量(例如，图10的角误差96、100或图11的角误差104、106)基本上消除。借助于例子，处理电路62可以通过计算算术平均值来至少部分地消除角误差，该算术平均值可以如下表达：
在表达式(1)中且在所有其它表达式中，所有角都逆时针定义，是表示偶极磁体52(图6)相对于第一磁场传感器54和第二磁场传感器56的角位置的输入角。表达和表示总角度，表达和表示在存在杂散磁场30的情况下传感器位置处的旋转角，表达和表示分别在第一磁场传感器54和第二磁场传感器56的位置处平面内磁场向量的角误差，并且表达表示补偿输出角。补偿输出角是第一输出信号94和第二输出信号98的算术平均值，其中角误差和大致相互抵消以产生旋转角值因此，对于测量具有相反方向的磁场(HORIG1和HORIG2)的两个传感器(例如，第一磁场传感器54和第二磁场传感器56)，杂散磁场30对总场HNEW1和HNEW2的角度具有大致相反的效应。两个原始磁场(HORIG1和HORIG2)在相同方向上几乎同步旋转，因此在整个三百六十度旋转中保持相反的相位以及因此相反的效应。旋转角值几乎等于偶极磁体52的旋转角的相反值，因为对于另外相对于第一磁场传感器54和第二磁场传感器56完全居中的完全在直径上磁化的磁体，传感器位置处的两个旋转角和等于旋转角
图12示出展示用于系统50(图6)的第一磁场传感器54和第二磁场传感器56的例子波形的一对图形108、110。图形108、110中的每一个的横轴表示偶极磁体52(图6)相对于第一磁场传感器54和第二磁场传感器56的完整360°旋转。图形108、110中的每一个的纵轴表示在第一磁场传感器54和第二磁场传感器56的位置处并且响应于偶极磁体52的旋转的HX和HY分量的磁场强度。同样，由于第一磁场传感器54和第二磁场传感器56在饱和模式下操作，因此测量在第一磁场传感器54的位置处以及在第二磁场传感器56的位置处的磁场的角度。因此，第一波形112表示在第一磁场传感器54的位置处的场强的HX分量，标记为S1(HX)，并且第二波形114表示在第一磁场传感器54的位置处的场强的HY分量，标记为S1(HY)。类似地，第三波形116表示在第二磁场传感器56的位置处的场强的HX分量，标记为S2(HX)，并且第四波形118表示在第二磁场传感器56的位置处场强的HY分量，标记为S2(HY)。
可以从图形108观察到，第一波形112(表示在第一磁场传感器54的位置处的HX分量)的振幅大于第二波形114(表示在第一磁场传感器54的位置处的HY分量)的振幅。可以从图形110观察到，第四波形118(表示在第二磁场传感器56的位置处的HY分量)的振幅大于第三波形116(表示在第二磁场传感器56的位置处的HX分量)的振幅。
图13示出用于偶极磁体52的完整360°旋转的相对于彼此绘制的图12的波形112、114、116、118的HX和HY分量的图形120。图形120的横轴表示HX分量并且图形120的纵轴表示HY分量。第一椭圆122表示相对于彼此绘制的第一波形112和第二波形114，并且第二椭圆124表示相对于彼此绘制的第三波形116和第四波形118。在理想情况下，如果磁体无限长，则第一和第二椭圆将是圆形的。但是对于具有有限高度的实际磁体，响应将在由第一椭圆122和第二椭圆124所示的偶极磁体52的完整旋转上为椭圆形。具有不等(半)轴a和b(即，不等于1的椭圆比例b/a)的椭圆产生偏离偶极磁体52的旋转角的负值的输出角这可以称为椭圆变形。椭圆轴的不等性源自垂直于偶极磁体52的外部圆柱形表面的磁场分量比圆周方向上的磁场分量更强。本文呈现的图提供用于磁体的尺寸的一个特定选择的例子。此椭圆变形可以引起显著的角误差
图14示出展示用于图6的系统的两个磁场传感器的角误差以及两个磁场传感器的组合角误差的一对图形126、128。更具体来说，图形126展示第一磁场传感器54的第一角误差的第一波形130，以及第二磁场传感器56的第二角误差的第二波形132。对于单个磁场传感器(例如，第一磁场传感器54或第二磁场传感器56)，由于椭圆变形，对于特定椭圆比例(对应于磁体的给定高度)，最大角误差可以近似为15度。
相反，当第一输出信号94和第二输出信号98(图10至11)根据上文展示的表达式(1)(例如，)组合时，图形128示出角误差的第三波形134。由于椭圆变形，找到第一输出信号94和第二输出信号96的算术平均值产生大致1.2度的最大角误差。因此，在根据表达式(1)进行补偿之后，输出角仍不等于输入角的负值。然而，确实进行对角误差的一些补偿。
图15示出根据另一实施例的可以实施于图6的系统内的围绕偶极磁体52的磁场传感器的布置的俯视图。可以通过包括额外传感器来实现角误差的进一步减小。因此，图15中所示出的布置包括总共八个磁场传感器。该布置分别包括第一磁场传感器135、第二磁场传感器136、第三磁场传感器137和第四磁场传感器138。另外，图15中所示的布置分别包括第五磁场传感器139、第六磁场传感器140、第七磁场传感器141和第八磁场传感器142。因此，磁场传感器135、136、137、138、139、140、141、142相对于彼此围绕圆形路径72±45°布置，以产生传感器的不同布置。
图16示出用于图15的布置的偶极磁体52的完整旋转的相对于彼此绘制的第一磁场传感器135、第二磁场传感器136、第三磁场传感器137和第四磁场传感器138处的磁场的HX和HY分量的图形144。为简单起见，在此初始论述中忽略第五磁场传感器139、第六磁场传感器140、第七磁场传感器141和第八磁场传感器142的响应。图形144的横轴表示HX分量并且图形144的纵轴表示HY分量。第一椭圆146表示在第一磁场传感器135处的磁场的HX和HY分量，标记为S1。第二椭圆148表示在第二磁场传感器136处的磁场的HX和HY分量，标记为S2。第三椭圆150表示在第三磁场传感器137处的磁场的HX和HY分量，标记为S3。第四椭圆152表示在第四磁场传感器138处的磁场的HX和HY分量，标记为S4。
图17示出图15的磁场传感器的组合角误差的图形154。也就是说，图形154示出当计算来自第一磁场传感器135、第二磁场传感器136、第三磁场传感器137和第四磁场传感器138中的每一个的输出信号的算术平均值时的角误差的波形156。因此，处理电路62(图6)可以被配置成组合来自相应第一磁场传感器135、第二磁场传感器136、第三磁场磁场传感器137和第四磁场传感器138的第一、第二、第三和第四输出信号，以获得旋转角值(例如，补偿输出角)，其中基本上消除相关联的第一、第二、第三和第四杂散分量(例如，角误差)。同样，处理电路62可以通过如下计算算术平均值来在很大程度上消除角误差：
分别从第一磁场传感器135、第二磁场传感器136、第三磁场传感器137和第四磁场传感器138取旋转角的算术平均值(以及短暂地忽略来自其余磁场传感器139、140、141、142的旋转角)可以进一步减小由于椭圆变形引起的总体角误差。在此例子中，来自第一磁场传感器54、第五磁场传感器136、第二磁场传感器56和第六磁场传感器138的输出信号的算术平均值可以由于椭圆变形而产生大致0.04度的最大角误差。
因此，利用在图15的布置中以饱和操作的四个磁场传感器的补偿策略可以显著减小由于椭圆变形引起的角误差。用于计算算术平均值的通用表达式可以如下阐述：
在表达式(3)中，项“n”是指在特定布置内利用的磁场传感器的总数目。因此，表达式(3)表示可以根据在用于确定偶极磁体52的角位置的系统内实施的磁场传感器的总数目以及通过延伸，其上耦合偶极磁体52的结构来计算算术平均值。
尽管本文中论述算术平均值，但是在替代实施例中，几何平均值可以用于生成输出角当仅存在来自偶极磁体52的有限高度的椭圆率时，利用几何平均值可能是有利的。几何平均值随后导致输出角中的零误差。在增加偶极磁体52相对于磁传感器的杂散磁场和横向位移时，可以显著减少与利用几何平均值相关联的优点。
给定通过图12至17呈现的以上论述，两个磁场传感器(例如，图6的第一磁场传感器54和第二磁场传感器56)的布置或四个磁场传感器(例如，图15的第一磁场传感器135、第二磁场传感器136、第三磁场传感器137和第四磁场传感器138)的布置可以有效地补偿由于杂散磁场30(图10至11)的效应引起的角误差。另外，不同配置(例如，图6的四个磁场传感器54、56、58、60或图15的八个磁场传感器135、136、137、138、139、140、141和142)可以增加磁场传感器的这些布置的稳定性，以防止偶极磁体52在X-方向、Y-方向和/或Z-方向中的任一个上相对于以不同方式配置的磁场传感器的未对准。
尽管本文中示出和/或描述两个、四个和八个磁场传感器的布置，但是磁场传感器的数量和位置可以根据特定应用的准确度和尺寸要求而变化。具体而言，可以限定磁场传感器对的其它布置，其中磁场传感器的位置处的磁场具有相反的方向。此外，可以实施间隔开90度的两个磁场传感器。可替换的是，可以实施不均等数量的磁场传感器(例如，三个、五个、七个等)。另外，非均匀分布的磁场传感器布置可以施加有加权因子，该加权因子与磁场传感器的局部密度成反比。
由系统50执行的用于确定偶极磁体52的角位置的方法(图6)被配置成产生磁场，因此需要以饱和模式操作两个或多于两个磁场传感器(例如，磁场传感器54、56、58、60)，其中磁场传感器对磁场的方向敏感且在很大程度上对磁场的场强不敏感。每个磁场传感器产生指示磁场在磁场传感器的位置处的方向的输出信号，该输出信号包括杂散场分量。来自两个或多于两个磁场传感器的输出信号在处理电路62处组合，以获得偶极磁体的旋转角值。输出信号可以通过取算术平均值来组合，该算术平均值基本上消除杂散场分量以得到已校正的旋转角值，或以其它方式补偿由杂散磁场引起的角误差。
图18示出根据另一实施例的系统160的简化侧视图。在此所示配置中，系统160包含偶极磁体52以及第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60。在侧视图图示中，在呈现系统160的页面内外查看时，第二磁场传感器56和第四磁场传感器60彼此对准。附图标记56/60表示此对准。偶极磁体52可以胶合或以其它方式附接到可旋转物体64，例如轮轴、轴杆等。因此，可旋转物体64和偶极磁体52(借助于其附接到可旋转物体64)被配置成围绕旋转轴66旋转。
如先前所论述，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60沿着圆形路径(例如，图7的圆形路径72)布置在四个不同位置中。另外，在图18的系统160中，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60远离系统160中的偶极磁体52竖直地移位。更具体来说，磁场传感器54、56、58、60与偶极磁体52的底座162间隔开，使得在底座162与磁场传感器54、56、58、60之间形成气隙164。第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60可以在专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)166上制造或以其它方式与该ASIC 166集成。因此，第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60可以形成于ASIC166的共同(例如，同一)平面168中，该平面168基本上平行于偶极磁体52的底座162并且与该底座162间隔开。
除了其它特征之外，ASIC 166可以实施处理电路62，该处理电路62被定制成与第一磁场传感器54、第二磁场传感器56、第三磁场传感器58和第四磁场传感器60一起运作。处理电路62在图18的ASIC 166中通过简单框表示，其中第一导电路径172将第一磁场传感器54互连到处理电路62，第二导电路径174将第二磁场传感器56互连到处理电路62，第三导电路径176将第三磁场传感器58互连到处理电路62，并且第四导电路径178将第四磁场传感器60互连到处理电路62。
通过磁场传感器54、56、58、60的布置，可以选择气隙164，使得磁场的垂直和周向组分的幅度正好相同。随后不存在椭圆变形，但是与理想距离的小偏差随后带回椭圆变形以及与此椭圆变形相关联的杂散场敏感度。另外，磁场传感器54、56、58、60的布置可以获得与ASIC 166集成的实际优点，以产生单个管芯解决方案。然而，此布置对偶极磁体52尤其沿着Z-轴相对于磁场传感器54、56、58、60的未对准更敏感。
本文中所描述的实施例需要用于测量物体的角旋转的系统和方法。系统的实施例包括：具有旋转轴的偶极磁体，该偶极磁体被配置成产生磁场；第一磁场传感器，该第一磁场传感器被配置成响应于磁场而产生第一输出信号；以及第二磁场传感器，该第二磁场传感器被配置成响应于磁场而产生第二输出信号，该第一和第二磁场传感器中的每一个被配置成以饱和模式操作，使得该第一输出信号指示磁场的第一方向且该第二输出信号指示该磁场的第二方向。
系统的另一实施例包括：具有旋转轴的偶极磁体，该偶极磁体被配置成产生磁场；第一磁场传感器，该第一磁场传感器被配置成响应于磁场而产生第一输出信号，该第一输出信号包括第一杂散场分量；以及第二磁场传感器，该第二磁场传感器被配置成响应于磁场而产生第二输出信号，该第二输出信号包括第二杂散场分量，该第一和第二磁场传感器中的每一个被配置成以饱和模式操作，使得该第一输出信号指示磁场的第一方向且该第二输出信号指示磁场的第二方向，其中该第一和第二磁场传感器相对于彼此布置，使得磁场在第一磁场传感器处的第一方向与磁场在第二磁场传感器处的第二方向相反。该系统还包括处理电路，该处理电路被配置成接收第一和第二输出信号并且组合第一和第二输出信号以获得旋转角值，其中基本上消除第一和第二杂散场分量。
一种用于确定偶极磁体的角位置的方法的实施例，该偶极磁体具有旋转轴，其中磁体被配置成产生磁场，该方法包括：在饱和模式下操作第一磁场传感器和第二磁场传感器，其中第一和第二磁场传感器对磁场的方向敏感；在第一磁场传感器处产生第一输出信号，该第一输出信号指示在第一磁场传感器的第一位置处的磁场的第一方向，该第一输出信号包括第一杂散场分量；以及在第二磁场传感器处产生第二输出信号，该第二输出信号指示在第二磁场传感器的第二位置处的磁场的第二方向，该第二输出信号包括第二杂散场分量。该方法还包括组合第一和第二输出信号以获得偶极磁体的旋转角值，其中基本上消除第一和第二杂散场分量。
因此，该系统包括位于极化圆柱形物体(例如，磁体)附近的磁场传感器的组件，可以通过组合磁场传感器的输出准确地测量该组件的角旋转。偶极磁体以及位于偶极磁体的径向尺寸外部的多个磁场传感器的实施可以允许高达360°的角旋转测量。此外，对于向外部磁场的角度提供响应，同时大体上不向外部磁场的场强提供响应的任何类型的磁场传感器，系统和方法可以实现杂散磁场抑制，而不需要屏蔽结构。另外，可以通过磁场传感器的组件来大大降低未对准(例如，磁体的偏心、不均匀性等)的不利影响，以提高角准确度、敏感度且增强稳定性。
本公开旨在阐明使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围和精神。以上描述并不意图是详尽的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可能有许多修改或变化。选择和描述实施例以提供对本发明的原理和其实际应用的最佳说明，以及使得本领域的技术人员能够在各种实施例中并利用适合于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有此类修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本专利申请未决期间可进行修正。

Claims (10)

1.一种系统，其特征在于，包括：
具有旋转轴的偶极磁体，所述偶极磁体被配置成产生磁场；
第一磁场传感器，所述第一磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号；以及
第二磁场传感器，所述第二磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第一和第二磁场传感器中的每一个被配置成以饱和模式操作，使得所述第一输出信号指示所述磁场的第一方向且所述第二输出信号指示所述磁场的第二方向。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一输出信号包括第一杂散场分量，所述第二输出信号包括第二杂散场分量，并且所述系统还包括处理电路，所述处理电路与所述第一和第二磁场传感器耦合并且被配置成组合所述第一和第二输出信号以获得旋转角值，其中基本上消除所述第一和第二杂散场分量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括：
第三磁场传感器，所述第三磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第三输出信号，所述第三输出信号包括第三杂散场分量；以及
第四磁场传感器，所述第四磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第四输出信号，所述第四输出信号包括第四杂散场角分量，其中所述第三和第四磁场传感器中的每一个被配置成以所述饱和模式操作，使得所述第三输出信号指示所述磁场的第三方向并且所述第四输出信号指示所述磁场的第四方向，并且所述处理电路进一步与所述第三和第四磁场传感器耦合并且还被配置成将所述第三和第四输出信号与所述第一和第二输出信号组合以获得所述旋转角值，其中另外基本上消除所述第三和第四杂散场分量。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偶极磁体是圆柱形偶极磁体。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二磁场传感器是第一和第二磁阻(MR)传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二磁场传感器与所述偶极磁体的外表面间隔开，使得在所述外表面与所述第一和第二磁场传感器之间形成气隙，所述外表面远离所述旋转轴横向地移位。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二磁场传感器相对于彼此定位，使得所述磁场在所述第一磁场传感器处的所述第一方向与所述磁场在所述第二磁场传感器处的所述第二方向相反。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二磁场传感器围绕所述偶极磁体的所述旋转轴沿着圆形路径布置在两个位置处，所述圆形路径具有大于所述偶极磁体的径向尺寸的半径。
9.一种系统，其特征在于，包括：
具有旋转轴的偶极磁体，所述偶极磁体被配置成产生磁场；
第一磁场传感器，所述第一磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号，所述第一输出信号包括第一杂散场分量；
第二磁场传感器，所述第二磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第二输出信号包括第二杂散场分量，所述第一和第二磁场传感器中的每一个被配置成以饱和模式操作，使得所述第一输出信号指示所述磁场的第一方向并且所述第二输出信号指示所述磁场的第二方向，其中所述第一和第二磁场传感器相对于彼此布置，使得所述磁场在所述第一磁场传感器处的所述第一方向与所述磁场在所述第二磁场传感器处的所述第二方向相反；以及
处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一和第二输出信号并且组合所述第一和第二输出信号以获得旋转角值，其中基本上消除所述第一和第二杂散场分量。
10.一种用于确定偶极磁体的角位置的方法，所述偶极磁体具有旋转轴，其中所述磁体被配置成产生磁场，其特征在于，所述方法包括：
以饱和模式操作第一磁场传感器和第二磁场传感器，其中所述第一和第二磁场传感器对所述磁场的方向敏感；
在所述第一磁场传感器处产生第一输出信号，所述第一输出信号指示所述磁场在所述第一磁场传感器的第一位置处的第一方向，所述第一输出信号包括第一杂散场分量；
在所述第二磁场传感器处产生第二输出信号，所述第二输出信号指示所述磁场在所述第二磁场传感器的第二位置处的第二方向，所述第二输出信号包括第二杂散场分量；以及
组合所述第一和第二输出信号以获得所述偶极磁体的旋转角值，其中基本上消除所述第一和第二杂散场分量。
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