CN110617840B - 用于使用具有磁化配置的磁体进行角度感测的系统和方法 - Google Patents

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CN110617840B CN201910534239.XA CN201910534239A CN110617840B CN 110617840 B CN110617840 B CN 110617840B CN 201910534239 A CN201910534239 A CN 201910534239A CN 110617840 B CN110617840 B CN 110617840B
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Abstract

一种系统包括被配置成产生磁场的磁体，所述磁体具有在所述磁场中产生独特特征的非对称磁化配置。所述非对称磁化配置能够通过非对称物理特性、不均匀磁化强度、不均匀磁化分布、偏心磁体等产生。磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生输出信号，所述输出信号指示所述磁场中的所述独特特征。处理电路接收所述输出信号并且使用所述输出信号确定所述磁体的旋转角度，所述旋转角度的范围为0‑360°。

Description

用于使用具有磁化配置的磁体进行角度感测的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及磁场传感器。更具体地说，本发明涉及结合了用于使用具有非对称磁化配置的磁体测量360°内的角位置的磁场传感器的系统。
背景技术
用于测量旋转角度或角位置的角度传感器被实施于各种各样的汽车和工业应用中。例如，在汽车工业中，可以将角度传感器用于阀门控制、踏板位置感测、方向盘位置感测、节气门位置感测、电机轴位置感测以及多种其它用途。通常，磁场传感器是优选的，因为磁场传感器的非接触式测量使其不受机械磨损影响。在这些应用中，测量的是安装在移动部件上的磁体的磁场方向的变化。磁场不受碎屑和其它非磁性材料的阻碍。一些磁场传感器基于磁阻效应，在磁阻效应中，材料具有响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的趋势。磁阻装置包括例如各向异性磁阻(AMR)技术、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)等。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种系统，包括：
磁体，所述磁体被配置成产生磁场，所述磁体具有非对称磁化配置，所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；以及
磁场传感器，所述磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生输出信号，所述输出信号指示所述磁场中的所述独特特征。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括非对称物理特性以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括：
第一表面；
第二表面；以及
侧壁，所述侧壁在所述第一表面与所述第二表面之间延伸，所述侧壁限定所述磁体的厚度，其中所述第一表面与所述第二表面不平行，使得所述磁体的所述厚度能够从第一厚度到大于所述第一厚度的第二厚度连续变化以产生所述非对称物理特性。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括：
第一半部分，所述第一半部分具有第一厚度；以及
第二半部分，所述第二半部分与所述第一半部分相邻，所述第二半部分具有大于所述第一厚度的第二厚度以产生所述非对称物理特性。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括：
第一表面；
第二表面；以及
侧壁，所述侧壁在所述第一表面与所述第二表面之间延伸，所述侧壁包括与平坦表面部分互连的弯曲表面部分以产生所述非对称物理特性。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括：
第一表面；
第二表面；以及
侧壁，所述侧壁在所述第一表面与所述第二表面之间延伸，其中孔从所述第一表面向所述第二表面至少部分地延伸穿过所述磁体，所述孔相对于所述第一表面和所述第二表面偏离中心以产生所述非对称物理特性。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括具有第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的四极磁体，其中所述第一象限、所述第二象限、所述第三象限和所述第四象限中的至少一些的大小不相等以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括：
第一表面；
第二表面；以及
主体，所述主体在所述第一表面与所述第二表面之间延伸，其中所述主体的一部分在磁化方面与所述主体的剩余部分不同以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁体的中心点相对于旋转轴线偏移以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁场传感器是第一磁场传感器，所述输出信号是第一输出信号，所述磁体具有旋转轴线，并且所述系统进一步包括：
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，所述第二输出信号指示所述磁场中的所述独特特征，所述独特特征是所述磁体旋转时在所述磁场上出现的旋转相关效应；以及
处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号并且使用所述第一输出信号和所述输出第二信号确定所述磁体的旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括多于两个磁极。
在一个或多个实施例中，所述磁感测元件包括磁阻传感器。
根据本发明的第二方面，提供一种系统，包括：
磁体，所述磁体具有旋转轴线和非对称磁化配置，所述磁体被配置成产生磁场，其中所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；
第一磁阻传感器，所述第一磁阻传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号，所述第一输出信号指示所述磁场中的所述独特特征；
第二磁阻传感器，所述第二磁阻传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第二输出信号指示所述独特特征；以及
处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号并且使用所述第一输出信号和所述输出第二信号确定所述磁体的旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括多于两个磁极。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括非对称物理特性以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括具有第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的四极磁体，其中所述第一象限、所述第二象限、所述第三象限和所述第四象限中的至少一些的大小不相等以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括：
第一表面；
第二表面；以及
主体，所述主体在所述第一表面与所述第二表面之间延伸，其中所述主体的一部分在磁化方面与所述主体的剩余部分不同以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
在一个或多个实施例中，所述磁体的中心点相对于旋转轴线偏移以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
根据本发明的第三方面，提供一种确定旋转元件的旋转角度的方法，所述方法包括：
提供耦合到所述旋转元件的磁体，所述磁体和所述旋转元件被配置成绕旋转轴线旋转，所述磁体具有非对称磁化配置，所述磁体被配置成产生磁场，其中所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；
响应于所述磁场而在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中的所述独特特征；
响应于所述磁场而在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中的所述独特特征；以及
使用所述第一输出信号和所述第二输出信号确定所述旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°。
在一个或多个实施例中，所述确定操作包括：
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定一次谐波，所述一次谐波基于单次360°旋转提供第一旋转角度信息；
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定二次谐波，所述二次谐波基于180°的旋转周期性提供第二旋转角度信息；
使用所述二次谐波计算第一参考信号和第二参考信号，所述第二参考信号相对于所述第一参考信号偏移模值180；
使用所述一次谐波和所述第一参考信号计算第一差分信号；
使用所述一次谐波和所述第二参考信号计算第二差分信号；以及
基于对所述第一差分信号和所述第二差分信号的比较确定所述0-360°范围内的所述旋转角度。
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
附图用于进一步说明各个实施例并且用于解释全部根据本发明的各种原理和优点，在附图中的单独视图中，相似的附图标记指代相同或功能上类似的元件，附图不一定按比例绘制，并且附图连同以下详细说明被结合到本说明书中并形成本说明书的一部分。
图1以简化和代表性的形式示出了用于角位置测量的系统的例子；
图2示出了可以在图1的系统内实施的现有技术两极磁体的透视图；
图3示出了可以在图1的系统内实施的现有技术四极磁体的透视图；
图4示出了图3的四极磁体的侧视图；
图5示出了用于图2-3的两极磁体和四极磁体的360°旋转的归一化传感器输出信号的曲线图；
图6示出了四极磁体的旋转路径的俯视图；
图7示出了图3的四极磁体的磁场分量的曲线图；
图8示出了根据一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的透视图；
图9示出了图8的四极磁体的侧视图；
图10示出了图8-9的四极磁体的磁场分量的曲线图；
图11示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的透视图；
图12示出了图11的四极磁体的俯视图；
图13示出了图11的四极磁体的侧视图；
图14示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的透视图；
图15示出了图14的四极磁体的俯视图；
图16示出了图14的四极磁体的侧视图；
图17示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的俯视图；
图18示出了沿图17的剖面线18-18的四极磁体的侧视图；
图19示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的俯视图；
图20示出了沿图19的剖面线20-20的四极磁体的侧视图；
图21示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的俯视图；
图22示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的俯视图；
图23示出了沿图22的剖面线23-23的四极磁体的侧视图；
图24示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的俯视图；
图25示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体的俯视图；
图26示出了专用集成电路(ASIC)的简化俯视图，所述ASIC包括可以在角位置测量系统内实施的多个磁场传感器；
图27示出了角位置测量系统的简化框图；
图28示出了可以响应于具有非对称磁化配置的磁体而产生的磁场幅度的例子；
图29示出了用于具有非对称磁化配置的磁体的360°旋转的归一化传感器输出信号的曲线图；
图30示出了根据图29中呈现的传感器输出信号确定的快速傅里叶变换(FFT)的曲线图；
图31示出了根据另一个实施例的角位置测量过程的流程图；并且
图32示出了相对于具有非对称磁化配置的磁体的输入旋转角度而绘制的示例输出旋转角度的曲线图。
具体实施方式
总的来说，本公开涉及用于测量物体的角旋转的系统和方法。更具体的说，系统包括定位在极化物体(例如，磁体)附近的磁场传感器组合件，所述极化物体的角旋转可以通过组合磁场传感器的输出来精确测量。可以通过使用具有限定的非对称磁化配置的多极磁体获得360°的测量范围。可以通过磁体的非对称物理特性、不均匀磁化强度、不均匀磁化分布、偏心旋转等产生磁体的这种非对称磁化配置。磁体的非对称磁化配置在由磁体产生并且由磁场传感器感测的磁场(即，扰动磁场)中引入独特特征。根据磁体的所限定非对称磁化配置，可以产生磁场的旋转相关效应，从而在磁体的完整360°旋转内产生唯一轮廓。可以通过评估信号特性(例如，信号谐波)根据扰动磁场确定360°角度信息。
本公开被提供用于以使能方式进一步解释在应用时制作和使用根据本发明的实施例的最佳方式。本公开被另外提供用于增强对本公开的发明性原理和优点的理解和认识，而不是以任何方式对本发明进行限制。本发明仅由所附权利要求限定，包括在本申请未决期间做出的任何修改以及如所公布的那些权利要求的所有等效物。
应当理解，对如第一和第二、顶部和底部等关系术语(如果有的话)的使用仅用于将实体或动作彼此区分，而不一定需要或暗示这种实体或动作之间的任何这种实际关系或顺序。此外，可以使用各种阴影和/或影线来示出附图中的一些，以便区分在各个结构层内产生的不同元件。可以利用当前和即将到来的沉积、图案化、蚀刻等的微加工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阴影和/或影线，但是结构层内的不同元件可以由相同的材料形成。
参考图1，图1以简化和代表性的形式示出了用于角位置测量的系统20的例子。在此例子中，永磁体22被安装在如轴24等被配置成绕旋转轴线26旋转的旋转元件上。轴24可以被实施为电机(未示出)的部件。封装磁场传感器28可以定位在磁体22附近。通常，当轴24旋转时，磁体22的旋转磁场29与轴24的角位置相关，并且因此与电机的角位置相关。磁场传感器28被配置成测量磁体22的旋转磁场29的方向，使得可以确定轴24的角位置。
现在参考图2-5，图2示出了可以在系统20(图1)内实施的现有技术两极磁体30的透视图。图3示出了可以在系统20内实施的现有技术四极磁体32的透视图。图4示出了图3的四极磁体的侧视图，并且图5分别示出了用于两极磁体30和四极磁体32(图2-3)的360°旋转的归一化传感器输出信号36、38的曲线图34。在图2和3中，黑色箭头指示磁场矢量。如曲线图34所示，在两极磁体30的完整360°旋转内观察到传感器输出信号36的单周期行为，而在四极磁体32的完整360°旋转内可以观察到传感器输出信号38的双倍周期行为。
通常在如系统20等角位置测量系统中实施的磁体形状为具有多极配置的盘状磁体、块状磁体或环形磁体。例如，可以将磁体30的径向两极磁化或磁体32的四极平面内磁化用于系统20(图1)的磁体22。通常利用标准的两极磁体配置(例如，磁体30)并且所述两极磁体配置能够用巨磁阻(GMR)传感器、隧道磁阻(TMR)传感器或霍尔传感器实现0-360°旋转角度的角度检测范围。另外，标准的两极磁体配置(例如，磁体30)能够用各向异性磁阻(AMR)传感器实现0-180°旋转角度的角度检测范围。
参照图6和7，图6示出了盘状磁体(例如，四极磁体32)的旋转路径40的俯视图，并且图7示出了四极磁体32(图3)的磁场分量的曲线图42。在图6所示的例子中，旋转路径40为逆时针方向，并且提供了角位置标记0°、90°、180°、270°和360°以便定向。箭头44指示磁体32的象限界面区域处的磁场方向。在图7所示的例子中，曲线图42包括由四极磁体32的旋转对称几何结构产生的磁场(例如，图1的磁场29)的Hx磁场分量46和Hy磁场分量48。因此，Hx磁场分量46和Hy磁场分量48中的每一个都具有总体上对称的曲线特性，其中曲线的第二周期总体上与曲线的第一周期相同。在曲线图42中，为简化起见，Hx磁场分量46和Hy磁场分量48以任意单位(A.U.)示出。
对于某些应用，使用具有三个或三个以上磁极的磁体可能是有用的(例如，可用于杂散磁场消除)。不幸的是，当具有多于两个磁极的磁体被结合到角位置测量系统中时，上述磁传感器类型(分别为GMR、TMR或霍尔和AMR)会丧失360°和180°旋转角度检测能力。也就是说，随着均匀分布的磁极(例如，如四极磁体32)的数量增大，角度检测范围成比例地减小。根据一些实施例，实施了具有多于两个磁极的磁体的磁化的非对称性以在由磁体产生的磁场中引入独特特征。也就是说，可以扰乱由具有旋转对称几何结构的磁体(例如，四极磁体32)产生的曲线图42中呈现的对称曲线特性以便引入已知的非对称曲线特性。利用由磁体的非对称磁化配置产生的这种独特特征，角位置测量系统可以检测0-360°的角度检测范围内的旋转角度。此外，如下文将讨论的，可以通过利用快速傅里叶变换(FFT)技术从谐波的相位中提取旋转角度信息来实现评估改进。
现在参考图8-9，图8示出了根据一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体50的透视图，并且图9示出了四极磁体50的侧视图。四极磁体50包括产生磁体50的非对称磁化配置的非对称物理特性。磁体50的非对称磁化配置进而在磁体50产生的磁场中产生独特特征。
在此例子中，四极磁体50包括第一表面52、第二表面54和侧壁56，所述侧壁56在第一表面52与第二表面54之间延伸并且限定磁体50的厚度。第一表面52与第二表面54不平行，使得磁体50的厚度可从第一厚度58到大于第一厚度58的第二厚度60连续变化。因此，磁体50的非对称物理特性是楔形结构62。
图10示出了四极磁体50(图8-9)的磁场分量的曲线图64。纵轴相对于沿曲线图64的横轴的以度为单位的输入角度68示出了采用任意单位(A.U.)的场强66H。曲线图64包括由四极磁体50的旋转非对称几何结构产生的磁场的Hx磁场分量70和Hy磁场分量72。磁体50的非对称物理特性(例如，楔形结构62)产生磁体50的非对称磁化配置，所述非对称磁化配置相当地在磁体50周围的可以由封装磁场传感器28(图1)检测的磁场(例如，图1的磁场29)中产生独特特征。
与图7所示的Hy磁场分量48的对称曲线特性相比，Hy磁场分量72的非对称曲线特性具体地例示了这种“独特特征”。与Hy磁场分量48相比，由四极磁体50产生的Hy磁场分量72具有强的低次(即，一次)谐波。根据此一次谐波的相位，可以确定旋转角度的正确的180°范围。
现在参考图11-13，图11示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体74的透视图。图12示出了四极磁体74的俯视图，并且图13示出了四极磁体74的侧视图。四极磁体74包括再次产生磁体74的非对称磁化配置的非对称物理特性。磁体74的非对称磁化配置进而在磁体74产生的磁场中产生独特特征。
在此例子中，四极磁体74包括第一半部分76和第二半部分78。可以通过例如将材料烧结成特定形状来产生四极磁体74。在此情况下，第一半部分76具有第一厚度80，并且第二半部分78具有大于第一厚度80的第二厚度82。因此，磁体74的非对称物理特性是阶梯状结构84，所述阶梯状结构84产生磁体74的非对称磁化配置并且相当地在磁体74的可以由磁场传感器检测的磁场中产生独特特征。
参考图14-16，图14示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体86的透视图。图15示出了四极磁体86的俯视图，并且图16示出了四极磁体86的侧视图。再次，四极磁体86具有产生磁体86的非对称磁化配置的非对称物理特性。在此例子中，四极磁体86包括第一表面88、第二表面90和在第一表面88与第二表面90之间延伸的侧壁92。侧壁92包括与平坦表面部分96互连的弯曲表面部分94。因此，磁体86的非对称物理特性是平坦侧面结构98。在其它实施例中，平坦侧面结构98可以呈现不同的形状，例如，圆形或三角形边缘形状。另外，替代性实施例可以包括凸起结构，其中磁体的磁化材料延伸超出总体上为圆柱形的磁体的周界。
参考图17-18，图17示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体100的俯视图，并且图18示出了沿图17的剖面线18-18的四极磁体100的侧视图。再次，四极磁体100具有产生磁体100的非对称磁化配置的非对称物理特性。在此例子中，四极磁体100包括第一表面102、第二表面104和在第一表面102与第二表面104之间延伸的侧壁106。孔108从第一表面102向第二表面104部分延伸穿过磁体100。另外，孔108相对于第一表面102和第二表面104的中心点110是偏心的。也就是说，孔108偏移远离中心点110。因此，磁体86的非对称物理特性是偏心半球形孔结构112。在所示实施例中，孔108的形状为半球形。然而，在其它实施例中，孔108可以呈现不同的形状。仍其它实施例可以包括在第一表面102和第二表面104中的一者或两者上方延伸的突出部(例如，偏心半球)以代替孔108。
参考图19-20，图19示出了根据一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体114的俯视图，并且图20示出了沿图19的剖面线20-20的四极磁体114的侧视图。四极磁体114也具有产生磁体114的非对称磁化配置的非对称物理特性。在此例子中，四极磁体114包括第一表面116、第二表面118和在第一表面116与第二表面118之间延伸的侧壁120。孔122从第一表面116到第二表面118完全穿过磁体114。另外，孔122相对于第一表面116和第二表面118的中心点124是偏心的。也就是说，孔122偏移远离中心点124。因此，磁体114的非对称物理特性是偏心圆柱形通孔结构125。在所示实施例中，孔122的形状为圆柱形。然而，在其它实施例中，孔122可以呈现不同的形状。
图21示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体126的俯视图。四极磁体126也具有产生磁体126的非对称磁化配置的非对称物理特性。在此例子中，四极磁体126分别包括具有不同大小的第一象限128、第二象限130、第三象限132和第四象限134。也就是说，第一象限128、第二象限130、第三象限132和第四象限134中的至少一些的大小是不相等的。因此，磁体126的非对称物理特性是可变大小象限结构136。在所示实施例中，第一象限128和第二象限130的大小总体上相当但小于第三象限132和第四象限134。在其它实施例中，各个象限的个别大小可以不同于所示大小。
参考图22-23，图22示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体138的俯视图，并且图23示出了沿图22的剖面线23-23的四极磁体138的侧视截面图。在此例子中，磁体138包括第一表面140、第二表面142和在第一表面140与第二表面142之间延伸的主体144。主体144的一部分146(由点画阴影表示)在磁化方面不同于主体144的剩余部分148以产生磁体138的非对称磁化配置。例如，部分146可以不被磁化，或者部分146在磁化方面可以与主体144的剩余部分148有差异。因此，磁体138的非对称物理特性是可变磁化结构150。
图24示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体152的俯视图。在此例子中，四极磁体152分别包括第一象限154、第二象限156、第三象限158和第四象限160。第一象限154和第二象限156的磁化(由亮点画图案表示)可以不同于第三象限158和第四象限160的磁化158、160(由暗点画图案表示)。因此，磁体152的非对称物理特性是另一可变磁化结构162。
图25示出了根据另一个实施例的可以在角位置测量系统内实施的四极磁体164的俯视图。通常，四极磁体164可以是如结合图3-5描述的对称磁体。因此，所述四极磁体具有如图4所示的第一表面、第二表面和在第一表面与第二表面之间延伸的主体。然而，在此例子中，四极磁体164的几何中心点166相对于旋转轴24(图1)的旋转轴线26(图1)被偏移并且因此相对于磁场传感器(例如，封装磁场传感器28)的中心168具有旋转角度相关的偏移量以产生旋转角度范围0-180°与旋转角度范围180-360°之间的差异。也就是说，磁体164的几何中心点166的偏心定位产生0-180°旋转角度范围与180-360°旋转角度范围之间的差异。在图25中，示出了X偏移磁体。然而，替代性实施例可以具有X偏移磁体、Y偏移磁体或X偏移和Y偏移磁体中的任一种。
图8、9和11-25仅示出了具有非对称磁化配置的磁体的几个例子，其中非对称磁化配置在由磁体产生的磁场中产生独特特征。此外，每个例子仅示出了单个非对称性。然而，应当理解，磁体可以包括各个图示中描述的非对称性的某种组合。另外地或可替换的是，磁体可以具有如多个平坦侧面、多个阶梯、多个孔、多个凸起等多个非对称性。此外，本文仅示出了具有四个磁极的盘状磁体。然而，在替代实施例中，可以实施不同的磁体形状(例如，矩形、块状等)，其中磁体具有至少三个磁极。
图26示出了专用集成电路(ASIC)170的简化俯视图，所述ASIC包括可以在角位置测量系统内实施的标记为S1到S8的八个磁场传感器172。磁场传感器172可以制作于ASIC170上或以其它方式与ASIC 170集成。此外，具有磁场传感器172的ASIC 170可以形成封装磁场传感器(例如，图1的封装磁场传感器28)的内部结构的至少一部分。出于说明性目的，环形线围绕具有磁场传感器172的ASIC 170。此环形线表示非对称磁化配置和多于两个磁极的上述磁体中的任一个。举例来说，环形线表示结合图8-10详细描述的四极磁体50。
在一些实施例中，磁场传感器172可以是磁阻感测元件(例如，AMR、GMR、TMR和其它相关技术)。磁阻传感器技术与霍尔传感器相比具有一些明显优点。相比霍尔传感器，磁阻传感器技术可以实现更优的噪声性能。另外，相对于霍尔效应传感器，磁阻传感器可以在高得多的温度下并且在与磁体相距的更大的操作距离处可靠地操作。此外，相对于霍尔效应传感器，用磁阻传感器可以实现更高的角度准确性。尽管本文讨论了磁阻传感器，但是要求较低分辨率的其它实施例可以实施霍尔传感器连同具有非对称磁化配置的磁体。
磁场传感器172沿着环形路径174定位在旋转轴线26周围并且相对于彼此以45°的相对旋转角度均匀定位。在此例子中，实施了八个磁场传感器172。所述八个磁场传感器172可用于避免在下文总体上讨论的另外的处理操作中出现混叠(例如，失真)。然而，至少部分取决于编码器磁体的磁性配置，其它量的磁场传感器可能是有益的。为了简化讨论和后续附图的连续性起见，编码器磁体是具有产生非对称磁化配置的楔形结构62(图8-9)的四极磁体50。
参考图26-27，图27示出了可以包括具有非对称磁化配置的编码器磁体的角位置测量系统176的简化框图。除了其它特征之外，ASIC 170可以实施被定制为与磁场传感器172一起运行的处理电路178。导电通路180将磁场传感器172中的每一个与处理电路178互连。磁场传感器172中的每一个被配置成响应于由四极磁体50(所述四极磁体50的一部分被示出为靠近磁场传感器172)在磁体50绕旋转轴线26旋转时产生的变化磁场182而产生输出信号。处理电路178被配置成接收输出信号并且适当地组合所述输出信号以确定磁体50的旋转角度
Figure BDA0002099987550000141
并且因此确定与磁体50耦合的旋转元件(例如，图1的轴24)的旋转角度。此外，此旋转角度184可以处于如下文将讨论的0-360°范围内。
为了简化起见，磁场传感器172在框图中被示出为布置成一行。然而，在实际配置中，磁场传感器172可以沿着如上所示的环形路径174布置。另外，本领域的技术人员将认识到，处理电路178可以涵盖多种多样的处理结构、控制结构或其它结构。此外，尽管磁场传感器172在本文中被描述为与ASIC 170集成，但是在其它配置中，磁场传感器172可以与包括处理电路178的ASIC单独封装。因此，为了简化和最小化模糊各个实施例的原理和概念的任何风险起见，对此类结构的另外讨论(如果有的话)将限于关于各个实施例的原理和概念的要点。
图28示出了可以响应于具有非对称磁化配置的磁体而产生的磁场幅度186的例子。继续上述例子，磁体可以是具有楔形结构62(图8-9)的四极磁体50。在图28中，所检测到的磁场182(图27)的幅度186由点画阴影表示，其中较亮的阴影表示较小的磁场幅度值，并且较暗的阴影表示较大的磁场幅度值。如视觉上可以观察到的，幅度186的变化值的模式不对称。幅度186的非对称变化值表示磁体50的非对称磁化配置。因此，可由磁场传感器172检测到的磁场182的磁场矢量将响应于不对称性而变化并且因此指示非对称磁化配置。
图29示出了用于具有非对称磁化配置的磁体(例如，四极磁体)的360°旋转的归一化传感器输出信号的曲线图188。纵轴相对于沿曲线图188的水平轴的以度为单位的输入旋转角度192示出了归一化传感器输出190。实曲线描绘了单个磁场传感器172(例如，S1)的用于完整360°旋转的归一化传感器输出信号194。归一化传感器输出信号194可以是由磁场182(图27)的幅度186(图28)产生的磁场矢量的Hx磁场分量与Hy磁场分量的比率(Hx/Hy)。由于磁体50的四极配置，传感器输出信号194呈现双倍周期行为。
如上文所提及的，只要高于四次谐波的谐波是可忽略的，就可以使用八个磁场传感器172(S1到S8)来混叠(例如，失真)自由采样。也就是说，八个磁场传感器172以彼此等距的角距离放置在ASIC 170上，而不是每次旋转对来自单个传感器的输出信号进行八次采样。因此，曲线图另外包括八个数据点196、198、200、202、204、206、208、210，所述八个数据点对应于在给定时刻来自所述八个磁场传感器172(S1到S8)的传感器输出信号。利用具有对称磁化配置的四极磁体，来自沿环形路径174的相对传感器的输出信号将具有相等的幅度。也就是说，对于等距间隔的磁场传感器172的配置，来自S1的传感器输出将相当于来自S5的传感器输出，来自S2的传感器输出将相当于来自S6的传感器输出等。然而，由于例如四极磁体50的非对称磁化配置，可以观察到的是，表示来自S1的传感器输出的数据点196并不相当于表示来自S5的传感器输出的数据点204，表示来自S2的传感器输出的数据点198并不相当于表示来自S6的传感器输出的数据点206等。
四极磁体50的非对称磁化配置在如总体上由磁场幅度186(图28)表示的磁场分布中引入了独特特征。根据特定的非对称性，可以产生检测到的磁场的旋转相关效应(例如，第二周期与第一周期不同)。因此，在磁体50的完整360°旋转内产生唯一轮廓，如数据点196、198、200、202、204、206、208、210所示。
结合图29参考图30，图30示出了根据图29中呈现的传感器输出信号确定的快速傅里叶变换(FFT)214的曲线图212。在一些实施例中，可以通过利用所述八个磁感元件172的传感器输出信号(例如，数据点196、198、200、202、204、206、208、210)通过FFT技术从谐波相位中提取角度信息。在具有八个样本(即，传感器输出信号)的此例子中，FFT 214具有八个分量。在此表示中，范围为-3到+4。当在图29的连续输出对输入角度曲线中不存在高于4次谐波的谐波时，分量零(0)决定所述八个样本的平均(DC)值，-1和+1决定一次谐波，-2和+2决定二次谐波，并且-3和+3决定3次谐波。在连续输出对输入角度曲线中，第四分量与4次谐波没有固定的关系。
因此，可以根据FFT分量1和/或-1估计一次谐波FFT分量216并且因此一次谐波FFT分量216实际上是根据传感器输出信号(例如，数据点196、198、200、202、204、206、208、210)确定的。一次谐波216基于单次360°旋转提供标记为ANGLEFFT360的第一旋转角度信息218。因此，一次谐波216提供360°内的第一旋转角度信息218。可以根据FFT分量-2和/或2以相同的方式估计二次谐波FFT分量220并且因此二次谐波FFT分量220实际上也是根据传感器输出信号(例如，数据点196、198、200、202、204、206、208、210)确定的。二次谐波220基于180°的旋转周期性提供标记为ANGLEFFT180的第二旋转角度信息222。因此，二次谐波220基于具有多于两个磁极的磁体(例如，四极磁体50)的磁极数提供第二旋转角度信息222，并且因此在完整360°旋转期间产生具有多于一个周期的传感器输出信号。
参考图26、27和31，图31示出了根据另一个实施例的角位置测量过程224的流程图。角位置测量过程224需要可以由角位置测量系统176执行的用于确定旋转元件的旋转角度的方法，在所述角位置测量系统176中，具有非对称磁化配置的磁体耦合到旋转元件(例如，图1的轴24)。具体地说，过程224描述了可以由处理电路178执行以利用第一旋转角度信息218和第二旋转角度信息222(图30)确定0-360°范围内的旋转角度184的信号处理操作。
在框226处，提供耦合到旋转元件(例如，图1的轴24)的磁体，所述磁体和旋转元件被配置成绕旋转轴线(例如，图1的旋转轴线26)旋转，并且所述磁体具有非对称磁化配置。继续上文呈现的例子，结合角位置测量过程224提供的磁体是四极磁体50。然而，可以利用具有非对称磁化配置的上述磁体中的任一种或其任何变体。如以上所讨论的，磁体被配置成产生磁场182，并且非对称磁化配置在磁场中产生独特特征。
在框228处，在磁感测元件172处产生传感器输出信号。简要参考图29，标记为S1的第一磁场传感器172产生第一输出信号(例如，数据点196)，标记为S2的第二磁场传感器172产生第二输出信号(例如，数据点198)，标记为S3的第三磁场传感器172产生第三输出信号(例如，数据点200)，标记为S4的第四磁场传感器172产生第四输出信号(例如，数据点202)，标记为S5的第五磁场传感器172产生第五输出信号(例如，数据点204)，标记为S6的第六磁场传感器172产生第六输出信号(例如，数据点206)，标记为S7的第七磁场传感器172产生第七输出信号(例如，数据点208)，并且标记为S8的第八磁场传感器172产生第八输出信号(例如，数据点210)。传感器输出信号(例如，数据点196、198、200、202、204、206、208、210)指示由磁体50的非对称磁化配置产生的磁场182中的独特特征。当然，实施不同数量的磁场传感器的系统将在给定的采样周期产生不同数量的传感器输出信号。
在框230处，通过导电通路180将传感器输出信号(例如，数据点196、198、200、202、204、206、208、210)输入到处理电路178，并且可以通过例如快速傅里叶变换(FFT)算法对所述传感器输出信号进行适当计算。通常，FFT算法计算一组离散数据值的傅里叶变换。在给定有限的一组数据点的情况下，FFT根据数据的分量频率(例如，谐波)表示所述数据。简要地参考图30，在框230处通过FFT计算确定至少一次谐波216和二次谐波220。一次谐波216提供第一旋转角度信息218ANGLEFFT360，并且二次谐波220提供第二旋转角度信息222ANGLEFFT180。
在框232处，计算第一参考信号REF1和第二参考信号REF2。第一参考信号是通过简单地将二次谐波220除以因子2来计算的(REF1＝ANGLEFFT180/2)。第二参考信号REF2也是通过简单地将二次谐波220除以因子2并且另外加上模值180来计算的(ANGLEFFT180/2+180)。因此，第二参考信号REF2相对于第一参考信号REF1偏移了模值180。利用四极磁体50会产生用于磁体50的完整360°旋转的输出信号的两个周期。在这种配置中，模值为180。因此，REF1表示约0-180°的旋转角度，并且REF2表示约180°-360°的旋转角度。模值将根据所实施磁体的磁极数发生变化。另外，框232中的分母因子以及参考信号的数量根据所实施磁体的磁极数而发生变化。
在框234处，计算第一差分信号DIFF1和第二差分信号DIFF2。第一差分信号是使用一次谐波216和第一参考信号来计算的(DIFF1＝ABS(ANGLEFFT360-REF1))。第二差分信号是使用一次谐波216和第二参考信号来计算的(DIFF2＝ABS(ANGLEFFT360-REF2))。
在疑问框236处，比较第一差分信号和第二差分信号以确定0-360°范围内的旋转角度
Figure BDA0002099987550000181
在疑问框236处，确定DIFF1是小于还是等于DIFF2。当DIFF1小于或等于DIFF2时，过程控制继续到框238。在框238处，确定旋转角度184为REF1。也就是说，旋转角度184小于或等于180°。当DIFF1不小于DIFF2时，过程控制继续到框240。在框240处，确定旋转角度184为REF2。也就是说，图27中的旋转角度184小于或等于180°。
在框238或240中的任一个之后，过程224继续框242。在框242处，从处理电路178输出所确定旋转角度
Figure BDA0002099987550000182
此后，角位置测量过程224的单次迭代结束。可以根据所提供的定时序列、旋转元件的功能操作和/或其某种组合执行角位置测量过程224的重复执行。
图32示出了相对于具有非对称磁化配置的磁体的输入旋转角度248而绘制的示例输出旋转角度246的曲线图244。具体地说，曲线图244示出了完整360°旋转内的第一旋转角度信息218(ANGLEFFT360)、REF1曲线250和REF2曲线252。第一旋转角度信息218表示基于一次谐波216(图30)的所计算角度。REF1曲线250表示基于二次谐波220(图30)的所计算角度，并且REF2曲线252是根据REF1曲线250通过加上模值180(即，通过添加180°的偏移量)产生的。第一旋转角度信息218的相位取决于特定磁体的非对称磁化配置(例如，四极磁体50的楔形结构62)。由于一次谐波216的幅度很低，所以第一旋转角度信息218的准确度较低。然而，第一旋转角度信息218仅用于确定输入旋转角度192介于0-180°之间还是介于180-360°之间。
总之，磁场传感器172的传感器输出信号将由于磁体(例如，四极磁体)上的磁极数而产生两个完整周期，从而将角度范围限制为180°。可以组合所有八个磁场传感器172的输出(例如，数据点196、198、200、202、204、206、208、210)以在给定时刻获得同一信号的采样版本。当使用具有对称磁化配置的磁体时，第一周期和第二周期相同。因此，由对称磁体产生的信号的频谱图将仅显示二次谐波。然而，当使用根据本文所描述的实施例的具有非对称磁化配置的磁体时，第一周期和第二周期不同。通过观察图29中的数据点196、198、200、202、204、206、208、210可以看出这一点，并且尤其是在图30中的频域中通过非零一次谐波FFT分量216可以看出这一点。由非对称磁体产生的信号的频谱图将具有一次谐波216和二次谐波220。一次谐波216可以用于计算输入角度是介于0-180°之间还是介于180-360°之间。如果DIFF1小于或等于DIFF2，则旋转角度184等于REF1。否则，旋转角度184等于REF2。因此，旋转角度测量的总体准确度由REF1和/或REF2限定。
本文总体上讨论了用于通过评估信号谐波从扰动磁场中提取360°角度信息的FFT方法。然而，应当理解，可以使用替代性技术从组合信号中提取如一次谐波的相位等角度信息。替代性技术可以包括带通滤波、陷波滤波等。
本文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。系统的一个实施例包括：磁体，所述磁体被配置成产生磁场，所述磁体具有非对称磁化配置，所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；以及磁场传感器，所述磁场传感器被配置成响应于所述磁场而产生输出信号，所述输出信号指示所述磁场中的所述独特特征。
系统的另一个实施例包括磁体，所述磁体具有旋转轴线和非对称磁化配置，所述磁体被配置成产生磁场，其中所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征。所述系统另外包括第一磁阻传感器，所述第一磁阻传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号，所述第一输出信号指示所述磁场中的所述独特特征；第二磁阻传感器，所述第二磁阻传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第二输出信号指示所述独特特征；以及处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号并且使用所述第一输出信号和所述第二输出信号确定所述磁体的旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°。
确定旋转元件的旋转角度的方法的实施例包括：提供耦合到所述旋转元件的磁体，所述磁体和所述旋转元件被配置成绕旋转轴线旋转，所述磁体具有非对称磁化配置，所述磁体被配置成产生磁场，其中所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；响应于所述磁场而在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中的所述独特特征；响应于所述磁场而在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中的所述独特特征；以及使用所述第一输出信号和所述第二输出信号确定所述旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°。
因此，系统包括定位在极化物体(例如，磁体)附近的磁场传感器组合件，所述极化物体的角旋转可以通过组合磁场传感器的输出来精确且可靠地测量。可以通过使用具有限定的非对称磁化配置的多极磁体获得360°的测量范围。可以通过磁体的非对称物理特性、不均匀磁化强度、不均匀磁化分布、偏心旋转等产生磁体的这种非对称磁化配置。磁体的非对称磁化配置或偏移的对称磁体在由磁体产生并且由磁场传感器感测的磁场(即，扰动磁场)中引入独特特征。根据磁体的所限定非对称磁化配置或对称磁化配置的偏移，可以产生磁场的旋转相关效应，从而在磁体的完整360°旋转内产生唯一轮廓。可以通过评估信号谐波根据扰动磁场确定360°角度信息。
本公开旨在解释如何塑造和使用根据本发明的各个实施例，而不是限制本发明的真实的、预期的和合理的范围和精神。上述说明不旨在是详尽的或将本发明限制于所公开的确切形式。鉴于以上教导，修改和变化是可能的。选择并描述了一个或多个实施例以提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明并使本领域的技术人员能够在各个实施例中且连同如适合于所设想的特定用途的各种修改而利用本发明。当根据公平、合法和合理授权的范围解释时，所有这种修改和变化都处于本发明的如由可在本专利申请未决期间加以修改的所附权利要求及其所有等效物确定的范围内。

Claims (8)

1.一种 用于使用具有磁化配置的磁体进行角度感测的系统，其特征在于，包括：
磁体，所述磁体被配置成产生磁场，所述磁体具有非对称磁化配置，所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；以及
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，所述第一输出信号指示所述磁场中的所述独特特征；
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，所述第二输出信号指示所述磁场中的所述独特特征，所述独特特征是所述磁体旋转时在所述磁场上出现的旋转相关效应；以及
处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号并且使用所述第一输出信号和所述输出第二信号确定所述磁体的旋转角度，所述旋转角度绕旋转轴线的范围为0-360°，其中所述处理电路被配置为：
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定一次谐波，所述一次谐波基于单次360°旋转提供第一旋转角度信息；
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定二次谐波，所述二次谐波基于180°的旋转周期性提供第二旋转角度信息；
使用所述二次谐波计算第一参考信号和第二参考信号，所述第二参考信号相对于所述第一参考信号偏移模值180；
使用所述一次谐波和所述第一参考信号计算第一差分信号；
使用所述一次谐波和所述第二参考信号计算第二差分信号；以及
基于对所述第一差分信号和所述第二差分信号的比较确定所述0-360°范围内的所述旋转角度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁体包括非对称物理特性以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁体包括具有第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的四极磁体，其中所述第一象限、所述第二象限、所述第三象限和所述第四象限中的至少一些的大小不相等以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁体包括：
第一表面；
第二表面；以及
主体，所述主体在所述第一表面与所述第二表面之间延伸，其中所述主体的一部分在磁化方面与所述主体的剩余部分不同以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁体的中心点相对于旋转轴线偏移以产生所述磁体的所述非对称磁化配置。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器都包括磁阻传感器。
7.一种用于使用具有磁化配置的磁体进行角度感测的系统，其特征在于，包括：
磁体，所述磁体具有旋转轴线和非对称磁化配置，所述磁体被配置成产生磁场，其中所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；
第一磁阻传感器，所述第一磁阻传感器被配置成响应于所述磁场而产生第一输出信号，所述第一输出信号指示所述磁场中的所述独特特征；
第二磁阻传感器，所述第二磁阻传感器被配置成响应于所述磁场而产生第二输出信号，所述第二输出信号指示所述独特特征；以及
处理电路，所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号并且使用所述第一输出信号和所述输出第二信号确定所述磁体的旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°，其中所述处理电路被配置为：
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定一次谐波，所述一次谐波基于单次360°旋转提供第一旋转角度信息；
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定二次谐波，所述二次谐波基于180°的旋转周期性提供第二旋转角度信息；
使用所述二次谐波计算第一参考信号和第二参考信号，所述第二参考信号相对于所述第一参考信号偏移模值180；
使用所述一次谐波和所述第一参考信号计算第一差分信号；
使用所述一次谐波和所述第二参考信号计算第二差分信号；以及
基于对所述第一差分信号和所述第二差分信号的比较确定所述0-360°范围内的所述旋转角度。
8.一种确定旋转元件的旋转角度的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供耦合到所述旋转元件的磁体，所述磁体和所述旋转元件被配置成绕旋转轴线旋转，所述磁体具有非对称磁化配置，所述磁体被配置成产生磁场，其中所述非对称磁化配置在所述磁场中产生独特特征；
响应于所述磁场而在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中的所述独特特征；
响应于所述磁场而在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中的所述独特特征；以及
使用所述第一输出信号和所述第二输出信号确定所述旋转角度，所述旋转角度绕所述旋转轴线的范围为0-360°；
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定一次谐波，所述一次谐波基于单次360°旋转提供第一旋转角度信息；
根据所述第一输出信号和所述第二输出信号确定二次谐波，所述二次谐波基于180°的旋转周期性提供第二旋转角度信息；
使用所述二次谐波计算第一参考信号和第二参考信号，所述第二参考信号相对于所述第一参考信号偏移模值180；
使用所述一次谐波和所述第一参考信号计算第一差分信号；
使用所述一次谐波和所述第二参考信号计算第二差分信号；以及
基于对所述第一差分信号和所述第二差分信号的比较确定所述0-360°范围内的所述旋转角度。
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