CN111051819B - 使用磁感测探针和多极磁体阵列的偏轴磁角度传感器 - Google Patents

使用磁感测探针和多极磁体阵列的偏轴磁角度传感器 Download PDF

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CN111051819B CN201880055687.5A CN201880055687A CN111051819B CN 111051819 B CN111051819 B CN 111051819B CN 201880055687 A CN201880055687 A CN 201880055687A CN 111051819 B CN111051819 B CN 111051819B
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Abstract

装置和相关联方法涉及测量至少三个相邻磁性南北轨道的2D表面磁体阵列的位置和位移，该磁体阵列与其相对于磁场传感器(例如，磁感测探针)的运动位移成锐角。在示例性示例中，该2D表面磁体阵列的几何形状可以是平面的，具有相邻且交替的北极区域和南极区域。在一些实施方案中，该2D表面磁体阵列几何形状可以采取以下形式：(1)具有以螺旋形状定向的单独磁化层的轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列，或者(2)具有定向为盘旋形状的至少三个相邻南北轨道的径向盘状盘旋多极磁体阵列。

Description

使用磁感测探针和多极磁体阵列的偏轴磁角度传感器
技术领域
各种实施方案整体涉及使用磁场传感器的运动检测。
背景技术
多极电动马达的控制可以取决于具有90度相移的正弦信号和余弦信号，每个电周期具有一个正弦和余弦周期。这些正弦信号和余弦信号可以由安装在电动马达的旋转轴上的旋转变压器生成。旋转变压器是一种用于测量旋转度的旋转电气变压器。旋转变压器可以是在控制马达的旋转角位置和/或速度的控制系统中使用的模拟感测元件。旋转变压器可以用于测量各种应用中的机械部件和电气部件的旋转角位置，应用包括计算机数控(CNC)机器、机器人技术和造纸机器以及运输车辆中的热或电动马达。
旋转编码器是将轴或轮轴的角位置或运动转换为模拟或数字信号的机电设备。旋转编码器可以用于需要精确轴监测的应用(有时具有无限旋转)，诸如工业控制、机器人技术和旋转雷达平台。旋转编码器可以是绝对编码器或增量编码器。
磁场传感器是测量磁场的电子部件。磁场传感器可以用于接近开关、定位、速度检测和电流感测应用。磁场传感器可以用于对轮和轴的速度进行计时，诸如用于内燃机点火正时、转速表和防抱死制动系统。磁场传感器的类型可以包括霍尔效应传感器、AMR/GMR磁力计、磁阻传感器和TMR传感器。
发明内容
装置和相关联方法涉及测量至少三个相邻磁性南北轨道的2D表面磁体阵列的位置和位移，该磁体阵列与其相对于磁场传感器(例如，磁感测探针)的运动位移成锐角。在示例性示例中，2D表面磁体阵列的几何形状可以是平面的，具有相邻且交替的北极区域和南极区域。在一些实施方案中，2D表面磁体阵列几何形状可以采取以下形式：(1)具有以螺旋形状定向的单独磁化层的轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列，或者(2)具有定向为盘旋形状的至少三个相邻南北轨道的径向盘状盘旋多极磁体阵列。
各种实施方案可实现一个或多个优点。例如，一些实施方案可以适于在各种各样的机械、电子、工业和商业应用中使用。在一些示例中，磁体阵列和磁场传感器可以是旋转变压器的更便宜、更小、更轻质的替代品(并作为其替代物)。例如，一些实施方案可以增加控制马达紧凑性并减小马达重量。一些实施方案可以包括作为用于旋转变压器的向后兼容解决方案的传感器，并且可以提供与旋转变压器相同类型的输出，但基于低成本、高度集成的磁场传感器设计以及相关联的倾斜角多极磁环旋转目标。
在各种实施方案中，磁体阵列和磁场传感器可以提供补偿机构以测量和移除与机械堆叠公差或老化相关的任何未对准误差。在各种示例中，可以定制磁体阵列以匹配电动马达的电相位周期，从而允许使用磁体阵列和磁场传感器代替各种各样的旧的、损坏的或过时的旋转测量设备。
一些实施方案的优点可以是被配置为生成模拟正弦和余弦输出的磁场角度传感器，这些输出具有来自感测多极环形磁体阵列的位移的两个磁探针(诸如MR桥)的90度相移，该多极环形磁体阵列具有磁极宽度w并且以特定角度θ倾斜以便对于每360度旋转产生N个正弦和余弦周期。具有特定倾斜角的磁体阵列可以有利地允许磁场传感器的定制周期性输出来控制具有N极的电动马达(例如，马达旋转速度)。这种解决方案可导致具有与旋转变压器输出相匹配的特定周期的传感器输出。
各种实施方案的细节在附图和以下说明书中阐述。其他特征和优点将根据说明书和附图以及根据权利要求书而显而易见。
附图说明
图1描绘了具有示例性旋转测量系统的示例性无刷DC电动马达的透视图。
图2描绘了具有三个相邻倾斜轨道的示例性轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列，以及示例性磁场传感器的透视图。
图3描绘了具有交替的北极和南极的示例性2D表面多极磁体轨道的透视图，这些交替的北极和南极具有相同宽度w。
图4A、图4B和图4C描绘了具有不同节距度的示例性轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列，以及示例性磁场传感器的透视图。
图5A、图5B和5C描绘了具有长度L的示例性平面多极磁体阵列(其中三个相邻倾斜磁轨道具有不同节距度)，以及示例性磁场传感器的透视图。
图6A和图6B描绘了具有径向轴承的示例性马达轴，以及示例性磁场传感器的剖视图，这些径向轴承在图6A中保持其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角的示例性轴向圆柱形多极磁体阵列，并且在图6B中保持其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角的径向盘多极磁体阵列。
图7描绘了其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角，使得相邻磁性南北轨道被定向为盘旋形状的示例性径向盘多极磁体阵列的透视图。
图8A和图8B描绘了其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角，使得相邻磁性南北轨道被定向为盘旋形状的示例性径向盘多极磁体阵列，以及示例性磁场传感器的平面图，径向盘还具有图8A中的外部同心北极和南极以及图8B中的内部同心北极和南极。
图8C描绘了示例性轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列以及示例性磁场传感器(类似于图2和图4A-4C)的透视图，轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列还具有堆叠的北极和南极以及示例性磁场传感器。
图8D描绘了示例性平面多极磁体阵列(类似于图5A-5C)以及示例性磁场传感器的透视图，平面多极磁体阵列还具有相邻的直和成角度的磁轨道部分。
图9描绘了其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角的示例性径向盘多极磁体阵列(类似于图7)的平面图，相邻磁性南北轨道被定向为盘旋形状并且具有不同盘旋度。
图10描绘了示例性动力控制转向系统的剖视图以及示例性动力转向监测和控制系统的框图。
各附图中的类似的参考符号表示类似的元件。
具体实施方式
图1描绘了具有示例性旋转测量系统的示例性无刷DC电动马达的透视图。示例性无刷DC电动马达100被示为具有转子芯105。转子芯105响应于由定子(未示出)施加的变化磁场而旋转。当转子芯105旋转时，轴110与其一起旋转。固定到轴110的是(轴向)圆柱形磁体115，该圆柱形磁体以与轴110相同的旋转速度旋转。圆柱形磁体115具有不同的磁极性区域，使得当圆柱形磁体115旋转时，它产生变化磁场。该变化磁场由至少一个磁场传感器120(例如，磁感测探针)测量。至少一个磁场传感器120经由电连接130耦接到运动控制系统125。例如，磁场传感器可以包括用于测量角位置和位移的至少一个磁感测探针120A，以及用于测量由于轴向堆叠公差而引起的轴向位置变化并且补偿其引入的误差的至少一个磁感测探针120B。至少一个磁场传感器120处的瞬时磁场被转换成电信号，该至少一个磁场传感器120经由电连接130将该电信号传送到运动控制系统125。运动控制系统125包括被配置为基于从至少一个磁场传感器120接收的电信号来控制转子芯105的旋转的电路。
运动控制系统125可以包括具有设计成控制转子芯105的旋转的特定电路逻辑的可编程逻辑控制器(PLC)。在一些示例中，运动控制系统125可以耦接到与转子105耦接的定子(未示出)。在此类示例中，运动控制系统125可以控制定子中的电磁体的通电和断电。由运动控制系统125从至少一个磁场传感器120接收的电信号可以允许运动控制系统125准确地对定子中的电磁体的通电和断电进行计时，以实现转子铁芯105和轴110的平滑旋转。
图2描绘了具有三个相邻倾斜轨道的示例性轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列，以及示例性磁场传感器的透视图。轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列200被示为具有中心轴线205。当例如轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列200附接到旋转轴(例如，图1的轴110)时，轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列200可以围绕中心轴线205旋转。圆柱形螺旋多极磁体阵列200包括三个相邻磁化层。这些磁化层包括彼此相邻并具有固定宽度w的北磁化层210和南磁化层215。磁化层210和215以恒定倾斜角度按照螺旋方式盘绕在圆柱形螺旋多极磁体阵列200内。磁化层210和215围绕中心轴线205卷绕，使得磁化层围绕中心轴线705根据围绕中心轴线205的径向角α以及沿着中心轴线205的距离dz单调设置(例如，以具有恒定量值斜率的圆形螺旋/螺旋面配置进行定位或分布)。换句话说，每个磁性层的宽度方向中点根据围绕中心轴线205的径向角α(例如，从0°移动到360°)以及沿中心轴线205的距离dz单调分布。在磁间断220处，层切换极性，但继续在圆柱形螺旋多极磁体阵列200内盘绕。
磁场传感器225位于轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列200的外周边上。磁场传感器225被配置为输出作为围绕磁场传感器225的局部磁场的函数的电信号。当圆柱形螺旋多极磁体阵列200围绕中心轴线205旋转时，围绕磁场传感器的磁场(例如，Bx和By)的强度由于磁化层210和215的螺旋性质而变化。磁场传感器225的根据圆柱形螺旋多极磁体阵列200的旋转的确切输出信号将在随后段落中进一步详细描述。
在一些示例中，圆柱形螺旋多极磁体阵列200可以没有磁间断220。在各种实施方案中，圆柱形螺旋多极磁体阵列200中的螺旋绕组可以具有比图2所示的示例性实施方案更大或更小的节距。圆柱形螺旋多极磁体阵列200的节距可以被定制以确定当圆柱形螺旋多极磁体阵列200以恒定角速度旋转时由磁场传感器225输出的正弦/余弦信号的确切周期。
图3描绘了具有交替的北极和南极的示例性2D表面多极磁体轨道的透视图，这些交替的北极和南极具有相同宽度w。多极磁体轨道300的形状为平面，并且包括彼此相邻的北极305和南极310。交替的北极305和南极310产生起源于北极305并终止于南极310的磁场线315。在每个磁极305和310的中心附近，磁场线315与由多极磁体轨道300限定的平面基本正交。例如，在北极305的中心附近，磁场线315指向上方并垂直于多极磁体轨道300的平面。在南极310的中心附近，磁场线指向下方并垂直于多极磁体轨道300的平面。
磁场传感器320位于多极磁体轨道300上方。磁场传感器320和多极磁体轨道300之间的距离限定气隙325。磁场传感器320相对于多极磁体轨道300沿路径330行进。相对于多极磁体轨道300限定坐标轴335，其中x轴由相对于多极磁体轨道300的左右移动限定，y轴由相对于多极磁体轨道300的前后移动限定，并且z轴由相对于多极磁体轨道300的上下移动限定。磁场传感器320的路径330沿z轴不变，但它沿x轴和y轴移动。更具体地，磁场传感器的路径330是基本上直的线，该直线位于由x轴和y轴针对多极磁体轨道300上方的恒定z值限定的平面中。路径330的线相对于x轴成角度θ340。磁场传感器320相对于多极磁体轨道300沿路径330的相对恒定移动会导致磁场传感器320输出的正弦信号345。正弦信号345的周期Pθ部分取决于与北极305和南极310的宽度w相关的北极305和南极310的模式的周期p，以及路径330相对于x轴的角度θ340：
Figure GDA0003687764790000061
尽管已经描述了平面多极磁体轨道300的细节，但相同的细节也可以应用于轴向圆柱形磁体(例如，轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列200，图2)上的轨道。例如，磁场传感器225相对于旋转圆柱形螺旋多极磁体阵列200的相对路径可以类似于磁场传感器320相对于多极磁体轨道300的相对路径330。这是因为圆柱形螺旋多极磁体阵列200的外表面的局部拓扑类似于平面多极磁体轨道300的拓扑。在这种情况下，磁场传感器225相对于旋转圆柱形螺旋多极磁体阵列200的相邻北极层210和南极层215的行进角度可以由螺旋的节距确定。具有小节距的螺旋可以对应于较小角度θ340，而具有较大节距的螺旋可以对应于较大角度θ340。类似地，平面多极磁体轨道300的相同细节可以应用于图7所示的径向盘旋盘多极磁体阵列(下面深度描述)。
在一些示例中，当图3所示的磁极图案形成时(例如，环形磁体的每个360度旋转存在3个周期)，磁场可以投射到x-z平面和y-z平面中。当磁场传感器位于x-z平面中时，磁场传感器可能仅对投射到x-z平面中的磁场敏感。这样，当磁场传感器从北极移动到南极时，从磁场传感器输出的信号的正弦形状可以保持其形状(因为磁场传感器可能对磁场方向不敏感，并且可能对定位到y-z平面中的磁场不敏感)。
图4A、图4B和图4C描绘了具有不同节距度的示例性轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列的透视图。如图4A所示，具有半径R的第一轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列400a具有螺旋节距角θa 405a(在0度和90度之间)和具有恒定磁极宽度w 410a的三个相邻磁极。磁场传感器415a位于第一圆柱形螺旋多极磁体阵列400a的外表面附近。当第一圆柱形螺旋多极磁体阵列400a围绕其中心轴线以恒定角速度旋转时，围绕磁场传感器415a的变化磁场被转变成正弦电信号420a。在该示例中，螺旋节距角θa 405a被调整为对于第一圆柱形螺旋多极磁体阵列400a的每360度旋转产生正弦电信号420a的一个周期P。将生成一个周期P的角度θa由下式给出：
Figure GDA0003687764790000071
如图4B所示，第二轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列400b具有螺旋节距角θb 405b(在0度和90度之间)和具有恒定磁极宽度w 410b的三个相邻磁极。螺旋节距角θb 405b大于螺旋节距角θa 405a。磁场传感器415b位于具有半径R的第二圆柱形螺旋多极磁体阵列400b的外表面附近。当第二圆柱形螺旋多极磁体阵列400b围绕其中心轴线以恒定角速度旋转时，围绕磁场传感器415b的变化磁场被转变成正弦电信号420b。在该示例中，螺旋节距角θb405b被调整为对于第二圆柱形螺旋多极磁体阵列400b的每360度旋转产生正弦电信号420b的两个周期P。将生成两个周期P的角度θb由下式给出：
Figure GDA0003687764790000072
如图4C所示，第三轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列400c具有螺旋节距角θc 405c(在0度和90度之间)和具有恒定磁极宽度w 410c的三个相邻磁极。螺旋节距角θc 405c大于螺旋节距角θb 405b。磁场传感器415c位于具有半径R的第三圆柱形螺旋多极磁体阵列400c的外表面附近。当第三圆柱形螺旋多极磁体阵列400c围绕其中心轴线以恒定角速度旋转时，围绕磁场传感器415c的变化磁场被转变成正弦电信号420c。在该示例中，螺旋节距角θc405c被调整为对于第三圆柱形螺旋多极磁体阵列400c的每360度旋转产生正弦电信号420c的三个周期P。将生成三个周期P的角度θc由下式给出：
Figure GDA0003687764790000073
更一般地，在各种实施方案中，可以具体地调整圆柱形多极磁体阵列的节距角或倾斜角以便对于圆柱形多极磁体阵列的每个旋转产生N个周期。已调整的螺旋节距角θN用于对于具有带恒定磁极宽度w的三个相邻磁极的圆柱形螺旋多极磁体阵列的每360度旋转产生正弦电信号的N个周期P。将生成N个周期P的角度θN由下式给出：
Figure GDA0003687764790000081
这可以允许替换用于控制N极电动马达的旋转变压器。此外，可以调整节距角或倾斜角以对于环形磁体的每个旋转产生N个周期，以便使有效功率偏轴角度传感器(或线性传感器)获得这N个周期中的每个周期内的绝对位置测量值。
在一些示例中，围绕图4A-4C中的圆柱形螺旋多极磁体阵列周围的虚线可以表示磁场传感器相对于圆柱形螺旋多极磁体阵列的相对位移。例如，当圆柱形螺旋多极磁体阵列围绕其中心轴线旋转时，磁场传感器可以测量虚线的局部附近的磁场。由于圆柱形螺旋多极磁体阵列的螺旋磁性层的非零节距角，因此该磁场可能以正弦形式变化。这可能导致磁场传感器生成对于圆柱形螺旋多极磁体阵列的每个旋转具有特定数量的周期的输出信号。
图5A、图5B和5C描绘了具有长度L的示例性平面多极磁体阵列(其中三个相邻倾斜磁轨道对于每单位长度L具有不同节距度)，以及示例性磁场传感器的透视图。如图5A所示，具有三个相邻倾斜磁轨道的第一平面多极磁体阵列500a具有倾斜角θd 505a(在0度和90度之间)和磁极宽度w 510a。磁场传感器515a位于第一平面多极磁体阵列500a的顶表面附近。当磁场传感器515a相对于第一平面多极磁体阵列500a的顶表面以恒定速度移动时，围绕磁场传感器515a的变化磁场被转变成正弦电信号520a。在该示例中，倾斜角θd 505a被调整为对于第一平面多极磁体阵列500a的每单位长度L 525a产生正弦电信号520a的一个周期P。将生成一个周期P的角度θd由下式给出：
Figure GDA0003687764790000091
如图5B所示，具有三个相邻倾斜磁轨道的第二平面多极磁体阵列500b具有倾斜角θe 505b(在0度和90度之间)和磁极宽度w 510b。倾斜角θe 505b大于倾斜角θd 505a。磁场传感器515b位于第二平面多极磁体阵列500b的顶表面附近。当磁场传感器515b相对于第二平面多极磁体阵列500b的顶表面以恒定速度移动时，围绕磁场传感器515b的变化磁场被转变成正弦电信号520b。在该示例中，倾斜角θe 505b被调整为对于第二平面多极磁体阵列500b的每单位长度L 525b产生正弦电信号520b的两个周期P。将生成两个周期P的角度θe由下式给出：
Figure GDA0003687764790000092
如图5C所示，具有三个相邻倾斜磁轨道的第三平面多极磁体阵列500c具有倾斜角θf505c(在0度和90度之间)和磁极宽度w 510c。倾斜角θf 505c大于倾斜角θe 505b。磁场传感器515c位于第三平面多极磁体阵列500c的顶表面附近。当磁场传感器515c相对于第三平面多极磁体阵列500c的顶表面以恒定速度移动时，围绕磁场传感器515c的变化磁场被转变成正弦电信号520c。在该示例中，倾斜角θf 505c被调整为对于第三平面多极磁体阵列500c的每单位长度L 525c产生正弦电信号520c的三个周期P。将生成三个周期P的角度θf由下式给出：
Figure GDA0003687764790000093
更一般地，在各种实施方案中，具有长度L的平面多极磁体阵列的节距角或倾斜角可以被具体地调整为对于2D平面磁体阵列的单位长度L产生M个周期。已调整的倾斜节距角θM用于对于具有带恒定磁极宽度w的三个相邻磁极的平面多极磁体阵列的每单位长度L产生正弦电信号的M个周期P。将生成M个周期P的角度θM由下式给出：
Figure GDA0003687764790000101
图6A和图6B描绘了具有径向轴承的示例性马达轴，以及在两种情况下的示例性磁场传感器的剖视图，这些径向轴承在图6A中保持其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角的示例性轴向圆柱形多极磁体阵列，并且在图6B中保持其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角的径向盘多极磁体阵列。马达轴部件部分600包括马达轴605和耦接(例如，压配)到马达轴605的轴承610。轴承610包括内座圈615和外座圈620。圆柱形多极磁体阵列625a/625b固定地耦接(例如，压配)到内座圈615的外表面。当轴605相对于外座圈620旋转时，内座圈615和圆柱形多极磁体阵列625a/625b与轴605一起旋转(相对于外座圈620)。在轴被固定并且外座圈620旋转的情况下，则630a和630b可以被转置。
在图6A的示例性实施方案中，磁场传感器630a在靠近圆柱形螺旋(轴向)多极磁体阵列625a的外表面的位置固定地耦接到外座圈620的内表面，该圆柱形螺旋(轴向)多极磁体阵列固定地耦接到轴承610的内座圈615的外表面。由于圆柱形螺旋多极磁体阵列625a的相对旋转，因此内座圈615和外座圈620之间的相对旋转导致磁场传感器630a处的变化磁场。磁场传感器630a处的该变化磁场被转变成电信号，该电信号可以用于测量轴605相对于外座圈620的旋转位移、速度和方向。
在图6B的示例性实施方案中，磁场传感器630b在靠近盘状盘旋(径向)多极磁体阵列625b的侧表面的位置固定地耦接到轴承610的外座圈620的内表面，该盘状盘旋(径向)多极磁体阵列固定地耦接到轴承610的内座圈615的外表面(例如，参见图7和图9)。由于盘状盘旋多极磁体阵列625b的相对旋转，因此内座圈615和外座圈620之间的相对旋转导致磁场传感器630b处的变化磁场。磁场传感器630b处的该变化磁场被转变成电信号，该电信号可以用于测量轴605相对于外座圈620的旋转位置、位移、速度和方向。
在一些示例中，多极磁体阵列系统可以被嵌入直接安装到马达的轴承中，该马达可以是电动马达。例如，多极磁体阵列可以附接到轴承的内座圈或外座圈。此外，磁场传感器也可以附接到轴承的内座圈或外座圈。多极磁体阵列和磁场传感器可以位于不同的轴承上，使得可以使用多极磁体阵列系统来测量轴承之间的相对旋转。
图7描绘了其中相邻磁性南北轨道具有倾斜角，使得相邻磁性南北轨道被定向为盘旋形状的示例性径向盘多极磁体阵列的透视图。径向盘多极磁体阵列700以阴影示出以指示磁场的轨道的南北极性。径向盘多极磁体阵列700具有中心轴线705，径向盘多极磁体阵列700可以围绕该中心轴线旋转。径向盘多极磁体阵列700由北极层710和南极层715形成。北极层710和南极层715朝向中心轴线705向内盘旋(例如，每层相对于中心轴线705的半径Rl单调增加(顺时针方向)或减少(逆时针方向))。在这个意义上，径向盘多极磁体阵列700的磁性层围绕中心轴线705卷绕，使得层根据围绕中心轴线705的径向角α而围绕中心轴线705单调地布置(例如，位于或定位在向外盘旋中)。换句话说，每个磁性层的径向宽度方向中点根据围绕中心轴705的径向角α单调分布。每个北层710邻近相应南层715，使得这些层随着与中心轴线705相距的径向距离增加而交替。在磁间断720处，层切换极性，但继续在径向盘多极磁体阵列700内盘旋。
图8A和图8B描绘了其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角，使得相邻磁性南北轨道被定向为盘旋形状的示例性径向盘多极磁体阵列，以及示例性磁场传感器的平面图，径向盘还具有图8A中的外部同心北极和南极以及图8B中的内部同心北极和南极。图8A描绘了第一径向盘多极磁体阵列800a，其在盘旋磁性层部分805a中包括三个相邻倾斜盘旋轨道。界定盘旋磁性层部分805a的是同心南北极轨道部分810a。与盘旋磁性层部分805a相反，同心南北极层部分810a不具有盘旋的形式，而是在第一径向盘多极磁体阵列800a的外周边上形成同心圆。这两个同心轨道可以用于监测和补偿由于堆叠公差和老化所引起的径向位移而导致的测量误差。
角度磁场传感器815a位于盘旋磁性层部分805a的顶表面上方。当第一盘径向多极磁体阵列800a围绕其中心轴旋转时，角度磁场传感器815a检测磁场变化。偏轴未对准磁场传感器820a位于同心南北极层部分810a的顶表面上方。偏轴未对准磁场传感器820a用于检测和补偿第一盘径向多极磁体阵列800a的偏轴旋转/振荡/移动。
图8B描绘了第二径向多极磁盘阵列800b，其包括盘旋磁性层部分805b。在盘旋磁性层部分805b内的是同心的南北极层部分810b。与盘旋磁轨道部分805b相比，同心南北极层部分810b不具有盘旋形式，而是在第二盘径向多极磁体阵列800b的内周边上形成同心圆。
角度磁场传感器815b位于盘旋磁性层部分805b的顶表面上方和其中间，而偏轴未对准磁场传感器820b位于同心南北极层部分810b的顶表面上方。这些传感器815b和820b具有与以上讨论的传感器815a和820a类似的功能(例如，用于校正输出信号以补偿偏轴未对准)。
图8C描绘了示例性轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列以及示例性磁场传感器(类似于图2和图4A-4C)的透视图，轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列还具有堆叠的北极和南极。轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列800c包括螺旋磁性层部分805c。在螺旋磁性层部分805c下方的是堆叠的南北极层部分810c。与螺旋磁性层部分805c相比，堆叠的南北极层部分810c不具有螺旋的形式，而是在圆柱形螺旋多极磁体阵列800c的底部上形成堆叠的圆形/圆柱体。
角度磁场传感器815c邻近盘旋磁性层部分805c的侧表面并且在三个相邻磁轨道的中间定位，而偏轴未对准磁场传感器820c邻近堆叠的南北磁极层的侧表面，在南北轨道部分810c的中间定位。这些传感器815c和820c具有与以上讨论的传感器815a和820a类似的功能(例如，用于校正输出信号以补偿偏轴未对准)。
图8D描绘了示例性平面多极磁体阵列(类似于图5A-5C)以及示例性磁场传感器815d的透视图，平面多极磁体阵列还具有相邻的直的、不成角度的磁轨道部分。平面多极磁体阵列800d包括具有三个相邻倾斜磁轨道805d的成角度的磁性层部分。在成角度的磁性层部分805d上方的是直磁性层部分810d。直磁性层部分810d包括平行于平面多极磁体阵列800d的长度行进的两个南北轨道部分。相比之下，成角度的磁性层部分805d具有交替的南北部分，其相对于平面多极磁体阵列800d的长度成锐角地行进。
角度磁场传感器815d在倾斜磁性层部分805d的顶表面上方定位在三个倾斜相邻轨道的中间，而未对准磁场传感器820d邻近直磁性层部分810d的顶表面定位。这些传感器815d和820d具有与以上讨论的传感器815a和820a类似的功能。具体地，平面多极磁体阵列800d与磁场传感器815d和820d之间的相对移动可能由于堆叠公差或老化而未对准，并且该未对准可以由未对准磁场传感器820d检测。
例如，磁场传感器815d和820d可以是静止的，而平面多极磁体阵列800d移动。如果平面多极磁体阵列800d的移动不平行于平面多极磁体阵列800d的长度，则该未对准移动可以由未对准磁场传感器820d检测(由于未对准磁场传感器820d附近的变化磁场)。然而，在正确对准中，在围绕未对准磁场传感器820d的磁场中可能实际上没有变化，因为未对准磁场传感器820d可以沿着直磁性层部分810d保持在相同的宽度方向位置。因此，未对准磁场传感器820d的变化输出(由于平面多极磁体阵列800d的未对准)可以指示未对准，而未对准磁场传感器820d的恒定输出(由于平面多极磁体阵列800d的正确对准)可以指示正确对准并用于校正815d信号输出。
在一些示例中，如果圆柱形多极磁体阵列附接到已损坏或磨损的旋转轴，则旋转轴可围绕与中心轴线不对准的轴线旋转，轴被配置为围绕该中心轴线旋转。在这种情况下，圆柱形多极磁体阵列可以表现出偏轴未对准运动(例如，章动运动)。该偏轴运动可以由偏轴未对准磁场传感器测量，该偏轴未对准磁场传感器可以输出指示该偏轴运动的电信号。然后可以使用偏轴未对准磁场传感器的测量值来校正角度磁场传感器的测量值。通过考虑任何偏轴未对准，可以将由偏轴未对准磁场传感器获取的测量值与角度磁场传感器的测量值相结合以提供圆柱形多极磁体阵列的角旋转的更准确测量值。
在一些示例中，可以调整圆柱形径向多极磁体阵列的倾斜角以对于环形磁体的每个旋转产生N个周期，以便为通常使用旋转变压器的应用(如N极电动马达的控制)替换旋转变压器。
图9描绘了其中三个相邻磁性南北轨道具有倾斜角的示例性径向盘多极磁体阵列(类似于图7)的平面图，相邻磁性南北轨道被定向为盘旋形状并且具有不同盘旋度。单极径向盘多极磁体阵列900描绘了对应于“单极”设计的盘旋图案。如图所示，单极径向盘多极磁体阵列900具有三个相邻磁化轨道900a、900b、900c，其具有相同宽度w并且一些在围绕单极径向盘多极磁体阵列900顺(逆)时针移动时渐缩成无限小切片。当与磁感测探针相关联时，这种“单极”磁性设计图案可以对于每360°旋转提供一个周期性信号输出。
两极径向盘多极磁体阵列905描绘了对应于“两极”设计的盘旋图案。如图所示，两极径向盘多极磁体阵列905具有三个相邻磁化轨道900a、900b、900c，其具有相同宽度w并且在围绕两极径向盘多极磁体阵列905顺(逆)时针移动时渐缩成无限小切片。当与磁感测探针相关联时，这种“两极”磁性设计图案可以对于每360°旋转提供两个周期性信号输出。
四极径向盘多极磁体阵列910描绘了对应于“四极”设计的盘旋图案。如图所示，四极径向盘多极磁体阵列910具有四个相邻磁化轨道900a、900b、900c、900d，其具有相同宽度w并且在围绕四极圆柱形径向多极磁体阵列910顺(逆)时针移动时渐缩成无限小切片。当与磁感测探针相关联时，这种“四极”磁性设计图案可以对于每360°旋转提供三个周期性信号输出。
对于径向盘多极磁体阵列设计900、905和910中的每一个，盘旋的紧密度或倾斜角(其确定“极”的数量)可以被定制以对于径向盘多极磁体阵列的每个旋转产生N周期正弦信号。更一般地，在各种实施方案中，可以具体地调整具有外半径R的径向盘多极磁体阵列的节距角或倾斜角以便对于径向盘多极磁体阵列的每个旋转产生N个周期。已调整的盘旋节距角θN用于对于具有带恒定磁极宽度w的至少三个相邻磁极的径向盘多极磁体阵列的每360度旋转产生正弦电信号的N个周期P。将生成N个周期P的角度θN由下式给出：
Figure GDA0003687764790000141
径向盘多极磁体阵列可以被配置为替代旋转变压器以用于控制N极电动马达。例如，具有四极(N＝4)的电动马达可以使用四极圆柱形径向多极磁体阵列来对于每个旋转产生4个周期。在另一个示例中，具有十六极(N＝16)的电动马达可以使用十六极圆柱形径向多极磁体阵列来对于每个旋转产生16个周期。在这个意义上，圆柱形径向多极磁体阵列的极数可以有利地适合于具有特定极数的特定类型的电动马达。
在一些示例中，两个附加同心南北轨道可以位于轴向(或径向)磁化环的内半径和/或外半径上。附加磁场传感器可以定位在两个附加轨道的中间，以便测量由于老化或堆叠公差而导致的任何偏轴未对准。该附加磁场传感器的测量值可以用于相应地校正传感器信号的输出(例如，以解决偏轴未对准)。在一些示例中，在“轴向设计”(参见例如，图1和图8C)和“平面设计”(参见例如，图8D)的情况下，还可以应用两个非倾斜南北轨道的添加。
图10描绘了示例性动力控制转向系统的剖视图以及示例性动力转向监测和控制系统的框图。例如，机械系统1000用于控制汽车中的车轮的转向。机械系统1000连接到动力转向监测和控制系统1005。
机械系统1000包括转向管柱1010。转向管柱1010可以可操作地耦接至例如汽车(未示出)的方向盘。固定地耦接到转向管柱1010的是圆柱形径向多极磁体阵列1015，其在构造上类似于图8A中的第一圆柱形径向多极磁体阵列800a(例如，其包括盘旋磁性层部分1015a(对应于805a)和同心南北极层部分1015b(对应于810a))。在一些示例中，当用户转动汽车的方向盘时，该转动可以在转向管柱1010上施加旋转运动，这也导致圆柱形径向多极磁体阵列1015的旋转。
机械系统1000中还包括转向轴1020。转向管柱1010和转向轴1020经由扭力杆1025可操作地彼此耦接。转向轴1020在远端处具有小齿轮1030。小齿轮1030被配置为驱动连接到汽车的车轮(未示出)的齿条1035。转向轴1020包括蜗轮1040。蜗轮1040由具有蜗杆1048的马达1045驱动。
由角度磁场传感器1050a经由检测由盘旋磁性层部分1015a的旋转引起的变化磁场来测量圆柱形径向多极磁体阵列1015的旋转。偏轴未对准磁场传感器1050b测量由同心南北极层部分1015b产生的磁场。例如，如果不存在圆柱形径向多极磁体阵列1015的轴向未对准，则当圆柱形径向多极磁体阵列1015旋转时，偏轴未对准磁场传感器1050b的输出信号将不会变化(例如，其将是恒定的)。然而，如果存在圆柱形径向多极磁体阵列1015的轴向未对准，则当圆柱形径向多极磁体阵列1015旋转时，偏轴未对准磁场传感器1050b的输出信号将会变化。该变化输出信号用于校正由轴向未对准引起的角度磁场传感器1050a的输出信号中的任何伪影。
相对于动力转向监测和控制系统1005，来自磁场传感器1050a和1050b的输出信号分别被传输到第一信号处理模块1055a和第二信号处理模块1055b。信号处理模块1055a和1055b对来自磁场传感器1050a和1050b的相应输出信号执行各种信号处理功能。例如，信号处理模块1055a和155b可以执行随机滤波、采样、数字信号处理、统计操作、频谱分析、时频/序列分析、阈值处理、数模(D/A)转换、模数转换(D/A)转换和/或数据转换。在一些实施方案中，信号处理模块1055a和155b可以将从其相应磁场传感器1050a和1050b接收的模拟信号转换成数字信号。
来自磁场传感器1050a和1050b的输出信号在分别由信号处理模块1055a和1055b处理之后被转发到微控制器1060。微控制器1060耦接到随机存取存储器(RAM)1065。微控制器1060还耦接到非易失性存储器(NVM)1070，其包含在由微控制器1060执行时致使微控制器执行各种程序功能的程序指令。例如，NVM 1070可以包括用于偏轴补偿算法1070a的程序指令。偏轴补偿算法1070a可以将来自信号处理模块1055a和1055b的已处理信号作为输入，并且校正圆柱形径向多极磁体阵列1015的任何偏轴未对准。例如，偏轴补偿算法1070a可以致使微控制器1060从角度磁场传感器1050a的输出信号中减去偏轴未对准磁场传感器1050b的输出信号以生成已校正的旋转信号(即考虑任何轴向未对准)。然后，微控制器1060可以使用已校正的旋转信号来控制马达1045。
耦接到微控制器1060的是第三信号处理模块1075，其执行类似于信号处理模块1055a和155b的各种信号处理功能。马达1045耦接到第三信号处理模块1075，使得马达1045从微控制器1060接收命令指令。
在示例性示例中，由微控制器1060计算的已校正旋转信号可以被转发到第三信号处理模块1075，该第三信号处理模块可以将已校正旋转信号从数字信号转换成模拟信号。然后可以将该模拟信号提供给马达1045以控制马达1045的各种操作参数。例如，来自角度磁场传感器1050a的正弦输入信号(作为用户顺时针和逆时针连续转动方向盘的结果)可以被转变成到马达1045的正弦控制输出信号。该正弦控制输出信号可以致使蜗杆1048以正弦形式顺时针和逆时针旋转，从而转变成连接到齿条1035的车轮在向右转和向左转之间振荡。在这个意义上讲，车辆的动力转向系统使用机械系统1000以及动力转向监测和控制系统1005来运行。
虽然已参照附图描述了各种实施方案，但其他实施方案也是可能的。例如，圆柱形磁体阵列可以具有中空圆柱体的形状。中空圆柱体设计可以允许将圆柱形磁体阵列附接到轴。在一些实施方案中，圆柱形磁体阵列可以具有封闭圆柱体的形状。封闭圆柱体设计可以有利地允许圆柱形磁体阵列中的更多磁性层。
在各种实施方案中，磁场传感器/磁场探针可不限于特定类型的磁场传感器。例如，磁场传感器可以是以下类型的磁场传感器中的任一种：霍尔效应传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管、各向异性磁阻(AMR)磁力计、巨磁阻(GMR)磁力计、磁隧道结磁力计、磁光传感器、基于洛伦兹力的微机电系统(MEMS)传感器、基于电子穿隧的MEMS传感器、MEMS罗盘、核子旋进磁场传感器、光泵浦磁场传感器、磁通门磁力仪、探测线圈磁场传感器、磁阻传感器、隧道磁阻(TMR)传感器，或超导量子干涉(SQUID)磁强计。在一些示例中，在部署多于一个磁场传感器的情况下，它们可以具有不同类型。例如，如果使用两个磁场传感器来检测磁性阵列的移动，则一个传感器可以是AMR磁力计，而另一个可以是霍尔效应传感器。
在一些示例中，磁场传感器可以包括两个交错或重叠的磁阻(MR)惠斯通电桥传感器。两个MR桥传感器可以相对于彼此偏移45度。测量这两个MR桥传感器的差分信号(经由比较器或运算放大器)可以有利地产生单独的正弦信号和余弦信号(例如，相移90度的信号)。由相对于彼此倾斜45度的两个MR桥产生的周期性正弦和余弦信号输出可以是MR桥在多极磁阵列(例如，线性轨道或多极环形磁体)上方的相对移动的结果。这些正弦信号和余弦信号可以允许提取多极磁阵列的角度、速度、方向和线性位置(例如，使用反正切函数来提取位置信息)。在一些示例中，在多极磁阵列上方的磁场传感器在x方向上的位移可以对于每磁极长度P(一个周期)生成周期性正弦信号输出。多极磁体阵列和磁场传感器之间的气隙可以在P/2和P/4之间以最小化正弦信号失真。例如，两个MR桥可以具有分别由Y1＝cos(2πX/P)和Y2＝sin(2πX/P)限定的周期性输出。
在一些实施方案中，磁场传感器相对于以角度θ倾斜的多极磁体阵列的线性位移可以生成具有周期P的正弦信号，该周期P可以取决于θ的值。因此，两个MR桥可以通过使用磁极宽度为w的周期性多极磁阵列来生成正弦信号和余弦信号，其中信号周期为：
Figure GDA0003687764790000181
通过在磁场传感器的位移与相邻磁极的方向之间引入角度θ。这可以在将磁场传感器与多极磁轨道之间的气隙保持在w/2与w/4之间的同时进行，以便最小化正弦信号失真。在各种实施方案中，磁场传感器可以是静止的，而多极磁体阵列可以处于运动。磁场传感器可以替代地处于运动，而多极磁体阵列可以是静止的。
在各种示例中，磁场传感器可以是各向异性磁阻(磁场)传感器。此类传感器可能对平行于磁场传感器所处平面的磁场敏感。此类传感器可以检测磁场的角度，但无法区分磁场极性。
图1、图2、图4A-4C，图6A和图8C所示的实施方案可以被称为用于多极磁体阵列的“轴向设计”、“圆柱形设计”或“螺旋设计”。图6B、图7、图8A-8B、图9和图10所示的实施方案可以被称为用于多极磁体阵列的“径向设计”、“盘设计”或“盘旋设计”。例如，轴向设计和径向设计可以有利地安装到马达的旋转轴。图3、图5A-5C和图8D所示的实施方案可以被称为用于多极磁体阵列的“平面设计”。平面设计可以有利地集成到位于组装线上的平坦轨道中以用于监测组装线移动的速度。
一些实施方案可以包括适于作为旋转变压器的替代品以检测旋转轴位置的设备。在一些实施方案中，圆柱形磁体可以具有旋转对称中心轴线和单独磁化层，单独磁化层中的每一层邻近至少一个相反磁化层。单独磁化层可以绕旋转对称中心轴线卷绕，使得单独磁化层中的每一层根据围绕旋转对称中心轴线的径向角α相对于旋转对称中心轴线单调设置。
在各种示例中，至少一个磁场传感器可以被配置为响应于圆柱形磁体和至少一个磁场传感器之间的相对运动而检测变化磁场。至少一个磁场传感器可以被配置为输出指示圆柱形磁体和至少一个磁场传感器之间的相对运动的运动信号。至少一个磁场传感器可以包括相对于彼此旋转45度并靠近圆柱形磁体设置的两个MR桥，使得当圆柱形磁体相对于磁场传感器以恒定角速度旋转时，两个MR桥中的一个MR桥产生正弦信号并且两个MR桥中的另一个MR桥产生余弦信号。
在一些示例中，当圆柱形磁体围绕旋转对称中心轴线旋转时，连续单独磁化层的移动可以相对于至少一个磁场传感器成大于零度且小于90度的平移角θ。单独磁化层中的每一层可以具有为p的宽度，使得正弦信号和余弦信号可以对于圆柱形磁体每个旋转具有为P＝p/cos(θ)的周期。
在一些实施方案中，至少一个磁场传感器可以从磁体的中心和旋转对称中心轴线径向地设置，使得至少一个磁场传感器被设置成靠近圆柱形磁体的外周边。在各种示例中，至少一个磁场传感器可以从圆柱形磁体的中心和旋转对称中心轴线径向和轴向地设置，使得至少一个磁场传感器被设置成靠近圆柱形磁体的顶表面。
在一些示例中，单独磁化层可以相对于旋转对称中心轴线以径向盘旋定向，使得单独磁化层中的每一层被设置为与旋转对称中心轴线相距根据围绕旋转对称中心轴线的增加的径向角α而增加的径向距离。盘磁体的顶表面可以具有与旋转对称中心轴线基本同心的磁场线。一些示例可以包括与盘磁体集成在一起的同心南北盘磁体。
在各种实施方案中，单独磁化层可能以具有与旋转对称中心轴线对准的螺旋轴线的螺旋定向，使得单独磁化层中的每一层围绕螺旋轴线逐渐盘绕，作为沿着螺旋轴线的轴向位移dz的增加函数。盘磁体的外表面可以具有基本正交于旋转对称中心轴线的磁场线。
用于测量可移动设备相对于固定设备的位置的位置测量系统可以包括二维(2D)表面磁体阵列，其中相邻磁化轨道具有顺序交替的磁极性，每个磁化轨道具有恒定宽度w。用于测量可移动设备相对于固定设备的位置的位置测量系统可以包括靠近2D表面磁体阵列定位并相对于该磁体阵列维持恒定气隙的至少一个磁场传感器。在一些示例中，2D表面磁体阵列和至少一个磁场传感器可以处于特定相对定向，使得至少一个磁场传感器的相对轨迹被配置为相对于2D表面磁体阵列的至少三个相邻磁化轨道的长度方向成倾斜锐角θ。响应于沿着相对轨迹的相对移动，至少一个磁场传感器可以被配置为生成周期性位置信号，该周期性位置信号的周期Pθ至少部分地取决于宽度w和倾斜锐角θ。在各种示例中，2D表面磁体阵列可以具有两个或更多个相邻磁化轨道。在一些实施方案中，至少一个磁场传感器可以能够感测由至少两个(或至少三个)相邻磁化轨道生成的磁场。在各种示例中，2D表面磁体阵列可以具有两个或更多个磁化带，其导致三个或更多个磁化轨道。
在一些实施方案中，响应于沿着相对轨迹的相对移动，至少一个磁场传感器可以被配置为生成周期性位置信号，该周期性位置信号的周期Pθ根据下式至少部分地取决于宽度w和倾斜锐角θ：
Figure GDA0003687764790000201
其中a＝1或a＝2，
其中a＝1覆盖其中磁场传感器(例如，磁探针)对于每磁极(例如，单个北极或南极)输出一个周期的情况，并且a＝2覆盖其中磁场传感器对于每个磁极对(例如，包括北极和南极的一对磁极)输出一个周期的情况。取决于所使用的磁场传感器的类型，磁场传感器可以对于每个北极或南极输出一个周期，或者对于每个北极/南极对输出一个周期。例如，磁阻磁探针可以对于每个北极或南极输出一个周期(意味着用于跨过北极的一个周期，然后是用于跨过南极的另一个的周期)。在一些示例中，霍尔效应磁探针可以对于每个磁极对输出一个周期(意味着用于跨过组合的南/北极对的一个周期)。不同的周期性输出可以是给定磁场传感器的特定特性的结果。例如，TMR或霍尔效应传感器可以能够区分北极和南极，并且可以在其跨过南/北极对时产生单个周期，而AMR传感器可以在其跨过南/北极对时提供两个周期(例如，一个周期跨过北极，然后另一个周期跨过南极)。
实施方案的一些方面可以实现为计算机系统。例如，各种实施方式可以包括数字电路和/或模拟电路、计算机硬件、固件、软件、或它们的组合。可以在有形地体现在信息载体中(例如，机器可读存储设备)的计算机程序产品中实现装置元件，以用于由可编程处理器执行；并且可以通过以下方式来执行方法：可编程处理器执行指令程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行各种实施方案的功能。一些实施方案可以有利地在可编程系统上可执行的一个或多个计算机程序中实现，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，该至少一个可编程处理器经耦接以从数据存储系统、至少一个输入设备和/或至少一个输出设备接收数据和指令，并将数据和指令传输到数据存储系统、至少一个输入设备和/或至少一个输出设备。计算机程序是一组指令，该指令可以直接或间接地在计算机中用以执行某种活动或产生某种结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言写入，包括编译或解译语言，并且该计算机程序可以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或其他适用于计算环境中的单元。
用于执行指令程序的合适的处理器包括作为示例而非限制，通用微处理器和专用微处理器两者，所述微处理器可以包括任何类型的计算机的单个处理器或多个处理器中的一个处理器。一般来讲，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，包括(以举例的方式)半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存存储器设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可由ASIC(专用集成电路)补充或结合到ASIC中。在一些实施方案中，处理器和构件例如可以由硬件可编程设备(诸如FPGA)补充或结合到硬件可编程设备中。
在一些实施方式中，每个系统可以用相同或类似的信息编程和/或用存储在易失性存储器和/或非易失性存储器中的基本上相同的信息初始化。例如，一个数据接口可以被配置为在耦接到适当的主机设备(诸如台式计算机或服务器)时执行自动配置、自动下载和/或自动更新功能。
在一些实施方式中，一个或多个用户界面特征可被定制配置为执行特定功能。示例性实施方案可以在包括图形用户界面和/或互联网浏览器的计算机系统中实现。为了提供与用户的交互，一些实施方式可以在计算机上实现，所述计算机具有显示设备(诸如用于向用户显示信息的LCD(液晶显示器)监测器)、键盘和指向设备(诸如鼠标或轨迹球)，用户可以通过所述键盘和指向设备向计算机提供输入。
在各种实施方式中，系统可使用合适的通信方法、设备和技术来进行通信。例如，系统可以使用点对点通信与兼容设备(例如，能够向系统和/或从系统传输数据的设备)通信，其中消息通过专用物理链路(例如，光纤链路、红外链路、超声波链路、点对点布线、菊花链)直接从源传输到接收器。系统的部件可通过任何形式或介质的模拟数据通信或数字数据通信交换信息，包括通信网络上的基于分组的消息。通信网络的示例包括例如LAN(局域网)、WAN(广域网)、MAN(城域网)、无线网络和/或光学网络，以及形成互联网的计算机和网络。其他实施方式可以通过广播向通过通信网络耦接在一起的所有或基本上所有设备来输送消息，例如通过使用全向射频(RF)信号。其他实施方式可以输送以高方向性为特征的消息，诸如使用定向(即，窄波束)天线传输的RF信号或可以可选地与聚焦光学器件一起使用的红外信号。还可以使用适当的接口和协议来实现其他实施方式，所述适当的接口和协议为诸如作为示例而非旨在限制：USB2.0、火线、ATA/IDE、RS-232、RS-422、RS-485、802.11a/b/g/n、Wi-Fi、WiFi-Direct、Li-Fi、蓝牙、以太网、IrDA、FDDI(光纤分布式数据接口)、令牌环网络，或基于频率、时间或码分的多路复用技术。一些实施方式可以可选地包括特征，诸如用于数据完整性的错误检查与校正(ECC)，或者安全措施诸如加密(例如，WEP)和密码保护。
在各种实施方案中，计算机系统可以包括非暂态存储器。存储器可连接到一个或多个处理器，该一个或多个处理器可被配置用于编码数据和计算机可读指令，包括处理器可执行程序指令。数据和计算机可读指令可以是一个或多个处理器可访问的。处理器可执行程序指令在由一个或多个处理器执行时可以致使一个或多个处理器执行各种操作。
在各种实施方案中，计算机系统可以包括物联网(IoT)设备。IoT设备可以包括嵌入有电子器件、软件、传感器、致动器和网络连接性的物体，该电子器件、软件、传感器、致动器和网络连接性使这些对象能够收集和交换数据。IoT设备可以通过将数据通过接口发送到另一个设备来与有线设备或无线设备一起使用。IoT设备可收集有用的数据，并且然后自主地使数据在其他设备之间流动。
已经描述了多个实施方式。然而，应当理解可进行各种修改。例如，如果所公开的技术的步骤以不同的顺序执行，或者如果所公开的系统的部件以不同的方式组合，或者如果部件补充有其他部件，则可以实现有利的结果。因此，其他具体实施在以下权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种用于测量可移动设备相对于固定设备的位置的位置测量系统，所述位置测量系统包括：
二维(2D)表面磁体阵列(200,500a,700)，其中至少三个相邻磁化轨道具有顺序交替的磁极性，每个磁化轨道具有恒定宽度w；和
至少一个磁场传感器(225,515a,725)，所述至少一个磁场传感器靠近所述2D表面磁体阵列(200,500a,700)设置并且相对于其维持恒定气隙，
其中所述2D表面磁体阵列(200,500a,700)和所述至少一个磁场传感器(225,515a,725)处于特定相对定向，使得所述至少一个磁场传感器(225,515a,725)的相对轨迹被配置为相对于所述2D表面磁体阵列(200,500a,700)的所述至少三个相邻磁化轨道的长度方向成倾斜锐角θ，
其中所述相对轨迹包括所述2D表面磁体阵列相对于所述至少一个磁场传感器旋转，
其中所述2D表面磁体阵列包括具有外半径R的轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列(200)，
其中响应于沿着所述相对轨迹的相对移动，所述至少一个磁场传感器(225,515a,725)被配置为生成周期性位置信号，所述周期性位置信号具有周期Pθ，所述周期Pθ根据下式至少部分地取决于所述宽度w和所述倾斜锐角θ：
Figure FDA0003687764780000011
其中a＝1或a＝2，
其中所述倾斜锐角θ被设置成使得所述至少一个磁场传感器被配置为基于以下公式对于所述轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列(200)的每360°旋转生成所述周期性位置信号的N个周期：
Figure FDA0003687764780000012
其中θN是生成N个周期的角度。
2.根据权利要求1所述的位置测量系统，其中所述2D表面磁体阵列是具有外半径R的径向盘状盘旋多极磁体阵列(700)。
3.根据权利要求1所述的位置测量系统，还包括具有内座圈(615)和外座圈(620)的轴承(610)，其中所述2D表面磁体阵列固定地耦接到所述内座圈(615)和所述外座圈(620)中的一者，并且所述至少一个磁场传感器固定地耦接到所述内座圈(615)和所述外座圈(620)中的另一者。
4.根据权利要求1所述的位置测量系统：
其中所述2D表面磁体阵列还包括：
圆形堆叠南北磁化轨道(810c)，所述圆形堆叠南北磁化轨道具有与所述轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列(200,805c)共同的中心轴线，并且
其中所述至少一个磁场传感器包括：
位置磁场传感器(815c)，所述位置磁场传感器设置在所述轴向圆柱形螺旋多极磁体阵列(200,805c)的侧表面上方；和
轴向未对准磁场传感器(820c)，所述轴向未对准磁场传感器设置在所述圆形堆叠南北磁化轨道(810c)的侧表面上方。
5.根据权利要求2所述的位置测量系统，其中所述倾斜锐角θ被设置成使得所述至少一个磁场传感器被配置为基于以下公式对于所述径向盘状盘旋多极磁体阵列(700)的每360°旋转生成所述周期性位置信号的N个周期：
Figure FDA0003687764780000021
6.根据权利要求2所述的位置测量系统，还包括具有内座圈(615)和外座圈(620)的轴承(610)，其中所述2D表面磁体阵列固定地耦接到所述内座圈(615)和所述外座圈(620)中的一者，并且所述至少一个磁场传感器固定地耦接到所述内座圈(615)和所述外座圈(620)中的另一者。
7.根据权利要求2所述的位置测量系统：
其中所述2D表面磁体阵列还包括：
圆形同心南北磁化轨道(810a,810b)，所述圆形同心南北磁化轨道具有与所述径向盘状盘旋多极磁体阵列(700,805a,805b)共同的中心轴线，并且
其中所述至少一个磁场传感器包括：
位置磁场传感器(815a,815b)，所述位置磁场传感器设置在所述径向盘状盘旋多极磁体阵列(700,805a,805b)的顶表面上方；和
径向未对准磁场传感器(820a,820b)，所述径向未对准磁场传感器设置在所述圆形同心南北磁化轨道(810a,810b)的顶表面上方。
8.根据权利要求1所述的位置测量系统，其中所述相对轨迹包括所述2D表面磁体阵列相对于所述至少一个磁场传感器平移。
9.根据权利要求8所述的位置测量系统，其中所述2D表面磁体阵列包括具有长度L的平面多极磁体阵列(500a,500b,500c)。
10.根据权利要求9所述的位置测量系统，其中所述倾斜锐角θ被设置成使得所述至少一个磁场传感器被配置为基于以下公式对于所述2D表面磁体阵列的所述长度L上方的每个位移生成所述周期性位置信号的N个周期：
Figure FDA0003687764780000031
11.根据权利要求9所述的位置测量系统：
其中所述2D表面磁体阵列还包括：
直堆叠南北磁化轨道(810d)，所述直堆叠南北磁化轨道平行于所述2D表面磁体阵列的所述长度L行进并且设置在所述平面多极磁体阵列(500a,500b,500c)上方，并且，
其中所述至少一个磁场传感器包括：
角度磁场传感器(815d)，所述角度磁场传感器设置在所述平面多极磁体阵列的顶表面上方；和
偏轴未对准磁场传感器(820d)，所述偏轴未对准磁场传感器设置在所述直堆叠南北磁化轨道(810d)的顶表面上方。
12.根据权利要求1所述的位置测量系统，其中所述至少一个磁场传感器包括相对于彼此倾斜45°的两个磁阻(MR)惠斯通电桥传感器，其彼此分开定位或彼此交错。
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