CN111164386B - 位置传感器以及用于位置感测和诊断的方法 - Google Patents

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Abstract

一种位置传感器，包括：至少一个磁敏元件(11‑14)；电流源(80)，其耦合到所述至少一个磁敏元件(11至14)并且被配置为向所述至少一个磁敏元件(11‑14)提供源电流(IS)；模数转换器(15)，其具有耦合到所述至少一个磁敏元件(11‑14)的输入；位置计算单元(16)，其耦合到模数转换器(15)的输出并且包括用于提供位置信号(SP)的第一输出(17)；以及诊断单元(40)，其包括耦合到电流源(IS)的输出(41)，并且被配置为在诊断单元(40)的输出(41)处根据激励模式提供激励信号(STI)。

Description

位置传感器以及用于位置感测和诊断的方法
本公开涉及一种位置传感器以及一种用于位置感测和诊断的方法。
位置传感器通常实现为磁性位置传感器。一种装置可以包括磁体和位置传感器。磁体的磁场由位置传感器检测。然而，由位置传感器能够检测到的磁场输入可能减小，例如经过磁体在其寿命期间的老化。因此，在位置传感器处的磁场输入变得更小。这可能导致位置传感器生成的位置信号的精度降低。
本发明的目的是提供一种位置传感器和一种具有自检功能的位置感测和诊断的方法。
该目的通过独立权利要求的主题解决。在从属权利要求中定义了进一步的实施例和改进。
除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。
在一个实施例中，位置传感器包括至少一个磁敏元件和电流源，该电流源耦合到所述至少一个磁敏元件并且被配置为向所述至少一个磁敏元件提供源电流。此外，位置传感器包括：模数转换器，该模数转换器具有耦合到所述至少一个磁敏元件的输入；以及位置计算单元，该位置计算单元耦合到模数转换器的输出并且包括用于提供位置信号的第一输出。此外，位置传感器包括诊断单元，该诊断单元包括耦合到电流源的输出并且被配置为在诊断单元的输出处根据激励模式提供激励信号。
在一个实施例中，位置计算单元包括用于提供幅度信号的第二输出。
有利地，源电流取决于激励信号。因此，能够测试激励信号对位置信号和/或幅度信号的影响。位置传感器执行自检。测试的结果能够用于优化位置传感器的精度。可以自动启动自测，例如以预定频率启动自测。
在一个实施例中，位置传感器包括比较单元，该比较单元在其输入侧耦合到位置计算单元的第二输出。比较单元可以将幅度信号与激励模式进行比较，并且可以根据幅度信号与激励模式的比较来生成诊断信号。仅当幅度信号遵循激励模式时，诊断信号才会指示位置传感器的正确工作。
可替代地，位置传感器包括比较单元，该比较单元在其输入侧耦合到位置计算单元的第一输出。比较单元可以将位置信号与激励模式进行比较，并且可以根据位置信号和激励模式的比较来生成诊断信号。仅当位置信号遵循激励模式时，诊断信号才会表明位置传感器的正确工作。例如，在位置传感器仅包括一个磁敏元件的情况下，可选的幅度信号可以与位置信号相同。在这种情况下，可以省略计算单元的第二输出以及生成幅度信号。诊断可以基于位置信号。
在一个实施例中，位置传感器包括增益控制单元，该增益控制单元在第一输入处耦合到位置计算单元的第一输出和/或第二输出，并且在输出处耦合到电流源。增益控制单元根据幅度信号和/或位置信号与目标信号的比较，在增益控制单元的输出处生成增益控制信号。
在一个实施例中，源电流取决于增益控制信号。如果幅度信号和/或位置信号高于目标信号，则源电流减小。如果幅度信号和/或位置信号小于目标信号，则源电流增加。源电流可以具有第一上限。源电流只能通过增益控制信号增加到上限。因此，即使增益控制信号表明幅度信号小于目标信号，源电流也不会增加到第一上限之上。
在一个实施例中，位置传感器包括升压单元，该升压单元在输出处耦合到电流源。在增益控制信号在第一范围内和/或幅度信号在第二范围内和/或位置信号在第三范围内的情况下，升压单元在升压单元的输出处生成升压信号。否则，升压信号为零。可选地，例如升压信号或激励信号之类的其他信号可以导致源电流的增加在第一上限之上。仅当增益控制信号在第一范围内和/或幅度信号在第二范围内和/或位置信号在第三范围内时，升压单元才生成高于零的升压信号；在这种情况下，由磁体产生的磁场是弱的。
在一个实施例中，升压单元提供关于由所述至少一个磁敏元件接收的磁场是否太弱的信息。
在一个实施例中，位置传感器包括数模转换器，该数模转换器包括耦合到增益控制单元的输出、升压单元的输出和诊断单元的输出中的至少一个的输入，并且包括耦合到电流源的输出。
在一个实施例中，所述至少一个磁敏元件实现为霍尔元件。源电流流过霍尔元件。
在一个实施例中，位置传感器包括模拟前端电路。模拟前端电路包括斩波缓冲器，该斩波缓冲器在其输入侧耦合到所述至少一个磁敏元件。此外，模拟前端电路可以包括滤波器，该滤波器在其输入侧耦合到斩波缓冲器的输出侧，并且在其输出侧耦合到模数转换器。
在一个实施例中，位置传感器包括数字电路，该数字电路包括斩波器单元和数字滤波器，该斩波器单元在其输入侧耦合到模数转换器的输出侧，该数字滤波器在其输入侧耦合到斩波器单元的输出侧并且在其输出侧耦合到位置计算单元。
在一个实施例中，位置传感器包括偏移补偿单元和补偿数模转换器，该偏移补偿单元在其输入侧耦合到模数转换器的输出侧，该补偿数模转换器在其输入侧耦合到偏移补偿单元并且在其输出侧耦合到模数转换器的输入侧。
在一个实施例中，一种用于位置感测和诊断的方法，包括：
-向至少一个磁敏元件提供源电流，
-通过至少一个磁敏元件生成至少一个模拟传感器信号，
-将至少一个模拟传感器信号或从至少一个模拟传感器信号派生的信号转换为数字传感器信号，
-根据数字传感器信号或从数字传感器信号派生的信号来计算位置信号，以及
-根据激励信号来控制源电流，所述激励信号是根据激励模式而提供的。
在一个实施例中，另外根据数字传感器信号或从数字传感器信号派生的信号来计算幅度信号。
在一个实施例中，将幅度信号和/或位置信号与激励模式进行比较，并且根据幅度信号和/或位置信号与激励模式的比较来生成诊断信号。激励模式是预定模式。例如，激励模式是至少N个值的序列，其中N可以是2、3、4或大于4的整数。因此，位置传感器执行用于诊断的步骤。
在一个实施例中，将幅度信号和/或位置信号与目标信号进行比较，并且源电流根据增益控制信号设置，该增益控制信号取决于幅度信号和/或位置信号与目标信号的比较。因此，位置传感器执行用于位置感测的步骤。
在一个实施例中，在增益控制信号在第一范围内和/或幅度信号在第二范围内和/或位置信号在第三范围内的情况下，源电流根据升压信号设置。因此，位置传感器执行用于位置感测和/或诊断的步骤。
在一个实施例中，源电流根据激励信号、增益控制信号和升压信号中的至少一个设置。源电流可以通过诊断阶段的激励信号、通过升压阶段的升压信号以及通过工作阶段的增益控制信号来设置。诊断阶段是测试阶段。在诊断阶段期间，位置传感器处于诊断工作模式。升压阶段可以是测试阶段或可替代地工作阶段。因此，在工作阶段，位置传感器执行用于位置感测的步骤。在诊断阶段，位置传感器执行用于诊断的步骤。在升压阶段，位置传感器执行用于诊断和/或位置感测的步骤。
在一个示例中，在诊断阶段，源电流根据激励信号和恒定的增益控制信号设置，其中，升压信号为零。在升压阶段，源电流根据升压信号和恒定的增益控制信号设置，其中，激励信号为零。增益控制信号可以在升压阶段期间处于其上限。在工作阶段，源电流根据增益控制信号设置，其中升压信号和激励信号为零。
因此，所述用于位置感测和诊断的方法能够被称为一种具有诊断的位置感测方法或一种用于位置传感器的诊断的方法，或者简称为一种用于位置感测的方法。
所述用于位置感测和诊断的方法可以例如由根据以上定义的实施例中的一个的位置传感器来实施。
在一个实施例中，位置传感器被实施为磁性位置传感器集成电路，其在闭环中实现升压自动增益控制和诊断。自动增益控制能够缩写为AGC。因此，磁性位置传感器对于磁体老化不敏感。即使在磁体的磁场输入减小的情况下(整个寿命期间)，系统精度在整个寿命期间也是稳定的。由于机械原因、温度循环等原因，磁场输入的寿命可能会减小。然而，输出精度不会降低。利用AGC诊断升压，传感器精度不依赖于弱磁场输入。
在一个实施例中，位置传感器通过与目标值(升压目标)进行比较来执行磁场强度的检测。如果该值低于目标信号，则DC电流将静态添加(AGC升压)。这样在不增加调节环路中部件性能的情况下实现完全的精度。另外，能够将弱磁用信号发送到控制单元，该控制单元可以连接到位置传感器。为了调查调节回路的功能和性能，将在AGC升压单元上频繁使用激励模式。将输出与目标模式进行比较，以检测位置传感器或具有位置传感器的装置的不良行为。
有利地，位置传感器实现了高功能安全性。位置传感器实现了高的汽车安全完整性等级，在安全相关应用中简称为ASIL。利用AGC升压诊断，磁性位置传感器在应用中使用了磁体，并且仅利用一个安全机制来验证完整的闭环。另外，AGC升压诊断还验证整个系统。如果机械装置或磁体有问题，则AGC升压诊断将检测到此问题。
以下对实施例的附图的描述可以进一步说明和解释位置传感器以及用于位置感测和诊断的方法的方面。具有相同结构和相同效果的器件和电路部件分别以等效的附图标记显示。就器件或电路部件在不同附图中的功能上彼此对应而言，以下各图中描述不再重复。
图1A至1D示出了位置传感器的实施例；
图2A至图2C示出了位置传感器的细节的实施例；以及
图3示出了包括电机和位置传感器的装置的实施例。
图1A示出了位置传感器10的实施例，其包括至少一个磁敏元件11、模数转换器15和位置计算单元16。位置传感器10实现为磁性位置传感器。模数转换器15能够缩写为AD转换器。AD转换器15耦合到至少一个磁敏元件11。位置计算单元16在其输入侧耦合到AD转换器15的输出侧。位置计算单元16包括第一输出和第二输出17、18。位置计算单元16的第一输出17耦合到位置传感器10的端子19。端子19可以实现为接口、一个接触垫或多个接触垫。
位置传感器10不仅可以包括能够被称为第一磁敏元件的至少一个磁敏元件11，还可以包括第二磁敏元件、第三磁敏元件和第四磁敏元件12至14。传感器阵列20包括第一磁敏元件11至第四磁敏元件14。第一磁敏元件11至第四磁敏元件14以一种规则的方式被布置在传感器阵列20中。例如，第一磁敏元件11至第四磁敏元件14位于圆21上。第一磁敏元件11至第四磁敏元件14可以位于圆21的0°、90°、180°和270°处。第一磁敏元件11至第四磁敏元件14可以实现为霍尔元件。因此，传感器阵列20可以实现为霍尔传感器阵列。
位置传感器10包括另外的模数转换器22，简称为另外的AD转换器。另外的AD转换器22在其输出侧耦合到位置计算单元16的输入侧。AD转换器15和另外的AD转换器22在它们的输入侧耦合到传感器阵列20。因此，两个AD转换器15、22在它们的输入侧耦合到第一磁敏元件11至第四磁敏元件14。位置传感器10包括模拟前端电路23，该模拟前端电路将传感器阵列20耦合到两个AD转换器15、22。因此，模拟前端电路23将第一磁敏元件11至第四磁敏元件14耦合到AD转换器15和另外的AD转换器22。
另外，位置传感器10包括增益控制单元30，该增益控制单具有耦合到位置计算单元18的第二输出18的第一输入31。增益控制单元30的输出33连接到传感器阵列的输入。因此，增益控制单元30的输出33耦合到第一磁敏元件11至第四磁敏元件14。增益控制单元30可以实现为自动增益控制单元。
所述至少一个磁敏元件11生成至少一个模拟传感器信号S1。因此，第一磁敏元件11生成第一模拟传感器信号S1。模拟前端电路23根据至少一个模拟传感器信号S1生成第一派生传感器信号SD1。所述至少一个模拟传感器信号S1经由模拟前端电路23提供给AD转换器15。AD转换器15将第一派生传感器信号SD1转换为第一数字传感器信号SDS1。第一数字传感器信号SDS1被提供给位置计算单元16。
位置计算单元16在位置计算单元16的第一输出17处生成位置信号SP。另外，位置计算单元16可以在位置计算单元16的第二输出18处生成幅度信号SM。根据第一数字传感器信号SDS1生成位置信号SP和幅度信号SM。位置信号SP和幅度信号SM是数字信号。
幅度信号SM被提供给增益控制单元30的第一输入31。目标信号ST被提供给增益控制单元30的第二输入32。目标信号ST可以实现为自动增益控制目标值。增益控制单元30根据幅度信号SM和目标信号ST的比较在输出33处生成增益控制信号SG。控制信号SF被提供给传感器阵列20，从而被提供给至少一个磁敏元件11。控制信号SF取决于增益控制信号SG。控制信号SF可以等于增益控制信号SG。
相应地，第二磁敏元件12至第四磁敏元件14生成第二模拟传感器信号S2至第四模拟传感器信号S4。第一模拟传感器信号S1至第四模拟传感器信号S4经由模拟前端电路23被提供给AD转换器15和另外的AD转换器22。模拟前端电路23接收四个信号，即第一模拟传感器信号S1至第四模拟传感器信号S4，并且生成第一派生信号SD1和第二派生信号SD2，这些派生信号被提供给AD转换器15和另外的AD转换器22。例如，模拟前端电路23根据第一模拟传感器信号S1和第三模拟传感器信号S3生成第一派生信号SD1，并且根据第二传感器信号S2和第四传感器信号S4生成第二派生信号SD2。
AD转换器15根据第一派生信号SD1生成第一数字传感器信号SDS1。另外的AD转换器22根据第二派生信号SD2生成第二数字传感器信号SDS2。第一派生传感器信号SD1和第一数字传感器信号SDS1可以包括传感器阵列20的正弦信息，而第二派生传感器信号SD2和第二数字传感器信号SDS2可以包括传感器阵列20的余弦信息。
位置计算单元16可以实现为CORDIC单元或CORDIC计算器。因此，位置计算单元16根据第一数字传感器信号SD1和第二数字传感器信号SD2并且因此根据由传感器阵列20生成的正弦信息和余弦信息来生成位置信号SP。位置信号SP包含位置信息，例如，角度信息。位置信号SP被提供给端子19。
位置计算单元16根据第一数字传感器信号SD1和第二数字传感器信号SD2生成幅度信号SM。
控制信号SF设置传感器阵列20的参数，从而设置至少一个磁敏元件11的参数。例如，如图2B和2C所示，控制信号SF设置提供给传感器阵列20从而提供给至少一个磁敏元件11的源电流IS的值。源电流IS被提供给第一磁敏元件11至第四磁敏元件14。
有利地，幅度信号SM保持在由目标信号ST确定的恒定值上。因此，通过增益控制信号SG以及因此的源电流IS的修正来平衡由未示出的磁体产生的磁场的减小。当幅度信号SM低于目标信号ST时，增益控制单元30增加增益控制信号SG；因此，源电流IS增加。相应地，在幅度信号SM高于目标信号ST的情况下，增益控制单元30减小增益控制信号SG。因此，源电流IS减小。
半导体本体(未示出)可以包括如图1A所示的位置传感器10。因此，半导体本体包括：传感器阵列20，模拟前端电路23，AD转换器15、22，位置计算单元16和增益控制单元30以及这些元件之间的连接线。
位置传感器10所包括的磁敏元件的数量可以是如图1A所示的4个，或1个、2个、3个或大于4个。
在可替代的未示出的实施例中，增益控制单元30的第一输入31连接到位置计算单元16的第一输出17。位置信号SP被提供给增益控制单元30的第一输入31。增益控制单元30根据位置信号SP和目标信号ST的比较在输出33处生成增益控制信号SG。因此，使用位置信号SP代替幅度信号SM。位置计算单元16的第二输出17可以被省略。类似地，在图1B至图1D和图2B的实施例中也可以是这种情况。
例如，如果仅使用一个磁敏元件11，则可以使用该实施例。同样在两个或更多个磁敏元件的情况下，可以将磁敏元件配置为仅计算位置信号SP而不计算幅度信号SM并且将位置信号SP用于确定控制信号SF。
图1B示出了位置传感器10的实施例，该实施例是图1A中示出的实施例的进一步改进。位置传感器10包括升压单元35，该升压单元具有耦合到位置计算单元16的第二输出18的第一输入36。升压单元35的输出38耦合到传感器阵列20，从而耦合到所述至少一个磁敏元件11。
幅度信号SM被提供给升压单元35的第一输入36。升压目标信号SBT被施加到升压单元35的第二输入37。升压单元35将幅度信号SM与升压目标信号SBT进行比较，并且根据比较在升压单元35的输出38处生成升压信号SBO。
根据增益控制信号SG和升压信号SBO生成控制信号SF。例如，控制信号SF是增益控制信号SG和升压信号SBO的和。
位置传感器10实现以下步骤：如果磁场输入减少到升压目标，则AGC升压单元35增加霍尔元件11至14中的传感器电流IS。因此，校正了用于角度计算的正余弦信号的幅度。位置信号SP的输出精度保持不变。在输出19处提供了磁体太弱的信息。该信息从包括位置传感器10的集成电路提供给控制机动车中的一个或更多个电气系统或子系统的电子控制单元(ECU)。有利地，系统中不需要进行计数器测量。系统中不需要额外的预通信软件。升压信息被提供给ECU；因此，表明了弱磁体。
在可替代的未示出的实施例中，升压单元35的第一输入36连接到位置计算单元16的第一输出17。位置信号SP被提供给升压单元35。升压单元35将位置信号SP与升压目标信号SBT进行比较，并且根据比较在升压单元35的输出38处生成升压信号SBO。因此，使用位置信号SP代替幅度信号SM。类似地，在图1D和2B的实施例中也可以是这种情况。
图1C示出了位置传感器10的另外的实施例，该另外的实施例是图1A和1B所示的实施例的进一步改进。位置传感器10包括诊断单元40。诊断单元40包括耦合到传感器阵列20从而耦合到所述至少一个磁敏元件11的输出41。诊断单元40包括耦合到位置计算单元16的第二输出18的第一输入42。
另外，位置传感器10包括比较单元44，该比较单元具有耦合到位置计算单元16的第二输出18的第一输入45。比较单元44的第二输入46耦合到诊断单元40的另外的输出47。可替代地，比较单元44的第二输入46可以耦合到诊断单元40的输出41。
诊断单元40在诊断单元40的输出41处生成激励信号STI。模式激励信号SPA被提供给诊断单元40的第二输入43。诊断单元40根据模式激励信号SPA来生成激励信号STI。根据增益控制信号SG和激励信号STI生成控制信号SF。例如，控制信号SF是增益控制信号SG和激励信号STI的和。在激励信号STI的生成期间，增益控制信号SG保持恒定。在这个可以称为诊断阶段的时间期间，激励信号STI控制施加到所述至少一个磁敏元件11的源电流IS。
如图2B所示，位置传感器10的控制单元104能够将位置传感器10设置为诊断工作模式。在诊断工作模式下，控制单元104激活诊断单元40。诊断单元40在诊断工作模式期间提供激励信号STI。在诊断工作模式期间，增益控制信号SG是恒定的。例如，增益控制信号SG具有为零的值。
幅度信号SM经由第一输入45被提供给比较单元44。比较单元44经由诊断单元40的输出41或另外的输出47与控制单元44的第二输入46之间的连接来接收关于激励模式的信息。例如，比较单元44经由上述连接来接收模式激励信号SPA、激励信号STI或从这两个信号派生的信号。
比较单元44在比较单元44的输出48处生成诊断信号SDA。诊断信号SDA由比较单元44根据激励模式和幅度信号SM的比较生成。在幅度信号SM遵循激励模式的情况下，诊断信号SDA具有第一逻辑值。在幅度信号SM与激励模式之间存在差异的情况下，诊断信号SDA具有第二逻辑值。第一逻辑值表明位置传感器10正确地工作，而第二逻辑值表明位置传感器10存在错误情况。因此，比较单元44执行安全比较。位置传感器10在端子19处提供诊断信号SDA。因此，位于包括位置传感器10的装置中的控制单元接收诊断信号SDA。
位置传感器10实现了将几个安全机制减少到仅一个机制。位置传感器10将磁体的磁场输入作为目标信息。定义的升压模式改变霍尔元件11至14中的传感器电流IS。由于改变的源电流IS，正余弦信息也随之改变。升压幅度信号SM的计算显示出与定义的升压模式相同的模式。执行模式的比较。回路中的任何问题都显示出模式激励与升压幅度SM之间的变化，并且由诊断信号SDA报告。因此，安全机制减少到最低，导致IC面积和常见原因问题减少。能够对霍尔阵列20，AD转换器15、22和数字部分16执行全面检查。能够对应用程序执行全面检查。诊断信号SDA将不仅表明集成电路中的问题，而且表明机械或磁体中的问题。
在可替代的未示出的实施例中，诊断单元40的第一输入42连接到位置计算单元16的第一输出17。位置信号SP被提供给诊断单元40。比较单元44的第一输入45连接到位置计算单元16的第一输出17。位置信号SP经由第一输入45被提供给比较单元44。诊断信号SDA由比较单元44根据激励模式与位置信号SP的比较来生成的。因此，使用位置信号SP代替幅度信号SM。类似地，在图1D和图2B的实施例中也可以是这种情况。
图1D示出了位置传感器10的另外的实施例，该另外的实施例是图1A至图1C所示的实施例的进一步改进。位置传感器10包括诊断单元40、增益控制单元30和升压单元35。位置计算单元16、诊断单元40、增益控制单元30、升压单元35和比较单元44可以通过逻辑门、状态机、微处理器或微控制器来实现。这些单元执行的工作可以由微处理器或微控制器使用的软件来实现。
有利地，位置传感器10解决了用于基于霍尔效应的角度(位置)感测的几个目标，因为位置传感器10通过添加DC电流来补偿磁体的老化并且减少了闭环配置中的安全机制的数量。因此，减少了工作期间的面积、测试时间和潜在误差。
图2A示出了位置传感器10的细节，其是图1A至图1D所示的实施例的进一步改进。位置传感器10还可以包括如上图所示的诊断单元40、增益控制单元30和/或升压单元35。图2A的焦点是传感器阵列20与端子19之间的链。AD转换器15可以实现为14位模数转换器。位置计算单元16包括数字信号处理器60。数字信号处理器60执行CORDIC计算。另外，位置计算单元16包括寄存器设置块62。
位置计算单元16的第二输出18或第一输出17或另一输出经由位置传感器10的自动增益控制块64耦合到模拟前端电路23的控制输入65。因此，幅度信号SM或位置信号SP或另一信号被提供给自动增益控制块64。自动增益控制块64生成施加到模拟前端23的反馈信号SFE。因此，能够通过提供给模拟前端电路23的反馈信号SFE和提供给电流源的增益控制信号SG来补偿弱磁场。
另外，位置传感器10包括输出接口68。输出接口68耦合到位置计算单元16，从而耦合到数字信号处理器60。输出接口68也耦合到端子19。因此，位置信号SP能够经由输出接口68被提供给端子19。
另外，位置传感器10包括参考电位端子72。能够在参考电位端子72处分接接地电位GND。位置传感器10包括耦合到参考电位端子72的高压保护电路73。此外，位置传感器10包括振荡器74。
图2B示出了位置传感器10的另外的实施例，该另外的实施例是图1A至图1D和图2A所示的实施例的进一步改进。位置传感器10包括电流源80。电流源80具有控制端子81。此外，电流源80具有耦合到至少一个磁敏元件11的输出82。因此，电流源80的输出82耦合到传感器阵列20。所以，电流源80的输出82耦合到第一磁敏元件11至第四磁敏元件14。
控制端子81包括第一输入83至第三输入85。此外，电流源80包括第一电流源电路86至第三电流源电路88。电流源80的控制端子81耦合到第一电流源电路86至第三电流源电路88的控制输入。因此，例如，第一输入83连接到第一电流源电路86的控制输入。第二输入84连接到第二电流源电路87的控制输入。第三输入85连接到第三电流源电路88的控制输入。第一电流源电路86至第三电流源电路88将电流源80的输出82耦合到参考电势端子72。因此，第一电流源电路86至第三电流源电路88并行地布置在电流源80的输出82与参考电势端子72之间。
位置传感器10包括数模转换器90，缩写为DA转换器。DA转换器90将诊断单元40的输出41耦合到电流源80的控制端子81。因此，DA转换器90连接到电流源80的第一输入83，并且因此连接到第一电流源电路86的控制输入。DA转换器90具有至少两位的分辨率。
此外，位置传感器10包括另外的DA转换器91。另外的DA转换器91将升压单元35的输出38耦合到电流源80的控制端子81。因此，另外的DA转换器91将升压单元35的输出38耦合到电流源80的第二输入84，从而耦合到第二电流源电路87的控制输入。另外的DA转换器91具有至少一位或至少两位的分辨率。
另外，位置传感器10包括将增益控制单元30的输出33耦合到电流源80的控制端子81的额外的DA转换器92。DA转换器92将增益控制单元30的输出33耦合到电流源80的第三输入85，从而耦合到第三电流源电路88的控制输入。额外的DA转换器92具有至少一位或至少两位的分辨率。
模拟前端电路23包括斩波缓冲器95，该斩波缓冲器在其输入侧耦合到至少一个磁敏元件11。因此，斩波缓冲器95的输入侧耦合到传感器阵列20。例如，第一磁敏元件11至第四磁敏元件14经由四条连接线耦合到斩波缓冲器95的输入侧。此外，模拟前端电路23包括滤波器96，该滤波器在其输入侧耦合到斩波缓冲器95的输出侧。滤波器96在其输出侧耦合到AD转换器15。斩波缓冲器95可以具有连接到滤波器96的输入侧的四个输出。滤波器96实现有源负载。例如，滤波器96的角频率可以是100kHz。滤波器96可以实现为低通滤波器。滤波器96可以包括连接到AD转换器15的两个输入的两个输出。AD转换器15可以实现为sigma-delta AD转换器。AD转换器15的两个输入可以被实施为第一差分输入和第二差分输入。
位置传感器10包括将AD转换器15的输出侧耦合到位置计算单元16的输入侧的数字电路97。数字电路97包括斩波器单元98，该斩波器单元具有连接到AD转换器15的输出的输入。此外，数字电路97包括数字滤波器99，该数字滤波器在其输入侧连接到斩波器单元98的输出侧。数字滤波器99在其输出侧耦合到位置计算单元16的输入侧。斩波器单元96被实现用于去斩波，因为模拟传感器信号S1至S4被斩波缓冲器95斩波。数字滤波器99可以实现为有限脉冲响应滤波器，简称为FIR滤波器。数字滤波器99的参数D可以是100。数字电路97额外地包括另外的数字滤波器100，该另外的数字滤波器在其输入侧耦合到数字滤波器99的输出侧。
此外，数字电路97包括多路复用器101，该多路复用器具有连接到另外的数字滤波器100的输出的一个输入和连接到位置计算单元16的两个输入的两个输出。
自动增益控制块64包括偏移补偿单元102和补偿DA转换器103。偏移补偿单元102的输入耦合到数字电路97。例如，偏移补偿单元102的输入连接到数字滤波器99的输出。因此，偏移补偿单元102在其输入侧耦合到AD转换器15的输出侧。偏移补偿单元102的输出经由补偿DA转换器103耦合到AD转换器15的输入侧。补偿DA转换器103具有耦合到AD转换器15的两个输入的两个输出。
另外，位置传感器10包括控制单元104。控制单元104在其输出侧耦合到斩波缓冲器95、AD转换器15、数字滤波器99和位置计算单元16。控制单元104还具有到增益控制单元30、升压单元35和诊断单元40的未示出的连接线。
位置计算单元16可以使用以下等式来生成位置信号SP和幅度信号SM：
sinα～(S1-S3)
cosα～(S2-S4)
SP＝f(α)，e.g.SP～α
SM～[(S1-S3)2+(S2-S4)2]
其中α是位置传感器10与磁体之间的角度。位置信号SP被实施为角度信号。位置信号SP表示矢量的角度α。幅度信号SM表示矢量的长度。例如，幅度信号SM可以与第一数字传感器信号SDS1的平方和第二数字传感器信号SDS2的平方二者之和成比例。可替代地，例如，幅度信号SM可以与第一数字传感器信号SDS1的绝对值和第二数字传感器信号SDS2的绝对值之和成比例。
位置传感器10包括霍尔阵列20、AD转换器15、滤波器以及角度值SP和幅度SM的计算。位置传感器10实现带有AGC控制的闭环方法，并且控制基极电流源88。此外，位置传感器10执行AGC升压控制并且控制用于升压的附加电流源87。另外，位置传感器10实施升压诊断控制，该升压诊断控制控制附加电流源86，以用于具有模式激励输入的升压诊断控制。在传感器输出处提供用于诊断的比较信息SDA。
例如，如图3所示，磁体152被放置在霍尔阵列20上。测量和计算出磁体的位置和距离，得到角度值SP和幅度SM。为了获得最佳性能，AGC控制将测量到的幅度值与目标72值进行比较。如果存在差异，AGC控制改变基极电流源88(增加或减少源电流)。执行带有AGC控制的闭环方法。控制基极电流源88。
在整个使用寿命中，磁场输入可能会减小。计算出的幅度值改变，并且AGC控制单元30尝试增加基极电流源88上的电流。为了保持最大电源电流，AGC控制单元30在例如255LSB的最大基极电流处停止。如果是这种情况，AGC升压单元35添加额外的电流源72(升压目标)并且增加电流，直到幅度目标等于计算出的幅度信息。总体电流消耗增加，但这在传感器IC输出上的比较块上的整个寿命信息中都是有效的。因此，位置传感器10使用附加电流源86进行升压来执行AGC升压诊断控制。
位置传感器10依次将模式激励写入诊断控制40。这会根据霍尔元件11至14的电流IS的模式而增加或减少。计算出的幅度SM根据该模式变化。计算出的幅度模式与模式激励的比较显示了整个回路中的潜在误差。如果两种模式显示出是相同的，则不存在问题。通过比较单元44在位置传感器10的输出上生成信息。位置传感器10使用用于升压诊断控制的附加电流源86和模式激励来执行AGC升压诊断控制。
例如，增益控制信号SG可以具有8位，升压信号SBO可以具有2位或3位，激励信号STI可以具有8位。
在可替代的未示出的实施例中，增益控制单元30的第一输入31、升压单元35的第一输入36和比较单元44的第一输入45连接到位置计算单元16的第一输出17。位置信号SP被提供给增益控制单元30的第一输入31，以及被提供给上述所使用的升压单元35的第一输入36和比较单元44的第一输入45。可以省略用于提供幅度信号SM的第二输出18。
图2C示出了位置传感器10的实施例的进一步细节，其是上述实施例的进一步改进。位置传感器10包括具有控制端子81和输出82的电流源80。控制端子81仅包括一个输入，例如第一输入83。所述至少一个磁敏元件11具有第一端子111至第四端子114。第一端子111与第三端子113相反，并且第二端子112与第四端子114相反。流过电流源80的输出82的源电流IS流过第一端子111和第三端子113。因此，能够在第二端子112与第四端子114之间分接第一模拟传感器信号S1。
第一模拟传感器信号S1具有电压的形式。第一模拟传感器信号S1与源电流IS和磁场的乘积成比例。至少一个磁敏元件11可以对垂直于包括所述至少一个磁敏元件11的半导体本体的表面的磁场敏感。
电流源80包括第一晶体管115，该第一晶体管其具有耦合到电流源80的控制端子81的控制端子和耦合到电流源80的输出82的第一端子。第一晶体管115的第二端子耦合到参考电位端子72。第一电阻器116将第一晶体管115的第二端子耦合到参考电位端子72。电流源80包括放大器117，其具有耦合到电流源80的控制端子81的第一输入。放大器117的输出连接到第一晶体管115的控制端子。
电流源80包括连接到第二磁敏元件12的第二输出118。第二磁敏元件12实现为例如至少一个磁敏元件11。电流源80包括第二晶体管119，该第二晶体管具有连接到第一晶体管115的控制端子的控制端子。第二晶体管119的第一端子经由第二输出118耦合到第二磁敏元件12。第二晶体管119的第二端子耦合到参考电位端子72。此外，电流源80包括第二电阻器120，该第二电阻器将第二晶体管119的第二端子耦合到参考电位端子72。
另外，位置传感器10包括虚拟磁敏元件121。虚拟磁敏感元件121实现为例如至少一个磁敏元件11。此外，电流源80包括耦合到虚拟磁敏元件121的另外的输出122。另外，电流源80包括另外的晶体管123，该另外的晶体管具有连接到第一晶体管115的控制端子的控制端子。另外的晶体管123的第一端子经由另外的输出122连接到虚拟磁敏元件121。另外的晶体管123的第二端子耦合到参考电位端子72。另外的电阻器124将第二端子123耦合到参考电位端子72。放大器117的第二输入连接到另外的晶体管123与另外的电阻器124之间的节点。
在控制端子81处分接控制信号SF。控制信号SF具有电压的形式。放大器117在放大器170的输出处设置输出电压，使得另外的电阻器124两端的电压降等于控制信号SF。由于第一磁敏元件11和第二磁敏元件12实现为例如虚拟磁敏元件121，所以第一晶体管115和第二晶体管119的尺寸等于另外的晶体管123的尺寸，并且第一电阻器115和第二电阻器120的电阻值等于另外的电阻器124的电阻值，流过输出82的源电流IS等于流过第二输出118的第二源电流IS2和流过另外的输出122的另外的电流ISD。源电流IS等于IS＝SF/R；其中R是第一电阻器116的电阻值。
位置传感器10包括DA转换器90和另外的DA转换器91。DA转换器90的输出和另外的DA转换器91的输出耦合到控制端子81。位置传感器10的求和电路130将DA转换器90的输出和另外的DA转换器91的输出耦合到控制端子81。求和电路130实现为求和放大器。位置传感器10包括缓冲器131，该缓冲器将另外的DA转换器91的输出耦合到求和电路130。位置传感器10还包括增益控制单元30和诊断单元40。另外，位置传感器10包括开关132，该开关在其输入侧耦合到增益控制单元30和诊断单元40，并且在其输出侧耦合到DA转换器90的输入。因此，增益控制单元30经由开关132将其增益控制信号SG提供给DA转换器90的输入，或者诊断单元40经由所述开关将其目标信号ST提供给所述DA转换器的输入。
诊断单元40包括序列发生器133。序列发生器133包含关于激励模式的信息。序列发生器133被设计为提供将DA转换器90实现为安全机制的数字序列。例如，序列发生器133包括存储器和/或状态机。另外，诊断单元40包括设置存储器134。设置存储器134可以实现为一次性可编程存储器。设置存储器134存储关于位置传感器10应将诊断单元40设置为激活还是非激活的信息。如果诊断单元40设置为非激活，则位置传感器10将不使用诊断工作模式。设置存储器134经由可以是与门的逻辑门135耦合到序列发生器133。逻辑门135的输出连接到开关132的另外的输入。
DA转换器90的参考端子经由电阻器136耦合到参考电位端子72。另外的电阻器137将另外的DA转换器91的参考端子耦合到参考电位端子72。另外，位置传感器10包括升压单元35。升压单元35包括升压检测单元138。升压检测单元138检测增益控制信号SG是否在第一范围内和/或幅值信号SM是否在第二范围内和/或位置信号SP是否在第三范围内。第一范围、第二范围和第三范围表示由所述至少一个磁敏元件11接收的磁场是弱的。可替代地，升压检测单元138检测增益控制信号SG是否高于预定值或/和幅度信号SM是否高于另一预定值。当增益控制信号SG高于预定值或/和幅度信号SM高于另一预定值时，则磁场是弱的。仅在弱磁场的情况下，升压信号SBO才高于零。因此，位置控制单元16的第二输出18或增益控制单元30的输出33连接到升压检测单元138的输入。升压检测单元138也能够被称为升压自动增益控制检测单元。升压检测单元138经由可以是与门的逻辑门139耦合到升压单元35的输出。
从图2C中能够看出，诊断单元40的激励信号STI和增益控制单元30的增益控制信号SG由数字电路组合。组合的信号和升压单元35的升压信号SBO被分别从数字域转换为模拟域，然后被添加到模拟域中。由此接收到的模拟控制信号SF被提供给电流源80的控制端子81。有利地，DA转换器90和另外的DA转换器91必须被指定仅用于将具有少量位的数字信号转换为模拟信号。
与此相反，如图2B所示，可替代地，将激励信号STI、增益控制信号SG和升压信号SBO分别从数字域转换为模拟域，并且分别转换为三个电流，该三个电流相加后生成源电流IS。因此，三个单元30、35、40的不同输出信号STI、SG、SBO的组合通过电流相加来执行。
在未示出的可替代的实施例中，省略虚拟磁敏元件121。放大器117的第二输入连接到第一晶体管115与第一电阻器116之间的节点。
在未示出的可替代的实施例中，升压信号SB也通过数字电路与激励信号ST和增益控制信号SG组合，并且组合的数字信号通过单个DA转换器被转换为模拟控制信号SF。因此，仅需要DA转换器90，而不需要另一个DA转换器，例如另外的DA转换器91。例如，这能够通过选择具有适当位数的DA转换器90来实现。
因此，激励信号STI、增益控制信号SG和升压信号SBO能够完全在数字域中或完全在模拟域中或部分在数字域和部分在模拟域中组合以提供源电流IS。
在未示出的实施例中，第三磁敏元件13和第四磁敏感元件14实现为例如所述至少一个磁敏感元件11。电流源80包括耦合到第三磁敏元件13和第四磁敏元件14的另外的输出。电流源80包括布置为例如第一晶体管115和第一电阻器116的另外的晶体管和另外的电阻器。
在未示出的可替代的实施例中，位置传感器10使用电流旋转技术，也被称为电流轮换方法。因此，传感器阵列20包括：将电流源80的输出82耦合到第一端子111至第四端子114的第一多路复用器；将参考电位端子72耦合到第一端子111至第四端子114的第二多路复用器；以及将第一端子111至第四端子114耦合到模拟前端电路23的两个输入的第三多路复用器和第四多路复用器。因此，在所述至少一个磁敏元件11中电流流动的方向在四个不同的方向之间轮换。传感器阵列20还包括用于另外的磁敏元件12至14中的每一个的四个多路复用器。
图3示出了包括位置传感器10、电机151和磁体152的装置150的实施例。电机151包括转轴153。磁体152固定在转轴153的一端。磁体152与位置传感器10保持短的距离。磁体152可以具有带有一个北磁极和一个南磁极的圆柱形状。位置传感器10被配置为检测磁体152的角度α，从而检测转轴153的角度。
另外，装置150包括将位置传感器10的输出侧耦合到电机151的输入侧的电机控制器154。电机控制器154可以实现为通用电机控制器。电机控制器154经由三根连接线连接至电机151。电路块155布置为利用所述三根连接线中的一根在另外的输出处连接到电机控制器154。
电机控制器154将相位信号PH1、PH2、PH3提供给电机151。相位信号PH1、PH2、PH3被提供给电机151的未示出的绕组，使得转轴153处于由相位信号PH1、PH2、PH3确定的角度。位置传感器10检测角度α并且以绝对信号UVW的形式提供位置信号SP。绝对信号UVW被施加到电机控制器154的绝对接口156。另外，位置传感器10根据位置信号SP生成增量信号AGI，并且将其提供给电机控制器154的增量接口157。位置传感器10的电源电压端子158和参考电位端子72连接到电机控制器154的两个端子。位置传感器10容纳在双列直插式封装中。在电源电压端子158处分接电源电压VDD。
在图3中，位置传感器10被配置为电机控制传感器。位置传感器10、机械和磁体152将在生产线中被编程(校准)。然而，磁场输入可能会随着使用寿命而减小。位置传感器10保持位置信号SP的高精度。避免了增加的角度误差。高精度在电机应用中提供正确的通信、在汽车中提供了较低的转矩脉动和较低的噪声。
附图标记
10 位置传感器
11 至少一个磁敏元件
12 第二磁敏元件
13 第三磁敏元件
14 第四磁敏元件
15 模数转换器
16 位置计算单元
17 第一输出
18 第二输出
19 端子
20 传感器阵列
21 圆
22 另外的模数转换器
23 模拟前端电路
30 增益控制单元
31 第一输入
32 第二输入
33 输出
35 升压单元
36 第一输入
37 第二输入
38 输出
40 诊断单元
41 输出
42 第一输入
43 第二输入
44 比较单元
45 第一输入
46 第二输入
47 另外的输出
48 输出
60 数字信号处理器
62 寄存器设置块
64 自动增益控制块
65 控制输入
68 输出接口
72 参考电位端子
73 高压保护电路
74 振荡器
80 电流源
81 控制端子
82 输出
83-85 输入
86-88 电流源电路
90 数模转换器
91 另外的数模转换器
92 额外的数模转换器
95 斩波缓冲器
96 滤波器
97 数字电路
98 斩波器单元
99 数字滤波器
100 另外的数字滤波器
101 多路复用器
102 偏移补偿单元
103 补偿数模转换器
104 控制单元
111-114 端子
115 第一晶体管
116 第一电阻器
117 放大器
118 第二输出
119 第二晶体管
120 第二电阻器
121 虚拟磁敏元件
122 另外的输出
123 另外的晶体管
124 另外的电阻器
130 求和电路
131 缓冲器
132 开关
133 序列发生器
134 设置存储器
135 逻辑门
136、137 电阻器
138 升压检测单元
139 逻辑门
150 装置
151 电机
152 磁体
153 转轴
154 电机控制器
155 电路块
156 绝对接口
157 增量接口
158 电源电压端子
α 角度
A、B、I 增量信号
GND 接地电位
IS 源电流
ISD 另外的电流
IS2 第二源电流
PH1、PH2、PH3 相位信号
SBO 升压信号
SBT 升压目标信号
SDA 诊断信号
SD1、SD2 派生传感器信号
SDS1、SDS2 数字传感器信号
SF 控制信号
SFE 反馈信号
SG 增益控制信号
SM 幅度信号
SP 位置信号
SPA 模式激励信号
ST 目标信号
STI 激励信号
S1-S4 模拟传感器信号
U、V、W 绝对信号
VDD 电源电压

Claims (17)

1.一种位置传感器，包括：
- 至少一个磁敏元件（11-14），
- 电流源（80），其耦合到所述至少一个磁敏元件（11-14），并且被配置为向所述至少一个磁敏元件（11-14）提供源电流（IS），
- 模数转换器（15），其具有耦合到所述至少一个磁敏元件（11-14）的输入，
- 位置计算单元（16），其耦合到所述模数转换器（15）的输出，并且包括用于提供位置信号（SP）的第一输出（17），以及
- 诊断单元（40），其包括耦合到所述电流源（80）的输出（41），并且被配置为在不同于工作阶段的诊断阶段期间，在诊断单元（40）的输出（41）处根据激励模式提供激励信号（STI），其中所述激励模式是预定模式，所述激励信号（STI）控制所述源电流（IS）；
所述源电流通过诊断阶段的激励信号、通过升压阶段的升压信号以及通过工作阶段的增益控制信号来设置。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述激励模式是至少N个值的序列，其中N为2、3、4或大于4的整数。
3.根据权利要求1所述的位置传感器，包括比较单元（44），所述比较单元在其输入侧耦合到所述位置计算单元（16），并且被配置为将在所述位置计算单元（16）的第二输出（18）处提供的幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与激励模式进行比较，并且根据所述幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与所述激励模式的比较来生成诊断信号（SDA）。
4.根据权利要求1所述的位置传感器，包括增益控制单元（30），所述增益控制单元在第一输入（31）处耦合到所述位置计算单元（16）以及在输出（33）处耦合到所述电流源（80），并且被配置为根据在所述位置计算单元（16）的第二输出（18）处提供的幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与目标信号（ST）的比较在所述增益控制单元（30）的输出（33）处生成增益控制信号（SG）。
5.根据权利要求4所述的位置传感器，包括升压单元（35），所述升压单元包括耦合到所述电流源（80）的输出（38），并且被配置为在所述增益控制信号（SG）在第一范围内和/或所述幅度信号（SM）在第二范围内和/或所述位置信号（SP）在第三范围内的情况下，在所述升压单元（35）的输出（38）处生成升压信号（SBO）。
6.根据权利要求5所述的位置传感器，其中，所述升压单元（35）被配置为提供关于由所述至少一个磁敏元件（11-14）接收的磁场是否太弱的信息。
7.根据权利要求5所述的位置传感器，包括数模转换器（90），所述数模转换器包括耦合到所述增益控制单元（30）、所述升压单元（35）和所述诊断单元（40）中的至少一个的输入，并且包括耦合到所述电流源（80）的输出。
8.根据权利要求1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，所述霍尔元件被配置为使所述源电流（IS）流过霍尔元件。
9.根据权利要求1所述的位置传感器，包括模拟前端电路（23），所述模拟前端电路包括：
- 斩波缓冲器（95），所述斩波缓冲器在其输入侧耦合到所述至少一个磁敏元件（11-14），和
- 滤波器（96），所述滤波器在其输入侧耦合到所述斩波缓冲器（95）的输出侧，并且所述滤波器在其输出侧耦合到所述模数转换器（15）。
10.根据权利要求1所述的位置传感器，包括数字电路（97），所述数字电路包括：
- 斩波器单元（98），所述斩波器单元在其输入侧耦合到所述模数转换器（15）的输出侧，和
- 数字滤波器（99），所述数字滤波器在其输入侧耦合到所述斩波器单元（98）的输出侧，并且所述数字滤波器在其输出侧耦合到所述位置计算单元（16）。
11.根据权利要求1所述的位置传感器，包括：
- 偏移补偿单元（102），所述偏移补偿单元在其输入侧耦合到所述模数转换器（15）的输出侧，和
- 补偿模数转换器（103），所述补偿模数转换器在其输入侧耦合到所述偏移补偿单元（102），并且所述补偿模数转换器在其输出侧耦合到所述模数转换器（15）的输入侧。
12.根据权利要求1所述的位置传感器，所述激励模式是非恒定信号。
13.一种用于位置感测和诊断的方法，包括
- 向至少一个磁敏元件（11-14）提供源电流（IS），
- 通过所述至少一个磁敏元件（11-14）生成至少一个模拟传感器信号（S1至S4），
- 将所述至少一个模拟传感器信号（S1至S4）或从所述至少一个模拟传感器信号（S1至S4）派生的信号转换为数字传感器信号（SDS1、SDS2），
- 根据所述数字传感器信号（SDS1、SDS2）或从所述数字传感器信号（SDS1、SDS2）派生的信号来计算位置信号（SP），以及
- 在不同于工作阶段的诊断阶段期间，根据激励信号（STI）来控制所述源电流（IS），所述激励信号是根据激励模式提供的，其中所述激励模式是预定模式；
所述源电流通过诊断阶段的激励信号、通过升压阶段的升压信号以及通过工作阶段的增益控制信号来设置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述激励模式是至少N个值的序列，其中N为2、3、4或大于4的整数。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，将根据所述数字传感器信号（SDS1、SDS2）或从所述数字传感器信号（SDS1、SDS2）派生的信号计算出的幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与激励模式进行比较，以及
其中根据所述幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与激励模式的比较来生成诊断信号（SDA）。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，将根据所述数字传感器信号（SDS1、SDS2）或从所述数字传感器信号（SDS1、SDS2）派生的信号计算出的幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与目标信号（ST）进行比较，以及
其中，所述源电流（IS）根据增益控制信号（SG）来设置，所述增益控制信号取决于所述幅度信号（SM）和/或所述位置信号（SP）与所述目标信号（ST）的比较。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述增益控制信号（SG）在第一范围内和/或所述幅度信号（SM）在第二范围内和/或所述位置信号（SP）在第三范围内的情况下，所述源电流（IS）根据升压信号（SBO）来设置。
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