CN111981965A - 磁位置传感器布置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了磁位置传感器布置。一种位置传感器布置，包括：相对于彼此可移动地布置的磁源和位置传感器设备，后者包括用于测量所述磁场的至少三个磁传感器；处理单元，用于基于第一成对差(DIFF1)和第二成对差(DIFF2)的比率(R)来确定位置，第一成对差(DIFF1)是第一对两个信号的差，第二成对差信号(DIFF2)是第二对两个信号的差。一种通过执行所述测量并且通过计算所述差(DIFF1、DIFF2)和所述比率(R)来确定位置的方法(900)。一种校准所述位置传感器的方法(1000)，该方法包括将至少一个参数(α、C、T)或将查找表存储在非易失性存储器中的步骤。一种自动校准的方法(1100)。

Description

磁位置传感器布置

技术领域

本发明涉及磁位置传感器布置，包括：磁源(例如永磁体)和位置传感器，该位置传感器包括至少三个磁传感器。

背景技术

传感器布置，特别是线性位置传感器布置或角度位置传感器布置在本领域中是已知的。在此类布置中，典型地(例如，借助静电流或借助永磁体)生成非均匀磁场并且由传感器设备来测量该非均匀磁场，传感器设备包括一个或多个传感器并且包括读出电路和处理器，该处理器基于所测量的值来计算线性位置或角度位置。

用于确定角度位置的各种传感器布置和各种技术在本领域中是已知的，每种传感器布置和技术都具有其优势和劣势，例如在成本、紧凑性、角度范围、准确度(例如，信噪)、信号灵敏度、对抗不想要的外部场的稳健性、对抗位置误差(例如传感器相对于磁体的轴向和/或径向偏移)的稳健性、处理复杂性等方面。

总是存在改进或替代的余地。

发明内容

本发明的实施例的目的在于提供一种位置传感器设备并且提供一种包括此类位置传感器设备的位置传感器布置，该位置传感器设备或位置传感器布置能够测量所述传感器设备相对于磁源的(例如，线性或角度)位置。

本发明的实施例的目的在于提供包括至少三个磁传感器或仅包括三个磁传感器或包括至少四个磁传感器或仅包括四个磁传感器的此类位置传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的在于提供能够以对外部干扰场和/或老化效应和/或退磁效应并且优选地对所有这些高度不敏感的方式来测量位置的此类位置传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的在于提供其中传感器设备的尺寸和磁源的尺寸可以在很大程度上独立地被选择而不会显著降低准确性的此类传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的在于提供其中传感器设备相对于磁源的安装要求显著地被放宽的此类位置传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的在于提供其中校准时间可以被减少或者其中校准可以完全被消除的此类位置传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的在于提供其中设备能够执行自动校准以使得该设备可以在高度放宽的安装要求的情况下被安装而不会实质降低测量的准确性的此类位置传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的在于提供适合用于功能安全性应用的此类位置传感器设备或布置。

本发明的实施例的目的还在于提供一种确定磁传感器设备相对于磁源的位置的方法。

本发明的实施例的目的还在于提供一种校准传感器布置的方法，该传感器布置包括相对于磁源可移动地安装的磁传感器设备。

这些目的和其他目的通过根据本发明的实施例的位置传感器布置、位置传感器、以及方法来实现。

根据第一方面，本发明提供了一种位置传感器布置，该位置传感器布置包括：磁场源，该磁场源用于生成具有至少两个磁极的磁场；位置传感器设备，该位置传感器设备相对于磁场源可移动地布置或者反之亦然，并且该位置传感器设备包括：至少三个磁传感器，包括第一传感器、第二传感器、以及第三传感器，每个传感器适于测量所述磁场的相应值，第一磁传感器具有最大敏感度的第一轴并且被配置成用于提供第一信号，第二磁传感器具有平行于第一轴的最大敏感度的第二轴并且被配置成用于提供第二信号，并且第三磁传感器具有平行于第一轴的最大敏感度的第三轴并且被配置成用于提供第三信号，第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器被布置成使得第二磁传感器(S2)基本上位于第一磁传感器(S1)与第三磁传感器(S3)之间并且使得第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器被布置在直线上或者在假想三角形的角处，该假想三角形具有在从1％到45％的范围中的高(H)与底(B)的比率；处理单元，该处理单元连接至至少三个磁传感器以用于获得第一信号、第二信号、以及第三信号，并且该处理单元被配置成基于第一成对差和第二成对差的比率来确定位置传感器相对于磁场源的位置，该第一成对差是从第一信号、第二信号、以及第三信号选择的第一对两个信号的差，并且第二成对差信号是从第一信号、第二信号、以及第三信号选择的第二对两个信号的差，该第二对不同于第一对，并且第一信号、第二信号、以及第三信号中的一个信号用于第一对和第二对两者中。

该实施例的优势在于，允许以对外部干扰场(也被称为“自由场”或“杂散场”高度不敏感的方式来计算传感器相对于磁场源的位置。

该实施例的优势在于，第一差信号是仅两个信号之间的差(例如，H1-H2)并且第二差信号是仅两个信号之间的差(例如，H2-H3)，这非常易于计算，并且者不要求模拟域中的乘法或放大。

该实施例的优势在于，由于所述比率，所测量的值本身对于由于例如退磁或温度影响而造成的老化是稳健的、并且对传感器相对于磁源(例如，永磁体)的距离变化高度不敏感。

本发明基于以下洞察：该比率唯一地限定所预期的测量范围内的位置，即使差信号DIFF1、DIFF2不是经90°移相的，以及即使DIFF1的幅度和DIFF2的幅度不是基本上相同的。据发明人所知，该洞察并非已知的，并且在本领域中存在要求正交信号以便计算准确位置的普遍认知或偏见。

在实施例中，用于第一差和第二差两者中的信号是由第二传感器提供的信号，该第二传感器在三个传感器位于直线上时基本上位于第一传感器与第三传感器之间的中间处、或该第二传感器基本上位于所述三角形的顶处。

在实施例中，用于第一差和第二差两者中的信号是由第一传感器或第三传感器提供的信号，该第一传感器或第三传感器在三个传感器位于直线上时位于外侧位置处，或该第一传感器或第三传感器在三个传感器处于三角形的情况下位于底处。

在实施例中，三个传感器位于直线上，并且第二磁传感器基本上位于第一磁传感器与第三磁传感器之间的中间处。

在实施例中，DIFF1＝±(H1-H2)且DIFF2＝±(H3-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H1-H3)且DIFF2＝±(H3-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H1-H3)且DIFF2＝±(H1-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H2-H3)且DIFF2＝±(H1-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H1-H2)且DIFF2＝±(H1-H3)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H2-H3)且DIFF2＝±(H1-H3)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

磁场源可具有多个交替的磁极。

在实施例中，磁位置传感器包括恰好三个磁传感器。

在实施例中，磁位置传感器包括恰好四个磁传感器。

在实施例中，磁位置传感器包括至多四个磁传感器。

在实施例中，磁场源是永磁体。

在实施例中，磁场源是盘状磁体或环形磁体或者基本上线形的磁条。

在实施例中，磁场源具有至少四个磁极(例如，四极的)或至少六个磁极或至少八个磁极。

在实施例中，磁场源是轴向磁化的四极或六极盘状磁体或环形磁体，该磁体用于生成在90°角旋转之后或在60°角旋转之后重复的旋转对称场。

在实施例中，外侧的两个传感器元件暴露于磁场源的相反的磁极。

在实施例中，第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器被集成在单个半导体衬底上。处理单元也可被集成在所述半导体衬底上，或者可以被实现在另一半导体电路上。所述单个半导体衬底或者所述单个或另一半导体衬底可被集成在单个封装(也被称为“IC”或“芯片”)中。

传感器设备优选地包含半导体衬底。

在一些实施例中，传感器元件是霍尔元件，优选地被集成在所述半导体衬底中。

在一些实施例中，传感器元件是水平霍尔元件。这些水平霍尔元件优选地被集成在所述半导体衬底中。

在一些实施例中，传感器元件是垂直霍尔元件。这些垂直霍尔元件优选地被集成在所述半导体衬底中。

在实施例中，第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器相对于磁场源以以下方式被定位：使得第二信号基本上等于第一信号但移相第一预定义偏移并且使得第三信号基本上等于第二信号但移相第二预定义偏移。

可例如在校准测试期间，例如通过相对于传感器移动或转动磁源(或反之亦然)并通过确定信号(H1、H2、H3)的过零点之间和/或差信号DIFF1、DIFF2的过零点之间的物理线性或角度距离并且建立例如具有两列的查找表(一列针对比率值并且一列针对对应的(线性或角度)距离)来明确地确定第一预定义偏移ε1和第二预定义偏移ε2的值。但这不是绝对必需的，并且比率的值和对应的距离也可以简单地被存储在查找表中而无需明确地确定偏移值ε1、ε2。

在实施例中，第一传感器与第二传感器之间的第一距离基本上等于第二传感器与第三传感器之间的第二距离。

在实施例中，第一预定义偏移基本上等于第二预定义偏移。

明确指出的是，本发明的实施例在第一预定义偏移不等于第二预定义偏移的情况下也起作用。然而，在此种情况下，使用明确的数学表达式来计算线性或角度位置可能是不可能的，但是优选地，使用至少一个查找表是可能的。

在实施例中，处理单元适于基于以下公式来计算所述相对位置：θ＝arctan(R)，其中，R＝DIFF1/DIFF2，并且DIFF1＝(H1-H2)或DIFF1＝(H2-H1)，并且DIFF2＝(H3-H2)或DIFF2＝(H2-H3)。这在第一预定义偏移和第二预定义偏移中的每一者等于大约90°时尤其有用。

除了上文已经提及的优势(对于老化、温度影响以及外部场干扰不敏感)之外，该实施例的进一步的优势还在于，能以非常简单的方式来计算相对位置，例如，使用测角函数，或者使用查找表和任选的内插。

注意，在该实施例中，为了得到准确的结果，磁传感器的尺寸和磁源的尺寸需要基本上彼此匹配，并且限制安装公差。

本发明的实施例在旋转变压器应用或电机驱动器应用中尤其有用。

在实施例中，处理单元适于基于以下公式来计算所述相对位置：θ＝arctan(R/C±T)，其中，R＝DIFF1/DIFF2，并且DIFF1＝(H1-H2)或DIFF1＝(H2-H1)，

并且DIFF2＝(H3-H2)或DIFF2＝(H2-H3)，并且C是不同于1.0的预定义常数，和/或T是不同于0.0的预定义常数。这在第一预定义偏移和第二预定义偏移是从5°到85°的范围中、或95°到175°的范围中、或10°到80°的范围中、或100°到170°的范围中、或20°到70°的范围中、或110°到160°的范围中的值时尤其有用。

在实施例中，C小于0.95并且T大于0.05。

在实施例中，C小于0.95并且T小于-0.05。

其中arctan(R/C±T)意指arctan(R/C+T)或arctan(R/C-T)。

除了上文已经提及的优势(对于老化、温度影响、以及外部场干扰不敏感)之外，该实施例的进一步的优势还在于，可以使用分析函数(因此不需要迭代)来计算相对位置。

该实施例的主要优势在于，磁传感器的尺寸和磁源的尺寸不需要彼此匹配。这使得传感器的尺寸减小(典型地与半导体器件的情况一样)而磁源(例如，以永磁体的形式)保持不变成为可能。这对成本具有巨大的影响，尤其是在将现在可以针对具有各种尺寸并且甚至具有不同数量的磁极的大量磁源(例如，磁体)使用单个传感器设备考虑在内时。

该实施例的主要优势还在于，传感器和磁源的安装位置可以极大地被放宽。换言之，此种传感器布置对于(距预期安装位置的)安装位置误差或偏差较不敏感。

C和T的值可以是预定义的，例如在设计期间被确定，或者可以通过校准测试来确定，或者在某些实施例(例如，具有至少四个传感器)中甚至可以自动地或半自动地就地确定(如将进一步描述的)。

C和T的值可以是硬编码的(例如，被存储在闪存中)；或者可以在校准测试期间确定，并被存储在传感器的非易失性存储器中，并且在实际使用期间从所述非易失性存储器中获得；或是该值可以就地确定，并且被存储在易失性存储器(例如，RAM)中。

其中使用符号函数而不是反正切函数的实施例在其中不要求精确的角位置但是其中足以知晓传感器在北极上方还是南极上方的旋转变压器应用或电机驱动器应用中尤其有用。

在实施例中，C和T的值基于下列公式来计算：

C＝cos(φ)并且T＝tan(φ)，其中，φ是不同于0°的常数值，例如，大于5°或大于10°或大于15°的值。

φ的值可以是预定义的，例如在设计期间被确定，或者可以是通过校准测试确定的，或者可以是自动地或半自动地就地确定的。

φ的值可以是硬编码的(例如，被存储在闪存中)；或者可以在校准测试期间确定，并被存储在传感器的非易失性存储器中，并且在实际使用期间从所述非易失性存储器中获得；或是该值可以就地确定，并且被存储在易失性存储器(例如，RAM)中。

在实施例中，φ的值被计算为φ＝(90°-α)，其中，α是传感器信号之间的相移。

在实施例中，φ的值大于5°或大于10°或大于15°。

在实施例中，磁位置传感器进一步包括至少第四磁传感器，该第四磁传感器适于测量所述磁场的相应的值，并且该第四磁传感器具有平行于第一轴的最大磁敏感度的第四轴并被配置成用于提供第四信号，其中，该第四传感器被布置成使得第三磁传感器基本上位于第二磁传感器与第四磁传感器之间并且使得第一传感器、第二传感器、第三传感器、以及第四传感器被布置在具有小于30％的高与底的比率的假想梯形的角处(底由外传感器限定，高由中心传感器与底之间的最小距离限定)；其中，处理单元进一步连接至该第四磁传感器以用于获得所述第四信号。

在实施例中，第一传感器与第四传感器之间的第三距离基本上等于第一传感器与第二传感器之间的第一距离。

在实施例中，处理单元适于基于从第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器获得的第一信号、第二信号、以及第三信号来确定指示位置传感器的相对位置的第一值；并且该处理单元适于基于从第二磁传感器、第三磁传感器、以及第四磁传感器获得的第二信号、第三信号、以及第四信号来确定指示位置传感器的相对位置的第二值。

该实施例的优势在于，其实际上具有两组三个磁传感器。这能以有益的方式来利用。

处理单元可进一步适于计算第一值和第二值的平均数，并且适于将该平均值作为位置值来提供。

该实施例的优势在于，可能降低信噪比(SNR)，和/或可减少磁结构(例如永磁体)中局部缺陷的影响。

处理单元可进一步适于比较第一值和第二值，并且适于在这些值偏差大于预定义的值的情况下提供误差信号。

该实施例的优势在于，其具有误差检测能力，这可以用于例如功能安全性目的。

在实施例中，处理单元进一步适于计算第三差与第四差之间的第二比率，该第三差是来自外传感器的两个信号之间的差，第四差是来自内传感器的两个信号之间的差；并且处理单元进一步适于基于该第二比率来确定常数C的值和常数T的值。除了上文已经提及的优势之外，该实施例的主要优势还在于，可以就地确定(或微调或更新)C和T和/或φ的值，并且在生产期间不要求校准测试。取决于特定实施例，所确定的(多个)值因此可被存储在易失性或非易失性存储器中，或者可被提供至外部处理器(例如，ECU)和/或从外部处理器接收。

在实施例中，处理单元进一步适于计算第三差与第四差之间的第二比率，该第三差是来自外传感器的两个信号之间的差，第四差是来自内传感器的两个信号之间的差；并且处理单元进一步适于基于该第二比率来确定上文所提及的常数φ的值。

主要优势在于，常数φ可以基于从具有平行的敏感度轴的传感器获得的差信号因此以对外部干扰场不敏感的方式来计算。

在实施例中，第二比率R被计算为R2＝(H4-H1)/(H3-H2)，并且α的值基于下列公式来计算或估计：α＝90°-arcsin((R2-1)/2，或者使用查找表来计算或估计。

在实施例中，至少三个磁传感器基本上位于直线上。

在实施例中，磁场源是盘状磁体或环形磁体形式的可绕轴线移动的永磁体，并且所述直线被取向成基本上与该轴线(例如，作为交叉线而不是相交线)垂直。第一传感器、第二传感器、以及第三传感器可适于测量按平行于轴线的方向取向的场分量。替代地，最大敏感度的第二轴可被取向成基本上径向地朝向所述轴线(并与该轴线相交)。替代地，最大敏感度的第二轴可被取向成基本上与假想圆相切，该假想圆的中心位于所述轴线上。

在实施例中，磁传感器具有基本上位于直线上的四个磁传感器。该实施例尤其适合于线性传感器布置，但是也可以用于角度传感器布置。

在实施例中，第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器位于假想三角形的角处，该假想三角形具有底和高，并且高与底的比率在从1％到40％的范围中。

高与底的比率可以小于40％或小于30％或小于25％或小于20％。高与底的比率可以大于5％或大于10％或大于15％。

该实施例的优势在于，其可以减小第一信号、第二信号、以及第三信号(如果存在，以及第四信号)的幅度之间的差并且由此进一步改善准确性(对于给定的安装位置)。或者换言之，该传感器可以与具有各种尺寸的更宽范围的磁源一起使用。或者换言之，具有该传感器的传感器布置更能容忍位置偏移。

第一传感器、第二传感器、以及第三传感器可被集成在半导体衬底上，并且可适于测量与所述衬底垂直的磁场分量(Bz)。

在具有至少四个磁传感器的实施例中，第二磁传感器、第三磁传感器、以及第四磁传感器位于具有底(B)和高(H)的第二假想三角形上，高小于底(B)的40％或30％或25％或20％，但是优选地，大于底的5％或10％或15％。

在具有四个磁传感器的实施例中，第一磁传感器、第二磁传感器、第三磁传感器、以及第四磁传感器位于具有底(B)和高(H)的假想梯形形状的角处，高小于底(B)的30％或25％或20％或15％或10％，但是优选地，大于底的3％或5％或7％。

在实施例中，磁位置传感器布置是线性位置传感器布置，并且位置传感器适于确定沿线性轨迹的位置。

在实施例中，磁位置传感器布置是角度位置传感器布置，并且位置传感器适于确定磁源相对于传感器的角度位置。

在实施例中，磁源可以是盘状磁体或环形磁体形式的永磁体，并且至少三个磁传感器可以被取向成使得它们的最大敏感度轴平行于所述环形磁体或盘状磁体的旋转轴。磁传感器可以是或者可包括至少一个水平霍尔传感器元件。

根据第二方面，本发明还提供了一种位置传感器设备，该位置传感器设备包括：至少三个磁传感器，包括第一传感器、第二传感器、以及第三传感器，第一磁传感器具有最大敏感度的第一轴并且被配置成用于提供第一信号，第二磁传感器具有平行于第一轴的最大敏感度的第二轴并且被配置成用于提供第二信号，并且第三磁传感器具有平行于第一轴的最大敏感度的第三轴并且被配置成用于提供第三信号，第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器被布置在直线上或在假想三角形的角处，该假想三角形具有在从1％到45％的范围中或在2％到45％的范围中或在5％到45％的范围中的高与底的比率；处理单元，该处理单元连接至至少三个磁传感器以用于获得第一信号、第二信号以及第三信号，并且该处理单元被配置成用于基于第一成对差和第二成对差的比率来确定位置传感器设备相对于磁场源的位置，第一成对差是从所述第一信号、所述第二信号、以及所述第三信号中选择的第一对两个信号的差，并且第二成对差信号是从所述第一信号、所述第二信号、以及所述第三信号中选择的第二对两个信号的差，第二对不同于第一对，第一信号、第二信号以及第三信号中的一个信号用于第一对和第二对两者中。

在实施例中，三个传感器位于直线上，并且第二磁传感器基本上位于第一磁传感器与第三磁传感器之间的中间处。

根据第三方面，本发明还提供一种确定根据第二方面所述的位置传感器设备相对于具有两个磁极的磁场源的位置的方法，该方法包括以下步骤：a)借助第一传感器、第二传感器、以及第三传感器分别测量所述磁场的第一值、第二值、以及第三值；b)计算作为从所述第一值、所述第二值、以及所述第三值选择的第一对两个信号之间的差的第一成对差，并且计算作为从所述第一值、所述第二值、以及所述第三值选择的第二对两个信号之间的差的第二成对差信号，第二对不同于第一对，并且第一信号、第二信号、以及第三信号中的一个信号用于第一对和第二对两者中；c)计算第一差与第二差之间的比率；d)基于所述比率来确定位置。

步骤d)可包括通过利用(例如，传感器设备中所存储的)查找表和/或通过使用一个或多个数学公式来确定所述位置。

根据第四方面，本发明还提供一种校准根据第二方面所述的并且相对于磁场源可移动地安装的位置传感器设备的方法，该磁场源适于生成具有至少两个磁极的磁场，该方法包括以下步骤：a)将位置传感器和磁源置于已知的相对位置，并使用第一磁传感器、第二磁传感器、以及第三磁传感器来测量至少第一值、第二值、以及第三值；b)计算作为从所述第一信号、所述第二信号、以及所述第三信号中选择的第一对两个信号之间的差的第一成对差，并且计算作为从所述第一信号、所述第二信号、以及所述第三信号中选择的第二对两个信号之间的差的第二成对差，第二对不同于第一对，第一信号、第二信号、以及第三信号中的一个信号用于第一对和第二对两者中；c)计算第一差和第二差的比率；d)将一个或多个已知的相对位置和一个或多个所计算的比率存储在位置传感器的非易失性存储器中。

优选地，步骤a)至c)被执行多次，例如，在角度位置传感器的情况下，在一个周期内，以5°的步长或4°的步长或3°的步长或2°的步长或1°的步长或0.5°的步长。

在实施例中，磁场具有仅两个磁极。

根据第五方面，本发明还提供一种自动校准根据第一方面所述的但具有至少四个传感器的传感器布置的方法，该方法包括以下步骤：a)使用至少四个磁传感器来测量磁场的至少四个值；b)计算从内传感器获得的值之间的第三成对差并且计算从外传感器获得的值之间的第四成对差；c)计算第三差和第四差的第二比率；d)基于该第二比率来确定相位偏移值。

在实施例中，方法进一步包括将该相位偏移值或从其导出的一个或多个值存储在非易失性存储器中。

本发明的特定方面和优选方面在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述。来自从属权利要求的特征可在适当时与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征组合，而不仅仅是在这些权利要求中明确地阐述的。根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

附图说明

图1(a)示出根据本发明的实施例的示例性磁传感器布置。磁传感器布置包括四极环形磁体和传感器设备，该传感器设备包括基本上被布置在直线上的三个磁传感器。三个传感器信号是基本上90°移相的信号(电气地)。

图1(b)示出如可以由图1(a)中所示出的传感器设备的三个磁传感器测量的三个示例性传感器信号。

图1(c)示出从图1(b)的三个传感器信号导出的两个成对的差信号，一个传感器信号用于两个差信号中。在该示例中，中心传感器的传感器信号用于两个差信号中。

图1(d)示出示例性函数绘图和数学公式，该数学公式可以用于基于图1(c)中所示出的成对的差信号的比率来确定图1(a)的传感器设备相对于磁源的角度位置。

图2(a)示出根据本发明的另一实施例的示例性磁传感器布置，该示例性磁传感器布置可被视为图1(a)中所示出的传感器布置的变型。磁传感器布置包括四极环形磁体和传感器设备，该传感器设备包括基本上被布置在直线上的三个磁传感器。三个传感器信号是基本上60°移相的信号(电气地)。

图2(b)示出如可以由图2(a)中所示出的传感器设备的三个磁传感器测量的三个示例性传感器信号。

图2(c)示出从图2(b)的三个传感器信号导出的两个成对的差信号，一个传感器信号用于两个差信号中。在该示例中，中心传感器的传感器信号用于两个差信号中。

图2(d)示出示例性函数绘图和数学公式(在本文中被称为“未经校正的公式”)，该数学公式可用于基于图2(c)中所示出的成对的差信号的比率来确定图2(a)的传感器设备相对于磁源的角度位置。

图2(e)示出示例性函数绘图和数学公式(在本文中被称为“经校正的公式”)，该数学公式可用于基于图2(c)中所示出的成对的差信号的比率来确定图2(a)的传感器设备相对于磁源的角度位置，其中，C不同于1和/或T不同于0。

图3(a)示出根据本发明的另一实施例的示例性磁传感器布置，该示例性磁传感器布置可以被视为图2(a)中所示出的传感器布置的变型，其中，三个传感器信号是基本上45°移相的信号(电气地)。

图3(b)示出如可以由图3(a)中所示出的传感器设备的三个传感器测量的三个示例性传感器信号。

图3(c)示出从图3(b)的三个传感器信号导出的两个成对的差信号，一个传感器信号用于两个差信号中。在该示例中，中心传感器的传感器信号用于两个差信号中。

图3(d)示出示例性函数绘图和数学公式(在本文中被称为“未经校正的公式”)，该数学公式可用于基于图3(c)中所示出的成对的差信号的比率来确定图3(a)的传感器设备相对于磁源的位置。

图3(e)示出示例性函数绘图和数学公式(在本文中被称为“经校正的公式”)，该数学公式可用于基于图3(c)中所示出的成对的差信号的比率来确定图3(a)的传感器设备相对于磁源的位置，其中，C不同于1和/或T不同于0。

图3(f)和图3(g)图示出使用另一组差信号的另一实施例。

图3(f)示出如可以从图3(b)的信号导出的另一组两个成对的差信号。在该示例中，外传感器的传感器信号用于两个差信号中。

图3(g)示出图3(f)的差信号的比率的(未经校正的)反正切函数将看起来如何。

图4示出根据本发明的另一实施例的示例性磁传感器布置，该示例性磁传感器布置可以被视为图2(a)中所示出的传感器布置的变型，其中，三个传感器信号是基本上30°移相的信号(电气地)。

图5(a)示出根据本发明的另一实施例的示例性磁传感器布置，该示例性磁传感器布置可以被视为图1(a)中所示出的传感器布置的变型，其中，三个传感器信号是基本上90°移相的信号(电气地)，但是其中，传感器位于假想三角形的角处而不是位于直线上。

图5(b)示出位于假想三角形的角处的三个传感器。图5(b)的三角形具有大约19％的高与底的比率(R＝H/B)。

图5(c)至图5(e)示出传感器布置，这些传感器布置包括与各种尺寸的四极环形磁体组合的具有特定尺寸的根据图5(a)的特定传感器设备。在所有这些情况下，三个传感器信号是基本上移相90°的。传感器设备的径向位置在这三种情况下有所不同。

图5(f)至图5(g)借由示例图示出根据本发明的原理可以如何放宽包括图5(a)的传感器设备的传感器布置的安装要求而不会显著损失准确度，或者换言之，可以如何校正安装偏移。

图6(a)示出根据本发明的另一实施例的示例性磁传感器布置，该示例性磁传感器布置可以被视为图4中所示出的传感器布置的变型，传感器设备包括提供四个传感器信号的四个磁传感器，这四个传感器信号是基本上30°移相的(电气地)，这四个传感器基本上位于直线上。

图6(b)示出图6(a)的传感器设备，示出了相应传感器之间相应的距离。

图6(c)示出图6(b)的传感器设备的变型，其中，四个传感器位于假想梯形形状的角处。图6(c)的梯形形状具有大约12％的高与底的比率(R＝H/B)。

图6(d)示意性地示出可以如何使用四个传感器中的第一组三个传感器来计算第一位置值，以及如何使用这四个传感器中的第二组三个传感器来计算第二位置值。任选地，可以将两个值组合以获得单个位置值。任选地，来自四个传感器的信号可以用于自动校准。

图6(e)示出图6(c)中所示出的传感器设备的变型，其中，四个传感器位于假想梯形形状上，该假想梯形形状的角限定两个三角形。

图6(f)示出如可以从图6(a)至图6(e)中所示出的传感器设备的四个传感器获得的示例性波形。

图6(g)示出可从图6(f)中示出的第一组三个信号(H1、H2、H3)获得的两个示例性差信号，这两个示例性差信号可以被视为图3(c)的变型。

图6(h)示出类似于图3(d)和图3(e)中所示出的那些函数绘图的两个示例性函数绘图(在本文中分别被称为“未经校正的反正切函数”和“经校正的反正切函数”)。

图6(i)示出内传感器之间的差和外传感器之间的差的波形以及这些差的比率，该比率基本上是恒定的。该比率可以用于自动校准。

图7示出根据本发明的实施例的传感器设备的示例性框图。

图8(a)示出根据本发明的实施例的线性传感器布置的示例性实施例，该线性传感器布置包括具有三个磁传感器的传感器设备，这三个磁传感器被配置成用于测量90°移相的三个信号。

图8(b)示出图8(a)的线性传感器系统的变型，该变型也包括三个传感器，但被配置成用于提供移相显著小于90°的角度的三个信号，该角度例如在从20°到85°或从30°到80°的范围中。

图8(c)示出图8(b)的线性传感器系统的变型，该变型具有四个传感器，这四个传感器被间隔开以便测量移相小于90°的角度的四个信号，该角度例如在从20°到85°或从30°到80°的范围中。

图9示出根据本发明的实施例的计算传感器设备相对于具有至少两个磁极的磁源的位置的方法，该方法可以用于图1(a)至图8(c)的传感器布置中。

图10示出根据本发明的实施例的校准传感器布置的方法，该方法可任选地用于图1(a)至图8(c)的传感器布置中。

图11示出根据本发明的实施例的自动校准传感器布置的方法，该方法可任选地用于图6(a)-图6(i)的传感器布置中。

图12(a)和图12(b)图示出本发明对于两极磁体同样起作用。

图13(a)至图13(d)图示出本发明对于被配置成用于测量在平行于传感器设备的半导体衬底的方向上的磁场的传感器设备同样起作用。

这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说目的，可将要素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘制。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。

具体实施方式

将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于解说目的，可将要素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于对本发明实际的真实缩小。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或以任何其他方式描述顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的顺序不同的顺序来进行操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的取向不同的取向来进行操作。

应注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制于其后列出的手段；它并不排除其他元件或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅由组件A和B组成的设备。它意指就本发明而言设备的相关组件仅仅是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各发明性方面中的一个或多个发明性方面的目的，本发明的各种特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，此种公开方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式所附的权利要求由此被明确并入到该具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，如将由本领域技术人员理解的，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附权利要求中，任何所要求保护的实施例均能以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而要理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

如本文中所使用的术语“磁传感器”可指能够测量诸如霍尔效应或磁阻(MR)效应之类的一个或多个磁效应的一个或多个传感器元件。针对磁阻效应的非限制性示例包括GMR(巨磁阻)、CMR(庞磁阻)、AMR(各向异性磁阻)或TMR(隧穿磁阻)。取决于上下文，术语“磁传感器”可指单个磁敏元件(例如，水平霍尔元件或垂直霍尔元件)，或者可指一组磁性元件(例如，布置在惠斯通桥(Wheatstone bridge)中或者可指并联连接的一组至少两个霍尔传感器元件)，或者可指进一步包括以下各项中的一项或多项的子电路：偏置电路、读出电路、放大器、模数转换器等。

如本文中所使用，例如，当参考图1(a)的传感器S2、或图5(b)的传感器S2、或图6(b)的传感器S2、或图6(c)的传感器S2时，语句“第二传感器基本上位于第一传感器S1和第三传感器S3之间”意指传感器S2位于穿过第一传感器S1的中心的第一假想平面与穿过第三传感器S3的中心的第二假想平面之间，并且第一假想平面和第二假想平面两者均垂直于穿过传感器S1的中心和传感器S3的中心的假想线。在三个传感器共线的情况下，第二传感器S2可恰好位于第一传感器S1和第三传感器S3之间的中间处，但这不是绝对必需的，并且如果传感器S2被定位成更靠近第一传感器或更靠近第三传感器，则本发明也将起作用。在三个传感器不共线但是例如位于假想圆区段上的情况下，如从所述假想圆的假想中心看出，第二传感器S2可基本上位于第一传感器和第三传感器之间的中间处，但这不是绝对必需的，并且第二传感器可被定位成更靠近第一传感器或更靠近第三传感器。

本发明涉及磁位置传感器和磁位置传感器布置，例如线性位置传感器或角度位置传感器，并且涉及使用此类位置传感器来确定位置的方法，并且涉及校准此类位置传感器的方法，并且涉及自动校准此类位置传感器的特定实施例的方法。

本发明提供一种位置传感器布置，该位置传感器布置包括磁场源和位置传感器设备。磁场源被配置成用于生成具有至少两个磁极(例如，北极和南极)的磁场，或者被配置成用于生成具有至少四个磁极的磁场。位置传感器设备相对于磁场源可移动地布置，或者反之亦然。位置传感器设备包括至少三个磁传感器，包括第一传感器、第二传感器、以及第三传感器，每个磁传感器适于测量所述磁场的相应值。第一磁传感器具有最大敏感度的第一轴并且被配置成用于提供第一信号。第二磁传感器具有平行于第一轴的最大敏感度的第二轴并且被配置成用于提供第二信号。第三磁传感器具有平行于第一轴的最大敏感度的第三轴并且被配置成用于提供第三信号。第一磁传感器、第二次传感器和第三磁传感器被布置在直线上或者在假想三角形的角处，该假想三角形具有从1％到45％的范围中的高与底的比率。

传感器设备进一步包括处理单元，该处理单元连接至第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器以用于获得第一信号、第二信号和第三信号，并且传感器设备被配置成用于基于第一成对差“DIFF1”和第二成对差“DIFF2”的比率来确定位置传感器设备相对于磁场源的位置。第一成对差是从所述第一信号、第二信号和第三信号选择的第一对恰好两个信号(例如，H1、H2)的差。第二成对差信号是从所述第一信号、第二信号和第三信号选择的第二对恰好两个信号的差。第二对不同于第一对。第一信号、第二信号和第三信号中的一者用于第一差和第二差两者中。

由于第一传感器、第二传感器和第三传感器具有平行的最大敏感度轴，因此这些传感器全部测量同一个干扰场(如果存在)，因此，通过将这些信号中的两个信号相减，可以消除外部干扰场的影响。

该实施例的优势在于，第一差信号是仅两个信号之间的差(例如，H1-H2)，并且第二差信号是仅两个信号之间的差(例如，H2-H3)。这非常易于计算，并且不要求在模拟域中进行乘法或放大(后者典型地通过运算放大器来实现，通常具有偏移误差和/或增益误差)。

该实施例的优势在于，由于第一差信号和第二差信号的所述比率，所测量的值本身对例如由于退磁或温度影响造成的老化是稳健的，并且对传感器相对于磁源(例如，永磁体)的距离变化高度不敏感。

本发明部分地基于以下洞察：使用正交信号或傅立叶变换来确定线性或角度位置不是绝对必需的，但是基于两个差信号的比率来唯一地确定位置也是可能的并且实际上是惊人地简单的，即使这些信号并非90°移相的，以及即使DIFF1和DIFF2的幅度并不相同。

实际上，发明人发现了可以用于计算线性位置或角度位置的基于差信号的比率的数学表达式，即使传感器被间隔开不同于90°的角度，例如小于90°的角度，例如，间隔开80°或70°或60°或50°或40°或30°或甚至20°，或者大于90°的角度，例如，间隔开100°或110°或120°或130°或140°或150°或甚至160°。这通过以下手段提供了若干个重要的益处，例如：(i)通过允许(以数学方式)校正传感器设备与磁源之间的任何位置偏移，和/或(ii)通过允许(具有特定尺寸的)单个传感器设备与若干个而且具有各种尺寸的磁源组合使用，这些磁源例如，两极磁体或四极磁体或六极磁体或八极磁体(参见例如图5(c)至图5(e))。在一些实施例中，为了得到最佳结果，可要求准确的相对安装定位或校准。然而，在一些实施例中，根本不要求下线(end-of-line)校准，并且传感器设备可以在实际使用期间自动校准，即使传感器设备的尺寸与磁源的尺寸不匹配，以及即使由各个传感器提供的信号并非90°移相的。

现在参考附图。

图1(a)示出示例性磁传感器布置100，包括四极环形磁体101(示意性地由黑色圆来表示)和传感器设备110(示意性地由矩形来表示)，四极环形磁体101可绕旋转轴或轴线102旋转。

四极环形磁体101可(在Z方向上)被轴向地磁化。

传感器设备110包括被布置在假想直线上的三个磁传感器S1、S2、S3。在图1(a)的示例中，这些传感器中的每个传感器包括单个水平霍尔元件，各自具有垂直于图平面的Z方向上的最大敏感度轴。传感器S1、S2、S3优选地被嵌入在单个半导体衬底中。

在图1(a)的实施例中，传感器设备110的尺寸和/或位置与磁体101的尺寸匹配。更具体地，传感器110相对于磁体101以以下方式被定位：使得由传感器S1、S2、S3提供的信号H1、H2、H3是作为角θ的函数的基本上90°移相的信号。事实上，在图1(a)中所示出的示例中，传感器S1位于北极“N”上方，传感器S3位于南极“S”上方，并且传感器S2位于所述北极与所述南极之间的转变的上方。

图1(b)示出如可以由图1(a)中所示出的传感器设备110的三个传感器S1、S2、S3测量的三个示例性传感器信号H1、H2、H3。如可以看出，这些信号中的每个信号是基本上正弦的，这三个信号具有基本上相同的幅度，并且这些信号是基本上90°移相的。信号组H1和H2是正交信号，并且信号组H2和H3也是正交信号，但是实际上，单独的信号H1、H2和H3对干扰场(如果存在)敏感。图1(b)将信号示出为电压，但是这不是绝对必需的，并且例如也可以使用电流值。

图1(c)示出两个成对的差信号，在该示例中，这两个成对的差信号是作为角θ的函数的DIFF1＝(H1-H2)和DIFF2＝(H3-H2)。因此，信号H2用于两个差信号中。令人惊讶的是，差信号DIFF1和DIFF2具有相同的幅度并且是相对于彼此90°移相的，因此是正交信号。重要的是，这些差信号对外部干扰场不敏感。一对差信号DIFF1、DIFF2的值唯一地限定(特定角度范围内的)角度位置。

图1(d)示出可以用于确定唯一的角度位置的数学公式和对应的函数绘图。如所示，角度位置可以被计算为两个差信号DIFF1和DIFF2的比率的函数，更具体地，被计算为所述比率的反正切函数，例如使用以下公式来计算：

θ＝arctan[(H1-H2)/(H3-H2)] [1a]

出于完整性，指出arctan(-x)＝-arctan(x)以及arctan(1/x)＝-π/2-arctan(x)。角度位置是正还是负是定义的问题，并且反正切函数前的符号也是如此，并且“开始位置”或“零位置”也是如此。因此，下列示例性公式也将起作用：

θ＝θ₀+arctan[(H1-H2)/(H3-H2)] [1b]，或

θ＝θ₀-arctan[(H1-H2)/(H3-H2)] [1b]，或

θ＝θ₀+arctan[(H3-H2)/(H1-H2)] [1c]，或

θ＝θ₀-arctan[(H3-H2)/(H1-H2)] [1d]等。

尽管图1(a)中所示出的传感器设备具有用于测量由磁体产生的磁场的Bz场分量的三个所谓的水平霍尔板，但这不是绝对必需的，并且也可以使用其他磁传感器，例如被配置成用于测量X方向上的场(其为针对第二传感器S2的径向的场)的三个垂直霍尔板，或者例如被配置成用于测量Y方向上的场(其为针对第二传感器S2的切向的场)的三个垂直霍尔板，但是也可以使用其他磁传感器，例如GMR或TMR传感器或者其他合适的磁传感器。注意，此类传感器的偏置和读出电路在本领域中是公知的，并且因此在此处不需要详细解释。同样，诸如例如“旋转电流技术”之类的读出技术在本领域中也是公知的，并且也可以在此处使用。

尽管图1(a)中示出的传感器布置包括永磁体作为磁源，但这不是绝对必需的，并且也可以使用其他磁源，例如具有传导电流的电导体的结构。

图1(a)中示出的永磁体是环形磁体，但是本发明对于例如盘状磁体之类的其他磁体也将起作用。

图1(a)中示出的永磁体具有四个磁极，但是本发明对于具有多于四个磁极(例如，六个磁极或八个磁极或多于八个磁极)的磁体也将起作用。

图1(a)中示出的永磁体可以是轴向磁化的，但是本发明不限于此，并且也可以使用其他磁化，例如径向磁化。

注意，取代计算反正切函数，还可能将查找表存储在传感器设备710的非易失性存储器731(参见图7)中。该查找表可以例如存储两列数据：具有比率值的第一列以及具有对应的角度位置θ的第二列。处理单元730(参见图7)可进一步适于对该表的值进行内插。注意，此类表也可将例如与第二传感器S2的幅度与第一传感器S1及第三传感器S3的幅度不完全相同有关的某些伪像(诸如例如，非均匀性或非理想性)考虑在内。图10示出可以用于建立此类查找表的方法1000的流程图。

尽管三个传感器优选地被集成在单个衬底上，优选地与处理单元730一起被集成在单个衬底上，但这不是绝对必需的，并且也可以使用多个衬底。

在图1(a)至图1(d)中，将第一差信号DIFF1选择为H1-H2，并将第二差信号DIFF2选择为H3-H2，并且将比率选择为DIFF1/DIFF2，但是其他组合也是可能的，例如，如此处所列举的：

在实施例中，DIFF1＝±(H1-H2)，并且DIFF2＝±(H3-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H2-H3)，并且DIFF2＝±(H1-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

尽管图1(a)至图1(d)的实施例针对角度位置传感器来进行解释，但相同的原理还应用于线性传感器，参见例如图8(a)。

尽管是一种优质的解决方案，但图1(a)-图1(d)的实施例具有如下劣势：为了获得准确的结果，传感器S1、S2、S3的位置需要与磁源的磁极的位置对齐，这对传感器110和/或磁源101的尺寸和/或安装位置造成了限制。发明人想要在不失去该解决方案的优势(例如，杂散场免疫、对老化高度不敏感、对退磁高度不敏感)的情况下作出更加通用的解决方案。

图2(a)示出示例性磁传感器布置200，该示例性传感器布置200可以被视为图1(a)中所示出的传感器布置100的变型。此种传感器布置与图1(a)-图1(d)的传感器布置之间的主要差别在于，三个传感器S1、S2、S3相对于磁体磁极被布置成使得三个传感器信号H1、H2、H3是基本上60°移相而不是90°移相的信号(电气地)。这(尤其)提供了以下优势：衬底210可以比图1(a)-图1(d)的衬底110更小，由此更加紧凑并且典型地也更加成本高效的，这在例如汽车市场中是非常重要的优势。

图2(b)示出如可以分别由图2(a)中所示出的传感器设备210的三个传感器S1、S2、S3测量的三个示例性传感器信号H1、H2、H3。

图2(c)示出如可以从图2(b)的信号导出的两个成对的差信号，在该示例中为DIFF1＝H1-H2和DIFF2＝H3-H2。因此，信号H2用于差信号DIFF1、DIFF2两者中。可以看出，两个差信号DIFF1、DIFF2的幅度是基本上相同的，但是相较于图1(c)的信号，信号DIFF1、DIFF2并非正交信号，因此无法简单地用于反正切函数中。然而，本发明的发明人惊人地发现，这些差信号仍然唯一地标识(测量范围内的)角度位置。

图2(d)示出差信号的比率的反正切函数将看起来如何。如可以看出，在由该反正切函数提供的值与实际的角度位置之间存在很大的误差(高达大约0.5弧度或大约30°)。但是发明人意识到，优选地，建立具有两列的查找表是可能的，第一列包含差信号的比率的值，并且第二列包含正确的角度位置θ的值(如以虚线所图示)。

尤其是考虑到信号并非正交信号，简直令人惊讶的是，此类简单的解决方案(测量三个信号，计算两个差，计算这些差的比率，并且将该比率作为查找表的索引)能以对老化、退磁和外部干扰场不敏感的方式提供准确的位置值。

图2(e)示出图2(d)的虚线也可以使用在本文中被称为“经校正的公式”的数学公式来计算，其与图2(d)的虚线重合并且由此也提供准确的位置值。以此种方式，可以规避查找表。

可以将数学函数写为：

θ＝arctan(比率/C-T) [2]

其中，比率＝DIFF1/DIFF2 [3],

并且DIFF1＝H1-H2，且DIFF2＝H3-H2，并且C和T是常数。

可以看出，如果C＝1且T＝0，则公式[2]等于未经校正的反正切函数。

发现如果三个信号H1、H2、H3移相60°，则C的值＝cos(30°)≈0.866，并且T的值＝tan(30°)≈0.577，或者一般而言，如果三个信号移相角度α，则

C＝cos(90°-α) [4],并且

T＝tan(90°-α) [5]

在优选实施例中，C的值不同于1.0(例如，小于0.95)和/或T的值不同于0.0(例如，具有至少0.05的绝对值)。

在实施例中，C小于0.95且T大于0.05。

在实施例中，C小于0.95且T小于-0.05。

若干个变型是可能的，例如：

在实施例中，DIFF1＝±(H1-H2)，并且DIFF2＝±(H3-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

在实施例中，DIFF1＝±(H2-H3)，并且DIFF2＝±(H1-H2)，并且R＝DIFF1/DIFF2。

并且对于这些实施例中的每个实施例，取决于使用哪些差信号，具有适当的符号的公式

θ＝arctan(比率/C±T) [6a]

是可适用的。

该实施例的优势在于，(对于给定的磁体)可以在不失去上文所描述的优势(例如，对于杂散场、老化、退磁不敏感)的情况下使传感器设备210比传感器设备110更小(由此更便宜)。

如上文所提及，arctan(-x)＝-arctan(x)并且arctan(1/x)＝-π/2–arctan(x)，并且正方向和负方向是定义的问题，并且“开始位置”和“零位置”也是如此。因此，下列示例性公式也将起作用：

θ＝θ₀+arctan(比率/C±T] [6b]，或者

θ＝θ₀-arctan(比率/C±T] [6b]，或者

θ＝θ₀+arctan[C/(比率±T×C)] [6c]，或者

θ＝θ₀-arctan[C/(比率±T×C)] [6d]，等等。

图3(a)示出示例性磁传感器布置300，该示例性磁传感器布置300可以被视为图2(a)中所示出的传感器布置200的变型，主要差别在于：三个传感器S1、S2、S3被定位成更靠近在一起，以及三个传感器信号H1、H2、H3是基本上45°而不是60°移相的信号(电气地)。加上必要的变更，上文所描述的任何其他内容在此处也可适用。

图3(b)示出如可以由图3(a)中所示出的传感器设备310的三个传感器S1、S2、S3测量的作为角度θ的函数的三个示例性传感器信号H1、H2、H3。

图3(c)示出如可以从图3(b)的信号导出的两个成对的差信号DIFF1、DIFF2。

图3(d)示出差信号的比率的未经校正的反正切函数将看起来如何。(最坏情况)误差甚至大于图2(d)中的误差，但是如上文所述，优选地，建立将比率值转换为正确的角度位置值(如由虚线所指示)的查找表是可能的。

图3(e)示出上文已提及的数学公式在此处也可用于计算角度位置而无需所述查找表。在该示例中，C的值＝cos(90°-45°)＝cos(45°)≈0.707，并且T的值＝tan(45°)≈1.000。

在图3(a)的示例中，H2与H3之间的相移ε2等于H1与H2之间的相移ε1，但是本发明不限于此，并且相移也可以是不同的。从上文可以理解，查找表也可以用于基于两个差信号的比率来计算角度位置。

图3(a)的实施例的优势在于，对于相同的磁体，在不失去上文所描述的优势的情况下，可以使得传感器设备310甚至比图2(a)的传感器设备210更小。

从图2(a)至图2(d)以及图3(a)至图3(d)中所示出的示例可以理解，相同的原理对于其他相移值也是可适用的，这些相移值例如，从大约5°到85°或从10°到85°或从20°到85°或从10°到80°或从20°到80°的范围中的任何相移值。

该洞察允许首先(i)组装传感器设备和磁源，并且随后(ii)确定C的值和T的值或者建立并存储查找表(例如，使用图10的方法)，由此自动地将传感器设备和磁体的任何尺寸不匹配和/或(关于预想的位置的)任何安装偏差和/或磁体的磁化的非理想性考虑在内。换言之，所提供的解决方案是高度通用且高度准确的。如果非易失性存储器可以完全或部分地被重写(如例如EEPROM或闪存的情况下)，甚至可能例如通过覆写C的值和T的值或者通过覆写查找表而在维护期间重新校准场中的传感器布置。

在特定实施例中，传感器设备可在非易失性存储器中(例如，在ROM中)以压缩或未经压缩的形式、或增量式编码、或以另一合适的方式存储多个查找表，例如，针对ε1＝ε2＝α＝90°的第一表(如图1(a)-图1(d)中)、针对α＝60°的第二表(如图2(a)-图2(d)中)、以及针对α＝45°(如图3(a)-图3(d)中)的第三表。并且要选择哪个表可借助输入信号(例如，经由电阻器而被拉高或拉低的引脚)或经由提供表编号(在该示例中：1或2或3)的数字接口来选择。

在进一步的实施例中，传感器设备甚至可进一步使用两个表来应用二维内插。例如，基于两个参数来提供位置θ的值将是可能的，第一参数为比率R＝DIFF1/DIFF2(用于在表中搜索)，并且第二参数为例如α的值(用于在若干个表之间内插)。比率可由设备本身基于所测量的磁信号H1、H2、H3来计算。例如，在校准测试之后，α的值或者ε1和ε2的值可以经由输入引脚或经由串行接口被提供，或者可被存储在非易失性存储器中。当然，这仅仅是示例，并且受益于本公开的技术人员可以发现如由权利要求书所限定的本发明的范围内的许多变型。例如，在一个此类变型中，比率R的值和对应的位置θ的值能以分段线性近似的形式来编码。

图3(f)示出如可以从图3(b)的信号导出的另一组两个成对的差信号，即DIFF1＝H1-H3和DIFF2＝H3-H2。在该示例中，由外传感器提供的H3用于两个差信号中。如可以看出，这些差信号的幅度并不相同，但是同样在该情况下，比率R＝DIFF1/DIFF2唯一地限定一个角度位置，该角度位置可以使用查找表来确定。

图3(g)示出图3(f)中所示出的这些差信号的比率R＝DIFF1/DIFF2的反正切函数将看起来如何。尽管这些绘图本身典型地不被使用，但是它们图示出(使用查找表)转换图3(f)的差信号的比率以唯一地确定(可测量范围内的)角度位置是可能的。针对将图3(a)的信号H1、H2、H3移相45°的示例示出附图图3(f)，但是应当清楚，相同的推理对于其他相位偏移也成立。

图4示出示例性磁传感器布置400，该示例性传感器布置400可以被视为图2(a)中所示出的传感器布置200的变型或者被视为图3(a)中所示出的传感器布置300的变型。主要差别在于，传感器S1、S2、S3被定位成甚至更靠近在一起，以使得三个传感器信号H1、H2、H3是基本上30°移相的信号(电气地)。

该附图的主要目的在于图示对于给定的磁源401和给定的传感器设备相对于轴线402的位置(例如，径向位置)，通过减小传感器之间的距离，或者换言之，通过减小角度ε1和ε2，可以进一步减少衬底410的尺寸。从上文可以理解，此类收缩的影响将在于，传感器信号H1、H2和H3将是具有减小的相位偏移的信号，在该示例中，为电气的30°，但是即使针对此类小的相移，也可以基于两个成对的差信号的比率、例如借助数学表达式或借助查找表(任选地利用一维内插)或借助多个查找表(任选地利用二维内插)来唯一地限定传感器设备410相对于磁源401的(测量范围内的)位置。

尽管没有明确示出，但角度ε1、ε2可以进一步减小到例如电气的20°或甚至低至电气的15°或甚至电气的10°的角度。然而，可以理解，对于此类小的偏移，温度噪声和/或截断误差和/或量化误差(由于数字化)等等的影响可能开始变得更加明显。

图5(a)示出示例性磁传感器布置500，该示例性磁传感器布置500可以被视为图1(a)中所示出的传感器布置的变型，其中，三个传感器信号H1、H2、H3是基本上90°移相的信号(电气地)，但是其中，传感器S1、S2、S3位于假想三角形的角处而不是位于直线上。

在图5(a)的示例中，三个传感器位于圆上，该圆的中心位于磁体的旋转轴上，但是这对于本发明起作用不是绝对必需的。

在图5(a)的传感器系统的变型中，三个传感器S1、S2、S3也位于假想三角形上，这形成了圆形区域，但是该圆形区域的中心并非位于磁体的旋转轴上而是距所述轴偏移例如至少3mm或至少4mm或至少5mm。

图5(b)以放大示图示出图5(a)的传感器设备，并且示出三个传感器S1、S2、S3位于假想三角形的角处。优选地，该三角形具有在从1％到45％的范围中、或从2％到45％的范围中、或从5％到45％的范围中、或从5％到30％的范围中、或从5％到25％的范围中、或从10％到30％的范围中的高与底的比率(R＝H/B)，例如等于大约15％或等于大约20％或等于大约25％。

操作原理很大程度上与上文所解释的那些原理(其中传感器位于假想线上)相同，这些操作原理具有进一步的优势：第一传感器信号H1、第二传感器信号H2、和第三传感器信号H3将典型地彼此略微不同。

图5(c)至图5(e)示出传感器布置，这些传感器布置包括与各种尺寸的四极环形磁体组合的图5(a)的传感器设备。在所有这些情况下，三个传感器信号是基本上移相90°的。这些图图示出具有如所示的三个传感器S1、S2、S3并且具有特定尺寸的传感器设备510可以有利地与多个环形磁体一起使用，这三个传感器S1、S2、S3位于具有上文所指定的范围中的H/B的三角形上，环形磁体的直径可按大约200％的因子在最大(图5(c))与最小(图5(e))之间变化。如所图示，信号H1、H2、H3之间预定义的相移(例如，±90°)可以通过将传感器设备转移成更靠近于或更远离于轴线而获得。

因此，假如选择了适当的安装位置，根据本发明的特定传感器设备510可以甚至在不执行校准的情况下与具有各种尺寸的磁源501c、501d、501e组合使用，而不降低准确性。如可以看出，优选地，三个传感器位置的“磁心”和/或传感器位置的几何中心并非位于环形磁体或盘状磁体的旋转轴上，但是优选地，位于距旋转轴至少2mm、或至少2.5mm、或至少3mm、或至少4mm的距离处。尽管示出针对传感器信号之间具有90°偏移的传感器设备的示例，但是当然也可以使用具有另一预定义偏移的传感器设备，该另一预定义偏移例如75°或60°或45°(具有已知的C和T的值或α的值或ε1和ε2的值)。

或者换言之，如下文所描述，如果传感器设备在安装之后是可配置的，例如，通过经由串行接口提供C和T的值，或者通过在组装后将查找表的值下载到设备中，或者通过将一个或多个引脚拉高或拉低以选择适当的查找表，或以另一合适方式是可配置的，则可极大地放松安装公差。

图5(f)和图5(g)借助示例图示出特定传感器设备可以如何以三个传感器信号移相电气的大约88°的方式在一种传感器布置(图5(f))中使用，而完全相同的传感器设备能以三个传感器信号移相电气的大约70°的方式在另一传感器布置(图5(g))中使用。通过在安装后相应地配置设备(例如，通过确定上文所描述的C和T的值，并且通过在校准测试期间将这些值存储在非易失性存储器中)，可以在正常操作期间实现准确结果，而不论很大程度上不同的安装位置。

图6(a)示出示例性磁传感器布置600，该示例性传感器布置600可以被视为图4中所示出的传感器布置400的变型。传感器设备610包括分别提供传感器信号H1、H2、H3、H4的四个传感器S1、S2、S3、S4，这些信号基本上是相对于彼此移相30°的(电气地)。在图6(a)的实施例中，四个传感器S1、S2、S3、S4基本上位于直线上，但这不是绝对必需的。

图6(b)示出图6(a)的传感器设备610，示出了相应传感器之间相应的距离。在优选实施例中，距离d12、d23和d34是相同的。

图6(c)示出图6(b)的传感器设备的变型，其中，四个传感器位于假想梯形形状的角处。梯形形状可具有从大约2％到大约30％、或从5％到25％、或从10％到20％的范围中的高与底的比率(R＝H/B)，例如，等于大约12％、或等于大约14％、或等于大约16％、或等于大约18％。

图6(d)示意性地示出可以如何使用来自从具有四个传感器的群组选择的第一组三个传感器S1、S2、S3的信号H1,H2,H3以上文所描述的方式(假定α的值已知，或者C和T的值已知，例如，被存储在非易失性存储器中)来计算第一位置值θ1，以及可以如何使用来自从具有四个传感器的群组选择的第二组三个传感器S2、S3、S4的信号H2、H3、H4以上文所描述的方式(假定α的值已知，或者C和T的值已知，例如，被存储在非易失性存储器中)来计算第二位置值θ2，例如，通过使用查找表，或者通过使用经校正的反正切函数。如果传感器S1至S4被等距离地定位，则θ2的值等于θ1的值移相α，因此：

θ2＝θ1+α [7]

在实施例中，将两个位置值θ1、θ2组合，以便改善信噪比(SNR)，例如如下：

θ＝(θ1+(θ2-α))/2 [8]

在实施例中，将两个位置值θ1和(θ2-α)进行比较，并且如果它们相差大于预定义的阈值，则提供误差信号。以此种方式，误差可以被检测。

在特定实施例中，传感器设备适于就地自动地确定α的值或者C和T的值。这尤其是有利的，因为(例如，生产线末端处的)校准步骤可以被省略。或者换言之，此种传感器设备可以自动配置或者自动地自己校准。这将在图6(f)至图6(i)中描述，并且自动校准的方法将在图11中描述。

图6(e)示出图6(d)中所示出的传感器设备的变型，其中，四个传感器位于假想梯形形状上，该梯形形状的角限定了两个三角形(第一个三角形由传感器S1、S2、S3形成，并且第二个三角形由传感器S2、S3、S4形成)。这提供了以下优势，四个信号的幅度将典型地彼此偏差略微较少，以及特定设备可以与更大范围的具有各种尺寸的磁源一起使用，这些磁源例如永磁体。

图6(f)示出如可以从图6(a)至图6(e)中所示出的传感器设备610的四个传感器S1、S2、S3、S4获得的四个示例性正弦波形H1、H2、H3、H4。如可以从图6(a)领会，这些正弦信号具有基本上相同的幅度，但是是30°移相的。

图6(g)示出可从图6(f)中所示出的第一组三个信号(H1、H2、H3)获得的两个示例性成对的差信号DIFF1＝H2-H1和DIFF2＝H2-H3，图6(g)可以被视为图3(c)的变型。

图6(h)示出两个示例性函数绘图，一个在本文中指代“未经校正的反正切函数”，并且另一个在本文中指代“经校正的反正切函数”。这些函数类似于图3(d)和图3(e)中所示出的那些函数，除了它们的符号是相反的，因为图6(g)中的DIFF2被定义为H2-H3而图3(c)中的DIFF2被定义为H3-H2。如上文(参见图3(a)-图3(g))已经解释的，如果信号H1、H2、H3之间的角度偏移(在图6(a)中，α＝30°)是已知的，则可以例如使用上文提及的公式[4]和[5]来确定C和T的值。

因此，在该示例中，C＝cos(60°)≈0.500且T＝tan(60°)≈1.732，并且可以使用公式[6]来计算由S1、S2、S3形成的第一个三角形的角度位置θ1。

替代地，利用可在安装公差相对较低的情况下使用的、可以是预定的查找表(例如，通过设计或通过模拟来确定)的查找表也将是可能的，或者(例如，如果安装公差相对较大)利用在下线测试时确定的查找表也将是可能的。在此种情况下，不需要计算或确定α的值、C和T的值、或者ε1和ε2的值，但是可以例如直接地从查找表或经由内插提取角度位置值θ。

以类似的方式，由S2、S3、S4形成的第二个三角形的第二角度位置θ2可以使用类似的公式但使用信号H2、H3、H4来计算。如上文所提及，第二个三角形相对于第一个三角形移相，这可以通过公式[7]来数学地表达。传感器设备610相对于磁源的位置(或反之亦然)随后可使用公式[8]来提供。

图6(i)示出作为角度位置θ的函数的内传感器信号H2与H3之间的第三差DIFF3以及外传感器信号H1与H4之间的第四差DIFF4，并且还示出了这些差之间的比率R2＝DIFF4/DIFF3，该比率基本上为常数。令人惊讶的是，发明人发现，R2的值指示相位偏移α，或者换言之，相位偏移α可以基于比率R2而被确定。

在其中R2＝(H4-H1)/(H3-H2)的实施例中，α的值可以基于下列公式来计算或估计：

α＝90°-arcsin[(R2-1)/2] [9]

尽管发明人不希望受任何理论束缚，但这可被理解如下：(H4-H1)和(H3-H2)以相位信号的形式(参见图6(i))，并且比率与相移α无关。当相位偏移α临近0°时，则R2临近3.00；当相位偏移α临近30°时，则R2临近2.73；当相位偏移α临近45°时，则R2临近2.41；当相位偏移α临近60°时，则R2临近2.00；当相位偏移α临近90°时，则R2临近1.00。

代替于使用公式[9]，还可以使用查找表并且使用R2的值作为索引，任选地利用内插来确定相位偏移α。

此种自动校准函数可以在传感器设备610中用于自动地确定特定传感器布置的相位偏移α而不要求下线校准。该特征的优势不应被低估，因为生产线末端(EOL)处的校准相对昂贵，并且可以从设备610中被省略并通过第一次使用期间或在启动期间等等的自动校准来代替。还参见图11，图11描述了此类方法。该实施例的另一优势在于，四个传感器(例如，四个霍尔元件)可以被定位成相对靠近在一起，与磁极之间的物理距离无关，并且因此可以被集成在单个芯片上。

图7示出如可以在位置传感器设备中使用的电路710的电学框图，该位置传感器设备例如，如图1(a)至图6(i)中任一附图中所示出的位置传感器设备。

电路710包括多个磁传感器并且包括处理单元730和非易失性存储器731。

该多个磁传感器包括至少三个或恰好三个磁传感器S1、S2、S3(例如，如图1(a)至图5(g)中)或者包括至少四个或恰好四个磁传感器S1、S2、S3、S4(例如，如图6(a)-图6(i)中)。

处理单元730适于以上文所描述的方式来确定例如线性位置x或角度位置θ之类的位置，例如通过使用预定义的单个查找表，或者通过在校准测试期间使用存储在传感器设备710中的查找表，或者通过在多个查找表之间使用内插，或者通过使用一组公式(例如，在传感器信号是90°移相的情况下使用公式[1]，或者在传感器信号并非移相90°而是例如移相从大约10°到大约85°的范围中的角度α的情况下使用公式[6])。如上文所解释，位置基于成对的差信号的比率。减法可以在在模拟域中的放大前或放大后完成，或者在数字域中完成。

处理单元730可包括数字处理器，该数字处理器包括或连接至非易失性存储器731，非易失性存储器731存储至少一个常数值，例如，ε1、ε2、α、C、T、R2中的一者或多者。数字处理器可以例如是8位处理器或16位处理器。

尽管没有明确示出，但处理电路可包括从由以下各项组成的群组中选择的一个或多个组件或子电路：放大器、差分放大器、模数转换器(ADC)等。ADC可具有至少8位或至少10位或至少12位或至少14位或至少16位的分辨率。

处理电路730可例如经由数字接口(例如，串行总线接口)例如使用I²C协议或者使用RS232协议或任何其他合适的协议来提供作为模拟信号或作为数字信号的位置。

尽管未示出，但在某些实施例中，例如具有四个传感器的图6(a)-图6(i)的传感器设备，处理单元可具有用于例如在检测到两个位置值(θ1+α/2)和(θ2-α/2)偏差大于预定义阈值时提供误差信号的误差输出端。

图8(a)至图8(c)图示出上文所描述的原理也可以应用于线性位置传感器。

图8(a)示出线性传感器布置800的示例性实施例，该线性传感器布置800包括相对于磁结构801可移动地布置(或反之亦然)的传感器设备810。传感器设备810包括被配置成用于测量90°移相的三个信号H1、H2、H3的三个传感器S1、S2、S3。磁结构801包括多个交替的北极和南极，这些北极和南极沿移动轴X等距离地布置。传感器设备810可以是可移动的，而磁结构或磁条801是固定的，或者反之亦然。由传感器S1、S2、S3获得的波形与图1(a)-图1(d)中所示出的那些波形相同或类似，并且可以使用利用两个成对的差信号的比率的反正切函数的公式[1]来确定X轴上的位置x。如可以看出，在此种情况下，传感器设备810的尺寸与磁结构801的尺寸匹配。

图8(b)示出线性传感器布置850的示例性实施例，该线性传感器布置850包括相对于磁结构851可移动地布置(或反之亦然)的传感器设备860。传感器设备860包括被配置成用于测量移相小于90°的三个信号H1、H2、H3的三个传感器S1、S2、S3，例如，移相在从5°到85°或从10°到85°或从20°到85°或从10°到80°或从20°到80°的范围中的角度。磁结构851包括多个交替的北极和南极，这些北极和南极沿移动轴X等距离地布置。传感器设备860可以是可移动的，而磁结构或磁条801是固定的，或者反之亦然。由传感器S1、S2、S3获得的波形与图2(b)或图3(b)或图3(f)中所示出的那些波形相同或类似。X轴上的相对位置x可以基于两个成对的差信号的比率来确定，该比率例如作为查找表中的索引或者作为函数的自变量，该函数例如在图2(e)和图3(e)中所描述的并且通过公式[6]表达的“经校正的反正切函数”。

如可以看出，传感器设备860的尺寸和磁结构851的尺寸可以匹配但是不需要匹配，或者是不匹配的但是替代地可以独立地被选择。如上文所提及，这(尤其)提供了以下优势：具有特定尺寸的传感器设备可以与具有各种尺寸的各种磁结构一起使用。传感器设备的处理单元730可被配置(例如，被硬编码)成用于基于预定的相位偏移α或者C和T的值来计算位置(如上文所描述)，或者可被配置成用于(例如，使用被上拉或下拉的一个或多个输入引脚或者向其施加指示此类选择的模拟电压的输入引脚，或者经由串行端口)从多个预定义的相位偏移值中选择特定的相位偏移值，和/或可被配置成用于根据如通过公式[6]表达的经校正的反正切函数来确定位置x。

图8(c)示出线性传感器布置870的示例性实施例，该线性传感器布置870包括相对于磁结构871可移动地布置(或反之亦然)的传感器设备880。传感器设备880包括被配置成用于测量优选地移相小于90°的四个信号H1、H2、H3、H4的四个传感器S1、S2、S3、S4，例如，移相在从10°到85°或从10°到85°或从20°到85°或从10°到80°或从20°到80°的范围中的角度α。四个传感器S1至S4优选地被等距离地定位在假想线上。磁结构871包括多个交替的北极和南极，这些北极和南极沿移动轴X等距离地布置。传感器设备880可以是可移动的，而磁结构或磁条871是固定的，或者反之亦然。由传感器S1、S2、S3、S4获得的波形与图6(f)中所示出的那些波形相同或类似。第一线性位置值x1可以基于从传感器S1、S2、S3获得的信号H1、H2、H3(如图6(d)中)来确定，并且第二线性位置值x2可以基于从传感器S2、S3、S4获得的信号H2、H3、H4(如图6(d)中)来确定，每个线性位置值基于从三个信号中选择的两个成对的差信号(其中一个信号用于两个差信号中)的比率通过利用一个或多个查找表或数学函数(参见例如公式[6])来确定。两个位置值中的每个位置值指示传感器设备相对于磁源的位置，但是这两个值略微偏移了常数值“dx”，该常数值“dx”对应于信号之间的相移α。

类似于公式[7]，第二距离值x2应当等于：

x2＝x1+dx [10]

其中，dx是常数值。在实施例中，将两个位置值x1、x2组合，以便改善信噪比(SNR)，例如如下：

x＝(x1+(x2-dx))/2 [11]

这也可以被写为：

x＝(x1+dx/2)+(x2-dx/2) [12]

任选地，传感器布置870适于在两个位置(x1+dx/2)和(x2-dx/2)偏差预定义的阈值(例如，大于可测量范围的5％或大于可测量范围的4％或大于可测量范围的3％或大于可测量范围的2％或大于可测量范围的1％)的情况下提供误差信号。

任选地，传感器布置870适于“现场地”自动校准，例如，在上电时或在其首次使用时，如在图11中所解释。

图8(a)至图8(c)的传感器设备810的传感器S1、S2、S3和S4(如果存在)中的每个传感器可例如包括适于测量磁场分量Bz的一个水平霍尔元件，因此三个传感器元件的最大敏感度轴被取向成平行的，由此外部干扰场(如果存在)对它们中的每一个具有相同的影响，并且这些信号中的两个信号的减法消除了外部场。

在另一实施例中，传感器S1、S2、S3和S4(如果也存在)中的每个传感器包括适于测量X方向上的磁场分量Bx的一个垂直霍尔元件。同样，由于垂直霍尔元件按同一个方向(在该示例中为X方向)取向，因此当将这些信号中的两个信号相减时，恒定干扰场的影响抵消。

在又一实施例中，传感器S1、S2、S3和S4(如果也存在)中的每个传感器包括适于测量Y方向上的磁场分量By的一个垂直霍尔元件。同样，由于垂直霍尔元件按同一个方向(在该示例中为Y方向)取向，因此当将这些信号中的两个信号相减时，恒定干扰场的影响抵消。

实际上，这可适用于本发明的其他实施例。因此，例如，尽管没有明确示出，但是如果使用位于相应的传感器位置处的三个垂直霍尔元件，考虑到这些垂直霍尔元件按同一个方向(例如，全部按X方向或全部按Y方向)取向，则图5(b)的实施例也将起作用。

图9示出确定传感器设备相对于磁源的位置x、θ的方法900，该传感器设备可以在图1(a)至图8(c)中所图示的传感器布置中使用，该磁源具有至少两个或至少四个或至少六个或至少八个磁极。方法900包括以下步骤：

a)使用至少三个磁传感器S1、S2、S3测量901磁场的至少三个值H1、H2、H3；

b)生成或计算902这些至少三个值中的第一对之间的第一差DIFF1，并且生成或计算这三个值中的第二对之间的第二差DIFF2，第二对不同于第一对；

c)计算903第一差和第二差的比率R；

d)基于所述比率R来确定904位置x、θ。

步骤a)可包括测量恰好三个值或测量恰好四个值。

步骤b)可包括：在模拟域中(例如，使用运算放大器)生成所述第一差信号和所述第二差信号并且随后使该差信号数字化，或者可包括：使各个传感器信号数字化并且随后在数字域中执行减法。

优选地，三个信号中的一个信号用于第一差和第二差两者中。

在实施例中，用于两个差中的信号是由中心传感器元件提供的信号S2。

在实施例中，用于两个差中的信号是由外传感器元件中的一个外传感器元件提供的信号S1或信号S3。

步骤c)优选地在数字域中例如由处理单元执行。该处理单元优选地是传感器设备的部分，但这不是绝对必需的。

在实施例中，步骤d)包括：在单个查找表中使用内插来确定所述位置x、θ。优选地，将查找表存储在传感器设备的非易失性存储器中。查找表的值可以是(在设计期间)预定义的，或者可在校准测试期间生成并被存储在非易失性存储器中。替代地，值可在设备启动时基于校准期间存储在非易失性存储器设备中的一个或多个常数(例如，α、或者C和T)来计算并被写入在传感器设备的易失性存储器(RAM)中。

在实施例中，步骤d)包括：在至少两个查找表之间使用内插来确定所述位置x、θ。

在实施例中，步骤d)包括：使用反正切函数例如通过评估上文所描述的公式[1]至[11]中的任何公式来确定所述位置。

图10示出校准如例如图1(a)-图1(d)或图2(a)-图2(e)或图3(a)-图3(g)或图4或图5(a)-图5(g)或图6(a)-图6(i)或图8(a)-图8(c)中所示出的传感器布置的方法。然而，注意，此类校准不是绝对必需的，例如，在图6(a)或图8(c)的能够执行自动校准的实施例中，或者在图1(a)至图5(a)的情况下在安装位置足够准确的情况下。在此种情况下，可以使用预定的查找表或具有预定义的常数(例如，在设计期间或通过模拟确定的α、或者C和T)的公式。

图10的方法对于以下情况而言尤其令人感兴趣：在开发期间建立查找表；或者针对其中安装位置(例如，传感器设备与旋转轴线之间的距离)并非高度准确和/或其中磁源的磁化的公差相对较高的情况和/或为了实现改善的准确度或出于其他原因而在生产末端建立查找表。

校准传感器布置的方法1000包括以下步骤：

a)将传感器设备和磁源置于1001已知的相对位置x、θ中，并且按上文所描述的布置(例如，在直线上或在假想三角形上)的至少三个磁传感器S1、S2、S3测量1001b至少三个值H1、H2、H3；

b)计算1002所述至少三个值中的第一对之间的第一成对差DIFF1，并且计算所述至少三个值中的第二对之间的第二成对差DIFF2，第二对不同于第一对，并且优选地，一个传感器信号用于第一对和第二对两者中；

c)计算1003第一差DIFF1和第二差DIFF2的比率；

将步骤a)至c)重复例如预定义的次数，或者重复步骤a)至c)直到满足预定义的标准(例如，当一个周期被采样时)；

d)将相对位置x、θ的值和对应的比率R的值存储在传感器设备的非易失性存储器中(例如，在闪存或EEPROM中)。

取决于实现方式，步骤d)可以(例如，在所有测量被采取之后)仅被执行一次，或者在循环内每次单独的测量之后被执行。

图11示出自动校准传感器布置的方法1100，该方法1100可在图6(a)至图6(e)中所示出的传感器布置600和图8(c)的传感器布置中使用。方法1100包括以下步骤：

a)使用如上文所描述的布置(例如，在直线上或在假想梯形上)的至少四个磁传感器S1、S2、S3、S4测量磁场的恰好四个或至少四个值H1、H2、H3、H4；

b)计算1102从内传感器S2、S3获得的值之间的第三成对差DIFF3，并且计算从外传感器S1、S4获得的值之间的第四成对差DIFF4；

c)计算1103第三差DIFF3和第四差DIFF4之间的比率R2；

d)基于该比率R2，例如使用查找表或使用数学公式(例如使用公式[9])来确定1104(相位偏移)值α。

方法可进一步包括任选的步骤e)：将值α、或者值C和T、或者从其导出的值中的一者或多者存储在传感器设备的非易失性存储器中。

尽管未在图11中示出，但方法可进一步包括：生成查找表(例如，具有两列，一列针对差信号的比率R，并且一列针对基于所述值α(例如，基于从α导出的值C和T)的位置x或θ)，并且(例如，在校准测试期间，或者在设备的首次使用期间，或者在对设备的每次上电时)将所述表存储在例如闪存之类的非易失性存储器中或在每次上电期间将所述表存储在RAM中。在设备的实际使用期间，随后可以基于所述查找表来确定位置。

尽管上文针对四极环形磁体图示出本发明，但图12(a)和图12(b)图示出本发明对于两极磁体(例如，两极环形磁体或两极盘状磁体或两极条形磁体等)也起作用。

图12(a)是图3(a)的复制图，示出了具有四极环形磁体1201以及传感器设备1210的传感器系统1200，该传感器设备1210具有适于提供45°移相的三个传感器信号H1、H2、H3的三个磁传感器S1、S2、S3(如图3(b)中所示)。

图12(b)示出根据本发明的另一实施例的传感器系统1250，该传感器系统1250具有两极环形磁体1251(例如，轴向或径向磁化的环形或盘状磁体)和传感器设备1260，该传感器设备1260具有三个磁传感器。

如可以领会，当比较图12(a)和图12(b)时，由传感器设备1201提供的作为θ的函数的电信号H1、H2、H3非常类似于由传感器设备1260提供的电信号H1、H2、H3，除了角度坐标轴的缩放因子。事实上，如果磁体1201旋转例如20°的角度θ并且磁体1251旋转40°的角度β，则将获得相同的信号。

与上文提及的优势相同的优势是可适用的：

-传感器设备的尺寸不需要与磁体的尺寸匹配，或者换言之：可以使传感器设备比磁体更小(例如，如果固定的查找表被存储在设备中但安装准确度很高；或者如果在安装之后查找表或一个或多个参数(例如，α、C、T)被存储在传感器设备的非易失性存储器中)；

-(例如，如果执行校准，则在安装之后)安装公差可以被放宽而不损失准确度；

-(例如，如果执行校准，则在安装之后)准确度可以被改善，即使安装位置不是高度准确的。

在图12(b)中所示出的实施例的变型(未示出)中，磁体也是两极磁体，但是传感器设备具有四个传感器元件。在此种情况下，类似于图6(a)-图6(i)和图11，相移α的值可以在自动校准中自动地确定。

尽管本发明在上文已经被图示为主要示出环形磁体，但本发明在盘状磁体的情况下也将起作用。

尽管本发明在上文中已经被图示为主要示出水平霍尔元件作为传感器元件(被配置成用于测量垂直于半导体平面的平面中的Bz分量)，但本发明在其他磁传感器的情况下也起作用，如例如在图13(a)和图13(c)中所示，其他磁传感器例如包括垂直霍尔元件或由垂直霍尔元件组成，该垂直霍尔元件被配置成用于测量Bx场，其中，X方向与针对第二传感器元件(基本上位于第一传感器元件与第三传感器元件之间)的假想圆相切。这可以被本领域技术人员理解，因为从这些垂直霍尔元件获得的Bx信号是相对于从位于相应位置处的水平霍尔元件获得的Bz信号90°移相的。同样，从图13(b)和图13(d)的垂直霍尔元件获得的Bx信号是相对于从位于相应位置处的水平霍尔元件获得的Bz信号90°移相的。在此种情况下，可以将X方向定义为与穿过假想点c的假想圆相切，该假想点c位于两个中心元件之间的中间处。

如技术人员在阅读本文档时将对其显而易见的，尽管各个特征在本发明的不同附图和不同实施例中解释，但构想了不同实施例的特征可以被组合。

Claims (19)

1.一种位置传感器布置，包括：

磁场源，用于生成具有至少两个磁极的磁场；

位置传感器设备，相对于所述磁场源能移动地布置，或者反之亦然，并且所述位置传感器设备包括：

至少三个磁传感器(S1、S2、S3；S1、S2、S3、S4)，所述至少三个磁传感器包括第一传感器(S1)、第二传感器(S2)和第三传感器(S3)，每个传感器适于测量所述磁场的相应的值；

所述第一磁传感器(S1)具有最大敏感度的第一轴并且被配置成用于提供第一信号(H1)，所述第二磁传感器(S2)具有平行于所述第一轴的最大敏感度的第二轴并且被配置成用于提供第二信号(H2)，并且所述第三磁传感器(S3)具有平行于所述第一轴的最大敏感度的第三轴并且被配置成用于提供第三信号(H3)；

所述第一磁传感器、所述第二磁传感器、以及所述第三磁传感器被布置成使得所述第二磁传感器(S2)基本上位于所述第一磁传感器(S1)与所述第三磁传感器(S3)之间并且使得所述第一磁传感器、所述第二磁传感器、以及所述第三磁传感器被布置在直线上或在假想三角形的角处，所述假想三角形具有在从1％到45％的范围中的高(H)与底(B)的比率；

处理单元(730)，连接至所述至少三个磁传感器以用于获得所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)并且被配置成用于基于第一成对差(DIFF1)和第二成对差(DIFF2)的比率来确定所述位置传感器设备相对于所述磁场源的位置(x、θ)，所述第一成对差(DIFF1)是从所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中选择的第一对两个信号的差，并且所述第二成对差信号(DIFF2)是从所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中选择的第二对两个信号的差，所述第二对不同于所述第一对，所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中的一个信号用于所述第一对和所述第二对两者中。

2.根据权利要求1所述的位置传感器布置，

其中，所述第一磁传感器(S1)、所述第二磁传感器(S2)、以及所述第三磁传感器(S3)相对于所述磁场源以以下方式被定位：使得所述第二信号(H2)基本上等于所述第一信号(H1)但移相第一预定义偏移(ε1)并且使得所述第三信号(H3)基本上等于所述第二信号(H2)但移相第二预定义偏移(ε2)。

3.根据权利要求2所述的位置传感器布置，其中，所述第一预定义偏移(ε1)基本上等于所述第二预定义偏移(ε2)。

4.根据权利要求1所述的位置传感器布置，

其中，所述处理单元(730)适于基于公式θ＝arctan(R)来计算所述相对位置(x、θ)，

并且其中，R＝DIFF1/DIFF2，

并且其中，DIFF1＝(H1-H2)或DIFF1＝(H2-H1)，

并且其中，DIFF2＝(H3-H2)或DIFF2＝(H2-H3)，

并且其中，H1是所述第一信号，H2是所述第二信号，并且H3是所述第三信号。

5.根据权利要求1所述的位置传感器布置，

其中，所述处理单元(730)适于基于公式θ＝arctan(R/C±T)来计算所述相对位置(x、θ)，

其中，R＝DIFF1/DIFF2，

并且其中，DIFF1＝(H1-H2)或DIFF1＝(H2-H1)，

并且其中，DIFF2＝(H3-H2)或DIFF2＝(H2-H3)，

并且其中，H1是所述第一信号，H2是所述第二信号，并且H3是所述第三信号，

并且其中，C是不同于1.0的预定义常数，和/或T是不同于0.0的预定义常数。

6.根据权利要求5所述的位置传感器布置，

其中，所述C的值和所述T的值基于下列公式来计算：

C＝cos(φ)，以及

T＝tan(φ),

其中，φ是不同于0°的常数值。

7.根据权利要求1所述的位置传感器布置，

其中，所述磁位置传感器进一步包括至少第四磁传感器(S4)，所述第四磁传感器(S4)适于测量所述磁场的相应的值，并且所述第四磁传感器(S4)具有平行于所述第一轴的最大磁敏感度的第四轴并被配置成用于提供第四信号(H4)，

其中，所述第四传感器(S4)被布置成使得所述第三磁传感器(S3)基本上位于所述第二磁传感器(S2)与所述第四磁传感器(S4)之间并且使得所述第一传感器、所述第二传感器、所述第三传感器、以及所述第四传感器被布置在具有小于30％的高与底的比率的假想梯形的角处，

其中，所述处理单元(730)进一步连接至所述第四磁传感器以用于获得所述第四信号(H4)。

8.根据权利要求7所述的位置传感器布置，

其中，所述处理单元(730)适于基于从所述第一磁传感器(S1)、所述第二磁传感器(S2)、以及所述第三磁传感器(S3)获得的所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)来确定指示所述位置传感器的所述相对位置的第一值(x1、θ1)；并且

其中，所述处理单元(730)适于基于从所述第二磁传感器(S2)、所述第三磁传感器(S3)、以及所述第四磁传感器(S4)获得的所述第二信号(H2)、所述第三信号(H3)、以及所述第四信号(H4)来确定指示所述位置传感器的所述相对位置的第二值(x2、θ2)。

9.根据权利要求7所述的位置传感器布置，

其中，所述处理单元进一步适于计算第三差(DIFF3)与第四差(DIFF4)之间的第二比率(R2)，所述第三差(DIFF3)是来自外传感器(S1、S4)的两个信号之间的差，所述第四差(DIFF4)是来自内传感器(S2、S3)的两个信号之间的差；

并且其中，所述处理单元进一步适于基于所述第二比率(R2)来确定所述常数C的值和所述常数T的值。

10.根据权利要求7所述的位置传感器布置，

其中，所述处理单元进一步适于计算第三差(DIFF3)与第四差(DIFF4)之间的第二比率(R2)，所述第三差(DIFF3)是来自外传感器(S1、S4)的两个信号之间的差，所述第四差(DIFF4)是来自内传感器(S2、S3)的两个信号之间的差；

并且其中，在引用权利要求6时，所述处理单元进一步适于基于所述第二比率(R2)来确定所述常数φ的值。

11.根据权利要求1所述的位置传感器布置，

其中，所述磁传感器是水平霍尔元件，或者

其中，所述磁传感器是垂直霍尔元件。

12.根据权利要求1所述的位置传感器布置(800；850；870)，

其中，所述位置传感器布置是线性位置传感器布置，

其中，所述磁场源(801；851；871)是包括沿移动轴(X)等距离地布置的多个交替的北极和南极的磁结构(801)，

并且其中，所述位置传感器设备(810；860；880)适于确定沿所述轴(X)的位置。

13.根据权利要求1所述的位置传感器布置，

其中，所述位置传感器布置是角度位置传感器布置，

其中，所述磁场源是能绕轴旋转的环形磁体或盘状磁体，

并且其中，所述位置传感器设备适于确定角度位置。

14.根据权利要求13所述的位置传感器布置，

其中，所述磁场源是轴向磁化的两极环形磁体，或者

其中，所述磁场源是轴向磁化的两极盘状磁体，或者

其中，所述磁场源是径向磁化的两极环形磁体，或者

其中，所述磁场源是径向磁化的两极盘状磁体。

15.根据权利要求13所述的位置传感器布置，

其中，所述磁场源是轴向磁化的四极环形磁体，或者

其中，所述磁场源是轴向磁化的四极盘状磁体。

16.一种位置传感器设备，包括：

至少三个磁传感器，包括第一传感器(S1)、第二传感器(S2)、以及第三传感器(S3)；

所述第一磁传感器(S1)具有最大敏感度的第一轴并且被配置成用于提供第一信号(H1)，所述第二磁传感器(S2)具有平行于所述第一轴的最大敏感度的第二轴并且被配置成用于提供第二信号(H2)，并且所述第三磁传感器(S3)具有平行于所述第一轴的最大敏感度的第三轴并且被配置成用于提供第三信号(H3)，

所述第一磁传感器(S1)、所述第二磁传感器(S2)、以及所述第三磁传感器(S3)被布置在直线上或在假想三角形的角处，所述假想三角形具有在从1％到45％的范围中的高(H)与底(B)的比率，

处理单元(730)，连接至所述至少三个磁传感器以用于获得所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)并且被配置成用于基于第一成对差(DIFF1)和第二成对差(DIFF2)的比率来确定所述位置传感器设备相对于磁场源的位置(x、θ)，所述第一成对差(DIFF1)是从所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中选择的第一对两个信号的差，并且所述第二成对差(DIFF2)是从所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中选择的第二对两个信号的差，所述第二对不同于所述第一对，所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中的一个信号用于所述第一对和所述第二对两者中。

17.一种确定根据权利要求16所述的位置传感器设备的位置(x、θ)的方法，所述位置传感器设备相对于具有至少两个磁极的磁场源能移动，

所述方法包括以下步骤：

a)借助所述第一传感器(S1)、所述第二传感器(S2)、以及所述第三传感器(S3)分别测量(901)所述磁场的第一值(H1)、第二值(H2)、以及第三值(H3)；

b)计算(902)作为从所述第一值(H1)、所述第二值(H2)、以及所述第三值(H3)中选择的第一对两个信号之间的差的第一成对差(DIFF1)，并且计算作为从所述第一值(H1)、所述第二值(H2)、以及所述第三值(H3)中选择的第二对两个信号之间的差的第二成对差信号(DIFF2)，所述第二对不同于所述第一对，所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中的一个信号用于所述第一对和所述第二对两者中；

c)计算(903)所述第一差(DIFF1)与所述第二差(DIFF2)之间的比率(R)；

d)基于所述比率(R)来确定(904)所述位置(x、θ)。

18.一种校准根据权利要求16所述的位置传感器设备的方法(1000)，所述位置传感器设备相对于磁场源能移动地安装，所述磁场源适于生成具有至少两个磁极的磁场，

所述方法包括以下步骤：

至少执行一次下列步骤：

a)将所述位置传感器和所述磁源置于(1001)已知的相对位置(x、θ)，并使用所述第一磁传感器(S1)、所述第二磁传感器(S2)、以及所述第三磁传感器(S3)来测量至少第一值(H1)、第二值(H2)、以及第三值(H3)；

b)计算(1002)作为从所述第一值(H1)、所述第二值(H2)、以及所述第三值(H3)中选择的第一对两个信号之间的差的第一成对差(DIFF1)，并且计算作为从所述第一值(H1)、所述第二值(H2)、以及所述第三值(H3)中选择的第二对两个信号之间的差的第二成对差(DIFF2)，所述第二对不同于所述第一对，所述第一信号(H1)、所述第二信号(H2)、以及所述第三信号(H3)中的一个信号用于所述第一对和所述第二对两者中；

c)计算(1003)所述第一差(DIFF1)与所述第二差(DIFF2)之间的比率(R)；

d)将一个或多个所述已知的相对位置(x、θ)和一个或多个所计算的比率(R)存储(1004)在所述位置传感器的非易失性存储器中。

19.一种自动校准根据权利要求7至15中任一项所述的传感器布置(600；800)的方法(1100)，并且引用权利要求7时，所述方法(1100)包括以下步骤：

a)使用至少四个磁传感器(S1、S2、S3、S4)来测量(1101)所述磁场的至少四个值(H1、H2、H3、H4)；

b)计算(1102)从内传感器(S2、S3)获得的值之间的第三成对差(DIFF3)并且计算从外传感器(S1、S4)获得的值之间的第四成对差(DIFF4)；

c)计算(1103)所述第三差(DIFF3)和第四差(DIFF4)的第二比率(R2)；

d)基于所述第二比率(R2)来确定(1104)相位偏移值(α)。

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