CN112484632A - 用于确定旋转角的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于确定影响磁场定向的测量对象的旋转角的设备，该测量对象具有沿z方向的旋转轴线，该设备包括：至少三个围绕旋转轴线均匀布置的第一磁场传感器元件，它们分别对沿z方向的磁场分量均敏感；至少三个围绕旋转轴线均匀布置的第二磁场传感器元件，它们分别对x‑y平面中的磁场分量敏感；用于基于第一、第二、第三、第四组合信号确定旋转角的装置，第一组合信号依据第一磁场传感器元件测量信号的第一组合，第二组合信号依据第一磁场传感器元件测量信号的第二组合，第三组合信号依据第二磁场传感器元件测量信号的第一组合，第四组合信号依据第二磁场传感器元件测量信号的第二组合。

Description

用于确定旋转角的装置和方法
技术领域
本公开总体上涉及位置或角度传感器，并且更具体地涉及考虑传感器元件与测量对象之间的机械失准的角度传感器。
背景技术
磁性位置或角度传感器例如用在汽车环境中，以解析线性和角度位置。角度传感器例如可以借助磁场传感器来实现，该磁场传感器被放置在诸如轴的旋转测量对象附近。在此可以根据取决于测量对象的旋转角θ的磁场来决定第一测量值(X)。此外，可以根据取决于测量对象的旋转角θ的磁场来确定第二测量值(Y)。理想情况下，两个测量值对应于X＝A*cos(θ)和Y＝A*sin(θ)形式的周期信号。然后可以使用已知规则θ＝atan(Y/X)来推断测量对象的旋转角θ。
随着汽车工业中电气化程度的提高，非期望的杂散场的影响越来越严重。这限制了常规磁性位置或角度传感器可达到的精度，并且需要新的构想，它们被称为杂散场可靠的位置或角度传感器。
经常使用的杂散场可靠的位置或角度传感器具有在空间上分离的传感器元件。在此能测量磁场分量(例如x、y或z分量)的任何装置都可以被称为传感器元件。典型的传感器元件是霍尔板、垂直霍尔探头、各向异性磁电阻器(AMR)、巨型磁电阻器(GMR)、隧道磁电阻器(TMR)等。可以将多个传感器元件彼此紧密地放置，以改善阻抗匹配、信噪比等。在杂散场的意义上，实际上在相同位置的多个传感器元件的这种布置可以被称为单个传感器元件。
一些用于所谓轴端(End-of-Shaft)应用的常规杂散场可靠的角度传感器包括四个水平或横向霍尔板，它们位于均匀十字的顶角处。可替代地，例如，可以将三个横向霍尔板排列成三角形。例如轴的旋转轴线理想地被构想为该旋转轴线延伸穿过该十字/三角形的中心。可以径向或反平行磁化的磁体可以安装在轴的端部。这种布置的角度精度通常被传感器的定位公差严格限制。如果磁体直径的十分之一已经位移或失准，会将可达到的精度限制为大约1°。
然而，实际上通常不能完全避免传感器元件与测量对象或磁体之间的机械失准，因此存在周期信号X和Y的不同幅度、偏移和相移，这又会导致错误的角度估计。机械失准的一些原因是传感器元件与测量对象或磁体之间的x，y位移、气隙变化(z位移)、不同类型的倾斜(例如包装或壳体倾斜)和/或磁化倾斜。
因此，本公开的目的是补偿传感器元件与测量对象之间的失准。
发明内容
这通过根据本发明的装置和方法来实现。有利的改进方案是一下内容。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于确定影响磁场的定向的测量对象的旋转角的设备，该测量对象带有名义上沿z方向的旋转轴线。z方向被理解为3维坐标系(x，y，z)的空间方向。该设备包括至少三个围绕旋转轴线均匀布置的第一磁场传感器元件，这些第一传感器元件分别对沿z方向的磁场分量敏感。该装置还包括至少三个绕旋转轴线均匀布置的第二磁场传感器元件，这些第二磁场传感器元件分别对x-y平面中的磁场分量敏感。围绕旋转轴线均匀布置也可以理解为围绕旋转轴线对称布置。此外，提供了一种用于确定旋转角θ的装置(例如，处理器)，该装置被设计为，基于第一组合信号ΔZn、第二组合信号ΔZd、第三组合信号ΔVn、第四组合信号ΔVd确定旋转角的装置，第一组合信号依据第一磁场传感器元件测量信号的第一组合，第二组合信号依据第一磁场传感器元件测量信号的第二组合，第三组合信号依据第二磁场传感器元件测量信号的第一组合，第四组合信号依据第二磁场传感器元件测量信号的第二组合。
因此建议，与常规杂散场可靠的角度传感器相比，使用附加的磁场传感器元件。常规杂散场可靠的角度传感器由仅在不同空间位置处测量磁场的平面外分量(例如z分量)的磁场传感器元件组成。由此可以得出可靠的杂散场参量(例如，差分电压的测量)，借助其可以在杂散场可靠的意义上决定角度位置。根据本公开，提出了附加的磁场传感器元件，其附加地在不同空间位置处测量磁场的平面内分量(例如，在x-y平面中)。然后可以通过补偿(Verrechnung)所得的测量信号来估计旋转角θ。
根据一些实施例，用于确定旋转角θ的装置还被设计为基于四个组合信号来确定旋转轴线从名义上的零位置的位移或失准(Rx，Ry)。因此，借助附加的磁场传感器元件不仅可以用于估计旋转角θ，而且可以用于估计位移或失准(Rx，Ry)。旋转角θ和失准(Rx，Ry)的估计可以分别被迭代地确定，并且在此过程中会相互影响。
原则上，旋转角θ和/或失准(Rx，Ry)的估计可以基于许多数学模型，这些数学模型适合于对测量对象的实际运动过程(例如，摆动运动)进行建模。根据一些实施例，可以关于旋转角θ通过相应的傅立叶级数对组合信号中的每个组合信号建模。可以关于旋转轴线从零位置的位移(Rx，Ry)通过泰勒级数分别对傅立叶级数中的每个傅立叶级数的傅立叶系数建模。在这样的实施例中，用于确定旋转角的装置被设计为附加地基于泰勒级数的预定义的泰勒系数来确定旋转角。预定义的泰勒系数可以例如预先通过计算、模拟和/或校准来确定并且存储在存储器中。因此，它们可提供用于计算以估计旋转角θ和/或失准(Rx，Ry)。
根据一些实施例，第一磁场传感器元件(在z方向上敏感)包括横向霍尔传感器元件。第二磁场传感器元件(在x-y平面内敏感)可以包括垂直霍尔传感器元件。当然，也可以考虑其他实施方式，其中例如通过具有不同参考磁化强度的磁阻磁场传感器元件(例如，AMR，GMR，TMR)来实现第一和第二磁场传感器元件。
对于已经提到的轴端应用，测量对象例如可以包括沿z方向延伸的轴，轴具有安装在其端部上的磁体。但是，测量对象本身不一定必须具有磁体。可以考虑其中测量对象根据旋转角θ改变外部磁场的实施例。
根据一些实施例，N个第一磁场传感器元件名义上对称地以360°/N的角距围绕旋转轴线布置。N个第二磁场传感器元件同样名义上对称地以360°/N的角距围绕旋转轴线布置。名义上对称在这里可以理解为这是指理想的情况-没有失准。第一和第二磁场传感器元件基本上处于相同位置。例如，在N＝4时，四个第一磁场传感器元件名义上对称地以90°的角距围绕旋转轴线布置。在相同的角度位置上，四个第二磁场传感器元件也名义上对称地以90°的角距围绕旋转轴线布置布置。
根据一些实施例，四个第一磁场传感器元件名义上对称地以90°的角距围绕旋转轴线布置。第一组合信号ΔZn对应于以180°角相对置的第一磁场传感器元件的两个加权测量信号的第一差。第二组合信号ΔZd对应于另外以180°角相对置的第一磁场传感器元件的两个加权测量信号的第二差。同样地，四个第二磁场传感器元件可以名义上对称地以90°的角距围绕旋转轴线布置。第三组合信号ΔVn对应于以180°角相对置的第二磁场传感器元件的两个加权测量信号的第一差。第四组合信号ΔVd对应于另外以180°角相对置的第二磁场传感器元件的两个加权测量信号的第二差。
根据一些实施例，三个第一磁场传感器元件可以名义上对称地以120°的角距围绕旋转轴线布置。第一组合信号ΔZn对应于以120°角隔开的第一磁场传感器元件的三个加权测量信号的第一组合。第二组合信号ΔZd对应于第一磁场传感器元件的三个加权测量信号的第二组合。同样地，三个第二磁场传感器元件可以名义上对称地以120°的角距围绕旋转轴线布置。第三组合信号ΔVn对应于以120°角隔开的第二磁场传感器元件的三个加权测量信号的第一组合。第四组合信号ΔVd对应于第二磁场传感器元件的三个加权测量信号的差。
如上所述，根据一些实施例，可以关于旋转角θ通过相应的傅里叶级数对每个组合信号建模。傅里叶级数被称为由正弦和余弦函数组成的一系列函数中周期性分段连续函数的级数展开。可以关于旋转角θ通过第一傅里叶级数根据
ΔZn＝znc(Rx，Ry)·cosθ+zns(Rx，Ry)·sinθ+zn0(Rx，Ry)，
利用取决于旋转轴线的位移(Rx，Ry)的傅立叶系数znc(Rx，Ry)，zns(Rx，Ry)，zn0(Rx，Ry)对第一组合信号ΔZn建模。可以关于旋转角θ通过第二傅里叶级数根据
ΔZd＝zdc(Rx，Ry)·cosθ+zds(Rx，Ry)·sinθ+zd0(Rx，Ry)，，
利用取决于旋转轴线从零位置的位移(Rx，Ry)的傅立叶系数zdc(Rx，Ry)，zds(Rx，Ry)，zd0(Rx，Ry)对第二组合信号ΔZd建模。可以关于旋转角θ通过第三傅里叶级数根据
ΔVn＝vnc(Rx，Ry)·cosθ+vns(Rx，Ry)·sinθ+vn0(Rx，Ry)，
利用取决于旋转轴线的位移(Rx，Ry)的傅立叶系数vnc(Rx，Ry)，vns(Rx，Ry)，vn0(Rx，Ry)对第三组合信号ΔVn建模。可以关于旋转角θ通过第四傅里叶级数根据
ΔVd＝vdc(Rx，Ry)·cosθ+vds(Rx，Ry)·sinθ+vd0(Rx，Ry)，
利用取决于旋转轴线的位移(Rx，Ry)的傅立叶系数vdc(Rx，Ry)，vds(Rx，Ry)，vd0(Rx，Ry)对第四组合信号ΔVd建模。
根据一些实施例，利用预定义的泰勒系数wijxx，wijxy，wijyy，wijx，wijy，wij0，具有w∈{v，z}，i∈{n，d}和j∈{c，s，0}的傅立叶系数wij(Rx，Ry)根据wij(Rx，Ry)
＝wijxx·Rx2+wijxy·Rx·Ry+wijyy·Ry2+wijx·Rx+wijy·Ry+wij0
作为泰勒级数可以被建模。根据要建模的测量对象的运动，在这里也可以考虑其他级数展开。
根据一些实施例，用于确定旋转角的装置被设计为以数值方式求解上述方程，以便确定旋转角和/或旋转轴线的位移(Rx，Ry)的估计值。
根据一些实施例，用于确定旋转角的装置被设计为，在初始计算步骤中基于不存在旋转轴线参照零位置的位移(Rx，Ry)的假设以及基于述第一组合信号和所述第二组合信号ΔZn，ΔZd来确定旋转角θ的初始估计值。例如，用于确定旋转角的装置被设计为，基于
Figure BDA0002676870120000061
确定旋转角θ的初始估计值，其中在不存在旋转轴线参照零位置的位移时，
Figure BDA0002676870120000062
Figure BDA0002676870120000063
对应于预定的傅里叶系数。
根据一些实施例，用于确定旋转角的装置被设计为，基于旋转角的当前估计值θ(m)、第三组合信号和第四组合信号ΔVn，ΔVd和预定义的泰勒系数，确定旋转轴线的位移的更新估计值Rx (m+1)，Ry(m+1)。为此，可以将用于确定旋转角的装置设计为，基于
Figure BDA0002676870120000064
确定旋转轴线的位移(Rx，Ry)的更新估计值，其中m表示第m个迭代步骤。
根据一些实施例，用于确定旋转角的装置被设计为，基于位移的更新估计值Rx (m +1)，Ry(m+1)确定更新傅立叶系数并且基于更新傅里叶系数以及第一组合信号和第二组合信号ΔZn，ΔZd确定旋转角的更新估计值θ(m+1)。例如，用于确定旋转角的装置可以设计为，基于
Figure BDA0002676870120000065
确定旋转角(θ)的更新估计值，其中m表示第m个迭代步骤。
根据本公开的另一方面，提出一种用于确定影响磁场的定向的测量对象的旋转角的方法，该测量对象带有沿z方向的旋转轴线，其中至少三个第一磁场传感器元件围绕旋转轴线均匀布置，这些第一传感器元件分别对沿z方向的磁场分量敏感，并且其中至少三个第二磁场传感器元件围绕旋转轴线均匀布置，这些第二磁场传感器元件分别对x-y平面中的磁场分量敏感。该方法包括：基于第一磁场传感器元件的测量信号的第一组合确定第一组合信号(ΔZn)；基于第一磁场传感器元件的测量信号的第二组合确定第二组合信号(ΔZd)；基于第二磁场传感器元件的测量信号的第一组合确定第三组合信号(ΔVn)，基于第二磁场传感器元件的测量信号的第二组合确定第四组合信号(ΔVd)，并基于这四个组合信号确定旋转角θ。
在本公开的实施例中，由于位移抵消可以容许较大的机械误差，因此可以保持具有可靠的角度测量的杂散场应用的系统成本较低。由此可以使生产和取向更加容易和便宜。
附图说明
下面将参考附图通过仅示例的方式描述装置和/或方法的一些实施例，附图中：
图1A示出了具有四个横向霍尔板Z1-Z4和径向磁化的磁体的模拟结构；磁体在x-y平面中从传感器元件的中心移动了一个向量(Rx，Ry)；
图1B示出了由于位移(Rx，Ry)而导致的重建角θ的误差；
图1C示出了具有4个传感器元件的常规杂散场可靠的角度传感器，这些传感器元件测量垂直于传感器平面的磁场分量；
图2A示出了具有围绕测量对象布置的四个第一磁场传感器元件和四个第二磁场传感器元件的结构；
图2B示出了具有四个第一磁场传感器元件和四个第二磁场传感器元件的杂散场可靠的角度传感器，四个第一磁场传感器元件测量垂直于传感器平面的磁场分量，四个第二磁场传感器元件测量位于传感器平面中的磁场分量。
图3A示出了围绕测量对象布置的三个第一磁场传感器元件和三个第二磁场传感器元件的结构；
图3B示出了具有三个第一磁场传感器元件和三个第二磁场传感器元件的杂散场可靠的角度传感器，三个第一磁场传感器元件测量垂直于传感器平面的磁场分量，三个第二磁场传感器元件测量位于传感器平面中的磁场分量；
图4示出了从对示例性磁-机械系统的数值模拟中提取的泰勒系数的示例；
图5示出了用于确定旋转角θ和位移(Rx，Ry)的第一迭代过程的示例；
图6示出了用于确定旋转角θ和位移(Rx，Ry)的第二迭代过程的示例；
图7示出了在根据图5的过程中由于位移引起的位移校正后的旋转角θ的误差；和
图8示出了在根据图6的过程中由于位移引起的位移校正后的旋转角θ的误差。
具体实施方式
现在将参照示出了一些示例的附图更全面地描述各种示例。在附图中，为了清楚可以放大线、层和/或区域的厚度。
因此，虽然另外的示例能够具有各种修改和替换形式，但是其一些特定示例在图中示出并且随后进行详细描述。然而，这种详细描述并不将另外的示例限于所描述的特定形式。另外示例可以覆盖落在本公开范围内的所有修改、等价和备选。相似的附图标记在附图的描述中表示相似或类似的元件，当相互比较时可以以相同的或以修改的形式实施，同时提供相同或类似的功能。
应当理解，当一个元件被称作“连接”或“耦合”至另一个元件时，这些元件可以直接连接或耦合或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果使用“或者”组合两个元素A和B，则理解为公开了所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B。相同组合的备选措辞是“A和B中的至少一个”。这同样适用于两个以上元素的组合。
本文用于描述特定示例的术语并不旨在限制另外的示例。无论何时使用诸如“一个”和“一”的单数形式，以及仅使用单个元素既不是明示或暗示定义为强制性的，另外的示例也可以使用多个元素来实施相同的功能。类似地，当随后将功能描述为使用多个元素实施时，另外的示例可以使用单个元素或处理实体来实施相同的功能。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、处理、元素、部件和/或它们的组的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、元素、部件和/或它们的任何组的存在或添加。
除非另有定义，否则所有术语(包括技术和科学术语)在本文中以其在该示例所属领域的普通含义使用。
图1A示出了磁-机械系统10的俯视图，该磁-机械系统具有轴形式的测量对象11，在轴端面上具有磁体12。在所示的示例中，四个磁场传感器元件Z1，...，Z4围绕测量对象11布置，以便基于随测量对象11一起旋转的磁场来确定测量对象11的旋转角θ。图1A是开头已经提及常规杂散场可靠的角度传感器布置，其用于所谓的轴端应用并具有四个均匀布置的磁场传感器元件Z1，...，Z4，这些磁场传感器元件位于带有中心13的对称十字的顶角处。可替代地，例如也可以将三个横向磁场传感器元件排列成三角形。
理想地，测量对象11的旋转轴线14直接穿过十字/三角形的中心13。然而，实际上常常不能完全避免传感器元件Z1，...，Z4与测量对象11之间的机械失准。图1A示出了轴旋转轴线14从13处的名义零位置的位移或失准(Rx，Ry)。该位移或失准(Rx，Ry)越大，旋转角估计中的误差就越大。图1B示出了示例性图，根据该示例性图，在失准(Rx＝1mm，Ry＝1mm)的情况下，会导致超过3°的角误差。对于某些关键应用而言，这可能是不可接受的。
图1C说明了磁-机械系统10的测量原理。
具有四个磁场传感器元件Z1，...，Z4的磁-机械系统10用作传感器前端15。名义上对称地以90°的角距围绕旋转轴线(沿z方向)布置的磁场传感器元件Z1，...，Z4在其位置ri(i＝1，...，4)上分别对于沿z方向的磁场分量Bz(ri)敏感。由处理器16形成的第一组合信号ΔZn对应于以180°角相对置的第一磁场传感器元件Z2，Z4的两个测量信号的第一差(Z4-Z2)。由处理器16形成的第二组合信号ΔZd对应于另外以180°角相对置的第一磁场传感器元件Z1，Z3的两个测量信号的第二差(Z1-Z3)。基于两个组合信号ΔZn，ΔZd，处理器16可以例如根据θest＝atan(ΔZn/ΔZd)来计算测量对象11的旋转角的估计值θest。可以基于一组补偿参数λ对偏移、磁场传感器元件之间的灵敏度失配、正交性和参考角进行常规校正。
然而，利用根据图1A-C说明的常规传感器装置，不能补偿轴旋转轴线14从13处的名义零位置的位移或失准(Rx，Ry)。因此，本发明提出，确定轴旋转轴线14或磁体12相对于传感器元件的中心位置13的位移(Rx，Ry)，并基于该信息补偿角度估计。图2A，2B和3A，3B示出了根据本公开的实施例的可能的测量系统。
图2A示出了磁-机械系统20的俯视图，其与系统10的区别在于四个围绕名义旋转中心13均匀布置的第二磁场传感器元件X1，Y2，X3，Y4。第二磁场传感器元件X1，Y2，X3，Y4也位于具有中心13的均匀十字的腿上，并且因此与第一磁场传感器元件Z1，...，Z4处于相同的角位置，并且分别对于x-y平面(面内)中的磁场分量敏感。因此，本公开的实施例包括附加的磁场传感器元件，它们测量平面中的磁场分量(例如，X1和X3用于Bx，Y2和Y4用于By)。第一和第二磁场传感器元件可以基本上位于相同的空间位置。
图2B说明了磁-机械系统20的测量原理。
具有四个第一磁场传感器元件Z1，...，Z4和四个第二磁场传感器元件X1，Y2，X3，Y4的磁-机械系统20用作传感器前端25。名义上对称地以90°的角距围绕名义旋转中心13布置的磁场传感器元件Z1，...，Z4在其位置ri(i＝1，...，4)上分别对沿z方向的磁场分量Bz(ri)敏感。同样名义上对称地以90°的角距并且在相同的角位置围绕名义旋转中心13布置的第二磁场传感器元件X1，Y2，X3，Y4在其相应位置ri(i＝1，...，4)上分别对于x-y平面中的磁场分量Bx(ri)或By(ri)敏感。由处理器26形成的第一组合信号ΔZn对应于以180°角相对置的第一磁场传感器元件Z2，Z4的两个测量信号的第一差(Z4-Z2)。由处理器16形成的第二组合信号ΔZd对应于以180°角相对置的第一磁场传感器元件Z1，Z3的两个测量信号的第二差(Z1-Z3)。由处理器16形成的第三组合信号ΔVn对应于以180°角相对置的第二磁场传感器元件Y2，Y4的两个测量信号的第一差(Y4-Y2)。由处理器16形成的组合信号ΔVd的第四对应于另外以180°角相对置的第二磁场传感器元件X1，X3的两个测量信号的第二差(X1-X3)。如下所述，处理器16可以基于这四个组合信号ΔZn，ΔZd,ΔVn,ΔVd来计算针对测量对象11的旋转角的估计值θest。可选地，处理器16还可以基于这四个组合信号来确定针对旋转轴线14从名义旋转中心13的位移的估计值(Rxest，Ryest)。
图3A示出了根据实施例的另一磁-机械系统30，其与系统20的不同之处在于，仅设置三个围绕名义旋转中心13均匀布置的第一磁场传感器元件Z1，...，Z3和三个围绕名义旋转中心13均匀布置的第二磁场传感器元件V1，...，V3。
图3B解释了磁机械系统30的测量原理。
具有三个第一磁场传感器元件Z1，Z2，Z3和三个第二磁场传感器元件V1，V2，V3的磁-机械系统30用作传感器前端35。名义上对称地以120°的角距围绕名义旋转中心13布置的第一磁场传感器元件Z1，Z2，Z3在其位置ri(i＝1，...，3)上分别对沿z方向的磁场分量Bz(ri)敏感。同样名义上对称地以120°的角距并且在相同的角位置围绕名义旋转中心13布置的第二磁场传感器元件V1，V2，V3在其相应位置ri(i＝1，...，3)上分别对于xy平面中的磁场分量Bv(ri)敏感。由处理器36形成的第一组合信号ΔZn对应于以120°角间隔开的第一磁场传感器元件的三个加权测量信号的第一组合。由处理器36形成的第二组合信号ΔZd对应于第一磁场传感器元件的三个加权测量信号的第二组合。由处理器36形成的第三组合信号ΔVn对应于以120°角间隔开的第二磁场传感器元件V1，V2，V3的三个加权测量信号的第一组合。由处理器36形成的第四组合信号ΔVd对应于第二磁场传感器元件的三个加权测量信号的第二组合。如下所述，处理器36可以基于这四个组合信号ΔZn,ΔZd,ΔVn,ΔVd来计算针对测量对象11的旋转角的估计值θest。可选地，处理器16还可以基于这四个组合信号来确定旋转轴线14从名义旋转中心13的位移的估计值(Rxest，Ryest)。
单个传感器元件的输出(例如霍尔电压或电阻率的变化)，例如Wi，通常取决于在该传感器元件的位置ri处的合成磁场B(ri)的分量以及其他参数λi，例如流过传感器元件的电源电流。可以通过将合成磁场与传感器元件的敏感方向ei的标量乘积来计算磁场的相关分量。因此对于每个传感器元件发现方程式
Wi＝f(ei·B(ri)，λi)， (1)
其中函数f对传感器元件的响应建模。对于例如霍尔元件，f可以被建模为具有一定灵敏度和一定偏移量的线性函数。对于对平面外分量(z分量)敏感的横向霍尔板，该方程式简化为Wi＝Xi＝f(Bx(ri)，λi)。对于在x方向上敏感的垂直霍尔板，该方程式简化为Wi＝Yi＝f(By(ri)，λi)。对于在y方向敏感的垂直霍尔板，我们还发现Wi＝Yi＝f(By(ri)，λi)。假设已知传感器元件的常规补偿，因此以下关于灵敏度、偏移和相位差异的分析问题被忽略。
对于常规杂散场可靠的角度传感器，从各个传感器元件的输出确定一些杂散场可靠的中间值ΔWn和ΔWd(n用于分子，d用于分母)。这可以在模拟或数字范围内完成。对于具有四个传感器元件(测量Z1，Z2，Z3和Z4)的传感器，可以在具有差分放大器或差分输入ADC的模拟范围内确定杂散场可靠的组合信号ΔZn＝Z4-Z2和ΔZd＝Z1-Z3。对于具有三个传感器元件(测量Z1，Z2和Z3)的传感器，可以将相应的杂散场可靠的组合信号确定为ΔZn＝(Z3-Z2)*sqrt(3)和ΔZd＝(2*Z1-Z2-Z3)。因此，它们有些复杂，并且数字计算可能更合适。可以从这些第一和第二杂散场可靠的组合信号ΔZn和ΔZd中根据
Figure BDA0002676870120000121
计算出旋转角。可以将反正切函数atan(n/d)替换为atan2(n，d)，以获得完整的360°。
对于这里提出的杂散场可靠的、位移补偿的角度传感器，可以确定相应的杂散场可靠的的组合信号。对于包含4*2磁场传感器元件的角度传感器，四个组合信号可以根据
ΔZn＝Z4-Z2，
ΔZd＝Z1-Z3，
ΔVn＝Y4-Y2和
ΔVd＝X1-X3
被定义。对于包含3*2磁场传感器元件的角度传感器，这四个组合信号可以根据
ΔZn＝(Z3-Z2)*sqrt(3)，
ΔZd＝(2*Z1-Z2-Z3)，
ΔVn＝(V3-V2)*sqrt(3)和
ΔVd＝(2*V1-V2-V3)
被定义。
在角度应用中，这些组合信号可以由角度θ时的一阶傅立叶级数很好地描述，傅立叶系数取决于磁体12从名义旋转中心的位移(Rx，Ry)。根据一些实施例，四个组合信号可以根据
ΔZn＝znc(Rx，Ry)·cosθ+zns(Rx，Ry)·sinθ+zn0(Rx，Ry)，
ΔZd＝zdc(Rx，Ry)·cosθ+zds(Rx，Ry)·sinθ+zd0(Rx，Ry)，
ΔVn＝vnc(Rx，Ry)·cosθ+vns(Rx，Ry)·sinθ+vn0(Rx，Ry)，
ΔVd＝vdc(Rx，Ry)·cosθ+vds(Rx，Ry)·sinθ+vd0(Rx，Ry)， (3)被模拟。
根据一些实施例，具有上述一阶傅里叶级数的w∈{v，z}，i∈{n，d}和j∈{c，s，0}的傅立叶系数wij(Rx，Ry)可以分别被建模为位移(Rx，Ry)的二阶泰勒级数：
wij(Rx，Ry)＝wijxx·Rx2+wijxy·Rx·Ry+wijyy·Ry2+wijx·Rx+wijy·Ry+wij0 。(4)
对于磁场传感器元件的对称几何形状，大多数泰勒系数要么消失，要么直接依赖于其他泰勒系数。因此，对于对称几何形状在如有必要只需要几个系数即可正确描述系统反应。图4示出了从特殊的磁-机械系统的数值模拟中提取的泰勒系数的示例。在此系统中，总共72个系数中只有12个系数(zdcxx＝znsyy；znsxx＝zdcyy；zdsxy＝zncxy；vdcx＝-vnsy；vncx＝-vdsy；和zdc0＝zns0)是非零的，并且只有6个系数是独立的。
可以从计算、设备仿真、特性描述或校准中预先决定这几个泰勒系数。为了描述特性和校准，例如，在不同的预定位移(Rx,Ry)的情况下，可以分别对于测量对象11旋转至少一整圈来测量组合信号ΔZn,ΔZd,ΔVn和ΔVd。然后，可以通过将该数据与方程式(3)和(4)描述的模型进行比较来确定最佳的一组泰勒系数。然后可以将以此方式确定的泰勒系数存储在例如处理器26，36可以访问的存储器中。
为了获得更高的精度，当然可以选择更精确的公式或模型。对此可能包括用于传感器元件响应的非线性传递曲线、偏移和灵敏度补偿，它们可能取决于温度和机械应力。
一旦相关系数可用，就可以为每组可用的测量值或组合信号ΔZn，ΔZd，ΔVn，ΔVd估计旋转角θ和位移(Rx，Ry)。旋转角θ和位移(Rx，Ry)的估计对应于非线性方程组(3)-(4)的反转。从文献中已知用于求解这样的方程组的各种数值方法。下面更详细地说明看起来很适合于相应任务的两个示例性方法。只要位移相对较小，迭代过程就非常适合反转此方程组。
图5示出了确定旋转角θ和位移(Rx，Ry)的第一迭代过程50。
首先在51处，位于一个未知的旋转角θ，从第一和第二磁场传感器元件的测量信号确定组合信号ΔZn,ΔZd,ΔVn,ΔVd。在52处，将迭代计数器设置为零，m＝0。在位移Rx(m)＝Ry(m)＝0的初始假设下，可以计算出旋转角的第一估计θ(m)。从图4可以看出，仅zdc (m)＝zdc(0,0)和zns (m)＝zns(0,0)不为零，而对于Rx(m)＝Ry(m)＝0的所有其他傅里叶系数消失，因此对于该角度的初始估计θ(0)(0次迭代)为
Figure BDA0002676870120000151
随后可使用该角度的初始估计值θ(0)，用于在53处更新对于位移的估计Rx(m+1)undRy(m+1)。图4显示，对于ΔVn和ΔVd，仅线性泰勒系数vdcx＝-vnsy；vncx＝-vdsy不为零。因此可以计算以下线性方程组
Figure BDA0002676870120000152
当θ(m)接近90°的整数倍时，矩阵求逆显然是有问题的。在这种情况下，矩阵的条件数变大到不可接受，并且Rx(对于θ(m)接近±90°)或Ry(对于θ(m)接近0°和180°)的估计变得不可靠。处理此类情况的一种可能方法是将不可靠的估计(Rx(m+1)或Ry(m+1))设置为零。这样可以消除不稳定性。然而，在两个位移Rx和Ry实际上都不为零的情况下，这也妨碍了精确的位移补偿。但是，只要位移Rx或Ry之一足够小，该方法就可以得到良好的结果(见图7)。第二种可能的方法是在几个测量之间保存位移估计，并仅更新可以被足够准确地估计的那些位移。
在54处，确定针对用于具有来自53的更新位移Rx(m+1)和Ry(m+1)的角度的更新估计θ(m+1)。为此，泰勒系数zij (m+1)＝zij(Rx(m+1),Ry(m+1))，其中i∈{n,d}且j∈{c,s,0}可以使用方程式(4)来计算。将这些泰勒系数代入方程式(3)可得出要计算的线性方程组
Figure BDA0002676870120000153
2x2矩阵求逆很简单，因为矩阵的条件数接近于1(系数zns和zdc在位移相对较小时占主导地位)。由方程式(7)的解，根据以下公式确定针对角度的更新估计θ(m+1)：
Figure BDA0002676870120000154
被确定。
在55处，检查是否已经达到最大迭代次数N。如果不是，则将迭代计数器加1，m＝m+1，并在53处继续。在位移Rx和Ry相对较小时，只需进行几次迭代即可获得良好的精度。如果已达到最大迭代次数N，则在56处输出估计值θ(m)，Rx(m)和Ry(m)。
在许多角度应用中，角位置的变化远快于位移(意外的误差Rx和Ry)。因此，将位移估计在多次测量的范畴中仅逐步地更新，并且如果最新的计算不可靠，则保持旧位移估计就足够了。这可以根据图6所示的迭代过程60来实现。
最初在61处再次假定消失的位移Rxest＝Ryest＝0。利用在62处可使用的第一组测量结果，在63处可以根据方程式(5)计算初步角度估计θest＝θ(0)。然后在64处，根据方程式(6)，更新移位Rxest＝Rx(m+1)和Ryest＝Ry(m+1)，如果该位移的值对于矩阵求逆是足够可靠的话。例如，这意味着如果θest足够与±90°区分开，则更新Rxest，并且如果θest足够与0°或180°区分开，则更新Ryest。基于此，根据方程式(7)和(8)计算相关的泰勒系数和更新的(并且已经是最终的)角度估计值θest＝θ(m+1)。利用下一组可用的测量结果或组合信号ΔZn，ΔZd，ΔVn和ΔVd在62处继续，以更新角度估计θest。以这种方式，可以针对每组新的测量结果迭代地更新位移估计。这样就无需进行其他迭代来获得更高的精度。另外，仅考虑可靠的位移估计。
在一些实施例中，可以将位移估计在不同测量之间取平均以增加其准确性。例如，这可以利用数字IIR或FIR滤波来实现。因此，位移将通过例如[Rxest，state]＝filter(Rx(m +1)，state)的滤波函数来更新，同样仅具有可靠的值。滤波函数可以限制测量噪声对位移估计的影响。
迭代方法60的可能结果在图8中示出。被模拟的磁体的半径为3毫米。横向霍尔元件位于距离传感器元件中心1毫米处。
与常规的角度传感器概念相比，此处描述的杂散场可靠的、位移补偿的角度传感器概念包括测量平面中磁场分量(例如Bx和By)的附加传感器元件。从所有可用的传感器元件中推导出杂散场可靠的参量，以便在杂散场可靠的意义上确定角位置和位移矢量。由此，当磁体随传感器元件从其最佳位置偏移和/或施加有均匀干扰场时，也可以精确地确定角度位置。还可以确定固体(磁体)的三个自由度：角旋转θ加上二维位移(Rx，Ry)。
与一个或多个之前详细描述的示例和附图一起提到和描述的方面和特征可以与一个或多个其他示例组合，以便代替其他示例的类似特征或者向其他示例附加地引入特征。
示例可以进一步是或涉及具有程序代码的计算机程序，该程序代码用于在计算机程序在计算机或处理器上运行时执行上述一种或多种方法。上述各种方法的步骤，操作或过程可以由编程的计算机或处理器执行。示例也可以覆盖程序存储装置，例如数字数据存储介质，这些装置是机器、处理器或计算机可读的，并且由指令对机器可执行的、处理器可执行的或计算机可执行的程序进行编码。指令引导上述方法的一些或全部步骤或引起这些步骤的实施。程序存储装置可以包括或作为例如数字存储、诸如磁盘和磁带之类的磁存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。其他示例可以覆盖被编程用于实施上述方法的步骤的计算机、处理器或控制单元，或者覆盖被编程用于实施上述方法的步骤的(现场)可编程逻辑阵列((F)PLA＝(现场)可编程逻辑阵列)或(现场)可编程门阵列((F)PGA＝(现场)可编程门阵列)。
说明书和附图仅示出了本公开的原理。此外，此处列出的所有示例仅旨在明确地用于说明目的，以帮助读者理解本公开的原理以及发明人对进一步发展技术做出贡献的构思。这里关于本公开的原理，方面和示例的所有陈述以及其具体示例包括其等同形式。
表示为执行特定功能的“用于…的装置”的功能块可以表示被配置成执行特定功能的电路。因此，“用于某事的装置”可以被实施为“被配置成或者适合于某事的装置”，诸如被配置成或适合于相应的任务的装置或电路。
在附图中示出的各种元件的功能，包括标记为“装置”、“用于提供传感器信号的装置”、“用于生成发射信号的装置”等的任何功能块可以以专用硬件的形式(诸如“信号提供器”、“信号处理单位”、“处理器”、“控制器”等)以及能够与适当软件相关联地执行软件的硬件的形式来实施。当由处理器提供时，可以通过单个专用处理器、单个共享处理器或者多个独立的处理器(其中一些或所有都被共享)来提供功能。然而，术语“处理器”或“控制器”远不限于只能够执行软件的硬件，而是可以包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可以包括传统和/或定制的其他硬件。
例如，框图可以图示实施本公开原理的高级电路图。类似地，流程图、状态转换图、伪代码等可以表示各种过程、操作或步骤，这例如可以在由计算机或处理器执行的计算机可读介质中基本表示，无论这种计算机或处理器是否被明确示出。在说明书或权利要求中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的每个相应动作的装置的装置来实施。
可以理解，说明书和权利要求中公开的多个步骤、过程、操作或功能的公开可以不以特定顺序构建，除非另有明示或暗示，例如出于技术原因。因此，多个动作或功能的公开将不将它们限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因而不可互换。另外，在一些示例中，单个步骤、功能、过程或操作可以分别包括和/或可以在其中显露多个子步骤、子功能、子过程或子操作。这些子步骤可以被包括在该单个步骤的公开中或是其一部分，除非明确排除。
另外，权利要求在此被并入到详细描述中，其中每个权利要求自身可以作为独立示例。虽然每个权利要求自身可以作为独立示例，但应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例还可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。本文明确提出这种组合，除非该特定组合是不想要的。另外，还将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims (19)

1.一种用于确定影响磁场的定向的测量对象(11；12)的旋转角(θ)的设备(20；30)，所述测量对象具有沿z方向的旋转轴线，所述设备(20；30)包括：
至少三个围绕所述旋转轴线(13)均匀布置的第一磁场传感器元件(Z1，Z2，Z3，Z4)，所述第一传感器元件分别对沿z方向的磁场分量敏感；
至少三个围绕所述旋转轴线(13)均匀布置的第二磁场传感器元件(X1；Y2；X3；Y4；V1；V2；V3)，所述第二磁场传感器元件分别对x-y平面中的磁场分量敏感；
用于基于以下各项确定所述旋转角(θ)的装置(26；36)：
第一组合信号(ΔZn)，所述第一组合信号依据所述第一磁场传感器元件的测量信号的第一组合，
第二组合信号(ΔZd)，所述第二组合信号依据所述第一磁场传感器元件的测量信号的第二组合，
第三组合信号(ΔVn)，所述第三组合信号依据所述第二磁场传感器元件的测量信号的第一组合，
第四组合信号(ΔVd)，所述第四组合信号依据所述第二磁场传感器元件的测量信号的第二组合。
2.根据权利要求1所述的设备(20；30)，其中，用于确定所述旋转角(θ)的装置(26；36)还被设计为基于四个所述组合信号来确定所述旋转轴线从零位置的位移(Rx，Ry)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中，能够关于旋转角(θ)通过相应的傅立叶级数对所述组合信号中的每个组合信号建模，并且其中能够关于所述旋转轴线从零位置的位移(Rx，Ry)通过泰勒级数分别对所述傅立叶级数中的每个傅立叶级数的傅立叶系数建模，并且其中所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为附加地基于所述泰勒级数的预定义的泰勒系数来确定所述旋转角。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中，所述第一磁场传感器元件(Z1；Z2；Z3；Z4)具有横向霍尔传感器元件，并且所述第二磁场传感器元件(X1；Y2；X3；Y4；V1；V2；V3)具有垂直霍尔传感器元件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中，所述测量对象(11；12)包括沿z方向延伸的轴，所述轴具有安装在所述轴的端部上的磁体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中，N个第一磁场传感器元件名义上对称地以360°/N的角距围绕所述旋转轴线布置，并且N个第二磁场传感器元件名义上对称地以360°/N的角距围绕所述旋转轴线布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中四个第一磁场传感器元件(Z1，Z2，Z3，Z4)名义上对称地以90°的角距围绕所述旋转轴线布置，并且其中，所述第一组合信号(ΔZn)对应于以180°角相对置的第一磁场传感器元件的两个测量信号的第一差，所述第二组合信号(ΔZd)对应于另外以180°角相对置的第一磁场传感器元件的两个测量信号的第二差，
其中四个第二磁场传感器元件(X1；Y2；X3；Y4)名义上对称地以90°的角距围绕所述旋转轴线布置，并且其中，所述第三组合信号(ΔVn)对应于以180°角相对置的第二磁场传感器元件的两个测量信号的第一差，所述第四组合信号(ΔVd)对应于另外以180°角相对置的第二磁场传感器元件的两个测量信号的第二差。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(20；30)，其中，三个第一磁场传感器元件(Z1；Z2；Z3)名义上对称地以120°的角距围绕所述旋转轴线布置，并且其中，所述第一组合信号(ΔZn)对应于以120°角隔开的第一磁场传感器元件的三个加权测量信号的第一组合，并且所述第二组合信号(ΔZd)对应于所述第一磁场传感器元件的三个加权测量信号的第二组合，
其中三个第二磁场传感器元件(V1；V2；V3)以120°的角距围绕所述旋转轴线布置，并且其中，所述第三组合信号(ΔVn)对应于以120°角隔开的第二磁场传感器元件的三个加权测量信号的第一组合，并且所述第四组合信号(ΔVd)对应于所述第二磁场传感器元件的三个加权测量信号的差。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，
其中能够关于所述旋转角(θ)通过第一傅里叶级数根据
ΔZn＝znc(Rx，Ry)·cosθ+zns(Rx，Ry)·sinθ+zn0(Rx，Ry)，
利用取决于所述旋转轴线的所述位移(Rx，Ry)的傅立叶系数znc(Rx，Ry)，zns(Rx，Ry)，zn0(Rx，Ry)对所述第一组合信号(ΔZn)建模，
其中能够关于所述旋转角(θ)通过第二傅里叶级数根据
ΔZd＝zdc(Rx，Ry)·cosθ+zds(Rx，Ry)·sinθ+zd0(Rx，Ry)，
利用取决于所述旋转轴线从所述零位置的所述位移(Rx，Ry)的傅立叶系数zdc(Rx，Ry)，zds(Rx，Ry)，zd0(Rx，Ry)对所述第二组合信号(ΔZd)建模，
其中能够关于所述旋转角(θ)通过第三傅里叶级数根据
ΔVn＝vnc(Rx，Ry)·cosθ+vns(Rx，Ry)·sinθ+vn0(Rx，Ry)，
利用取决于所述旋转轴线的所述位移(Rx，Ry)的傅立叶系数vnc(Rx，Ry)，vns(Rx，Ry)，vn0(Rx，Ry)对所述第三组合信号(ΔVn)建模，
其中能够关于所述旋转角(θ)通过第四傅里叶级数根据
ΔVd＝vdc(Rx，Ry)·cosθ+vds(Rx，Ry)·sinθ+vd0(Rx，Ry)，
利用取决于所述旋转轴线的所述位移(Rx，Ry)的傅立叶系数vdc(Rx，Ry)，vds(Rx，Ry)，vd0(Rx，Ry)对所述第四组合信号(ΔVd)建模。
10.根据权利要求9所述的设备(20；30)，其中，利用所述预定义的泰勒系数wijxx，wijxy，wijyy，wijx，wijy，wij0，具有w∈{v，z}，i∈{n，d}和j∈{c，s，0}的所述傅立叶系数wij(Rx，Ry)能够根据
wij(Rx，Ry)＝wijxx·Rx2+wijxy·Rx·Ry+wijyy·Ry2+wijx·Rx+wijy·Ry+wij0
作为泰勒级数被建模。
11.根据权利要求9或10所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为以数值方式求解权利要求9中的方程，以便确定所述旋转角和/或所述旋转轴线的所述位移的最佳估计值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，还包括用于所述预定义的泰勒系数的存储器，所述预定义的泰勒系数的值借助计算、仿真和/或校准来决定。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为，在初始计算步骤中基于不存在所述旋转轴线参照所述零位置的位移(Rx，Ry)的假设以及基于所述第一组合信号和所述第二组合信号来确定所述旋转角(θ)的初始估计值。
14.根据权利要求13所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为，基于
Figure FDA0002676870110000041
确定所述旋转角(θ)的所述初始估计值，其中在不存在所述旋转轴线参照所述零位置的位移时，
Figure FDA0002676870110000042
对应于预定的傅里叶系数。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为，基于所述旋转角(θ)的当前估计值、所述第三组合信号(ΔVn)和所述第四组合信号(ΔVd)以及所述预定义的泰勒系数，确定所述旋转轴线的所述位移(Rx，Ry)的更新估计值。
16.根据权利要求15所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为，基于
Figure FDA0002676870110000051
确定所述旋转轴线的所述位移(Rx，Ry)的所述更新估计值，其中m表示第m个迭代步骤。
17.根据权利要求15或16所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为，基于所述位移(Rx，Ry)的所述更新估计值确定更新傅立叶系数，并且基于所述更新傅立叶系数以及所述第一组合信号(ΔZn)和所述第二组合信号(ΔZd)确定所述旋转角(θ)的更新估计值。
18.根据权利要求17所述的设备(20；30)，其中，所述用于确定所述旋转角的装置(26；36)被设计为，基于
Figure FDA0002676870110000052
确定所述旋转角(θ)的所述更新估计值，其中m表示第m个迭代步骤。
19.一种用于确定影响磁场的定向的测量对象(11；12)的旋转角(θ)的方法，所述测量对象具有沿z方向的旋转轴线，
其中至少三个第一磁场传感器元件围绕所述旋转轴线均匀布置，所述第一传感器元件分别对沿z方向的磁场分量敏感，
其中至少三个第二磁场传感器元件围绕所述旋转轴线均匀布置，所述第二磁场传感器元件分别对x-y平面中的磁场分量敏感，所述方法包括：
基于所述第一磁场传感器元件的测量信号的第一组合确定第一组合信号(ΔZn)；
基于所述第一磁场传感器元件的测量信号的第二组合确定第二组合信号(ΔZd)；
基于所述第二磁场传感器元件的测量信号的第一组合确定第三组合信号(ΔVn)；
基于所述第二磁场传感器元件的测量信号的第二组合确定第四组合信号(ΔVd)；和
基于所述第一组合信号、所述第二组合信号、所述第三组合信号和所述第四组合信号确定所述旋转角(θ)。
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