CN113124741A - 磁位置传感器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了磁位置传感器系统和方法。一种位置传感器系统，包括：磁场源，所述磁场源用于生成磁场，以及位置传感器设备，所述位置传感器设备相对于所述磁场源是能移动的，或反之亦然。所述位置传感器设备包括用于测量所述磁场的至少三个磁场值的至少三个磁传感器元件和用于基于所述至少三个磁场值确定至少两个磁场梯度或磁场差的处理电路，所述处理电路用于从所述至少两个磁场梯度或差值导出指示位置传感器设备的位置的第一值，并且用于从所述至少两个磁场梯度或差值导出指示位置传感器系统的完整性的第二值。

Description

磁位置传感器系统和方法
技术领域
本发明大体涉及磁传感器设备和系统及方法领域，且更具体地涉及磁位 置传感器系统和装置及方法，其不仅能够确定线性或角位置，而且能够提供 指示系统完整性或故障的信号。
背景技术
磁位置传感器系统，特别是线性位置传感器系统和角位置传感器系统在 本领域中是已知的。它们提供的优点在于，在不进行物理接触的情况下能够 测量线性位置或角位置，从而避免了机械磨损、刮擦、摩擦等问题。
存在许多位置传感器系统的变体，解决以下需求中的一个或多个：使用 简单或便宜的磁结构、使用简单或便宜的传感器设备、能够在相对大范围上 进行测量、能够进行高精度测量、仅需简单的运算、能够进行高速测量、对 定位误差是高度稳健的、对外部干扰场是高度稳健的、提供冗余、能够检测 误差、能够检测并纠正误差、具有良好的信噪比(SNR)等。
本发明主要涉及在恶劣环境中使用的位置传感器系统，诸如举例而言在 汽车、工业和机器人应用中，其中传感器系统的主要功能是确定线性位置或 角位置，即使存在电磁干扰信号，并且其中故障检测是保证功能安全的重要 支持功能。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种包括磁源和传感器设备的磁位置传感器 系统，该磁位置传感器系统能够以对外部干扰场不敏感的方式提供位置信息 和故障信息(或完整性信息)。
本发明的实施例的特定目的是提供一种能够检测故障状况(例如，与磁 源的机械安装有关)的磁位置传感器系统。
本发明特定实施例的目的是提供此类包括磁源的系统，其中传感器设备 能够检测到磁源是否存在。
本发明的特定实施例的目的是提供一种角位置传感器系统，该角位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的永磁体，并且其中传感器设备优选具有 360°或180°的测量范围。
本发明的特定实施例的目的是提供一种线性位置传感器系统，其包括细 长的磁性结构。
本发明实施例的目的是提供此类系统，其中故障或系统完整性的确定需 要更少的处理能力或仅需要简单的算术。
这些和其他目的通过本发明提供的系统、设备和方法来实现。
根据第一方面，本发明提供一种位置传感器系统，包括：磁场源，所述 磁场源用于生成磁场，以及位置传感器设备，所述位置传感器设备相对于所 述磁场源是能移动的，或反之亦然，所述位置传感器设备包括：至少三个磁 敏元件，所述至少三个磁敏元件用于测量所述磁场的至少三个磁场值；处理 电路，所述处理电路被配置为用于获取所述至少三个磁场值，并基于所述至 少三个磁场值确定至少两个磁场梯度或至少两个磁场差，以及用于从所述至 少两个磁场梯度或从所述至少两个磁场差导出指示所述磁源相对于所述位置传感器设备的位置(例如，线性或角位置)(或反之亦然)的第一信号(第 一值)；其中所述处理电路进一步被配置为从所述至少两个磁场梯度或从所 述至少两个磁场差导出指示所述位置传感器系统的故障(例如，电气故障和 /或机械故障)或完整性的第二信号。
故障信号(或完整性信号)可以例如指示磁源是否存在。
基于磁场梯度或磁场差来确定相对位置是主要优点是因为此类位置对外 部扰动场高度不敏感。
该系统的主要优点是，它不仅提供指示位置(例如，线性或角)的第一 信号(或第一值)，而且还提供指示故障的第二信号，因为以该方式某些问 题(例如，电气缺陷和/或机械缺陷，诸如有缺陷的霍尔元件或损坏的磁 体)可以被检测到，并且使用该位置传感器系统的整个系统可以变得更安 全。
就发明人所知，在现有技术中，磁场梯度或磁场差不用于故障检测或验 证电气或机械或系统完整性。
完整性信号本身也基于磁场梯度或磁场差的主要的优点使得完整性信号 本身对外部干扰场也高度不敏感。
该系统理想地适合在恶劣环境下使用，诸如举例而言汽车环境、工业环 境或机器人环境。
在实施例中，在每个传感器位置中，仅测量单个磁场分量(例如，垂直 于半导体基板定向的Bz)(参见例如，图1到图4和图14(a)到图16 (d))。
在实施例中，两个正交磁场分量(例如，Bx和Bz，或Bx和By)在两个 不同的传感器位置(参见例如，图5到图11)中的每一个进行测量，例如第 一传感器位置和第二传感器位置，这些传感器位置优选地间隔至少1.0 mm，例如约1.5mm到约2.5mm，例如，约2.0mm的距离。
传感器设备还可以被配置为提供所述第一信号或值作为位置信号，并且 用于提供所述第二信号或值(或从中导出的值)作为完整性信号和/或警告 信号和/或错误信号。
在实施例中，位置传感器设备进一步被配置为输出指示相对位置的所述 第一信号，并且用于输出所述第二信号或从中导出的信号作为单独的信号。
在实施例中，在第一输出端口上提供第一信号(例如，作为数字信号或 模拟信号)，并且在与第一输出端口不同的第二输出端口上提供第二信号 (例如，作为数字信号或模拟信号)。
在一个实施例中，第一信号和第二信号在串行比特流中作为单独的值提 供。
在实施例中，传感器设备可以相对于所述磁源移动。
在实施例中，磁源可以相对于所述传感器设备移动。例如，磁源可以安 装在可旋转轴上，并且传感器设备可以安装在定子或机架上。
在实施例中，所述传感器设备包括在单一方向上定向的至少三个磁传感 器元件；并且所述处理电路被配置为基于所述至少三个磁场值来确定至少三 个磁场差，并从所述至少三个磁场差中导出所述第一信号；以及用于从所述 至少三个磁场差导出所述第二信号。
在实施例中，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所 述至少两个磁场梯度的多项式表达式，所述多项式表达式具有至少两个阶 数。
在实施例中，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所 述至少两个或所述至少三个磁场差的多项式表达式，所述多项式表达式具有 至少两个阶数，例如，所述差的平方的和。
这些系数可以在设计期间预确定，或者可以在校准测试期间确定并写入 嵌入传感器设备中的非易失性存储器(例如，闪存)中，并且可以在设备的 实际使用期间从所述非易失性存储器读取。
在实施例中，多项式表达式是具有非零一阶项的二阶多项式，例如，根 据以下公式：第二信号＝A*sqr(梯度1)+B*sqr(梯度2)+C*(梯度1*梯度2)+ D*(梯度1)+E*(梯度2)+F，其中梯度1是从所述至少三个磁场值导出的第 一梯度，且梯度2是从所述至少三个磁场值导出的与第一梯度不同的第二梯 度，并且A、B、C、D、E和F是恒定值，例如，预定值。值A和B中的每一 者均不同于零。值C、D、E和F可以等于零，或者可以不同于零。
在特定实施例中，值C和D和E等于零。
在特定实施例中，值C和D和E和F等于零。
在实施例中，多项式表达式是三阶多项式或四阶多项式。
在实施例中，选择多项式表达式的系数使得不管相对位置如何，对于正 确的机械安装系统中的设想(有效)位置，第二信号基本上是恒定的(在± 25％、或±20％、或±15％、或±10％、或±5％的预定义公差裕度内)。
在实施例中，传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所述至 少两个或所述至少三个磁场梯度的绝对值的和。
在实施例中，传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所述至 少两个或所述至少三个差的绝对值的和。
在实施例中，选择所述第二信号使得所述第二信号基本上独立于整个测 量范围上的相对位置。
“基本上恒定”是指在预定义值周围相对较小的范围内，例如，在所述 预定义值周围±25％的范围内，或在所述预定义值周围±20％的范围内，或 在所述预定义值周围±15％的范围内，或在所述预定义值周围±10％的范围 内，或在所述预定义值周围±5％，或甚至在所述预定义值周围±2％范围 内。
本实施例的优点是，对于传感器设备相对于磁源的任何位置，第二信号 基本上是恒定的，因为它允许检查(特别是)机械安装的完整性，例如，检 测机械安装问题，而不用知道或者不用考虑实际位置。
在实施例中，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号与至少一 个阈值进行比较，并且用于提供与所述至少一个比较的结果相对应的输出信 号(例如，警告信号和/或错误信号)。
在实施例中，位置传感器系统连接到外部处理器，并且被配置为向所述 外部处理器提供第二信号(或从中导出的值)，并且所述外部处理器被配置 为将所述第二信号与至少一个阈值进行比较。
在本实施例中，实际比较在传感器设备外部执行，例如，在外部处理器 中执行，例如，在ECU中执行。
在实施例中，位置传感器系统连接到外部处理器，并且被配置为向所述 外部处理器提供所述至少两个梯度值或所述至少两个梯度信号或所述至少两 个或所述至少三个磁场差，并且外部处理器被配置为基于这至少两个梯度或 这至少两个或至少三个差来计算第二信号。
在本实施例中，第二信号的实际计算在传感器设备外部执行，例如，在 外部处理器中执行，例如，在ECU中执行。
在实施例中，位置传感器设备被配置为输出指示相对位置的第一信号， 并且进一步被配置为将第二信号与第一阈值(T1)和第二阈值(T2)进行 比较，以及用于提供指示第二信号是否是第一阈值和第二阈值之间的值的第 二输出信号。
在实施例中(例如，如图1至图4或图14(a)至图16(d)所示的)，磁 场源是可绕旋转轴旋转的永磁体(例如，环形磁体或盘磁体)；并且所述传 感器设备被配置为确定角位置，并且基本上位于所述轴上。此类机械布置在 本文中也被称为“轴上”布置。
在实施例中，磁场源是具有至少四个极的永磁体(例如，轴向磁化的四 极或六极或八极盘磁体，或轴向磁化的四极或六极或八极环形磁体)，且该 传感器设备包括基本上正交于所述旋转轴的半导体基板，所述半导体基板包 括多个至少四对传感器元件，每一对被配置为测量平行于基板的不同方向 (例如，X，Y，U，U)上的磁场值(例如，Bx，By，Bu，Bv)；且所述 传感器设备还被配置为确定与所述至少四对信号相关联的至少四个磁场梯度 或磁场差。
第二信号可以是所述至少四个磁场梯度或差(或从中导出的值)的两个 不同线性组合的多项式表达式。
第二信号可以是所述至少四个磁场梯度或差(或从中导出的值)的两个 不同线性组合的平方的加权和。
在实施例中，所述至少八个传感器元件位于虚拟圆上。
在实施例中，磁场源是具有四个极的永磁体(例如，轴向磁化的四极盘 磁体或轴向磁化的四极环形磁体)，并且该半导体基板包括位于虚拟圆上的 至少八个传感器元件；并且所述传感器设备被配置为沿平行于所述基板并在 角度上间隔开45°的至少四个不同方向确定(例如，U，V，X，Y)至少四 个磁场梯度(例如，dBx/dy，dBy/dx，dBu/dv，dBv/du)；并且根据以下 公式计算第二信号：
信号2＝(dBx/dx-dBy/dy)2，或根据以下公式：
信号2＝(dBu/du-dBv/dv)2+(dBx/dx-dBy/dy)2，或从中导出的值。
在实施例中(例如，如图4(c)所示)，磁场源是两极永磁体(例如， 条形磁体或直径向磁化的两极盘磁体，或直径向磁化的两极环形磁体，或轴 向磁化的两极盘磁体，或轴向磁化的两极环形磁体)，且所述传感器设备包 括：基本上与旋转轴正交的半导体基板，所述半导体基板包括至少三个或至 少四个传感器元件，每一个传感器元件被配置为测量磁场分量(例如， Bz)，所述磁场分量在基本垂直于所述半导体基板的方向上定向；并且所 述传感器设备进一步被配置为沿平行于所述半导体基板的两个正交方向(例 如，X，Y)确定所述磁场值(例如，Bz)的两个磁场梯度(例如， dBz/dx；dBz/dy)。
第二信号可以被确定为这些梯度的平方的加权和。
在实施例中(例如，如图4(b)所示)，半导体基板包含位于虚拟圆上 的不具有IMC(集成磁聚集器)的四个水平霍尔元件，该四个水平霍尔元件 在角度上间隔开90°。
在实施例中(例如，如图4(c)所示)，半导体基板包含三个或仅三个 不具有IMC(集成磁聚集器)的水平霍尔元件，其中两个位于虚拟圆上，间 隔90°，其中一个位于虚拟圆的中心，从而形成一个L形或直角三角形。
在实施例中，第二信号是这些磁场梯度的平方的和或加权和，或从中导 出的值。例如，和可以用数学形式表示为：信号2＝(dBz/dx)2+(dBz/dy)2例 如，加权和可以被写为：信号2＝A.(dBz/dx)2+B.(dBz/dy)2。
传感器设备可以进一步测试该和是否位于预定义范围内，或者可以例如 计算该和的平方根，并且测试平方根是否小于第一阈值或大于第二阈值等。
在实施例中(参见例如，图5到图10)，磁场源是可绕旋转轴旋转永磁 体；并且传感器设备被配置为确定角位置，并且位于距离所述旋转轴非零距 离处。例如，可以定位传感器设备使得其磁中心位于距离所述旋转轴至少3 mm或至少4mm的距离处。
在实施例中(参见例如，图5)，磁场源是两极永磁体(例如，直径向 磁化的两极盘磁体、或直径向磁化的两极环形磁体、或轴向磁化的两极盘磁 体，或轴向磁化的两极环形磁体)，并且所述传感器设备被配置为测量在围 绕所述旋转轴的周向方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如， Bx)，以及相对于所述旋转轴在径向方向(例如，Y)上定向的第二磁场分 量(例如，By)；并且所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量 (例如，Bx)沿所述周向方向(例如，X)的第一磁场梯度(例如， dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(例如，By)沿所述周向方向(例 如，X)的第二磁场梯度(例如，dBy/dx)；并且所述传感器设备进一步被 配置为将第二信号计算为所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度的函数，例 如计算为这些第二磁场梯度的平方的和。
在实施例中(例如，如图5和图8所示)，永磁体是具有内半径(Ri)和 外半径(Ro)的环形磁体，并且定位传感器设备使得其磁心位于所述内半 径和所述外半径之间的距离(Rs)处，例如，基本上在所述内半径和外半 径之间的中间。
在实施例中(例如如图6或图7中所示)，磁场源是两极永磁体(例如， 直径向磁化的两极盘磁体、或直径向磁化的两极环形磁体、或轴向磁化的两 极盘磁体，或轴向磁化的两极环形磁体)，并且所述传感器设备被配置为测 量在围绕所述旋转轴的周向方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例 如，Bx)，以及在平行于所述旋转轴的方向(例如，Z)上定向的第二磁场 分量(例如，Bz)；并且其中，所述传感器设备被配置为确定所述第一磁 场分量(例如，Bx)沿所述周向方向(例如，X)的第一磁场梯度(例如， dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(例如，Bz)沿所述周向方向(例 如，X)的第二磁场梯度(例如，dBz/dx)；并且所述传感器设备进一步被 配置为将第二信号计算为第一磁场梯度和第二磁场梯度的函数，例如计算为 这些磁场梯度的平方的和或加权和。
在实施例中，永磁体具有外半径(Ro)，并且定位传感器设备使得其 磁中心位于所述外半径的80％到120％的范围内，或者在所述外半径的90％ 到110％的范围内，或者在所述外半径的95％到105％的范围内的距离(Rs) 处。
在实施例中(例如如图8中所示)，磁场源是具有至少四个极的永磁体 (例如，轴向磁化的四极、六极或八极盘磁体，或轴向磁化的四极、六极或 八极环形磁体)，并且所述传感器设备被配置为测量在相对于所述旋转轴的 周向方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx)，以及在平行于 所述旋转轴的方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz)；并且 所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(例如，Bx)沿所述周向 方向(例如，X)的第一磁场梯度(例如，dBx/dx)，以及确定所述第二磁 场分量(例如，Bz)沿所述周向方向(例如，X)的第二磁场梯度(例如， dBz/dx)；并且所述传感器设备进一步被配置为将第二信号计算为第一磁场 梯度和第二磁场梯度的函数，例如计算为为这些磁场梯度的平方的和或加权 和。
在实施例中(例如，如图9和图10中所示)，磁场源是具有至少四个极 的永磁体(例如，轴向磁化的四极、六极或八极盘磁体，或轴向磁化的四 极、六极或八极环形磁体)，并且所述传感器设备被配置为测量在相对于所 述旋转轴的周向方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx)，以 及相对于所述永磁体在径向方向上定向的第二磁场分量(例如，Br)；并且 所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(例如，Bx)沿所述周向 方向(例如，X)的第一磁场梯度(例如，dBx/dx)，以及确定所述第二磁 场分量(例如，Br)沿所述周向方向(例如，X)的第二磁场梯度(例如， dBr/dx)；并且所述传感器设备进一步被配置为将第二信号计算为第一磁场 梯度和第二磁场梯度的函数，例如计算为这些磁场梯度的平方的和或加权 和。
在实施例中，永磁体具有外半径(Ro)，并且定位传感器设备使得其 磁中心位于所述外半径的105％到200％，或者在所述外半径的105％到150％ 的范围内，或者在所述外半径的105％到140％的范围内的距离(Rs)处。此 外，在本实施例中，传感器设备优选地位于基本上在永磁体的底面和顶面之 间的中间的轴向位置处。
在实施例中(例如，如图11所示)，所述磁场源是具有在第一方向(例 如，X)上延伸的细长形状，并且具有在基本上垂直于所述第一方向(例 如，X)的第二方向(例如，Z)上磁化的多个至少两个或至少三个或至少 四个磁极的磁性结构；并且所述传感器设备相对于所述磁性结构在所述第一 方向(例如，X)上能移动，或者反之亦然，并且被配置为确定所述第一方 向(例如，X)上的线性位置；并且所述传感器设备和磁性结构之间的距离 (在第二方向(例如，Z)上测量)基本上恒定；并且其中所述传感器设别 被配置为测量在所述第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如， Bx)和在第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz)；并且 所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(例如，Bx)沿所述第一 方向(例如，X)的第一磁场梯度(例如，dBx/dx)，以及确定所述第二磁 场分量(例如，Bz)沿所述第一方向(例如，X)的第二磁场梯度(例如， dBz/dx)；并且所述传感器设备被配置为将第二信号计算为第一磁场梯度和 第二磁场梯度的函数，例如计算为这些磁场梯度的平方的和或加权和。
优选地，所述磁性结构具有平行于第一方向(例如，X)和第二方向 (例如，Z)的对称平面，并且优选地，所述传感器设备被定位为使得其磁 中心基本上位于该对称平面中。
根据另一个方面，本发明还涉及用于上述任何位置传感器系统中的传感 器设备，例如，用于汽车或工业或机器人环境中。
根据另一个方面，本发明还提供根据第一方面的确定位置和确定传感器 系统的故障或完整性的方法。该方法包括以下步骤：a)测量所述磁场的至 少三个磁场值；b)基于所述至少三个磁场值确定至少两个磁场梯度，或至 少两个或至少三个磁场差；c)从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个 或所述至少三个磁场差导出指示所述传感器设备的位置的第一信号；d)从 所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个或所述至少三个磁场差导出指示故 障或指示位置传感器系统完整性(例如，指示传感器设备附近是否存在磁 源)的第二信号。
该方法理想地适合在恶劣环境下使用，诸如例如，汽车环境、工业环境 或机器人环境。
该方法可以进一步包括提供所述第一信号作为第一输出信号，以及提供 所述第二信号作为第二输出信号的步骤。该第一和第二输出信号可以是模拟 信号或者可以是数字信号，或者一个信号可以是数字信号而另一个信号可以 是模拟信号。
在实施例中，步骤d)包括：将所述第二信号确定为所述至少两个磁场 梯度的多项式表达式，例如，作为梯度信号的平方的和或加权和、或差信号 的平方的和、或差信号的绝对值的和。
该方法可以进一步包括以下步骤：从非易失性存储器获取所述多项式表 达式的系数。
该方法可以进一步包括步骤e)：将第二信号与至少一个阈值或至少两个 阈值进行比较；以及输出与所述至少一个比较或所述至少两个比较的结果相 对应的至少一个信号(例如，警告信号和/或错误信号)。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从 属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特 征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。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)示出了根据本发明的实施例的角位置传感器系统。该位置传感 器系统包括可绕旋转轴旋转的四极磁体，以及位于“轴上(on-axis)”位置 且具有八个水平霍尔元件和IMC结构的传感器设备。
图1(b)示出了在旋转轴附近的各种位置的示例|dBx/dx-dBy/dy|中， 两个梯度之间的差的大小的图。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的四极磁体，以及位于“轴上”位置并且具有 被配置为测量径向磁场分量的四个垂直霍尔元件的传感器设备。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的四极磁体，以及位于“轴上”位置并且具有 被配置为测量周向磁场分量(即，与具有位于旋转轴上的中心的假想圆相切 地定向的场分量)的四个垂直霍尔元件的传感器设备。
图4(a)和图4(b)示出了根据本发明另一个实施例的角位置传感器系 统。该位置传感器系统包括可绕旋转轴旋转的二极磁体，以及位于“轴上” 位置且具有四个水平霍尔元件但没有IMC(集成磁聚集器)的传感器设备。
图4(c)示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统，其中 传感器设备415具有三个水平霍尔元件，其中两个位于虚拟圆上，并且其中 一个位于虚拟圆的中心。
图4(d)示出了圆上的霍尔元件中的每一个和中心元件之间的差的平方 的和的模拟结果，如在本发明的实施例中可以用于故障检测。
图4(e)示出了圆上的霍尔元件中的每一个和中心元件之间的差的绝对 值的和的模拟结果，如在本发明的实施例中可以用于故障检测。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的二极磁体，以及位于“离轴(off- axis)”位置(例如，在磁体上方或下方)并且被配置为测量两个周向场 分量和两个径向场分量的传感器设备。传感器设备具有基本上垂直于旋转轴 定向的基板。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的两极磁体，以及位于“拐角”位置附近并且 被配置为测量两个周向和两个轴向场分量的传感器设备。传感器设备具有基 本上垂直于旋转轴定向的基板。
图7示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的磁体(例如，两极或四极磁体，或有超过四 极的磁体)，以及位于“拐角”位置附近并且被配置为测量两个周向和两个 轴向场分量的传感器设备。传感器设备具有基本上平行于旋转轴定向的基 板。
图8示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的四极磁体，以及位于“轴下”位置(例如， 在磁体上方或下方)并且被配置为测量两个周向和两个轴向磁场分量的传感 器设备。传感器设备具有基本上垂直于旋转轴定向的基板。
图9示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的四极磁体，以及位于基本上垂直于旋转轴的 平面中且基本上位于磁体顶部和底部中间的传感器设备。该传感器设备被配 置为测量两个周向磁场分量和两个径向磁场分量。
图10示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统。该位置传 感器系统包括可绕旋转轴旋转的四极磁体，以及具有基本上平行于旋转轴定 向的基板且基本上位于磁体顶部和底部表面中间的传感器设备。该传感器设 备被配置为测量两个周向磁场分量和两个径向磁场分量。
图11示出了根据本发明的另一个实施例的线性位置传感器系统。该位置 传感器系统包括多极磁性结构，其具有在第一方向上延伸的细长形状并且具 有在基本上垂直于第一方向的第二方向上磁化的多个磁极，以及被配置为测 量在第一方向上定向的两个磁场分量和在第二方向上定向的两个磁场分量的 传感器设备。
图12示出了确定指示位置的第一信号和指示位置传感器系统的故障或完 整性的第二信号的方法的流程图，其中第一信号和第二信号两者都对外部干 扰场不敏感。
图13是根据本发明的实施例的示例性位置传感器设备的示意性框图。
图14(a)和图14(b)示出了根据本发明的实施例的另一个传感器系 统，包括两极磁体和传感器设备，该传感器设备包括位于虚拟圆上并以 120°的倍数在角度上间隔开的三个水平霍尔元件；图14(c)示出了两个磁 场分量的对之间的差的平方的和的模拟结果；图14(d)示出了两个磁场分 量的对之间的差的绝对值的和的模拟结果。
图15(a)和图15(b)示出了另一个传感器系统，该传感器系统包括两 极磁体和传感器设备，该传感器设备包括位于虚拟圆上并在角度上间隔开 120°的倍数的三个水平霍尔元件和位于所述圆的中心的第四水平霍尔元 件；图15(c)示出了圆上的霍尔元件中的每一个与中心元件之间的差的平 方的和的模拟结果；图15(d)示出了圆上的霍尔元件中的每一个与中心元 件之间的差的绝对值的和的模拟结果。
图16(a)和图16(b)示出了另一个传感器系统，包括两极磁体和传感 器设备，该传感器设备包括位于虚拟圆上并以120°的倍数在角度上间隔开 的三个水平霍尔元件；图16(c)示出了每一个磁场分量和三个信号的平均 值之间的差的平方的和的模拟结果；图16(d)示出了每一个磁场分量和三 个信号的平均值之间的差的绝对值的和的模拟结果。
各附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说性目的，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且是非限制性的。在 附图中，出于解说性目的，可将要素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘 制。尺度和相对尺度并不与对本发明的实践的实际缩小相对应。
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解说的不同的顺序来 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。应当理解，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除本文中所描述或图示 的取向之外的取向进行操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出 的装置；它并不排除其他要素或步骤。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”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味 着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是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 所描述的特定的特征、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 出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。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，应当理解，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 个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法 不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征 更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单 个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之后所 附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身 代表本发明的单独实施例。
此外，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，但是如本领域技术人员将理 解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不 同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实 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，应当理解，可 以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。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。
在本文档中，术语“磁传感器设备”或“传感器设备”或“位置传感器 设备”是指包括基板(优选为半导体基板)的设备，该基板包括至少两个 “磁传感器元件”。传感器设备可被包括在封装(也被称为“芯片”)中， 但这不是绝对必需的。
在图5至图10所示的实施例中(其中，传感器设备不被定位为其磁中心 在旋转轴上)，Bx分量在线性位置传感器的情况下通常是指在与运动方向 平行的方向上定向的磁场分量，或者在曲线轨迹情况下是指与运动轨迹相切 定向的磁场分量，而By分量是指平行于垂直于Bx分量的半导体平面的磁场 分量。在本文中，Bx和By分量也是指“平面内(in-plane)磁场分量”，因 为它们平行于传感器设备的半导体平面定向。在这些实施例中，Bz分量通 常是指垂直于传感器基板定向的磁场分量。在本文中，Bz分量也是指“平 面外(out-of-plane)分量”。
在本文档中，表述“空间导数”或“导数”或“空间梯度”或“梯度” 被用作同义词。在本发明的上下文中，梯度通常被确定为从在同一方向上敏 感并且彼此间隔开的磁传感器获取的两个值之间的差，或者如果两个值是从 在相反方向上敏感的传感器元件获取的则被确定为两个值的和。因此，导数 dBx/dx在本文中典型地计算为(Bx1-Bx2)，其中Bx1表示在第一位置处测 量的Bx分量，而Bx2表示在沿X轴与第一位置相隔距离“dx”的第二位置处测量的Bx分量，但是数学上除以“dx”通常被省略。同样地，导数dBy/dx 典型地计算为(By1-By2)，其中By1表示在第一位置处测量的By分量， By2表示在沿X轴与第一位置相隔距离“dx”的第二位置处测量的By分量， 但是数学上除以“dx”通常被省略。然而，例如在图2和图3中，梯度 dBx/dx被计算为Vh0和Vh1的和(不是差)，因为垂直霍尔元件H0和H1在相 反的方向上定向。
在本文档中，表述“第一值”和“第一信号”可以可互换地使用。同样 地，表述“第二值”和“第二信号”可以可互换地使用。
在该文档中，术语arctan函数或atan2函数指的是反正切函数。不熟悉 atan2函数(或“2参数反正切”函数)的读者可以例如参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Atan2了解更多信息。在本发明的上下文中，公 式arctan(x/y)、atan2(x,y)、arccot(y/x)被认为是等效的。
在本文档中，术语“相对于旋转轴的周向方向”和“相对于磁体的周向 方向”以及“与具有位于旋转轴上的中心的虚拟圆相切的方向”可以可互换 地使用。在图5到图10的实施例中，该方向由X轴表示(如传感器设备所 见)。
本发明涉及恶劣环境中的位置传感器系统，诸如汽车、工业和机器人应 用。在此类环境中，一个挑战是要获得准确的结果，尽管潜在的相对较大的 干扰信号。另一个挑战与功能安全性有关。安全性相关应用的设计可以由安 全标准(诸如ISO26262和IEC61508)管理。
更具体地，本发明提出了一种磁位置传感器系统，该磁位置传感器系统 不仅能够提供准确的位置信号，而且能够提供指示系统完整性的第二信号， 或者换句话说，能够指示故障状况，例如，电气和/或机械故障状况。一种 此类故障状况是磁丢失，例如，当安装在杆上时由于施加在磁源上的机械力 造成的。
为了解决该问题，本发明提出了一种位置传感器系统，该位置传感器系 统包括磁场源(例如，永磁体或永磁结构)和位置传感器设备。该磁场源被 配置为生成磁场。该位置传感器设备相对于磁场源是可移动的，或者反之亦 然。该位置传感器设备包括至少三个磁敏感元件，用于测量所述磁场的至少 三个磁场值；以及处理电路，该处理电路被配置为基于所述至少三个磁场值 来确定至少两个磁场梯度或至少两个或至少三个磁场差，并且用于从所述至 少两个磁场梯度或从所述至少两个或至少三个磁场差导出指示磁源相对于位置传感器设备的位置(或反之亦然)的第一信号，并且用于还从所述至少两 个磁场梯度或从所述至少两个或至少三个磁场差导出指示故障状况或完整性 的第二信号，例如，位置传感器系统的机械完整性或机械故障状况，例如， 指示磁源是否存在或指示磁体机械未对准或磁体物理损坏。
本领域已知使用空间梯度来确定线性或角位置的磁位置系统，但就发明 人所知，此类系统没有用于检测(例如，机械)故障状况的规定，例如，要 么根本没有规定，要么没有对外部干扰场具有鲁棒性的规定。然而，本发明 的发明者惊奇地发现，梯度信号也可以用于确定机械安装问题，诸如磁源的 丢失。
指示故障(例如，系统故障)或完整性(例如，机械完整性或系统完整 性)的第二信号可以确定为所述至少两个磁场梯度或差的多项式表达式，例 如作为这些梯度或差的二阶函数。它的优点是不需要测角函数来计算此类第 二信号。
在特定实施例中，第二信号被计算为两个梯度或差信号的平方的和或加 权和。在其他实施例(例如，图1)中，第二信号被计算为两个梯度信号之 间的第一差的平方与两个梯度信号之间的第二差的平方的和。
尽管并非绝对需要，但优选地，第二信号基本上独立于实际位置，或者 换句话说，在所设想的测量范围上基本恒定。这提供了(除其他外)优点， 即可以在不实际计算位置的情况下评估(例如，机械)完整性，且因此可以 在与确定当前位置不同的频率下进行评估。
可选地，位置传感器设备进一步被适配成将第二信号与一个或多个预定 义阈值(例如，在生产期间或校准测试期间硬编码在微控制器中或存储在非 易失性存储器中的)进行比较，例如以便测试第二信号是否在预定义范围 内。该传感器设备可以进一步被配置为根据该至少一个比较的结果提供输出 信号，例如指示“良好状况”(例如，当信号具有阈值之间的预定义范围内 的值时)，或“错误状况”(例如，当信号具有在所述预定义范围之外，例 如大于上限阈值或小于下限阈值，的值时)。
如将进一步清楚的，本发明的基本原理适用于各种机械配置，例如：
-角位置传感器系统(参见例如，图1-10)以及线性位置传感器系统 (参见例如，图11)；
-对于各种磁源(例如，两极盘磁体或两极环形磁体，或四极盘磁体或 四极环形磁体，或具有多于四个极的环形磁体或盘磁体)；
-对于不同的拓扑结构，例如，对于角位置传感器系统，其中传感器设 备安装在相对于磁源的不同位置处，例如在所谓的“轴上”位置(参见例 如，图1-图4)，或在所谓的“离轴位置”(参见例如，图5和图8)，或 “在角落中”(参见例如，图6和图7)，或“磁体外部”在本文中也指“赤 道附近”(参见例如，图9和图10)；
-对于具有安装在各种定向(例如，平行于旋转轴或垂直于旋转轴)的 基板的传感器设备；
对于具有各种类型的传感器元件的传感器设备，例如，仅具有带IMC的 水平霍尔元件(例如，图1a、图5c、图6e、图7d、图8c、图8d、图9c、图 10d、图11b、图11c)，仅具有不带IMC的水平霍尔元件(例如，图4b、图 4c、图14(a)、图15(a)、图16(a))，具有水平霍尔元件和垂直霍尔元件二者 (例如，图6f、图8d、图10e、图11c)，仅具有垂直霍尔元件(例如，图 2、图3、图5d、图7e、图9d)，但也可以使用其他传感器元件，例如，磁阻 元件(未示出)。
现在参考各附图。
图1(a)示出了角位置传感器系统100。该位置传感器系统包括可绕旋 转轴旋转的四极环形磁体102或四极盘磁体，以及位于所谓“轴上”位置 (或更准确地说：具有基本上位于磁体的旋转轴上的磁中心)且具有八个水 平霍尔元件H0至H7和IMC结构(本文中称为“太阳结构”)的传感器设备 101，该IMC结构具有中心盘，该中心盘被具有基本梯形形状的八个径向定 向IMC元件包围。传感器设备具有基本上垂直于旋转轴定向的半导体基板。 此类传感器布置，尽管具有12个霍尔元件和具有12个IMC元件的“太阳结 构”在WO2014029885A1中是已知的(图27)，但是WO'885中所描述的传 感器设备仅提供位置信号，而不是完整性信号或故障信号。
回头参考本发明的图1(a)，可以理解，可以例如根据以下公式来确定 指示磁体102相对于传感器设备101的角位置θ的第一信号(或反之亦然)：
信号1＝arctan[(Vh1-Vh3+Vh5-Vh7)/(Vh0-Vh2+Vh4-Vh6)] [1a] 其中，Vh0、Vh1、Vh2等是从霍尔元件H0、H1、H2等获取的信号(例如， 电压)。该信号对任何方向的外部干扰场高度不敏感。然后，机械位置θ可 以从第一信号中导出，如下所示：
信号1＝2*θ [1b]
例如，指示故障或该位置系统完整性的第二信号可以根据以下公式计 算：
信号2＝(Vh1-Vh3+Vh5-Vh7)2+(Vh0-Vh2+Vh4-Vh6)2 [1c]
如果机械安装是正确的，该信号是基本恒定的，并且与角位置无关。该值可 以例如在设计期间预先确定，或者可以例如在校准测试期间测量并存储在易 失性存储器中。在出现机械安装问题的情况下，例如，如果磁体不再存在 (例如，由于振动而被意外地移除)，信号2的测量值将不再等于上述恒定 值。因此，通过测量该值，可以检测到位置传感器系统的故障，或者换句话 说，可以确定位置传感器系统的完整性。
注意，(Vh1+Vh5)可以被认为是沿U轴在U方向上定向的磁场分量Bu 的梯度信号(或空间导数)，并且因此可以被写为dBu/du。通常，梯度被计 算为指向同一方向的两个平行向量之间的差(不是和)，但是在图1(a) 中，梯度被计算为和，因为霍尔板H1和H5以及相关联的IMC元件的灵敏度 沿U轴相反。
同样地，(Vh3+Vh7)是梯度信号，其也可以被写为dBv/dv，
并且(Vh0+Vh4)是梯度信号，其也可以被写为dBx/dx，
并且(Vh2+Vh6)是梯度信号，其也可以被写为dBy/dy。
因此第二信号也可以被写为：
信号2＝(dBu/du-dBv/dv)2+(dBx/dx-dBy/dy)2 [1d]
其中，X、Y、U和V轴中的每一个都平行于传感器设备的半导体基板， 并且其中U轴、Y轴和V轴分别位于相对于X轴的(在逆时针方向上测量的) 45°、90°和135°处。
如可以理解的，在公式[1a]和[1d]中，第一平方和第二平方的项中的每 一项具有+1或-1的系数，但是在实践中也可以使用不同于+1或-1的系数，例 如为了考虑传感器元件的灵敏度失配和/或放大器(未示出)的增益失配。 例如，可以在校准测试期间确定合适或最佳的系数，并将其存储在传感器设 备的非易失性存储器1321中(参见例如，图13)。
图1(b)示出了曲线图，该曲线图示出了对于旋转轴附近的各种位置， 两个梯度dBx/dx和dBy/dy之间的差的大小。从附图可以理解，在图1b的 示例中，该大小在假想圆内基本恒定，该假想圆具有约2mm的半径。
第二信号还可以被确定为：
信号2＝(dBu/du)2+(dBx/dx)2 [1e]
其中X轴和U轴定义45°的角。
在图1所示的位置传感器系统的变体中，使用六极或八极磁体，或具有 超过八极的磁体。在该情况下，必须调整传感器结构，使得传感器元件的数 量是极数的两倍。
在图12中，将示出由本发明的传感器设备(诸如例如，图1的传感器设 备101)执行的方法1200的流程图，并且在图13中将示出此类传感器设备的 框图。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统200。该位 置传感器系统200包括可绕旋转轴旋转的四极磁体202(例如，径向磁化或 轴向磁化的四极环形磁体或四极盘磁体)，以及位于“轴上”位置(意指： 具有基本上位于旋转轴上的磁中心)的传感器设备201。传感器设备201优 选地包括半导体基板，并且优选地被定向为使得该基板与旋转轴基本上正 交。传感器设备具有位于虚拟圆上的四个垂直霍尔元件H0至H3，每一个都被配置为测量由磁体202生成的磁场的径向磁场分量。在图2的示例中，垂 直霍尔元件被定向使得其最大灵敏度的轴径向朝外(如箭头所示)，但是如 果垂直霍尔元件被定向成其最大灵敏度的轴径向朝内，或者甚至如果正确地 加上或减去这些值，一些被定向成径向朝内而另一些则被定向成径向朝外， 本发明也将起作用。
在图2所示的特定示例中，例如可以基于以下公式计算磁体的角位置：
信号1＝arctan[(Vh0+Vh1)/(Vh2+Vh3)] [2a]
机械位置θ可以从第一信号中导出，如下所示：信号1＝2*θ。第一信号对外 部干扰场不敏感。根据本发明，确定第二信号，该第二信号指示传感器系统 的故障或完整性，例如，电气完整性和/或机械完整性。例如，可以根据以 下公式计算该信号：
信号2＝(Vh0+Vh1)2+(Vh2+Vh3)2 [2b]
这也可以被写为：
信号2＝(dBx/dx)2+(dBu/du)2 [2c]
其中X轴和U轴定义45°的角。
在图2所示实施例的变体(未示出)中，传感器设备201具有位于假想 圆上的多于四个的垂直霍尔元件(例如八个垂直霍尔元件)，这些霍尔元件 被定向为径向朝内或朝外，并且间隔45°。在该情况下，可以将第二信号计 算为两个项的和，每一个项是四个信号的线性组合的平方，例如，取决于垂 直霍尔元件的定向(朝内或朝外)，每一个系数为+1或-1的一阶多项式。如 上文所描述的，系数中的一个或多个可以不同于+1或-1。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统300。该位 置传感器系统300包括可绕旋转轴旋转的四极磁体302(例如，径向磁化或 轴向磁化的四极环形磁体或四极盘磁体)，以及位于“轴上”位置的传感器 设备301(意指：具有基本上位于旋转轴上的磁中心)。传感器设备301优 选地包括半导体基板，并且优选地被定向为使得该基板与旋转轴基本上正 交。传感器设备具有位于虚拟圆上的四个垂直霍尔元件H0至H3，并且被配置为测量由磁体302生成的磁场的周向磁场分量(即，与虚拟圆相切)。在 图3的示例中，垂直霍尔元件H0到H3被定向使得其最大灵敏度的轴都指向顺 时针方向，但是如果垂直霍尔元件被定向使得其最大灵敏度的轴指向逆时针 方向，或者甚至，如果正确地加上或减去这些值，有些被定向为顺时针方向 而另一些则被定向为逆时针方向，则本发明也将起作用。
在图3所示的特定示例中，例如可以基于以下公式计算磁体的角位置：
信号1＝arctan[(Vh0+Vh1)/(Vh2+Vh3)] [3a]
机械位置θ可以从第一信号中导出，如下所示：信号1＝2*θ。第一信号对外 部干扰场不敏感。根据本发明，确定第二信号，该第二信号指示系统的故障 或完整性，例如，电气完整性和/或机械完整性。例如，可以根据以下公式 计算该信号：
信号2＝(Vh0+Vh1)2+(Vh2+Vh3)2 [3b]
这也可以被写为：
信号2＝(dBy/dx)2+(dBv/du)2 [3b]
其中，X、Y、U和V轴平行于基板，并且其中U轴、Y轴和V轴分别相对于X 轴在逆时针方向上定义45°、90°和135°的角。
在图3所示的实施例的变体(未示出)中，传感器设备具有位于假想圆 上的多于四个的垂直霍尔元件(例如八个垂直霍尔元件)，这些霍尔元件被 定向使得其最大灵敏度的轴与该假想圆相切，并且指向顺时针或逆时针方 向，并且相隔45度。同样在该情况下，可以将第二信号计算为两个项的和， 每一个项是四个信号的线性组合的平方，例如，取决于垂直霍尔元件的定向 (朝内或朝外)，每一个系数为+1或-1的一阶多项式。
图4(a)和图4(b)示出了根据本发明另一个实施例的角位置传感器系 统400。该位置传感器系统400包括可绕旋转轴旋转的两极磁体(例如，条 形磁体或直径向磁化或轴向磁化的盘磁体或环形磁体)，以及位于“轴上” 位置且具有仅三个或仅四个水平霍尔元件但没有IMC(集成磁聚集器)的传 感器设备401。传感器设备401优选地包括半导体基板，并且优选地被定向 使得基板与旋转轴基本上正交，因此水平霍尔元件被配置为测量基本上平行 于旋转轴定向的磁场分量Bz。
在图4(b)的实施例中，传感器设备401具有位于圆上的四个水平霍尔 元件H1至H4，并且在角度上间隔开90°。
指示角位置的第一信号可以计算为：
信号1＝arctan[((Vh0-Vh2)/(Vh1-Vh3)] [4a]
机械位置θ可以从第一信号中导出，如下所示：信号1＝θ。第一信号对外部 干扰场不敏感。根据本发明，确定第二信号，该第二信号指示系统的故障或 完整性，例如，系统的电气完整性和/或机械完整性。例如，可以根据以下 公式计算该信号：
信号2＝(Vh0-Vh2)2+(Vh1-Vh3)2 [4b]
这也可以被写为：
信号2＝(dBz/dx)2+(dBz/dy)2 [4c]
其中X轴和Y轴平行于基板，并且定义90°角，且其中Z轴垂直于基板。
在图4(c)的实施例中，传感器设备451只有三个水平霍尔元件，即一 个水平霍尔元件Hc位于虚拟圆的中心，且两个水平霍尔元件H0、H1位于该 圆上，并且在角度上间隔开90°。在该实施例中，可根据以下公式计算指示 机械位置的第一信号：
信号1＝arctan[(Vh0-Vhc)/(Vh1-Vhc)] [4d]
并且指示系统的故障或完整性(例如，电气完整性和/或机械完整性)的第 二信号可以计算为：
信号2＝(Vh0-Vhc)2+(Vh1-Vhc)2 [4e]
这也可以被写为：
信号2＝(dBz/dx)2+(dBz/dy)2 [4f]
其中X轴和Y轴平行于基板，并且定义90°角，且其中Z轴垂直于基板。
图4(d)示出了圆上的霍尔元件H0、H1中的每一个和中心元件Hc之间 的差的平方的和的模拟结果，例如，根据公式：
信号2＝(Vh1-Vhc)2+(Vh0-Vhc)2
其中，信号2是指示故障或系统完整性的信号，且Vh0、Vh1是从位于虚 拟圆上的两个水平霍尔元件H0、H1获取的信号，并且Vhc是从位于中心的 水平霍尔元件Hc获取的信号。
由于水平霍尔元件H0、H1、Hc在相同(Z)方向上定向，因此差信号 (Vh1-Vhc)和(Vh0-Vhc)中的每一个基本上对外部干扰场不敏感，且因 此这些差信号的平方的和也对外部干扰场高度不敏感。
在所示的示例中，该和在整个360°测量范围内是恒定的。在实践中， 可能存在信号上的小变化。通过计算和并且通过将该和与小于所述常数的第 一阈值进行比较，和/或通过将该和与大于所述常数的第二阈值进行比较， 并且通过测试该和是否是低于第一阈值和/或大于第二阈值的值和/或在这两 个阈值之间的值，有可能检测某些故障。在实际实现方式中，平均值或中值 可以在设计期间被确定，并且可以被硬编码，或者平均值或中值可以在校准 测试期间被确定，并且被存储在传感器设备1320的非易失性存储器1321 中，其可以在实际使用期间被检取。
第一阈值可以是在上述平均值的75％到99％范围内的值，例如，等于约 75％、或等于约80％、或等于约85％、或等于约90％、或等于约95％、或等 于约96％、或等于约97％、或等于约98％。第二阈值可以是在上述平均值的 101％到125％范围内的值，例如，等于约102％、或等于约103％、或等于约 104％、或等于约105％、或等于约110％、或等于约115％、或等于约120％、 或等于约125％。
作为数值示例，如果单个信号具有1.0的振幅，则差信号也将具有约1.0 的振幅，并且平方的和的平均值将等于约1.0。如果第一阈值设置为1.0的 85％(约0.85)，并且第二阈值设置为1.0的115％(约1.15)，则如果所计 算的信号是在0.85到1.15范围内的值，则第二信号将指示“系统完整性正 常”，而如果所计算的和是在此范围外的值，则第二信号将指示“发生故 障”。
图4(e)示出了指示故障的另一个第二信号信号2'的模拟结果，该第二 信号信号2'是图4(d)的公式的变体，其中该第二信号信号2'被计算为两个 磁场分量的对之间的差的绝对值的和，例如，根据以下公式：
信号2'＝abs(Vh1-Vhc)2+abs(Vh0-Vhc)2
其中，信号2'是指示故障或系统完整性的信号，Vh1、Vh0是由位于虚 拟圆上的水平霍尔元件提供的信号，Vhc是由位于中心的水平霍尔元件提供 的信号，或由它们派生(例如，在放大、数字化等之后)的信号。由于所有 水平霍尔元件在相同(Z，垂直于半导体基板的平面)方向上定向，因此差 信号(Vh1-Vhc)和(Vh0-Vhc)中的每一个基本上对外部干扰场不敏感， 且因此这些差的绝对值的和也对外部干扰场高度不敏感。
作为数值示例，如果原始信号Vh1、Vh0的具有为1.0的振幅，则差信号 将具有为约1.0的振幅，并且这些差的绝对值的和将是在约1.00到约1.41的范 围内的值。因此，平均值等于约1.20，且差的绝对值的“有效”和是在约 1.00到约1.41的范围内的值，即约1.20+/-约18％。
在实践中，考虑到典型公差(例如，机械安装公差)，可以选择稍大的 公差裕度，例如±20％、或±22％、或±24％、或±26％、或±28％或± 30％。当然，这个公差范围越大，故障检测的灵敏度就越低。
当比较图4(d)和图4(e)的示例时，应清楚地看到，图4(d)的平方 的和允许选择比图4(e)的绝对值的和小得多的公差，但是图4(d)的公式 需要计算平方(因此是乘法)，这比绝对值的计算有更高要求。取决于处理 器能力(例如，硬件乘法器是/否)，技术人员可以选择图4(d)的第二信 号或图4(e)的第二信号。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统500。该位 置传感器系统500包括可绕旋转轴旋转的两极磁体(例如，直径向磁化的环 形磁体或盘磁体)502，以及位于“离轴”位置(例如，“在环下面”或 “在盘下面”)且被配置用于测量两个周向场分量(Bx)和两个径向磁场 分量(By)的传感器设备501，如由磁体可见的。
传感器设备501优选地包括半导体基板，并且优选地被定向为使得该基 板与旋转轴基本上正交。在图5所示的实施例中，传感器设备的基板位于距 离环形磁体或盘磁体的底面或顶面预定义距离“g”(例如，从0.5到5.0 mm，例如，等于约2.0mm)处。传感器设备的磁中心位于距离旋转轴 “Rs”的位置(例如，距离旋转轴至少1.4mm、或至少1.6mm、或至少1.8mm、或至少2.0mm、或至少2.5mm、或至少3.0mm)。在图5的示例中， 磁体502是具有内半径Ri和外半径Ro的环形磁体，并且Rs优选为内半径Ri和 外半径Ro之间的值。
如果将正交坐标系XYZ连接到传感器设备，使得X轴与周向方向相切， 并且使得Z轴平行于旋转轴，并且使得Y轴径向定向(即，垂直于旋转 轴)，则指示磁体相对于传感器设备的角位置(或反之亦然)的第一信号可以 计算如下：
信号1＝arctan[K.(dBx/dx)/(dBy/dx)] [5a]
其中，K为常数，可以选择K使得K*(dBx/dx)的振幅基本上等于 (dBy/dx)的振幅。
图5(c)到图5(d)示出了可以用于计算这些梯度的各种传感器结构。 图5(c)的传感器设备使用包括水平霍尔元件和IMC的所谓“双盘”结构。 可以在US2018372475中找到有关该结构的更多信息，该文件的全部内容通 过引用整体结合于此。此类盘可以例如具有约150微米至约250微米的直 径，因此两个相对应的霍尔元件之间的距离可以在约200微米的量级。两个 盘的中心之间的距离可以在1.5mm到2.5mm的量级，例如，等于约2.0 mm。图5(d)的传感器设备包括沿X轴间隔距离“dx”的两对垂直霍尔元 件。使用后一种传感器结构，dBx/dx的值可以计算为(H2-H4)，并且 dBy/dx的值可以计算为(H1-H3)。但也可以使用其他传感器结构。指示图 5的系统的故障或完整性的第二信号可以计算为：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBy/dx)2 [5b]
其中A和B是常数。A和B的值可以取决于安装位置(Rs和/或g)。优选 地选择A和B的值，使得第二信号对于所有角位置基本上是恒定的。在优选 的实施例中，A/B的比率基本上等于K2。在特定实施例中，B的值被选择为 等于1，并且A的值被选择为等于K2。
图6示出根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统600，该角位 置传感器系统600可以被视为图5的位置传感器系统500的变体。
图6的角位置传感器系统600包括可绕旋转轴旋转的两极磁体602(例 如，直径向磁化的两极环形磁体或盘磁体)，以及位于所谓的“拐角位置” 附近(例如，在环形磁体或盘磁体的底面或顶面的外圆的外围附近)的传感 器设备601。环形磁体或盘磁体具有外半径Ro。
传感器设备601优选地包括半导体基板，并且优选地被定向为使得该基 板与旋转轴基本上正交。在图6所示的实施例中，传感器设备的基板位于距 环形磁体或盘磁体的底面或顶面预定义距离“g”(例如，从0.5mm到5.0 mm，例如，等于约2.0mm)处的平面中，并且该基板基本上垂直于旋转 轴。传感器设备601的磁中心位于距离旋转轴距离“Rs”处，该距离“Rs” 可以是在Ro的约80％到120％的范围内的值，或者在Ro的约90％到110％的范 围内的值。
图6的传感器设备601被配置为在沿X轴的两个不同位置X1、X2处测量 周向场分量(Bx1、Bx2)和轴向场分量(Bz1、Bz2)。如果将正交坐标系 XYZ连接到传感器设备，使得X轴与周向方向相切，并且使得Z轴垂直于基 板且平行于旋转轴，并且使得Y轴平行于基板并与旋转轴正交相交，则指示 磁体相对于传感器设备的角位置(或反之亦然)的第一信号可以计算如下：
信号1＝arctan[K*(dBx/dx)/(dBz/dx)] [6a]
其中，K为常数值，可以选择K使得K*(dBx/dx)的大小基本上等于 (dBz/dx)的大小。
图6(e)和图6(f)示出了可以用于计算这些梯度的各种传感器结构。 图6(e)的传感器设备使用包括水平霍尔元件和IMC的所谓“双盘”结构。 如上所提及的，可以在US2018372475中找到有关该结构的更多信息。图6 (f)的传感器设备包括沿X轴间隔距离“dx”的两个水平霍尔元件和两个 垂直霍尔元件。使用后一种传感器结构，dBx/dx的值可以计算为(Vh2- Vh4)，并且dBz/dx的值可以计算为(Vh1-Vh3)。但也可以使用其他传感 器结构。指示图6的位置传感器系统的故障或完整性(例如，电气完整性和/ 或机械完整性)的第二信号可以计算为：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBz/dx)2 [6b]
其中A和B是常数。A和B的值可以取决于Rs和/或g。优选地选择A和B 的值，使得第二信号对于所有角位置基本上是恒定的。在优选的实施例中， A/B的比率基本上等于K2。在特定实施例中，B的值被选择为等于1，并且A 的值被选择为等于K2。A、B、K的值可被预定义，例如，在设计期间被确 定且例如被硬编码，或者可以在校准测试期间被确定，并被存储在传感器设 备的非易失性存储器中。
图7示出根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统700，该角位 置传感器系统700可以被视为图6的传感器系统600的变体。
图7的角位置传感器系统700包括可绕旋转轴旋转的两极磁体702(例 如，直径向磁化的两极环形磁体或盘磁体)，以及位于所谓的“拐角位置” 附近(例如，在环形磁体或盘磁体的底面或顶面的外圆的外围附近)的传感 器设备701。环形磁体或盘磁体具有外半径Ro。
传感器设备801优选地包括半导体基板，并且优选地被定向为使得该基 板基本上平行于旋转轴。在图7所示的实施例中，传感器设备的基板基本上 位于距离环形磁体或盘磁体的底面或顶面预定义距离“g”(例如，从0.5到 5.0mm，例如，等于约2.0mm)处。传感器设备701的磁中心位于距离旋转 轴距离“Rs”处，该距离“Rs”可以是在Ro的约80％到120％的范围内的 值，或者在Ro的约90％到110％的范围内的值。
图7的传感器设备701被配置为在沿X轴的两个不同位置X1、X2处测量 周向场分量(Bx1、Bx2)和轴向场分量(Bz1、Bz2)。如果将正交坐标系 XYZ连接到传感器设备，使得X轴与周向方向相切，Y轴平行于基板且平行 于旋转轴，并且Z轴垂直于基板且与旋转轴正交相交，则指示磁体相对于传 感器设备的角位置(或反之亦然)的第一信号可以计算如下：
信号1＝arctan[K*(dBx/dx)/(dBy/dx)] [7a]
其中，K为常数值，可以选择K使得K*(dBx/dx)的大小基本上等于 (dBy/dx)的大小。
图7(d)和图7(e)示出了可以用于计算这些梯度的各种传感器结构。 图7(d)的传感器设备使用包括水平霍尔元件和IMC的所谓“双盘”结构。 这可以是与图6(e)相同的双盘结构，但是信号可以不同地组合。如上所提 及的，可以在US2018372475中找到有关该结构的更多信息。图7(e)的传 感器设备包括四个垂直霍尔元件H1至H4，其中两个(H2，H4)的最大灵敏 度的轴在X方向上定向，并且其中两个(H1，H3)的最大灵敏度的轴在Y方 向上定向，沿X轴间隔距离“dx”。使用后一种传感器结构，dBx/dx的值可 以计算为(Vh2-Vh4)，并且dBy/dx的值可以计算为(Vh1-Vh3)。但也可 以使用其他传感器结构。指示图7的系统的故障或完整性的第二信号可以被 计算为：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBy/dx)2 [7b]
其中A和B是常数。A和B的值可以取决于安装位置(例如，取决于Rs和 /或g)。优选地选择A和B的值，使得第二信号对于所有角位置基本上是恒 定的。在优选的实施例中，A/B的比率基本上等于K2。在特定实施例中，B 的值被选择为等于1，并且A的值被选择为等于K2。A、B、K的值可被预定 义，例如，在设计期间被确定且例如被硬编码，或者可以在校准测试期间被 确定，并被存储在传感器设备的非易失性存储器中。
需要指出的是，图7的布置也适用于四极环形磁体或盘磁体，或超过四 极的磁体。
图8示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统800。该角 位置传感器系统800包括可绕旋转轴旋转的四极磁体802(例如，轴向磁化 的环形磁体或轴向磁化的盘磁体)，以及位于所谓的“离轴”位置(例如， 在磁体顶面上方或底面下方约0.5mm至5.0mm的距离处)且在距离旋转轴 距离Rs处的传感器设备801。如果磁体是具有内半径Ri和外半径Ro的环形磁 体，则Rs优选为Ri和Ro之间的值，例如基本上是Ri和Ro之间的中间。
传感器设备801被配置为测量相对于磁体的两个周向(Bx)磁场分量和 两个轴向(By)磁场分量。在图8的示例中，传感器设备801具有基本上垂 直于旋转轴定向的基板，该传感器设备801位于距离磁体802的底面距离 “g”处。
如果正交坐标系X，Y，Z附接到传感器设备上，使得X，Y轴平行于基 板，且Z轴垂直于基板，并且X轴与半径为“Rs”的假想圆相切，且Z轴平 行于旋转轴，且Y轴径向定向，则指示角位置的第一信号可以写为：
信号1＝arctan[K*(dBx/dx)/(dBz/dx)] [8a]
其中，K为常数值，可以选择K使得K乘梯度(dBx/dx)的大小基本上 等于梯度(dBz/dx)的大小。
指示位置传感器系统800的故障或完整性的第二信号可以被计算为：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBz/dx)2 [8b]
其中A和B是常数。A和B的值可以取决于安装位置(例如，取决于Rs和 /或g)。优选地选择A和B的值，使得第二信号对于所有角位置基本上是恒 定的。在优选的实施例中，A/B的比率基本上等于K2。在特定实施例中，B 的值被选择为等于1，并且A的值被选择为等于K2。A、B、K的值可被预定 义，例如，在设计期间被确定且例如被硬编码)，或者可以在校准测试期间 被确定，并被存储在传感器设备的非易失性存储器中。
图8(c)和图8(d)示出了可以用于测量所述磁场分量和确定所述梯度 的传感器结构的一些示例，但本发明不限于此，并且还可以使用其他合适的 传感器结构。图8c示出了具有四个水平霍尔元件和两个IMC盘的“双盘结 构”。如上所提及的，盘可以具有约200微米的直径，并且可以间隔约2.0 mm。图8(d)示出了具有两个水平霍尔元件和两个垂直霍尔元件的传感器 结构，两个水平霍尔元件之间和两个垂直霍尔元件之间间隔预定义距离“dx”，例如，在约1.0mm到约3.0mm的范围内，但也可以使用其他合适 的距离。
在一种变体中，磁体802可以包括多于四个极，例如，六个极或八个 极，或多于八个极。
图9示出了根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统900。位置 传感器系统900包括可绕旋转轴旋转的多极磁体902(例如，具有至少四 个、或至少六个、或至少八个极或多于八个极对的径向磁化的环形磁体)和 传感器设备901。
传感器设备901位于距离旋转轴距离“Rs”处，Rs大于磁体的外半径Ro。传感器设备901被配置为在沿X轴间隔的两个位置X1、X2处测量周向磁 场分量Bx(与半径为Rs的假想圆相切)和径向磁场分量By(相对于磁 体)，并且具有基本上垂直于旋转轴定向的基板，并且位于垂直于旋转轴的 平面β中，并且基本上位于磁体的顶平面和底平面之间的中间。如果磁体具 有厚度T，则基板优选地位于距离底平面和顶平面距离T/2处。
如果正交坐标系X，Y，Z附接到传感器设备上，使得X，Y轴平行于基 板，且Z轴垂直于基板，并且X轴与半径为“Rs”的假想圆相切，且Z轴平 行于旋转轴，且Y轴径向定向，则指示角位置的第一信号可以写为：
信号1＝arctan[K*(dBx/dx)/(dBy/dx)] [9a]
其中，K为常数值，可以选择K使得K乘梯度(dBx/dx)的大小基本上 等于梯度(dBy/dx)的大小。
并且指示位置传感器系统的故障或完整性(例如，电气完整性和/或机 械完整性)的第二信号可以计算为：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBy/dx)2 [9b]
其中A和B是常数。A和B的值可以取决于Rs和/或h。优选地选择A和B 的值，使得第二信号对于所有角位置基本上是恒定的。在优选的实施例中， A/B的比率基本上等于K2。在特定实施例中，B的值被选择为等于1，并且A 的值被选择为等于K2。A、B、K的值可被预定义，例如，在设计期间被确 定且例如被硬编码，或者可以在校准测试期间被确定，并被存储在传感器设 备的非易失性存储器中。
图9(c)和图9(d)示出了可以用于测量所述磁场分量和确定所述梯度 的传感器结构的一些示例，但本发明不限于此，并且还可以使用其他合适的 传感器结构。图9(c)示出了具有八个水平霍尔元件和两个IMC盘的“双盘 结构”。图9(d)示出了具有四个垂直霍尔元件的传感器结构。但也可以使 用其他合适的传感器结构。
在变体中，磁体902可以包括少于八个极对，例如，四个极对或六个极 对，或多于八个极对(例如，10个或12个极对)。
图10示出根据本发明的另一个实施例的角位置传感器系统1000，该角 位置传感器系统1000可以被视为图9的变体，主要差别为：
-传感器设备1001的基板平行于磁体的旋转轴，
-Z轴(垂直于基板)相对于磁体径向定向，Y轴与平行于旋转轴，
-传感器设备1001的传感器结构被配置为相对于旋转轴测量周向场分量 的梯度(与半径为Rs的假想圆相切)和径向场分量的梯度，但是这些梯度 通过传感器设备以不同的方式计算。
图10(a)示出了正视图，图10(b)示出了俯视图。图10(c)示出了 侧视图。
图10(d)示出了传感器设备可以包括“双盘”结构。
图10(e)示出了传感器设备可以包括两个垂直霍尔元件和两个水平霍 尔元件，两个垂直霍尔元件之间和两个水平霍尔元件之间在X方向上间隔 开，X方向与半径为“Rs”的假想圆相切。半径Rs大于外半径Ro。
如果正交坐标系X，Y，Z附接到传感器设备上，使得X，Y轴平行于基 板，且Z轴垂直于基板，并且X轴与半径为“Rs”的假想圆相切，并且Y轴 平行于旋转轴，并且Z轴垂直于旋转轴，则指示角位置的第一信号可以写 为：
信号1＝arctan[K*(dBx/dx)/(dBz/dx)] [10a]
其中，K为常数值，可以选择K使得K乘梯度(dBx/dx)的大小基本上 等于梯度(dBz/dx)的大小。
并且指示位置传感器系统的故障或完整性(例如，电气完整性和/或机 械完整性)的第二信号可以计算为：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBz/dx)2 [10b]
其中A和B是常数。A和B的值可以取决于Rs和/或h。优选地选择A和B 的值，使得第二信号对于所有角位置基本上是恒定的。在优选的实施例中， A/B的比率基本上等于K2。在特定实施例中，B的值被选择为等于1，并且A 的值被选择为等于K2。A、B、K的值可被预定义，例如，在设计期间被确 定且例如被硬编码)，或者可以在校准测试期间被确定，并被存储在传感器 设备的非易失性存储器中。
图10(d)和图10(e)示出了可以用于测量所述磁场分量和确定所述梯 度的传感器结构的一些示例，但本发明不限于此，并且还可以使用其他合适 的传感器结构。图10(d)示出了具有八个水平霍尔元件和两个IMC盘的 “双盘结构”。图10(e)示出了具有两个垂直霍尔元件和两个水平霍尔元 件的传感器结构。但也可以使用其他合适的传感器结构。读者可以在 US2018372475A1中找到关于“双盘结构”以及如何使用它来确定磁场梯度 的更多细节，该文献的全部内容通过引用整体结合于此。
图11示出了根据本发明的另一个实施例的线性位置传感器系统1100。 位置传感器系统1100包括多极磁性结构1102和传感器设备1101，该多极磁 性结构1102具有在第一方向X上延伸的细长形状并且具有在基本垂直于第一 方向X的第二方向Z上磁化的多个磁极，该传感器设备1101被配置为在第一 方向X上间隔的两个不同位置X1、X2处测量在第一方向X定向的两个磁场分 量Bx并且测量在第二方向Z上定向的两个磁场分量Bz，以及用于基于这些场 分量计算第一梯度dBx/dx和第二梯度dBz/dx。
如果正交坐标系X、Y、Z连接到传感器设备，如图11所示，则可以根 据以下公式计算指示角位置的第一信号：
信号1＝arctan[K*(dBx/dx)/(dBz/dx)] [11a]
其中，K为常数值，可以选择K使得K乘梯度(dBx/dx)的大小基本上 等于梯度(dBz/dx)的大小。该角位置可以以已知方式转换为线性位置(例 如，通过将角位置与常数相乘(例如，对应于2*p/360°)，并通过考虑从 起始位置的极数，或以任何其他方式)，
并且指示线性位置传感器系统1100的故障或完整性(例如，电气完整 性和/或机械完整性)的第二信号可以根据如下公式计算：
信号2＝A.(dBx/dx)2+B(dBz/dx)2 [11b]
图11(b)和图11(c)示出了可以用于计算所述梯度的若干传感器结 构。图11(b)的传感器结构包括具有四个水平霍尔板和两个IMC盘的所谓 “双盘结构”(其中，简单地说，Bx分量可以通过将从位于同一盘的相对 侧的两个相对应的霍尔元件获取的信号相减来确定，并且Bz分量可以通过 将从这两个霍尔元件获取的信号相加来确定)。图11(c)的传感器结构包 括被配置为测量沿X轴间隔的X1和X2处的Bz的两个水平霍尔板H1、H3，以 及被配置为测量X1和X2处的Bx的两个垂直霍尔板H2、H4。
在优选的实施例中，dx小于p/4或小于p/6，或小于p/8或小于p/10，或小 于p/12，p是相邻极的中心之间的距离。但本发明不限于此，还可以使用dx 相对于p的其他值。
图12示出了确定指示位置的第一信号(或第一值)和指示位置传感器系 统的故障或完整性(例如，电气完整性和/或机械完整性)的第二信号(或 第二值)的方法1200的流程图，该系统包括磁源和相对于该磁源可移动地 安装(或反之亦然)的传感器设备，其中第一信号和第二信号两者对外部干 扰场不敏感。方法1200包括以下步骤：
a)测量1201由磁源生成的磁场的至少三个磁场值(例如，图4(c)中 的Vh0、Vhc、Vh1；或图5至图10中的Vh1至Vh4)；
b)基于所述至少三个磁场值，确定1202至少两个磁场梯度(例如，图 1、图2中的dBu/du和dBx/dx；或图4中的dBz/dx和dBz/dy；或图5、图7、图9 中的dBx/dx和dBy/dx；或图6、图8、图10中的dBx/dx和dBz/dx)或至少两 个或至少三个磁场差(参见例如，图14(a)到图16(d))；
c)从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个或所述至少三个磁场差 导出1203指示传感器设备的(例如，线性或角)位置的第一信号或第一值 “信号1”；
d)从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个或所述至少三个磁场差 导出1204指示位置传感器系统的故障或完整性(例如，电气完整性和/或机 械完整性)的第二信号“信号2”，例如，指示是否存在该磁源。
步骤a)可以包括：在三个不同位置处测量在单一方向上定向的三个磁 场值，或在第一位置处测量两个磁场值并在与第一位置不同的第二位置处测 量两个磁场值。
步骤b)可以包括：例如，在角位置传感器系统的情况下，沿相对运动 的方向、在周向方向或在与具有中心位于旋转轴上的假想圆相切的方向上测 量所述空间梯度。
在实施例中，步骤b)可以包括：例如，如图14(c)或图14(d)中的示 例所示的，确定从位于虚拟圆上的各个水平霍尔元件获取的信号之间的差。
在实施例中，步骤b)可以包括：例如，如图15(c)或图15(d)中的示 例所示的，确定从位于虚拟圆上的水平霍尔元件获取的信号和从位于该圆的 中心的垂直霍尔元件获取的信号之间的差。
在实施例中，步骤b)可以包括：例如，如图16(c)或图16(d)中的示 例所示的，计算从位于圆上的水平霍尔元件获取的信号的平均信号，并且计 算从位于该虚拟圆上的水平霍尔元件获取的信号与该平均信号之间的差。
步骤c)可以进一步包括：将第一信号转换成角位置，例如，根据以下 公式：信号1＝N*θ，其中N是整数并且θ是机械角度。对于两极磁体，N值 通常等于1，而对于四极磁体，N值通常等于2。
在线性位置传感器的情况下，步骤c)可以进一步包括将角位置值转换 成线性位置值，例如通过考虑传感器设备所处的极数。
该方法可以可选地进一步包括步骤e)：
e)将第二信号与至少一个阈值进行比较1205，并输出比较结果，例如 以低或高电压电平的形式，对应于“好”或“坏”系统完整性。还有可能将 第二信号与多于一个阈值(例如，与较低阈值和较高阈值)进行比较，并以 “良好信号”、“警告信号”或“错误信号”的形式输出比较的结果。受益 于本公开的技术人员可以容易地想到其他变体。
图13是如可以在本发明实施例中使用的示例性位置传感器设备1302的 示意性框图。位置传感器设备在本领域是已知的，但出于完整性提供简要说 明。
图13的位置传感器设备1302包括以特定方式布置在如上所述(例如， 在图1至图11中)的半导体基板上的多个磁敏元件(例如，在图1的示例中 为八个水平霍尔元件H0至H7；在图2的示例中为四个垂直霍尔元件；等)。
位置传感器设备1302进一步包括处理器或处理电路，例如可编程处理 单元1320，其被适配成基于从磁传感器元件获取的信号(例如，通过两个 或更多个值的求和或相减)来确定第一梯度信号和第二梯度信号。
处理单元1320优选地进一步被适配成确定位置，例如，基于这些梯度 信号的比率的角位置，例如，使用查找表和插值，或者通过使用测角函数 (例如，反正切函数)或以任何其他合适的方式。在线性位置传感器系统的 情况下，处理单元1320可以进一步被适配成将该角位置值转换为线性位置 值。
该位置值可以由控制器作为第一输出信号“POS”输出。
根据本发明的基本原理，控制器还计算并可选地还输出指示系统的故障 或完整性的第二信号“信号2”或从中导出的值，例如在将第二信号与一个 或多个预定义阈值进行比较之后。
在实施例中，控制器1320被配置为测试第二信号是否位于第一预定范 围内，并且如果该测试的结果为真，则控制器输出具有对应于“好”情况的 第一电平(例如，逻辑“1”)的完整性信号“INT”，并且如果测试的结 果为假，控制器输出具有对应于“坏”情况的第二电平(例如逻辑“0”) 完整性信号，或反之亦然。输出信号可以作为数字信号、模拟信号或其组合 提供。
虽然未明确示出，但传感器设备1320通常进一步包括偏置电路、读出 电路、一个或多个放大器、模数转换器(ADC)等。此类电路在本领域是 公知的，但不是本发明的主要焦点。
虽然本发明主要利用水平霍尔元件和/或垂直霍尔元件来描述，但是本 发明不限于这种类型的磁敏元件，并且还可以使用其他类型的磁传感器元 件，例如圆形霍尔元件或磁阻元件，例如，XMR或GMR元件。
图14(a)和图14(b)示出了传感器系统1400的另一个实施例，包括 两极磁体1402和传感器设备1401，该传感器设备1401包括位于虚拟圆上并 在角度上间隔开120°的倍数的三个水平霍尔元件H1、H2、H3。磁体1402可 以是轴向或直径向磁化的环形或盘磁体。虚拟圆的中心优选位于磁体的旋转 轴上。水平霍尔元件H1、H2、H3中的每一个测量在Z方向上定向并且垂直 于半导体基板的磁场分量Bz。由霍尔元件H1、H2、H3提供的值分别为Vh1、Vh2和Vh3。
图14(a)是传感器设备1401的示意图。
图14(b)是传感器系统1400的立体视图。
图14(c)示出了两个磁场分量的对之间的差的平方的和的模拟结果， 例如根据以下公式：
信号2＝(Vh1-Vh2)2+(Vh2-Vh3)2+(Vh3-Vh1)2
其中，信号2是指示故障的信号，Vh1、Vh2和Vh3是由水平霍尔元件提 供的信号(或从中导出的信号，例如，经过放大、数字化等)。由于水平霍 尔元件H1、H2、H3在相同(Z)方向上定向，因此差信号(Vh1-Vh2)、 (Vh2-Vh3)和(Vh3-Vh1)中的每一个基本上对外部干扰场不敏感，且因 此这些差信号的平方的和对外部干扰场高度不敏感。
在所示的示例中，该平方的和在整个360°测量范围内是恒定的。在实践 中，信号可能会有小的变化(例如，由于传感器元件的磁灵敏度的差异)。 通过计算和并且通过将该和与小于所述常数的第一阈值进行比较，和/或通 过将该和与大于所述常数的第二阈值进行比较，并且通过测试该和是否是小 于下限阈值和/或大于上限阈值的值和/或在这两个阈值之间的值，有可能检 测某些故障。在实际实现方式中，平均值或中值可以在设计期间被确定，并 且可以被硬编码，或者平均值或中值可以在校准测试期间比确定，并且被存 储在传感器设备的非易失性存储器中，其可以在实际使用期间被检取。
第一阈值可以是在上述平均值的75％到99％范围内的值，例如，等于约 75％、或等于约80％、或等于约85％、或等于约90％、或等于约95％、或等 于约96％、或等于约97％、或等于约98％。第二阈值可以是在上述平均值的 101％到125％范围内的值，例如，等于约102％、或等于约103％、或等于约 104％、或等于约105％、或等于约110％、或等于约115％、或等于约120％、 或等于约125％。
作为数值示例，如果单个信号具有1.0的振幅，则差信号也将具有约 1.73的振幅，并且平均值将等于约4.5。如果第一阈值设置为4.5的85％(约 3.83)，并且第二阈值设置为4.5的115％(约5.18)，则如果所计算的信号 是在3.83到5.18的范围内的值，则第二信号将指示“系统完整性正常”，而 如果所计算的和是在此范围外的值，则第二信号将指示“发生故障”。
图14(d)示出了指示故障的另一个第二信号信号2'的模拟结果，该第 二信号信号2'是图14(c)公式的变体，其中该第二信号信号2'被计算为两个 磁场分量的对之间的差的绝对值的和，例如，根据以下公式：
信号2'＝abs(Vh1-Vh2)2+abs(Vh2-Vh3)2+abs(Vh3-Vh1)2
其中，信号2'是指示故障的信号，Vh1、Vh2和Vh3是由水平霍尔元件 H1至H3提供的信号(或从中导出的信号，例如，经过放大、数字化等)。 由于水平霍尔元件在相同(Z)方向上定向，因此差信号(Vh1-Vh2)、 (Vh2-Vh3)和(Vh3-Vh1)中的每一个基本上对外部干扰场不敏感，且因 此这些差的绝对值的和对外部干扰场高度不敏感。
作为数值示例，如果原始信号Vh1、Vh2、Vh3的具有为1.0的振幅，则 差信号将具有为约1.73的振幅，并且这些差的绝对值的和将是在约3.00到约 3.46的范围内的值。因此，平均值等于约3.23，且差的绝对值的“有效”和 是在约3.00到约3.46的范围内的值，即约3.23+/-约7％。
令人大吃一惊的是，这些差的绝对值的和具有小的“波纹”(仅约+/- 7％)，特别是考虑到简单的算术：取绝对值是一个非常简单的操作(只需 要省略符号)，与例如计算平方或多项式不同，后者通常需要硬件乘法器， 并且通常需要更多的处理时间。
在实践中，考虑到典型公差(例如，机械安装公差)，可以选择稍大的 公差裕度，例如±10％、或±12％、或±14％、或±16％、或±18％或± 20％。当然，这个公差范围越大，故障检测的灵敏度就越低。
图15(a)和图15(b)示出了传感器系统1500的另一个实施例，该传 感器系统包括两极磁体和传感器设备1501，该传感器设备1501包括位于圆 上并在角度上间隔开120°的倍数的三个水平霍尔元件H1、H2、H3和位于该 圆的中心的第四水平霍尔元件Hc；磁体2可以是轴向或直径向磁化的环形或 盘磁体。虚拟圆的中心优选位于磁体的旋转轴上。水平霍尔元件H1、H2、 H3、Hc中的每一个测量在Z方向上定向并且垂直于半导体基板的磁场分量 Bz。由霍尔元件H1、H2、H3、Hc提供的值分别为Vh1、Vh2和Vh3、Vhc。
图15(a)是传感器设备1501的示意图。
图15(b)是传感器系统1500的立体视图。
图15(c)示出了圆上的霍尔元件H1、H2、H3中的每一个与中心霍尔 元件Hc之间的差的平方的和的模拟结果，例如，根据以下公式：
信号2＝(Vh1-Vhc)2+(Vh2-Vhc)2+(Vh3-Vhc)2
其中，信号2是指示故障的信号，Vh1、Vh2、Vh3和Vhc是由水平霍尔 元件H1、H2、H3、Hc提供的信号(或从中导出的信号，例如，经过放大、 数字化等)。由于水平霍尔元件在相同(Z)方向上定向，因此差信号 (Vh1-Vhc)、(Vh2-Vhc)和(Vh3-Vhc)中的每一个基本上对外部干扰 场不敏感，且因此这些差信号的平方的和对外部干扰场高度不敏感。
在所示的示例中，该和在整个360°测量范围内是恒定的。在实践中，信 号可能会有小的变化(例如，由于传感器元件的磁灵敏度不同)。通过计算 和并且通过将该和与小于所述常数的第一阈值进行比较，和/或通过将该和 与大于所述常数的第二阈值进行比较，并且通过测试该和是否是这两个阈值 之间的值，可以检测某些故障。在实际实现方式中，平均值或中值可以在设 计期间被确定，并且可以被硬编码，或者平均值或中值可以在校准测试期间 被确定，并且被存储在传感器设备的非易失性存储器中，其可以在实际使用 期间被检取。
第一阈值可以是在上述平均值的75％到99％范围内的值，例如，等于约 75％、或等于约80％、或等于约85％、或等于约90％、或等于约95％、或等 于约96％、或等于约97％、或等于约98％。第二阈值可以是在上述平均值的 101％到125％范围内的值，例如，等于约102％、或等于约103％、或等于约 104％、或等于约105％、或等于约110％、或等于约115％、或等于约120％、 或等于约125％。
作为数值示例，如果单个信号Vh1、Vh2、Vh3具有1.0的振幅，则差信 号也将具有约1.0的振幅，并且平均值将等于约1.5。如果第一阈值设置为1.5 的85％(约1.28)，并且第二阈值设置为1.5的115％(约1.73)，则如果所 计算的信号是在1.28到1.73范围内的值，则第二信号将指示“系统完整性正 常”，而如果所计算的和是在此范围外的值，则第二信号将指示“检测到故 障”。
图15(d)示出了指示故障的另一个第二信号信号2'的模拟结果，该第 二信号信号2'是图15(c)公式的变体，其中该第二信号信号2'被计算为位于 圆上的霍尔元件H1、H2、H3中的每一个与中心元件Hc之间的差的绝对值的 和，例如，根据以下公式：
信号2'＝abs(Vh1-Vhc)2+abs(Vh2-Vhc)2+abs(Vh3-Vhc)2
其中，信号2'是指示故障的信号，Vh1、Vh2和Vh3是由位于圆上的水平 霍尔元件H1、H2、H3提供的信号(或从中导出的信号，例如，经过放大、 数字化等)，且Vhc是由中心霍尔元件Hc提供的信号(或从中导出的信 号)。由于水平霍尔元件在相同(Z)方向上定向，因此差信号(Vh1- Vhc)、(Vh2-Vhc)和(Vh3-Vhc)中的每一个基本上对外部干扰场不敏 感，且因此这些差的绝对值的和对外部干扰场高度不敏感。
作为数值示例，如果原始信号Vh1、Vh2、Vh3的具有为1.0的振幅，则 差信号将具有为约1.0的振幅，并且这些差的绝对值的和将是在约1.73到约 2.00的范围内的值。因此，平均值等于约1.87，且差的绝对值的“有效”和 是在约1.73到约2.00的范围内的值，即约1.87+/-约7％。
令人大吃一惊的是，这些差的绝对值的和具有小的“波纹”(仅约+/- 7％)，特别是考虑到简单的算术：取绝对值是一个非常简单的操作(只需 要省略符号)，与例如计算平方或多项式不同，后者通常需要硬件乘法器， 并且通常需要更多的处理时间。
在实践中，考虑到典型公差(例如，机械安装公差)，可以选择稍大的 公差裕度，例如±10％、或±12％、或±14％、或±16％、或±18％或± 20％。当然，这个公差范围越大，故障检测的灵敏度就越低。
图16(a)和图16(b)示出了传感器系统1600的另一个实施例，包括 两极磁体和传感器设备1601，该传感器设备1601包括位于圆上并在角度上 间隔开120°的倍数的三个水平霍尔元件H1、H2、H3。传感器设备1601被配 置为根据以下公式确定(例如，在硬件和/或软件中)平均信号Vavg：
Vavg＝(Vh1+Vh2+Vh3)/3，
其中，Vh1、Vh2、Vh3是由水平霍尔元件H1、H2、H3提供的信号，且 Vavg是这三个信号的平均值。
图16(c)示出了每一个磁场分量和所述平均信号之间的差的平方的和 的模拟结果；该模拟提供了与图15(c)所示相同的结果，并且上述所有内 容在这里也适用。
图16(d)示出了每一个磁场分量和所述平均信号之间的差的绝对值的 和的模拟结果。该模拟提供了与图15(d)所示相同的结果，并且上述所有 内容在这里也适用。
虽然图14(a)-(d)、图15(a)-(d)和图16(a)-(d)的实施例是 针对包括两极磁体和传感器设备的传感器系统而示出的，该传感器设备包括 布置在圆上的三个水平霍尔元件和可选的一个中心霍尔元件，同样的原理也 适用于包括四极磁体(例如，四极环形或盘磁体)和传感器设备(未示出) 的传感器系统(未示出)，该传感器设备包括布置在圆上并在角度上间隔开 60°的倍数的六个水平霍尔元件和可选的中心元件Hc。第二信号可以计算 为：信号2＝(Vh1-Vh2)2+(Vh2-Vh3)2+(Vh3-Vh4)2+(Vh4-Vh5)2+(Vh5- Vh6)2+(Vh6-Vh1)2，其中计算从相邻霍尔元件获取的信号之间的差的平方 的和。可以看出，该信号的和基本上是恒定的。第二信号还可以计算为：信 号2'＝abs(Vh1-Vh2)+abs(Vh2-Vh3)+abs(Vh3-Vh4)+abs(Vh4-Vh5)+ abs(Vh5-Vh6)+abs(Vh6-Vh1)，其中计算从相邻霍尔元件获取的信号之间的差的绝对值的和。可以看出，该信号之和具有相对较小的纹波。
虽然上文仅针对图4(c)、图14(b)、图15(b)和图16(b)中所示 的系统明确地描述了绝对值的和形式的第二信号，但是对于因本公开获益的 熟练读者来说，在上述其他系统中也应清楚地看到，可以使用梯度或差的平 方的和形式的第二信号，或者可以使用梯度或差的绝对值的和的形式的第二 信号，或者可以使用在测量范围内基本上恒定的另一个函数的形式的第二信 号，诸如举例而言至少2次多项式函数，例如，仅包括二阶和四阶项的多项 式，或仅包括偶数阶项的多项式，但本发明不限于此。

Claims (18)

1.一种位置传感器系统(100；200；300；400；500；600；700；800；900；1000；1100；1400；1500；1600)，包括：
磁场源，所述磁场源用于生成磁场；
位置传感器设备，所述位置传感器设备相对于所述磁场源是能移动的，或反之亦然，
所述位置传感器设备包括：
至少三个磁敏元件，所述至少三个磁敏元件用于测量所述磁场的至少三个磁场值；以及
处理电路，所述处理电路用于获取所述至少三个磁场值，并用于基于所述至少三个磁场值确定至少两个磁场梯度或至少两个磁场差，以及用于从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个磁场差导出指示所述磁场源相对于所述位置传感器设备的位置的第一信号；
其特征在于，
所述处理电路进一步被配置为从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个磁场差导出指示所述位置传感器系统的故障或完整性的第二信号。
2.根据权利要求1所述的位置传感器系统，
其特征在于，所述传感器设备包括在单一方向上定向的至少三个磁传感器元件；
并且其中所述处理电路被配置为基于所述至少三个磁场值确定至少三个磁场差，
以及用于从所述至少三个磁场差导出所述第一信号；
以及用于从所述至少三个磁场差导出所述第二信号。
3.根据权利要求1所述的位置传感器系统，
其特征在于，选择所述第二信号使得所述第二信号基本上独立于所述测量范围上的相对位置。
4.根据权利要求1所述的位置传感器系统，
其特征在于，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所述至少两个磁场梯度的多项式表达式或所述至少两个磁场差的多项式表达式，所述多项式表达式具有至少两个阶数。
5.根据权利要求1所述的位置传感器系统，
其特征在于，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所述至少两个磁场梯度的平方的和，或者确定为所述至少两个磁场差的平方的和。
6.根据权利要求1所述的位置传感器系统，
其特征在于，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号确定为所述至少两个磁场梯度的绝对值的和，或者确定为所述至少两个磁场差的绝对值的和。
7.根据权利要求1所述的位置传感器系统，
其特征在于，所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号与至少一个阈值(T1)进行比较，并且用于提供与所述至少一个比较的结果相对应的输出信号。
8.根据权利要求1所述的位置传感器系统(100；200；300；400；1400；1500；1600)，
其特征在于，所述磁场源是能够绕旋转轴旋转的永磁体；
并且其中所述传感器设备被配置为确定角位置，并且基本上位于所述轴上。
9.根据权利要求1所述的位置传感器系统(100；200；300)，
其特征在于，所述磁场源是具有至少四个极的永磁体，
并且其中，所述传感器设备包括基本上正交于所述旋转轴的半导体基板，所述半导体基板包括多个至少四对传感器元件，每一对被配置为测量平行于所述基板的不同方向(X，Y，U，U)上的磁场值(Bx，By，Bu，Bv)；
并且其中，所述传感器设备还被配置为确定与所述至少四对信号相关联的至少四个磁场梯度或磁场差。
10.根据权利要求9所述的位置传感器系统(100；200；300)，
其特征在于，所述磁场源是具有四个极的永磁体；
并且其中所述半导体基板包括位于虚拟圆上的至少八个传感器元件；
并且其中所述传感器设备被配置为沿平行于所述基板并在角度上间隔开45°的至少四个不同方向确定至少四个磁场梯度(dBx/dy、dBy/dx、dBu/dv、dBv/du)；
并且所述第二输出值根据以下公式计算：
信号2＝(dBx/dx-dBy/dy)2+(dBu/du-dBv/dv)2
或从其中导出的值。
11.根据权利要求1所述的位置传感器系统(400)，
其特征在于，所述磁场源是两极永磁体；
并且其中所述传感器设备包括：半导体基板，所述半导体基板被定向为基本上正交于所述旋转轴，所述半导体基板包括至少三个或至少四个传感器元件，每一个传感器元件被配置为测量在基本上垂直于所述半导体基板的方向上定向的磁场分量(Bz)；
并且其中所述传感器设备还被配置为沿平行于所述半导体基板的两个正交方向(X，Y)确定所述磁场值(Bz)的两个磁场梯度(dBz/dx；dBz/dy)。
12.根据权利要求1所述的位置传感器系统(500；600；700；800；900；1000)，
其特征在于，所述磁场源是能够绕旋转轴旋转的永磁体；
并且其中所述传感器设备被配置为确定角位置，并且位于距离所述旋转轴非零距离处。
13.根据权利要求12所述的位置传感器系统(500)，
其特征在于，所述磁场源是两极永磁体；
并且其中所述传感器设备被配置为测量在围绕所述旋转轴的周向方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)，以及相对于所述旋转轴在径向方向(Y)上定向的第二磁场分量(By)；
并且其中，所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(Bx)沿所述周向方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(By)沿所述周向方向(X)的第二磁场梯度(dBy/dx)；
并且其中所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号计算为所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度的函数。
14.根据权利要求12所述的位置传感器系统(600；700)，
其特征在于，所述磁场源是两极永磁体；
并且其中所述传感器设备被配置为测量在围绕所述旋转轴的周向方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)，以及在平行于所述旋转轴的方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz)；
并且其中，所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(Bx)沿所述周向方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(Bz)沿所述周向方向(X)的第二磁场梯度(dBz/dx)；
并且其中所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号计算为所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度的函数。
15.根据权利要求12所述的位置传感器系统(800)，
其特征在于，所述磁场源是具有至少四个极的永磁体；
并且其中所述传感器设备被配置为测量在围绕所述旋转轴的周向方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)，以及在平行于所述旋转轴的方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz)；
并且其中，所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(Bx)沿所述周向方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(Bz)沿所述周向方向(X)的第二磁场梯度(dBz/dx)；
并且其中所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号计算为所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度的函数。
16.根据权利要求12所述的位置传感器系统(900；1000)，
其特征在于，所述磁场源是具有至少四个极的永磁体；
并且其中所述传感器设备被配置为测量在围绕所述旋转轴的周向方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)，以及相对于所述永磁体在径向方向上定向的第二磁场分量(Br)；
并且其中所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(Bx)沿所述周向方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(Br)沿所述周向方向(X)的第二磁场梯度(dBr/dx)；
并且其中所述传感器设备进一步被配置为将所述第二信号计算为所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度的函数。
17.根据权利要求1所述的位置传感器系统(1100)，
其特征在于，所述磁场源是具有在第一方向(X)上延伸的细长形状、并且具有在基本上垂直于所述第一方向(X)的第二方向(Z)上磁化的多个至少两个或至少三个或至少四个磁极的磁性结构；
其中所述传感器设备相对于所述磁性结构在所述第一方向(X)上能移动，或者反之亦然，并且被配置为确定所述第一方向(X)上的线性位置；
其中所述传感器设备和所述磁性结构之间的距离基本上是恒定的；
其中所述传感器设别被配置为测量在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)和在第二方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz)；
其中所述传感器设备被配置为确定所述第一磁场分量(Bx)沿所述第一方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)，以及确定所述第二磁场分量(Bz)沿所述第一方向(X)的第二磁场梯度(dBz/dx)；
并且其中所述传感器设备被配置为将所述第二信号计算为所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度的函数。
18.根据权利要求1所述的确定传感器系统的位置和确定所述传感器系统的故障或完整性的方法(1200)，所述方法包括以下步骤：
a)测量(1201)所述磁场的至少三个磁场值；
b)基于所述至少三个磁场值确定(1202)至少两个磁场梯度，或至少两个或至少三个磁场差；
c)从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个或所述至少三个磁场差导出(1203)指示所述传感器设备的位置的第一信号；
d)从所述至少两个磁场梯度或从所述至少两个或所述至少三个磁场差导出(1204)指示所述位置传感器系统的故障和完整性的第二信号。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116358562A (zh) * 2023-05-31 2023-06-30 氧乐互动(天津)科技有限公司 消毒操作轨迹检测方法、装置、设备和存储介质
CN117054936A (zh) * 2023-10-12 2023-11-14 江苏多维科技有限公司 一种梯度传感器

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11933933B2 (en) * 2021-03-31 2024-03-19 Asahi Kasei Microdevices Corporation Event detection method, event detection system, and non-transitory computer-readable recording medium
DE102021118347A1 (de) * 2021-07-15 2023-01-19 Infineon Technologies Ag Systeme; vorrichtungen und verfahren zur magnetischen positionserkennung

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2505226A (en) 2012-08-23 2014-02-26 Melexis Technologies Nv Arrangement, method and sensor for measuring an absolute angular position using a multi-pole magnet
US9915552B2 (en) 2013-11-19 2018-03-13 Infineon Technologies Ag Perpendicular gradiometric angle sensors, systems and methods
EP3444572A1 (en) * 2015-01-23 2019-02-20 Infineon Technologies AG Out of shaft magnetic angle sensing system
JP6550099B2 (ja) 2017-06-26 2019-07-24 メレキシス テクノロジーズ エス エー 回転角検出装置、姿勢制御装置、自動操舵装置及びスロットル装置
EP3543656A1 (en) * 2018-03-24 2019-09-25 Melexis Technologies SA Offaxis insensitive multipole magnet, and sensor system comprising same
US20200284615A1 (en) * 2019-03-05 2020-09-10 Infineon Technologies Ag Multilayered safety mechanism for a three-phase off-axis angle sensor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116358562A (zh) * 2023-05-31 2023-06-30 氧乐互动(天津)科技有限公司 消毒操作轨迹检测方法、装置、设备和存储介质
CN117054936A (zh) * 2023-10-12 2023-11-14 江苏多维科技有限公司 一种梯度传感器
CN117054936B (zh) * 2023-10-12 2024-01-12 江苏多维科技有限公司 一种梯度传感器

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