CN116753833A - 一种360度磁角度检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁阻角度传感器技术领域，具体涉及一种360度磁角度检测方法及系统。本发明的方法主要包括：设置各向异性磁阻传感器检测0～180°内的磁角度；设置第一垂直霍尔传感器感应磁场在第一方向的分量；设置第二垂直霍尔传感器感应磁场在第二方向的分量；所述第一方向和第二方向的关系是：第一方向和第二方向均平行于同一参考面，且第一方向和第二方向之间的夹角为θ°，0＜θ≤90；结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，获得360度范围内的磁角度检测结果。本发明用AMR和垂直霍尔传感器完成360度范围内的检测，既可以发挥AMR检测精度高和成本低的优势，又能够弥补其检测范围受限的缺点。
Description
技术领域
本发明属于磁阻角度传感器技术领域，具体涉及一种360度磁角度检测方法及系统。
背景技术
随着自动控制水平的不断提高，作为自动控制系统的重要元件，角度传感器得到了迅速的发展。磁阻角度传感器的工作原理是将被测物体的磁场角度变化转换为电信号，通过对电信号的分析来测量磁场的旋转角度，其具有适合恶劣环境、高精度、低功耗、低成本和测量精度不受机械公差影响等优点。
磁阻角度传感器大致可以按照磁电阻效应的类型分为：AMR传感器、GMR传感器以及TMR传感器等。其中GMR传感器是目前市场的主流，TMR传感器拥有更好的灵敏度和线性度，而AMR传感器问世最早且凭借其较高的灵敏度和较低的成本有着非常广阔的市场前景。AMR受磁场方向影响很大，如果将磁场方向和角度进行某种结构的关联，那么根据此原理来测量角度相对于其他类型的传感器而言更为便捷。
AMR用于检测磁场角度时，其电阻值大小将随着外界磁场的变化而发生改变。当没有外加磁场时，磁化方向和电流方向平行，此时电阻值最大；当外加磁场垂直于电流方向时，电阻值最小。同时受薄膜性质的影响AMR材料无法区分南北磁极，夹角具有平方关系，因此电阻值的变化周期减半。这也意味着AMR的角度检测范围最大只有180°，从而无法满足许多工业应用中要求的360°检测范围。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种利用AMR和垂直霍尔传感器完成360度范围内的检测的磁角度检测方法与系统。
本发明的技术方案为：
一种360度磁角度检测方法，包括：
设置各向异性磁阻传感器检测0～180°内的磁角度；
设置第一垂直霍尔传感器感应磁场在第一方向的分量；
设置第二垂直霍尔传感器感应磁场在第二方向的分量；
所述第一方向和第二方向的关系是：第一方向和第二方向均平行于同一参考面，且第一方向和第二方向之间的夹角为θ°，0＜θ≤90；
结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，获得360度范围内的磁角度检测结果。
进一步的，所述第一方向的0°和各向异性磁阻传感器中磁阻电桥的0°位置重合。
进一步的，结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，获得360度范围内的磁角度检测结果的具体方法是：定义各向异性磁阻传感器检测出的磁角度为n°，0≤n＜180，在0～360°范围内实际被检测的磁角度为n°或(n+180)°；根据n的值以及所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°。
进一步的，根据n的值以及所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器进行磁角度判断的具体方法为：
定义参数α，0＜α＜θ，设定三个区间分别为[0,α)、[α,90+α)、[90+α,180)，根据n的值判定其所处区间再进行以下判断：
当n位于[0,α)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[α,90+α)区间时，根据所述第二垂直霍尔传感器进行判断，若第二垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第二垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[90+α,180)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
所述第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器是否翻转的判定方式是：根据第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器输出的两路余弦信号进行过零判断，若大于0则垂直霍尔传感器翻转；反之，不翻转。
本发明还提出了一种360度磁角度检测系统，包括各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器、第二垂直霍尔传感器、信号调理电路和角度计算单元；
所述各向异性磁阻传感器用于通过感知外界磁场的变化检测0～180°内的磁角度；
所述第一垂直霍尔传感器用于感应磁场在第一方向的分量；
所述第二垂直霍尔传感器用于感应磁场在第二方向的分量；所述
所述信号调理电路的输入与各向异性磁阻传感器的输出连接，信号调理电路用于对各向异性磁阻传感器的输出信号进行放大处理和模数转换；
所述角度计算单元的输入分别与信号调理电路的输出、第一垂直霍尔传感器的输出和第二垂直霍尔传感器的输出连接，角度计算单元用于结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，计算得出360度范围内的磁角度检测结果。
进一步的，所述第一方向的0°和各向异性磁阻传感器中磁阻电桥的0°位置重合。
进一步的，所述信号调理电路包括可编程仪表放大器和模数转换器，可编程仪表放大器的输入与各向异性磁阻传感器的输出连接，可编程仪表放大器用于实现对各向异性磁阻传感器输出信号的放大，模数转换器的输入与可编程仪表放大器的输出连接，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。
进一步的，所述角度计算单元用于对角度值进行求解，具体为利用各向异性磁阻传感器的检测信号由反三角函数进行角度求解得到磁角度为n°，0≤n＜180，在0～360°范围内实际被检测的磁角度为n°或(n+180)°；根据n的值以及所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°。
进一步的，所述角度计算单元确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°的方法是，定义参数α，0＜α＜θ，设定三个区间分别为[0,α)、[α,90+α)、[90+α,180)，根据n的值判定其所处区间，再结合所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°。
进一步的，根据n的值判定其所处区间，再结合所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°的具体方法为：
当n位于[0,α)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[α,90+α)区间时，根据所述第二垂直霍尔传感器进行判断，若第二垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第二垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[90+α,180)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
所述第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器是否翻转的判定方式是：根据第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器输出的两路余弦信号进行过零判断，若大于0则垂直霍尔传感器翻转；反之，不翻转。
本发明的有益效果是：本发明用AMR和垂直霍尔传感器完成360度范围内的检测，既可以发挥AMR检测精度高和成本低的优势，又能够弥补其检测范围受限的缺点。
附图说明
图1是本发明实施例中360度磁角度检测系统框图。
图2是本发明实施例中二轴垂直霍尔传感器的示意图。
图3是本发明实施例中二轴垂直霍尔传感器的示意图。
图4是本发明实施例中二轴垂直霍尔传感器的示意图。
图5是本发明实施例中AMR传感器与二轴垂直霍尔传感器位置关系的示意图。
图6是本发明实施例中AMR传感器与二轴垂直霍尔传感器位置关系的示意图。
图7是本发明实施例中利用AMR传感器计算的角度n的示意图。
图8是本发明实施例中二轴垂直霍尔传感器的输出信号示意图。
图9是本发明中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。
图10是本发明中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。
图11是本发明中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。
图12是本发明实施例中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。
图13是本发明实施例中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。
图14是本发明实施例中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述：
实施例
本例结构如图1所示，包含了AMR传感器单元200和信号处理单元100。AMR传感器单元200由两个惠斯通电桥210、220组成，每个惠斯通电桥的四个桥臂上均摆放了AMR磁敏元件。两个惠斯通电桥210、220的位置呈45°摆放。信号处理单元100主要由信号调理电路110、数字信号处理单元120、通信接口130、霍尔传感单元140、电源与基准150和时钟发生器160组成。信号调理电路110实现了对磁桥输出信号的放大和模数转换，其主要包括两个可编程仪表放大器111、112和两个ADC113、114。数字信号处理单元120包括了数字滤波器121、误差校准补偿模块122和CORDIC模块123。数字滤波器121实现了对信号的低通滤波；误差校准补偿模块122用于对信号中的非理想误差进行校准补偿；CORDIC模块123实现了数字电路下的反三角函数arctan，用于角度的计算求解。通信接口130用于实现系统与外界的信息交互。霍尔传感单元140用于处理霍尔传感器信号，由二轴垂直霍尔传感器141和霍尔信号处理单元142组成。电源与基准150负责系统供电。时钟发生器160用于产生系统时钟。
如图2、图3和图4所示是本发明实施例中二轴垂直霍尔传感器141的示意图。其由两个垂直霍尔传感器1、2组成。第一垂直霍尔传感器1感应磁场在第一方向的分量，所述第一方向平行于芯片表面，且所述第一方向的0°和AMR磁阻电桥的0°位置重合且；第二垂直霍尔传感器2感应磁场在第二方向的分量，所述第二方向轴且平行于芯片表面，且所述第二方向与X轴夹角为θ°；其中，0＜θ≤90。
如图5和图6所示是实施例中AMR传感器与二轴垂直霍尔传感器位置关系的示意图。其中二轴垂直霍尔传感器141被集成在芯片中，AMR传感器单元200的位置可以是与芯片所在平面重叠，也可以是在芯片外通过导线进行连接。
如图7所示是实施例中利用AMR传感器计算的角度n的示意图。当外界磁场匀速旋转时，AMR传感器单元200输出的差分信号为两路余弦信号3、4，两信号间存在90度的相位差。在经过信号调理电路110、数字滤波器121和误差校准补偿模块122后，可利用此两路信号3、4和CORDIC模块123所实现的反三角函数进行角度求解，求解公式为：
由求解后的角度值n与实际角度值的关系曲线5可以看出，求解出的角度n会存在两个对应的实际角度值，即n和n+180。此时需要确定实际角度值为二者中的一个。
如图8所示是实施例中二轴垂直霍尔传感器的输出信号示意图。当外界磁场匀速旋转时，二轴垂直霍尔传感器141输出的信号为两路余弦信号6、7，两信号间的相位差为θ°。霍尔信号处理单元142对这两路信号6、7进行过零判断，若大于0则垂直霍尔传感器翻转；反之，不翻转。即可得到霍尔传感单元140的输出8、9，两信号间的相位差也为θ°。
如图9、图10和图11所示是本发明中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。首先定义一个角度值α，0＜α＜θ；再根据α判定n所处区间在[0,α)、[α,90+α)、[90+α,180)三个区间中的一个；此时利用AMR求解出的角度值n与霍尔传感单元(140)的输出(8，9)判断实际角度为n或n+180，其方法如表1：
表1利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算实际角度的方法
由表1可以看出，当n位于[0,α)区间时，如图9所示，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°。当n位于[α,90+α)区间时，如图10所示，根据所述第二垂直霍尔传感器进行判断，若第二垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第二垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°。当n位于[90+α,180)区间时，如图11所示，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°。
如图12、图13和图14是本发明实施例中利用AMR传感器和垂直霍尔传感器计算角度的示意图。当所述第一垂直霍尔传感器与第二垂直霍尔传感器的夹角θ＝60，定义的α＝45时，实际角度的计算方法为：当n位于[0,45)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°。当n位于[45,135)区间时，根据所述第二垂直霍尔传感器进行判断，若第二垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第二垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°。当n位于[135,180)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°。
综上所述，本发明提出的基于AMR和垂直霍尔传感器的角度检测方法与系统，既可以发挥AMR检测精度高和成本低的优势，又能够利用霍尔传感器实现0～360°范围内的检测。
Claims (10)
1.一种360度磁角度检测方法，其特征在于，包括：
设置各向异性磁阻传感器检测0～180°内的磁角度；
设置第一垂直霍尔传感器感应磁场在第一方向的分量；
设置第二垂直霍尔传感器感应磁场在第二方向的分量；
所述第一方向和第二方向的关系是：第一方向和第二方向均平行于同一参考面，且第一方向和第二方向之间的夹角为θ°，0＜θ≤90；
结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，获得360度范围内的磁角度检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种360度磁角度检测方法，其特征在于：
所述第一方向的0°和各向异性磁阻传感器中磁阻电桥的0°位置重合。
3.根据权利要求1所述的一种360度磁角度检测方法，其特征在于：
结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，获得360度范围内的磁角度检测结果的具体方法是：定义各向异性磁阻传感器检测出的磁角度为n°，0≤n＜180，在0～360°范围内实际被检测的磁角度为n°或(n+180)°；根据n的值以及所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°。
4.根据权利要求3所述的一种360度磁角度检测方法，其特征在于：
根据n的值以及所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器进行磁角度判断的具体方法为：
定义参数α，0＜α＜θ，设定三个区间分别为[0,α)、[α,90+α)、[90+α,180)，根据n的值判定其所处区间再进行以下判断：
当n位于[0,α)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[α,90+α)区间时，根据所述第二垂直霍尔传感器进行判断，若第二垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第二垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[90+α,180)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
所述第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器是否翻转的判定方式是：根据第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器输出的两路余弦信号进行过零判断，若大于0则垂直霍尔传感器翻转；反之，不翻转。
5.一种360度磁角度检测系统，其特征在于，包括各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器、第二垂直霍尔传感器、信号调理电路和角度计算单元；
所述各向异性磁阻传感器用于通过感知外界磁场的变化检测0～180°内的磁角度；
所述第一垂直霍尔传感器用于感应磁场在第一方向的分量；
所述第二垂直霍尔传感器用于感应磁场在第二方向的分量；所述
所述信号调理电路的输入与各向异性磁阻传感器的输出连接，信号调理电路用于对各向异性磁阻传感器的输出信号进行放大处理和模数转换；
所述角度计算单元的输入分别与信号调理电路的输出、第一垂直霍尔传感器的输出和第二垂直霍尔传感器的输出连接，角度计算单元用于结合各向异性磁阻传感器、第一垂直霍尔传感器及第二垂直霍尔传感器的输出结果，计算得出360度范围内的磁角度检测结果。
6.根据权利要求5所述的一种360度磁角度检测系统，其特征在于：
所述第一方向的0°和各向异性磁阻传感器中磁阻电桥的0°位置重合。
7.根据权利要求5所述的一种360度磁角度检测系统，其特征在于：
所述信号调理电路包括可编程仪表放大器和模数转换器，可编程仪表放大器的输入与各向异性磁阻传感器的输出连接，可编程仪表放大器用于实现对各向异性磁阻传感器输出信号的放大，模数转换器的输入与可编程仪表放大器的输出连接，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。
8.根据权利要求5所述的一种360度磁角度检测系统，其特征在于：
所述角度计算单元用于对角度值进行求解，具体为利用各向异性磁阻传感器的检测信号由反三角函数进行角度求解得到磁角度为n°，0≤n＜180，在0～360°范围内实际被检测的磁角度为n°或(n+180)°；根据n的值以及所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°。
9.根据权利要求8所述的一种360度磁角度检测系统，其特征在于：
所述角度计算单元确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°的方法是，定义参数α，0＜α＜θ，设定三个区间分别为[0,α)、[α,90+α)、[90+α,180)，根据n的值判定其所处区间，再结合所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°。
10.根据权利要求9所述的一种360度磁角度检测系统，其特征在于：
根据n的值判定其所处区间，再结合所述第一垂直霍尔传感器或第二垂直霍尔传感器的输出结果，确定被检测磁角度是n°或是(n+180)°的具体方法为：
当n位于[0,α)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[α,90+α)区间时，根据所述第二垂直霍尔传感器进行判断，若第二垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为n°；若第二垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
当n位于[90+α,180)区间时，根据所述第一垂直霍尔传感器进行判断，若第一垂直霍尔传感器不翻转，则被检测的磁角度为n°；若第一垂直霍尔传感器翻转，则被检测的磁角度为(n+180)°；
所述第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器是否翻转的判定方式是：根据第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器输出的两路余弦信号进行过零判断，若大于0则垂直霍尔传感器翻转；反之，不翻转。
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