CN117029666A - 确定旋转轴半轴部之间的相对角位置的传感器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于确定旋转轴、特别是旋转电机驱动轴的第一半轴部和第二半轴部之间的相对角位置的传感器装置和方法，该传感器装置包括：具有空间上不同的磁周期的第一磁结构和第二磁结构，其中第一磁结构安装在第一半轴部上，第二磁结构安装在第二半轴部上，使得由第一磁结构和第二磁结构产生和/或影响的相应磁场重叠，相对于旋转轴的旋转运动固定安装的至少四个传感器，使得第一磁结构和第二磁结构产生和/或影响的叠加磁场能够由至少四个固定传感器中的每一个检测，以及电子评估电路，其被配置成从该至少四个传感器中的每一个接收对应于所检测的叠加磁场的测量值，以便根据从至少四个传感器接收到的测量值确定相对角位置。

Description

确定旋转轴半轴部之间的相对角位置的传感器装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定旋转轴(例如旋转电机驱动轴)的半轴部之间的相对角位置的传感器装置。本发明还涉及一种用于确定这种旋转轴的半轴部之间的相对角位置的方法。
背景技术
用于确定旋转移动或线性移动的位置指示器的(角)位置的传感器装置通常是已知的，由正弦和余弦形状变化的原始传感器信号表示所要获得的位置信息。可能的实施方式包括例如在空间的适当位置测量永磁体的磁感应场的磁场分量。可以通过对测量的正弦和余弦形状的传感器信号值应用反正切来获得搜索的位置信息。这些先决条件严重地限制了传感器元件和位置指示器的可能布置，并且特别在它们的生产中或传感器芯片和位置指示器的相对定位中需要高精度。
这些方法的根本问题在于位置指示器和传感器芯片的非理想布置导致原始信号的失真，即这些原始信号不再具有纯正弦和余弦形状，从而导致位置的不准确确定。
此外，在许多情况下，位置测量装置响应于外部场，例如由载流导体产生的磁场、其他/相邻磁性部件的杂散磁场、地球磁场等。如果没有对策，这些额外的场分量不能与有用的场区分开来，从而外部场限制了位置测量装置的精度。
此外，位置测量装置的基本挑战是它们的长期稳定性，即，动态系统随时间变化的初始足够精确的校准，例如，通过部件相对于彼此的机械位移，或通过电子传感器特性的漂移。在专利US10,557,722B2中描述了一种用于在正常操作期间确定这种动态物理系统的测量质量容错的装置和方法，可提高了这种测量装置的长期稳定性，该专利通过引用整体结合于本文。其所提出的用于确定位置指示器的位置的解决方案是基于以下发现，即由传感器提供的传感器测量值可以被表示为测量向量，即向量空间中的点，其向量空间的维度对应于传感器的数量，并且在位置指示器的移动(围绕旋转轴的旋转或沿着轴的位移)期间产生的测量向量位于该向量空间中的路径或轨道上。在理想条件下，该轨道可以通过线性映射投影到圆或圆弧上，即位置指示器的每个位置对应于信号向量抽象空间中轨道上的一个点，该点明确地分配给圆或圆弧上的一个点。在非理想条件下，例如位置指示器的非理想特性时，尤其是磁体的情况下，或者传感器寿命的变化或者使用非最佳选择的校准位置，会产生基于圆形形状的映射偏差。线性映射可以表示为矩阵向量运算，并且可以使用线性代数的标准方法来确定。每个测量向量被投影到2分量指针向量上，其尖端近似为圆弧，其中2分量向量的方向对应于位置指示器的位置。
虽然所提出的解决方案已经能够实现非常令人满意的应用，但是需要进一步提高位置确定的精度，以便能够打开那些要确定的(角)位置非常小的应用(例如电机驱动轴应用)，例如对于大约1°到2°或更小的角范围和/或对于大约1°的几分之一的角分辨率，例如百分之一或更小的分数。
因此，需要一种用于确定旋转轴的半轴部之间的相对角位置的传感器装置和方法，该装置和方法的特征在于改进性能，其中性能尤其是基于操作鲁棒性、数值精度、长期稳定性、应用灵活性以及生产/实施容易性和成本的质量进行评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定旋转轴(例如旋转电机驱动轴)的半轴部之间的相对角位置的传感器装置和方法，其确保了高操作鲁棒性和长期稳定性，例如对诸如本文提到的噪声、温度和外部场引起的干扰的低敏感性，以及精确的测量结果。此外，该装置和方法应提供故障检测和定量错误检测。例如通过允许使用标准信号处理硬件，使得该装置和方法对不同使用情况和要求的适应性也将得到改善，并且制造和实现的复杂性和成本将被降低。
本发明由独立权利要求限定。从属权利要求定义了有利的实施例。
应当注意，在下面的描述中列出的各个特征可以以任何技术上有意义的方式彼此组合(也跨越不同的类别，例如装置和方法)，并且示出了本发明的进一步实施例。本发明的描述还特别结合附图进行了表述和说明。
此外，应该理解的是，术语“和/或”或表述“至少一个”或“一个或多个”，如果在此使用以组合第一特征和第二特征，应被解释为公开了仅包括第一特征的本发明的第一实施例、仅包括第二特征的本发明的第二实施例、以及包括第一特征和第二特征的本发明的第三实施例。如果列出了两个以上的特征，则它们的任何组合也应被解释为根据本发明公开的实施例。
此外，术语“近似”、“基本上”或“大约”表示本领域技术人员认为正常的公差范围。特别地，前述术语应被理解为包含的最大值+/-20％，优选最大值为+/-10％的参考公差范围。
将参照特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明并不由此限定，而是仅由权利要求来限定。
说明书和权利要求中的术语第一、第二等用于区分相似的元件，而不一定用于描述时间、空间、排序或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或示出的其他顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的方向性术语，例如顶部、底部、前部、后部、头部、尾部、下部、上部等，是用于参照所描述的附图的方位进行描述的目的，而不一定是用于描述绝对位置。因为本发明的实施例的部件可以定位在许多不同的方向上，所以方向术语仅用于说明的目的，而决不是限制性的，除非另有说明。因此，应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够在除了这里描述或示出的其他方向上操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置。不排除其他元件或步骤。因此，它应被解释为指定所提及的该特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤或组件的存在或添加。因此，表述“包括特征A和B的装置”的范围不应限于仅由特征A和B组成的装置。这意味着对于本发明，装置的唯一相关特征是A和B。
在整个说明书中提到“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例，而是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，这对于本领域普通技术人员从本公开中将是显然的。
类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，出于简化公开内容和帮助理解一个或多个各种发明方面的目的，本发明的各种特征有时被组合在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解释为反映了要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，详细描述之后的权利要求由此明确地结合到该详细描述中，每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。
此外，尽管本文描述的一些实施例包括一些但不包括其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的。例如，在以下权利要求中，可以以任何组合使用任何要求保护的实施例。
在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免混淆对本说明书的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。
根据一个方面，一种用于确定旋转轴的第一半轴部和第二半轴部之间的相对角位置的传感器装置，该旋转轴例如旋转电机驱动轴，诸如电动自行车曲柄组的旋转驱动轴，该传感器装置包括：
具有空间上不同磁周期的第一磁结构和第二磁结构，其中第一磁结构安装在第一半轴部上，第二磁结构安装在第二半轴部上，使得由第一磁结构和第二磁结构产生和/或影响的相应磁场叠加，
相对于旋转轴的旋转运动被固定安装的至少四个传感器(例如模拟或数字传感元件，例如霍尔元件)，使得由第一磁结构和第二磁结构产生和/或影响的叠加磁场可由至少四个固定传感器中的每一个检测到，以及
电子评估电路(不限于，例如微控制器、数字信号处理器等)，其被配置为从该至少四个传感器中的每一个接收所检测到的叠加磁场相对应的测量值，以便根据从该至少四个传感器接收到的测量值来确定相对角位置。
术语“周期性”是指分别围绕第一半轴部和第二半轴部的旋转轴线的360°的整数部分。在结构围绕该旋转轴旋转了等于该整数分之一的角度之后，例如在4极磁体的情况下为180°，在6极磁体的情况下为120°等。由相应磁结构产生和/或影响的磁场看起来相同，这种磁结构的场也可以称为旋转对称场。
根据本发明的磁结构本身可以产生相应的磁场，例如，使用诸如永磁体的磁体或电流可以流过的线圈。在这种情况下，磁体也可以被认为是磁结构的组成部分，因为磁体可以形成磁结构的主体或者至少是磁结构的主体的一部分。
附加地或替代地，磁结构可以(仅)影响(例如，引导、集中等)由磁体产生的磁场，无论磁体是磁结构的整体部分还是相对于磁结构的主体在外部设置的磁体。
在任何情况下，根据本发明，非旋转传感器和与它们各自的半轴部共同旋转的两个磁结构的布置使得由两个磁结构中的每一个产生和/或影响的磁场在每个传感器的位置处叠加，并且在每种情况下所产生的叠加磁场可以由传感器检测到。根据在至少四个固定传感器中的每一个的位置处的叠加磁场，可以精确地确定两个半轴部之间的相对角位置。
本发明成功地克服了先前的障碍，即同时测量两个结构的两个场并区分它们，以便从同一测量组中提取两个半轴部之间的相对角位置。
通常，这些传感器可以被配置成检测叠加磁场的任意场分量。
附加地或替代地，至少一些传感器可以被配置成检测在任意空间方向上的叠加磁场的场梯度。例如，可以通过诸如模拟霍尔元件的单个传感器来检测场梯度，以通过在模数转换(ADC)之后减去类似的值来最小化由于抵消而导致的信息损失。
所有或一些传感器可以检测相同空间方向上的叠加磁场，即，检测叠加磁场的相同场分量或场梯度，例如，在旋转轴的旋转方向上(相对于旋转轴的切向方向)，或在旋转轴的轴向上，或在旋转轴的径向上。
至少一些传感器可以被配置成检测不同方向上的叠加磁场，即检测叠加磁场的不同场分量或场梯度，例如相对于旋转轴的旋转运动的径向和/或轴向和/或切向。
本发明优选地使用传感器信号中存在的信息来提供该角度信息。即使只有旋转半轴部的小角度差也可以通过由相应的磁结构产生和/或影响的叠加磁场的变化而被有效地检测到。为此，本发明基本上只需要三个主要部件：产生和/或影响相应磁场的两个磁结构，以及至少四个传感器的固定设置，例如但不限于其上安装传感器的单个印刷电路板(PCB)。反过来，PCB可以固定地附接到容纳旋转轴的定子(例如，壳体)。此外，PCB可用于将传感器电连接到评估电路，例如微控制器、数字信号处理器等。评估电路可以安装在与传感器相同的PCB上，这实现了更紧凑和更轻的设计，其可以特别有利地用于例如电动自行车应用(例如曲柄组)等小规模应用中，并且通常用于特别受益于紧凑设计封装和低重量的驱动系统中，例如(电动)汽车应用中。
虽然先前已知的解决方案使用两个传感器测量第一磁体(或磁结构)的磁场，并且使用另外两个传感器测量另一个第二磁体(或磁结构)的磁场，但是本发明提出测量每个传感器位置处的叠加磁场。因此，先前的解决方案试图避免或抑制的磁体/磁结构之间的串扰不是信号中的泄漏/杂散损耗/噪声。根据本发明的装置可以具有高度紧凑的设计，因为两个磁结构可以彼此非常靠近地布置。优选地，两个磁结构之间的间距可以小于大约30mm，更优选地小于大约20mm，或者小于大约10mm。当以优选地布置磁结构间距小于大约5mm，或者甚至可以小于大约3mm时，实现更紧凑的设计。由于本发明成功地克服了先前存在的在每种情况下在传感器的相应位置同时测量两个磁结构的两个场的障碍，并且从同一测量组中提取期望的信息，例如两个半轴部之间的相对角位置，使得两个磁结构的这些紧密布置成为可能。
传感器可以固定安装在两个磁结构之间或者径向向外安装。在第一种情况下，传感器可以安装在相对于旋转轴的径向位置，该位置小于磁结构的径向尺寸。在第二种情况下，传感器可以安装在离旋转轴的径向距离大于至少一个磁结构的径向尺寸处。此外，传感器可以安装在离旋转轴相同的径向距离或不同的径向位置。传感器也可以安装在垂直于旋转轴轴线的同一平面内，可以安装在平行于旋转轴轴线的同一平面内。
根据本发明的装置提供了高度的设计/结构灵活性，因为尤其可以采用与待测量的(移动的、失真的)叠加磁场相关的任何类型的原始传感器信号，即任何空间场分量和/或场梯度。测量可以在任何位置进行，例如平面内或平面外。传感器的数量不必向上限制，即它可以大于四个传感器的最小值。多于四个传感器可以提供更高的精度，并且可以用于消除或抑制理论极限的噪声。此外，这还确保了高操作鲁棒性，对噪声、温度、外部场、故障检测、定量误差检测等的低敏感性，从而可以提供精确的测量结果。装置安装后，一次性校准程序可以处理由于磁体和安装公差造成的样品变化。这提供了结构(例如，磁化模式)的最佳区别以及半轴部的几何缺陷和相对传感器布置(例如，轴倾斜、离轴位置等)。
应当注意，在根据本发明的最少四个传感器的意义上，测量相同信息的传感器不计入对传感器的总数量中。
优选地，可以使用下面更详细描述的和/或例如在同一申请人的专利号US10，557，772B2中公开的方法来提取包含在各个传感器位置处的叠加磁场的传感器测量中的信息。
根据本发明的有利实施例，旋转轴包括扭转部分，该扭转部分弹性地互连两个半轴部以用于扭矩传递。例如，扭转部分可以是扭杆。已知扭转部分的扭转灵敏度，即作为施加的机械扭矩的函数的扭转角，其可以通过(例如一次性)校准程序获得，例如，由旋转轴传递的扭矩直接由旋转轴的两个半轴部之间的确定的相对角位置产生。因为可以如本文所述的高精度确定小的相对角位置，所以精确的扭矩测量成为可能，这在小规模应用中特别有利的，例如电动自行车应用。本发明最佳地使用传感器信号中存在的信息来提供扭矩。该扭矩信息仅隐含地包含在各种单独的传感器信号(即测量值)中。如果该装置使用四个以上的传感器，则可以屏蔽结构和/或部件缺陷，并且可以将信号噪声抑制在理论极限。
根据本发明的又一有利实施例，电子评估电路还被配置成根据所接收的至少四个传感器的测量值来确定旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置(即，第一半轴部或第二半轴部或两者)。这通过第一磁结构和第二磁结构的不同磁周期以及在相应传感器的位置上分别产生和/或影响的磁场的叠加而成为可能。根据本发明，叠加在传感器位置处的磁场允许在整个周期(即360°)内明确检测旋转轴旋转的绝对角位置(即绝对角度)。本发明成功地克服了先前的障碍，即同时测量两种磁结构的两个场并区分它们，以便从同一测量装置中提取旋转轴的绝对旋转角度。
根据本发明的进一步有利实施例，相对于旋转轴的旋转运动固定安装的至少四个传感器限定了相对于该旋转运动的至少一条虚拟感测线，并且其中由第一磁结构沿着该至少一条虚拟感测线产生和/或影响的磁场的傅立叶级数包含至少第一最大谐波，并且由第二磁结构沿着该至少一条虚拟感测线产生和/或影响的磁场的傅立叶级数包含不同于该第一最大谐波的至少第二最大谐波。“第一”和“第二”谐波分别表示与第一磁结构和第二磁结构关联的相应谐波。术语“最大”可以指一组可能的多个可检测谐波中的各个谐波的最大幅度或最大频谱权重(其对应于用于建立相应磁周期的第一磁结构和第二磁结构的给定数量n，m个极/极对)。原则上，可以使用任何不同的谐波(即，比n或m更高或更低的谐波)，前提是所要确定的值的精度有所下降，并且可以接受更多的噪声。在任何情况下，沿着该至少一条虚拟感测线的第一磁结构和第二磁结构的磁周期是不同的，这使得能够以本文公开的精确方式确定第一磁结构和第二磁结构之间的相对角位置和/或传递的扭矩和/或旋转轴的绝对角位置。
具体而言，为了确定旋转轴的绝对角位置，第一最大振幅谐波和第二最大振幅谐波(其对应于用于建立相应磁周期的第一磁结构和第二磁结构的给定数量n，m个极/极对)不同，使得它们的度数是互质或相对质数，即除数的唯一正整数是1。例如，互质的数对n、m可以是3和5、4和5、5和7、7和8、8和11、11和13等。而且，即使单个磁结构的磁周期性仅分别允许高达360°/n和360°/m的倍数的情况下，也能够高精度地可靠地确定出旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置。
虚拟感测线可以具有基本上圆形的形状，这允许传感器的紧凑设计和简单布置/安装。尽管圆形被认为是特别优选的，但是其他几何形状也是可以想到的。
根据其他有利实施例，第一磁结构和第二磁结构可以包括用于提供不同的周期性不同的磁极配置。例如，第一磁结构和第二磁结构可以包括不同数量的磁体，例如永磁体或线圈。磁体可以轴向或径向磁化。可以有一个轴向磁化的磁体，或者一个具有纵轴且沿着该轴定向，并且可选地以该轴为中心的线圈。
根据其他优选实施例，永磁体可以根据Halbach阵列布置。Halbach阵列是一种特殊的永磁体排列，它在阵列的一侧增强磁场，而在另一侧将磁场抵消至接近零。这是通过具有空间旋转的磁化模式来实现的。特定的磁化旋转模式可用于精确和有效地定义由相应永磁体相关联的相应磁结构产生和/或影响的磁周期性。此外，Halbach磁化模式允许传感器测量(即，测量值)不包含大的高次谐波，进一步提高了结果的质量(即，根据测量值确定相对角位置、或扭矩、或绝对角位置、或其任意组合)。根据传感器的具体位置，该布置可以使得磁场在磁结构之间(例如轴向)或径向最大。
其他优选实施例规定，第一磁结构的磁极或磁极对的数量n和第二磁结构的磁极或磁极对的数量m是互质或互质整数，即第一磁结构的磁极/磁极对的数量和第二磁结构的磁极/磁极对的数量，两者的除数的唯一正整数是1。换句话说，它们的最大公约数(GCD)是1。例如，各个磁结构的磁极/磁极对的互质数n、m可以是3和5、4和5、5和7、7和8、8和11、11和13等。这种配置可以特别有利地用于确定旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置，即使单个磁结构的磁周期仅分别允许高达360°/n和360°/m的倍数。
根据进一步的实施例，传感器可以相对于磁结构的旋转运动以不同于第一磁结构和/或第二磁结构的磁周期或其有理数的间隔彼此隔开。换句话说，固定传感器没有安装在与磁结构的n极和m极旋转对称重合的位置，即没有以k·2π/n或j·2π/m的角度间隔放置，(k＝1，…，n-1；j＝1，…，m-1，其中n为第一磁结构的磁极/磁极对的数量，m为第二磁结构的磁极/磁极对的数量)。以这种方式，传感器以最精确的方式获取关于磁结构的相对和/或绝对角位置的信息。
根据本发明的又一有利实施例，评估电路被配置成基于接收的测量值与预定信号模型矩阵之间的乘积来确定相对角位置或扭矩或绝对角位置，该预定信号模型矩阵分别表示传感器装置对相对角位置、扭矩和绝对角位置的测量过程。换句话说，模型矩阵描述了底层动态物理系统的感测/测量过程，即传感器装置的组件，例如磁结构、磁体/线圈的安装/定位、传感器的安装/定位等。其信息可以在传感器装置的附加校准过程中获得，该过程可以在传感器装置的第一次操作之前执行一次。根据该校准过程，可以识别可能存在的高次谐波的信号模型和特征。
模型矩阵包括行和列条目，其中每行涉及一个传感器的感测信号(即，行数可以等于不同传感器的总数)，并且对应的行条目可以指所考虑的谐波的分量。根据在传感器装置的校准阶段收集的信息，可以识别模型矩阵和(可能存在的)高次谐波的特征。
根据本发明的又一有利实施例，电子评估电路还被配置成基于所接收的测量值和预定系数矩阵之间的乘积来确定误差信号，该预定系数矩阵表示所确定的相对角位置或扭矩或绝对角位置或其任意组合上的误差。可以输出误差信号/误差信息以进一步处理它。例如，错误信号/信息可以以模拟或数字形式定量输出，或者与预定阈值进行比较以设置错误标志。
本发明的进一步有利的实施例规定，评估电路还被配置成接收至少五个传感器信号，并通过计算不受外部磁场影响的传感器信号的子空间来确定相对角位置、或扭矩、或绝对角位置、或其任意组合，外部磁场例如是由载流导体产生的磁场、其他/相邻磁性部件的杂散磁场、地球磁场等。
根据本发明的又一实施例，提供五个或六个传感器来检测同一空间轴上的叠加磁场，或者提供六个或七个传感器来检测同一平面内两个不同方向上的叠加磁场，或者提供七个或八个传感器来检测三个不同空间方向上的叠加磁场。
应当注意，在本发明的意义上，在传感器测量不同方向的磁场的情况下，在相同位置但是不同方向测量磁场的单个封装传感器(例如一个SMD封装)可以算作多个传感器。例如，在一个物理位置的双向传感器封装，被解释为两个传感器/传感器元件。
根据本发明的又一有利实施例，至少四个传感器中的至少两个实际上布置在同一位置或同一封装中。例如，传感器可以容纳在同一外壳中。传感器可以被配置成检测相同空间方向或不同空间方向上的叠加磁场(即，场分量或场梯度)。冗余传感器信号可以用于错误检测，即例如在相同的位置检测在相同的空间方向上的叠加的磁场。
其他有利的实施例规定，至少四个传感器中的至少两个被配置成检测不同方向上的叠加磁场，即检测叠加磁场的不同场分量或场梯度。
至少四个传感器中的至少两个可以至少部分被磁结构包围。例如，该传感器可以布置在第一磁结构和第二磁结构之间的镜像或对称平面中，即，插入在两个相对的磁结构之间的空间中，使得传感器的至少两个侧面或侧面和至少一个磁结构相对地设置。
或者，至少四个传感器中的至少两个可以布置在磁结构的侧面，而不被一个或两个磁结构包围。
从上面应该清楚，传感器可以输出第一角度/角度值、或第二角度/角度值、或扭矩值、或错误标记、或错误信号等。
根据本发明的另一方面，一种用于确定旋转轴，特别是旋转电机驱动轴的第一半轴部和第二半轴部之间的相对角位置的方法，至少包括以下步骤：
提供具有空间上不同的磁周期的第一磁结构和第二磁结构，其中第一磁结构安装在第一半轴部上，第二磁结构安装在第二半轴部上，使得由第一磁结构和第二磁结构产生和/或影响的相应磁场重叠，
提供相对于旋转轴的旋转运动固定安装的至少四个传感器，使得由第一磁结构和第二磁结构产生和/或影响的叠加磁场由至少四个固定传感器中的每一个检测，
通过电子评估电路，从该至少四个传感器中的每一个接收对应于检测到的叠加磁场的测量值，并根据从该至少四个传感器接收到的测量值确定相对角位置。
应当注意，关于与这里公开的方法相关的特征的效果和优点，其全部参考了传感器装置的相应的、类似的特征以及这里公开的其效果和优点。因此，除非另外明确声明，这里公开的传感器装置的特征也应该被认为是适用于根据本发明的方法的实施例的定义的特征。同样，除非另外明确说明，否则本文公开的方法的特征也应被视为适用于根据本发明的传感器装置的实施例的定义的特征。因此，为了本说明书的简明和更好地理解本发明的原理，可以省略对这种类似特征、它们的效果和优点的重复解释，而不会将任何这种省略解释为限制。
如同传感器装置一样，可以优选地使用例如同一申请人的专利US10，557，772B2中公开的方法来提取在各个传感器位置处的叠加磁场的传感器测量中包含的信息。
应当理解，每个磁场可以由各自的磁结构产生，例如，使用诸如永久磁铁的磁铁或电流可以流过的线圈。
附加地或替代地，由磁体或线圈产生的磁场可以(仅)受到相应磁结构的影响(例如，引导、集中等)。
在任何情况下，应该强调的是，根据本发明，由于非旋转传感器和两个磁性结构的布置，由两个磁性结构中的每一个产生和/或影响的磁场在每个传感器的位置处叠加，这两个磁性结构与它们各自的半轴部一起旋转。由此产生的叠加磁场可以被各个传感器检测到。
使用第一磁结构和第二磁结构的不同磁周期并在相应传感器的位置叠加分别产生和/或影响的磁场，可以根据从至少四个传感器接收的测量值确定旋转轴(即，第一半轴部或第二半轴部或两者)相对于预定旋转参考位置的相对角位置以及附加的绝对角位置。在后一种情况下，叠加的磁场允许在完整回转(即360°)内明确检测旋转轴旋转的绝对角位置(即绝对角度)。
根据在至少四个固定传感器中的每一个的位置处的叠加磁场，可以精确地确定两个半轴部之间的相对角位置或绝对角位置或扭矩。
为此，可以选择由传感器检测的叠加磁场的任意场分量。
附加地或替代地，叠加磁场在任意空间方向上的场梯度可以由至少一些传感器检测，例如在旋转轴的旋转方向上。例如，可以通过诸如模拟霍尔元件的单个传感器来检测场梯度，以通过在模数转换(ADC)之后减去相似的值来最小化由于抵消而导致的信息损失。
此外，根据本发明的实施例，叠加磁场可以由所有或部分传感器在相同的空间方向上检测，即，仅检测叠加磁场的一个预定的场分量或场梯度，例如，在旋转轴的旋转方向上。
仍然根据本发明的进一步实施例，叠加磁场可以由至少两个传感器在不同方向上检测，即，检测叠加磁场的不同场分量或不同场梯度，例如，在相对于旋转轴的旋转运动的径向和/或轴向和/或切向。
该方法可以使用四个以上的传感器来检测每个传感器位置处的叠加磁场。这进一步提高了所确定的相对角位置或绝对角位置或扭矩的精度，并且可以另外用于有效地消除或抑制理论极限处的噪声。应当注意，在根据本发明的最少四个传感器的意义上，测量相同信息的传感器对传感器的总数没有贡献。
此外，本发明的有利实施例可以使用至少五个传感器信号，并通过计算不受外部磁场影响的传感器信号的子空间来确定相对角位置、或扭矩、或绝对角位置、或其任意组合，外部磁场例如是载流导体产生的磁场、其他/相邻磁性部件的杂散磁场、地球磁场等。
根据本发明的又一有利实施例，扭矩通过扭转部分在两个半轴部之间传递，该扭转部分以弹性方式将半轴部相互连接。例如，扭转部分可以是扭杆。已知扭转部分的扭转灵敏度，即作为所施加的机械扭矩的函数的扭转角，这可以通过(一次)校准程序获得，例如，由旋转轴传递的扭矩直接由旋转轴的两个半轴部之间的确定的相对角位置产生。由于可以高精度地确定小的相对角位置，因此精确的扭矩测量成为可能。本发明最佳地使用传感器信号中存在的信息来提供扭矩。该扭矩信息仅隐含地包含在各种单独的传感器信号(即测量值)中。如果在该方法中使用四个以上的传感器，则结构和/或部件缺陷也可以被筛选，并且信号噪声可以被抑制在理论极限。
根据本发明的进一步有利实施例，相对于旋转轴的旋转运动固定安装的至少四个传感器被安装成使得它们相对于该旋转运动限定至少一条虚拟感测线，并且其中由第一磁结构沿着至少一条虚拟感测线产生的磁场的傅立叶级数包含至少第一最大谐波，并且由第二磁结构沿着至少一条虚拟感测线产生的磁场的傅立叶级数包含不同于第一最大谐波的至少第二最大谐波。同样，“第一”和“第二”谐波分别表示相应谐波与第一磁结构和第二磁结构的关联。术语“最大值”可以指一组可能的多个可检测谐波中的各个谐波的最大幅度或最大频谱权重(其对应于与用于建立磁周期性的各个第一磁结构/第二磁结构相关联的给定数量n，m个极/极对)。原则上，可以使用任何不同的谐波(即，比n或m更高或更低的谐波)，前提是所要确定的值的精度有所下降，并且可以接受更多的噪声。
具体而言，为了确定旋转轴的绝对角位置，第一最大振幅谐波和第二最大振幅谐波(其对应于用于建立相应磁周期的第一磁结构和第二磁结构的给定数量n，m个极/极对)不同，使得它们的度数是互质或相对质数，即除数的唯一正整数是1。例如，互质的数对n、m可以是3和5、4和5、5和7、7和8、8和11、11和13等。而且，即使单个磁结构的磁周期性仅为360°/n和360°/m的倍数，也可以高精度地可靠地求出旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置。
传感器可以沿着基本上圆形的线安装，这允许传感器的紧凑设计和简单布置/安装。尽管圆形被认为是特别优选的，但是其他几何形状也是可以想到的。
本发明的另外的实施例提供了传感器可以相对于磁结构的旋转运动以不同于第一磁结构和/或第二磁结构的磁周期或其有理数的间隔彼此隔开，如上面更详细描述的。
应该注意的是，相对角位置或扭矩或绝对角位置可以基于接收的测量值和预定信号模型矩阵之间的乘积来确定，该预定信号模型矩阵分别表示传感器装置对相对角位置、扭矩和绝对角位置的测量过程。因此，模型矩阵描述了动态物理系统的感测/测量过程，即传感器装置的组件，例如磁结构、磁体/线圈的安装/定位、传感器的安装/定位等。其信息可以在传感器装置的附加校准过程中获得，该过程可以在传感器装置的第一次操作之前执行一次。根据该校准过程，可以识别可能存在的高次谐波的信号模型和特征。
模型矩阵包括行和列条目，其中每行与一个传感器的感测信号相关(即，行数可以等于不同传感器的总数)，并且对应的行条目可以指所考虑的谐波的分量。根据在传感器装置的校准阶段收集的信息，可以识别模型矩阵和(可能存在的)高次谐波的特征。
本发明的其他有利实施例提供了基于接收的测量值和预定系数矩阵之间的乘积来确定误差信号，该预定系数矩阵表示所确定的相对角位置或扭矩或绝对角位置或其任意组合的误差。可以输出误差信号/误差信息以进一步处理它。例如，错误信号/信息可以以模拟或数字形式定量输出，或者与预定阈值进行比较以设置错误标志。
更进一步，根据本发明的实施例，叠加的磁场由传感器异步检测，产生异步测量值，在确定相对角位置、或扭矩、或绝对角位置、或其任意组合之前，通过插值将这些测量值计算回公共时间点。这实质上提高了动态性能。有利的是，对于模数转换，可以使用多路复用ADC，这简化了硬件要求。
然而，插值可以优选地基于FIR插值，而不必局限于此。
或者，叠加的磁场可以由传感器同步检测，从而产生同步的测量值。
从上面应该清楚，传感器可以输出第一角度/角度值、或第二角度/角度值、或扭矩值、或错误标记、或错误信号等。
下面定义了进一步有利的实施例。
附图简述
本发明的这些和其他特征和优点将参照附图，从本发明的非限制性实施例的以下描述中变得显然。
附图仅仅是示意性的，即，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且没有按比例绘制。绝对尺寸和相对尺寸不一定对应于本发明实践的实际缩减。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在示意性附图中：
图1示出了根据本发明的传感器装置的示例性实施例的透视图。
图2示出了图1的传感器装置的一部分的透视图。
图3示出了图2的传感器装置的更详细的平面图。
图4示出了磁结构的示例性第一磁化模式的曲线图。
图5示出了磁结构的示例性第二磁化模式的曲线图。
图6示出了由图4和图5的磁性图的叠加产生的磁化模式的曲线图。
图7示出了来自四个不同传感器位置的四个传感器的四个信号图。
图8示出了用于说明扭矩对图6的叠加磁场模式的影响的两个曲线图。
图9示出了图8的两个曲线图的差异的曲线。
图10示出了基于图9的差异曲线的来自四个不同传感器位置的传感器信号的四个曲线图。
图11示出了根据本发明的方法的示例性实施例的功能图。
图12示出了根据本发明方法的另一示例性实施例的测量值的异步检测的示意图。
图13示出了根据本发明的方法的又一示例性实施例的功能图。
在不同的附图中，与其功能相当的元件通常具有相同的附图标记/符号，因此这些元件通常只描述一次。
具体实施方式
现在将通过附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了根据本发明的传感器装置1的示例性实施例的透视图。图2示出了图1的传感器装置1的一部分的透视图，图3更详细地示出了图2的传感器装置1的平面图。在以下描述中，将以任意方式参考图1至图3。
传感器装置1被配置成确定旋转轴的第一半轴部2和第二半轴部3之间的相对角位置，该旋转轴例如旋转电机驱动轴，诸如电动自行车的驱动轴，然而，不一定限于电动自行车应用。从图1至3可以看出，传感器装置1还包括具有空间上不同的磁周期的第一磁结构4和第二磁结构5(参见图4、图5)，其中第一磁结构4安装在第一半轴部2上，第二磁结构5安装在第二半轴部3上，使得由第一磁结构4和第二磁结构5产生和/或影响的相应磁场重叠。此外，传感器装置1包括相对于旋转轴的旋转运动6固定安装的至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4，使得由第一磁结构4和第二磁结构5产生和/或影响的叠加磁场可由至少四个固定传感器HE1、HE2、HE3、HE4中的每一个检测。传感器装置1还包括电子评估电路7，其被配置为从至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4中的每一个接收对应于检测到的叠加磁场的测量值，以便根据从至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4接收到的测量值确定相对角位置。
传感器HE1、HE2、HE3、HE4可以安装在单个印刷电路板10(PCB)上，然而并不必限于此。反过来，PCB 10可以附接到容纳旋转轴(即，半轴部2和3)的定子(例如，壳体，未示出)。如果提供PCB来安装传感器HE1、HE2、HE3、HE4，则PCB可以有利地用于将传感器HE1、HE2、HE3、HE4电连接(未示出)到评估电路7，例如微控制器、数字信号处理器等。评估电路7可以安装在与传感器HE1、HE2、HE3、HE4相同的PCB 10上，这实现了甚至更紧凑和更轻的设计，这在紧凑和重量轻(即，小规模)的应用中提供了特别的优势，例如电动自行车应用(例如，电动自行车曲柄组)。应当注意，其他推进系统，例如(电动)汽车应用，也可以受益于根据本发明的传感器装置的紧凑设计和轻重量，因此不排除这些应用。
如图1至3所示，传感器装置1的旋转轴可以包括扭转部分8，该扭转部分8弹性地互连两个半轴部2、3用于扭矩传递。例如，扭转部分8可以是扭杆。在扭转部分8给定的扭转灵敏度情况下，即扭转角作为施加的机械扭矩的函数，由旋转轴传递的扭矩由旋转轴的两个半轴部2、3之间的确定的相对角位置产生。
此外，传感器装置1的评估电路7还可以被配置为根据所接收的至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4的测量值来确定旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置。第一磁结构4和第二磁结构5的不同磁周期以及在传感器HE1、HE2、HE3、HE4的位置处检测到的分别产生和/或影响的磁场的叠加允许在整个完整旋转(即360°)中明确检测旋转轴旋转的绝对角位置(即绝对角度)。
此外，传感器装置1的至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4的布置可以相对于旋转轴的旋转运动6限定至少一条虚拟感测线9。由第一磁结构4沿着至少一条虚拟感测线9产生和/或影响的磁场的傅立叶级数优选地包含第一最大谐波，并且由第二磁结构5沿着至少一条虚拟感测线9产生和/或影响的磁场的傅立叶级数优选地包含不同于该第一最大谐波的第二最大谐波。“第一”和“第二”谐波分别表示相应谐波与第一磁结构和第二磁结构的关联。术语“最大值”可以指一组可能的多个可检测谐波中的各个谐波的最大幅度或最大频谱权重(其对应于与用于建立磁周期性的各个第一磁结构/第二磁结构相关联的给定数量n，m个极/极对)。原则上，可以使用任何不同的谐波(即，比n或m更高或更低的谐波)，前提是所确定的值的精度有所下降，并且可以接受更多的噪声。
具体而言，为了确定旋转轴的绝对角位置，第一最大振幅谐波和第二最大振幅谐波(其对应于用于建立相应磁周期的第一磁结构和第二磁结构的给定数量n，m个极/极对)不同，使得它们的度数是互质或相对质数，即除数的唯一正整数是1。例如，互质数对n、m可以是3和5、4和5、5和7、7和8、8和11、11和13等。然后，即使单个磁结构的磁周期性仅分别允许高达360°/n和360°/m的倍数，也可以高精度地可靠地确定旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置。
沿着至少一条虚拟感测线9的第一磁结构4和第二磁结构5的磁周期性是不同的，这使得能够以这里描述的精确方式确定第一磁结构4和第二磁结构5之间的相对角位置和/或传递的扭矩和/或旋转轴的绝对角位置。
如图3所示，虚拟感测线9可以具有基本上圆形的形状。然而，也可以考虑虚拟感测线9的其他几何形状。
通常，第一磁结构4和第二磁结构5可以包括不同的磁极配置。例如，第一磁结构4和第二磁结构5可以包括不同数量的磁体(未示出)，例如永磁体。
永磁体可以按照Halbach阵列(未示出)排列。
有利地，第一磁结构4的磁极或磁极对的数量n和第二磁结构5的磁极或磁极对的数量m可以是互质或互质整数，即，作为第一磁结构4的磁极/磁极对的数量和第二磁结构5的磁极/磁极对的数量的除数的唯一正整数是1。这种配置可以特别有利地用于确定旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置，即使单个磁结构4、5的磁周期仅分别允许高达360°/n和360°/m的倍数。
此外，如图3所示，至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4可以相对于磁结构4、5的旋转运动6以不同于第一磁结构4和/或第二磁结构5的磁周期或其有理数的间隔彼此隔开。在这种配置中，至少四个固定传感器HE1、HE2、HE3、HE4没有安装在与磁结构4、5的n极和m极旋转对称一致的位置，即，没有以k·2π/n或j·2π/m的角度间隔放置，(k＝1，…，n-1，j＝1，…，m-1)，其中n为第一磁结构的磁极/磁极对的数量，m为第二磁结构的磁极/磁极对的数量
例如，如图3所示，可以选择沿着虚拟感测线9的各个传感器HE1、HE2、HE3、HE4的位置，使得传感器HE1、HE2、HE3、HE4探测每个贡献磁场的不同部分，即传感器HE1、HE2、HE3、HE4的位置处的叠加磁场。传感器HE1、HE2、HE3、HE4可以相对于旋转运动6以角度j·360/p放置，j＝0，1，2，3，其中p可以与n和m互质。
应当注意，图1至图3所示的传感器装置1在数量上不限于所示的四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4。传感器装置1可以包括多于四个的传感器。例如，如果使用五个传感器(未示出)，评估电路7还可以被配置成接收至少五个传感器信号，并且通过计算不受外部磁场影响的传感器信号的子空间来确定相对角位置、或扭矩、或绝对角位置、或其任意组合。
例如，传感器装置1可以包括五个或六个传感器来检测同一空间轴上的叠加磁场，或者可以包括六个或七个传感器来检测同一平面内两个不同方向上的叠加磁场，或者可以包括七个或八个传感器来检测三个不同空间方向上的叠加磁场。
通常，传感器HE1、HE2、HE3、HE4可以被配置成检测叠加磁场的任意场分量。
附加地或替代地，至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4中的至少一些可以被配置成检测叠加磁场在任意空间方向上，例如在旋转运动6的方向上的场梯度。
传感器HE1、HE2、HE3、HE4中的全部或一些可以检测相同空间方向上的叠加磁场，即例如检测在旋转轴的旋转方向6上叠加磁场的相同场分量或场梯度。
至少一些传感器可以被配置成检测不同方向上的叠加磁场，即检测叠加磁场的不同场分量或场梯度，例如相对于旋转轴的旋转运动6的径向和/或轴向和/或切向。
此外，至少四个传感器中的至少两个可以实际上布置在相同的位置或相同的封装中(未示出)。
在图2所示的示例性传感器装置1中，传感器HE1、HE2、HE3、HE4至少部分地被磁结构4、5包围。在所示的传感器装置中，传感器HE1、HE2、HE3、HE4被布置在第一磁结构4和第二磁结构5之间的镜像或对称平面中，即，它们被插入到两个相对的磁结构4、5之间的空间中，使得传感器HE1、HE2、HE3、HE4和磁结构4、5的至少两个侧面或侧面相对地站立。
然而，传感器HE1、HE2、HE3、HE4也可以布置在磁结构4、5的侧面(未示出)。
图4示出了磁结构的示例性第一磁化模式的曲线图，例如图1至3中所示的传感器装置1的第一磁结构4。图5示出了磁结构的示例性第二磁化模式的曲线图，例如图1至3中所示的传感器装置1的第二磁结构5。
如图4和5所示，这两种磁模式分别在磁极/磁极对的数量n和m方面不同。在这种情况下，n和m是相对的素数。这样，旋转轴的绝对角位置可以通过游标原理(游标刻度)来确定，即使每个单独的模式分别只允许360°/n和360°/m的倍数。例如，图4中所示的图表基于图5中n＝3，m＝5。
图6示出了由图4和图5的磁模式的叠加产生的磁化模式的曲线图。叠加的磁化模式是完全辨别半轴部2、3之间的相对角度(包括扭矩)和旋转轴的绝对角位置的基础。
图7示出了来自传感器HE1、HE2、HE3、HE4的四个不同传感器位置的传感器信号的四个曲线图。在沿着虚拟感测线9的四个不同位置(图7中仅示出了180°)检测叠加的磁场。在每个角位置，信号模式允许唯一确定促成叠加的两个场配置的角度。竖线分别突出显示了30°和110°绝对轴角的实际测量值。
图8示出了用于说明图6的叠加磁场模式的影响两个曲线图。该图示出了旋转轴完整旋转时在单个传感器位置处的磁场模式，对应于所施加扭矩的两个不同值，即扭矩T＝0和扭矩T>0。两个曲线图之间的差异是由于第一磁结构4和第二磁结构5之间的相对运动。
图9示出了图8的两个曲线图的差异曲线，即两个不同的扭矩状态(也是对于旋转轴的完整旋转)。
图10基于图9的差异曲线示出了来自传感器HE1、HE2、HE3、HE4的四个不同传感器位置的传感器信号的四个曲线图，即，两个不同的扭矩状态T＝0和T>0。所示的四个位置处的信号模式一起允许唯一确定所施加的扭矩以及旋转轴的绝对角位置。竖条突出显示了旋转轴在30°和110°的绝对角位置的信号差异。
图11示出了根据本发明的方法的示例性实施例的功能图。该方法被配置成确定旋转轴的第一半轴部和第二半轴部之间的相对角位置，并且如果适用的话，还分别确定绝对角位置，即和/>例如图1至3中所示的传感器装置1的第一半轴部2和第二半轴部3。
在提供具有空间上不同的磁周期的第一磁结构(例如第一磁结构4)和第二磁结构(例如第二磁结构5)之后，并且在将第一磁结构4安装在第一半轴部2上并且将第二磁结构5安装在第二半轴部3上使得由第一磁结构4和第二磁结构5产生和/或影响的相应磁场重叠之后，并且提供至少四个传感器，例如，相对于旋转轴的旋转运动固定安装的传感器HE1、HE2、HE3、HE4，使得至少四个固定传感器HE1、HE2、HE3、HE4中的每一个检测到由第一磁结构4和第二磁结构5产生和/或影响的叠加磁场，例如，通过电子评估电路7(例如，信号处理器)，并且根据所接收的至少四个传感器HE1、HE2、HE3、HE4的测量值q，确定相对角位置并且如果适用，确定绝对角位置/>
在图11所示的例子中，所有传感器元件在它们各自的位置检测瞬时叠加的磁场，以提供矢量因此如图11所示，所有测量值q指的是相同的时间点，并且可以(但不一定限于此)被同步处理，例如使用并行ADC，该ADC将多个模拟传感器值转换成相应的数字值，用于进一步处理。然后，计算两个二维向量pn＝Mnq和pm＝Mmq(通过两次矩阵向量乘法)，并服从atan2函数，以提供子范围-角度/>和/>
根据以下公式进行计算子范围-角度和/>
a.其中/>
b.其中/>
(Bezout’s定理)
测量量即其与施加的扭矩T成正比，而/>是旋转轴的角位置。
从上面应该清楚的是，根据本发明的相对角位置或扭矩T或绝对角位置/>的确定是基于接收的测量值q和表示动态物理系统的测量过程的预定信号模型矩阵M之间的乘积，该动态物理系统即传感器装置1的组件，包括磁结构4、5、磁体/线圈(未示出)、传感器HE1、HE2、HE3、HE4，它们的实际物理布置和彼此的相对位置等，相对角位置/>扭矩T和绝对角位置/>
模型矩阵M包括行和列条目，其中每行涉及一个传感器HE1、HE2、HE3、HE4等的感测信号(即，行数可以等于不同传感器的总数)并且相应的行条目可以指所考虑的谐波的分量。根据在传感器装置1的校准阶段收集的信息，可以识别模型矩阵M和(可能存在的)高次谐波的特征。
通常，根据本发明的方法在由传感器数量确定的多维空间中处理传感器信号信息。以这种方式，在提供确定相对角位置、扭矩或绝对角位置或其任意组合的分析框架的同时保持所有传感器信息。在这样的多维空间中，因为没有信息丢失，所以所有的相关性和冗余可以用于其他特征如误差测量、杂散场抗扰度、故障检测和校准表示。
多维空间中与位置信息正交的空间可用于通过确定测量路径和标准路径之间的差异来确定角度误差。使用校准的矩阵M，信号路径被投影以获得独立于传感器布置的位置空间中的输出角度。
当机械磨损或任何其他损坏发生在旋转轴的半轴部的布置中时，在多维路径中将出现与理想曲线的误差。误差信号将作为角度的函数产生，指示相对于理想路径的误差。该误差信号不等同于给定输出角度下的角度误差，但误差信号的特征可以导致误差源。这种误差将转化为输出角度，包括由非理想信号引起的误差。
图12示出了根据本发明方法的另一示例性实施例的测量值的异步检测的示意图。在图12所示的例子中，在时间t内连续产生六个测量值(在图12中用相应的数字“1”到“6”表示)。然后，在确定相对角位置、或扭矩、或绝对角位置、或它们的任何组合之前，通过插值将异步产生的测量值计算回到共同的时间点。在本示例中，测量值2、3、4、5和6回溯(在图12中用相应的数字“2”到“6”表示)到公共时刻，例如第一传感器HE1的测量时刻t1。例如，插值可以基于FIR滤波器的应用。
异步获得的测量值结合插值将高动态性能(例如，在快速旋转期间的高更新率)与高精度相结合。
图13示出了根据本发明的方法15的又一实施例的功能图。如图13所示，类似于图12所示的示例，提供了六个传感器HE1、HE2、HE3、HE4、HE5和HE6。如图13所示，传感器HE1、HE2、HE3、HE4、HE5、HE6产生异步测量值，即非同时地测量。此外，多路复用ADC用于将连续输入的模拟测量值转换成相应的数字值。数字测量值被馈送到内插器，例如线性内插器，其将传感器HE1、HE2、HE3、HE4、HE5、HE6的测量值回溯到公共时刻，例如图12所示的时刻t1。使用校准的信号模型矩阵M，角度信息，即旋转轴的半轴部2、3(参见图1)之间的相对角位置以及旋转轴的绝对角位置/>(如果适用的话)可以基本上如图11所示地确定。为此，基于从传感器HE1、HE2、HE3、HE4、HE5、HE6接收的测量值q与预定信号模型矩阵M之间的乘积确定角度和/或扭矩信息，该预定信号模型矩阵M分别代表传感器装置15在相对角位置/>和扭矩T以及绝对角位置/>上的测量过程。模型矩阵M描述了底层动态物理系统的感测/测量过程，即传感器装置1的组件，例如磁结构3、4，磁体/线圈(未示出)的安装/定位，传感器HE1、HE2、HE3、HE4、HE5、HE6等的安装/定位。此外，在图13所示的情况下，也使用误差矩阵E来确定误差信息ε。误差信息ε是基于接收的测量值和预定系数矩阵E之间的乘积来确定的，该预定系数矩阵E表示关于所确定的相对角位置/>或扭矩T、或绝对角位置/>或其任意组合的误差。
应当注意，图13中所示的传感器装置15不一定限于所示的异步传感器输入，尽管这种方法是特别优选的。如图11所示，传感器装置15也可以与传感器测量值q的同步(即同时)输入相结合。
虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。
通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员来说将是显然的。这种修改可以包括本领域中已知的其他特征，并且可以用来代替或添加到这里已经描述的特征。
根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一个”不排除多个元件或步骤。在不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
附图标记
1 传感器装置，
2 第一半轴部，
3 第二半轴部，
4 第一磁结构，
5 第二磁结构，
6 旋转运动，
7 电子评估电路，
8 扭转截面，
9 虚拟传感线，
10 印刷电路板(PCB)，
11 方法，
15 方法，
ADC 物理输出核心模数转换器，
E 误差矩阵，
ε 误差量，
HE1 第一传感器，
HE2 第二传感器，
HE3 第三传感器，
HE4 第四传感器，
I 内插器，
k 传感器数量，
n，m 磁极/磁极对数，
M 信号模型矩阵，
绝对角位置，
相对角位置，
q 测量值，
T 扭矩，
t 时间。

Claims (15)

1.一种传感器装置(1)，用于确定旋转轴、特别是旋转电机驱动轴的第一半轴部(2)和第二半轴部(3)之间的相对角位置所述传感器装置(1)包括：
具有空间上不同的磁周期的第一磁结构(4)和第二磁结构(5)，其中所述第一磁结构(4)安装在所述第一半轴部(2)上，所述第二磁结构(5)安装在所述第二半轴部(3)上，使得由所述第一磁结构(4)和所述第二磁结构(5)产生和/或影响的相应叠加磁场，
相对于所述旋转轴的旋转运动(6)固定安装的至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)，使得由所述第一磁结构(4)和所述第二磁结构(5)产生和/或影响的所述叠加磁场可被至少四个固定传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的每一个检测到，以及
电子评估电路(7)，其被配置成从所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的每一个接收对应于所检测的所述叠加磁场的测量值(q)，以便根据从所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)接收的所述测量值(q)确定所述相对角位置
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述旋转轴包括扭转部分(8)，所述扭转部分将两个半轴部(2，3)弹性地互连以用于扭矩传递。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述评估电路(7)还被配置为根据从所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)接收的所述测量值(q)来确定所述旋转轴相对于预定旋转参考位置的绝对角位置
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，相对于所述旋转轴的旋转运动(6)固定安装的所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)相对于所述旋转运动(6)限定至少一条虚拟感测线(9)，并且其中由所述第一磁结构(4)沿着所述至少一条虚拟感测线(9)产生和/或影响的磁场的傅立叶级数包含至少第一最大谐波，并且由所述第二磁结构(5)沿着所述至少一条虚拟感测线(9)产生和/或影响的磁场的傅立叶级数包含不同于所述第一最大谐波的至少第二最大谐波。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述评估电路(7)还被配置成基于所接收的测量值(q)与预定信号模型矩阵(M)之间的乘积来确定相对角位置或扭矩(T)、或绝对角位置/>所述预定信号模型矩阵(M)分别表示传感器装置(1)对相对角位置/>扭矩(T)和绝对角位置/>的测量过程。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述评估电路(7)还被配置成基于所接收的测量值(q)与预定系数矩阵(E)之间的乘积来确定误差信号(ε)，所述预定系数矩阵表示所述确定的相对角位置或扭矩(T)或绝对角位置/>或其任意组合的误差。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述评估电路(7)还被配置成接收至少五个传感器信号，并通过计算所述传感器信号不受外部磁场影响的子空间来确定所述相对角位置或所述扭矩(T)、或所述绝对角位置/>或其任意组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，五个或六个传感器设置为检测同一空间轴上的所述叠加磁场，或者提供六个或七个传感器设置为检测同一平面内两个不同方向上的所述叠加磁场，或者七个或八个传感器设置为检测三个不同空间方向上的所述叠加磁场。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的至少两个实际上布置在相同的位置或相同的封装中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的至少两个被配置为检测不同方向上的所述叠加磁场。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的至少两个至少部分地被所述磁结构(4、5)围绕或者布置在所述磁结构(4、5)的侧面。
12.一种用于确定旋转轴，特别是旋转电机驱动轴的第一半轴部(2)和第二半轴部(3)之间的相对角位置的方法(11，15)，所述方法包括以下步骤：
提供具有空间上不同的磁周期的第一磁结构(4)和第二磁结构(5)，其中所述第一磁结构(4)安装在所述第一半轴部(2)上，所述第二磁结构(5)安装在所述第二半轴部(3)上，使得由所述第一磁结构(4)和所述第二磁结构(5)产生和/或影响的相应叠加磁场，
提供相对于旋转轴的旋转运动固定安装的至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)，使得由所述第一磁结构(4)和所述第二磁结构(5)产生和/或影响的所述叠加磁场由所述至少四个固定传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的每一个检测，并且
通过电子评估电路(7)，从所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)中的每一个接收对应于所检测的所述叠加磁场的测量值(q)，并且根据从所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)接收的所述测量值(q)确定所述相对角位置
13.根据权利要求12所述的方法，其中，扭矩通过扭转部分(8)在两个所述半轴部(2，3)之间传递，所述扭转部分以弹性方式将所述半轴部(2，3)相互连接。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，相对于所述旋转轴的旋转运动固定安装的所述至少四个传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)被安装成使得它们相对于所述旋转运动限定至少一条虚拟感测线(9)，并且其中由所述第一磁结构(4)沿着所述至少一条虚拟感测线(9)生成的磁场的傅立叶级数包含至少第一最大谐波，并且由所述第二磁结构(5)沿着所述至少一条虚拟感测线(9)生成的磁场的傅立叶级数包含不同于所述第一最大谐波的至少第二最大谐波。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述叠加磁场由所述传感器(HE1、HE2、HE3、HE4)异步检测，产生异步测量值(q)，所述异步测量值(q)在确定相对角位置或(q)扭矩(T)、或(q)绝对角位置/>或其任意组合之前，通过插值计算回到共同的时间点。
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