ES2593853T3 - Sensor de posición magnético angular o lineal que presenta una insensibilidad a los campos exteriores - Google Patents

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ES2593853T3
ES2593853T3 ES08872429.9T ES08872429T ES2593853T3 ES 2593853 T3 ES2593853 T3 ES 2593853T3 ES 08872429 T ES08872429 T ES 08872429T ES 2593853 T3 ES2593853 T3 ES 2593853T3
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Nikola Jerance
Didier Frachon
Richard Arlot
Thierry Dorge
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Abstract

Sensor de posición magnético angular o lineal que incluye un elemento móvil constituido por al menos un imán (1) que presenta una dirección de imantación que varía linealmente siguiendo la dirección de desplazamiento del imán en una superficie definida por dicha dirección de desplazamiento y una dirección normal, al menos cuatro elementos magnetosensibles (2, 3 y 4, 5) y al menos un circuito de tratamiento (6) que suministra una señal función de la posición absoluta del elemento móvil en el que: - un primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) está compuesto de un par de elementos magnetosensibles (2, 3) localizados en el mismo punto, - estando el primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) espacialmente desviado de un segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5), igualmente compuesto de un par de elementos magnetosensibles (4, 5) localizados en el mismo punto, siguiendo la dirección de desplazamiento del imán; - y por que un elemento magnetosensible (3, 5) del primer y del segundo juego de elementos magnetosensibles es adecuado para medir la componente tangencial del campo magnético y un elemento magnetosensible (2, 4) del primer y del segundo juego de elementos magnetosensibles es adecuado para mediar la componente normal del campo magnético caracterizado por que: - el circuito de tratamiento (6) es adecuado para realizar al menos dos combinaciones algebraicas, comprendiendo cada combinación algebraica una componente del primer juego de elementos magnetosensibles y una componente del segundo juego de elementos magnetosensibles, para definir dos señales sinusoidales sustancialmente defasadas eléctricamente en 90º.

Description

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DESCRIPCION
Sensor de posicion magnetico angular o lineal que presenta una insensibilidad a los campos exteriores
La presente invencion se refiere al campo de los sensores de posicion rotativos y lineales magneticos para unos angulos que pueden ir hasta 360°, incluso mas y unos desplazamientos que pueden ir a unos centenares de milfmetros y mas particularmente a los sensores de posicion destinados a la medida de la posicion angular de una columna de direccion para automovil, sin que esta aplicacion se exclusiva.
Los sensores sin contacto que detectan el angulo o un desplazamiento a partir de un campo magnetico tienen numerosas ventajas:
• sin contacto mecanico con la parte movil y, por lo tanto, sin desgaste,
• insensibilidad a la suciedad,
• coste de produccion reducido,
• larga duracion de vida.
Se conoce en el estado de la tecnica la patente europea EP1083406 que describe un sensor rotativo (Figuras 1 y 2), que presenta un iman de manguito y dos elementos magnetosensibles, que miden la componente radial del campo generado por el iman y que lleva a dos senales sinusoidales en cuadratura que sirven despues de decodificacion para detectar la posicion sobre 360 grados.
El inconveniente de esta solucion es su sensibilidad al campo exterior. De hecho, cualquier campo exterior en el plano de las sondas inducira un error importante de no linealidad.
Se conoce en el estado de la tecnica la patente WO07057563 del depositante que describe un sensor de posicion (Figuras 3 y 4) que permite utilizar dos componentes del campo magnetico (radial y tangencial o axial y tangencial) medidas sustancialmente en un solo punto fuera del eje de rotacion de un iman de manguito o disco imantado diametralmente, para conocer su posicion angular incluso si este angulo no corresponde al angulo del campo magnetico. La componente radial y la componente axial del campo magnetico generado por el iman son dos sinusoides que estan en fase, mientras que la componente tangencial es una sinusoide defasada en 90 grados con respecto a las otras dos componentes del campo magnetico (vease Figura 4). Por lo tanto, es posible utilizar un par de componentes del campo magnetico defasadas en 90 grados (tangencial y radial o tangencial y axial) para decodificar el angulo del iman. La decodificacion de la posicion angular del iman a partir de estas dos componentes, cuyas amplitudes son en general diferentes, necesita la normalizacion de las dos componentes utilizadas para poder hacer el calculo del arco tangente con el fin de deducir de ello el angulo. Se conoce igualmente en el estado de la tecnica la patente PCT WO27099238 del depositante que describe un sensor de posicion lineal y rotativo (para unos angulos inferiores a 360°) que utiliza el mismo principio que el sensor 360° descrito anteriormente. Utiliza dos componentes del campo magnetico (normal y tangencial o axial y tangencial) medidas sustancialmente en un mismo punto y generado por un iman plano o con forma de teja cuya direccion de imantacion es variable continuamente a lo largo del desplazamiento.
El inconveniente de estas dos soluciones es la sensibilidad a cualquier campo magnetico exterior. Es posible blindar el sensor, pero esto anade unas piezas suplementarias y aumenta el coste de fabricacion, asf como el espacio necesario del sensor. Es mas, la aplicacion de una ganancia entre las componentes es problematica (ruido de la sonda, deriva de temperatura) y la imantacion diametral (en el caso del sensor 360°) no es comoda y puede provocar unos errores de armonicos. De hecho, los rendimientos (linealidad de la senal de salida) del sensor 360° dependen directamente de la obtencion de una buena imantacion diametral. El campo de imantacion, representado en la figura 5, necesario para imantar diametralmente un iman de manguito se obtiene comodamente con una sencilla bobina recorrida por una corriente. La diferencia de permeabilidad magnetica entre el aire y el material que hay que imantar produce una curvatura de las lfneas de campo, curvatura que sigue la relacion de refraccion en la frontera entre dos medios siguiente:
tan(cf,) _ ftr i tan(a2) jt,2
Esta curvatura se traduce en una imantacion del material que no es diametral y, por lo tanto, en una distorsion de las dos componentes medidas, tales como se representan en la figura 4. Estas dos senales no son dos sinusoides perfectas defasadas en 90°, lo que se traduce durante la decodificacion en una no linealidad muy fuerte como podemos constatarlo en esta misma figura 6 que muestra la senal decodificada a partir de las dos componentes del campo magnetico.
El documento europeo DE102006051720 describe un sensor segun el estado de la tecnica.
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La presente invencion se propone resolver los problemas mencionados mas arriba permitiendo la utilizacion de una combinacion de dos parejas componentes del campo magnetico (normales y tangenciales) medidas en dos puntos desviados espacialmente de manera preferente en un cuarto de periodo.
El periodo para un sensor rotativo es el angulo total del iman.
El periodo para un sensor lineal es su longitud.
Se miden dos componentes en un mismo punto (ffsicamente, consideramos que las medidas se hacen en un mismo punto, si la distancia efectiva entre los puntos de medida de las dos componentes del campo magnetico es inferior a 5 mm) y se miden otras dos componentes en otro punto desviado espacialmente en aproximadamente un cuarto de periodo (Ej.: desvfo de 90° para un sensor 360°). De esta manera, la solucion descrita a continuacion permite disminuir el efecto del campo exterior, compensar una parte de los errores de armonicos debidos a la imantacion y no utilizar mas una ganancia entre las componentes.
Sea:
Bn1 Componente normal en el punto 1 Bt1 Componente tangencial en el punto 1 Bn2 Componente normal en el punto 2 Bt2 Componente tangencial en el punto 2
Sea TETA el angulo de rotacion, y tomando en cuenta el error de armonico 3 (error mayoritario) debido a la imantacion diametral, tenemos:
Bn1 = h1*cos(TETA) + h3*cos(3TETA)
Bt1 = h'1*sen(TETA) + h'3*sen(3TETA)
Si los puntos 1 y 2 estan espacialmente desviados en 90°, entonces
Bn2 = h 1 *cos(TETA+2/PI) + h3*cos(3(TETA+2/PI)) = - h1*sen(TETA) + h3*sen(3TETA) Bt2 = h'1*sen(TETA+2/PI) + h'3*sen(3(TETA+2/PI)) = h'1*cos(TETA) - h'3*cos(3TETA) La presente invencion propone combinar las componentes de dos en dos de la siguiente forma:
Bn=Bn1+Bt2 Bt=Bt1 - Bn2
De esta manera:
Bn = h1*cos(TETA) + h3*sen(3TETA) + h'1*cos(TETA) - h'3*cos(3TETA)
= (h1+ h'1 )*cos(TETA) + (h3 - h'3)*cos(3TETA)
-o
= (h1 + h'1 )*cos(TETA)
Bt = h1*sen(TETA) - h3*sen(3TETA) + h'1*sen(TETA) + h'3*sen(3TETA) = (h1+ h'1)*sen(TETA) + (h'3 - h3)*sen(3TETA)
imagen1
= (h1 + h'1)*sen(TETA)
De esta manera, las dos senales obtenidas son de misma amplitud pero defasadas en 90° y casi perfectamente sinusoidales. De hecho, la combinacion de una componente normal imperfecta (forma triangular debida a un armonico 3) y de una componente tangencial imperfecta (forma rectangular debida a un armonico 3) permite anular o por lo menos disminuir fuertemente este defecto de armonico y obtener dos componentes casi sinusoidales.
Es mas, si (veanse las figuras 13 y 14) tenemos un campo magnetico exterior siguiendo el eje x e y (Bx_ext y
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By_ext), la combinacion de dos en dos de las componentes permite anular el efecto del campo exterior.
De esta manera, si se hace referencia a la posicion 1 del iman de la figura 13, tenemos:
Bn1 = Bn_max - By_ext Bt1 = -Bx_ext Bn2 = -Bx_ext Bt2 = Bt_max + By_ext
Lo que nos da al final:
Bn = Bn1+Bt2=Bn_max+Bt_max Bt = Bt1-Bn2=0
Si se hace referencia a la posicion 2 del iman de la figura 13, ahora tenemos:
Bn1 = 0 - By_ext Bt1 = -Bt_max -Bext Bn2 = Bn_max -Bext Bt2 = By_ext
Lo que nos da:
Bn =Bn1+Bt2=0
Bt =Bt1-Bn2= -Bn_max - Bt_max
Las dos senales obtenidas son bastante de la misma amplitud y el efecto del campo exterior se ha anulado.
Segun un modo de realizacion ventajoso para mejorar la precision de una configuracion de sensor rotativo en el caso en que los armonicos 3 de las componentes normales y tangenciales no son iguales (h'3-h3) t 0. Este modo de realizacion retoma en cualquier punto la descripcion de mas arriba e integra por ello todas las ventajas de esta ultima.
Ademas, aporta como ventaja la compensacion de la totalidad de los defectos de armonicos 3 debidos a los defectos de imantacion relacionados con la geometrfa del iman, con el fin de obtener 2 componentes perfectamente sinusoidales, mediante la utilizacion de una combinacion ingeniosa de 4*2 componentes del campo magnetico (normales y tangenciales) medidas en 2*2 puntos desviados respectivamente de manera espacial en 1/4 de periodo (solucion anterior) y preferentemente en 1/8 de periodo (desvfo de 45° para un sensor 360°) como lo muestra la figura 25.
Sea:
Bn1a Componente normal en el punto 1a Bn1b Componente normal en el punto 1b Bt1a Componente tangencial en el punto 1a Bt1b Componente tangencial en el punto 1b Bn2a Componente normal en el punto 2a Bn2b Componente normal en el punto 2b Bt2a Componente tangencial en el punto 2a Bt2b Componente tangencial en el punto 2b
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La presente solucion propone combinar de 2 en 2 las componentes normales y tangenciales de los dos pares de puntos (a y b) desviados en 1/8 de periodo previamente a las combinaciones descritas anteriormente, solucion que permite eliminar el residual de armonico (h3-h'3) de la siguiente forma:
Bn1= Bn1a + Bn1b
Bt1= Bt1a + Bt1b
Bn2= Bn2a + Bn2b
Bt2= Bt2a + Bt2b
Sea TETA el angulo de rotacion, y como en el desarrollo de la solucion anterior, tomando en cuenta el error de armonico 3 (error mayoritario) debido a la imantacion diametral, obtenemos con (h3-h'3) = 0:
Bn = (h1 + h'1 )*cos(TETA)
Bt = (h1+h'1)*sen(TETA)
Todas las consideraciones con un campo magnetico exterior se quedan sin cambios.
El circuito de tratamiento de senal digital combina las componentes (lo que permite obtener dos sinusoides cuya amplitud es sustancialmente la misma) y efectua las diferentes compensaciones (de offset, de ortogonalidad, de variacion de los parametros de la sonda de temperatura) antes de hacer la division y el calculo de arco tangente. El angulo obtenido esta disponible a la salida del circuito integrado, por ejemplo, con la forma de una tension proporcional a este angulo.
En una configuracion lineal tal como se muestra en las figuras 20 y 21 en que el campo magnetico gira continuamente a lo largo del recorrido del sensor, pueden igualmente combinarse de dos en dos las componentes del campo magnetico para eliminar el campo exterior.
Sea:
Bn1 Componente normal en el punto 1
Bt1 Componente tangencial en el punto 1
Bn2 Componente normal en el punto 2
Bt2 Componente tangencial en el punto 2
X el recorrido del sensor, L el recorrido total del sensor
d la distancia entre el punto 1 y el punto 2 (0<d<L)
Entonces
Bn1= h1*cos(2xL/PI) -By_ext
Bt1= h'1*sen(2xL/PI) + Bx_ext
Bn2= h1*cos(2xL/PI +2dL/PI) -By_ext
Bt2= h'1*sen(2xL/PI +2dL/PI) + Bx_ext
Sea Bn1-Bn2= h1*(cos(2xL/PI) - cos(2xL/PI +2dL/PI))
Bt1-Bt2= h'1*(sen(2xL/PI) - sen(2xL/PI +2dL/Pl)) Bn1-Bn2= h1*(cos2xL/PI - cos(2xL/PI +2dL/PI)) = -2h1*sen(2xL/PI +dL/PI)*sen(-d/L*PI)
= (-2*h1*sen(-d/L*PI))* sen(2xL/PI +dL/PI)
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Constante -A.h1
Bt1-Bt2 = h'1*(sen(2xL/PI) - sen(2xL/PI +2dL/PI)) = 2*h'1*cos(2xL/PI +dL/PI)*sen(-d/L*PI)
= (2h'1*sen(-d/L*PI))* cos(2xL/PI +dL/PI)
Constante A.h'1
Bn1-Bn2 = - Ah1* sen(2xL/PI +dL/PI)
Bt1-Bt2 = Ah'1* cos(2xL/PI +dL/PI)
De esta manera, las dos senales obtenidas son de amplitudes diferentes, pero defasadas en 90°, y perfectamente sinusoidales. La combinacion de dos en dos de las componentes permite eliminar cualquier campo exterior homogeneo sea cual sea su direccion.
La amplitud de las dos senales obtenidas depende de la distancia entre los dos puntos 1 y 2. La amplitud sera maxima si los dos puntos estan espaciados en un semiperiodo (d=L/2) y nula si d=0 o L. Por lo tanto, se dara preferencia a un desvfo entre los dos puntos 1 y 2 correspondiente a aproximadamente 1/4 de periodo que resulta ser un buen compromiso entre la amplitud de las senales obtenidas y el espacio necesario del sensor.
El circuito de tratamiento de senal digital combina las componentes y efectua las diferentes compensaciones (de offset, de ortogonalidad, de variacion de los parametros de la sonda de temperatura) normaliza las senales antes de hacer la division y el calculo de arco tangente. La senal de salida obtenida esta disponible a la salida del circuito integrado, por ejemplo, con la forma de una tension proporcional al recorrido lineal del sensor.
La invencion se comprendera mejor a la vista de las diferentes figuras.
la figura 1 representa una vista de un sensor rotativo de la tecnica anterior que utiliza dos componentes normales de la induccion medida en dos puntos espacialmente desviados en 90°,
la figura 2 muestra las dos componentes normales de la induccion magnetica de una solucion de la tecnica anterior,
la figura 3 representa una vista de un sensor rotativo de la tecnica anterior que utiliza una componente normal y tangencial de la induccion,
la figura 4 representa la componente normal y tangencial de la induccion magnetica en un mismo punto de una solucion de la tecnica anterior,
la figura 5 representa las lfneas de campo en el interior del iman durante la imantacion para un material con una permeabilidad relativa (pr) igual a 1,2,
la figura 6 representa las componentes normal y tangencial de la induccion magnetica asf como la no linealidad
de la senal medidas en un iman de manguito circular isotropo imantado “diametralmente”,
la figura 7 representa una vista general de la presente invencion con las dos sondas bidireccionales 31 y 32,
la figura 8 representa una vista en 3D de la presente invencion con las dos sondas bidireccionales 31 y 32,
la figura 9 representa unicamente las componentes normal y tangencial de la induccion magnetica de la sonda
31,
la figura 10 representa la no linealidad de la senal medida por la sonda 31 en un iman de manguito circular isotropo imantado “diametralmente”,
la figura 11 representa dos senales sinusoidales obtenidas a partir de la combinacion de dos en dos de las
componentes normales y tangenciales de la induccion magnetica medidas por las sondas 31 y 32,
la figura 12 representa la no linealidad obtenida a partir de las senales de la figura 11,
la figura 13 representa dos posiciones angulares del iman en presencia de un campo magnetico exterior,
la figura 14 representa una vista de la invencion y una bobina excitadora que crea un campo magnetico exterior,
la figura 15 representa las dos componentes normales y tangenciales de las sondas 31 y 32 bajo el efecto de un
campo exterior tal como se define en la figura 14,
la figura 16 representa la no linealidad de la senal medida por la sonda 31 en un iman de manguito circular isotropo imantado “diametralmente” bajo el efecto del campo exterior,
la figura 17 representa la no linealidad de la senal medida por la sonda 32 en un iman de manguito circular isotropo imantado “diametralmente” bajo el efecto del campo exterior,
la figura 18 representa la no linealidad de la senal obtenida mediante combinacion de dos en dos de las componentes normales y tangenciales medidas por las sondas 31 y 32,
la figura 19 representa una vista general de la presente invencion aplicada a un sensor lineal con las dos sondas bidireccionales 31 y 32,
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la figura 20 representa una vista de lado de la presente invencion con las dos sondas bidireccionales 31 y 32, la figura 21 representa una vista de lado de la presente invencion con las dos sondas bidireccionales 31 y 32 en presencia de campos exteriores,
la figura 22 representa una vista general de la presente invencion aplicada a un sensor rotativo de pequeno angulo con las dos sondas bidireccionales 31 y 32,
la figura 23 muestra las dos componentes normales y tangenciales de las sondas 31 y 32 desviadas espacialmente en 1/4 de periodo,
la figura 24 muestra las dos senales sinusoidales que resultan de la combinacion de dos en dos de las cuatro senales anteriores y la senal de salida obtenida al final,
la figura 25 representa una vista general de la presente invencion con las 2 sondas bidireccionales 31a y 32a asociadas a otras 2 sondas bidireccionales 31b y 32b,
la figura 26 representa una no linealidad de la senal simulada de la presente invencion y su posible mejora gracias a la optimizacion propuesta con la ayuda de otras 2 sondas bidireccionales 31b y 32b.
Las figuras 1 y 2 representan una solucion de la tecnica anterior sensible al campo exterior. En la figura, tenemos un iman permanente de maguito imantado sustancialmente de manera diametral (1); este iman genera en cualquier punto del espacio un campo magnetico cuyas componentes normales se miden por dos elementos magnetosensibles 21 y 22 espacialmente desviados en 90° cuyas senales se tratan a continuacion para decodificar el angulo asf como para normalizar las dos componentes con el fin de sacar una senal electrica proporcional a la posicion angular del iman.
En las figuras 3 y 4 se muestra otra solucion de la tecnica anterior sensible al campo exterior y al defecto de imantacion diametral. Esta solucion consiste en un iman permanente de manguito imantado sustancialmente de manera diametral (1), este iman genera un cualquier punto del espacio un campo magnetico cuyas componentes normal o axial y tangencial se miden por dos elementos magnetosensibles situados en un mismo punto cuyas senales se tratan a continuacion mediante un elemento de tratamiento que realiza la decodificacion asf como la normalizacion de las dos componentes con el fin de sacar una senal electrica proporcional a la posicion angular del iman.
La figura 5 muestra las lfneas de campo, durante la imantacion, en el interior y en el exterior de un iman de manguito con una permeabilidad relativa igual a 1,2. Las lfneas de campo experimentan una deformacion durante la travesfa del iman, deformacion debida a la diferencia de permeabilidad relativa entre el aire (pr=1) y el iman (pr=1,2 en el caso presente). Por lo tanto, esta desviacion de las lfneas de campo se traduce en una mala imantacion diametral del iman.
La figura 6 muestra las componentes normal y tangencial no perfectamente sinusoidales debidas a la mala imantacion diametral y la no linealidad obtenida a partir de estas senales.
Las figuras 7 y 8 muestran unas vistas de la presente invencion. Esta solucion consiste en un iman permanente de manguito imantado sustancialmente de manera diametral (1), este iman genera en cualquier punto del espacio un campo magnetico cuyas componentes normales o axiales y tangenciales se miden por cuatro elementos magnetosensibles. Dos elementos magnetosensibles estan situados en un solo punto y ventajosamente integrado en una misma carcasa (31) y los otros dos elementos magnetosensibles estan situados en un mismo punto ventajosamente integrado en una misma carcasa (32) que esta espacialmente desviada en 90° de la carcasa (31). Las cuatro senales se combinan a continuacion de dos en dos para anular el efecto de un campo exterior y los errores debidos a una imantacion diametral con el fin de sacar una senal electrica perfectamente proporcional a la posicion angular del iman. El circuito de tratamiento de la senal puede estar integrado en una de las carcasas (31) o (32), o en las dos por una cuestion de redundancia, o bien puede estar realizado en el exterior de las carcasas (31) y (32).
Las figuras 9 y 10 muestran la medida de dos componentes normal y tangencial generadas en un solo punto por un iman diametral y el error obtenido utilizando unicamente una sola sonda (31).
La figura 11 muestra la combinacion de dos en dos de las cuatro senales medidas por los 4 elementos magnetosensibles integrados en las carcasas (31) y (32). Se obtienen dos senales perfectamente sinusoidales y de mima amplitud sumando la componente normal medida por (31) y la componente tangencial medida por (32) y restando la componente normal medida por (32) a la componente tangencial medida por (31).
La figura 12 muestra el angulo de salida decodificado a partir de las dos senales sinusoidales de la figura 11 y la no linealidad obtenida de esta manera. De esta manera, el error obtenido combinando 4 componentes permite eliminar los errores debidos a la imantacion diametral.
Las figuras 13 y 14 muestran la presente invencion con la presencia de un campo magnetico exterior. La figura 13 presenta dos posiciones diferentes del iman (1) bajo el efecto de un campo exterior homogeneo Bext. El campo exterior es en este caso horizontal y perturba la componente tangencial de la sonda (31) y la componente normal de
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la sonda (32). La figura 14 es una vista de la presente invencion con una bobina (4) que genera un campo magnetico perturbador. La fuente de generacion del campo exterior podna muy bien ser un iman en lugar de la bobina.
La figura 15 muestra una medida de las dos componentes normales y de las dos componentes tangenciales medidas por los elementos magnetosensibles de las sondas (31) y (32) en presencia de un campo exterior como se presenta en las dos figuras anteriores. De esta manera, puede constatarse que la componente normal de la sonda (32) y la componente tangencial de la sonda (31) estan efectivamente afectadas.
Las figuras 16 y 17 muestran respectivamente la senal de salida de las carcasas (31) y (32), asf como la no linealidad de estas dos senales bajo el efecto del campo exterior definido en las figuras anteriores. De esta manera, se aprecia que la senal de salida de la carcasa (31) no es del todo lineal por causa del campo exterior que modifica su componente tangencial y que la senal de salida de la carcasa (32) es igualmente no lineal por el hecho de la modificacion de su componente normal debida al campo exterior generado por la bobina.
La figura 18 muestra el resultado obtenido mediante la presente invencion. Presenta las dos senales obtenidas despues de combinacion de las 4 senales medidas por (31) y (32) (Bn1+Bt2, Bt1-Bn2), la senal de salida despues del calculo del arco tangente de (Bn1+Bt2)/Bt1-Bn2) y la no linealidad de esta senal. De esta manera, la presente invencion permite a pesar de la presencia de un campo exterior tener un sensor que todavfa es lineal contrariamente a las soluciones de la tecnica anterior.
Las figuras 19 y 20 muestran dos vistas de la presente invencion aplicada a un sensor lineal. Estas figuras representan un iman (1) de longitud L que tiene una imantacion, representada por el vector M, cuya direccion vana linealmente siguiendo la longitud del iman en un plano definido por la direccion de desplazamiento X y una normal a esta direccion. Las dos sondas (31) y (32) miden cada una la componente normal y la componente tangencial del campo magnetico generado por el iman (1). Las dos sondas estan espacialmente espaciadas en unos cuantos milfmetros.
La figura 21 retoma la vista de la figura 20 con la presencia de un campo magnetico exterior Bn_ext + Bt_ext que se anade a la medida del campo magnetico generado por el iman. La presente invencion realizando la resta de las dos componentes normales de (31) y (32) (Bn1-Bn2) y la resta de las componentes tangenciales de (31) y (32) (Bt1-Bt2) permite anular esta perturbacion exterior y tratar solo unas senales que provienen del campo magnetico generado por el iman (1).
La figura 22 muestra una vista de la presente invencion aplicada a un sensor rotativo de pequeno angulo con la presencia de un campo magnetico exterior B_ext que se anade a la medida del campo magnetico generado por el iman. La presente invencion realizando la resta de las dos componentes normales de (31) y (32) (Bn1-Bn2) y la resta de las dos componentes tangenciales de (31) y (32) (Bt1-Bt2) permite anular esta perturbacion exterior y tratar solo unas senales que provienen del campo magnetico generado por el iman (1).
La figura 23 muestra las dos componentes normales y las dos componentes tangenciales medidas por los elementos magnetosensibles de las sondas (31) y (32). En este caso, las sondas (31) y (32) estan espacialmente desviadas en un cuarto de periodo.
La figura 24 muestra el resultado obtenido mediante la presente invencion. Presenta las dos senales obtenidas despues de combinacion de las 4 senales medidas por (31) y (32) y normalizacion de estas senales (Bn1-Bn2, Ganancia*(Bt1-Bt2)) y presenta la senal de salida despues del calculo del arco tangente de (Bn1- Bn2)/(Ganancia*(Bt1-Bt2)).
La figura 25 representa un modo de realizacion optimizado de la presente invencion para obtener un sensor de muy alta precision.
Esta solucion consiste en un iman permanente de manguito imantado sustancialmente de manera diametral 1, este iman 1 genera en cualquier punto del espacio un campo magnetico cuyas componentes normales o axiales y tangenciales se miden por ocho elementos magnetosensibles. Dos elementos magnetosensibles estan situados en un solo punto y ventajosamente integrado en una misma carcasa 31a y los otros dos elementos magnetosensibles estan situados en un mismo punto ventajosamente integrado en una misma carcasa 32a que esta espacialmente desviada en 90° de la carcasa 31a. Otros dos elementos magnetosensibles estan situados en un solo punto y ventajosamente integrado en una misma carcasa 31b y los otros dos elementos magnetosensibles estan situados en un mismo punto ventajosamente integrado en una misma carcasa 32b, las dos carcasas 31b y 32b espacialmente desviadas entre sf en 90° estan espacialmente desviadas ambas dos en 45° de las primeras carcasas en cuadratura 31a y 32a. Las 8 senales se suman a continuacion de 2 en 2 para anular uno de los errores debidos a una imantacion diametral. Las 4 senales que resultan se combinan a continuacion de 2 en 2 para anular el efecto de un campo exterior y los errores debidos a una imantacion diametral con el fin de sacar una senal electrica perfectamente proporcional a la posicion angular del iman. El circuito de tratamiento de la senal puede estar integrado en una de las carcasas, o en las cuatro por una cuestion de redundancia, o bien puede estar realizado en el exterior de las carcasas.
La figura 26 representa comparativamente la mejora posible del error de linealidad (en porcentaje de 360° en funcion del recorrido en grado) obtenida por la agregacion de 4 elementos magnetosensibles (carcasas 31b y 32b) acertadamente posicionados para corregir el error de imantacion relacionado con la geometrfa del iman 1.
5 De esta figura se desprende que la senal A que resulta de los modos de realizacion anteriores puede no ser totalmente lineal segun las condiciones de imantacion, las dimensiones del iman y su naturaleza, por la introduccion principalmente de un armonico 3 no completamente compensado (conmutado en H4 por la funcion arco tangente). En cambio, la senal B que resulta del modo de realizacion representado por la figura 25 permite mejorar, incluso anular, estos defectos de linealidad.
10

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Sensor de posicion magnetico angular o lineal que incluye un elemento movil constituido por al menos un iman (1) que presenta una direccion de imantacion que vana linealmente siguiendo la direccion de desplazamiento del iman en una superficie definida por dicha direccion de desplazamiento y una direccion normal, al menos cuatro elementos magnetosensibles (2, 3 y 4, 5) y al menos un circuito de tratamiento (6) que suministra una senal funcion de la posicion absoluta del elemento movil en el que:
    - un primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) esta compuesto de un par de elementos magnetosensibles (2, 3) localizados en el mismo punto,
    - estando el primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) espacialmente desviado de un segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5), igualmente compuesto de un par de elementos magnetosensibles (4, 5) localizados en el mismo punto, siguiendo la direccion de desplazamiento del iman;
    - y por que un elemento magnetosensible (3, 5) del primer y del segundo juego de elementos magnetosensibles es adecuado para medir la componente tangencial del campo magnetico y un elemento magnetosensible (2, 4) del primer y del segundo juego de elementos magnetosensibles es adecuado para mediar la componente normal del campo magnetico
    caracterizado por que:
    - el circuito de tratamiento (6) es adecuado para realizar al menos dos combinaciones algebraicas, comprendiendo cada combinacion algebraica una componente del primer juego de elementos magnetosensibles y una componente del segundo juego de elementos magnetosensibles, para definir dos senales sinusoidales sustancialmente defasadas electricamente en 90°.
  2. 2. Sensor de posicion magnetico segun la reivindicacion anterior, caracterizado por que el circuito de tratamiento de la senal (6) es adecuado para realizar una amplificacion, una suma o una resta de las componentes del campo magnetico generado por el iman (1).
  3. 3. Sensor de posicion angular segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) y el segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5) estan desviados espacialmente en un cuarto de periodo siguiendo el eje de rotacion y por que el circuito de tratamiento de la senal (6) es adecuado para combinar las senales (B2, B3, B4, B5) procedentes de los elementos magnetosensibles (2, 3,
  4. 4. 5) de la siguiente forma:
    Atan((B2+B5)/(B3-B4))
    donde:
    - B2 corresponde a la componente normal medida por un elemento magnetosensible (2) que pertenece al primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3);
    - B3 corresponde a la componente tangencial medida por un elemento (3) que pertenece al primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3);
    - B4 corresponde a la componente normal medida por un elemento magnetosensible (4) que pertenece al segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5);
    - B5 corresponde a la componente tangencial medida por un elemento (5) que pertenece al segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5).
  5. 4. Sensor de posicion lineal segun la reivindicacion 2, caracterizado por que el primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) y el segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5) estan desviados espacialmente en mas de un decimosexto de periodo y en menos de un 15/16° de periodo siguiendo el eje de traslacion de la parte movil y por que el circuito de tratamiento de la senal (6) es adecuado para combinar las senales (B2, B3, B4, B5) procedentes de los elementos magnetosensibles (2, 3, 4, 5) de la siguiente forma:
    Atan((B2-B4)/Ganancia*(B3-B5))
    donde:
    - B2 corresponde a la componente normal medida por un elemento magnetosensible (2) que pertenece al primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3);
    - B3 corresponde a la componente tangencial medida por un elemento (3) que pertenece al primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3);
    - B4 corresponde a la componente normal medida por un elemento magnetosensible (4) que pertenece al segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5);
    - B5 corresponde a la componente tangencial medida por un elemento (5) que pertenece al segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5);
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    - Ganancia corresponde a una normalizacion de las senales (B2-B4) y (B3-B5) ajustando la amplitud de la senal (B3-B5) con el fin de obtener dos senales (B2-B4) y (B3-B5) defasadas en 90° de misma amplitud.
  6. 5. Sensor de posicion magnetico segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el primer juego de elementos magnetosensibles (2, 3) esta integrado en una sola y misma carcasa (31) y por que el segundo juego de elementos magnetosensibles (4, 5) esta integrado en una sola carcasa (32).
  7. 6. Sensor de posicion magnetico segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el iman permanente (1) es un cilindro hueco, con forma de teja o un iman plano.
  8. 7. Sensor de posicion magnetico segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos magnetosensibles estan localizados sustancialmente en el plano mediano del iman, siendo este plano mediano perpendicular al eje de rotacion del iman (1).
  9. 8. Sensor de posicion magnetico segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el iman permanente (1) esta pegado sobre un arbol que gira o que se traslada cuya posicion hay que medir.
  10. 9. Sensor de posicion magnetico segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el iman permanente (1) esta pegado sobre una culata ferromagnetica.
  11. 10. Sensor de posicion angular segun las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el iman presenta una imantacion gradual sinusoidal a lo largo del iman.
  12. 11. Sensor de posicion angular segun una de las reivindicaciones anteriores que incluye:
    - un tercer juego y un cuarto juego de elementos magnetosensibles espacialmente desviados del juego primero y del juego segundo de elementos magnetosensibles,
    - estando el juego tercero y el juego cuarto de elementos magnetosensibles compuestos cada uno de un par de elementos magnetosensibles localizados en el mismo punto,
    - siendo un elemento magnetosensible del tercer juego y del cuarto juego de elementos magnetosensibles adecuado para medir la componente tangencial del campo magnetico y siendo un elemento magnetosensible del tercer juego y del cuarto juego de elementos magnetosensibles adecuado para medir la componente normal del campo magnetico,
    - siendo el circuito de tratamiento adecuado, antes de realizar las combinaciones algebraicas, para sumar respectivamente las componentes normales del primer juego y del tercer juego de elementos magnetosensibles y las componentes tangenciales del primer juego y del tercer juego de elementos magnetosensibles, asf como para sumar respectivamente las componentes normales del segundo juego y del cuarto juego de elementos magnetosensibles y las componentes tangenciales del segundo juego y del cuarto juego de elementos magnetosensibles.
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