TW201531726A - 在具有偏移斜率適應之霍爾感測器中磁控制場之溫度補償方法 - Google Patents

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TW201531726A TW103137648A TW103137648A TW201531726A TW 201531726 A TW201531726 A TW 201531726A TW 103137648 A TW103137648 A TW 103137648A TW 103137648 A TW103137648 A TW 103137648A TW 201531726 A TW201531726 A TW 201531726A
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Abstract

本發明關於一種用於偵測一磁場源相對於一磁場感測器之一相對位置的量測方法。該磁場感測器偵測所產生之磁場的至少兩個磁場分量。本發明進一步亦關於一對應之位移感測器。根據本發明，基於該等所偵測之磁場分量與一偏移校正之一商數，建立對應於該磁場源相對於該磁場感測器之該位置之一輸出信號，其中在建立該輸出信號之前，補償對該所產生之磁場的溫度效應。

Description

在具有偏移斜率適應之霍爾感測器中磁控制場之溫度補償方法
本發明關於一種用於偵測一磁場源相對於一磁場感測器之一相對位置的量測方法。藉由磁場感測器偵測磁場之至少兩個磁場分量。本發明進一步關於一對應之位移感測器。
藉由根據本發明之方法，特定而言旨在補償基於霍爾效應之磁控制場對一磁感測器的輸出信號之熱致變動效應，自兩個所偵測之磁場分量與一偏移斜率適應(OS適應)之一商數建立該輸出信號。
三維(3D)霍爾感測器之量測原理基於在三個空間方向上建立磁通量密度向量B之分量。如在圖1中所繪示，一磁場源102(例如，一永久磁鐵)與以一固定方式配置之一3D霍爾感測器100平行而移動。偵測通量密度B在移動方向104上延伸之分量Bz及與分量Bz垂直的分量By及Bx(未在圖1中繪示分量Bx)。若3D霍爾感測器100相對於永久磁鐵102以一合適之方式定向，則僅需偵測兩個空間方向，此係因為磁場未給第三空間方向做出任意場貢獻且因此為零。如在圖1中所繪示，接著將評估簡化為通量密度分量By及Bz。
圖2展示根據永久磁鐵102在移動方向104上之位置之所偵測通量密度By及Bz的一曲線進展，該移動方向在圖1中指示為Z軸。圖1及圖2中之位置z=0對應於在霍爾感測器100及永久磁鐵102相對移動期間其等之間的間隔達到最小間隔值d的永久磁鐵102之位置。在永久磁鐵 102精確定位於霍爾感測器100前方時達成間隔d。
參考通量密度分量Bz及By之值，可根據下列方程式計算磁通量密度B的值|B|及徑向分量By與通量密度B之向量之間的角α：
在圖3及圖4中說明歸因於方程式(1)及(2)及在圖1中所繪示之關於分量By及Bz之值的值|B|及角α之計算結果。
可根據方程式(2)計算之角α大體上用作一量測信號。特定言之，線性化角α之結果以使其可用作一位移比例輸出信號OUT。在圖5中說明此輸出信號之一實例為根據位置z之一百分比信號。
因為一磁鐵之磁控制場可隨溫度範圍改變(例如，現今習知在汽車工業中自-40℃至150℃改變多達30%)，所以使用具有根據方程式(2)之內部反正切計算的3D霍爾感測器係一顯著優勢，歸因於其溫度相對於磁場之獨立性。
作為來方程式(1)及(2)之結果，將一控制磁鐵之與溫度相關的磁場變動相似地插入所量測之通量密度值By及Bz中。特定言之，方程式(2)導致角α與溫度無關之一結果，此係因為在比率計算Bz(T)比By(T)中縮減通量密度變動，如在方程式(3)中所說明： 其中km(T)係磁場之一溫度因數，且Bz及By對應於針對一預定參考溫度(例如，20℃)建立於3D霍爾感測器中且在Z方向及Y方向上之通量密度。
因此，作為在方程式(3)中縮減之一結果，控制磁鐵之熱致磁場變動不對角值α的結果具有任何影響。
已公開之歐洲專利申請案EP 2159546 A2揭示一種用於偵測一霍 爾感測器與一永久磁鐵之間之線性相對移動的量測方法，該霍爾感測器偵測兩個互相垂直的磁場分量(R、A)。霍爾感測器之輸出信號根據關係y=a+b．R/f．(c．Rn+d．An)形成一準線性位置量測曲線U=f(y)，其中R係徑向場分量，A係軸向場分量，U係量測電壓且a、b、c、d及n係常數因數。在此方法中，(例如)藉由一溫度感測器可動態地將因數b調適為一定標因數，使得可達成對於永久磁鐵之溫度係數的補償。
然而，上述之習知2D及3D霍爾感測器及量測方法具有下列缺點：其等以一非常敏感之方式對控制磁鐵與霍爾感測器之間之間隔中的變動做出反應。(例如)因為機械振動或甚至熱致材料膨脹之間隔中的變動可顯著影響霍爾感測器之量測的精確度。
如在已公開之德國專利申請案DE 10 2011 115 302 A1中所描述，為克服在習知量測方法中永久磁場與3D霍爾感測器之間之間隔d對角α的效應，或至少最小化該等效應，發展具有偏移斜率適應(OS適應)之一量測方法及一對應之位移感測器。
相較於具有內部反正切計算之習知3D霍爾感測器，具有OS適應之一2D或3D霍爾感測器使用一不同的計算方法，所偵測之磁場分量Bz比By的直接商數不用於計算量測信號或角α，而是在商數形成之前，藉由一常數偏移值來校正在移動方向上延伸的磁場分量Bz。偏移值OS導致針對永久磁鐵102與霍爾感測器100之間之不同間隔d(針對z=0mm)之角α之曲線之一斜率同化。根據下列方程式來建立角α之校正值： 為獲得針對OS適應之一足夠效應，大體上將偏移值OS界定於磁場分量Bz值之自20%至60%。可藉由DE 10 2011 115 302 A1中描述之方法 之一者來建立OS值。因此，在此實例中省略一詳細描述。
然而，使用具有OS適應之評估方法可藉由一控制磁鐵之磁場導致對反正切計算之溫度表現的一負面影響。儘管針對磁場溫度T之所偵測的磁場分量Bz及By的值被控制磁鐵之相同熱變動影響，然而由縮減根據方程式(4)之具有OS適應的商數計算不再提供溫度補償。
取決於在方程式(4)中之個別項的關係，產生高達12%之一與溫度相關之額外誤差，此對於3D霍爾感測器之量測精確度而言係不可接受的。
因此，為能夠完整利用具有OS適應之評估表現，絕對需要磁控制場對磁感測器之量測信號之溫度效應的一補償。
因此，本發明之一目標係改良已提及之類型的一量測方法及一位移感測器使得藉由盡可能大之一溫度範圍產生一與溫度無關之量測信號。此外，磁場源與磁場感測器之間的一間隔變動應盡可能不影響該量測信號。
此目標由獨立專利請求項之標的達成。附屬請求項關於根據本發明之方法及位移感測器之有利發展。
本發明基於下列構想：不直接將所量測之場分量用於反正切計算而是補償控制磁鐵對所偵測之磁場分量的值之溫度效應且將OS適應方法應用至經溫度補償之磁場分量。
下文最初參考圖1至圖6將更詳細地解釋本發明。出於簡易之目的，下文僅將磁通量密度稱為磁場。
圖1中展示根據本發明之一位移感測器配置。一磁場感測器(例如，一3D霍爾感測器100)經安裝以固定於位置中，然而一永久磁鐵102經配置以可相對於霍爾感測器100線性移動。永久磁鐵102具有使得其之北/南軸線平行於移動方向104定向之此等極。然而，原則上， 亦可將本發明之原理應用至其中永久磁鐵102具有使得其之北/南軸線相對於移動方向橫向延伸之此等極的配置。可使永久磁鐵102在兩個方向上自圖1中所展示之零位置位移(例如)大約30mm。霍爾感測器100偵測至少兩個正交磁場分量-一者沿著移動線延伸且一者相對於其橫向延伸。將角α界定為由總磁場向量B及移動方向104之垂線所圍封之角。
如已提及，在既有之具有OS適應的量測方法中，根據方程式(4)自分別沿著及橫向於移動方向偵測的磁場分量Bz及By計算角αOS： 根據本發明，根據方程式(4)之兩個偵測的分量Bz與By的商數的反正切不被用作量測信號，而是在建立輸出信號之前補償永久磁鐵102對所產生之分量Bz及By之值的溫度效應。
在一第一實施例中，基於一與溫度相關之溫度補償因數kc(T)建立針對永久磁鐵102之一給定溫度T之由磁場感測器100量測之磁場分量Bz(T)及By(T)的溫度補償值。宜產生下列方程式(5)用於計算具有溫度補償之角αOS_TK： 其中，使所量測之磁場分量Bz(T)及By(T)乘以溫度補償因數kc(T)。
接著將OS適應應用至磁場分量之經溫度補償值kc(T)×Bz(T)。如在方程式(5)中所說明，可藉由加上一常數偏移值OS來校正經補償磁場分量kc(T)×Bz(T)。
可藉由在專利申請案DE 10 2011 115 302 A1中所描述之具有OS適應之方法之一者來建立偏移值OS。例如，可藉由下列步驟，針對磁場源102之一預定參考溫度建立偏移值：針對磁場源102在移動方向上之大量位置，建立磁場分量之一曲線；計算相對於磁場源102之位 置之曲線之一二階導數；建立該二階導數之一零位置；及自磁場源102與磁場感測器100之間之最小間隔的位置上的函數值減去在零定位上之曲線的函數值，以計算偏移校正值。
如下文所描述，調適溫度補償因數kc(T)以補償磁場之熱致變動。市面上有售之磁鐵的磁場溫度表現嚴格取決於材料且因此可相對容易予以描述。通常，藉由材料之一溫度係數TKmagnet描述磁鐵之溫度表現。溫度係數TKmagnet描述根據溫度相對於一固定參考溫度之改變的磁通量密度值之相對改變。因此，若溫度增加100℃(或絕對溫度)，則-0.1%/℃之一溫度係數TKmagnet對應於磁通量密度B之10%之一減少。
亦可藉由下列永久磁鐵102之溫度係數TKmagnet及溫度T的線性函數表達與溫度相關之磁場因數km(T)： 其中使用20℃之一參考溫度。
包括NdFeB材料之磁鐵具有(例如)通常TKmagnet=-0.11%/℃之一溫度係數。針對包括此等材料之一控制磁鐵，函數(6)導致(例如)下列與溫度相關之磁場因數值：
溫度T：磁場因數km(T)：
-40℃ km(-40℃)=1.066
+20℃ km(20℃)=1.0
+120℃ km(120℃)=0.89
如在圖6中針對自-40℃至+140℃之一溫度範圍所說明，函數(6)導致磁場隨溫度之一標準化磁場損失B(T)/B(20℃)=km(T)。
若3D霍爾感測器100已知磁鐵之溫度資訊或其可自另一定位(例如，3D霍爾感測器100中之內部溫度量測)存取該資訊且亦已知採取溫 度係數TKmagnet形式之控制磁鐵之磁性質，則可藉由一擴展計算補償與溫度相關之磁場變動。
此藉由基於額外補償因數kc(T)之磁控制場之溫度因數km(T)的一與溫度相關之所計算之減少或增加而達成。理想地，達成下列補償結果：km(T)×kc(T)=1 (7)
方程式(7)接著針對補償因數kc(T)產生下列關係：
圖6展示根據永久磁鐵102之溫度之磁場因數km(T)的特性線108及溫度補償因數kc(T)的特性線110之進展。補償要求(7)在圖6中標識為112。
為能夠週期性計算3D霍爾感測器100中之補償因數kc(T)，所使用之控制磁鐵102之溫度係數TKmagnet需經傳送至3D霍爾感測器100或相應地需儲存於感測器100中用於計算。可建立磁鐵102之溫度資訊，例如直接建立於控制磁鐵102外部或其封閉環境中，且經由一通信連接使其為3D霍爾感測器100可取得。替代地，可相對於預期之磁鐵102之溫度使用且視情況調適3D霍爾感測器100中之內部溫度資訊。
圖6僅係計算之一變形。然而，存在用於磁控制場之與溫度相關之補償的其他計算方法。
本文實質上旨在表達使用根據要求(7)之校正與溫度相關之磁控制場的一計算方法。
可如下列般指示根據方程式(5)之溫度補償效應。若藉由磁場因數將所量測之磁場分量Bz(T)及By(T)的值表達為Bz(T)=km(T)×Bz或By(T)=km(T)×By，則自方程式(5)理想地產生溫度因數km(T)之一縮減，如在下列方程式中所說明：
Bz及By係針對預定參考溫度之磁場分量值且因此與溫度無關。針對根據關係(8)之一溫度補償因數kc(T)，參考溫度對應於20℃。
關係km(T)×kc(T)=1針對具有OS適應及溫度補償之角αOS_TK的計算產生下列：
在基於具有OS適應之一反正切計算的一量測方法中，溫度補償因數kc(T)接著導致控制磁鐵102對所偵測之磁場分量的值之溫度效應的一縮減。
接著可自根據方程式(10)之角αOS_TK之結果建立一與溫度無關之輸出信號OUT，其進一步僅被磁場源102與磁場感測器100之間的一可能間隔變動少量影響。
就形式而言，方程式(11)再次對應於具有OS適應之一3D霍爾感測器之角計算的原始方程式，現補償與溫度相關之磁場變動。
溫度補償之進一步規格可藉由採取一線方程式之形式或採取校正表之形式描述且(例如)儲存於3D霍爾感測器中用於計算的磁鐵102之完整溫度表現透過一更複雜類型之溫度補償因數kc(T)達成。
例如，可基於一溫度補償檔案建立針對磁場源102之一給定溫度T之溫度補償因數kc(T)的值，補償檔案含有大量磁場源102之溫度及大量磁場因數km(T)或溫度補償因數kc(T)的對應值。
在一第二實施例中，可藉由一替代計算實施對具有OS適應之一霍爾感測器中所偵測之磁場分量的溫度效應之補償，藉由一與溫度相關之偏移校正而非藉由自所量測之磁場分量Bz(T)及By(T)建立溫度補償值補償溫度效應。可基於與溫度相關之溫度補償因數kc(T)建立經補償偏移值OS(T)，使OS適應之常數偏移值乘以一因數1/kc(T)。接 著自下列方程式建立具有溫度補償及OS適應之角αOS_TK：
在第二實施例中，亦使用根據要求(7)校正與溫度相關之磁控制場的一計算方法。如在第一實施例中，針對具有OS適應及溫度補償之角計算自此得出下列：
在兩個實施例中，在反正切計算之前藉由一溫度補償因數kc(T)補償商數項。因為根據本發明之計算係一相對簡單之計算運算，所以可以一極簡單之方式在具有OS適應之一2D或3D霍爾感測器中實施磁控制場之溫度補償方法且可改良一般類型之一位移感測器的精確度。
此外，已可在已經具備一整合微處理器之一二維或三維霍爾感測器中的感測器中實施根據本發明之計算。接著感測器可直接輸出獨立於控制磁鐵溫度之一線性位移量測信號。替代地，隨後可由以一數位或類比方式運作之一外部類比或數位計算單元或一處理器進行評估。
自然地，亦可將根據本發明之原理傳遞至其他磁場源，例如電磁鐵，且至其他磁場感測器，諸如磁阻感測器或電感感測器。此外，可替代一二維或三維霍爾感測器使用兩個或三個個別感測器用於偵測不同場分量。
100‧‧‧霍爾感測器
102‧‧‧永久磁鐵
104‧‧‧永久磁鐵之移動方向
106‧‧‧磁場向量B之方向
108‧‧‧曲線km(T)
110‧‧‧曲線kc(T)
112‧‧‧曲線km(T)x kc(T)=1
為更好瞭解本發明，參考隨附圖式中所繪示之實施例更詳細地解釋本發明。使用相同參考數字及相同組件標識指代相同組件。此外，來自所展示及所描述之不同實施例的一些特徵或特徵組合亦可係獨立解決方案、發明解決方案或根據本發明之解決方案本身。在圖式中： 圖1展示根據本發明之其信號可經評估的一位移感測器；圖2展示根據永久磁鐵在線性移動方向上之位置z，藉由根據圖1之位移感測器偵測的磁場分量By及Bz在y方向及z方向上之路徑；圖3展示根據永久磁鐵之位置的磁場或磁通量密度B之值|B|之路徑，其自圖2中所繪示之磁場分量By及Bz與方程式(2)計算；圖4展示作為永久磁鐵在線性移動方向Z上之位置之一函數的角α及自角α計算的經線性化之角α_lin之路徑；圖5展示當使用偏移斜率適應時根據圖1之位移感測器之特性線的路徑；圖6展示作為溫度之一函數的根據本發明之磁場源材料之磁場因數km(T)的特性線、溫度補償因數kc(T)的特性線及溫度因數km(T)與溫度補償因數kc(T)之間的關係之路徑。
100‧‧‧霍爾感測器
102‧‧‧永久磁鐵
104‧‧‧永久磁鐵之移動方向
106‧‧‧磁場向量B之方向

Claims (15)

  1. 一種用於自由一磁場感測器(100)所偵測之至少兩個磁場分量偵測產生一磁場之一磁場源(102)相對於該磁場感測器(100)之一相對位置的量測方法，其中該方法包括下列步驟：基於該兩個磁場分量及一偏移校正之一商數，建立對應於該磁場源(102)之該相對位置之一輸出信號；在建立該輸出信號之前，補償對該等所偵測之磁場分量之一溫度效應。
  2. 如請求項1之方法，其中該方法包括：偵測在介於該磁場源(102)與該磁場感測器(100)之間之一相對移動之一方向(104)上之一第一磁場分量；偵測垂直於該第一磁場分量之一第二磁場分量；及將該偏移校正應用至該第一磁場分量。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該方法包括：基於經調適以補償該磁場之熱致變動之一與溫度相關的溫度補償因數kc(T)，建立針對由該磁場感測器(100)所偵測之該第一及該第二磁場分量之一第一及一第二磁場分量值，及藉由該偏移校正來校正該第一磁場分量值；其中自該經校正第一磁場分量值與該第二磁場分量值的商數建立該輸出信號。
  4. 如請求項3之方法，其中藉由使該第一及該第二磁場分量乘以一溫度補償因數kc(T)來建立該等磁場分量值。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該方法包括： 建立針對由該磁場感測器(100)所偵測之第一及第二磁場分量之一第一及一第二磁場分量值；基於經調適以補償該磁場之該熱致變動之一與溫度相關的溫度補償因數kc(T)及一預定常數偏移校正來建立一經補償偏移校正；及藉由該經補償偏移校正來校正該第一磁場分量值；其中自該經校正第一磁場分量值與該第二磁場分量值之該商數建立該輸出信號。
  6. 如請求項3之方法，其中自關係kc(T)×km(T)=1產生該溫度補償因數kc(T)，其中km(T)係對應於該磁場之熱致變動之一磁場因數。
  7. 如請求項6之方法，其中藉由下列關係，針對該磁場源(102)之一給定溫度T，計算該磁場因數km(T)： 其中Tref係一固定參考溫度及TKmagnet對應於該磁場源(102)之材料之一常數溫度係數，該常數溫度係數對應於每度之一百分比磁場變動。
  8. 如請求項3之方法，其中基於一溫度補償檔案，針對該磁場源(102)之一給定溫度T，建立該溫度補償因數kc(T)的值，該溫度補償檔案含有大量該磁場源(102)的溫度，及大量該磁場因數km(T)或該溫度補償因數kc(T)的對應值。
  9. 如請求項1或2之方法，其中該方法包括：偵測該磁場源(102)之一溫度；或 藉由使用該磁場感測器(100)之內部溫度資訊來建立該磁場源(102)之一預期溫度。
  10. 如請求項1或2之方法，其中該磁場感測器(100)包括一二維或三維霍爾感測器，及/或其中該磁場源(102)包括一永久磁鐵。
  11. 如請求項1或2之方法，其中藉由下列步驟，針對該磁場源(102)之一給定溫度來建立該偏移校正的值：建立針對該磁場源(102)在該移動方向上之大量位置之該磁場分量之一曲線；計算相對於該磁場源(102)之該位置之該曲線之一二階導數，且建立該二階導數之一零位置；及自該磁場源(102)與該磁場感測器(100)之間之最小間隔之位置上的函數值減去在零定位上之線的函數值，以計算該偏移校正之該值。
  12. 一種用於自由一磁場感測器(100)所偵測之至少兩個磁場分量偵測產生一磁場之一磁場源(102)相對於該磁場感測器(100)之一相對位置的位移感測器，其中該位移感測器包括：該磁場感測器(100)，其係以使其偵測至少兩個磁場分量之一方式構造；一輸出信號單元，其基於該兩個磁場分量及一偏移校正之一商數來建立一輸出信號，其中該輸出信號對應於該位置；及一溫度補償單元，其經構造以在建立該輸出信號之前補償對該所偵測之磁場分量之一溫度效應。
  13. 如請求項12之位移感測器，其中該溫度補償單元經調適以藉由計算使該所偵測之磁場分量乘以一溫度補償因數kc(T)，其中自關係kc(T)×km(T)=1產生該溫度補償因數kc(T)，其中km(T)對應於該磁場之熱致變動之一磁場因數。
  14. 如請求項12或13之位移感測器，其中該磁場感測器(100)包括一二維或三維霍爾感測器，及/或其中該磁場源(102)包括一永久磁鐵。
  15. 如請求項12或13之位移感測器，其中該磁場源(102)產生相對於一軸(Z)旋轉對稱之一磁場，該軸(Z)在介於該磁場源(102)與該磁場感測器(100)之間之一相對移動之一方向(104)上延伸；且該磁場感測器(100)經配置以沿著該旋轉對稱軸偵測該第一磁場分量。
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