專利名稱：使用定向跟蹤無接觸地感測旋轉(zhuǎn)和角度位置的方法和設備的制作方法
使用定向跟蹤無接觸地感測旋轉(zhuǎn)和角度位置的方法和設備本發(fā)明屬于電子技術的技術領域，特別是屬于用于無接觸地感測角度或旋轉(zhuǎn)的方 法和設備。本發(fā)明方法使用磁性目標的方向。其方向在多個磁場感測元件例如基于霍爾效 應的感測元件(霍爾元件)的幫助下被感測到。傳感器與用于角度估計的電子器件一起集 成在單個硅芯片上。磁場感測元件能夠在單個局部位置檢測來自磁性目標的磁場的局部幅值的強度。 在霍爾元件的情況下，也可感測磁場的極性。水平定向霍爾元件具有垂直磁場敏感度，而垂 直定向霍爾元件在垂直于表面的一個水平方向上具有敏感度。旋轉(zhuǎn)和角度位置的無接觸感 測可在安全關鍵應用中用作對電位計的替代，并用于自動機械中的軸的高精度定位。現(xiàn)有技術_最先進技術公布了在集成電路中使用多個傳感器的很多磁場傳感器設備。這些設備允許在設 備的表面上的不同位置處感測磁場。為了增加感測元件的數(shù)量，允許提高傳感器設備的敏 感度和精確度。現(xiàn)有的角度編碼器使用一對正交定向的傳感器元件或正交定向的傳感器元 件的組，以感測磁場矢量的方向的正弦和余弦部分。美國6，580，269提出了在集成電路上的一維或兩維布置中具有以感測元件的線 性陣列或多個線性陣列的形式的多個感測元件的磁性傳感器設備。在該公布中，選擇裝置、 處理和控制裝置允許組合不同的感測元件用于使傳感器適應不同的感測條件，以便處理所 感測的目標的不良對準。這個原理允許為給定的應用限定傳感器布置的最佳配置。DE 10220057展示了具有霍爾元件的冗余實現(xiàn)的角度編碼器。八個水平霍爾傳感 器結構放置在對稱中心周圍的具有45°角距的圓形線上。它們形成四個敏感度軸，兩個正 交軸表示一個角度位置傳感器，而其余兩個表示冗余傳感器。冗余傳感器作為第二個來源 用于較高的可靠性。在文件DE 10240239中公布了具有多個觸頭對的高精度霍爾傳感器。電流被驅(qū)動 垂直地通過觸頭所圍繞的水平定向設備，而觸頭的自由選擇可被選擇成獲得場定向。通過 濾波多個相對的觸頭對的測量可消除失真。所描述的所有現(xiàn)有方法都是將虛擬傳感器元件調(diào)節(jié)到磁性目標的布置的靜態(tài)方 法，并使用所產(chǎn)生的正弦和余弦信號的測量結果來計算角度位置或旋轉(zhuǎn)。使用方法例如用 于計算所感測的正交信號的反正切的已知CORDIC算法。所有這些方法導致有限的分辨率、 用于角度計算的大的勞動投入和較高的功率消耗，計算時間導致在旋轉(zhuǎn)時并且因此在旋轉(zhuǎn) 時同步的位置的測量延遲。本發(fā)明的任務根據(jù)在上面引用的文獻中提出的現(xiàn)有技術，尋找一種方法和根據(jù)該方法的設計， 該方法使用穩(wěn)健的和可靠的無接觸感測技術，來允許具有更高速度的軸的絕對角度和旋轉(zhuǎn) 的甚至更高精度的測量。磁性目標對于集成電路的方向的相對方向的估計應在頻率發(fā)生器、調(diào)制器和解調(diào) 器處以可比得上鎖相環(huán)設計的方式來完成。應通過保持相差恒定來快速跟蹤外部磁場的所 感測的方向。相差應是恒定的，并可通過增加偏移角度值被簡單地校正。為了消除物理地跟隨場的集成電路內(nèi)的可移動部分，應替代地使用多個傳感器元件。應使用感測元件的最佳擬合組合來感測外部場的方向，且如果必要，感測外部場 的線性位移。選擇裝置應直接反饋所感測的方向，以執(zhí)行傳感器元件的方向匹配組合。所 計算的矢量方向應與所感測的方向盡可能平行。剩余的偏差(misalignment)應被表示為 與偏差成比例的信號。粗略方向值的最大數(shù)量應由傳感器的絕對位置連同它們在集成半導體器件上的 他們所有可能的組合表示。該數(shù)量反映傳感器的最大粗略分辨率。使用遞增的方向調(diào)節(jié)， 測量延遲應盡可能低。發(fā)明概述本發(fā)明的任務由在所提出的權利要求中表征的本發(fā)明解決。所示方法允許在單個 集成電路上使用多個磁場感測元件來感測旋轉(zhuǎn)和角度位置。在第一步驟中通過粗略確定磁 鐵方向和最終它相對于傳感器元件的旋轉(zhuǎn)軸，來執(zhí)行旋轉(zhuǎn)的可移動的磁性目標的方向的跟 蹤。這個步驟可在多個感測周期開始時在初始階段期間進行。它也可在每個測量周期進行。 這個最初步驟類似于現(xiàn)有技術測量方法磁場感測元件的多個信號在算術上和/或在邏輯 上被組合，且角度值不需要了解傳感器元件物理位置而被計算或確定。每個傳感器元件可 存儲包括其在集成設備區(qū)域上的位置的地址。集成電路上的參考點如設備的中心可與每一 個傳感器元件一起使用以指定基本方向。可選地，兩個或多個傳感器元件的組合信號可指 定方向。對本發(fā)明方法的下一步驟兩個選擇是可能的在第一選擇中，每個傳感器信號與每個其它傳感器信號比較。具有離磁性目標的 預定方向軸或半軸的最低角距的元件被選擇以用于感測剩余的位移。在第二選擇中，多個磁場感測元件在算術上或在邏輯上被組合，以定義與磁性目 標的預定方向軸或半軸有最小的角度偏差的感測方向。來自這個選定的傳感器元件或選定的傳感器元件組合的因而產(chǎn)生的信號表示偏 差。由于北南極轉(zhuǎn)換或南北極轉(zhuǎn)換，優(yōu)選的方向可為通過零的。偏差信號表示在值0°或 180°處接近于正弦波偏轉(zhuǎn)的信號，其梯度接近于1或-1，允許可校正的偏差誤差。必須假設，一個360°旋轉(zhuǎn)在選定的傳感器元件或傳感器元件組合上導致確切的 正弦波信號輸出。在使用霍爾效應傳感器的情況下，在集成電路上的每個磁場感測元件感測北極性 或南極性。在單個傳感器處的弱信號指示磁性目標極性分離平面。合并感測具有相反的符 號的磁場強度以及幅值的和的兩個或多個傳感器元件導致接近于零的值是跟蹤磁性目標 的極性分離平面(polaritys印aration plane)的另一方法。例如，一個傳感器感測磁性目 標的磁性北極，而另一個感測磁性南極，且場具有相同的幅值，磁性目標的極性分離平面被 示為平行于作為兩個傳感器之間的距離的對稱軸的軸。所有其它組合可由矢量代數(shù)執(zhí)行。確定粗略方向的一種簡單的方法是在多個磁場感測元件處感測多個磁性目標。為 了對每個傳感器使用三個可能的狀態(tài)，北(N)、南(S)和弱(w)信號將導致真值表，從其可得 到最佳匹配方向。用于方向確定的另一方法是通過比較每個感測元件的幅值與閾值或涉及不多于 兩個的傳感器元件的窗口比較器，或通過比較每個其它感測元件的幅值并使用有關的角度位置值，來檢測極值或穿過零點。在對預定閾值或幅值窗采用多個磁場感測元件的組合值的幫助下檢測極值或穿 過零點可增加精確度。與感測元件的其它組合的值的比較可用于找到相應的角度位置值。每個傳感器或傳感器組合可具有在所儲存的表中表示的相應的數(shù)字表示的絕對 角度位置值，其具有布局及其平板處理的精確度。磁場感測元件的組合可通過選定的感測元件的輸出的模擬相加或模擬相減 來執(zhí) 行。因而產(chǎn)生的信號可為模數(shù)轉(zhuǎn)換的，用于在數(shù)字計算系統(tǒng)如集成電路上的微控制器或微 處理器中進一步處理。每個傳感器的信號可被加權或統(tǒng)一，導致不同的相等矢量大小。通過將多個傳感器元件分成兩個半扇區(qū)給出特殊估計，這兩個半扇區(qū)定位成與磁 性目標的兩個相鄰象限相對。增加兩組傳感器的每個扇區(qū)元件的輸出的信號，這導致兩個 和。每個和的結果相應于旋轉(zhuǎn)磁性目標的兩個相鄰象限的磁場的平均值，形成正弦和余弦 信號。CORDIC分析或其它已知的方法可用于根據(jù)兩個信號的反正切計算粗略角度。也可使用四象限方法來代替二象限方法。這增加了必要的設備面積、信號幅值和 信噪比。在這種情況下，多個傳感器元件被分到四個象限中。在等于一半傳感器承載區(qū) (carrying area)的前兩個象限內(nèi)的傳感器元件的和信號減去在表示另一半?yún)^(qū)域的后兩個 象限中的傳感器的和信號，以形成第一信號。在第二和第三象限中的傳感器元件的信號的 和減去第一和第四象限的信號的和，以形成與第一信號正交的第二信號。在這種情況下，一 個象限的所有傳感器計算磁性目標的一個象限的不同磁場強度的總和。這導致在兩個信號 輸出處，相對于相當接近于象限中心的位置之上、之下或之中的磁鐵位置的正弦和余弦信 號的非常精確的圖像。可如上所述進行角度的估計。通過上述方法知道粗略角度位置后，其數(shù)字表示直接用于通過控制單元轉(zhuǎn)換到方 向盡可能接近于磁性目標的方向的一個磁場感測元件?？蛇x地，磁場感測設備的新組合被 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)接近于零角度的正弦波信號。如果粗略角度估計只在初始階段中執(zhí)行，則使用剩余偏差的上限和下限的遞增方 法可用于決定轉(zhuǎn)換到表示最接近的相鄰角度方向的相鄰傳感器元件或傳感器元件的組合。大量角度值需要大的轉(zhuǎn)換配置表?？蛇x地，可使用迭代法，其通過設置和重新設置 定義從最高有效位(MSB)開始一直到最低有效位的位的位置來接近實際角度。通過以將磁 性敏感元件分成在兩半傳感器區(qū)域內(nèi)的兩組開始，來完成此。電子器件檢測較接近于磁鐵 的北極的一側(cè)；估計位是最高有效位。接著，分離軸實質(zhì)上旋轉(zhuǎn)正或負360/2i，其中i是迭 代步驟的數(shù)量。根據(jù)每個步驟的估計結果，較低位被設置為零或一。使用本發(fā)明方法，提出了允許使用多個磁場感測元件感測旋轉(zhuǎn)和角度位置的集成 電路。設備包括確定磁性目標相對于多個磁場感測元件的粗略方向的裝置、用于根據(jù)所確 定的粗略方向來選擇一個感測元件或多個感測元件的一種組合的裝置，以及用于在選擇之 后計算磁性目標的剩余偏差的裝置。優(yōu)點是霍爾效應傳感器實現(xiàn)為磁場感測元件，包括外圍結構，以執(zhí)行預放大和偏 移消除方法，如電流旋轉(zhuǎn)(current spinning)。以二維陣列的形式完成感測元件的布置。這可以在具有傳感器的行和列的等距笛 卡爾坐標上或在具有處于等距角的一圈傳感器的至少一部分的極坐標中。
磁場感測元件被分配到磁性目標的至少兩個相鄰象限。P個傳感器可位于具有接近或相同于弧度π/P的角距的半圓線上的半徑R處，或 P個傳感器位于具有接近或相同于弧度2 π /P的角距的整圓上。如果只使用半圓，則P個傳感器只放置在與磁鐵布置有關的180°區(qū)域中。該實現(xiàn) 對具有最低信號幅值的傳感器輸出可使用傳感器_信號比較器和選擇器，該選擇器具有表 示半圓的粗略角度值的地址輸出。需要另一比較器來獲得磁性目標的北-南方向，以實現(xiàn) 360°的信號功能。在這種情況下，實現(xiàn)處理裝置以獲得傳感器的剩余偏差。這可為放大器 或A/D轉(zhuǎn)換器和用于線性化的信號誤差校正工具，如查找表或非線性放大。在整個360°范圍內(nèi)使用P個傳感器，磁場感測元件優(yōu)選地等距地放置在磁鐵布 置之下或之上的至少一個圓周線上。該實現(xiàn)使用用于增加一半傳感器元件(在0和π弧 度( = Hltl)內(nèi)的元件1到元件Ρ/2)的輸出信號的裝置。這一半位于第一限定的半平面中。 其余一半傳感器元件(在η和2 π弧度(=H20)內(nèi)的元件Ρ/2+1到元件P)位于第二限定 的半平面中。另外兩個和信號從位于兩個半平面中的傳感器中得到，這兩個半平面相對于 前兩個平面被定向90° (在π /2和3 π /2弧度(=H30)內(nèi)從元件Ρ/4+1到元件3Ρ/4，以 及在-π /2和+ π /2弧度(=H40)內(nèi)從元件(3Ρ/4+1)到元件P加上元件1到元件Ρ/4)。 計算方法允許計算(Hici-H2tlV(H3tl-H4ci) = Sinaycosc^的反正切。結果是在虛擬傳感器的 選定方向和磁性目標的實際方向之間的實際方向相差a —
用于計算的方法用于獲得兩個分離軸的新方向。這由四組傳感器元件表示。每組 通過合計其傳感器的輸出信號來組合。在圓周上的P個傳感器允許從組合傳感器號碼1開 始到傳感器Ρ/2以及Ρ/2到P的2Ρ個方向。下一組合合計傳感器號碼2到傳感器Ρ/2，以 及傳感器號碼Ρ/2+2到傳感器P的輸出，依此類推。最后一個組合是組合傳感器1到傳感 器Ρ/2-1以及Ρ/2+1到P-I的信號。由于對稱性條件，必須處理一個象限的轉(zhuǎn)換條件，因為 剩余的信號可通過改變求和結果的符號來得到。為了這個原因，只需要Ρ/2個轉(zhuǎn)換配置來 獲得2Ρ個可能的粗略虛擬傳感器配置。根據(jù)偏差C^的粗略感測的結果，計算所需的組合值η。組合η=a Q/δ，其中δ是具有最大2η個配置的π/P，且δ是角度遞增大小。對使用Hln-H2n計算的余弦表示，通過對在α。和π + α?；《? = Hln)內(nèi)的由 int(n/2+l)給出的磁場感測元件到感測元件號碼[P/2+int (n/2-l)]求和，以及在π + α。 和2 π + a Q弧度(=H2n)內(nèi)的感測元件號碼[P/2+int (n/2+l)]到感測元件號P的信號求 和，且如果η彡2則加上從1到int(n/2-l)]的元件的信號，來給出因而產(chǎn)生的配置。對使用H3n-H4n計算的正弦表示，進一步對在π/2+α。禾Π 3 π/2+α?；《?= H3n)內(nèi)的磁場感測元件[P/4+int(n/2+l)]到元件[3P/4+int (n/2-l)]以及在-π/2+a。 和 + Ji /2+ a Q 弧度(=H4n)內(nèi)的[3P/4+int (n/2+l)]到 P 和從 int (n/2+l)到 [P/4+int(n/2-l)]的信號求和。對于非常小的偏差，第一近似是Sincir^ ^^，其中％表示跟蹤的剩余偏差。如果η > P也是可選的配置，則可替代地使用Ii1 = η_Ρ，但余弦和正弦表示的符號 必須被反相。如果P > η > Ρ/2也是可選的配置，則可使用η2 = η_Ρ/2，但正弦信號的符號必須被反相。在下面的優(yōu)選實施方式中詳細描述創(chuàng)新。

圖1到圖9示出在0°、60°和120°處在直徑方向磁化的圓柱形磁鐵4周圍的半 圓邊緣上的三個霍爾元件1、2、3的等距角度布置。圖10到圖12給出在0°、30°、60°、90°、120°和150°處使用六個霍爾元件1、 2、3、5、6、7的定位例子。圖13示出在位置0°、60°并對30°計算的正弦波。圖14示出通過直接使用在0°、60°和120°處的三個傳感器之一的傳感器輸出 或相鄰傳感器的加權和信號以在30°、90°和150°處執(zhí)行虛擬信號的近似誤差的曲線。圖15是示出在傳感器1、2、3之間在30°、90°和150°處使用中間位置的近似誤 差的曲線。圖16示出用于插入磁性目標的兩個正交象限的在15°、45°、75°以及105°、 135°和165°角處的分別三個霍爾元件的組合。圖17示出在磁鐵的初始方向上在圓線上等距定向的12個霍爾元件。圖18示出在使用調(diào)整的方向的粗略方向估計之后圖17的應用。圖19是示出使用六個霍爾元件1、2、3、5、6、7之間的中間位置的近似誤差的曲線。圖20示出在15°旋轉(zhuǎn)的坐標系統(tǒng)中的圖17的霍爾元件。如果磁鐵4如圖1所示放置，則零參考方向可為顯示為朝向頁面的左側(cè)的正 x方向。磁鐵的旋轉(zhuǎn)軸與頁面正交，并通過磁鐵的中心及其磁性分離平面(magnetic separation plane)。三個霍爾元件可在磁鐵周圍相對于零方向軸逆時針方向布置在0°、 60°和120°角處。使用這種星座，顯示在三個霍爾元件之一處過零(0°、60°、120°、 180°、240°和300°，見圖1到圖6)的六個粗略角度位置是可用的。組合三個霍爾元件 1、2、3的信號與3態(tài)分析(0、N、S)允許磁鐵方向的唯一分配。如果例如磁鐵相對于零角度 的方向是55°，則算術或邏輯單元將限定偏移+60°的新的零方向。轉(zhuǎn)換邏輯將選擇霍爾 元件2，因為其最接近于所跟蹤的正弦信號。其余的放大信號等于A'sin (-5° ) = _0. 087A，(5° = (5/180) ji 弧度=0. 087 弧度)其中 A 是元件 的敏感度乘以增益。對于非常小的角度偏差，可能使用sin(a) ^ a產(chǎn)生第一近似。在五 度處，近似誤差小于0.13%或小于0.0064°。只使用六個粗略位置引起在一個粗略位置周 圍+/-30。的最大偏轉(zhuǎn)。在沒有誤差計算的情況下，非線性度誤差的最大值將為在+/_30° 時大約 30° -arc sin 30° = 0. 524 弧度-0. 5 弧度=0. 024 弧度或 1. 35° 或+/_4. 72% (也見圖15，在30°的誤差17)。也確切地限定兩個霍爾元件之間的位置將導致具有30°角距的12個絕對粗略位 置(見圖7到圖9)。表1示出相應的邏輯表。三個狀態(tài)N、S和w(弱信號)允許位置的唯 一分配。如果下一最接近的位置在相鄰霍爾元件之間的一半距離上，則這兩個霍爾元件的 信號被合并以執(zhí)行新的加權正弦信號。使用三角公式
<formula>formula see original document page 9</formula>兩個相鄰元件的和必須被VI除來獲得與使用一個霍爾元件的位置相比相同的增 益。在圖13中，示出三個理想曲線，其中曲線8應為根據(jù)在0°處的霍爾元件1的輸出，而曲線9應為根據(jù)在60°處的霍爾元件2輸出。曲線10通過來自霍爾元件1和霍爾元件2 的信號的和除以3的平方根來計算。我們可為只設置其余輸出=prop, a的良好近似直接選擇正確的信號或組合。離 選定方向的距離應足夠小。否則，近似的誤差如圖14所示。在這里從0°到60°的部分根 據(jù)從霍爾元件1 (誤差11)、2 (誤差12)和3 (誤差13)以及1+2 (誤差14)、2+3 (誤差15) 和3+1 (誤差16)的組合得到的信號對60°到120°和120°到180°重復。例子磁鐵的方向相對于零方向在95°的位置處。使用表1，在霍爾元件(1、2、3) 的三個傳感器處的信號N、w、w允許估計接近于90°的粗略位置。在這種情況下，通過加上 具有弱幅值信號的相應的兩個信號幅值來組合在60°處的霍爾元件2和在120°處的霍爾 元件3。結果通過1/VI的系數(shù)乘以單個霍爾元件的增益而得到。
sin(-25°)+sin(35°)= V3sin(5°)第一近似:sin(5 ° ) 5 ° = (5/180) n = 0. 087 ； sin(-25° ) -(25/180) n ；sin(35° ) ^ (35/180) n ；
(10/180) 7i V3 = 0.100766 sin(0.100766)=sin( 5.7735。)。其余的近似誤差小于0.78°。如圖15所示，近似誤差可通過添加的中間位置從+/-1. 35° (在30° )的最大近 似誤差17減小到+/-0.78。(在25° )的最大近似誤差18。更精確的計算對更復雜的電路的成本是可能的。為了最佳近似，這些部分的閾值 應被調(diào)節(jié)為對霍爾元件1從-25°轉(zhuǎn)換到25° ；對組合的霍爾元件1和2從26°轉(zhuǎn)換到 34° ；對霍爾元件2從35°轉(zhuǎn)換到85°，對霍爾元件2和3從86°轉(zhuǎn)換到94°，對霍爾元 件3從95°轉(zhuǎn)換到145°，以及對霍爾元件3和1從146°轉(zhuǎn)換到154° ；對霍爾元件1從 155°轉(zhuǎn)換到205° ；對霍爾元件1和2從206°轉(zhuǎn)換到214° ；對霍爾元件2從215°轉(zhuǎn)換 到265° ；對霍爾元件2和3從266°轉(zhuǎn)換到274° ；對霍爾元件3從275°轉(zhuǎn)換到325°， 以及最后對霍爾元件1和3從326°轉(zhuǎn)換到334° (等于-26° )(見表1)。在180°內(nèi)和以30°角距將霍爾元件的數(shù)量加倍到六(1、2、3、5、6、7)將導致如圖 10到圖12所示的配置。磁性目標的角度位置的三個例子在30°、55°和248°處示出。在 沒有中間位置的情況下，最大近似誤差(見圖19)將小于0.2° (誤差33)，且中間位置甚 至小于0.1° (誤差34)。表2示出可用于角度的簡單粗略估計的24個可能的位置。根據(jù)該表，一個或兩個 霍爾元件被選擇以保持錯位感測。例子假定未知的角度位置是248°，如圖12中的?；魻栐?和5感測大于由 南極引起的最大值的一半的信號(sin248° = -0. 92 ；sin218° =-0. 62)。霍爾元件3和6 發(fā)送弱信號(sinl88° =-0. 14;sinl58° = _0. 37)，而霍爾元件4和7發(fā)送大于由磁鐵的 北極引起的最大值的一半的信號(sinl28° = 0. 79 ；sin98° = 0. 99)。該狀態(tài)與表2的位 置18或255°有關，位置18與磁鐵的實際位置只偏離7°。在下一步驟中，霍爾元件3和6 (這些元件感測弱信號)的信號相加并例如通過模 擬放大器乘以因數(shù) A，其為 l/(2cos(15° ))。結果是(-0.14+0. 37) l/(2cos (15° ))=0. 119-> 0. 119 180° / 31 相應于 6. 82°。結果是 255° -6.8 2° = 248.18°。所計算 的誤差是0.18°。由于磁鐵位置的不完善并由于磁鐵中不完善的磁極位置，在獨立于上述近似誤差 的兩個相鄰傳感器的相差中總是有進一步的非線性度誤差。多個元件的輸出的插入幫助減 小這樣的誤差。如圖16所示，六個霍爾元件布置在旋轉(zhuǎn)的磁鐵的一半之上或之下?；魻栐?、2、 3、5、6、7的所有信號被求和為第一平均信號-給定方向的余弦(c0S(a) = _ E U)。在右象 限19中霍爾元件2、5、1的和信號減去在左象限20中霍爾元件6、3、7的和信號導致與磁鐵 4 的方向有關的正弦信號；(sin (a) = E Uright- E Uleft)。角度從 arc tan (sin ( a ) /cos (a)) 產(chǎn)生。該計算可用于粗略角度估計，其中數(shù)字化的輸出可用作如上所述的霍爾元件選擇或 霍爾元件選擇對的參考。圖16中用于改進測量結果的布置的其它組合可為■霍爾元件信號1，2(和5，6 ；2,3 ；6，7)，并且與霍爾元件5的信號比較或組合(分 別 2 ；6 ；3)?！鱿噜彽膶?1，5 ;2，6 ；3, 7 ；5，2 ;6，3)，或一個一個地(1,6 ；5, 3 ；2, 7)或(1，3 ;5， 7)?！鋈齻€三個地(1,5,2 ；5，2，6 ；2，6，3 和 6,3,7)?！鏊膫€四個地(1,5,2,6 ；5，2，6，3 ;2，6，3，7)。如果感測到磁鐵的大的區(qū)域，則磁鐵或其位置的不完善可被局部化并通過跟蹤系 統(tǒng)來校正。圖17給出一個例子，其中12個霍爾元件被定向在圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)軸的中心的圓 上。四個象限(19，20，21，22)可被相對于指定的零角度方向定義以計算正弦和余弦信號。 在象限19中霍爾元件1、2、5的感測電壓的和是UQ1，在象限20中霍爾元件7、3、6的感測 電壓的和是UQ2，在象限21中霍爾元件23、26、24的感測電壓的和是UQ3，以及在象限21中 霍爾元件27、25、28的感測電壓的和是UQ4。正弦信號接著由、+隊4-隊2-隊3定義，而余弦由 U^b+U^-U^-UM定義。角a可通過最先進技術的方法計算?；蛘叽致越嵌韧ㄟ^上述方法估計，且新的方向如圖18所示被定義。在該方向上， 其余的精確角度接近于零，其中粗略角度等于45°。粗略角度可通過迭代法獲得。第一步 驟是比較所有象限的信號，并對兩個最高有效位D3D2選擇具有最低幅值的象限的二進制代 碼，其中Q1 = 00 ;Q2 = 01 ;Q3 = 10且Q3 = 11。在這里位是00。在第二步驟，通過比較 霍爾元件1、2、5在所找到的象限中的三個中(這些給出兩個較低有效位隊隊(代碼01，11， 10))找到具有最低幅值的元件。在這里，對于兩個較低位，結果是10。因為在這里使用12 個元件，代碼必須通過減去兩個最高有效位來校正。(D3D2D1D0-D3D2) = PfAP。粗略位置的二進制表示，在這里根據(jù)2 .30° -15° =45°，00102_002 = 00102 是位置 2 (12 個中的)。精確角度接著由(UQ1’+UQ4’)-(UQ2’+UQ3’)給出，其中象限Q1，到 Q4，(29，30，31，32) 在旋轉(zhuǎn)的坐標系內(nèi)。在這里，恥+隊+隊+仏+隊8)-恥+隊3+隊6+隊4+隊7)=Usin Ua ’，且 U(a ‘ =15° )=U■，且 具有6位分辨率(26 = 64階)。A/D轉(zhuǎn)換允許以15° /64 = 0. 234°的倍數(shù)個階來輸出精確值。在本例中的總分辨率將接近于10位，近似誤差小于0. 17° (最大1LSB最低有效 位)。使用下式可計算12個粗略位置2[sin(a+15° )+sin(a-15° )+sin(a+45° )+sin(a-45° )+sin(a+75° )+si n(a -75° ) ] = 2 [2cos (15° ) sin ( a )+2cos (45° ) sin ( a )+2cos (75° )*sin(a)] =4 sin(a ) (cos(15° )+cos(45° )+cos(75° )) ^ 7. 727sin(a )其中a是在所找到的粗略位置處的剩余偏差(見圖18)，或如果坐標基旋轉(zhuǎn)15° 2[sin(3)+sin(3+30° )+sin(3_30° )+sin(^+60° )+sin(3_60° )+sin(3 + 90° )+sin(0-9O° ) ] = 2 [sin ( 0 )+2cos (30° ) .sin (0 )+2cos (60° ) .sin (0 )+2cos (90 ° ) 'sina)] = 4 .sin(3) (l/2+cos(30° )+cos(60° )) 7. 746sin ( 3 )(見圖 20)。由于此，這24個粗略位置可使用兩個方向位置被定義。在這種情況下，近似誤差 可減小到小于0. 088° (見圖19)。在這種情況下，需要考慮兩個不同的測量幅值(見上面的計算7. 727或7. 746)，如 果選定的坐標軸通過霍爾元件的中心，見圖20，與圖17相比，幅值稍微更高，其中軸平行于 第二可能的對稱軸。在這里正弦信號再次表示反映精確角度分辨率的位置的偏差。圖21示出根據(jù)所示方法的集成傳感器設備的結構圖。在以恒定半徑的等距角處 有16個傳感器，迭代法允許接近在一半中的7或8個傳感器與在另一半中的7或8個傳感 器的分離，粗略分辨率為6/2 = 360° /32 = 11.25°。+/_5，625°的剩余偏差由包括正 弦近似誤差的所感測的幅值給出。32個可能的階(st印)的原因由將分離軸放置成通過傳 感器元件的中心或通過兩個相鄰傳感器元件的中心的機會給出。本例示出從所指示的a =0°參考位置逆時針偏移96°的位置。首先，如果從零 旋轉(zhuǎn)90°的軸的右側(cè)信號的和大于左側(cè)信號的和，則角度低于180° (圖22)。轉(zhuǎn)換單元 36組合傳感器前端35的所需的傳感器元件。最高有效位被設置為0，否則該位被設置為1。 接著，如果塊38的制動條件沒有達到，則通過從圓的上半部分的元件的所有信號減去下半 部分中的元件的所有信號(=cosine)來計算第二有效位。正信號指示低于90°或高于 270° (圖23)的角。也可對具有45°角的軸的右邊和左邊的傳感器信號和且最后對具有 22. 5°角的軸的右邊和左邊的信號進行這個過程(圖24和圖25)。這四個信號估計導致4 位值C。在這里C為01002 = 41(1。粗略角度的下限是C*S，在這里4*22. 5° =90°，上限 是(C+l)* S，在這里(4+1) 22. 5° = 112. 5° (圖25)。這兩個值通過設置兩個組合的相 應輸出值而彼此比較。在這里，90°比112. 5°更接近于96°，所以通常90°布置被選擇成 獲得在地址輸出單元37中表示的粗略值。為了進一步限制粗略角度，軸可直接通過如圖26 中的限制元件。通過只對7個和相對的7個霍爾信號求和，相應的角度將是101. 25°的正 弦，其中幅值需要被校正。在這里，96°最接近于101.25°?？蛇x的粗略值C，是101. 25°， 并通過(2*C+x)* S /2°計算(從可選配置的迭代近似+11. 25°中)。精確角度值與其余的 信號sin(5.25° )成比例。通過A/D轉(zhuǎn)換器39，F(xiàn)是粗略LSB的高分辨率，并且取決于A/ D轉(zhuǎn)換器的分辨率。另一令人感興趣的應用將有一個布置，其中霍爾元件位于5°、45°、75°、105°、135° ,165° (比較 16)以及 180°、210°、240° ,270° ,300° 和 330° 處(比較圖 10-12， 具有180°旋轉(zhuǎn)偏移)。通過也使用第二半磁鐵的場，這允許相同的結果，如同12個傳感器 將以15°的恒定角距只在一半磁鐵之下。結果是0.0214° (與7.5° Ji/180°比較，sin 7.5° )的近似誤差。通過在 0°、60°、120° 和 120°、180°、240° 以及 195°，255° 和 315°角處以恒定的半徑組織的霍爾元件也可獲得相同的結果。在這種情況下，第一半磁鐵 被三個霍爾元件感測到，而第二半被另外三個霍爾元件感測到，且另外兩個傳感器感測與 前兩半正交的一半磁鐵。在這種情況下，如果選擇具有離磁鐵的方向最近的角距的元件，則 只需要8個霍爾元件來獲得小于其余的角錯位的0. 03°近似誤差的良好線性度。
權利要求
一種方法，所述方法用于使用在單個集成電路上的多個磁場感測元件來感測旋轉(zhuǎn)和角度位置，所述方法包括采用以下步驟來跟蹤旋轉(zhuǎn)的可移動的磁性目標的方向和位置i.通過在算術上和/或在邏輯上組合多個磁場感測元件的信號來粗略確定所述磁性目標相對于傳感器元件的方向，ii.選擇具有距離所述磁性目標的所述方向的最小角距的單個磁場感測元件，或者iii.在算術上和/或在邏輯上重新組合多個磁場感測元件以獲得合計信號，所述合計信號的方向具有距離所述磁性目標的方向和旋轉(zhuǎn)中心最小的角距，以及iv.計算所述磁性目標的方向相對于選擇的傳感器元件或選擇的傳感器元件組合的方向的剩余偏差。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述磁性目標的所述方向由平行于極化分離平面的 軸規(guī)定，且傳感器元件的相對角度位置由關于通過所述傳感器元件的中心的所述磁性目標 的旋轉(zhuǎn)軸垂直的軸規(guī)定。
3.如權利要求1所述的方法，其中粗略方向通過使用每個傳感器的三個可能的狀 態(tài)-北、南和弱信號以及使用組合邏輯而在多個磁場感測元件處感測多個磁性目標來確 定。
4.如權利要求1所述的方法，其中粗略方向通過比較每個感測元件的輸出的幅值與預 定閾值或幅值窗或通過相對于彼此比較感測元件的輸出以及使用有關的角度位置值而檢 測極值或穿過零點來確定。
5.如權利要求1所述的方法，其中粗略方向通過比較多個感測元件的組合值的幅值與 預定閾值或幅值窗或通過與所述感測元件的其它組合的值相比較以及使用相應的角度位 置值而檢測極值或穿過零點來確定。
6.如權利要求4或5所述的方法，其中所述角度位置值被表示在儲存的表中，所述表給 每個感測元件或感測元件的每個可能的組合分配粗略絕對位置值。
7.如權利要求1或5所述的方法，其中所述磁場感測元件的組合通過選擇的感測元件 的輸出的模擬相加或模擬相減來執(zhí)行。
8.如權利要求1所述的方法，其中粗略方向通過將多個傳感器元件分成兩個扇區(qū)來 計算，所述扇區(qū)的合計信號被配置成得到在旋轉(zhuǎn)磁場目標的兩個相鄰象限中的磁場的平均 值，以形成正弦和余弦信號。
9.如權利要求1所述的方法，其中粗略方向通過將多個傳感器元件分到四個象限中 來計算，其中在前兩個象限內(nèi)的所述傳感器元件的所述合計信號減去后兩個象限的所述合 計信號，以形成一個信號，所述信號關于第二象限和第三象限的所述傳感器的所述合計信 號減去第一象限和第四象限的所述合計信號偏移90°，以形成相對于在所述象限的中心之 上、之下或之中的磁鐵位置的正弦和余弦信號。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述剩余偏差的上限和下限用于決定轉(zhuǎn)換到表示 最接近的相鄰角度方向的相鄰傳感器元件或所述傳感器元件的組合。
11.一種方法，所述方法用于使用在單個集成電路上的多個磁場感測元件來感測旋轉(zhuǎn) 和角度位置，所述方法包括通過以下循環(huán)執(zhí)行的步驟來反復跟蹤旋轉(zhuǎn)的可移動的磁性目標 的方向i.將傳感器承載區(qū)的360°范圍分成180°的兩半，計算在第一半中的所述傳感器的合計信號并減去在所述區(qū)域的第二半中的所述傳感器的合計信號，以獲得作為平行或逆平 行方向的所述磁性目標的方向的粗略指示，11.根據(jù)北-南或南-北逼近將分離軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)360°/(2*1)，其中1表示 以2開始的所執(zhí)行的迭代步驟的數(shù)量，并通過計算下一偏差值獲得類似于第一逼近的下一 迭代逼近，依此類推，直到所述偏差的幅值低于根據(jù)所使用的元件的數(shù)量規(guī)定的閾值；每個 步驟使跟蹤的粗略分辨率加倍，iii.對剩余偏差執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。
12.—種設備，所述設備在用于使用多個磁場感測元件來感測旋轉(zhuǎn)和角度位置的單個 集成電路上實現(xiàn)，所述設備包括確定磁性目標相對于多個磁場感測元件的粗略方向的裝 置、用于根據(jù)所確定的所述粗略方向來選擇一個感測元件或多個感測元件的組合的裝置， 以及用于在所述選擇之后計算所述磁性目標的剩余偏差的裝置。
13.如權利要求12所述的設備，其中所述磁場感測元件是霍爾效應傳感器。
14.如權利要求12所述的設備，其中多個磁場感測元件被布置為兩維陣列。
15.如權利要求14所述的設備，其中所述兩維陣列以傳感器的行和列在等距笛卡爾坐 標上完成。
16.如權利要求14所述的設備，其中所述兩維陣列以處于等距角的至少一圈傳感器的 的至少一部分在極坐標中完成。
17.如權利要求15或16所述的設備，其中所述磁場感測元件被分配到磁性目標的至少 兩個相鄰的象限。
18.如權利要求16所述的設備，包括在半徑R處并以接近或相同于弧度Ji/P的角距位 于半個圓周線上的P個傳感器。
19.如權利要求16所述的設備，包括在半徑R處并以接近或相同于弧度2ji /P的角距 位于整個圓周上的P個傳感器。
20.如權利要求18所述的設備，包括i.用于具有最低信號幅值的傳感器輸出的傳感器_信號比較器和選擇器，所述選擇器 具有表示半圓的粗略角度值的地址輸出，ii.用于所述磁性目標的北_南方向以實現(xiàn)整個圓周的功能的比較器，iii.用于選擇的傳感器的輸出信號以獲得所述傳感器的剩余偏差的處理裝置。
21.如權利要求19所述的設備，包括用于計算n= 2*P個粗略位置中之一的裝置，其 中所述位置被定義為通過具有對稱布置的傳感器元件的圓周的中心的正交的軸對；以及用 于根據(jù)下述來合計傳感器元件的四個象限的輸出信號Si的裝置Qln=E S”i = (int(n/2+l)到[P/4+int (n/2_l)]，在 a。和 n/2+a。弧度內(nèi)，Q2n = E Si,i = [P/4+int(n/2+l)]到 P/2+int(n/2_l)，在 n/2+a。禾口 n + a?；《葍?nèi)，Q3n = E Si，i = [P/2+ (int (n/2+1)]到[3P/4+int (n/2-1)]，在 ji + a Q 和 3 n /4+ a 0 弧 度內(nèi)，C4n = E Sp i = [3P/4+int (n/2+1)]到 P+int (n/2-1)，在 3 n /4+ a Q 和 2 n + a Q 弧度 內(nèi)，以及i = i_2P，如果i > 2P且i是所述傳感器元件相對于通過指定的對稱軸的規(guī)定的零角 度的沿逆時針方向計數(shù)，以及(Q3n+Q4n)-(Qln+Q2n)表示接近于偏差角％的余弦的值，且 (Qln+Q4n)_(Q2n+Q3n) ^ Sine a n;還包括用于通過公式 n = int [ (P/Ji) * a x(rad)]計算接近的 位置c的裝置，其中a x表示通過執(zhí)行[(Q1s+Q4s)-(Q2s+Q3s)]/[(Q3s+Q4s)_(Q1s+Q2s)]的反正切 函數(shù)而計算的未知初始角度，其中s指示起始方向；以及為數(shù)字輸出提供具有粗略分辨率分數(shù)C = n* Ji /P的因而產(chǎn) 生的所感測的角度的裝置，所述數(shù)字輸出具有l(wèi)d(n) = log2(n) = log10(n)/log10(2)的分 辨率和由sina。= a。+f規(guī)定的精確分辨率分數(shù)，其中a。表示跟蹤的剩余偏差，且f表示 關于初始近似的所計算的誤差，并且包括對精確分辨率分數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換。
22.如權利要求21所述的設備，包括用于具有根據(jù)角相位的最大允許的偏差的上限和 下限的sina。的輸出信號的比較器，以及用于關于相鄰傳感器方向配置改變實際虛擬傳感 器方向的裝置。
全文摘要
使用方向跟蹤來無接觸地感測旋轉(zhuǎn)和角度位置的方法和設備。為了提高磁性定位系統(tǒng)的精確度和可能的分辨率，提出了使用特殊跟蹤技術的方法和設備。該方法和設備在磁性目標下的不同位置處使用多個磁場感測元件。所感測的信號用于選擇或組合感測元件，以最佳地接近磁鐵的實際方向。這允許產(chǎn)生有關的接近方向作為粗略值和剩余位移作為精確值。使用該方法的設備允許角度位置的高度精確的測量，其控制或容忍作為輸入源的磁鐵的位移。
文檔編號G01D5/14GK101836085SQ200780101242
公開日2010年9月15日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權日2007年10月25日
發(fā)明者亞內(nèi)茲·特龍?zhí)乩?申請人:感應動力股份公司;亞內(nèi)茲·特龍?zhí)乩?br>