CN106405454A - 磁角度传感器及其***及检测径向磁化磁体角位置的方法 - Google Patents

磁角度传感器及其***及检测径向磁化磁体角位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种磁角度传感***及检测径向磁化磁体的角度位置的方法。所述磁角度传感***将磁角度传感器置于磁体轴侧、平行于旋转轴且磁体平面下方某处，其传感平面平行于旋转轴且垂直于轴和传感器之间的半径。传感器芯片内部包括两个空间上互成90°的垂直集成霍尔器件，采用一定的接线方案顺序以产生模拟正弦波的霍尔电压阶梯波形，经过滤波单元和相位检测单元得到该波形的相位，即为所要检测的磁角度位置。所述磁角度传感***及检测径向磁化磁体的角度位置的方法有效解决了实际应用中有时轴端无法安装角度传感器的问题，实现了更灵活、更便于安装的磁角度传感***。

Description

磁角度传感器及其***及检测径向磁化磁体角位置的方法
技术领域
本发明主要涉及传感器，尤其但不局限于涉及具有安装于轴侧的传感器的磁角度传感***。
背景技术
在许多应用中，需检测圆柱形磁体或环形磁体这种沿径向磁化的磁体的角位置，例如汽车动力***。图1给出了一项现有技术，涉及沿直径径向磁化的圆柱形磁体10。放置于磁体10中央正下方的磁传感器11用来检测圆柱形磁体10所产生的磁场分量B的角度方位。在这种传感配置中，磁场分量B与磁体10从北极N到南极S的磁化方向完全相反(旋转180度)。因此，通过检测磁体10正下方的磁场分量B的角度方位，与此角度方位相关的磁体10磁化方向也可得到。
发明内容
本发明的目标之一是为实现更灵活、更便于安装的传感***而提供的磁角度传感***及相应的检测方法。
为实现上述与其他目标，根据本发明一实施例，提供了一种磁角度传感***，包括：径向磁化的磁体(10)，其所在平面为xy，磁化方向由磁体(10)的北极(N)到南极(S)，北极(N)和南极(S)在平面xy上相反的两端，磁体(10)可绕垂直于平面xy的z轴旋转；磁角度传感器(40)具有一个平行于z轴且垂直于处在z轴与磁角度传感器(40)之间的半径r的传感平面tz′，磁角度传感器(40)同平面xy异面，并检测位于传感平面tz′上平行于z轴的第一检测方向z′的、由磁体(10)所产生的磁场矢量(B)的轴向磁场分量(Bz)，以及检测位于传感平面上垂直于半径r与z轴的第二检测方向t的、磁场矢量(B)的正切磁场分量(Bt)，以提供一个表示磁角位置的角度信号DA。
根据本发明的实施例，磁角度传感***(400)进一步包括了实现函数β＝Arctan(Bt/Bz)的计算电路，其中β表示磁角度传感器(40)处的磁场矢量在传感平面tz′上投影的方位角，Bt表示正切磁场分量，Bz表示轴向磁场分量。磁体(10)的角位置α由计算出的方位角β得到。
根据本发明的实施例，其中磁角度传感器(40、600)包括：第一霍尔器件(61)，检测第一检测方向z′；第二霍尔器件(62)，检测第二检测方向t；第一处理单元(63)耦接到第一霍尔器件(61)和第二霍尔器件(62)，并配置成提供第一角度信号DB，DB表示磁角度传感器(40)处的磁场矢量在传感平面tz′上投影的方位角β；第二处理单元(64)耦接到第一处理单元(63)的输出，并根据第一角度信号DB，提供表示磁体角位置α的第二角度信号DA。
根据本发明的实施例，其中磁角度传感器(40、600)包括：检测第一检测方向z′的第一霍尔器件(61)，包括两对连接头；检测第二检测方向t的第二霍尔器件(62)，包括两对连接头；电流源(2)，其输出提供一定的电流；滤波单元(F)，具有一个输入和一个输出；接线单元(W)，具有多个耦接到电流源(2)输出端、第一与第二霍尔器件(61、62)的连接头以及滤波单元输入端的节点，其选择性地将第一与第二霍尔器件(61、62)各自的一对连接头耦接到电流源(2)以使得电流流经第一与第二霍尔器件(61、62)，同时将第一与第二霍尔器件(61、62)各自的另一对连接头耦接到滤波单元(F)的输入端以提供第一霍尔电压信号；控制单元，其按照以下方式对接线单元(W)进行控制：一个时间周期Tf内，在第一个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令T1接线方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令Z1接线方案施于第二霍尔器件，在紧接着的第二个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令-T2方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令-Z2施于第二霍尔器件，这其中-T2、-Z2各自与T1、Z1正交且反向；进一步地，包括输出单元(4)，其耦接到滤波单元(F)的输出端，提供表示磁体(10)角位置的角度信号DA；其中，一个接线方案中一对连接到电流源的连接头在另一个接线方案中连接到滤波单元，这两个接线方案被称作是正交的；一个接线方案中霍尔电压信号同另一个接线方案中霍尔电压信号的方向相反，这两个接线方案被称作是互为反向的。
根据本发明的实施例，其中输出单元(4)包括：比较器(3)，具有耦接到滤波单元(F)的第一输入端与接地的第二输入端；相位检测单元(5)，具有耦接到比较器(3)输出端的第一输入端(EN)、接收PWM信号的第二输入端(RST)、接收时钟信号的第三输入端(CLK)及提供表征磁体(10)角位置的角度信号DA的输出端。
根据本发明的实施例，其中相位检测单元(5)包括：锁存电路，具有耦接到比较器输出端的置位输入端，和接收PWM信号的复位输入端，以及输出端；计数器，具有耦接到锁存电路输出端的输入端，以及提供表示磁体(10)角位置的与磁化方向(M)相关的角度信号的输出端。
根据本发明的实施例，磁角度传感***(400)进一步包括：第三霍尔器件(131)，其平行于第一霍尔器件(61)且相对于第一霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；第四霍尔器件(132)，其平行于第二霍尔器件(62)且相对于第二霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；第二接线单元(W′)，具有多个耦接到电流源(2)的输出端、第三与第四霍尔器件(131、132)连接头的节点，其选择性地将第三与第四霍尔器件(131、132)各自的一对连接头耦接到电流源(2)以使得电流流经第一与第二霍尔器件(131、132)，第三与第四霍尔器件(131、132)各自的另一对连接头提供第二霍尔电压，施于第三与第四霍尔器件的接线方案和施于第一与第二霍尔器件的接线方案相同；减法单元(5)，具有接收第一霍尔电压信号的第一输入端、接收第二霍尔电压信号的第二输入端以及耦接到滤波单元输入端的输出端。
根据本发明的实施例，其中第一与第二霍尔器件在某时期内各自连接到电流源的那一对连接头在相应的时期到来之前已经连好，并在此时期内维持连接；同时另一对连接到滤波单元的连接头在此时期内连接，并在该时期之后继续维持连接一小段时间。
为实现上述及其他目标，根据本发明的实施例，提供了一种用于传感***的磁角度传感器，所述传感***包括沿径向磁化的磁体，该磁体可绕垂直于自身所在平面xy的z轴旋转，所述磁角度传感器具有平行于z轴且垂直于处在z轴与磁角度传感器之间的半径r的传感平面tz′，并与磁体所在平面xy异面，包括：第一霍尔器件，检测位于传感平面tz′上平行于z轴的第一检测方向z′的、由磁体所产生的磁场矢量的轴向磁场分量；第二霍尔器件，检测位于传感平面上tz′上垂直于半径r与z轴的第二检测方向t的、磁场矢量的正切磁场分量；以及处理单元，根据轴向磁场分量和正切磁场分量提供表示磁体角位置d的角度信号DA。
根据本发明的实施例，其中所述第一霍尔器件与第二霍尔器件分别具有两对连接头，所述处理单元包括：电流源，输出端提供一定的电流；滤波单元，具有一个输入端和一个输出端，所述滤波单元根据周期Tf＝1/f滤出基波频率为f的正弦波；控制单元，控制第一接线单元，使得第一与第二霍尔器件各自的一对连接头接收电流，同时第一与第二霍尔器件各自的另一对连接头提供第一霍尔电压信号，所述第一霍尔电压信号传至滤波单元；以及输出单元，输出单元，耦接到滤波单元的输出端，提供表示磁体角位置的角度信号DA。
根据本发明的实施例，其中所述输出单元包括：比较器，具有第一输入端与第二输入端，所述第一输入端耦接到滤波单元，所述第二输入端接地电位；锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，所述置位输入端耦接到比较器输出端，所述复位输入端接收PWM信号；以及计数器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接到锁存电路输出端，所述第二输入端接收时钟信号，所述输出端提供表示磁体角位置的角度信号DA。
根据本发明的实施例，其中所述磁角度传感器还包括：第三霍尔器件，平行于第一霍尔器件且相对于第一霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；第四霍尔器件，平行于第二霍尔器件且相对于第二霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；第二接线单元，具有多个节点，所述节点耦接到电流源的输出端、第三与第四霍尔器件连接头，所述第二接线单元其选择性地将第三与第四霍尔器件各自的一对连接头耦接到电流源以使得电流流经第三与第四霍尔器件，第三与第四霍尔器件各自的另一对连接头提供第二霍尔电压，施于第三与第四霍尔器件的接线方案和施于第一与第二霍尔器件的接线方案相同；以及减法单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第一霍尔电压信号，所述第二输入端接收第二霍尔电压信号，所述输出端耦接到滤波单元输入端。
为实现上述及其他目标，根据本发明另一实施例，提供了一种检测沿径向磁化的磁体(10)的角位置的方法，此方法包括：将磁角度传感器(40)放置于磁体(10)的轴侧，传感器不处于磁体所在的平面，并与磁体的转轴(z)平行(S1601)；检测传感器之处的磁场矢量的轴向磁场分量(Bz)与正切磁场分量(Bt)(S1602)；检测磁场矢量在传感器传感平面的投影的方位角β，其中传感平面是轴向磁场分量(Bz)与正切磁场分量(Bt)所在的平面(S1603)；通过与磁场矢量的方位角β进行匹配，得到表示磁体(10)磁化方向(M)与传感器(40)之间的差角，即磁体角位置α。
根据本发明的实施例，方位角β通过以下方法测得：采用第一霍尔器件(61)检测轴向磁场分量，其具有两对连接头；采用第二霍尔器件(62)检测正切磁场分量，其具有两对连接头；采用接线单元，将第一与第二霍尔器件(61、62)各自的一对连接头耦接到电流源以使得电流流经第一与第二霍尔器件，同时将第一与第二霍尔器件(61、62)各自的另一对连接头耦接到滤波单元(F)的输入端以提供一个表征方位角β的霍尔电压信号。按以下方式控制接线单元：一个时间周期Tf内，在第一个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令T1接线方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令Z1接线方案施于第二霍尔器件，在紧接着的第二个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令-T2方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令-Z2施于第二霍尔器件，这其中-T2、-Z2各自与T1、Z1正交且反向。
根据本发明的实施例，通过调整传感器(40)中检测轴向磁场分量(Bz)的第一霍尔器件的传感比率及检测正切磁场分量(Bt)的第二霍尔器件的传感比率，实现与方位角β的匹配。
根据本发明上述各方面的磁角度传感***及检测径向磁化磁体的角度位置的方法，有效解决了实际应用中有时轴端无法安装角度传感器的问题，实现了更灵活、更便于安装的磁角度传感***。
附图说明
参照以下附图，对本发明非限制性且非详尽的实施例进行描述。这些附图仅用于示例。通常，这些绘图只展示实施例中***或电路的一部分。
图1示出现有技术的涉及径向磁化的圆柱形磁体；
图2示出一个固定于转轴的磁体；
图3示出根据本发明一实施例的固定在平板上的磁体和轴；
图4示出根据本发明一实施例的包括磁体和安装于轴侧的磁角度传感器的磁传感***；
图5示出根据本发明一实施例的正切磁场分量、轴向磁场分量与径向磁场分量的波形图；
图6示出根据本发明一实施例的放置在轴侧并具有第一处理单元与第二处理单元的磁角度传感器的原理框图；
图7示出根据本发明另一实施例的角度信号不需要第二处理单元便直接输出的磁角度传感器的原理框图；
图8示出根据本发明一实施例的相位检测单元的原理框图；
图9示出根据本发明一实施例的霍尔器件所有可能的接线方案；
图10示出根据本发明一实施例的霍尔器件(用带叉形的方框符号表示)四组不互为反向的接线方案T1、T2、T3与T4；
图11示出根据本发明一实施例的霍尔器件中通过偏置电流时霍尔电压随时间轴变化的波形图；
图12示出根据本发明一实施例的适用于抑制尖峰的偏置电流和相应的霍尔电压的波形图；
图13示出根据本发明一实施例的另一种磁角度传感器的原理框图；
图14示出根据本发明一实施例的垂直集成霍尔器件的横截面视图；
图15示出根据本发明一实施例的应用于垂直集成霍尔器件的四组不互为反向接线方案的原理示意图；
图16示出根据本发明一实施例的检测径向磁化的磁体的角位置的方法。
不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的优选实施例，其示例用附图加以说明。虽然是结合优选实施例对本发明进行描述，应当理解为，并非要把本发明限制于这些实施例，相反本发明应当涵盖替代、修改和等效等，这些可能被包括在附加的权利要求所定义的精神和范围之内。此外，在以下详细描述中，为了提供对本发明的深入理解，对大量特定细节进行了阐述。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，未具体描述公知的方法、过程、器件和电路，以免对本发明产生不必要的混淆。
描述中的“耦接”可以是指直接连接或者经由中间媒介的间接连接。中介媒介可包括可能存在电阻、寄生电容和(或者)寄生电感的导体，还可包括二极管或其他器件(电路)。描述中的“电路”可以是集成电路(IC)、器件、印刷电路板***或其他。
在某些应用中，参考图2，一个径向磁化的磁体如圆柱形磁体10沿着z轴被固定在转轴20上，z轴垂直于磁体的xy平面。在这种情况下，磁传感器并不能被置于磁体10的正中央下方检测磁化方向M，故可将磁角度传感器21沿着磁体10的半径r置于xy平面，且径向磁场分量Br反映了基于磁化方向M的角位置α。如图5所示，角位置α相对于径向磁场分量Br存在一定的关系。在另外一些应用中，以图3所示为例，磁体10可能固定在平板30上或嵌于某一装置中，且同样具有转轴20，因此磁传感器既不能置于磁体10的正下方，也不能置于磁体的xy平面。故在这些情况中，需要一个检测***来检测基于磁化方向的角位置，从而要求一个更灵活的检测***，其磁角度传感器置于轴侧A1、A2、A3或A4任一区域，以适应于各种场合。
图4示出了根据本发明一实施例的磁传感***400，磁传感***400包括磁体10和磁角度传感器40，所述磁角度传感器40置于磁体10的轴侧A1、A2、A3或A4任一区域，如图3所示。磁体10沿径向磁化，其磁化方向M从磁体的北极N到南极S。在此实施例中，磁角度传感器既不在磁体10的正下方，也不位于xy平面上，而是在轴侧平行于z轴且低于磁体10的某处，用来检测磁场矢量在两个方向上的分量。第一个方向平行于z轴，采集磁场矢量B的轴向磁场分量Bz，第二个方向在其正切方向，采集正切磁场分量Bt。本领域普通技术人员非常清楚的一点是，正切方向t垂直于z轴、z轴和传感器40之间相应的那条半径所共同确定的平面。换言之，传感器40检测磁场矢量B在传感平面上的投影的正切磁场分量Bt和轴向磁场分量Bz，其中传感平面tz′平行于z轴、垂直于z轴与传感器40之间的那条半径。磁角度传感器40给出了表示磁体10角位置α的角度信号DA，该角度信号DA指示了磁体10磁化方向M与传感器40安装之处所对应半径的角度差。此实施例提供了一个灵活的检测***。
图5示出了根据本发明一实施例的正切方向t上的正切磁场分量Bt、平行于磁体z轴的轴方向z′上的轴向磁场分量Bz以及半径方向r上的径向磁场分量。如图5所示，正切磁场分量Bt与径向磁场分量Br成比例。
由于正切磁场分量Bt和轴向磁场分量Bz随角位置α变化的波形有预定的相位差，当磁传感器位于轴侧时，xy平面上以磁化方向M为参考的角位置α可通过磁场矢量在tz′平面的投影的方位角β获得，而方位角β可通过对正切磁场分量与轴向磁场分量之比求取反正切而得到。有各种方法和电路可实现此反正切函数来求得β值。根据图5所示，角位置α有一个对应于方位角β的预定值。在一个实施例中，通过适当地设定正切磁场分量Bt与轴向磁场分量Bz的灵敏度比例，可以使角位置α成比例于方位角β。
图6至图15示出多个实施例，它们应用于检测方位角β或直接检测角位置α。
图6示出根据本发明一实施例的基于正切磁场分量Bt和轴向磁场分量Bz的置于轴侧的检测磁体10角位置α的磁角度传感器600。磁角度传感器600检测磁场矢量B在平面tz′上投影的方位角β，通过与β角相匹配，提供与磁化方向M有关的磁角度传感器600的角位置α。在一个实施例中，检测方位角β的方法可以参照和结合已公开的美国专利8508218中检测角位置α的方法。
磁角度传感器600包括两个霍尔器件61、62，都为垂直霍尔器件，其检测方向都位于传感平面，各自沿t轴和z′轴方向。霍尔器件61、62各有两对连接头，为检测方位角，偏置电流通过其中一对连接头分别施加到61、62上，同时由另一对连接头检测霍尔电压。霍尔器件61、62连接到由控制单元L控制的接线单元W。接线单元W将接线方案施于器件61、62上，以确定哪一对连接头用于流通偏置电流及哪一对连接头用于采集霍尔电压。因此传感器600包括电流源2，其连接到接线单元W上。
除了连接到霍尔传感器61、62与电流源2的输出端，接线单元W还与滤波单元F的一个输入端相连接。在一个实施例中，滤波单元F是一个带通滤波器，对经由接线单元采集自霍尔器件61、62的霍尔电压信号进行滤波。
滤波单元F所输出的滤后信号传入比较器3的一个输入端，比较器3另一个输入端接地。比较器3输出的信号为数字信号，可采用现有技术检测得到其相位。图6所示实施例中，数字信号用粗箭头绘制，模拟信号用细箭头绘制。对于相位检测，可采用如图6所示的相位检测单元5，它接收比较器3输出的信号(为PWM信号)、控制单元L输出的信号和时钟6输出的时钟信号。比较器3和相位检测单元5构成了传感器600的输出单元4。表示所要检测的方位角β的信号DB由输出单元4的输出端口输出。
在已经示出的实施例中，电流源2、接线单元W、滤波器F、时钟6、控制单元L和输出单元4构成了第一处理单元63，其提供了表示磁场矢量B在传感平面tz′上投影的方位角β的第一角度信号DB(参见图4)。在一个实施例中，角度信号DB为一个8位数字信号。传感器600进一步包括了第二处理单元64，提供如图4所示的与磁化方向M有关的磁角度传感器600角位置α的角度信号DA，换言之即磁化方向M同传感器600所在之处半径r之间的差角。在一个实施例中，可通过给表示磁场矢量B的方位角β的第一角度信号DB加上某一预定值，得到角度信号DA。
图7示出了另一个实施例，该实施例的角度信号DA直接由相位检测单元5输出，不需要第二处理单元以得出如图4所示的与磁化方向M有关的磁角度传感器40的角位置。在一个实施例中，通过适当地设定第一霍尔器件61与第二霍尔器件62的灵敏度比例，例如设定第一霍尔器件61与第二霍尔器件62的灵敏度比例为1∶1，表示与磁化方向M有关的磁角度传感器40角位置α的角度信号DA可以直接由相位检测单元5的输出端口输出。
图8示出根据本发明一实施例的相位检测单元5的框图，它可以用于图6的实施例中。相位检测单元5包括置位-复位锁存器8和计数器9。锁存器8的置位输入端EN耦接到比较器3的输出端，以触发“开”状态(或“有效”状态)，锁存器8的复位输入端RST耦接到控制单元L的输出端，以触发“关”状态(或“空闲”状态)，或者反之亦然。这两个逻辑信号有相同的频率，但它们互相关联的相位取决于(甚至可能代表)所要测得的角度B。因此，锁存器8输出一PWM信号，此PWM信号其占空比表示这两个逻辑信号相关联的相位、进而表示角度β。锁存器8输出的PWM信号以及时钟电路6输出的时钟信号传入计数器9，其中时钟信号的频率非常高，比如高于锁存器8输出的PWM信号的频率三到四个数量级，具体要取决于所期望的分辨率。计数器9输出一个代表所要测得的角度β的8位数字信号DB。或者，在另一个实施例中，通过适当地设定霍尔器件间的灵敏度比例，计数器9输出的数字信号会直接代表所求的角度α。如前文所述，其他相位检测原理和实现方式可能会被采用，总之，其他输出单元可能会被采用。
图9示出根据本发明一实施例的霍尔器件所有可能的接线方案的示意框图，对8个应用在霍尔器件上的接线方案进行了图示说明。在图9中，霍尔器件用方形符号表示，偏置电流I的流向用细箭头表示，霍尔电压信号Vhall的方向用点箭头表示。这些方向显然只与霍尔器件的接线方式相对应，即霍尔器件连接头的连接方式。霍尔器件的检测方向垂直于绘制平面，且霍尔器件符号中央的标志表明两种接线方案中引出的霍尔电压属于相同还是相反的标记。图9中左手侧的几组接线方案引出相同标记的霍尔电压Vhall，因此这几组接线方案之间是不互为反向的接线方案。图9右手侧的接线方案之间亦是如此，但左侧任意接线方案都与右侧任意接线方案互为反向。此外，图9上半部分的任意接线方案与下半部分的任意接线方案正交，这是因为上半部分接线方案中用来流通偏置电流的一对连接头在下半部分接线方案中被用作采集和输出霍尔电压，反之亦然。
图10示出根据本发明一实施例的霍尔器件(用带叉的方框符号表示)的四组不互为反向的接线方案T1、T2、T3和T4。字母“i”和“v”各表示流过偏置电流和检测霍尔电压的连接头，且“+”和“-”表明其极性(或“方向”，参考上文)。可通过交换霍尔器件的输出连接头，即用“v-”代替“v+”、用“v+”代替“v-”；这些互为反向的接线方案通过前置一个减号来表示，即-T1、-T2、-T3和-T4。
为了便于理解图6所示传感器600的功能，图11示出图6的霍尔器件61、62流通偏置电流时霍尔电压Vhall随时间轴ωt变化的波形图。如图10所示，霍尔器件61所采用的接线方案用字母T(T1、T2、T3、T4)指代，但霍尔器件62所采用的同样的接线方案用字母Z(Z1、Z2、Z3、Z4)指代。施于霍尔器件的偏置电流在对应霍尔电压传入滤波单元F的同时保持恒定，因此偏置电流为电流脉冲的形式，即恒定电流脉冲构成的矩形形状。接线单元W首先采用接线方案T1，然后是Z1，接下来是-T2和-Z2。之后，按照此顺序循环往复地采用接线方案。换言之，电流源2流出的恒定偏置电流I会交替性地施加于霍尔器件61与62，与此同时，就偏置电流I正在流经的那个霍尔器件而言，它另一对连接头连接到滤波单元F上。输入滤波单元F的霍尔电压构成了一个阶梯函数(图11中用实线绘制)，而滤波单元F所输出的滤后信号在图11中用虚线绘制。
滤波单元F的基波频率为f，对应于周期Tf＝1/f，其中Tf在图11中也对应于2π。在一个接线方案变换到下一个接线方案之前，每个接线方案的施加时间都为Tf/4。时钟6和控制单元L一同按照着相应的时间逻辑运行着。所采用的接线方案按以下方式选择：在第一个0.5Tf的持续时期内，霍尔器件61、62生成相同标记的霍尔电压，在紧接着的第二个0.5Tf内，正交且反向的接线方案被采用，采用相应接线方案的相应霍尔器件的顺序在第一个0.5Tf和第二个0.5Tf中完全相同。这会导致产生一个基波频率f＝1/Tf、正弦波形状的滤后信号，此滤后信号的相位表示所要测得的磁场矢量B在传感平面上投影的方位角β。此外值得注意的是，霍尔器件中通常会存在的偏移在这种方式下会被消除。
比较器3将滤后信号与地电位进行比较，产生一个数字信号(更确切地说，是一个方波信号)，通过此数字信号、时钟6输出的时钟信号以及控制单元L输出的逻辑信号(通常是方波信号)，相位检测单元5(见图8)可输出一个表示所要测得的磁场矢量B在传感平面上投影的方位角β的数字信号，且通过适当地设定霍尔器件间的灵敏度比例，相位检测单元5可输出一个表示所求的角位置α的数字信号。
在一个实施例中，比较器3、控制单元L和锁存器8所输出的这三个信号，其频率相同，即上文所述的频率f。当然其他评估滤后信号的方法不难想到，尤其是去掉比较器3和(或)锁存器8和(或)计数器9，但这些方法通常会更复杂且(或)更慢。当霍尔器件连接到电流源2的同时连接到滤波单元F，会产生电流尖峰和相应的电压尖峰(图11中未示出)，尤其是开始连接以及断开连接的时刻。这种电压信号的尖峰输入到滤波单元F时，会导致所要测的角度β不够精准。为了避免上述问题，在滤波单元F连接到霍尔器件61、62之前，电流源2同霍尔器件61、62的连接已经完成；在滤波单元断开与霍尔器件61、62的连接后，电流源2同霍尔器件61、62的连接才断开。因此，存在流通偏置电流为2倍于原先偏置电流I的时刻，这要求电流源2可以同步地提供原先偏置电流2倍的电流，或者提供第二电流源。
图12示出根据本发明一实施例所采用的为抑制电压尖峰和提高测量精度而完成上述流程的偏置电流I和相应的霍尔电压Vhall随时间轴的变化。图12的下半部分示出偏置电流I，其中各个接线方案的表示符号标上了引号，这是因为完整的接线方案(包括两对连接头的连接情况)显然只在另一对连接头也恰好连接上(即连接到滤波单元F)的时间段内是被采用的。这里是图12的一个示例：根据施于霍尔器件62的接线方案Z1，霍尔器件62与滤波电源F的连接只维持在π/4到3π/4(图12中的上半部分)，与电流源2的连接维持在0到π/2(图12中的下半部分)。在这种情况下，相比与滤波单元F的连接，与电流源2的连接要提前建立和推迟断开各Tf/8，它们维持的时长是与滤波单元F的连接的2倍，并且以后者连接维持的时间段为中心。
另一个可能的改善之处在于即使在严重非线性的霍尔器件中也可实现卓越的偏置消除效果，它采用的不仅仅是2组接线方案(对于每个霍尔器件来说)，而是4组。
在这种情况下所重复的接线方案次序，其周期长度不是Tf而是2Tf。在第一个Tf中，可以采用如图12所示出的次序，也就是T1、Z1、-T2、-Z2。但是在第二个Tf中，采用T3、Z3、-T4、-Z4的次序(图10)。因此滤后信号是第一个周期Tf和第二个周期Tf之间的平均值。显然，这个实施例可以结合如图12所示的实施例。
图13示出根据本发明一实施例的另一个改进后的传感器40的原理框图。在这种情况中，提供了第二套霍尔器件，所处传感器包括第三霍尔器件131和第四霍尔器件132，它们分别平行于霍尔器件61和62。优选地，霍尔器件131和132分别与霍尔器件61、62相同，它们对齐的方式也与后者相同，并且分别相对于霍尔器件61、62绕垂直于传感平面的轴旋转180°。所增加的霍尔器件131、132由所增加的类似于接线单元W的第二接线单元W′控制；两个接线单元W、W′都由控制单元L控制。另外，图13所示出的实施例的特性可由图6(与图7)实施例的特性推断出来。对于131和61，同时采用同样的接线方案；对于132和62，也是同时采用同样的接线方案。接线方案可以是结合图11所讨论的一套(T1、Z1、-T2、-Z2)或者上文所述的改进后的一套(T1、Z1、-T2、-Z2、T3、Z3、-T4、-Z4)，其中尖峰抑制方法显然也可以加以运用。
在霍尔器件产生的Vhall信号传入滤波单元F之前，通过减法单元7，第一套霍尔器件(61、62)产生的第一霍尔信号与第二套霍尔器件(131、132)产生的第二霍尔信号之间形成差分信号。例如，采用加法器和反相器实现，然后将差分信号传入滤波单元F。由于第二套霍尔器件131、132在旋转180°后与第一套霍尔器件61、62对齐，此差分信号的绝对值会大致等于单独每套霍尔器件所产生的信号绝对值的2倍。因此不仅信噪比有所提高，而且更重要的是，霍尔器件与滤波单元F的连接建立或断开(通过改变接线方案)时刻的开关噪音会至少得到大幅度的衰减。因此，可以得到一个更加精确的输出信号，但是与只采用一半数量的霍尔器件相比，需要提供两倍的偏置电流。
另一个特殊的实施例尤其适合于磁场矢量B的投影是旋转着的情况，此时滤波单元实质上为带通滤波器，尤其为一个品质因数Q最好约π/2的带通滤波器。
在磁场矢量B(以及投影)旋转的情况下，例如永磁体附在旋转轴上的典型情况，可获取的数据(由输出单元4输出)总是比当前实际的角位置有所延迟，这是因为传感器输出对应于测量周期内角位置的平均值，而不是对应于测量周期最终时刻的角位置。当测量时间相对于磁体旋转周期并不算短，或者数据在接下来的周期里才进行平均(比如为了降噪)，此延迟变得重要起来。解决方案之一是通过估计旋转速度来修正输出的数据，例如在半个输出周期内将前次的角位置加上或减去角位移。然而这要求某些逻辑处理，会花费测量时间且需要一个相对复杂的实现过程。但是，就所推荐的解决方案而言，当频率远离中央频率时，它利用带通滤波器产生的自然相移，当磁场旋转时此种情况确实会发生。当磁场矢量投影旋转方向与接线顺序(如图6的示例：t、z、-t′、-z′，字母表示霍尔器件61、62，负号表示反向的接线方案)所描述的方向相同时，带通滤波器输入端的信号频率会减小；当磁场矢量旋转方向与接线顺序所描述的方向相反时，带通滤波器输入端的信号频率会增大。因此，当磁体旋转方向同接线顺序相反时，滤波器引入正相移；当磁体旋转方向同接线顺序相同时，滤波器引入负相移。因此，可以适当地设计带通滤波器，令其检测磁场矢量投影的旋转方向，并设定测量方向(更确切地说，是接线方案顺序)，这样相移可至少抵消上文所述的延迟(t、z′、-t、-z′或-z′、-t、z′、t)。实质上π/2的品质因数Q几乎完美地补偿了延迟。
采用三个或更多(六个或更多)霍尔器件并应用上述的方法，这样也是可行的。但是在这种情况下，建议谨慎选择霍尔电压从各自的霍尔器件传入滤波单元的顺序。此外，例如霍尔器件的角度方位不是规则分布，建议谨慎调整各个霍尔器件将其霍尔电压传入滤波单元的持续时间长度。顺序和持续时间这两项，都应根据传入滤波单元的阶梯信号是模仿频率f＝1/Tf的正弦波这个依据来进行选择。而且，应该说明的是，这里提到的每一个霍尔器件，可以是单个霍尔器件，也可以由两个或更多的单个霍尔器件组成，后者以并联、串联或混合的串并联方式进行连接。在一个实施例中，一个霍尔器件由两个简单霍尔器件并联组成，它的两对连接头都是由这两个简单霍尔器件各自的一对连接头并联而成。在另一个实施例中，另一种复合霍尔器件由两个简单霍尔器件组成，对于这两个简单霍尔器件中的每一个，都提供了单独的电流源。这里也可以把这两个单独的电流源看成一个复合电流源的两个部件。这两个简单霍尔器件各自的电压v-和v+传入单独的加法器，以提供复合霍尔器件的霍尔电压。一般而言，根据本发明一个霍尔器件当然可以拥有超过这四个的连接头，也就是上文所述的两对连接头。
以上提到的所有实施例都可以在单个硅芯片中得到很好的实现，特别是采用CMOS工艺，所谓的垂直集成霍尔器件尤其适合于这个实现过程。
图14示出根据本发明一实施例的垂直集成霍尔器件40横截面的概要透视图。在p掺杂的硅衬底中，有一个n掺杂的阱，硅衬底表面有五个以平行对齐的接触线框所表示的金属接触，来流通偏置电流I和采集霍尔电压Vhall。如图14中粗线所示，通常这五个金属接触中的两个会被短接起来，即最外侧的两个。垂直霍尔器件40左侧标有“B”的箭头表示平行于垂直霍尔器件40所检测的方向的磁场矢量。
根据图14的一个接线方案示例，正中间的接触用来输入偏置电流，然后如弯箭头所指示的方向流向最外侧两个接触。电流源(图14中只是象征性地绘出)连接于最中间的接触和最外侧两个接触；当然采用两个单独的电流源也是可以的，每个电流源各自连接一个最外侧的接触并同时连接最中间的接触。如图14所示，另外两个接触用来采集相应的霍尔电压(霍尔电压存在于与检测方向平行的非零的磁场矢量分量)。
图15示出根据本发明一实施例的应用于垂直集成霍尔器件的四个非反向接线方案的原理示意图。参考图14所示的垂直集成霍尔器件，图15可以看成是这种垂直集成霍尔器件的俯视示意图，其示出的四个接线方案记名与图10示出的完全相同，细节可互相参考。
这些实施例的各方面以功能单元来描述。很容易理解的是，这些功能单元事实上可用任何数量的适合执行特定功能的部件实现。例如，一个控制单元L和一个接线单元就可用来实现与图13实施例功能相同的实施例，但是也可以用两个控制单元和两个接线单元来实现。
而且，滤波单元F也可以低通滤波器的形式实现，并可能另有一个偏移消除器(抑制直流电压偏移)，至少在一些不同于上文所述的采用适当品质因数的带通滤波器以补偿时间延迟的实施例中是这样。一般而言，滤波单元的主要目的是从霍尔电压阶梯信号中抽取频率为f＝1/Tf(其相位为所要检测的角度)的正弦波。
图16示出根据本发明一实施例的径向磁化磁体角位置的检测方法1600。方法1600包括第一步S1601，将磁体角度传感器置于磁体轴侧且磁体表面下方的区域，平行于磁体的旋转轴。方法1600包括第二步S1602，检测传感器所在之处磁场矢量的平行于旋转轴的轴向磁场分量，以及正切磁场分量。方法1600进一步包括第三步S1603，检测磁场矢量在传感平面上投影的方位角。通过等式β＝Arctan(Bt/Bz)，方位角β可以根据正切磁场分量Bt和轴向磁场分量Bz计算得来。在一个实施例中，此计算过程由图6、图7或图13所示的传感器完成。最后方法1600包括第四步S1604，通过与磁场矢量的方位角β匹配，得到表示磁体磁化方向和传感器之间差角的磁体角位置α。在一个实施例中，匹配方位角β的方法通过调整检测轴向磁场分量和正切磁场分量的传感器之间的灵敏度比例来实现。在一个实施例中，参照图5，如果正切磁场分量Bt的曲线幅值Btm等于轴向磁场分量Bz的曲线幅值Bzm，那么所要求的的磁体角位置就等于磁场矢量的方位角。
尽管以上描述了各种实施例，应该理解的是，它们仅作为示例展现，而并非限制。因此优选实施例的宽度和范围不应该为任何上述的示例性实施例所限制，而只应该按照本发明的权利要求以及它们的等效范围来定义。

Claims (14)

1.一种磁角度传感***，包括：
磁体，沿径向磁化，其所在平面为xy，所述磁化方向由磁体的北极到南极，北极和南极在xy平面上相反的两端，所述磁体可绕垂直于平面xy的z轴旋转；以及
磁角度传感器，具有传感平面tz′，所述传感平面tz′平行于z轴且垂直于处在z轴与磁角度传感器之间的半径r，所述磁角度传感器同平面xy异面，检测位于传感平面tz′上平行于z轴的第一检测方向z′的、磁体所产生磁场矢量的轴向磁场分量，以及位于传感平面tz′上垂直于半径r与z轴的第二检测方向t的、磁场矢量的正切磁场分量，以提供表示磁角位置α的角度信号DA。
2.如权利要求1所述的磁角度传感***，还包括：
实现函数β＝Arctan(Bt/Bz)的计算电路，所述β表示磁角度传感器处的磁场矢量在传感平面tz′上投影的方位角，磁体的角位置α由计算出的方位角β得到。
3.如权利要求1所述的磁角度传感***，其中，所述磁角度传感器包括：
第一霍尔器件，检测第一检测方向z′；
第二霍尔器件，检测第二检测方向t；
第一处理单元，耦接到第一霍尔器件和第二霍尔器件，并提供第一角度信号DB，所述DB表示磁角度传感器处的磁场矢量在传感平面tz′上投影的方位角β；以及
第二处理单元，耦接到第一处理单元的输出，根据第一角度信号DB，提供表示磁体角位置α的第二角度信号DA。
4.如权利要求1所述的磁角度传感***，其中，所述磁角度传感器包括：
第一霍尔器件，检测第一检测方向z′，包括两对连接头；
第二霍尔器件，检测第二检测方向t，包括两对连接头；
电流源，输出端提供一定的电流；
滤波单元，具有一个输入端和一个输出端，所述滤波单元根据周期Tf＝1/f滤出基波频率为f的正弦波；
接线单元，具有多个节点，所述节点耦接到电流源输出端、第一与第二霍尔器件的连接头以及滤波单元输入端，所述接线单元选择性地将第一与第二霍尔器件各自的一对连接头耦接到电流源，以使得电流流经第一与第二霍尔器件，同时将第一与第二霍尔器件各自的另一对连接头耦接到滤波单元的输入端以提供第一霍尔电压信号；
控制单元，按照以下方式对接线单元进行控制：一个时间周期Tf内，在第一个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令T1接线方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令Z1接线方案施于第二霍尔器件，在紧接着的第二个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令-T2方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令-Z2施于第二霍尔器件，这其中-T2、-Z2各自与T1、Z1正交且反向；以及
输出单元，耦接到滤波单元的输出端，提供表示磁体角位置的角度信号DA；
其中，
一个接线方案中一对连接到电流源的连接头在另一个接线方案中连接到滤波单元，这两个接线方案被称作是正交的；以及
一个接线方案中霍尔电压信号同另一个接线方案中霍尔电压信号的方向相反，这两个接线方案被称作是互为反向的。
5.如权利要求4所述的磁角度传感***，其中，所述输出单元包括：
比较器，具有第一输入端与第二输入端，所述第一输入端耦接到滤波单元，所述第二输入端接地电位；
锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，所述置位输入端耦接到比较器输出端，所述复位输入端接收PWM信号；以及
计数器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接到锁存电路输出端，所述第二输入端接收时钟信号，所述输出端提供表示磁体角位置的角度信号DA。
6.如权利要求4所述的磁角度传感***，还包括：
第三霍尔器件，平行于第一霍尔器件且相对于第一霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；
第四霍尔器件，平行于第二霍尔器件且相对于第二霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；
第二接线单元，具有多个节点，所述节点耦接到电流源的输出端、第三与第四霍尔器件连接头，所述第二接线单元其选择性地将第三与第四霍尔器件各自的一对连接头耦接到电流源以使得电流流经第三与第四霍尔器件，第三与第四霍尔器件各自的另一对连接头提供第二霍尔电压，施于第三与第四霍尔器件的接线方案和施于第一与第二霍尔器件的接线方案相同；以及
减法单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第一霍尔电压信号，所述第二输入端接收第二霍尔电压信号，所述输出端耦接到滤波单元输入端。
7.如权利要求4所述的磁角度传感***，其中
第一与第二霍尔器件在某时期内各自连接到电流源的那一对连接头在相应的时期到来之前已经连好，并在此时期内维持连接；同时另一对连接到滤波单元的连接头在此时期内连接，并在该时期之后继续维持连接一小段时间。
8.一种用于传感***的磁角度传感器，所述传感***包括沿径向磁化的磁体，该磁体可绕垂直于自身所在平面xy的z轴旋转，所述磁角度传感器具有平行于z轴且垂直于处在z轴与磁角度传感器之间的半径r的传感平面tz′，并与磁体所在平面xy异面，所述磁角度传感器包括：
第一霍尔器件，检测位于传感平面tz′上平行于z轴的第一检测方向z′的、由磁体所产生的磁场矢量的轴向磁场分量；
第二霍尔器件，检测位于传感平面上tz′上垂直于半径r与z轴的第二检测方向t的、磁场矢量的正切磁场分量；以及
处理单元，根据轴向磁场分量和正切磁场分量提供表示磁体角位置α的角度信号DA。
9.如权利要求8所述的磁角度传感器，其中所述第一霍尔器件与第二霍尔器件分别具有两对连接头，所述处理单元包括：
电流源，输出端提供一定的电流；
滤波单元，具有一个输入端和一个输出端，所述滤波单元根据周期Tf＝1/f滤出基波频率为f的正弦波；
控制单元，控制第一接线单元，使得第一与第二霍尔器件各自的一对连接头接收电流，同时第一与第二霍尔器件各自的另一对连接头提供第一霍尔电压信号，所述第一霍尔电压信号传至滤波单元；以及
输出单元，输出单元，耦接到滤波单元的输出端，提供表示磁体角位置的角度信号DA。
10.如权利要求9所述的磁角度传感器，其中所述输出单元包括：
比较器，具有第一输入端与第二输入端，所述第一输入端耦接到滤波单元，所述第二输入端接地电位；
锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，所述置位输入端耦接到比较器输出端，所述复位输入端接收PWM信号；以及
计数器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接到锁存电路输出端，所述第二输入端接收时钟信号，所述输出端提供表示磁体角位置的角度信号DA。
11.如权利要求9所述的磁角度传感器，还包括：
第三霍尔器件，平行于第一霍尔器件且相对于第一霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；
第四霍尔器件，平行于第二霍尔器件且相对于第二霍尔器件旋转了180度，包括两对连接头；
第二接线单元，具有多个节点，所述节点耦接到电流源的输出端、第三与第四霍尔器件连接头，所述第二接线单元其选择性地将第三与第四霍尔器件各自的一对连接头耦接到电流源以使得电流流经第三与第四霍尔器件，第三与第四霍尔器件各自的另一对连接头提供第二霍尔电压，施于第三与第四霍尔器件的接线方案和施于第一与第二霍尔器件的接线方案相同；以及
减法单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第一霍尔电压信号，所述第二输入端接收第二霍尔电压信号，所述输出端耦接到滤波单元输入端。
12.一种检测径向磁化磁体的角度位置的方法，包括：
将磁体角度传感器置于磁体轴侧且磁体表面下方、平行于磁体旋转轴的区域；
检测传感器所在之处磁场矢量的轴向磁场分量和正切磁场分量；
检测磁场矢量在传感平面上投影的方位角β，所述传感平面为正切磁场分量和轴向磁场分量所决定的平面；以及
通过与磁场矢量的方位角β匹配，得到表示磁体磁化方向和传感器之间差角的磁体角位置α。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述方位角β的检测包括：
采用第一霍尔器件检测轴向磁场分量，所述第一霍尔器件包括两对连接头；
采用第二霍尔器件检测正切磁场分量，所述第二霍尔器件包括两对连接头；
采用接线单元，所述接线单元将第一与第二霍尔器件各自的一对连接头耦接到电流源，以使得电流流经第一与第二霍尔器件，同时将第一与第二霍尔器件各自的另一对连接头耦接到滤波单元的输入端以提供表示方位角的霍尔电压信号，所述滤波单元根据周期Tf＝1/f滤出基波频率为f的正弦波；
按以下方式控制接线单元：
在第一个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令T1接线方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令Z1接线方案施于第二霍尔器件；在紧接着的第二个0.5Tf的持续时期中，前0.25Tf期间令-T2方案施于第一霍尔器件，后0.25Tf期间令-Z2施于第二霍尔器件，这其中-T2、-Z2各自与T1、Z1正交且反向。
14.如权利要求12所述的方法，其中，与磁场矢量的方位角β进行匹配，是通过调整检测轴向磁场分量的传感器第一霍尔器件和检测正切磁场分量的传感器第二霍尔器件之间的灵敏度比例来实现。
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