CN108692743A - 冗余故障检测设备和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了冗余故障检测设备和方法。本发明涉及用于误差检测的集成电路(1)。该集成电路包括用于接收两个信号的输入(2)，其中第一信号表示第一范围中的物理量而第二信号表示第二范围中的该物理量。第一范围和第二范围是交迭的不同范围。电路包括处理器(3)，该处理器(3)被配置成通过计及所述第一和第二范围来检测两个信号之间的不一致，其中此不一致指示错误。

Description

冗余故障检测设备和方法
技术领域
本发明涉及集成电路的领域。更具体地，本发明涉及用于误差检测的集成电路、涉及磁位置传感器单元并且涉及用于误差检测的相关方法。
背景技术
各种应用需要传感器来检测物理量，诸如位置，例如物体的线性位置或角位置。例如使用磁传感器结合磁场生成和/或影响元件(例如，磁化物体或改变磁场的物体)来测量磁场的磁场性质是本领域中已知的。磁传感器和此元件可被典型地布置成诸如相对于彼此可移动，例如可旋转和/或可平移。因此，磁传感器可测量从物体放射或受物体影响的磁场的性质，其中此性质指示元件相对于传感器的相对位置和/或定向。例如，线性位置传感器可确定物体在线性路径上相对于传感器的位置，而角传感器可确定物体相对于传感器的角定向。
所测量的磁场性质可以是磁场强度，该磁场强度可例如被霍尔(Hall)传感器元件直接测量。另一性质可以是磁通量，该磁通量可例如通过感应电流来间接测量。例如，可使用电感传感器元件，诸如线圈。测量一个或多个磁场分量(例如，磁场向量在特定方向上的投射)的强度也是本领域中已知的。
此外，可测量多于一个的磁场性质，和/或可在多个感测位置中测量此性质或诸性质。然后可组合和/或处理多个测量值以确定感兴趣的位置信息。
例如，使用磁传感器来确定杆轴角度是本领域中已知的。在这种现有技术设备中，磁体可被机械地链接到齿轮，并且磁传感器被用于确定该磁体的角位置。不同磁传感器可检测经由对应齿轮链接到杆轴的对应磁体的磁场，其中每个齿轮相对于机械地连接至输入杆轴的中心齿轮具有不同的齿轮传动比。因此，此类磁传感器可使用游标原理来实现准确的角度确定。
在另一示例中，US 2015/226581公开了一种用于测量转子相对于定子的角位置的布置。此布置包括安装在转子上的多极磁体、安装在定子上的传感器以及组织成两组或四组以测量磁场分量的多个传感器元件。公开了一种用于基于每组中的元件的信号来计算角位置的方法。因此，可提供测量多极磁体的磁场同时实质上对偶极场不敏感的磁传感器。
在不同示例中，US 2005/0151535公开了包括第一轭以及第一轭上的第一和第二磁体的磁线性位置传感器。第一磁体和第二磁体的在相反方向上倾斜的的表面分别形成磁北极和磁南极。第二轭被置于与第一和第二磁体相对的位置，被空气间隙分开。磁电换能器被置于该空气间隙中来感测线性位置。
发明内容
本发明的实施例的目的是例如为(磁)位置传感器单元提供例如用于检测传感器单元的故障状态的优良且高效的误差检测。
本发明的实施例的优点是在传感器单元中可基于该单元的输出信号来检测故障状态。
本发明的实施例的优点是提供合理性检查以验证传感器单元的输出信号。
本发明的实施例的优点是磁位置传感器单元(例如，现有技术磁位置传感器单元)的故障检测覆盖可在不需要对传感器单元的复杂和/或昂贵的修改的情况下被容易地改进。
例如，已经需要用于提供位置输出(例如以提供对抗所确定位置的外部影响的稳健性和/或以扩大可确定该位置的范围)的传感器元件和/或读出电路可在没有实质性修改的情况下被有利地使用以检测该传感器元件和/或读出电路中的故障。
以上目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明涉及用于误差检测的集成电路。该集成电路包括用于接收两个信号的输入，其中两个信号中的第一信号在第一范围中表示物理量而两个信号中的第二信号在第二范围中表示相同物理量。第一范围和第二范围是交迭的不同范围。
例如，第一范围与第二范围的比率等于第二信号对物理量的导数与第一信号对物理量的导数的比率。例如，物理量可指代角位置，其中第一范围可例如为180°(例如，由四极场测量提供)而第二范围可例如为360°(例如，由偶极场测量提供)。在此示例中，范围之间的比率将等于1/2。对于角位置的单位变化，表示磁场的信号可通过分别对第一信号的相位的2°移位而对第二信号的相位的1°移位来改变。
集成电路还包括处理器，该处理器被配置成通过计及第一和第二范围来检测两个信号之间的不一致，其中此不一致指示误差。
在根据本发明的实施例的集成电路中，处理器可被配置成在第一信号和第二信号中的任一者或两者至第一范围、至第二范围或至公共第三范围的合适变换之后将第一信号与第二信号进行比较，其中所述一个或多个变换例如通过计及第一范围与第二范围的比例和差异来计及第一范围和第二范围。
在根据本发明的实施例的集成电路中，处理器可被配置成通过计及第一范围基于第一信号来计算表示物理量的第一值并通过计及第二范围基于第二信号来计算表示物理量的第二值。
在根据本发明的实施例的集成电路中，处理器可适于通过比较第一值与第二值来检测两个信号之间的不一致。
在根据本发明的实施例的集成电路中，集成电路可适于位置传感器单元(例如，磁位置传感器单元)的误差检测。处理器可被配置成检测不一致作为指示位置传感器单元中的误差。输入可适于从位置传感器单元接收两个信号。物理量可以是目标的位置。
在根据本发明的实施例的集成电路中，处理器可适于以超过单个旋转的角范围中的角度的形式来确定位置。
在根据本发明的实施例的集成电路中，两个信号，即第一信号和第二信号，可经由两个信号的不同周期性作为物理量的函数而与物理量相关。
在根据本发明的实施例的集成电路中，第一值可表示物理量模与第一信号的周期性相对应的第一周期，而其中第二值可表示物理量模与第二信号的周期性相对应的第二周期。例如，第一值和/或第二值可在每个周期的相同值范围上重复，使得当物理量超过该范围的限制时，该值回绕到值范围的开始处。
在根据本发明的实施例的集成电路中，第一周期可以是第二周期的整数倍数或第二周期的非整数倍数。
在根据本发明的实施例的集成电路中，第一信号可以是物理量的第一周期性函数而第二信号可以是物理量的第二周期性函数。在分别通过第一变换和通过第二变换来变换物理量之后，第一周期性函数和第二周期性函数可具有相同的函数形式。
在根据本发明的实施例的集成电路中，在任选地应用偏置之后，第一变换和第二变换可与物理量的缩放比例相对应，其中与缩放比例相对应的乘性因子和与偏置相对应的偏置项两者在第一变换与第二变换之间不同或者至少其中乘性因子在第一变换与第二变换之间不同。
在第二方面，本发明涉及用于确定目标的位置的位置传感器。位置传感器包括根据本发明的第一方面的实施例的集成电路以及用于生成两个信号并经由输入将这两个信号提供给集成电路的磁位置传感器单元。
在根据本发明的实施例的位置传感器中，磁位置传感器单元可包括多个电感传感器元件，用于经由电感传感器元件中的感应电流的性质来间接测量多个位置处的磁场性质。集成电路可适于基于所测量的感应电流的性质来确定目标的位置。
例如，磁位置传感器单元可将多个传感器信号组合到多个不同组合中以提供第一信号和第二信号。因此，第一信号和第二信号可从例如通过不同的线性组合而不同地组合的公共感测元件集合导出，或者从至少一个公共感测元件集合导出。此类公共感测元件集合可指代例如至少两个(例如至少四个、例如至少六个、例如至少八个)霍尔传感器或磁阻传感器，或者至少两个(例如至少四个、例如至少五个、例如至少六个、例如至少七个)电感传感器。
在根据本发明的实施例的位置传感器中，磁位置传感器单元可包括用于在多个位置测量磁场性质的多个霍尔元件。集成电路可适于基于所测量的磁场性质来确定目标的位置。
在根据本发明的实施例的位置传感器中，磁位置传感器单元可包括磁传感器，用于检测磁场的多极展开的两个不同阶并且用于生成两个信号作为对多极展开的两个不同阶的指示；以及磁组装件，用于在磁传感器的位置处形成具有多极展开的两个不同阶中的第一多极阶的第一磁场分量。第一磁场分量可相对于磁位置传感器单元在第一角度上旋转并且用于在磁传感器的位置处形成具有多极展开的两个不同阶中的另一多极阶的第二磁场分量。第二磁场分量可相对于磁传感器并相对于第一磁场分量在第二角度上旋转。
但是，本发明的实施例不一定限于此。例如，第一磁场分量可相对于第二磁场分量被固定。
在根据本发明的实施例的位置传感器中，磁组装件可被适配成使得第一磁场分量相对于磁位置传感器单元在第一角度上可旋转以及使第二磁场分量相对于第一磁场分量在第二角度上可旋转。第一角度和第二角度两者可取决于目标的位置但依据不同的依赖关系。处理器可适于接收两个信号以及适于组合它们以产生表示第一角度和第二角度的唯一***状态。
在第三方面，本发明涉及一种用于检测例如磁位置传感器单元的误差的方法。该方法包括例如从磁位置传感器单元接收两个信号，其中两个信号中的第一信号表示第一范围中的物理量(例如，表示目标的位置)而两个信号中的第二信号表示第二范围中的那个物理量。第一范围和第二范围是交迭的不同范围。
该方法包括例如通过将第一值与第二值进行比较，计及第一范围和第二范围来检测两个信号之间的不一致。该不一致指示磁位置传感器单元中的误差。
该方法可包括在第一信号和第二信号中的任一者或两者至第一范围、至第二范围或至公共第三范围的合适的变换之后将第一信号与第二信号进行比较，其中所述一个或多个变换例如通过计及第一范围与第二范围的比例或差异来考虑第一范围和第二范围。
该方法可包括通过计及第一范围基于第一信号来计算表示物理量的第一值，以及通过计及第二范围基于第二信号来计算表示物理量的第二值。
在根据本发明的实施例的方法中，两个信号可经由两个信号的不同周期性作为位置的函数而与目标的位置相关联。第一值可表示位置模与第一信号的周期性相对应的第一周期，而第二值可表示位置模与第二信号的周期性相对应的第二周期。
在根据本发明的实施例的方法中，第一信号可以是位置的第一周期性函数而第二信号可以是位置的第二周期性函数。在分别通过第一变换和通过第二变换来变换该位置之后，第一周期性函数和第二周期性函数可具有相同的函数形式。第一变换和第二变换可与例如在任选地应用偏置之后位置的缩放比例相对应，其中与该缩放比例相对应的乘性因子，(同样任选地)与该偏置相对应的偏置项可在第一变换与第二变换之间不同。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中显式阐述的。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的位置传感器中根据本发明的实施例的集成电路。
图2示出根据本发明的实施例的示例性位置传感器。
图3示出根据本发明的实施例的另一示例性位置传感器。
图4例示出根据本发明的实施例的方法。
这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于示例性目的，元素中的一些元素的尺寸可被放大且不按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。
具体实施方式
将针对具体实施例并参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图只是示意性的且非限制性的。在附图中，出于示例性目的，元素中的一些元素的尺寸可被放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于本发明实践的实际缩减。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或以任何其他方式来描述序列。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下是可互换的，并且本文中描述的本发明的实施例能够以除了本文中描述或例示的之外的其他顺序来操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶、下方等等用于描述性的目的，而不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下是可互换的，并且本文中描述的本发明的实施例能够以除了本文中描述或例示的之外的其他定向来操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。由此该术语被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件，或其群组的存在或添加。由此，“包括装置A和B的设备”的表达范围不应被限定于仅由组件A和B构成的设备。其意指关于本发明，设备的唯一相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部引用同一实施例，而是可以引用同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中将对本领域普通技术人员显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，诸发明性方面体现于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身表示本发明的单独实施例。
此外，尽管本文所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有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旨在落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
在第一方面，本发明涉及用于例如对发生在磁位置传感器单元中的误差进行误差检测的集成电路，该磁位置传感器单元例如包括感测元件的线性和/或角位置传感器，该感测元件用于感测指示要由传感器单元确定的位置的磁场的至少一个性质。集成电路包括用于例如从磁位置传感器单元接收两个信号的输入。两个信号中的第一信号表示第一范围中的物理量，例如目标的位置，而两个信号中的第二信号，即另一信号表示第二范围中的物理量，其中第一范围和第二范围是交迭的不同范围。集成电路包括处理器，该处理器被配置成通过计及所述第一和第二范围来检测两个信号之间的不一致，所述不一致指示误差。
在第二方面，本发明涉及位置传感器，用于确定目标的位置，例如角和/或线性位置。位置传感器包括根据本发明的第一方面的实施例的集成电路以及磁位置传感器单元，该磁位置传感器单元用于生成两个信号并且用于经由输入将这两个信号提供给集成电路。
参考图1，示出了根据本发明的实施例的用于误差(例如发生在磁位置传感器单元10中的误差)检测的集成电路1。磁位置传感器单元10可以是线性(或曲线)和/或角位置传感器，该传感器包括用于感测磁场的至少一个性质的感测元件，该至少一个性质指示要由该传感器单元来确定的位置。如本领域所知的，位置传感器单元可适于确定第一元件与第二元件之间(例如，定子部分与转子部分之间)的相对位置该相对位置可影响磁场，使得该位置可通过感测磁场的一个或多个性质并分析通过此感测获得的(诸)信号来确定。
集成电路1可以可操作地连接(或可连接)至磁位置传感器单元10。集成电路1可以是传感器单元外部的设备或者可被集成在传感器单元中。
集成电路1包括用于例如从磁位置传感器单元接收两个信号的输入2。这些信号可以是数字和/或模拟信号。信号可例如作为并行提供的信号经由输入被同时获得，或者可例如通过暂时地交替信号源经由输入被连续地获得。集成电路1可与磁位置传感器单元10共整合(cointegrate)，使得输入2可存在于感测元件与集成电路之间的物理电连接中和/或在例如由数字存储存储器或寄存器进行的用于使信号对集成电路可用的数字处理期间作为中间存储数字实体而存在。
两个信号中的第一信号表示第一范围中的物理量，诸如目标的位置，而两个信号中的第二信号，即另一信号，表示第二范围中的物理量，例如目标的位置。第一范围和第二范围是交迭的不同范围。因此，至少在两个范围交迭的子范围中，目标的位置可基于任一信号(和/或两个信号)来确定。
这两个信号可经由这两个信号作为物理量的函数(例如，作为分别指示目标关于参考系(例如相对于传感器单元的静态部分)的相对位置和/或定向的输入坐标或输入角度的函数)的不同周期性而与物理量(例如目标的位置)相关。例如，作为物理量的函数，两个信号中的每个信号可以是周期性的。两个信号中的每个信号可以是物理量(例如目标的坐标或角度)的周期性函数。此外，这些周期性函数的周期在两信号之间可不同。
每个信号可在周期性范围周期内提供关于物理量的信息，例如，位置可被确定直至由周期的整数倍数形成的附加项，例如位置模周期(the position modulo the period)可被确定，其中对两个信号中的每个信号，应用不同的周期。
因此，虽然两个范围不同，例如周期性函数至少在其周期内可不同，但两个信号指示相同的物理量，例如相同目标的相同位置，并且由此相互关联，例如相关。例如，两个周期性函数测量相同的物理量，例如相同位置。
例如，两个信号中的每一个可作为目标的位置的函数而改变。此外，两个周期性函数f1，f2可与相同函数表达式f(x)相关，其中x可以是位置变量的变换版本，例如位置变量的缩放版本和/或移位版本。例如，作为位置r的函数，两个周期性函数可仅在不同周期R1，R2中不同，例如使得f(x)＝f1(r/R1)＝f2(r/R2)。此外，两个周期性函数还可在偏置位置D1，D2中不同，例如使得f(x)＝f1((r-D1)/R1)＝f2((r-D2)/R2)。
第一范围可以是第二范围的整数或非整数倍数(或者显然，反之亦然)，例如与第一信号相对应的周期性函数的周期可以是与第二信号相对应的周期性函数的周期的整数倍数，例如R1＝k.R2，其中k从所有绝对正整数的集合1、2、3……选择。然而，各实施例不限于此。
由于两个信号不同地取决于物理量，例如目标的位置，因此稳健的故障检测可由本发明的实施例有利地提供。例如，将以相同方式(例如通过相同附加项或乘性因子)干扰两个信号的外部因子仍然会由于关于位置的不同函数关系而导致不一致。
例如，如果两个周期性函数也在偏置位置D1，D2中不同，则在校正该偏置之前在分别从第一和第二信号确定的测量值之间将总是存在已知位置差异。因此，故障检测可有利地被进一步改善，例如在稳健性上改善。例如，在0°的静态角目标位置处，如果输出第一角度或第二角度的信号链中的一个是有缺陷的，例如使得它们的输出总是等于0°，则在没有偏置位置的情况下其将不被检测到。然而，如果在两个角度之间存在伪角差异(artificialangular difference)，则由于偏置，此种情形可被检测到。
集成电路1包括处理器3，用于通过计及第一范围和/或第二范围来检测两个信号之间的不一致，其中此不一致指示误差。
处理器可被配置成在第一信号和第二信号中的任一者或两者至第一范围、至第二范围或至公共第三范围的合适变换之后将第一信号与第二信号进行比较。这一个或多个变换例如通过计及第一范围与第二范围的比率和/或差异或者例如通过计及第一范围和/或第二范围以及第一信号和/或第二信号的比率和/或差异来计及第一范围和/或第二范围。
该处理器可被配置成通过计及第一范围基于第一信号来计算表示物理量的第一值。该处理器还可被配置成通过计及第二范围基于第二信号来计算表示物理量的第二值。
处理器4可适于以位置的形式确定物理量。
处理器4可适于以沿预定路径关于参考点(例如坐标原点)的线性或曲线位移的形式确定目标的位置。
处理器4可适于以角度的形式确定目标的位置。例如，集成电路可基于第一信号和第二信号来确定目标的角位置，例如目标的定向。例如，第一信号可例如通过感测磁位置传感器单元中的偶极磁场而在360°范围内确定位置，而第二信号可例如通过感测磁位置传感器单元中的四极磁场而在180°范围内确定位置。
例如诸如为了增加与第一值和第二值中的任一者相关的所确定位置的准确度和/或诸如为了增加可准确地确定目标的位置的范围，处理器4可适于通过计及第一和第二值两者来确定目标的位置。
例如，处理器4可适于以表示单个完整旋转(例如，360°)的角范围中的角度形式确定位置。例如，第一范围可以是360°范围而第二范围可以是第一范围的整分数(integerfraction)，例如180°。
处理器4可适于以超过单个旋转(例如在多个旋转)上的角范围中的角度形式确定位置。两个信号可被组合，例如在计算中被联合地用来计算多圈角度，使得可在超过360°的范围中确定角度，同时仍然允许对角度的准确测量。
处理器3还可被配置成通过将第一值与第二值进行比较来检测两个信号之间的不一致，其中此不一致指示误差，例如磁位置传感器单元中的误差。
例如，在(例如，当且仅当)第一值与第二值之间的绝对差超过预定阈值时，可检测到不一致，该预定阈值指示正常操作条件下位置上的(统计)误差边际。
集成电路1可包括输出4。处理器3可适于生成故障信号并使该故障信号经由输出4(例如，对外部控制器、处理器和/或观测器)可用。该故障信号可在不一致被检测到时被生成。
图1还示出根据本发明的实施例的位置传感器11。位置传感器包括根据本发明的实施例的集成电路1以及用于生成两个信号并且用于经由输入2将这两个信号提供给集成电路1的磁位置传感器单元10。
集成电路1和传感器单元10可被集成到单个集成电路设备中。例如，最先进集成电路技术允许磁传感器与合适的读出电路(诸如角度/或线性位置计算电子器件)在单个芯片上的集成。
但是，本发明的实施例不限于此。例如，位置传感器11可包括多个磁位置传感器单元10。例如，这两个信号可分别由两个磁位置传感器单元来提供，其中磁位置传感器单元被配置成感测与相同的目标位置相关但在不同的位置范围中的信号。
此外，第一信号和第二信号可由读出电子器件提供，该读出电子器件组合多个传感器信号，例如针对两个信号中的每一个信号的相同传感器信号的不同组合。
同样，第一信号和第二信号可由不同的读出电子器件电路提供，每个读出电子器件电路处理由相同磁位置传感器单元、由与该读出电子器件电路相对应的传感器单元、或者由多个磁位置传感器单元提供的传感器信号。
因此，这两个信号可与相同的传感器相关、与相同的传感器部分地相关或与不同的传感器相关。这两个信号可与相同的读出电子器件电路相关、与相同的读出电子器件电路部分地相关或者与不同的读出电子器件电路相关。
位置传感器可例如是角位置传感器，包括转子部分和定子部分。
位置传感器还可以是线性位置传感器。此外，实施例不一定限于用于仅专门确定角位置或用于仅专门确定线性位置的传感器。
在位置传感器11中，磁位置传感器单元10可包括磁传感器，该磁传感器用于检测磁场的多极展开的(至少)两个不同的阶以及用于生成两个信号作为对该多极展开的两个不同的阶的指示。
这两个不同的阶指的是在磁场的多极展开(例如数学多极分解，例如实心球调和函数(solid spherical harmonic function)中的拉普拉斯展开(Laplace expansion))的意义上的不同的阶。换言之，该不同的阶可指代多极展开项的不同的阶。此外，第一阶和第二阶不一定是指这种多极展开的第一阶展开项和二阶展开项，而是指为了在指代这些两个不同多极阶中的特定的一个阶时清楚起见而由‘第一’和‘第二’标识的两个不同阶的展开项。
例如，本说明书中提供了示例，其中第一多极阶是偶极阶，而第二多极阶是四极阶。但是，本发明的实施例不一定限于此。
磁位置传感器单元10可包括用于感测不同磁场分量以产生第一和第二信号的装置。处理器3可适于接收第一和第二信号以及适于组合它们以产生指示目标的位置的唯一位置。
然而，在本发明的其他实施例中，磁位置传感器单元10不一定适于检测磁场的多极展开的不同阶，例如，不一定适于区分偶极和四极磁场对所观察的总磁场的贡献。例如，第一信号和第二信号可由不同的信号处理以及由至少一个读出电路提供的传感器读出来提供，但基于由相同传感器提供的相同传感器信号。例如，传感器可基于对传感器信号的读出和/或处理的一种方法来提供360°信号周期性，同时通过不同地读出和/或处理相同的传感器信号来提供180°信号周期性。
例如，在位置传感器11中，磁位置传感器单元10可包括多个霍尔感测元件，用于测量多个位置处和/或多个定向中的磁场性质，例如磁场强度，例如用于感测多个不同磁场分量，诸如不同的多极阶，但不一定受限于此。例如，磁位置传感器单元10可具有被设置在该磁位置传感器单元的表面处的多个霍尔元件。霍尔感测元件的电输出可被组合，例如被线性组合，以产生第一和第二信号。霍尔元件可对垂直于表面或平行于表面或其组合的磁场敏感。
本领域中已知的是，多个霍尔感测元件(例如，垂直和/或水平霍尔元件)的特定布置可提供各种优点。支援电子器件(supporting electronics)(例如，读出电路和/或处理器3)可将受限范围中的较准确测量与较宽范围中的较不准确测量组合在一起以实现在宽范围上的准确测量，如本领域中已知的，诸如为了减小或移除归因于外部磁场(例如，“Fremdfeld(陌生场)”)的存在的***误差，该支持电子器件还可组合各种测量。
替代地或附加地，在位置传感器11中，磁位置传感器单元10可包括电感传感器元件(诸如感应线圈)，用于经由对该电感传感器元件中的感应电流的性质的测量来(间接地)测量多个位置处和/或多个定向中的磁场性质，例如用于感测多个磁场分量。
替代地或附加地，在位置传感器11处，磁位置传感器单元10可包括其他磁感测元件，诸如巨磁阻(GMR)感测元件、各向异性磁阻(AMR)感测元件和/或隧道磁阻(TMR)感测元件。
处理器3可适于基于(直接和/或间接地)测量的磁场性质或诸磁场性质来确定目标的位置。
参考图2，在本发明的实施例中，传感器单元可包括磁组装件25。磁组装件25可包括永磁体。然而，磁组装件不一定包括永磁体，但还可包括另一类型的磁场源。例如，磁组装件可包括线圈和磁体控制器的布置。在后面的实施例中，磁场组装件可具有两个或更多个不同量级的磁极，且磁体控制器可向到线圈的电流提供不同的电压以形成不同量级的磁极。
位置传感器可例如是角位置传感器，包括转子部分和定子部分。磁组装件可被附接至转子，而单片集成传感器(例如，包括磁位置传感器单元10和集成电路1)可被附接至定子。
磁组装件25可被布置成使得其在磁传感器的位置形成磁场，该磁场具有带有不同角周期性的至少两个磁场分量。
磁组装件25可适于在磁位置传感器单元10的位置处形成具有与磁传感器可检测的多极展开的两个不同阶中的一个相对应的第一多极阶的第一磁场分量。
处理器3可适于接收第一和第二信号以及适于组合它们以产生磁组装件相对于传感器的唯一角位置。
第一磁场分量和第二磁场分量可相对于彼此在位置和定向上被固定，但相对于设备的静态部分可以是可旋转和/或可移动的，例如使得此旋转和/或移动由位置正被确定的目标来驱动。然而，第一磁场分量和第二磁场分量也可相对于彼此在位置和定向上不被固定，且每个分量相对于设备的静态部分可以是可旋转和/或可移动的，例如使得每个旋转和/或移动例如由目标分开地驱动。
第一磁场分量可相对于磁传感器在第一角度上旋转。磁组装件可适于在磁传感器的位置处形成具有第二多极阶的第二磁场分量，该第二多极阶与第一多极阶不同并与多极展开的两个不同阶中的另一个对应。第二磁场分量可相对于磁传感器并相对于第一磁场分量在第二角度上旋转。
第一角度和第二角度可经由相同或不同的关系(例如，相同或不同的线性关系)与要确定的目标的位置(例如，角度)相关。
此外，处理器3可适于接收两个信号以及适于组合它们以产生表示第一角度和第二角度的唯一***状态。例如，该唯一***状态可例如在超过360°的角范围中表示目标的角位置，例如多圈(multiturn)角位置。例如，第一角度与目标的角位置之间以及第二角度与目标的角位置之间的传动比可被计及以确定唯一***状态。
处理器3可适于基于例如指示至少两个不同阶磁场中的第一阶磁场的第一信号来计算表示角度(例如，第一角度)的第一值。例如，第一阶磁场可以是四极磁场。因此，四极磁场的旋转角度可例如由于四极磁场的旋转对称而在180°的范围中被确定。
处理器3可适于基于例如指示至少两个不同阶磁场中的第二阶磁场的第二信号来计算表示另一角度(例如，第二角度)的第二值。例如，第二阶磁场可以是偶极磁场。第二旋转角度可包括由第一磁组装件生成的四极磁场与由第二磁组装件生成的偶极磁场之间的相对角度。第一磁组装件和第二磁组装件两者都可被机械地耦合至目标，例如使得第一和第二值两者都指示目标的位置。
处理器可适于基于第一值和第二值来计算目标的角位置的区段。例如，计算此区段可包括乘性因子同四极磁场与偶极磁场之间的相对角度的乘法的舍入，其中此乘性因子通过第二磁组装件的几何配置以及由第一磁组装件生成的场的对称性来预先确定。
该区段可与杆轴相对于参考位置(例如，多角度的0°)旋转的区段数的整数值相对应，其中每个区段表示由第一磁组装件3生成的磁场的角对称性的单个周期，例如表示多圈角度的180°区段。因此，处理器可适于通过将所确定的区段乘以由第一磁组装件3直接生成的磁场的角对称性的周期(例如对于四极磁场乘以180°)，并将第一角度加到此乘法乘积来计算多圈角度。
处理器3适于检测至少两个信号之间的不一致。例如，对于分别将第一角度和第二角度与输入杆轴的输入角度相关(即，与目标的位置相关)的预定齿轮传动比，两个信号可经由不同的函数关系与相同的输入角度相关。例如，作为输入角度的函数的两个信号的不同周期性可允许处理器在超过单个旋转的范围上(例如在多个旋转上)确定输入角度，同时仍然允许对角度的准确测量。然而，在其中杆轴相对于参考位置旋转的区段数的整数值由处理器计算以指示多圈角度的区段的情形中，可针对由处理器确定的第一角度的不一致交叉检查此整数舍入的余数(例如，所述乘法的小数部分)。例如，处理器可适于检查第一角度是否位于由此余数确定的证实范围内。本发明的实施例的优点是，功能安全性可通过检查两个独立测量的角测量值之间的不一致来改善，这两个独立测量的角测量值例如在不需要附加芯片的情况下通过不同的函数关系而与公共多圈输入角度相关。
参考图2，根据本发明的实施例的位置传感器11可包括磁组装件25。该磁组装件25可在磁位置传感器单元10的位置处形成具有带有不同角度周期性的至少两个磁场分量的磁场。
例如，磁组装件可包括四极26，例如常规四极，以及单个偶极27，例如单个圆柱偶极。磁组装件还可包括四极26和一对偶极27、28。例如，这对偶极可以是位于旋转轴的相对侧的相同的圆柱偶极，在距离旋转轴相同的距离处而被定向在相对方向上。主磁场Bp可由四极生成，而次磁场Bs可由(诸)偶极生成。
因此，四极场Bp和偶极场Bs可由磁位置传感器单元10来测量。虽然两个场可被叠加，例如通过总合形成总磁场，但在不同位置处和/或不同定向中(即，对不同定向的场分量敏感)获得传感器测量值可例如通过如本领域已知的适当的处理以生成表示四极场贡献的性质的第一信号和表示偶极场贡献的性质的第二信号，来允许两者贡献的分离。四极和偶极场两者可表示目标的角位置。在此示例中，所生成的表示四极场的信号可具有180°范围，例如该信号作为带有180°周期的角度的函数而可以是周期性的，而所生成的表示偶极场的信号可具有360°范围，例如该信号作为带有360°周期的角度的函数而可以是周期性的。
例如，如果转子被链接到目标使得1对1角对应性存在，即使得目标的单元角度旋转意指转子的相同的单元角度旋转，则第一信号(与四极场相关联)可被用于确定目标模180°的整数倍的角位置，而第二信号(与偶极场相关联)可被用于确定目标模360°的整数倍的角位置。
磁位置传感器单元10可包括多个主传感器元件，例如布置在圆上的霍尔传感器。例如，八个传感器元件可例如以45°间隔均匀地分布在圆上。
四极和(诸)偶极可被布置于具有磁体相对于彼此的固定相对位置和定向的配置中。例如连接至目标使得目标在要被确定的角度上的旋转与转子的旋转相关联的转子5的旋转轴A可穿过四极26的中心并穿过传感器元件所在的圆8的中心。
参考图3，根据本发明的实施例的位置传感器11可适于感测杆轴在超过360°的角范围上的旋转位置，例如表示杆轴的角度和若干转数的角位置。
旋转位置传感器包括磁位置传感器单元10，磁位置传感器单元10可适于检测至少两个不同的阶磁场并适于生成指示至少两个不同的阶磁场的至少两个独立信号。例如，磁传感器可适于至少检测偶极磁场和四极磁场，并生成指示该偶极磁场和四极磁场的独立信号。
旋转位置传感器还可包括磁组装件26，用于在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的磁场分量。第一磁场分量通过接收第一角度相对于磁传感器可旋转。该磁组装件还适于在磁传感器的位置处形成具有与第一多极阶不同的第二多极阶的第二磁场分量。第二磁场分量通过接收第二角度相对于磁传感器并相对于第一磁场分量可旋转。
例如，此类磁组装件可包括在磁传感器的位置处形成具有第一多极阶的第一磁场分量的第一磁组装件31，例如第一磁组装件部分。第一磁组装件可适于通过接收第一角度相对于磁传感器旋转。例如，第一磁组装件可连接至转子5，以便在与磁位置传感器单元10的检测表面平行的平面上旋转。
第一磁组装件31可包括多极磁体，诸如用于形成四极磁场的四极磁体，例如，具有第一多极阶的第一磁场分量可以是四极磁场。例如，第一磁组装件可包括交叉布置的四个磁体条，其中相邻磁体条的磁极的定向进行交替。
该磁组装件可包括用于在磁位置传感器单元10的位置处产生具有与第一多极阶不同的第二多极阶的第二磁场分量的第二磁组装件32，例如第二磁组装件部分。
例如，第二磁组件32可包括用于在磁传感器的位置处生成偶极磁场的偶极磁体，而第一磁组件31可包括用于在磁位置传感器单元10的位置处生成四极磁场的四极磁体。
例如，具有第一多极阶的第一磁场分量(例如四极磁场)可具有比具有第二阶的第二磁场分量(例如偶极磁场)更高的阶。
根据本发明的实施例，第二磁组装件32可包括磁通量集中器。磁通量集中器可局部地改变由第一磁组装件31生成的磁场的磁场配置，使得不同阶的磁场分量(例如，具有第二阶的第二磁场分量)被磁传感器观察到，例如叠加在由第一磁组装件31生成的四极磁场上的偶极磁场。
例如，磁通量集中器可适于在将由第一磁组装件在第一磁组装件31附近的第一区域中生成的场与在磁位置传感器单元附近的第二区域中的经修改的场进行比较时，将第一磁组装件31的磁场的部分从第一角度范围角度地移位至第二不同的角度范围，其中此移位形成与由第一磁组装件31直接生成的场不同的阶(例如，不同多极阶)的场，诸如其中第一磁组装件生成四极场的偶极磁场。
该第二磁组装件32可适于通过接收第二角度相对于磁位置传感器单元10且相对于第一磁组装件31旋转。第一磁组装件31和第二磁组装件32可适于根据对于第一角度和第二角度不同的预定传动比从公共杆轴分别接收第一角度和第二角度。例如，第一磁组装件3可以具有磁场的角周期性，例如具有180°角周期的周期性，而第二磁组装件4可以生成具有不同角周期性的场。
例如，第一角度可以经由第一传动比r1与输入杆轴的输入角度相关。例如，此第一传动比可表示由输入角度的单位增量引起的第一角度的增量。该第二角度可经由第二传动比r2与输入杆轴的输入角度相关。例如，此第二传动比可表示由输入角度的单位增量引起的第二角度的增量。
在第三方面，本发明还涉及一种用于例如磁位置传感器单元中的误差检测的方法。参考图4，示出了根据本发明的实施例的示例性方法100。
该方法100包括例如从磁位置传感器单元接收101两个信号，其中两个信号中的第一信号表示第一范围中的物理量(诸如目标的位置)而两个信号中的第二信号表示第二范围中的那个物理量。第一范围和第二范围是交迭的不同范围。
接收101两个信号可包括使用磁位置传感器单元生成两个信号，例如，如上文所描述的那样。
这两个信号可经由两个信号的不同周期性作为位置的函数而与目标的位置相关。
第一信号可通过位置的第一周期性函数与目标的位置相关，而第二信号可通过位置的第二周期性函数与目标的位置相关。
在分别通过第一变换和通过第二变换变换该目标的位置之后，第一周期性函数和第二周期性函数可具有相同的函数形式，例如函数f(x)。
第一变换和第二变换可与在应用偏置之后目标的位置的缩放比例相对应。与缩放比例相对应的乘性因子以及与偏置相对应的偏置项两者在第一变换和第二变换中可不同。
该方法包括通过计及第一和第二范围来检测两个信号之间的不一致，其中此不一致指示误差。
检测不一致可包括在第一信号和第二信号中的任一者或两者至第一范围、至第二范围或至公共第二范围的合适变换之后将第一信号与第二信号进行比较。变换或(诸)变换可例如通过计及第一范围与第二范围的比例和/或差异或者例如通过计及第一和/或第二范围以及第一和/或第二信号的比例和/或差异来计及第一范围和/或第二范围。
该方法可包括基于第一信号并计及第一范围来计算102表示目标的位置的第一值。
第一值可表示目标的位置模与第一信号的周期性相对应的第一周期。
计算第一值可包括应用第一周期性函数的反函数(例如限于允许函数的逆的代表性周期)。例如，计算第一值可包括应用函数f(x)的反函数并且将第一变换的逆应用于反函数的结果。
该方法可包括通过计及第二范围基于第二信号来计算103表示目标的位置的第二值。
第二值可表示目标的位置模与第二信号的周期性相对应的第二周期。
计算第二值可包括应用第二周期性函数的反函数(例如限于允许函数的反演的代表性周期)。例如，计算第二值可包括应用函数f(x)的反函数并且将第二变换的逆应用于反函数的结果。
检测103两个信号之间的不一致可包括将第一值和第二值进行比较，其中该不一致指示磁位置传感器单元中的误差。

Claims (15)

1.一种用于误差检测的集成电路(1)，所述集成电路包括：
输入(2)，所述输入(2)用于接收两个信号，其中所述两个信号中的第一信号表示第一范围中的物理量而所述两个信号中的第二信号表示第二范围中的所述物理量，其中所述第一范围和所述第二范围是交迭的不同范围，以及
处理器(3)，所述处理器(3)被配置成通过计及所述第一范围和第二范围来检测所述两个信号之间的不一致，所述不一致指示误差。
2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述处理器被配置成在所述第一信号和所述第二信号中的任一者或两者至所述第一范围、至所述第二范围或至公共第三范围的合适变换之后将所述第一信号与所述第二信号进行比较，其中所述变换或诸变换计及所述第一范围和/或所述第二范围。
3.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述处理器(3)被配置成通过计及所述第一范围基于所述第一信号来计算表示所述物理量的第一值以及被配置成通过计及所述第二范围基于所述第二信号来计算表示所述物理量的第二值。
4.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，所述处理器适于通过比较所述第一值与所述第二值来检测所述两个信号之间的所述不一致。
5.如权利要求1到4中任一项所述的集成电路，其特征在于，所述集成电路适于位置传感器单元的误差检测，其中所述处理器(3)被配置成检测所述不一致作为指示所述位置传感器单元中的误差，其中所述输入(2)适于从所述位置传感器单元接收所述两个信号，并且其中所述物理量是目标的位置。
6.如权利要求1到4中任一项所述的集成电路，其特征在于，所述两个信号经由所述两个信号的不同周期性作为所述物理量的函数而与所述物理量相关。
7.如权利要求6所述的集成电路，其特征在于，所述第一值表示所述物理量模与所述第一信号的所述周期性相对应的第一周期，并且其中所述第二值表示所述物理量模与所述第二信号的所述周期性相对应的第二周期。
8.如权利要求1到4中任一项所述的集成电路，其特征在于，所述第一信号是所述物理量的第一周期性函数而所述第二信号是所述物理量的第二周期性函数，其中所述第一周期性函数和所述第二周期性函数在通过第一变换和通过第二变换分别对所述物理量进行变换之后具有相同的函数形式。
9.如权利要求4所述的集成电路，其特征在于，所述处理器(3)适于以超过单个旋转的角范围中的角度的形式确定所述位置。
10.一种用于确定目标的位置的位置传感器(11)，所述位置传感器包括：
根据权利要求1到4中的任一项所述的集成电路(1)，以及
磁位置传感器单元(10)，所述磁位置传感器单元(10)用于生成所述两个信号以及用于经由所述输入(2)将所述两个信号提供给所述集成电路(1)。
11.如权利要求10所述的位置传感器，其特征在于，所述磁位置传感器单元(10)包括多个电感传感器元件，所述多个电感传感器元件用于经由所述电感传感器元件中的感应电流的性质来间接地测量多个位置处的磁场性质，并且其中所述集成电路(1)适于基于所述所测量的感应电流的性质来确定所述目标的所述位置。
12.如权利要求10或权利要求11所述的位置传感器，其特征在于，所述磁位置传感器单元(10)包括多个霍尔元件，所述多个霍尔元件用于测量多个位置处的磁场性质，并且其中所述集成电路(1)适于基于所测量的磁场性质来确定所述目标的所述位置。
13.如权利要求10到12中任一项所述的位置传感器，其特征在于，所述磁位置传感器单元(10)包括：
磁传感器，所述磁传感器用于检测磁场的多极展开的两个不同阶以及用于生成所述两个信号作为对所述多极展开的所述两个不同阶的指示，以及
磁组装件(25)，所述磁组装件(25)用于在所述磁传感器的位置处形成第一磁场分量以及用于在所述磁传感器的位置处形成第二磁场分量，所述第一磁场分量具有多极展开的所述两个不同阶中的第一多极阶，所述第一磁场分量相对于所述磁位置传感器单元(10)在第一角度上是可旋转的，所述第二磁场分量具有所述多极展开的所述两个不同阶中的另一多极阶，所述第二磁场分量相对于所述磁传感器且相对于所述第一磁场分量在第二角度上是可旋转的。
14.如权利要求13所述的位置传感器，其特征在于，所述磁组装件适于使得所述第一磁场分量相对于所述磁位置传感器单元(10)在第一角度上是可旋转的而所述第二磁场分量相对于所述第一磁场分量在第二角度上是可旋转的，其中所述第一角度和所述第二角度两者取决于所述目标的所述位置但依据不同的依赖关系，
其中所述处理器(3)适于接收所述两个信号以及适于组合它们以产生表示所述第一角度和所述第二角度的唯一***状态。
15.一种用于检测误差的方法，所述方法包括：
接收两个信号，其中所述两个信号中的第一信号表示第一范围中的物理量，而所述两个信号中的第二信号表示第二范围中的所述物理量，其中所述第一范围和所述第二范围是交迭的不同范围，以及
通过计及所述第一范围和所述第二范围来检测所述两个信号之间的不一致，其中所述不一致指示误差。
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