CN109283355B - 基于角度的速度传感器设备 - Google Patents

Abstract

一种传感器设备设置有磁场敏感元件，磁场敏感元件被定位在磁体的磁场中。磁场敏感元件被配置为感测磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角，并且生成感测信号。电子电路被配置为接收并且处理来自磁场敏感元件的感测信号，以生成指示磁场的定向角的角度信号。

Description

基于角度的速度传感器设备

相关申请的交叉引用

本申请是于2014年6月17日提交的申请号为US 14/306,442的美国申请的部分继续申请，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本申请涉及传感器设备和感测***，以及处理感测信号的方法。

背景技术

在各种技术领域中，对轴的旋转进行感测。各种控制功能可以依赖于感测到的轴的旋转。例如，变速器的轴的旋转速度或角速度可以用于控制变速器的操作。例如，轮轴的轴的角速度可以用于监测相应轮的摩擦；这对于车辆中的防抱死***或电子稳定***可能是有用的。

对轴的旋转进行感测的已知方法是在轴上放置铁磁齿轮，并且使用传感器来检测齿轮的齿的通过。典型地，传感器放置在距轴的旋转轴线一定距离处；通常，传感器放置在与铁磁齿轮径向偏离的位置。这样的传感器的输出通常对应于脉冲模式，在脉冲模式中，脉冲的频率根据旋转速度而变化。通过使齿轮的不同齿具有与齿轮的其他齿不同的尺寸，在轴的单次旋转过程中也可以区分不同的角位置。例如，可以设想，仅使一个齿不同于另一齿，从而可以标识齿轮的角位置。可以使多于一个齿可标识，由此使得多于一个角位置可标识，但是不限于此。

然而，使用这样的齿轮来评估旋转角度需要轴实际上是旋转的。有时，需要至少一个完整的旋转来确定绝对方向。此外，可能需要复杂的算法来根据感测到的脉冲模式准确地估计旋转角度。此外，可达到的准确度可能显著取决于齿轮的制造准确度以及相对于齿轮安装传感器的准确度。更进一步地，齿轮(有时也称为磁性编码器轮)可能需要相当大的空间并且可能相当昂贵。

因此，需要能够以有效且准确的方式来感测轴的旋转的技术。

发明内容

根据一些实施例，提供了一种传感器设备。传感器设备可以包括要被定位在磁体的磁场中的磁场敏感元件，磁体被定位在轴的端面上，磁场敏感元件被配置为感测磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角，并且生成感测信号，所述感测信号包括具有90°相移的第一感测信号分量和第二感测信号分量。传感器设备还可以包括电子电路。电子电路被配置为接收并且处理来自磁场敏感元件的感测信号，以生成指示磁场的定向角的角度信号。

根据一些另外的实施例，提供了一种***。该***可以包括可旋转的轴和被定位在该轴的端面上的磁体。该***还可以包括被定位在磁体的磁场中的磁场敏感元件，磁场敏感元件被配置为感测磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角，并且生成感测信号。该***还可以包括电子电路，所述电子电路被配置为接收并且处理来自磁场敏感元件的感测信号，以生成指示磁场的定向角的角度信号。电子电路被配置为通过根据轴的角速度选择不同的处理方法来处理感测信号。

根据另一些实施例，提供了一种角度感测方法。角度感测方法包括由磁场敏感元件生成感测信号，感测信号包括彼此具有90°相移的第一感测信号分量和第二感测信号分量。角度感测方法还包括由电子电路处理感测信号，以生成指示磁场的定向角的角度信号。通过根据轴的角速度选择不同的处理方法来处理感测信号，以生成角度信号。

附图说明

图1示意性地示出了根据本公开的实施例的传感器设备；

图2示出了用于示意性地示出根据一些实施例的传感器设备的功能的框图；

图3A示出了根据一个实施例的由传感器设备生成的信号中的示例性脉冲模式；

图3B示意性地示出了与传感器组合的铁磁齿轮，该铁磁齿轮具有与图3A的脉冲模式基本对应的轮廓；

图4示意性地示出了根据一个实施例的***，该***包括传感器设备和车辆的变速器的轴；

图5示意性地示出了根据一个实施例的***，其中提供了传感器设备和车辆的轮轴的轴；

图6示意性地示出了根据一个实施例的***，其中提供了传感器设备和无刷DC电机的轴；

图7A和图7B示出了用于示意性地示出根据一些替代实施例的传感器设备的功能的框图；

图8示出了根据一些实施例的由传感器设备生成的示例信号；

图9A和图9B示出了用于示意性地示出根据一些替代实施例的传感器设备的功能的框图；

图10示出了根据一些替代实施例的由传感器设备生成的示例信号；以及

图11A和图11B示出了用于示意性地示出根据一些替代实施例的传感器设备的功能的框图。

虽然本发明适用于各种修改和替代形式，但是其细节已经通过示例在附图中示出并且将被详细描述。然而，应当理解，本发明不是将本发明限制于所描述的特定实施例。相反，旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同和替代。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述各种实施例。应当注意，这些实施例仅用作示例，不应当被解释为限制。例如，尽管实施例具有多个特征，但是其他实施例可以包括更少的特征和/或替代特征。此外，除非另外特别指出，否则来自不同实施例的特征可以彼此组合。

如下文中所阐述的实施例涉及对轴(特别地是车辆的变速器的轴、无刷DC电机的轴和车辆的轮轴的轴)的旋转进行感测的技术。所阐述的实施例涵盖相应的传感器设备、***和方法。

在所阐述的实施例中，使用被定位在磁体的磁场中的磁场敏感元件。磁体被定位在轴的端面上。磁场敏感元件被配置为感测磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角。根据这个角度，可以能够明确地确定磁场的定向。

磁场敏感元件可以基于磁阻效应，诸如巨磁阻(GMR)效应、各向异性磁电阻(AMR)效应、隧道磁电阻(TMR)效应或霍尔效应，但是不限于此。磁场敏感元件的示例实施例可以基于两个GMR器件，这两个GMR器件在如下平面中具有两个不同的最大灵敏度方向，上述平面与轴的端面平行并且垂直于轴的纵向方向和旋转轴线。这样的磁场敏感元件可以允许准确地检测具有如下磁化的磁体的磁场的定向角，上述磁化被定向为垂直于轴的旋转轴线。特别地，这样的磁场敏感元件可以以类似罗盘的方式使用，以感测与轴一起旋转的磁体的磁场的定向。

此外，所阐述的实施例可以利用所存储的脉冲边沿到定向角的映射。在一些实施例中，映射可以是可配置的，例如，通过对存储器编程。根据该映射和由磁场敏感元件感测的磁场的定向角，生成第一信号，第一信号包括具有上升和下降脉冲边沿的脉冲模式。在第一信号内，上升沿和/或下降沿可以被映射到由磁场敏感元件感测的预定义的定向角。如前所述，第一信号可以用于模拟由基于不对称齿轮的传感器组件生成的脉冲模式。这样的形式的第一信号由此实现与依赖于这样的不对称齿轮的现有传感器设备的兼容性。

另外，感测到的角定向可以用于生成第二信号，第二信号表示在0°到360°之间的范围内的轴的旋转角度。在后一种情况下，旋转角度可以由数字值、模拟值或脉宽调制信号来表示。换言之，脉宽调制信号可以对应于脉宽调制值。可以提供不同的操作模式用于输出第一信号或第二信号。例如，传感器设备可以设置有第一操作模式和第二操作模式，在第一操作模式下，传感器设备输出第一信号，在第二操作模式下，传感器设备输出第二信号而不是第一信号。同样，传感器可以在另一操作模式下输出第一信号和第二信号两者。

在一些实施例中，由磁场敏感元件感测的磁场的定向也可以用作生成另外的信号的基础。例如，取决于感测到的定向角，可以生成表示轴的角速度的另一信号。角速度可以由数字值、模拟值或脉宽调制信号来表示，但是不限于此。上述另一信号可以针对轴的每转具有预定义的周期。换言之，信号的基本构建块(诸如脉冲或半波或全波)的重复可能达到某个预定义的数目。作为非限制性示例，每转可以有数十个工作周期。预定义的周期可以允许模拟基于齿轮进行操作的常规传感器设备的输出。预定义的周期可以对应于模拟的齿轮的齿数。

现在将参考附图进一步解释上述实施例。

图1示意性地示出了根据一个实施例的传感器设备200。传感器设备200被配置为感测轴100的旋转，即，定向和/或角速度。因此，在下文中，传感器设备200也将被称为旋转传感器。

该轴可以是车辆的变速器的轴或无刷DC电机的轴或车辆的轮轴的轴中的一个。

在示出的实施例中，传感器设备200包括磁场敏感元件210(在下文中也称为传感器元件)和磁体220。在示出的实施例中提供了另外的电子电路230。如图所示，磁体220可以是安装在轴100的端面上的盘形偶极磁体。磁体220的磁化(从南极“S”到北极“N”)垂直于轴100的纵向旋转轴线110被定向。磁化可以对应于内部作用的磁场。磁体220的北极和南极之间的边界可以垂直于磁化被定向。因此，当轴如箭头所示旋转时，磁体220的磁场的定向围绕轴100的纵向旋转轴线110以逆时针方式改变(在图1中观察，从轴线的远端朝向磁体)。

如上所述，传感器元件210可以例如基于两个GMR器件，每个GMR器件在垂直于轴100的纵向旋转轴线110的平面中具有不同的最大灵敏度方向，从而允许感测磁场的在0°到360°的范围内的定向的绝对角度。

磁体220的几何形状和磁性配置不受特别限制。如上所述，在图1的场景下，示出了形成磁偶极子的盘形元件。盘的一半形成磁性北极N，并且盘的另一半形成磁性南极S。磁性轴线(即北极N与南极S之间的几何连接)被定向为垂直于轴的轴线。也可以使用包括多个北极和相应南极的磁性多极元件。这可以增加感测磁场的定向角的灵敏度和准确度。在这种情况下，旋转传感器通常预先配置有关于由磁体220生成的磁场的空间形状的信息。在一个实施例中，可能期望使用相对于轴100的轴线径向地延伸的扁平元件。即使在没有太多可用空间的情况下，这也可以允许感测定向。然而，也可以采用与其径向尺寸相比具有相当大的厚度的元件。如图1的场景所示，磁体的径向尺寸可以是轴100的径向尺寸的量级。但是，通常，磁体200的径向尺寸与轴100的径向尺寸相比也可以相当大或小。例如，在一种场景中，可以使用磁性丸状物作为磁体200。磁性丸状物可以是其中磁极位于其相对端的基本上细长的元件。细长可以是指大致一维延伸的元件。例如，磁性丸状物可以在直径方向上被磁化。

从图1中可以看出，传感器元件210被定位在轴100的轴线延伸(如图1中的虚线所示)处，并且相对于磁体220偏移一定间隙。特别地，如图1所示，传感器元件210可以在轴100旋转时是静止的。

此外，传感器设备200可以包括电子电路230，电子电路230被配置为根据由传感器元件210感测的磁场的定向角来生成各种输出信号。在一些实施例中，电子电路230远离传感器元件210布置，并且被配置为与传感器元件210具有信号通信。在一些其他实施例中，电子电路230集成在附接到传感器元件210的芯片中。传感器元件210和电子电路230也可以布置在同一半导体芯片上或在同一芯片封装体中。根据一些实施例，电子电路230的功能的一些实施例通过图2的框图进一步示出。

如图2所示，电子电路230可以包括脉冲模式发生器250和存储器260。脉冲模式发生器250被配置为生成包括脉冲模式的信号PP。这根据在图2中由信号SENSE表示的磁场的感测到的定向角和存储在存储器260中的脉冲边沿(PE)角度映射来实现。存储器260可以例如由合适类型的半导体存储器来实现，诸如只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)或闪存。使用PROM、EPROM或闪存的存储器260的实施例可以用于允许配置或甚至重新配置存储在存储器260中的PE角度映射。

在所示实施例中，存储在存储器260中的PE角度映射，针对脉冲模式的每个脉冲，定义与脉冲的上升沿相关联的定向角和与脉冲的下降沿相关联的定向角。因此，脉冲模式发生器250可以通过以下方式来操作：将感测到的定向与映射中的定向角相比较，并且如果感测到的定向角经过与上升沿相对应的定向角，则将信号PP的值切换为高值，或如果感测到的定向角经过与下降沿相对应的定向角，则将信号PP的值切换为低值。以这种方式，可以生成各种脉冲模式，包括高度不对称的脉冲模式，在不对称的脉冲模式中，在轴100的完整旋转过程中，每个脉冲关于其占空比与其他脉冲不同。

如进一步所示，电子电路230还可以包括绝对角度信号发生器270，其被配置为生成表示在0°到360°的范围内的轴100的绝对定向角的信号AAS。例如，信号AAS可以将轴100的绝对定向角表示为模拟值。此外，信号AAS可以将轴100的绝对定向角编码为数字值或脉宽调制信号。绝对角度信号发生器270可以根据由传感器元件感测到的磁场的定向角导出轴100的绝对定向角，例如通过添加考虑了磁体220在轴100上的安装定向的偏移和/或任何另外的参考偏移。作为非限制性示例，绝对角度信号发生器270也可以执行信号转换，例如，从信号SENSE的模拟表示到信号AAS的数字或脉宽调制表示。替代地或另外地，脉冲模式发生器250可以执行信号转换。

在一些实施例中，绝对角度信号发生器270还可以被配置为根据由传感器元件210感测到的定向角生成一个或多个另外的信号。例如，绝对角度信号发生器270可以生成表示轴100的角速度的信号，例如，通过计算轴100的绝对定向角的时间导数。可选地，旋转的方向可以被编码。为了模拟利用与齿轮交互的常规传感器元件获得的输出信号，例如，绝对角度信号发生器270可以输出表示轴100的角速度的信号，使得其针对轴的每转具有预定数目的周期，作为非限制性示例，12或20个周期。这样的信号可以适合于模拟利用与具有相应齿数的齿轮交互的常规绝对角度信号发生器获得的信号。

如进一步所示，图2的电子电路230可以包括模式选择器280。模式选择器280可以用于选择电子电路230的不同操作模式。具体地，模式选择器280可以用于选择第一操作模式，在第一操作模式下，电子电路230输出信号PP作为其输出信号OUT。模式选择器280还可以用于选择第二操作模式，在第二操作模式下，输出电路可输出信号AAS作为其输出信号OUT。可选地，模式选择器280可以用于选择第三操作模式，在第三操作模式下，电子电路230输出指示旋转速度的另外的信号。

可以设想由模式选择器280使用以选择特定操作模式的各种决策标准。例如，在轴的旋转的启动阶段，模式选择器280可以选择第二操作模式，从而即使当轴基本静止时也提供关于轴100的旋转角度的有用信息，这表示对于旋转角度的关系，信号PP可能还没有足够数目的脉冲。在轴100一定数目的旋转之后，例如，在一次完整旋转之后，或者当轴100的角速度超过阈值时，模式选择器280可以选择第一操作模式，在第一操作模式下，可以生成输出信号OUT以模拟通常由常规的基于齿轮的旋转传感器提供的输出信号。

电子电路230也可以输出多个信号。例如，可以输出信号AAS，并且可以在同一操作模式下输出另外的信号。然后可以导出定向以及旋转速度两者。

图3A中示出了被包括在信号PP中的示例脉冲模式。假定该脉冲模式模拟布置在齿轮20的磁场中的旋转传感器25的输出信号，如图3B示意性地所示。在所示示例中，脉冲模式包括三个脉冲11、12、13，每个脉冲具有不同的占空比。每个脉冲11、12、13对应于与旋转传感器25一起使用的齿轮20的特定齿21、22、23。在给出的示例中，脉冲11对应于齿轮20的齿21，脉冲12对应于齿轮20的齿22，并且脉冲13对应于齿轮20的齿23。

在图3B中所示的齿轮20上，齿21、22、23中每个齿具有相对于轴线在基本上径向的方向上延伸的两个边缘21A、21B、22A、22B和23A、23B。每对边缘21A、21B、22A、22B和23A，23B限定相应的齿21、22、23的角位置和周向延伸。如果在齿轮20的旋转期间旋转角度α增加，则齿21、22、23随后经过传感器25。例如，传感器25可以是霍尔传感器、GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器，并且齿轮20的至少齿21、22、23可以是由铁磁材料形成。如图3A所示，这样的***设置的典型输出信号的脉冲模式由信号PP来模拟。在所示示例中，图3A的脉冲模式在齿21的边缘21A将经过传感器25时具有脉冲11的上升脉冲边沿11A，并且在齿21的边缘21B将经过传感器25时具有下降脉冲边沿11B。类似地，图3A的脉冲模式在齿22的边缘22A将经过传感器25时具有脉冲12的上升脉冲边沿12A，并且在齿22的边缘22B将经过传感器25时具有下降脉冲边沿12B。类似地，图3A的脉冲模式在齿23的边缘23A将经过传感器25时具有脉冲13的上升脉冲边沿13A，并且在齿23的边缘23B将经过传感器25时具有下降脉冲边沿13B。

所示实施例的电子电路230可以通过适当地配置存储在存储器260中的PE角度映射来实现模拟。例如，当假定齿21的边缘21A位于0°的角位置时，PE角度映射可以将上升脉冲边沿11A指派给为0°的定向角。类似地，如果齿21的边缘21B位于90°的角位置，则PE角度映射可以将下降脉冲边沿11B指派给为90°的定向角。对于其他齿22、23，取决于齿22、23的角位置和周向延伸，可以进行相应的指派。在这样的上升和下降脉冲边沿指派中，也可以考虑在磁场的定向角与轴100的旋转角度之间的偏移。偏移可以涉及定向角和旋转角度的差值。偏移可以通过用于校准PE角度映射的预定义的参考角度来进行考虑。

应当理解，图3A的脉冲模式将随着轴100的每次旋转而重复。此外，脉冲模式中的脉冲宽度和暂停将根据轴100的旋转速度而变化。例如，针对每转的脉冲与暂停的比率可以保持不变。

图7A和图7B示出了框图，这些框图示出了电子电路230的功能的一些替代实施例，包括基于阈值的方法，以用于补偿非线性脉宽比以及最小和最大点周围的模糊信号信息。如图所示，传感器元件210感测目标(例如，图1中的轴100)的旋转，并且生成第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y，如块702所示。然后，第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y准备用于旋转角度提取，包括在转换为数字信号之前的模拟校正和优化功能以及在转换为数字信号之后的数字校正和优化功能。校正和优化功能可以包括但不限于可以在模拟域或数字域中处理的滤波、自校准和温度补偿。例如，第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y可以分别被馈送到模拟校正块703中以进行滤波与自校准，然后被馈送到A/D转换块704中，并且然后被馈送到数字校正块706中用于温度补偿。应当理解，这些校正和优化功能的顺序和选择不限于上面给出的示例。相反，校正和优化功能的任何适用的顺序和选择都适用于这个应用。还应当理解，是并行地处理(例如，如图7A所示通过单独的块处理X和Y)、依次地处理(例如，如图7B所示通过共享的功能块一个接一个地处理X和Y)、还是组合地处理(例如，一些功能块被共享，而另一些功能块是单独的)第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y可以根据应用而变化。类似地，作为非限制性示例，与图9A至9B和图11A至11B相关联的第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y的校正和优化处理在相应的附图中示出，但是类似于以上讨论的其他替代实施例是可能的。

作为图8所示的示例，结果可以是电压幅度的(归一化的)正弦曲线Vx(cosα)802和余弦曲线Vy(sinα)804。所生成的感测信号对应于在0°到360°之间的范围内的磁场的定向角。角度α是磁场的旋转角度，即待感测的目标的旋转角度。如图8所示，角位置由信号转换算法块708从信号分量之一(例如，第二感测信号分量Vy(sinα))804中提取。例如，对于每个四分之一的正弦信号，生成一个脉冲或一系列脉冲806。正弦基函数导致所生成的脉冲的非线性脉宽比。经补偿的阈值被存储在查找表或基于阈值的算法中，以生成正确的幅度值，以便实现线性化的脉冲宽度并且提取正确的相位值。查找表可以被存储在集成在电子电路230中的存储器中，诸如只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)或闪存。使用PROM、EPROM或闪存的存储器的实施例可以用于允许配置或甚至重新配置存储在存储器中的查找表。正如发明人所理解的，速度信息并不是特别接近于信号的最小点和最大点。为了解决这个问题，将相对于上述信号分量被相移90°的另一信号分量(例如，第一感测信号分量Vx(cosα))802与信号译码相加。这为整个旋转提供了正确的速度信息。使用可用的正弦和余弦数据，可以应用简单的基于阈值的算法来提供明确的角度信息。

角度信息可以用于生成速度脉冲信号(如图7A、7B中的速度脉冲的生成块710所示)、绝对角度信息、方向信息和/或加速度信息(在图7A、7B中未示出)。例如，在一些实施例中，可以通过添加预定参考偏移，根据由传感器元件感测到的磁场的定向角来导出指示待感测的目标的绝对角度的绝对定向角。绝对定向角可以被生成为模拟值，或者可以被编码为数字值或脉宽调制信号。

基于阈值的方法提供了用于提取不同级别的准确度的灵活性。例如，可以通过在高速操作期间选择大的量化步骤和在较低速度下选择较小的量化步骤来动态地控制速度感测的准确性。线性查找表值提供了等距离的速度脉冲信号。

图9A和图9B示出了框图，这些框图示出了电子电路230的功能的一些替代实施例，包括用于使用反正切功能来计算正确的角位置的基于CORDIC的方法。

如图9A和图9B所示，传感器元件210感测目标(例如，图1中的轴100)的旋转，并且生成第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y，如块702所示。第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y被馈送到A/D转换块704中，并且随后被馈送到温度补偿、滤波和/或自校准块706中。第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y然后被馈送到CORDIC块902中，以提取角度信息信号。角度信息信号然后可以被馈送到一些另外的处理块中，诸如用于生成速度脉冲信号以及绝对角度信息、方向信息和/或加速度信息的速度脉冲的生成块710。作为图10所示的示例，第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y可以是相对于旋转角度α具有电压幅度的90°相移的正弦和余弦曲线Vx(cosα)和Vy(sinα)。

如图10所示，图表120示出了由作为待感测目标(例如，图1所示的轴100)的传感器元件210提供的“理想”输出信号Vx(COS)122和Vy(SIN)124。如130处的图表所示，输出信号Vx(COS)122和Vy(SIN)124分别表示指示待感测的目标的角位置的向量132的X和Y分量。CORDIC块902使用Volder算法(也称为CORDIC(坐标旋转数字计算机)算法)来计算并且生成角度信息信号，角度信息信号指示待感测的目标的角位置。

基于CORDIC的方法可以在ASIC级上有效地实现，并且提供更稳健和更高准确度的角度和/或速度感测。通过使用基于CORDIC的方法，还可以提供一种动态准确度控制：对于高速操作，仅提供粗略角度信息，而在较低速度时，传输更多数据以便以较高的分辨率实现角度信息。

图11A和图11B示出了框图，这些框图示出了电子电路230的功能的一些替代实施例，包括用于使用基于阈值的功能和CORDIC功能的组合来计算正确的角位置的高级动态控制方法。例如，在较高速度范围处使用简单的查找表检测来简化过程以及提高速度，而在较低速度范围处使用CORDIC操作来实现高的角度准确度。

电子电路230可以包括动态控制器。动态控制器可以用于根据角度变化率、待感测的目标的速度或安全功能以及其他标准来选择不同的处理方法。当满足预设标准时，动态控制器可以以第一模式操作并且使用上面在图9A、图9B和图10中公开的基于CORDIC的方法来处理感测信号，而当不满足预设标准时，动态控制器可以切换到第二模式并且使用上面在图7和8中公开的基于阈值的方法来处理感测信号。例如，当感测到的速度小于预定阈值时，动态控制器可以使用基于CORDIC的方法来处理感测信号，从而实现更高分辨率的结果，而当感测到的速度大于预定阈值时，动态控制器可以切换到使用基于阈值的方法来处理感测信号，从而实现较低延迟时间。作为另一示例，当安全功能需要以更大的感测速率测量旋转角度时，动态控制器可以使用基于阈值的方法来处理感测信号。当安全功能需要以更高的分辨率测量旋转角度时，动态控制器还可以使用基于CORDIC的方法来处理感测信号。

在替代实施例中，可以同时应用基于阈值的方法和基于CORDIC的方法来测量旋转角度。可以比较第一旋转角度和第二旋转角度(可以使用基于阈值的方法和基于CORDIC的方法基本上同时测量第一旋转角度和第二旋转角度)以进行合理性安全检查：例如，如果第一旋转角度与第二旋转角度之间的差值在预定范围内，则可以认为测量是可靠的。否则，如果第一旋转角度与第二旋转角度之间的差值落在预定范围之外，则可以标记错误。在一些替代实施例中，基于阈值的方法或基于CORDIC的方法中的一个方法可以用于合理性安全检查。在这些替代实施例中，所测量的旋转角度可以与基本上同时测量的但是从另一测量源测量的附加旋转角度相比较。然后，所测量的旋转角度可以与附加旋转角度相比较以产生比较结果，比较结果可以被评估以确定所测量的旋转角度的可靠性。在一些实施例中，使用基于阈值的方法、基于CORDIC的方法和/或其他测量源基本上同时测量的旋转角度被处理，以生成经调节的旋转角度用于进一步处理。在没有可靠性检查的情况下或者在所测量的旋转角度的可靠性检查之后生成经调节的旋转角度。经调节的旋转角度可以通过对所测量的旋转角度进行平均来计算。经调节的旋转角度也可以通过选择性地省略一些测量的旋转角度(例如，省略落在预定范围之外的测量的旋转角度)并且对剩余的测量的旋转角度进行平均来计算。平均计算既可以均匀地进行，也可以通过为测量的旋转角度指派不同的权重来执行。电子电路230还可以包括用于选择不同操作模式(诸如输出速度脉冲信号、绝对角度信息、方向信息和/或加速度信息)的模式选择器。

高级动态控制方法结合了上面公开的基于阈值的方法和基于CORDIC的方法的特征，并且另外增加了在这两种方法之间切换的灵活性。类似于上面描述的，传感器元件210对目标(例如，图1中的轴100)的旋转进行感测，并且生成第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y，如块702所示。第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y被馈送到A/D转换块704中，并且随后被馈送到温度补偿、滤波和/或自校准块706中。在低速操作期间，第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y然后被馈送到CORDIC块902中，以提取角度信息信号，使得可以使用CORDIC实现的更高的可实现的分辨率。然而对于更高的速度，第一感测信号分量X和第二感测信号分量Y被馈送到信号转换算法块708中，以提取角度信息信号，使得简单且快速的基于阈值的算法的低延迟响应成为优点。哪个信号路径将被使用的决策由图11中最后所示的速度相关协议块1102处理。另外，该芯片概念可以为功能安全要求提供附加冗余。例如，在使用高准确度CORDIC角度信息的同时，基于较低准确度阈值的信号路径可以用于合理性检查。

在图4中，示出了齿轮箱的形式的变速器400。输入轴401由车辆的引擎(图4中未示出)驱动。示出了变速器输出轮420。变速器400具有三个轴100-1、100-2、100-3。三个轴100-1、100-2、100-3中的每个在其端面上配备有磁体220。壳体410可旋转地容纳轴100-1、100-2、100-3。轴的至少部分在壳体内旋转。换言之，壳体410不与轴100-1、100-2、100-3一起旋转，而是包围轴100-1、100-2、100-3的端部。可以提供相应的轴承。与相应的三个磁体220相关联的磁性传感器元件210附接到壳体410。尽管图4示出了在轴100-1、100-2、100-3中的每个的端面上的磁体220，但是磁体可以不限于设置在仅一些轴上。具体地，传感器元件210被定位在相对于磁体220偏移一定间隙的相应的轴100-1、100-2、100-3的轴线延伸(在图4中由虚线示出)处。传感器元件210可以逆着相应的轴100-1、100-2、100-3的轴线延伸移位。通过如上所述的技术，可以确定轴100-1、100-2、100-3的定向和/或旋转速度。

在图5中，示出了包括轮轴的轴100的***500。轴100的端面设置有磁体220。轴100的端面与轮轴的轮轴承502相对。轴100可旋转地连接到在端面与轮轴承502之间的轴架501上。图5中进一步示出了传感器元件210，其被定位在轴100的轴线延伸处并且相对于磁体200偏移一定间隙。传感器元件210不与轴100一起旋转。通过如上所述的技术，可以确定轴100的定向和/或旋转速度。

转到图6，示出了无刷DC电机单元或组件600。组件的电机601可以附接到轴100。磁体220被定位在轴的端面处。传感器元件210被定位在轴100的轴线延伸处，并且偏移一定间隙。通过如上所述的技术，可以确定轴100的定向和/或旋转速度。

无刷DC电机组件600的控制器(图6中未示出)可以连续地切换电绕组的相位，以保持电机601转动。切换可以响应于轴100的定向而发生。通过使用传感器元件210确定磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角，可以确定轴100的定向角。这实现了对无刷DC电机601的准确控制。

从上面可以看出，当感测轴100、100-1、100-2、100-3的定向时，这些技术可以降低复杂性、所需空间和成本。在图4的场景中，可以需要比常规变速器明显更少的空间，其中磁体220放置在变速器400的轴100-1至100-3的一个或多个端面上。具体地，当采用齿轮时，可能需要在轴100-1至100-3上占据附加空间以安装齿轮。通常，齿轮(如图3B所示)限制为约7cm的最小直径。通常，当在这样的齿轮附近使用常规的磁场传感器时，为了使磁场传感器更靠近齿轮，需要大型传感器塔。生成了额外的成本，并且***复杂度通常增加。此外，总是需要缩减变速器400的尺寸。当采用如上所述的***时，复杂性和所需空间都可以减小。

此外，在图5的场景中，磁体220附接到轮轴的轴100的端面，与常规解决方案相比，实现了空间和成本的显著减少。具体地，在常规***中，齿轮通常靠近车轮轴承502布置。通常，这会影响总体***尺寸，诸如增加的构造空间。因此，复杂性和成本进一步增加。常规***中的相应传感器进一步靠近包括制动盘、制动钳和刹车片的制动***定位；这通常会导致高温环境。感测方位的准确性可能降低，并且可能导致电子设备的磨损增加。

应当理解，上述概念和实施例易于进行各种修改。例如，可以模拟与各种齿轮轮廓相对应的各种脉冲模式。这样的模拟还可以被扩展以不仅模拟齿的角位置和延伸，而且还可以模拟齿轮廓的其他特征，诸如齿的径向尺寸或齿边缘的倾斜度。此外，旋转传感器可以使用其他类型的感测设备或其他类型的磁体，诸如更复杂的多极磁体。

Claims (18)

1.一种传感器设备，包括：

磁场敏感元件，要被定位在磁体的磁场中，所述磁体被定位在轴的端面上，所述磁场敏感元件被配置为感测所述磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角，并且生成感测信号，所述感测信号包括具有90°相移的第一感测信号分量和第二感测信号分量；以及

电子电路，被配置为接收并且处理来自所述磁场敏感元件的所述感测信号，以生成指示所述磁场的所述定向角的角度信号，

其中所述电子电路包括：

动态控制器，被配置为当所述轴的角速度大于预定阈值时以第一模式操作，当处于所述第一模式时，所述动态控制器被配置为基于阈值算法来计算所述角度信号。

2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述电子电路包括：

成对的A/D转换块，其中所述成对的A/D转换块中的第一A/D转换块被配置为将所述第一感测信号分量数字化，并且所述成对的A/D转换块中的第二A/D转换块被配置为将所述第二感测信号分量数字化；

滤波和自校准块，被配置为在所述数字化之前或之后对所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量进行滤波和校准；

存储器，存储查找表或基于阈值的算法，所述查找表或所述基于阈值的算法包含经补偿的阈值，以生成与经数字化的所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量相关的正确幅度值，从而实现线性化脉冲宽度并且提取具有正确相位值的所述角度信号；以及

速度脉冲发生器，被配置为接收并且处理所述角度信号，以生成指示所述轴的所述角速度的脉冲。

3.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述电子电路包括：

成对的A/D转换块，被配置为将所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量数字化；

滤波和自校准块，被配置为对经数字化的所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量进行滤波和校准；

处理器，被配置为接收经数字化的所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量，并且执行基于CORDIC的方法以计算指示所述磁场的所述定向角的所述角度信号；以及

速度脉冲发生器，被配置为接收并且处理所述角度信号，以生成指示所述轴的所述角速度的脉冲。

4.根据权利要求1所述的传感器设备，

其中所述动态控制器被配置为：当所述角速度小于或等于所述预定阈值时，以第二模式操作，并且使用基于CORDIC的方法来处理所述感测信号，以计算所述角度信号。

5.根据权利要求1所述的传感器设备，

其中所述动态控制器被配置为：当所述角速度减小到小于或等于所述预定阈值的值时，以第二模式操作，并且使用基于CORDIC的方法来处理所述感测信号，以计算所述角度信号。

6.根据权利要求5所述的传感器设备，

其中所述基于阈值的算法和所述基于CORDIC的方法被同时用于获得成对的旋转角度，所述成对的旋转角度被比较以产生比较结果，其中所述比较结果被评估以确定所测量的旋转角度的可靠性。

7.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述电子电路包括：

模式选择器，用于选择不同的操作模式，包括基于所述角度信号来输出速度脉冲信号、绝对角度信息、方向信息和加速度信息中的一项或多项。

8.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述电子电路被集成在芯片中，所述芯片被附接到所述磁场敏感元件。

9.一种角度感测***，包括：

可旋转的轴；

磁体，被定位在所述轴的端面上；

磁场敏感元件，被定位在所述磁体的磁场中，所述磁场敏感元件被配置为感测所述磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角，并且生成感测信号，所述感测信号包括具有90°相移的第一感测信号分量和第二感测信号分量；以及

电子电路，被配置为接收并且处理来自所述磁场敏感元件的所述感测信号，以生成指示所述磁场的所述定向角的角度信号；

其中所述电子电路被配置为通过根据所述轴的角速度选择不同的处理方法来处理所述感测信号，以及

其中所述电子电路被配置为：当所述轴的所述角速度与预定阈值具有第一关系时，使用包含经补偿的阈值的基于阈值的算法来处理所述感测信号，以生成与所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量相关的正确幅度值，从而计算所述角度信号。

10.根据权利要求9所述的角度感测***，

其中所述电子电路被配置为：当所述角速度与所述预定阈值具有不同于所述第一关系的第二关系时，使用基于CORDIC的方法来处理所述感测信号，以计算所述角度信号。

11.根据权利要求10所述的角度感测***，

其中所述电子电路进一步被配置为：使用所述基于阈值的方法和所述基于CORDIC的方法来确定第一旋转角度和第二旋转角度，并且基于所述第一旋转角度和所述第二旋转角度的比较来标记错误。

12.根据权利要求9所述的角度感测***，进一步包括：

存储器，被配置为存储脉冲边沿到定向角的映射；以及

电子电路，被配置为：根据所述感测信号和存储的所述脉冲边沿到定向角的映射，生成包括具有上升脉冲边沿和下降脉冲边沿的脉冲模式的信号。

13.根据权利要求9所述的角度感测***，其中所述电子电路被集成在芯片中，所述芯片被附接到所述磁场敏感元件。

14.一种角度感测方法，包括：

通过磁场敏感元件生成感测信号，所述感测信号包括彼此具有90°相移的第一感测信号分量和第二感测信号分量，并且所述磁场敏感元件要被定位在磁体的磁场中，所述磁体被定位在轴的端面上；

基于旋转角速度来选择处理方法；以及

根据所选择的处理方法来处理所述感测信号，以生成指示所述磁场的定向角的角度信号，

其中当所述轴的所述角速度大于预定阈值时，使用包含经补偿的阈值的基于阈值的算法来处理所述感测信号，以生成与所述第一感测信号分量和所述第二感测信号分量相关的正确幅度值，从而提取所述角度信号。

15.根据权利要求14所述的角度感测方法，

其中所生成的感测信号包括电压幅度的正弦曲线和余弦曲线，并且所生成的感测信号的2π弧度对应于所述磁场的在0°到360°之间的范围内的定向角。

16.根据权利要求14所述的角度感测方法，

其中当所述角速度小于所述预定阈值时，使用基于CORDIC的方法来处理所述感测信号，以计算所述角度信号。

17.根据权利要求16所述的角度感测方法，进一步包括检查所测量的角度信号的可靠性的步骤，所述检查的步骤使用第一测量角度信号和第二测量角度信号，所述第一测量角度信号是使用所述基于阈值的算法确定的，所述第二测量角度信号是使用所述基于CORDIC的方法确定的。

18.根据权利要求17所述的角度感测方法，进一步包括：

通过将预定参考偏移与所述角度信号相加来处理所生成的角度信号，以生成绝对角度信号。

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