CN109990697A - 磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法 - Google Patents

磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种磁性角度传感器装置(100)和用于估计旋转角度的方法。磁性角度传感器装置(100)包括围绕旋转轴线(115)可旋转的多极磁体(130)。多极磁体(120)的几何布置相对于旋转轴线(115)是旋转非对称的。每个磁场传感器电路(140)均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件。处理电路***(150)被配置为基于来自多个第一磁场传感器元件的信号的组合计算第一中间角度信息，基于来自多个第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于第一和第二中间角度信息计算夹具(120)和/或多极磁体(130)的旋转角度的估计。

Description

磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法
技术领域
本公开涉及用于估计可旋转体的旋转角度的方法和装置。
背景技术
磁性传感器(诸如霍尔传感器或磁阻传感器)在许多现代角位置感测***中用于检测旋转对象(诸如轴、极轮或齿轮)的角位置。这种角位置传感器在诸如汽车、工业等的许多领域中都有应用。例如，在汽车中，角位置传感器在无刷直流(BLDC)电机中用于在操作期间或者在转向角测量中检测转子位置，以提供关于驾驶员想要进行自动转向应用的方向的信息(例如，电动助力转向、电子稳定性控制、主动转向***、停车辅助***等)。
一些应用要求在0°至360°内，即在旋转对象的一次完整绕转(revolution)内，或者甚至从0°到360°的倍数，即多次绕转内进行明确的角度测量。为这种应用提供精确的测量可能是苛刻的，并且需要改进的角度测量概念。
发明内容
这种需要通过根据独立权利要求的磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法来满足。进一步有利的实施例通过从属权利要求以及详细描述来解决。
根据第一方面，本公开提供了一种磁性角度传感器装置。该磁性角度传感器装置包括多极磁体，其围绕旋转轴线可旋转。多极磁体的几何布置/设置相对于旋转轴线是旋转非对称的。多个磁场传感器电路以与多极磁体相距预定轴向距离在预定等距角位置处围绕旋转轴线放置。多个磁场传感器电路中的每一个均包括对第一磁场分量敏感的相应第一磁场传感器元件和对垂直于第一磁场分量的第二磁场分量敏感的相应第二磁场传感器元件。磁性角度传感器装置还包括处理电路***，其被配置为基于来自多个第一磁场传感器元件的信号的组合来计算第一中间角度信息，基于来自多个第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于第一和第二中间角度信息计算多极磁体的旋转角度的估计。由于多极磁体的旋转非对称设置以及在多个等距角位置处评估至少两个垂直磁场分量(例如，轴向或切向和径向)，可以解决模糊的角度测量以得到明确的结果(诺钮斯原理)。
在本公开的上下文中，旋转非对称可理解为还包括仅在有限度或阶的旋转对称。换言之，如果布置不具有无穷度或阶的旋转对称，则该布置可被理解为相对于旋转轴线是旋转非对称的。如此，在本公开的上下文中，例如椭圆形或多边形的多极磁体也可被理解为是旋转非对称的。
在一些实施例中，磁性角度传感器装置还可以包括承载多极磁体的夹具。该夹具可以是将多极磁体可旋转地固定至可旋转体(诸如轴)的任何适当的装置。在一些实施例中，例如，夹具可以实施为支撑或载体盘。夹具可以相对于旋转轴线是旋转对称的。在一些实施例中，旋转轴线可与可旋转轴或另一可旋转对象的轴线一致，其旋转角度可通过磁性角度传感器装置来确定。
根据实施例，每个磁场传感器电路均包括第一和第二磁场传感器元件。因此，磁场传感器电路的第一磁场传感器元件可基本与所述磁场传感器电路的第二磁场传感器元件搭配。第一和第二磁场传感器元件可位于一个共同的传感器封装中。第一和第二磁场传感器元件可以在不同的半导体芯片中实施或者它们也可以在共同的半导体芯片上实施。第一和/或第二磁场传感器元件可以实施为霍尔传感器(例如，霍尔板、垂直霍尔传感器)或者磁阻传感器。根据它们应该敏感的磁场分量，它们必须被对应地定位。如果它们应该敏感的磁场分量垂直于感测表面，则例如可以使用霍尔板。
在一些实施例中，处理电路***可位于磁场传感器电路附近。例如，其可以在与一个磁场传感器电路相同的芯片上实施。在其他实施例中，处理电路***可以独立定位并且远离磁场传感器电路。磁场传感器电路和处理电路***之间的信号接口可以是有线或无线的，这取决于具体应用和/或安装。例如，处理电路***可以使用数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实施。
在一些实施例中，夹具上的多极磁体的几何布置相对于旋转轴线是旋转非对称的。多极磁体相对于旋转轴线的这种旋转非对称布置可以进一步改善明确的角度测量。
在一些实施例中，多极磁体本身相对于旋转轴线可以是旋转非对称的(例如，在椭圆形状的情况下)。在其它实施例中，多极磁体本身可以是旋转对称的，但是以旋转非对称的方式安装在夹具上。在后一种情况下，多极磁体的对称或重心可以从旋转轴线径向偏移。在一些实施例中，多极磁体的重心可从旋转轴线偏移1mm和5mm之间的范围内的径向位移。这个范围会产生良好的测量结果，同时限制不平衡质量。
在一些实施例中，多极磁体可以是环形的并且相对于旋转轴线偏心地放置在夹具上。在本发明的上下文中，“环形”认为也包括非完美环形但类似环形的形状。可以有效地制造(基本为)环形形状的磁性多极环。
在一些实施例中，在多极磁体绕旋转轴线的绕转期间，任何一个磁场传感器电路与多极磁体的周界之间的相对径向位置发生变化。而在一些实施例中，这种相对的径向变化可经由多极磁体的旋转非对称布置来得到，可以想到其他实施方式，其中，相对径向变化可以通过改变磁场传感器电路的径向位置和/或通过以另一种方式改变多极磁体的位置来得到。在这种情况下，多极磁体(在夹具上)的几何布置也可以相对于旋转轴线是旋转对称的。传感器和多极磁体之间的相对径向变化会导致改变径向磁场分量，这又会进一步改善明确的角度测量。
在一些实施例中，由于相对径向变化，多极磁体的(内或外)周界与位于多极磁体的第一角位置处的一个磁场传感器电路之间的第一径向距离可以不同于多极磁体的周界与位于多极磁体的第二角位置的相同磁场传感器电路之间的第二径向距离。更具体地，多极磁体的内周界的径向位置可以基本上与多极磁体的第一角位置处的给定磁场传感器电路的径向位置一致。类似地，多极磁体的外周界的径向位置可以基本上与多极磁体的第二角位置处的相同磁场传感器电路的径向位置一致。在一些实施例中，磁体的形状和磁场传感器电路的径向位置使得对于磁体的所有旋转位置来说，在平面图(或者顶视图)中，所有磁场传感器电路被定位在磁体的内周界和外周界之间。在又一些实施例中，在一个旋转位置phi1处，特定的磁场传感器电路最接近磁体的内周界，而在相反的旋转位置phi1+180°处，该特定的磁场传感器电路最接近磁体的外周界。在又一些实施例中，对于所有中间旋转位置来说，该特定的磁场传感器电路与磁体的内周界和外周界中的一个之间的间隔相对于旋转位置而单调变化。在又一些实施例中，这适用于所有磁场传感器电路，从而旋转位置phi1对于每个磁场传感器电路是不同的。在又一些实施例中，磁体的内周界与每个磁场传感器电路之间的最小径向距离是磁体和传感器电路的所有横向组装公差的和，使得在最大径向偏移误差的最坏条件下，仍然能够保证磁场传感器在磁体的外周界内且在磁体的内周界外。得益于本公开的本领域技术人员应理解，表述“一致”应该是合理的解释，并且还可以包括例如由于制造公差所造成的小的径向未对准。不要求完美的径向一致。
在一些实施例中，磁场传感器电路与多极磁体之间的预定轴向距离在1mm到3mm的范围内。这种轴向距离可以在磁场传感器电路处产生良好的磁场强度，由此产生良好的测量结果。同时，它们允许机械公差。
在一些实施例中，多极磁体包括p≥2个极对(即，极数≥4)，它们相对于旋转轴线具有相等的孔径角α。换句话说，多极磁体的磁性对称中心可以相对于旋转轴线同心定位。在磁性多极环与旋转轴线偏心地放置在夹具上的情况下，这表示磁性多极环的磁性对称中心与旋转轴线一致。
在一些实施例中，N≥3个磁场传感器电路可以放置在旋转轴线周围，相邻磁场传感器电路之间具有360°/N的角度间隔。在N＝3个磁场传感器电路的基本设置中，这使得相邻的磁场传感器电路之间具有120°的角度间隔。在一些实施例中，所有磁场传感器电路与旋转轴线的径向距离是相同的。
在一些实施例中，多极磁体可以包括p≥2个极对，其中p mod N≠0。在这样的设置中，磁场传感器电路可以围绕旋转轴线放置，其中相邻的磁场传感器电路之间具有360°/N/p的角度间隔。这会产生更精确的结果。
在一些实施例中，磁场传感器电路包括N＝3个磁场传感器电路，它们在0°、120°和240°的角位置处围绕旋转轴线放置。处理电路***被配置为基于phi’＝arctan(Co,Si)来计算第一中间角度信息phi’。从而，反正切表示反正切函数tan(Co，Si)＝Si/Co。在本实施例中，Co＝Bz,0°-(Bz,120°+Bz,240°)/2且Si＝sqrt(3)*(Bz,120°-Bz,240°)/2。其中Bz,0°表示在0°处测量的轴向磁场分量，Bz,120°表示在120°处测量的轴向磁场分量，以及Bz,240°表示在240°处测量的轴向磁场分量。除了轴向磁场分量外，还可以使用切向磁场分量。处理电路可进一步被配置为基于phi”＝arctan(Co’,Si’)来计算第二中间角度信息phi”，其中Co’＝Br,0°-(Br,120°+Br,240°)/2且Si’＝sqrt(3)*(Br,120°-Br,240°)/2。其中Br,0°表示在0°处测量的径向磁场分量，Br,120°表示在120°处测量的径向磁场分量，且Br,240°表示在240°处测量的径向磁场分量。
根据又一方面，提供了一种磁性角度传感器装置，其包括围绕旋转轴线可旋转的夹具。多极磁体附接至夹具。以与多极磁体相距预定轴向距离，多个(N≥2)磁场传感器电路在预定角位置处放置于围绕旋转轴线的圆上。每个磁场传感器电路均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件。在夹具和/或多极磁体围绕旋转轴线的绕转期间，任一个磁场传感器电路与多极磁体的周界之间的相对径向位置发生变化。处理电路***被配置为基于来自多个第一磁场传感器元件的信号的组合来计算第一中间角度信息，基于来自多个第二磁场传感器元件的信号的组合来计算第二中间角度信息，以及基于第一和第二中间角度信息计算夹具和/或多极磁体的旋转角度的估计。
在一些实施例中，任一个磁场传感器电路与多极磁体的周界之间的相对径向位置的变化可以通过多极磁体的几何设置来获得，其中多极磁体相对于旋转轴线是旋转非对称的。
根据本发明的又一方面，提供了一种闭环多极磁体，其具有与多极磁体的重心偏移或位移的磁性对称中心。
在一些实施例中，闭环多极磁体可以在平面图(顶视图)中具有环/圆环的形状。从本公开的上下文下，环或圆环的形状可以被理解为围绕孔的任何闭环形状，并且不是必须表示圆形的形状或周界。此外，多极磁体不必是平面的，而是也可以为球冠形状。
多极磁体可以在平面图(顶视图)中具有环/圆环的形状，并且可以在所述平面图中具有磁性对称点，从该平面图中看，所有的磁北极和/或南极都出现在相同的孔径角α下方，其中，在所述平面图中，多极磁体的所有磁化部分的重心都不与所述对称点一致。
在一些实施例中，闭环多极磁体可放置在围绕旋转轴线可旋转的支撑载体上。支撑载体上的多极磁体的几何布置相对于旋转轴线是旋转非对称的。由于旋转非对称，可以获得不同的第一和第二中间角度信息。基于不同的第一和第二中间角度信息，可以确定放置在支撑载体上的多极磁体的旋转角度的良好估计。
在一些实施例中，支撑载体上的多极磁体的重心从旋转轴线径向偏移，导致旋转非对称。可以有效地制造和安装这样的设置。备选地，磁体可以是旋转对称的，但不是其所有体积都被磁化：那么只有旋转非对称的部分以多极图案被磁化，而其余部分不被磁化。这会是有利的，因为这避免了偏心机械载荷，因为磁体的重心在旋转轴线上，即使磁体的磁化体积的重心离开旋转轴线。
在一些实施例中，多极磁体是圆环形的，并且相对于支撑载体的旋转轴线偏心地放置在支撑载体上。可以有效地制造和安装这样的设置。
在一些实施例中，磁体和支撑载体的重心可以沿与旋转轴线相反的方向偏离旋转轴线，以平衡两个部分在轴上的离心力，尤其在其高速旋转的情况下。
在一些实施例中，多极磁体包括p≥2个极对，它们相对于旋转轴线具有相等的孔径角。换言之，多极磁体的磁性对称中心相对于旋转轴线同心地定位。在放置在支撑载体上的磁性多极环偏心于旋转轴线的情况下，这意味着磁性多极环的磁性对称中心与支撑载体的旋转轴线一致。
根据又一方面，提供了一种用于估计旋转角度的方法。该方法包括：利用多个磁场传感器电路执行磁场测量，多个磁场传感器电路围绕旋转轴线放置在预定等距角位置处并且与可旋转多极磁体相距预定轴向距离。多个磁场传感器电路中的每一个均包括对第一(例如，轴向或切向)磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于第一磁场分量的第二(例如，径向)磁场分量敏感的第二磁场传感器元件。该方法包括：在多极磁体围绕旋转轴线的绕转期间，改变至少第二磁场传感器元件中的任一个与多极磁体的周界之间的相对径向位置。基于来自多个第一磁场传感器元件的信号的组合来计算第一中间角度信息。基于来自多个第二磁场传感器元件的信号的组合来计算第二中间角度信息。基于第一和第二中间角度信息来估计旋转角度。相对径向变化可导致径向磁场分量的变化。该附加径向信息可以进一步改善旋转角度的明确估计。
多个第一磁场传感器元件可以围绕旋转轴线放置在相应的第一读取圆上。多个第二磁场传感器元件可以围绕旋转轴线放置在相应的第二读取圆上。第一和第二读取圆的半径可以是相同的，或者也可以彼此不同。类似地，第一和第二读取圆与多极磁体之间的相应预定轴向距离可以相同或者也可以彼此不同。
在一些实施例中，改变相对径向位置可以包括以旋转非对称方式围绕旋转轴线旋转多极磁体(即，多极磁体具有零或有限阶的磁对称性)。换言之，变化的相对径向位置可以包括提供相对于旋转轴线旋转非对称的多极磁体的几何设置。
在一些实施例中，改变相对径向位置可以包括将磁性多极磁体放置在围绕旋转轴线旋转的载体上，其中载体上的磁性多极磁体的几何布置相对于旋转轴线是旋转非对称的。如之前所解释的，这种旋转非对称可以不同的可能方式获得。
如将在下面更详细解释的，本公开的各种实施例可以在0°到360°以及更大的范围内产生精确的旋转角度估计。
附图说明
下文将仅通过示例并参照附图描述装置和/或方法的一些示例，其中
图1示出了示例性磁性角度传感器装置的透视图；
图2示出了图1的磁性角度传感器装置的侧视图；
图3示出了图1的磁性角度传感器装置的顶视图；
图4示出了用于估计旋转角度的方法的基本流程图；
图5A示出了由多极磁体引起的轴向磁场分量Bz的过程；
图5B示出了基于不同角位置处的轴向磁场分量的测量计算的两个中间信号；
图5C示出了第一中间角度信息phi’的曲线；
图6A示出了由多极磁体引起的径向磁场分量Br的过程；
图6B示出了基于不同角位置处的径向磁场分量的测量计算的两个中间信号；
图6C示出了第二中间角度信息phi”的曲线；
图7示出了基于第一和第二中间角度信息phi’和phi”的旋转角度估计的曲线；
图8A和图8B示出了多极磁体的不同实施例；以及
图9示出了从多极磁体的重心横向偏移的多极磁体的磁化中心的概念。
具体实施方式
现在将参照示出了一些示例的附图更全面地描述各种示例。在附图中，为了清楚可以放大线、层和/或区域的厚度。
因此，虽然进一步的示例能够进行各种修改和替换形式，但是其一些特定示例在图中示出并且随后进行详细描述。然而，这种详细描述并不将进一步的示例限于所描述的特定形式。进一步的示例可以覆盖落在本公开范围内的所有修改、等价和替代。相似的数字在附图的描述中表示相似或类似的元件，当相互比较时可以相同地或以修改形式实现，同时提供相同或类似的功能。
应当理解，当一个元件被称作“连接”或“耦合”至另一元件时，这些元件可以直接连接或耦合或者通过一个或多个中间元件连接或耦合。如果使用“或者”组合两个元素A和B，则理解为公开了所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B。相同组合的替代措辞是“A和B中的至少一个”。这同样适用于超过2个元素的组合。
本文用于描述特定示例的术语并不用于限制进一步的示例。无论何时使用诸如“一个”和“该”的单数形式，并且仅使用单个元素既不是显式定义也不是隐式定义为强制性的，进一步的示例也可以使用多个元素来实现相同的功能。类似地，当随后将功能描述为使用多个元素实现时，进一步的示例可以使用单个元素或处理实体实现相同的功能。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定所提特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元素、组件和/或它们的任何组。
除非另有定义，否则所有术语(包括技术和科学术语)在本文中用于该示例所属领域的普通含义。
图1至图3示出了根据一个示例性实施例的磁性角度传感器装置100的不同视图。图1是透视图，图2是侧视图，图3是示例性实施例的顶视图。
在所示示例中，磁性角度传感器装置100围绕可旋转轴110布置。轴110在Z方向上延伸，在本说明书中也将Z方向表示为轴向方向。轴沿z方向的轴线可以被认为是旋转轴线115。在一些应用(例如，方向盘、转向柱等)中，期望确定轴110在0°至360°或更大范围内的旋转角度。
磁性角度传感器装置100包括围绕旋转轴线115可旋转的夹具120。在所示示例中，夹具120是以防扭矩的方式附接至轴110的支撑盘，使得轴110和夹具一同旋转。轴110垂直于支撑盘120延伸，其在所示示例中横跨x-y平面。
多极磁体130被放置在夹具120上。在所示示例中，多极磁体130是环形的，其中磁北极(N-)和南极(S-)在圆周方向上交替。从图1和图3可以看出，多极磁体130在夹具120上的几何布置相对于旋转轴线115是旋转非对称的。虽然可以各种方式实现旋转非对称，但在所示示例中，多极磁体130的对称或重心135与旋转轴线115径向位移。换言之，环形的示例性磁性多极磁体130相对于旋转轴线115偏心地放置在支撑盘120上。多极磁体130的重心135与旋转轴线115之间的精确径向位移将取决于整个布置的大小。然而，对于典型的汽车应用，磁性多极磁体130的重心135可以从旋转轴线115位移1mm和5mm之间的范围内的径向位移e。受益于本公开的人应理解，也可以实施其他形式的旋转非对称，例如通过椭圆形状的多极磁体130。附加地或备选地，磁性多极环130可以具有沿圆周方向变化的径向宽度w。
在所示示例中，磁性角度传感器装置100包括三个磁场传感器电路140-1、140-2和140-3，它们在与多极磁体130相距预定轴向距离AG的预定角位置处被放置在围绕旋转轴线115的(虚拟)圆上。受益于本公开的人应理解，为了提高测量精度，还可以使用三个以上的磁场传感器电路140。磁场传感器电路140-1、140-2和140-3以相等的径向距离围绕旋转轴线115放置在所谓的读取圆上。如将显而易见的，读取圆的半径与多极磁体130的偏心率之间存在一些相关性(interrelation)。磁场传感器电路140-1、140-2和140-3与多极磁体130之间的轴向距离AG将取决于整个布置的大小。然而，对于典型的汽车应用，轴向距离可以在1mm到3mm的范围内。
每个磁场传感器电路140-1、140-2和140-3均包括对轴向或切向磁场分量敏感的第一磁场传感器元件(未明确示出)和对径向磁场分量敏感的第二磁场传感器元件(未明确示出)。因此，每个磁场传感器电路140-1、140-2和140-3的相应第一磁场传感器元件可以测量第一(例如，轴向或切向)磁场分量。以下描述涉及可以测量轴向(z方向)磁场分量Bz的相应第一磁场传感器元件。每个磁场传感器电路140-1、140-2和140-3的相应第二磁场传感器元件可以测量垂直于第一磁场分量的第二(例如，径向)磁场分量BR。磁场传感器电路140-1、140-2和140-3的相应第一和第二磁场传感器元件可以容纳在相同的相应传感器封装中。因此，为了简化的目的，可以假设磁场传感器电路140-1、140-2和140-3的相应第一和第二磁场传感器元件基本同位(例如，在若干mm内)。在其它实施例中，第一和第二磁场传感器元件被容纳在不同的封装中并且位于不同的角位置：例如，第一磁场传感器元件可以位于0°、120°、240°处，而第二磁场传感器元件可位于60°、180°、300°处或者处于30°、150°、270°处。还允许将第一磁场传感器元件放置在具有第一读半径的第一读取圆上，并且将第二磁场传感器元件放置在具有与第一读半径不同的第二读半径的第二读取圆。还可以将第一磁场传感器元件放置为与磁体相距第一轴向距离AG1并将第二磁场传感器元件放置为与磁体相距第二轴向距离AG2，其中AG1可不同于AG2。在大多数情况下，更倾向于将第一和第二磁场传感器元件放置得相互接近，使得它们可容纳在同一传感器封装中，优选地，甚至在同一半导体芯片上，因为这样节省制造成本、材料清单和空间消耗，并且改善第一和第二磁场传感元件之间的相对位置放置的精度并减少传感器元件的过程分布。
参照图1，磁性角度传感器装置100还包括处理电路***150，其被配置为基于来自三个或更多个第一磁场传感器元件的信号的组合来确定或计算第一中间角度信息，基于来自三个或更多个第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，并且基于第一和第二中间角度信息来计算夹具120和/或多极磁体130的旋转角度的估计。
通过图4中呈现的流程图总结用于估计旋转角度的示例性处理400。
处理400包括经由多个磁场传感器电路140-1、140-2、140-3执行磁场测量410，其中，多个磁场传感器电路140-1、140-2、140-3以与可旋转磁性多极磁体130相距预定轴向距离在预定角位置处放置在围绕旋转轴线115的圆上。多个磁场传感器电路140-1、140-2、140-3中的每一个均包括对第一(例如，轴向或切向)磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对第二(例如，径向)磁场分量敏感的第二磁场传感器元件。处理400还包括在多极磁体130围绕旋转轴线115的绕转期间改变任一个磁场传感器电路140-1、140-2、140-3与多极磁体130的周界之间的相对径向位置。处理400包括基于来自多个第一磁场传感器元件的测量信号的组合计算第一中间角度信息(420)，基于来自多个第二磁场传感器元件的测量信号的组合计算第二中间角度信息(430)，以及基于第一和第二中间角度信息估计旋转角度(440)。相应的测量信号可以对应于多极磁体130绕旋转轴线115的至少一个360°绕转。
可选地，改变相对径向位置(420)可以包括将多极磁体130放置在围绕旋转轴线115旋转的支撑载体120上，其中支撑载体上的多极磁体的几何布置相对于旋转轴线是旋转非对称的。在一些实施例中，支撑载体120可以是旋转对称的并且与旋转轴线同心地布置，其中改变相对径向位置(420)可以包括将环形的多极磁体130相对于旋转轴线115偏心地放置在支撑载体120上。
下面将更详细地描述第一中间角度信息、第二中间角度信息和旋转角度的估计的计算。
多极磁体130可以是多极永磁体，其经由磁体支撑板形式的夹具120偏心地安装在轴110上。被磁化材料的重心不需要位于旋转轴线115上，但可以从旋转轴线115在径向上偏移距离e。
N个磁场传感器电路140-1、…、140-N(N≥2)被放置在读取圆上，该读取圆与旋转轴线115同心，并且相对于多极磁体130的表面轴向偏移少许。这种小轴向间隔AG也被称为气隙。其应该尽可能小，但足够大到防止旋转部分与固定传感器140碰撞。具体地，Ag＝1…3mm。
N个磁场传感器电路放置在读取圆上，优选具有360°/N的规则角间隔。例如，对于N＝3个传感器，它们可以放置在0°、120°、240°处(其中，0°位置是任意的)，并且对于N＝4个传感器，它们可以放置在90°的整数倍处，并且对于N＝5个传感器，它们可以位于70°的整数倍处，以此类推。对于N＝2个传感器，例如它们可能位于0°和90°处。
如果多极磁体130具有p个相等的磁极对，则可以将传感器140放置得更近，例如360°/N/p处。示例：对于N＝3和11个极对，可以将传感器放置在0°、10.91°和21.82°处。对于N＝2和11个极对，可以将传感器放置在0°和8.18°处。
对于N个等距角位置，相邻的两个磁场传感器电路140-n(n＝1、…、N)之间的角间隔为360°/N。对于p个相等的极对，磁场如sin(p*psi)变化，因此位于位置psi的一个磁场传感器电路140-n检测与sin(p*psi)成比例的磁场，并且其相邻的磁场传感器电路检测与sin(p*psi+p*×360°/N)成比例的场。为了根据这两个传感器信号再现旋转角度，如果p*360°/N不是180°的整数倍，则是有利的。因此，p应该不是N/2的整数倍。例如，对于N＝3来说，p不应该是3、6、9、12、15、…。对于N＝4来说，p不应该是2、4、6、8、…。对于N＝5来说，p不应该是5、10、15、20、…。在优选实施例中，p是大于3的整数，并且N为3。
如图所示，磁性多极环130具有径向宽度w和轴向厚度t、内半径Ri和外半径Ro＝Ri+w。通过等周长的p个极对，磁性多极环的磁化具有360°/p的角周期。应注意，可以相对于旋转轴线或者相对于磁体质量(＝环)的重心来测量周长。图3的顶视图示出了前者：磁性多极环的N极和S极的边界位于直线上，该直线穿过旋转(轴线115)的中心而不穿过磁性多极环的中心。备选地，也可以使N极和S极之间的边界位于直线上，该直线穿过旋转中心和磁环中心之间(例如，两者之间的一半)的直线上的点。
在笛卡尔坐标系中，通过以下方程给出示例性磁化模式：
Mx＝Msat*x/sqrt(x^2+y^2)*sin(p*atan(x，y))，
My＝Msat＊(-Y)/sqrt(x^2+y^2)*sin(p*stan(x，y))，
Mz＝Msat*cos(p*atan(x，y))，
其中Mx、My和Mz是磁化矢量的三个笛卡尔坐标系分量，Msat是多极磁体130的材料的饱和磁化，x、y、z是测试点的坐标，p是多极磁体130的极对的数量，以及atan(x，y)表示从原点(0，0)到端点(x，y)的矢量与正x方向矢量之间的角度。这产生恒定长度的磁化矢量，其围绕半径矢量旋转p次，同时测试点以与通过磁体材料的旋转轴线的恒定距离移动完整循环。在磁体130上方且尤其在读取圆上，产生磁场，其轴向(z)分量Bz正弦地变化，如图图5A所示，例如参数p＝11，Msat＝796kA/m，Ri＝18mm，RO＝24mm，w＝6mm，t＝2mm，AG＝2mm。对于磁性多极环130的一个物理绕转，可以注意到11个周期，每一个都对应于360/11＝32.7273°。如果定义该波形的一个准周期为两个连续最大值之间的区域，则在一个绕转中具有Bz的11个准周期。或者换句话说，Bz在一个绕转中具有11个最大值。
如果在0°、120°和240°处在读取圆上放置对轴向Bz场分量敏感的N＝3个磁场传感器元件(例如，霍尔板)以对该场图案进行采样并且比较两个第一中间信号，则
Co＝Bz,0°-(Bz,120°+Bz,240°)/2，
Si＝sqrt(3)*(Bz,120°-Bz,240°)/2。
在图5B中绘制了两个第一中间信号Co和Si(在绘制的间隔外，函数正好是周期性的)。
然后，处理电路***150可被配置为根据图5C中绘制的phi’＝arctan(Co，Si)来计算第一中间角度信息phi’。在所示示例中，phi’从-180°到+180°来回11次，而轴110仅从-180°到+180°旋转一次。因此，phi’可仅产生轴110的角位置直到360°/11的未知整数倍。
为了在整个360°循环中得到唯一的旋转角度读数，本公开提出使用可以从偏心率和径向磁场分量中获得的附加信息。由于偏心，在顶视图中，磁性多极环130相对于读取圆横向偏移。对于图3的示例性顶视图中的磁性多极环130的特定角位置，读取圆在右侧(靠近传感器140-1)接近磁性多极环130的内周界，并且在左侧(靠近传感器140-3)接近磁性多极环的外周界，而在顶部和底部(例如，靠近x＝0和y＝+/-(Ri+Ro)/2)接近磁性多极环130的中间。换句话说，任一个磁场传感器电路140和多极磁体130之间的相对径向位置在夹具120和/或多极磁体130绕旋转轴线115的绕转期间变化。在图3的所示示例中，多极磁体130的内周界的径向位置在夹具120和/或多极磁体130的第一角位置处与磁场传感器电路140-1的径向位置一致，并且多极磁体130的外周界的径向位置在夹具和/或多极磁体130的第二角位置处与相同磁场传感器电路140-1的径向位置一致。
众所周知，如果假定w<<Ri，多极磁环的径向磁场分量BR对于所有圆周位置近似接近环的中间(Ri+w/2)而消失。然而，其在朝向磁性多极环130的外周界时增加。其还在朝向磁性多极环130的内周界移动时增加。在两个周界处，径向磁场分量正弦地变化，然而相移为180°。这意味着，在顶视图中，在接近环130的外周界的特定圆周(或角度)位置处具有该磁场分量的正峰值，而在顶视图的接近环130的内圆周的相同圆周位置处具有负峰值，反之亦然。
根据一些实施例，偏心率e为e＝w*f，其中f＝0.2…0.6，例如f＝0.45。受益于本公开的技术人员应理解，偏心率e应当大于磁体130相对于读取圆的装配公差。
例如，参数p＝11，Msat＝796kA/m，Ri＝18mm，Ro＝24mm，w＝6mm，t＝2mm，AG＝2mm，沿读取半径采样的仿真径向场分量如图6A所示。应注意到：在+/-90°处，迫使附加零过渡。如果将该波形的一个准周期定义为两个连续的最大值之间的区域，则在一次绕转期间，具有径向场分量BR有12个准周期。或者换句话说，BR在一次绕转中具有12个最大值(最后一个在180°处，与-180°处的第一个相同，使得其仅被计数为一个最大值)。
例如，垂直霍尔效应器件可被用作磁场传感器电路140中的BR场传感器元件(BR是磁场的径向分量)。这些垂直霍尔效应器件可以与Bz分量的霍尔板在相同芯片上，使得对于N＝3***只需要三个传感器芯片。此外，当在同一芯片上制造时，霍尔板与磁场传感器电路140的VHall之间的相对放置精度可以非常好。
如果在0°、120°、240°处在读取圆上放置用于BR场的N＝3个传感器元件(例如，VHall)以对该场图案进行采样并计算两个第二中间信号，则
Co’＝Br,0°-(Br,120°+Br,240°)/2，
Si’＝Sqrt(3)*(Br,120°-Br,240°)/2。
在图6b中绘制了两个第二中间信号Co’和Si’。
应注意，从径向磁场分量BR得到的Si’和Co’波形不具有完全恒定的幅度，但它们可以在一次循环中波动。类似地，实际上，从轴向磁场分量Bz得到的Si和Co波形也不具有完全恒定的幅度(所示的Si和Co曲线表示忽略了这种波动的解析近似)。在这种类型的角度传感器***中，Si、Co和Si’、Co’的这些幅度波动是角误差的一个原因。因此，有利地寻找具有使这些波动最小化的几何形状和磁化图案的磁体。一种方式是将多极磁体130的轴向厚度t朝向其外周界减小。这也会使Bz(y)对于x＝0和z＝常数更加平坦，并且减小Si、Co的幅度波动。
处理电路***150可被配置为根据phi”＝arctan(Co’,Si’)来计算第二中间角度信息phi”，这在图6C中绘制。这里，输出phi”从-180°到+180°仅进行10次，而轴110从-180°到180°仅进行一次。
总结所示示例，来自BR传感器元件的信号示出了12个周期，而来自Bz传感器元件的信号示出了11个周期。这是当前提出的重要观察结果。根据一个实施例，传感器元件可放置在读数圆上，该读取圆根据定义与旋转轴线115同心。可以选择读取圆的半径，使得phi’和phi”之间的最大值的数目不同。具体地，phi”可具有每循环p+1个最大值，而phi’可具有每循环p个最大值，并且磁体130可以具有p个极对。应注意，对于选择不当的读取半径，该***可能无法工作。例如，如果读取半径如此之大而不管偏心率，则传感器元件将始终保持在磁环的中心半径Rcenter＝sqrt(Ri*Ro)外。或者，如果读数半径很小，则传感器将总是留在磁环的中心半径Rcenter内。
如果每个绕转均具有p和p+1个周期的两个角度读数phi’和phi”可用，则可以使用已知的概念来计算旋转角度，诸如已知的诺钮斯原理。在一个示例中，处理电路***150可以被配置为计算phi’-phi”的差，这在图7中示出。曲线700的质量不是最佳的，因为在该示例中，BR信号比Bz信号产生较不精确的角度估计。然而，磁性角度传感器装置100仅需要这种关系来粗略估计旋转角度。例如，可以从Bz信号中获得更精细的估计。这里，必须记住，Bz信号的斜率比曲线600的平均斜率高出p倍。假设在接近-180°处，曲线700[phi’-phi”]返回一个值，该值接近-180°或接近+180°，然而，从Bz信号获得的曲线phi’针对-180°和-180°+360/11/2＝-163.6°之间的角度产生负读数，而对于164.6°和180°之间的角度给出正读数。
如上所述，可以这种方式对多极磁体130进行优化，以避免中间信号Si、Co和Si’、Co’在一次绕转中的幅度波动。例如，这可以通过在旋转中心和偏心之间的某个位置选择多极磁体的磁化的对称中心来进行。多极磁体130的磁化的对称中心对应于旋转中心的示例如图8A、图8B所示。此外，多极磁体130的p个极对相对于旋转中心或旋转轴线115可以具有相等的孔径角α。这个概念在图9中示意性示出，图9示出了具有p个极对并且相对于旋转轴线115具有相等孔径角α＝360°/2p的环形多极磁体。然而，应当注意，这种磁化对称中心偏移不是强制性的，并且多极磁体的磁化的对称中心也可以与多极磁体130的物理/结构形状的对称中心(重心)相对应。虽然角度估计可能更加不准确，但具有对应磁化对称中心和结构对称中心的这种多极磁环会更容易和更灵活地制造，因为它们与最终偏心率无关。
此外，多极磁体环130的径向宽度w可以相对于方位位置而变化(参见图8A)。例如，对于环的那些更靠近旋转轴线的部分或者对于那些更远的部分，其可能更大。磁体环130的内周界和外周界中的任一个可以是圆形或椭圆形的。如果它们都是椭圆，则这些椭圆的长轴可以是平行或正交的。后者可能类似于图8A的示例。这里，圆的中心是垂直于绘图平面的旋转轴线115，并且多极是N极和S极的序列，并且两个椭圆的中心是相同的但是向旋转轴线的左侧偏移。
如果内周界和外周界都是圆形，则它们不需要具有相同的中心，但是可以偏移，例如偏移与偏心率相当的量。磁体环可以较窄(即，w<<Ri)或者较宽(如图8B所示)，其具有同心的内和外圆形周界，但是磁性图案的对称中心偏移到圆的中心的右边。
还可以使用方位角(切向)磁场分量而不是轴向分量。
轴向磁场分量Bz和第一中频信号Si、Co被外部干扰场稍微影响。径向磁场分量BR和第二中间信号Si’、Co’可确实被外部干扰场影响(即，正好相反的)。然而，该***可以通过用两个BR场传感器代替每个BR场传感器来修改，这可以切向远离1…5mm。然后，处理电路***可以利用dpsi*RR＝1…5mm来计算dBR＝BR(psi+dpsi)-BR(psi-dpsi)(RR是传感器元件的读取半径)。dBR对外界干扰场是稳健的，尤其在两个传感器元件不太靠近铁轴110的情况下。在又一些实施例中，其他磁场分量也可以被与它们不同的类似物来取代，即，代替Bz，***可以测量dBz＝BZ(psi+dpsi)-Bz(psi-dpsi)，并且代替Bpsi，***可以测量dBpsi＝Bpsi(psi+dpsi)-Bpsi(psi-dpsi)。无论何时测量不同场，两个磁场敏感元件被放置在方位坐标psi+dpsi和psi-dpsi处，并且如果它们对相同的磁场分量敏感，则电路必须减去它们的信号。
与一个或多个先前详细描述的示例和附图一起提到和描述的方面和特征可以与一个或多个其他示例组合，以代替其他示例的类似特征或者向其他示例附加地引入特征。
示例可进一步为计算机程序或者与计算机程序有关，当计算机程序在计算机或处理器上执行时，计算机程序具有用于形成一个或多个上述处理的程序代码。上述各种方法的步骤、操作或处理可以通过编程计算机或处理器来执行。示例还可以覆盖程序存储设备，诸如数字数据存储介质，它们是机器、处理器或计算机可读编码机器可执行、处理器可执行或计算机可执行程序指令。指令执行或引发执行上述方法的一些或所有动作。程序存储设备可以包括或者例如为数字存储器、磁性存储介质(诸如磁盘、磁带)、硬盘驱动器或者光学可读数字数据存储介质。进一步的示例还可以覆盖被编程以执行上述方法的动作的计算机、处理器或控制单元，或者被编程以执行上述方法的动作的(现场)可编程逻辑阵列((F)PLA)或(现场)可编程门阵列((F)PGA)。
说明书和附图仅示出了本公开的原理。此外，这里列举的所有示例原则上仅用于教学目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为促进本领域所贡献的概念。本文描述原理的所有表述、方面和本公开的示例以及其具体示例旨在包括其等同物。
表示为“用于…的装置”执行特定功能的功能块可以表示被配置为执行特定功能的电路。因此，“用于某事的装置”可以实施为“被配置为或者适合于某事的装置”诸如被配置为或适合于对应任务的设备或电路。
在附图中示出的各种元件的功能，包括标记为“装置”、“用于提供信号的装置”、“用于生成信号的装置”等的任何功能块可以专用硬件的形式(诸如“信号提供器”、“信号处理单位”、“处理器”、“控制器”等)以及能够与适当软件相关联执行软件的硬件的形式来实施。当由处理器提供时，可以通过单个专用处理器、单个共享处理器或者多个独立的处理器(其中一些或所有都被共享)来提供功能。然而，术语“处理器”或“控制器”远不限于只能够执行软件的硬件，而是可以包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可以包括传统和/或定制的其他硬件。
例如，框图可以示出实施本公开原理的高级电路图。类似地，流程图、状态转换图、伪代码等可以表示各种处理、操作或步骤，这例如可以在由计算机或处理器执行的计算机可读介质中基本表示，无论这种计算机或处理器是否被明确示出。在说明书或权利要求中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的每个对应动作的装置的设备来实施。
可以理解，说明书和权利要求中公开的多个动作、处理、操作、步骤或功能的公开可以不以特定顺序构建，除非另有明示或暗示，例如出于技术原因。因此，多个动作或功能的公开将不将它们限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因不可交换。此外，在一些示例中，单个动作、功能、处理、操作或步骤可以分别包括或者可以分为多个子动作、子功能、子处理、子操作或子步骤。这些子动作可以包括该单个动作的公开或其部分，除非明确排除。
此外，以下权利要求结合到详细描述中，每个权利要求自身可以作为独立示例。虽然每个权利要求自身可以作为独立示例，但应该注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中引用与一个或多个其他权利要求的组合，但其他示例还可以包括该从属权利要求与每个从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。本文明确提出这种组合，除非该特定组合不是想要的，此外，还将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。
参考标号列表
100 磁性角度传感器装置
110 轴
115 旋转轴线
120 夹具、支撑载体
130 多极磁体
140 磁场传感器电路
150 处理电路***
400 用于估计旋转角度的方法
410 执行磁场测量
420 计算第一中间角度信息
430 计算第二中间角度信息
440 估计旋转角度
700 估计旋转角度的曲线

Claims (19)

1.一种磁性角度传感器装置(100)，包括：
多极磁体(130)，围绕旋转轴线(115)可旋转，其中所述多极磁体(130)的几何布置相对于所述旋转轴线(115)是旋转非对称的；
多个磁场传感器电路(140)，以与所述多极磁体(130)相距预定轴向距离在预定等距离角位置处围绕所述旋转轴线(115)放置，其中每个磁场传感器电路(140)均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于所述第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件；以及
处理电路***(150)，被配置为基于来自多个所述第一磁场传感器元件的信号的组合计算第一中间角度信息，基于来自多个所述第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于所述第一中间角度信息和所述第二中间角度信息计算所述多极磁体(130)的旋转角度的估计。
2.根据权利要求1所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)的重心与所述旋转轴线(115)径向偏移。
3.根据权利要求2所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)的磁化部分的所述重心从所述旋转轴线(115)偏移，其中径向偏移在1mm和5mm之间的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)是环状的，并且相对于所述旋转轴线(115)偏心地放置在夹具上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中在所述多极磁体(130)围绕所述旋转轴线(115)的绕转期间，任一个所述磁场传感器电路(140)与所述多极磁体(130)的周界之间的相对径向位置变化。
6.根据权利要求5所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)的周界与位于所述多极磁体(130)的第一角位置处的一个所述磁场传感器电路之间的第一径向距离不同于所述多极磁体(130)的周界与位于所述多极磁体(130)的第二角位置处的相同磁场传感器电路之间的第二径向距离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述预定轴向距离在1mm至3mm的范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)包括p≥2个极对，这些极对相对于所述旋转轴线(115)具有相等的孔径角。
9.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体包括p≥2个极对，其中p mod N≠0，并且其中所述磁场传感器电路围绕所述旋转轴线放置，其中相邻的磁场传感器电路之间具有360°/N/p的角度间隔。
10.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，包括在0°、120°和240°的角位置处围绕所述旋转轴线放置的N＝3个磁场传感器电路，并且其中所述处理电路***(150)被配置为基于下式计算所述第一中间角度信息phi’，
phi’＝arctan(Co,Si)
其中Co＝Bz,0°-(Bz,120°+Bz,240°)/2且Si＝sqrt(3)*(Bz,120°-Bz,240°)/2，其中Bz,0°表示在0°处测量的轴向磁场分量，Bz,120°表示在120°处测量的轴向磁场分量，并且Bz,240°表示在240°处测量的轴向磁场分量。
11.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述处理电路***(150)被配置为基于下式计算所述第二中间角度信息phi”，
phi”＝arctan(Co’,Si’)
其中Co’＝Br,0°-(Br,120°+Br,240°)/2且Si’＝sqrt(3)*(Br,120°-Br,240°)/2，其中Br,0°表示在0°处测量的径向磁场分量，Br,120°表示在120°处测量的径向磁场分量，以及Br,240°表示在240°处测量的径向磁场分量。
12.一种闭环多极磁体(130)，具有与所述多极磁体(130)的重心偏移的磁性对称中心(115)。
13.根据权利要求12所述的多极磁体(130)，其中所述多极磁体包括p≥2个极对，至少所有的北极相对于所述磁性对称中心(115)出现在相同的孔径角下方。
14.根据权利要求12或13所述的多极磁体(130)，其中所述多极磁体(130)被放置在围绕旋转轴线(115)可旋转的支撑载体(120)上，其中所述多极磁体的磁性对称中心与所述旋转轴线(115)一致，并且所述多极磁体的重心从所述旋转轴线(115)径向偏移。
15.根据权利要求14所述的多极磁体(130)，其中所述多极磁体是环状的，并且相对于所述旋转轴线(115)偏心地放置在所述支撑载体(120)上。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的多极磁体(130)，其中所述多极磁体包括p≥2个极对，相应极对相对于所述旋转轴线(115)具有相等的孔径角。
17.一种用于估计旋转角度的方法(400)，所述方法包括：
利用多个磁场传感器电路(140)执行(410)磁场测量，所述多个磁场传感器电路以与多极磁体(130)相距预定轴向距离在预定角位置处围绕旋转轴线布置，所述多极磁体(130)围绕所述旋转轴线(115)可旋转，其中所述多个磁场传感器电路中的每一个均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于所述第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件；
在所述多极磁体围绕所述旋转轴线(115)的绕转期间，改变(420)至少所述第二磁场传感器元件中的任一个与所述多极磁体(130)的周界之间的相对径向位置；
基于来自多个所述第一磁场传感器元件的信号的组合计算(430)第一中间角度信息；
基于来自多个所述第二磁场传感器元件的信号的组合计算(440)第二中间角度信息；以及
基于所述第一中间角度信息和所述第二中间角度信息计算(450)所述旋转角度。
18.根据权利要求17所述的方法(400)，其中改变(420)所述相对径向位置包括：将所述多极磁体(130)放置在围绕所述旋转轴线(115)旋转的支撑载体(120)上，其中所述多极磁体在所述支撑载体上的几何布置相对于所述旋转轴线(115)是旋转非对称的。
19.根据权利要求17或18所述的方法(400)，其中所述支撑载体(120)是旋转对称的，并且与所述旋转轴线(115)同心地布置，其中改变(420)所述相对径向位置包括：相对于所述旋转轴线(115)将环形的多极磁体(130)偏心地放置在所述支撑载体(120)上。
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