CN112113495B - 检测磁场发射器与磁场传感器装置之间的离散位置关系 - Google Patents

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Abstract

通过由至少三个磁场传感器构成的装置与磁场发射器之间的相对运动可以产生不同离散位置关系。至少三个磁场传感器响应于磁场发射器产生的磁场而产生至少三个传感器信号。使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第一信号作为第一线性组合。检查第一信号是否明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系。如果是，则确定装置与磁场发射器处于该一种离散位置关系。如果否，则使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算第二信号的至少一个传感器信号不同于用于计算第一信号的传感器信号，并且至少使用第二个信号来确定装置相对于磁场发射器处于不同离散位置关系中的何种离散位置关系。

Description

检测磁场发射器与磁场传感器装置之间的离散位置关系
技术领域
本公开涉及用于检测磁场发射器与具有至少三个磁场传感器的磁场传感器装置之间的位置关系的设备和方法。特别地，本公开涉及能够确定磁场传感器装置处于多种离散位置关系中的何种离散位置关系的设备和方法。
背景技术
磁场传感器被用于测量磁场。磁场传感器的示例是霍尔传感器装置，霍尔传感器装置提供与施加的磁场成比例的输出信号。磁场传感器的其他示例是基于磁阻效应的传感器，例如AMR传感器(AMR＝各向异性磁阻效应)、GMR传感器(GMR＝巨大磁阻效应)、CMR传感器(CMR＝超巨磁阻效应)或TMR传感器(TMR＝磁阻隧道效应)。
对于安全相关的应用(例如检测变速杆的位置)，可以使用两个独立的传感器，例如两个布置在共同载体上的离散传感器或两个布置在同一封装中的传感器芯片。这样的传感器被用于冗余目的，例如能够检测传感器中任一个的故障，能够与其他指标(例如自检结果)结合起来完全或部分补偿。然而，这种冗余传感器通常不提供散射场抑制，因为没有差分测量。
除了这种冗余传感器之外，还可以使用与特定磁路相关的传感器的特殊配置或设置，被设计用于生成局部差分磁场。这样的特殊配置可以抑制散射场。例如，这样的装置可以是增量速度传感器，其在霍尔探头和磁轮螺距之间具有合适的距离。
发明内容
期望具有这样的设备和方法，该设备和方法使得能够以简单且可靠的方式确定磁场传感器装置和磁场发射器处于多个离散位置关系中的何种离散位置关系，并且使用相同方法来降低干扰场敏感性。
本公开的示例提供了一种用于检测磁场发射器与由至少三个磁场传感器构成的装置之间的位置关系的设备，其中通过装置与磁场发射器之间的相对运动来能够产生该装置与磁场发射器之间的不同离散位置关系，其中至少三个磁场传感器被设计为响应于由磁场发射器产生的磁场而产生至少三个传感器信号，其中该设备包括处理装置，处理装置被设计为：
通过使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第一信号作为第一线性组合；
检查第一信号是否明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系；
如果第一信号明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则确定该装置与磁场发射器处于该一种离散位置关系；
如果第一信号不能明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则通过使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算第二信号的传感器信号中的至少一个传感器信号不同于用于计算第一信号的传感器信号，并且至少使用第二信号来确定该装置相对于磁场发射器处于不同离散位置关系中的何种离散位置关系。优选地，传感器信号的线性组合被设计为使得与磁场发射器的磁场相比，对散射场的敏感性降低。
本公开的示例提供了一种用于检测磁场发射器与由至少三个磁场传感器构成的装置之间的位置关系的方法，其中通过该装置与磁场发射器之间的相对运动可以产生该装置与磁场发射器之间的不同离散位置关系，其中至少三个磁场传感器被设计为响应于由磁场发射器产生的磁场而产生至少三个传感器信号，该方法具有以下特征：
通过使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第一信号作为第一线性组合；
检查第一信号是否明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系；
如果第一信号明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则确定装置与磁场发射器处于该一种离散位置关系；
如果第一信号不能明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则通过使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算第二信号的传感器信号中的至少一个传感器信号不同于用于计算第一信号的传感器信号，并且至少使用第二信号来确定该装置相对于磁场发射器处于不同离散位置关系中的何种离散位置关系。
本公开的示例利用以下实际情况：通过使用第一线性组合，可以确定磁场发射器和磁场传感器装置处于何种离散位置关系。如果第一线性组合不能明确确定，则至少计算第二线性组合来用于进行确定。因此，本公开的示例使得能够以低成本进行确定，因为如果对散射场和散射场梯度不敏感的第一线性组合允许明确确定，则不必计算其他线性组合。但是，也可以使用其他传感器信号或线性组合来执行似真性校验。
附图说明
下面参考附图描述本公开的示例。其中：
图1示出了具有根据本公开的示例的设备的***示意图；
图2示出了根据本公开的示例的方法的流程图；
图3和图4示出了用于说明本公开的磁体和磁场传感器之间的位置关系的示意图；
图5示出了根据本公开的示例的磁场传感器装置和磁体的位置关系的示意图；
图6示出了根据示例的使用3D传感器单元的信号的设备的***示意图；
图7示出了根据示例的设备的***示意图，该设备使用3D传感器单元的信号，其中至少一个传感器旋转一个偏移角；
图8、图9和图10示出了根据本公开的示例的具有四个磁场传感器的装置与磁场之间的不同位置关系的示意图。
在下文中，将使用附图详细描述本公开的示例。应当注意，相同的元件或具有相同功能的元件可以设置有相同或相似的附图标记，并且通常省略对具有相同或相似的参考符号的元件的重复描述。具有相同或相似附图标记的元件的描述是可互换的。在以下描述中描述了许多细节，以提供对本公开的示例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实现其他示例。所描述的不同示例的特征可以彼此组合，除非相应组合的特征互斥或明确排除这种组合。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有磁场发射器10、磁场传感器装置12和用于确定磁场10与磁场传感器装置12之间的位置关系的设备14的***。设备14具有处理电路15。本公开的示例涉及具有处理电路15而不具有磁场传感器装置12和磁场发射器10的设备14。本公开的示例涉及通过处理装置15和磁场传感器装置12的组合形成的设备或***。本公开的示例涉及由处理装置15、磁场传感器装置12和磁场发射器10的组合形成的设备或***。
磁场传感器装置12具有至少三个磁场传感器16、18、20。磁场传感器16、18、20可以由任何合适的传感器元件形成，例如霍尔传感器或基于磁阻效应的传感器，例如AMR传感器、GMR传感器、CMR传感器或TMR传感器。每个磁场传感器向设备14提供一个传感器信号。在示例中，每个磁场传感器提供表示在一个方向上的磁场分量的传感器信号，例如Bx、By或Bz。
通常，磁场传感器装置的磁场传感器彼此具有固定的位置关系，并且可以布置在公共载体上，例如在公共封装中或在同一芯片上。
磁场传感器装置12可以相对于磁场发射器10移动。由此可以在装置12和磁场发射器10之间产生不同的离散位置关系。图1示出处于第一位置关系Pos1的磁场传感器装置12和磁场发射器10。此外，在第二位置关系Pos2和第三位置关系Pos3中以虚线示出了磁场发射器。在每个位置关系中，磁场传感器装置12相对于由磁场发射器产生的磁场被不同地布置，使得每种位置关系可以被分配在至少一个方向上的磁场的磁场区域。至少三个磁场传感器16、18、20被设计为响应于由磁场发射器10产生的磁场而产生至少三个传感器信号S1、S2、S3。
设备14接收至少三个传感器信号S1、S2、S3，并且处理装置15使用三个传感器信号S1、S2、S3中的至少两个来计算第一信号作为第一线性组合。处理装置15还检查第一信号是否明确表示不同离散位置关系Pos1、Pos2或Pos3中的一种离散位置关系，例如图1所示的位置关系Pos1。如果第一个信号明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系(例如Pos1)，则处理电路15确定装置12与磁场发射器10处于这种离散位置关系。在这种情况下，无需进一步计算。如果第一信号没有明确表示不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则处理电路15使用三个传感器信号S1、S2、S3中的至少两个传感器信号计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算第二信号的传感器信号中的至少一个不同于用于计算第一个信号的传感器信号，并且至少使用第二信号来确定装置12相对于磁场发射器10处于不同离散位置关系中的何种离散位置关系。
在示例中，设备14因此被设计为执行如图2所示的方法。在30处，通过使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第一信号作为第一线性组合。在32处，检查第一信号是否明确表示各种离散位置关系中的一种离散位置关系。如果在32处的检查结果为是，则在34处确定该装置与磁场发射器处于该离散位置关系。如果在32处的检查结果为否，则在36处通过使用至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算第二信号的传感器信号中的至少一个传感器信号不同于用于计算第一信号的传感器信号。至少使用第二信号来确定装置相对于磁场发射器处于不同离散的位置关系中的何种离散位置关系。
例如，可能存在n种离散位置关系，其中n是大于2的整数。在示例中，可以将第一线性组合设计为当没有散射场时能够明确确定所有n种离散位置关系。在其他示例中，第一线性组合可以被设计为：如果存在n种离散的位置关系的第一子集，则提供明确的确定；并且如果存在不属于第一子集的位置关系，则无法明确确定。第二线性组合可以被设计为：如果存在属于n个位置关系的第二个子集的位置关系，该位置关系包含与第一个子集不同的位置关系，则提供明确的确定。第一子集和第二子集可以包含所有n种离散位置关系。在其他示例中，第一子集和第二子集不包含所有n种离散位置关系，而是至少一个其他子集，其包含可以由一个或多个其他线性组合明确确定的一个或多个位置关系。在这样的示例中，如果第一线性组合和第二线性组合不允许明确确定，则可以将处理装置设计为计算一个或多个其他线性组合。
在示例中，磁场传感器在特定方向上是敏感的。因此，在示例中，磁场传感器代表简单的线性磁场传感器。在示例中，磁场传感器是1D传感器单元、2D传感器单元或3D传感器单元的一部分。1D传感器单元具有磁场传感器，该磁场传感器在一个方向上敏感，以检测第一磁场分量，例如第一磁场分量Bx、By或Bz。2D传感器单元具有在不同方向上敏感的两个磁场传感器，以便检测第一和第二磁场分量。3D传感器单元具有在三个不同方向上敏感的三个磁场传感器，以检测三个磁场分量，例如Bx、By或Bz。
在示例中，磁场传感器16、18、20可以在相同方向上是敏感的，使得传感器信号S1、S2、S3表示相同方向上的磁场分量。在示例中，三个磁场传感器16、18、20可以彼此并排，三个磁场传感器16、18、20中的第二磁场传感器18布置在三个磁场传感器16、18、20中的第一磁场传感器16和第三磁场传感器之间。在示例中，处理电路15可以被配置为根据公式S1-2*S2+S3计算第一信号，并且计算第二信号作为传感器信号S1和S2之间的差分、传感器信号S2和S3之间的差分或传感器信号S1和S3之间的差分。
本公开的示例不限于三个磁场传感器的数量。在示例中，磁场传感器装置12可具有磁场传感器的不同组合，以避免***的多重故障。可以在不同位置使用几种装置，这些装置可以作为离散的元件封装，也可以安装在同一外封装或同一芯片上。
磁场传感器装置的磁场传感器被设计用于检测不同方向的磁场并且可以布置在基本上相同的位置。磁场传感器装置的磁场传感器被设计用于检测相同方向上的磁场，它们相互之间保持足够的距离，以便以某种方式放置在磁场中，使得磁场提供了足够的差分，以能够识别离散位置并能够实现散射场补偿。
在示例中，磁场发射器被设计为以最简单的可能方式产生磁场。在示例中，磁场发射器可以是仅具有两个极的条形磁体或磁盘。因此可以节约地执行磁场发射器。磁场发射器可以被附接到要检测位置的可移动部分。因此，在示例中，不需要设计复杂的磁路来提供实际的差分磁场。
任何离散的位置(位置关系)可以分配一个磁场区域，两个彼此隔开的磁场传感器的传感器信号之间的差值可以用于至少一个方向分量。可以在该方向上显着减小所观察到的散射场的影响，该散射场是由散射场源在大于距磁场发射器的距离处生成的。与为产生微分场而优化的磁路相比，散射场的释放不是完美的，可以通过组合不同的测量来补偿。在本公开的示例中，如果计算的第一线性组合不能够明确确定，则可以使用传感器信号的一个或多个其他线性组合。
在本公开的示例中，处理装置被设计为使用至少三个传感器信号中对特定散射场最不敏感的传感器信号来计算第一线性组合。在示例中，磁场传感器的位置和测量的组合(即第一线性组合、第二线性组合以及可能的其他线性组合的计算)，可以以这种方式选择：可以通过具有最佳散射场抑制的测量来检测位置，即可以通过最小信号差检测到的位置关系。对于通过较高的磁场变化来区分其他位置的其他测量，也可以使用具有较高散射场灵敏度的测量。
在本发明的示例中，磁场传感器装置被配置为(即磁场传感器被放置为)针对要测量的不同离散位置关系提供明显不同的信号。在这样的示例中，磁场传感器彼此之间以适当的间隔布置。这至少适用于预期临界尺寸的散射场的方向。磁场传感器可以保持足够接近，以防止由散射场引起的梯度到达影响位置检测的区域。在示例中，磁场测量(即传感器信号)可以由每个磁场传感器独立地记录，并且可以计算来自不同传感器位置的信号之间的差异(作为线性组合)。可以基于第一计算出的差分对实际位置进行分类。如果第一计算出的差异(即位置关系)不能明确确定位置，可以计算一个或多个其他差异，并根据具有最佳散射场不敏感性的设置来区分无法明确确定的位置。在示例中，可以使用进一步的测量或使用代表磁场的其他方向分量的传感器信号来进行进一步的交叉测试。
在本公开的示例中，三个传感器信号可以来自3D传感器单元，该3D传感器单元具有被设计为检测不同方向上的磁场分量的三个磁场传感器。
在本公开的示例中，磁场传感器装置可以具有彼此间隔一定距离布置的1D、2D或3D传感器单元，因此，可以形成检测相同方向上的磁场分量的传感器单元的各个磁场传感器的线性组合(例如差信号)。根据位置检测问题的复杂程度，可以使用1D、2D或3D传感器单元。
在示例的情况下，除了位置确定所需的磁场传感器的线性组合之外，还可以使用其他线性组合，这些线性组合可以用于似真性校验，以提高装置的功能安全性。
参考图3描述简单的检测问题。磁场发射器的永磁条40绕其中心旋转，该中心位于垂直轴A上。条形磁体40具有单个北极N和单个南极S。由磁体40产生的磁场的磁力线在图3(以及图4和图5)中示出。
图3示出了永磁体40相对于传感器单元42的三个位置关系Pos1、Pos2和Pos3。磁体40可以被附接到例如可动杆，例如变速杆。变速杆和磁体40可以位于图3所示的三个离散位置。在与安全无关的应用中，离散位置可以使用检测水平磁场分量的单个传感器确定。传感器可以对位置进行如下分类：
Pos1：水平场指向左侧
Pos2：水平场接近0
Pos3：水平场指向右侧
垂直磁场分量不能用于所示的设置，因为Pos1和Pos3的测量结果都接近于0，因此可能会不明确。
对于与安全相关的应用，可以将传感器单元42加倍，并且可以将两个测量的一致性进行比较以确定是否存在不一致。对于具有较高复杂度的位置检测(例如，变速杆位置的检测)，可以使用2D或3D磁场传感器单元，可以使用2D或3D磁场传感器单元，可以为每个维度(例如每个磁场分量Bx、By和Bz)定义标准，以便在要识别的多个位置之间实现更好的区分。不利的是，检测可能被叠加的散射场所篡改，在最坏的情况下，散射场可能足够强，使每个传感器单元在一定方向(例如水平方向)上旋转检测，无论磁体的方向如何，都将始终导致相同的位置检测。
图4示出了具有两个彼此间隔一定距离布置的两个传感器单元44和46的磁场传感器装置。磁体40又以相对于磁场传感器装置的三个位置关系Pos1、Pos2和Pos3定位。如在位置Pos2中可以看到，当磁体相对于传感器单元44和46布置在其中心位置(Pos2)时，两个传感器单元44和46布置在竖直轴线A的相对侧上。
传感器单元44、46可以是例如2D传感器单元或3D传感器单元，并具有能够检测水平磁场分量Bx(x方向)和垂直磁场分量By(y方向)的磁场传感器。可以使用来自传感器单元44、46的磁场传感器的输出信号中的差异(它们分别检测相同的磁场分量)，以减少两个磁场传感器之间距离上散射场梯度上的散射场失真，与不进行散射场补偿的情况相比，这是显着的改进。
如果在图4所示的示例中考虑垂直磁场分量，则左传感器单元44的磁场传感器的传感器信号和右传感器单元46的磁场传感器的传感器信号之间的差分给出以下结果：
Pos1：(高垂直场)-(低垂直场) 正差
Pos2：(中垂直场)-(中垂直场) 差接近于0
Pos3：(低垂直场)-(高垂直场) 负差
差分形成表示左传感器单元44和右传感器单元46的传感器信号的线性组合。可以为每个结果分配离散的位置关系，正差明确表示位置Pos1，差接近于0明确地表示位置Pos2，并且负差明确表示位置Pos3。
水平磁场分量(x方向)不适用于图4所示的设置，因为位置Pos1和Pos3的测量结果的差异形式将提供基本相同的结果，因此由于模棱两可而未明确分配给离散位置中任一个是可能的。然而，由于位置Pos2的差分明显不同于位置Pos1和Pos3的差分，所以水平磁场分量的测量仍然可以用来验证磁体40在位置Pos2中。因此，使用水平磁场分量获得的该差分可以提供备用，并且可以用作用于确定位置Pos2的似真性校验，该位置Pos2是使用垂直磁场分量获得的。替代地或优选地，特别是如果在水平方向上期望的散射场小于在垂直方向上的散射场，则可以首先计算水平磁场分量之间的差分，如果磁体处于位置P2，则这导致清晰的结果。如果磁体不在位置P2，则该计算不会给出明确的结果，并且将执行垂直磁场分量差的计算，以便唯一确定离散位置。然而，在这种情况下，与垂直散射场相比，可容忍的信噪比更高，因为位置P2已通过测量水平磁场差而排除在外。
图6示出了处理装置15的示例，该处理装置15从第一传感器单元52接收传感器信号50并且从第二传感器单元56接收传感器信号54。在所示的示例中，传感器单元52是检测传感器信号x、y和z的3D传感器单元，传感器信号x、y和z表示在x方向、y方向和z方向上的各个磁场分量。因此，传感器信号50和54分别具有3个传感器信号x、y和z。在示例中，x方向、y方向和z方向可以彼此垂直并且对应于笛卡尔坐标系的三个方向。可以设计为例如微控制器μC的处理装置15接收传感器信号50和54，并计算各自的差信号Δx、Δy和Δz。处理装置15使用传感器信号x、y、z和/或差信号Δx、Δy和Δz对传感器信号和/或差信号进行分类，以便使用它们对传感器单元52和54具有的磁场传感器装置之间的离散位置关系进行分类，基于此来确定包括传感器单元52和54的磁场传感器装置与磁场发射器(图6中未示出)之间的离散位置关系，并输出指示位置的位置信号58。处理装置还可以使用一个或多个传感器信号x、y、z和/或差信号Δx、Δy和Δz，为了进行错误检测并基于此输出诊断信号59，例如可以是传感器单元或磁场传感器无法正常工作。
为了使分类多样化，传感器单元可以相对于一个、两个或三个轴彼此偏移一个偏移角。传感器单元的磁场传感器彼此偏移，于是不再检测相同方向上的磁场分量，而是检测以对应于偏移角的角度布置的磁场分量。然而，为了实现散射场补偿或散射场减小，在本公开的示例中，以偏移角旋转的传感器信号在信号处理期间向后旋转偏移角。图7示出了本公开的示例，其中传感器单元56相对于传感器单元52旋转了偏移角，使得传感器单元56的三个磁场传感器检测xy方向、yz方向和z方向或zx方向上的磁场分量，如图7所示。在处理装置15中的信号处理期间，传感器信号然后被转换以便补偿传感器单元52和56相对于彼此的旋转，如图7中的方框rot-1所示。换句话说，两个传感器单元44和46的传感器信号被旋转到相同的坐标系中。
在本发明的示例中，磁场传感器装置可以具有例如图4所示的两个传感器单元44和46，每个传感器单元具有至少两个磁场传感器，用于检测沿至少两个不同方向的磁场。然后可以将处理装置设计为，计算两个磁场传感器装置44和46的磁场传感器的传感器信号之间的第一线性组合(例如形成差分)，上述传感器装置检测相同的第一方向上的磁场分量。如果该第一线性组合不能明确表示磁体和磁场传感器装置之间的离散位置关系，则可以将处理装置设计为，计算两个磁场传感器装置44和46的磁场传感器的传感器信号之间的第二线性组合(例如形成差分)，该第二线性组合检测沿不同于第一方向的第二方向的磁场分量，并基于第二线性组合的结果推断位置确定。
在本公开的示例中，磁场传感器装置具有附加的传感器，并且处理装置可以被设计为计算另外的线性组合，例如传感器信号之间的差，以便实现额外的安全机制。
图5示出了本公开的示例，其中传感器布置具有三个传感器单元62、64、66。每个传感器单元可以是1D传感器单元，2D传感器单元或3D传感器单元。在示例中，每个传感器单元具有至少一个在特定方向上敏感的磁场传感器，从而每个磁场传感器在相同方向上检测磁场分量。假设传感器单元62、64、66分别具有磁场传感器，该磁场传感器被设计为检测图中的垂直磁场分量(y方向)。相应的磁场传感器彼此相邻地布置，传感器单元64的磁场传感器装置在传感器单元62和66的磁场传感器之间。在传感器单元是一维传感器单元的示例中，这些传感器单元没有其他磁场传感器。在传感器单元为2D传感器单元或3D传感器单元的示例中，可以具有在x方向和/或z方向敏感的附加磁场传感器。
图5再次示出了磁体3处于Pos1、Pos2和Pos3的三个位置。检测垂直磁场分量的传感器单元62、64、66的磁场传感器的传感器信号是第一传感器信号S1(传感器单元62)、第二传感器信号S2(传感器单元64)和第三传感器信号S3(传感器单元66)。
可以为这些传感器信号计算各种线性组合，这些组合提供以下针对各个位置Pos1，Pos2和Pos3列出的结果。“高”代表相应传感器信号的高值，“低”代表相应传感器信号的低值，“中”代表相应传感器信号的中值。
线性组合S1-S3
Pos1：高-(-低)>0
Pos2：(-中)-(-中)＝0
Pos3：(-低)-高<0
线性组合S1-S2
Pos1：高-0>0
Pos2：(-中)-高<0
Pos3：(-低)-0<0
线性组合S2-S3
Pos1：0-(-低)>0
Pos2：高-(-中)>0
Pos3：0-高<0
线性组合S1-2*S2+S3
Pos1：高-2*0+(-低)>0
Pos2：(-中)-2*高+(-中)<0
Pos3：(-低)-2*0+高<0
通常，从任何一对磁极计算出的所有三个可能的差异可用于确定磁***置。对于不同的位置，这三个差异的相应结果位于不同的区域，因此可以清楚地确定位置。然而，最后的线性组合S1-2*S2+S3不能区分位置Pos1和Pos3。但是，这种线性组合对于检测中间位置Pos2仍然非常有用，因为它与外部位置Pos1和Pos2具有不同的符号。所有差信号对散射场都不敏感，但是最后一次线性组合获得的评估信号对散射场梯度也不敏感。因此是最后的线性组合，即如果此线性组合的值<0，则可以使用S1-2*S2+S3清楚地确定中间磁***置Pos2。如果此线性组合的值>0，则此评估信号不会明确表示不同的离散位置Pos1、Pos2和Pos3中任一个。在这种情况下，处理装置将使用其他线性组合中任一个来生成第二评估信号，也就是说，使用第二评估信号计算差异S1-S3、S2-S3和S1-S2中任一个来确定磁***置。例如，差异S1-S3提供了两个外部位置之间的良好区分，并且对散射场不敏感。线性组合S1-2*S2+S3可以完美区分磁体的外部位置和中间位置，并且对散射场及其线性梯度不敏感。这两个信号具有不同的冗余度，并且可以进行交叉检查，这至少可以区分中间位置和外部位置，这代表了信号差较小的区别，因此代表了最重要的真实性检查。如果此线性组合的值>0，则此评估信号不会明确表示不同的离散位置Pos1，Pos2和Pos3中任一个。在这种情况下，处理装置将使用其他线性组合中任一个来生成第二评估信号，也就是说，使用第二评估信号计算差分S1-S3，S2-S3和S1-S2中任一个以确定磁***置。例如，差分S1-S3提供了两个外部位置之间的良好区分，并且对散射场不敏感。线性组合S1-2*S2+S3可以完美区分磁体的外部位置和中间位置，并且对散射场及其线性梯度不敏感。这两个信号具有不同的冗余度，并且可以进行交叉检查，这至少可以区分中间位置和外部位置，这代表了信号差较小的区别，因此代表了最重要的似真性校验。
根据本公开的示例，第一线性组合可以是使得能够明确确定一些但不是全部离散位置关系的组合。如果存在无法使用第一线性组合明确确定的位置关系，则使用第二线性组合。第一线性组合可以是对散射场和散射场梯度不敏感的组合。
然而，本公开的示例不限于三个传感器单元或磁场传感器，而是可以扩展到更大数量的磁场传感器或具有相应磁场传感器的传感器单元。
特别地，对散射场梯度不敏感的想法的扩展可以通过将磁场传感器装置在二维阵列中来实现。图8示意性地示出了由四个磁场传感器70、72、74、76构成的装置，四个磁场传感器被布置在矩形或正方形的四个角处，也就是说以四极布置。所示的磁场线(椭圆体)表示磁场的垂直(垂直于图的平面)成分的磁通量密度的估算值，可以通过等势线可视化。在图8中，利用这些磁力线产生磁场的磁体(未示出)布置在磁场传感器76上方。根据图9，磁体布置在传感器74和76之间，并且根据图10，磁体布置在具有磁场传感器70至76的传感器布置上方的中央。磁场传感器70至76又可以是1D传感器单元，2D传感器单元或3D传感器单元的一部分，并且可以对相同方向上的磁场分量敏感。磁场传感器70传递传感器信号NW，磁场传感器72传递传感器信号NE，磁场传感器74传递传感器信号SW，磁场传感器76传递传感器信号SE。
可以根据传感器信号NW、NE、SW、SE计算不同的线性组合，这些线性组合可以用于确定磁体的离散位置。来自两个磁场传感器的传感器信号之间的差异对均匀的散射场不敏感，但对散射场梯度不敏感。使用四个间隔开的磁场传感器70、72、74、76测量磁场使得可以计算三个差分，该三个差分可以用于识别四个磁场传感器的位置的平方内的至少九个位置。由于差异不足以明确地确定离散的位置关系，因此计算出另外的差异，然后进一步使得能够明确确定传感器装置与磁体的离散的位置关系。
在本公开的示例中，如果两个线性组合还没有提供明确的位置关系，则可以计算两个以上的线性组合。如所描述的，例如，在图8至图10所示的示例中，三个不同测量的组合可以导致清楚地检测到四个磁场传感器70、72、74、76之间的栅格中的至少九个位置。这些位置可以是例如左上、左中、左下、顶中、中心、下中、右上、右中和右下。
在示例中，第一线性组合可以计算四个磁场传感器中分别位于对角线上的磁场传感器的总和并将其彼此相减来计算。在图8至图10所示的示例中，第一线性组合可以被计算为例如NW-NE-SW+SE。这种组合对均匀的散射场和一阶梯度不敏感。对于沿着四个磁场传感器之间的中心交叉点的所有位置，该计算结果为零，因此当磁***于该位置时，无法确定位置。在这种情况下，传感器信号NW、NE、SW和SE之间的一个或多个其他线性组合然后被附加地用于确定磁体的离散位置。可以选择最合适的其他线性组合，以使它们对干扰场的方向不敏感，在该方向上可以预期散射场的最高强度。
在本公开的示例中，至少三个传感器信号中的每个传感器信号表示特定方向上的磁场分量，处理装置被配置为使用至少两个传感器信号来计算第一信号和第二信号，所述至少两个传感器信号表示相同方向上的磁场分量，并且来自至少三个磁场传感器中的磁场传感器，它们在它们之间以空间间隔布置。在这样的示例中，处理装置可以被设计为，将第一和/或第二线性组合计算为至少两个传感器信号中的两个之间的差分。在示例中，处理装置可以被设计为，使用多于两个的传感器信号来计算第一和/或第二线性组合，所述两个传感器信号表示沿相同方向的磁场分量并且来自彼此隔开一定距离布置的磁场传感器。
在示例中，磁场传感器装置可以具有彼此间隔一定距离布置的多个传感器单元，其中，传感器单元可以具有1D传感器单元、2D传感器单元或3D传感器单元。然后可以将处理装置设计为，在计算第一线性组合、第二线性组合和可选地其他线性组合时使用传感器单元的传感器信号。可以使用表示相同方向上的磁场分量的传感器信号来计算相应的线性组合。
因此，本公开的示例使得能够检测磁场传感器相对于磁场传感器装置的离散位置，该磁场传感器装置能够具有至少两个离散传感器单元，这可以为功能安全性提供备用，同时减少散射场敏感性。
在示例中，处理装置和磁场传感器装置可以被集成在一个设备中。在示例中，处理装置可以被提供为与磁场传感器装置分离的单独的设备，并且可以从磁场传感器装置接收传感器信号。处理装置可以被设计为输出信号，该信号表示磁场发射器相对于磁场传感器装置的离散位置。在示例中，处理装置可以被设计为进一步输出诊断信号，该诊断信号使用传感器信号和/或从传感器信号计算出的线性组合来确定。
在示例中，处理装置可以通过任何合适的电路结构来实现，例如微处理器电路、ASIC电路、CMOS电路等。在示例中，处理电路可以被实现为硬件结构和机器可读指令的组合。例如，处理电路可以包括：诸如具有处理器和存储器装置的处理器和存储器装置存储机器可读指令，该机器可读指令在由计算装置执行时导致执行本文所述的方法。在示例中，可以由任何合适的存储装置来实现该存储装置，诸如EPROM、EEPROM、Flash-EEPROM、FRAM(铁电RAM)、MRAM(磁阻RAM)或相变RAM。存储器可以耦合到计算装置，或者可以被集成为计算装置的一部分。在示例中，处理装置和磁场传感器装置可以被集成在传感器模块中。
取决于某些实施要求，本公开的示例可以通过电路、硬件和/或机器可读指令的任意组合来实现。本文描述的装置的示例可以包括中央处理单元、CPU、微处理器和/或适于执行存储在机器可读介质上的指令的任何硬件装置。装置的示例可以包括机器可读介质，该机器可读介质存储当由处理装置执行时执行本文描述的功能的机器可读指令。机器可读介质可以由任何电子、磁性、光学或其他物理存储介质来实现，例如EPROM，EEPROM，Flash-EEPROM，FRAM(铁电RAM)，MRAM(磁阻RAM)或相变RAM。本公开的示例涉及机器可读指令，该机器可读指令在由处理装置执行时使处理装置执行所描述的功能。
尽管已经将本公开的一些方面描述为与装置相关的特征，但是,显然这种描述也可以被视为对相应方法特征的描述。尽管已经将一些方面描述为与方法有关的特征，但是,显然这种描述也可以被视为对装置的相应特征或装置的功能的描述。
在前面的详细描述中，在示例中将各种特征部分地组合在一起以使本公开合理化。这种类型的公开不应被解释为意图是所要求保护的示例具有比每个权利要求中明确陈述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求所反映的，主题可以小于单个公开示例的所有特征。因此，本文权利要求据此被结合到详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的示例。尽管每个权利要求可以作为其自己的单独示例，但是应该注意的是，尽管权利要求中的从属权利要求是指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例还包括从属权利要求与任何其他从属权利要求的主题的组合，或者每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非指出不意图特定的组合，否则包括这样的组合。此外，本公开意图将权利要求的特征的组合与任何其他独立权利要求一起包括，即使该权利要求不直接依附于独立权利要求。
上述示例仅说明本公开的原理。应当理解，所描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员是显而易见的。因此，意图是，本公开仅由所附权利要求书限制，而不由出于描述和解释示例的目的而阐述的具体细节限制。
附图标记列表
10 磁场发射器
12 磁场传感器装置
14 用于位置检测的设备
15 处理装置
16、18、20 磁场传感器
S1、S2、S3 传感器信号
40 条形磁铁
42、44、46 传感器单元
50、54 传感器信号
52、56 传感器单元
58 位置信号
59 诊断信号
62、64、66 传感器单元
70、72、74、76 磁场传感器

Claims (22)

1.一种用于检测磁场发射器与由至少三个磁场传感器构成的装置之间位置关系的设备，其中通过所述装置与所述磁场发射器之间的相对运动能够产生所述装置与所述磁场发射器之间的不同离散位置关系，其中所述至少三个磁场传感器被设计为响应于由所述磁场发射器产生的磁场而产生至少三个传感器信号，其中所述设备包括处理装置，所述处理装置被设计为：
通过使用所述至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第一信号作为第一线性组合；
检查所述第一信号是否明确表示所述不同离散位置关系中的一种离散位置关系；
如果所述第一信号明确表示所述不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则确定所述装置与所述磁场发射器处于所述一种离散位置关系；
如果所述第一信号没有明确表示所述不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则通过使用所述至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算所述第二信号的传感器信号中的至少一个传感器信号不同于用于计算所述第一信号的传感器信号，并且至少使用所述第二信号来确定所述装置相对于所述磁场发射器处于所述不同离散位置关系中的何种离散位置关系。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少三个传感器信号中的每个传感器信号表示一个方向上的磁场分量，其中所述处理装置被设计为通过使用至少两个传感器信号来计算所述第一信号和所述第二信号，所述至少两个传感器信号表示相同方向上的磁场分量并且来自所述至少三个磁场传感器中彼此之间具有空间间隔的磁场传感器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少三个传感器信号中的每个传感器信号表示一个方向上的磁场分量，其中所述处理装置被设计用于进行计算，以将表示在彼此成角度布置的方向上的磁场分量的传感器信号换算成表示相同方向上的磁场分量的经换算的传感器信号。
4.根据权利要求1或3所述的设备，其中所述至少三个传感器信号中的三个传感器信号或经换算的传感器信号中的三个传感器信号表示相同方向上的磁场分量。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述三个传感器信号来自并排布置的三个磁场传感器，其中所述三个磁场传感器中的第二磁场传感器布置在所述三个磁场传感器中的第一磁场传感器和第三磁场传感器之间，其中所述处理装置被设计为：
根据公式S1–2·S2+S3计算所述第一信号，其中S1为所述第一磁场传感器产生的传感器信号，S2为所述第二磁场传感器产生的传感器信号，S3为所述第三磁场传感器产生的传感器信号；并且
所述第二信号被计算为所述第一磁场传感器的传感器信号和所述第二磁场传感器的传感器信号之间的差，或者所述第二磁场传感器的传感器信号和所述第三磁场传感器的传感器信号之间的差，或者所述第一磁场传感器的传感器信号和所述第三磁场传感器的传感器信号之间的差。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述至少三个传感器信号中的四个传感器信号来自以正方形布置的二维阵列的至少四个磁场传感器，其中所述处理装置被设计为通过计算所述四个磁场传感器中分别位于对角线上的磁场传感器的总和并将其彼此相减来计算所述第一信号。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述处理装置被设计为将所述第二信号、第三信号和第四信号计算为所述四个传感器信号中的不同对之间的差，并且使用所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号来确定所述装置相对于所述磁场发射器处于所述不同离散位置关系中的何种离散位置关系。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，
其中所述至少三个传感器信号中的传感器信号来自至少四个磁场传感器，所述至少四个磁场传感器中的两个传感器被布置成彼此之间具有空间间隔并且被设计为检测第一方向上的磁场分量，并且所述至少四个磁场传感器中的两个传感器被布置成彼此之间具有空间间隔并且被设计为检测与所述第一方向不同的第二方向上的磁场分量；或者
其中所述至少三个传感器信号来自至少一个第一磁场传感器，所述至少一个第一磁场传感器被设计为检测第一方向上的磁场分量，所述至少三个传感器信号来自至少一个第二磁场传感器，所述至少一个第二磁场传感器被设计为检测与所述第一方向不同的第二方向上的磁场分量，并且所述至少三个传感器信号来自第三磁场传感器，所述第三磁场传感器被设计为检测不同于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上的磁场分量。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述处理装置被设计为通过使用所述至少三个传感器信号中对散射场最不敏感的传感器信号来计算所述第一线性组合。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述处理装置被设计为使用除了用于计算所述第一信号和/或所述第二信号的传感器信号之外的其他传感器信号，或者使用所述至少三个传感器信号的其他线性组合，以执行似真性校验。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，具有所述磁场发射器和由至少三个磁场传感器构成的所述装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述磁场发射器由磁体形成，所述磁体具有正好一个北极和正好一个南极。
13.一种用于检测磁场发射器与由至少三个磁场传感器构成的装置之间的位置关系的方法，其中通过所述装置与所述磁场发射器之间的相对运动能够产生所述装置与所述磁场发射器之间的不同离散位置关系，其中所述至少三个磁场传感器被设计为响应于由所述磁场发射器产生的磁场而产生至少三个传感器信号，所述方法具有以下特征：
通过使用所述至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第一信号作为第一线性组合；
检查所述第一信号是否明确表示所述不同离散位置关系中的一种离散位置关系；
如果所述第一信号明确表示所述不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则确定所述装置与所述磁场发射器处于所述一种离散位置关系；
如果所述第一信号没有明确表示所述不同离散位置关系中的一种离散位置关系，则通过使用所述至少三个传感器信号中的至少两个传感器信号来计算第二信号作为第二线性组合，其中用于计算所述第二信号的传感器信号中的至少一个传感器信号不同于用于计算所述第一信号的传感器信号，并且至少使用所述第二信号来确定所述装置相对于所述磁场发射器处于所述不同离散位置关系中的何种离散位置关系。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少三个传感器信号中的每个传感器信号表示一个方向上的磁场分量，其中通过使用表示相同方向上的磁场分量的至少两个传感器信号来计算所述第一信号和所述第二信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少三个传感器信号中的每个传感器信号表示一个方向上的磁场分量，其中执行计算以将表示在彼此成角度布置的方向上的磁场分量的传感器信号换算成表示相同方向上的磁场分量的经换算的传感器信号。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述至少三个传感器信号中的三个传感器信号或经换算的传感器信号中的三个传感器信号表示相同方向上的磁场分量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述三个传感器信号来自并排布置的三个磁场传感器，其中所述三个磁场传感器中的第二磁场传感器布置在所述三个磁场传感器中的第一磁场传感器和第三磁场传感器之间，其中：
根据公式S1–2·S2+S3计算所述第一信号，其中S1为所述第一磁场传感器产生的传感器信号，S2为所述第二磁场传感器产生的传感器信号，S3为所述第三磁场传感器产生的传感器信号；并且
所述第二信号被计算为所述第一磁场传感器的传感器信号和所述第二磁场传感器的传感器信号之间的差，或者所述第二磁场传感器的传感器信号和所述第三磁场传感器的传感器信号之间的差，或者所述第一磁场传感器的传感器信号和所述第三磁场传感器的传感器信号之间的差。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少三个传感器信号中的四个传感器信号来自以正方形布置的二维阵列的至少四个磁场传感器，其中通过计算所述四个磁场传感器中分别位于对角线上的磁场传感器的总和并将其彼此相减来来计算所述第一信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述第二信号、第三信号和第四信号计算为所述四个传感器信号中的不同对之间的差，并且使用所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号来确定所述装置相对于所述磁场发射器处于所述不同离散位置关系中的何种离散位置关系。
20.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，
其中所述至少三个传感器信号中的传感器信号来自至少四个磁场传感器，所述至少四个磁场传感器中的两个传感器被布置成彼此之间具有空间间隔并且被设计为检测第一方向上的磁场分量，并且所述至少四个磁场传感器中的两个传感器被布置成彼此之间具有空间间隔并且被设计为检测与所述第一方向不同的第二方向上的磁场分量；或者
其中所述至少三个传感器信号来自至少一个第一磁场传感器，所述至少一个第一磁场传感器被设计为检测第一方向上的磁场分量，所述至少三个传感器信号来自至少一个第二磁场传感器，所述至少一个第二磁场传感器被设计为检测与所述第一方向不同的第二方向上的磁场分量，并且所述至少三个传感器信号来自第三磁场传感器，所述第三磁场传感器被设计为检测不同于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上的磁场分量。
21.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中通过使用所述至少三个传感器信号中对散射场最不敏感的传感器信号来计算所述第一线性组合。
22.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中使用除了用于计算所述第一信号和/或所述第二信号的传感器信号之外的其他传感器信号，或者使用所述至少三个传感器信号的其他线性组合，以执行似真性校验。
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