JP5406712B2 - アナログ回転センサのための方法および装置 - Google Patents
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Description
−sin(θ)>cos(θ)ならば、
出力領域=0°〜180°(θが315°から135°に及ぶ場合の第1の領域)
そうでなければ、
出力領域=180°〜360°(θが135°から315°に及ぶ場合の第2の領域)
あるいは、領域表示器250を使用して、線形ランプを形成するために、180°〜360°、または第2の領域のセンサ出力を垂直に上方シフトさせることが可能である。垂直シフトの大きさは、変数kに左右される。
本発明は、単一の基板上のアナログ位置センサを達成するために、特定の代数的相互関係を実施するように主に示され、説明されているが、他の代数的相互関係も実施可能であることが理解される。
2オフセット−(Asin(θ)+オフセット)>Acos(θ)+オフセット 式6
または
アルゴリズムの代替の形態を得るために、式5は、以下のように単純化可能である。
式8の結果を生成するために、κ/Aによって分子および分母を乗算する。
出力(output)の線形性は、定数項の値によって決まる。先の例では、A=2およびオフセット=2.5Vと示した。直接的「推測」では、理想定数項bは、1.7678に近似的に等しい。出力の線形性は、bの値を変化させることによってわずかに改善可能である。式18の相互関係が、先の元の明細書に適合するように、要望通り、スケーリング可能であるということは認識されるであろう。sin(θ)およびcos(θ)がある利得Aを有する場合、定数bはまた、式19に示されるように、関数Aにならなくてはならない。
複数極の実施形態では、領域表示ビットを使用して、環状磁石の360度の回転全体にわたって、複数の出力ランプを区別することが可能である。領域表示ビットをカウンタへの入力として使用することにより、磁石の動作の角度領域を決定することが可能である。カウンタは、領域すべてを循環した後で、ゼロに戻ってリセットすることが可能である。この手法は、素子が、知られている角度領域(例えば、「磁石」についての4つの領域の磁化の場合では、0〜90°)から開始する限り機能することになり、磁石は、一方の方向に回転する。磁石が両方の方向に回転する場合は、方向検出アルゴリズムと併用してアップ/ダウンのカウンタを使用して、動作の領域を決定することが可能である。しかし、素子は、知られている角度領域から開始しなくてはならない。
領域の数=2×(ペアの極の数) 式24
θRANGE=360°磁石回転/領域の数
例えば、式24を使用して、2つの極ペアを有する環状磁石が、磁石の1つの完全な回転全体にわたって、4つの出力ランプに対応することを計算できる。ビットのそれぞれの変化は、90°の領域の変化と対応することになる(式25から)。動作の領域は、以下の表1に示されているように、区別可能になる。
sin(2θ)=2sin(θ)cos(θ) 式26
cos(2θ)=cos2(θ)−sin2(θ) 式27
式26および27によって生成される倍加された周波数信号が、式1の角度検知機構に、入力として送信される場合、出力は、360°の回転全体にわたって、4つの線形ランプを有することになる。この線形ランプの倍加により、角度検知の全体的レゾリューションの倍加がもたらされる。
Bit1=LOW
そうでなければ
Bit1=HIGH
ただし、オフセットは、数学的ゼロ(例えば、アース)に対するシヌソイド信号の垂直オフセットである。復号ビット1を決定する際の複雑性は、様々な角度検知相互関係の出力における−45°の位相シフトの結果であることに留意されたい。−45°の位相シフトを変えることは可能であり、したがって、式1に示されているものとは異なるアルゴリズム形態を使用することによって、比較工程が単純化される。
−sin(2θ)>cos(2θ)ならば
Bit2=LOW
そうでなければ
Bit2=HIGHである。
図18は、上述した角度検知機構の例示的な概略実装部1010を示している。回路1010は、正弦入力1012および余弦入力1014を含む。領域回路1016が復号ビット1を生成する。代数回路1018が式26および27を実施して、sin(2θ)およびcos(2θ)を図5に示される回路などの角度検知回路1020に供給する。代数回路1018は、2と、sin2(θ)が減じられるcos2(θ)とによって乗じられるコンポーネント信号sin(θ)およびcos(θ)を生成する。
出力における線形ランプの数は、入力の周波数に比例し、すなわち、例えば、式28および29を使用すると、3つの線形出力ランプがあることになる。復号回路は、線形ランプのそれぞれについて動作の領域を区別することが可能である。
式1が以下にコピーされ、
本発明の別の態様では、回路が、2つの磁気センサと、2つのセンサ出力から導かれる第3のシヌソイド信号を生成するために必要な信号処理回路とを集積化する。3つの信号を使用して、シヌソイド信号のうちの2つの間の位相差が、トリミングされる。2つのシヌソイド信号間の位相差をトリミングすることにより、角度検知、歯車検知および他の用途に有利になることが可能である。この機能は、
最終的なセンサ取付け中に、配置公差が形成されること(すなわち、角度センサに対するディスク磁石の位置ずれ)、
単一の基板上に存在しない2つのHallまたはMRセンサの相対的配置に影響を及ぼす配置公差が形成されること、
の結果として、センサの位置ずれをトリミングする場合に、特に有利である。これは、シリコン信号処理ダイが2つ以上のGaAsのHallプレートまたはMR(磁気抵抗センサ)と相互作用する場合に有利になる。
Csin(θ+γ)=Asin(θ+α)+Bsin(θ+β) 式34
Ccos(θ)=Asin(θ)+GAsin(θ+β) 式37
第2の信号S2は、Gによって得られることが可能である。β=125°である場合、G=1.74であることが計算可能である(式38)。結果的に、図23に示されるように、S2=1.74sin(θ+125°)になる。
S2は、磁石の位置ずれにより、位相誤差を有する可能性があり、その位相誤差は、S3の位相に直接、影響を及ぼすことになることは知られている。しかし、以下の実施例に示されるように、S2の利得を調整することによって、S3の位相の誤差をトリミングすることが可能である。
S1=sin(θ)
S2=Gsin(θ+125°)=1.74sin(θ+125°)
S3=Csin(θ+90°)=1.43sin(θ+90°)=1.43cos(θ)
しかし、磁石の位置ずれにより、以下が生じる。
S2=1.74sin(θ+115°)
S3=2.14sin(θ+80.54°)
S3の位相は、S2の利得を変えることによって「固定」可能である。G=1.74である代わりに、仮にG=2.37とする。これにより、S2=2.37sin(θ+115°)およびS3=2.14sin(θ+90°)になる。
S1=S3−S2 または
Asin(θ)=Ccos(θ)−GAsin(θ+β) 式41
Asin(θ)を位相シフトするために、S2の出力に、別の利得ステージが加えられ、その場合、式41が適用可能である。以下を考慮されたい。
S4=XS2
YAsin(θ+α)=Ccos(θ)−XGAsin(θ+β) 式42
ただし、XおよびYは利得率であり、αはシフトされた角度である。これらの変数は、余弦について、先に確かめられた同じ原理を使用して計算可能である。図28は、Asin(θ)の位相調節が、いかにして図27の余弦構成回路に加えられ得るかを示している。
A2sin2(θ)+A2cos2(θ)=A2 式42
ただし、Aは利得率であり、θは角度位置であり、cos(θ)の絶対値が求められる。式42を配列し直すことにより、式43の結果がもたらされ、
GA=0.596(オフセット) 式44
オフセット≠0 式45
ただし、Gは上述した利得率であり、オフセットは数学的ゼロ(例えば、アース)に対してシヌソイド信号の垂直オフセットである。誤差原因がない理想的な場合では、最小非線形性は、0.328°である。シヌソイドを線形化するためのこの手順は、図35に示されている例示的な回路などの回路に実装可能である。回路の出力は、入力シヌソイド1300および三角形の出力1302について、図36のシミュレーションされた結果に示されている。この実施例の場合、入力シヌソイドは、周波数が1kHzである。
Claims (28)
- 位置情報を提供するための磁気センサを含み、前記位置情報に対応する第1および第2の波形を生成するための信号生成モジュールと、
前記第1の波形および前記第2の波形の代数操作を行い、線形位置出力電圧信号を生成するためのアナログ信号処理モジュールと、
前記第1の波形を反転して第1の反転波形を生成し、前記第2の波形を反転して第2の反転波形を生成するために、前記信号生成モジュールとアナログ信号処理モジュールの間に結合されている信号反転モジュールと、を備え、
前記信号反転モジュールは、前記第1および第2の波形を第1の領域に対応する位置範囲に出力し、前記第1および第2の反転波形を第2の領域に対応する位置範囲に出力する、
センサ。 - 前記第2の領域は、前記第1および第2の波形が反転しなければ、出力が非線形になる位置範囲に対応する、請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1または第2の領域に、位置範囲を示すために領域表示ビットをさらに含む、請求項2に記載のセンサ。
- 前記第1の領域は、約180度に及ぶ、請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1の領域は、−sin(θ)>cos(θ)に対応し、ただし、−sin(θ)は、およそオフセット電圧の正弦波の反転を示し、sin(θ)およびcos(θ)は、シヌソイドと関連する振幅およびオフセットを実施し、θは、前記磁気センサにおける回転磁石の角度を示す、請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1の領域は、約315度から約135度のθについての範囲に対応する、請求項5に記載のセンサ。
- 前記信号処理モジュールは、アナログ乗算器を含む、請求項1に記載のセンサ。
- 前記センサは、単一の基板上に設けられる、請求項1に記載のセンサ。
- 前記磁気センサは、最大角度誤差を抑えるための生成される波形周波数を増大させるために、複数の極ペアを有する磁石を含む、請求項1に記載のセンサ。
- 前記磁石が環状磁石である、請求項11に記載のセンサ。
- 前記磁気センサは、Hall効果センサである、請求項1に記載のセンサ。
- 前記磁気センサは、AMRセンサである、請求項1に記載のセンサ。
- 前記磁気センサは、GMRセンサである、請求項1に記載のセンサ。
- 回路のための第1のダイと、Hall効果センサのための第2のダイとをさらに含む、請求項13に記載のセンサ。
- 前記第2のダイは、GaAsから形成される、請求項16に記載のセンサ。
- 前記第1の波形ための自動利得制御部をさらに含む、請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1の波形の自動オフセット調整部をさらに含む、請求項1に記載のセンサ。
- 磁気センサを備える方法であって、
磁気位置検知要素を含む信号生成モジュールを備えるステップと、
前記位置検知要素からの情報に対応する線形出力信号を生成するために、アナログ信号処理モジュールを前記信号生成モジュールに結合するステップと、
第1の波形を反転して第1の反転波形を生成し、第2の波形を反転して第2の反転波形を生成するために、信号反転モジュールを前記信号生成モジュールとアナログ信号処理モジュールの間に結合するステップと、を含み、
前記信号反転モジュールは、前記第1および第2の波形を第1の領域に対応する位置範囲に出力し、前記第1および第2の反転波形を第2の領域に対応する位置範囲に出力する、
方法。 - 単一の基板上に、前記信号生成モジュールと、前記信号反転モジュールと、前記信号処理モジュールとを備えるステップをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 最大角度誤差を抑えるために、複数の極ペアを有する前記磁気位置検知要素を磁石に備えるステップをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記磁石は、環状磁石である、請求項20に記載の方法。
- 前記磁気センサは、Hall効果センサである、請求項20に記載の方法。
- 前記磁気センサは、AMRセンサである、請求項20に記載の方法。
- 前記磁気センサは、GMRセンサである、請求項20に記載の方法。
- 回路のための第1のダイと、Hall効果センサのための第2のダイとをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第2のダイは、GaAsから形成される、請求項27に記載の方法。
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