用于非接觸式角度測(cè)量的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于非接觸式測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由霍爾效應(yīng)輔助地非接觸式測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度是已知的。例如，由雷蒙德，S. (Reymond，S.)及其他人在電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE)傳感器2007年會(huì)議的出版物"純 二維互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)集成霍爾傳感器"的第860-863頁(yè)教導(dǎo)了一種用于非接 觸式旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量的設(shè)備。該設(shè)備具有半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底中集成了所謂的垂直霍 爾傳感器形式的64個(gè)磁場(chǎng)傳感器。此出版物中的這些磁場(chǎng)傳感器以相等的間隔設(shè)置在置 于半導(dǎo)體襯底的芯片平面的圓形的路徑上。這些磁場(chǎng)傳感器所在的豎直平面圍繞假想的中 心軸線(xiàn)沿徑向設(shè)置，該假想的中心軸線(xiàn)延伸通過(guò)圓形路徑的中心并與芯片平面正交。這些 磁場(chǎng)傳感器連接至掃描裝置，使得獨(dú)立的磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量信號(hào)可順序地連接至用于旋轉(zhuǎn) 掃描信號(hào)的微分輸出連接器。因此，磁場(chǎng)傳感器的值以循環(huán)旋轉(zhuǎn)的方式讀取。
[0003] 第EP2149797號(hào)歐洲專(zhuān)利（Micronas股份有限公司）公開(kāi)了一種用于測(cè)量角度的 設(shè)備，該設(shè)備中磁場(chǎng)設(shè)置在平面中。該設(shè)備具有至少兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器，該至少兩個(gè)磁場(chǎng)傳感 器設(shè)置為其測(cè)量軸線(xiàn)在平面中和/或平行于平面，并且取向?yàn)楸舜藱M切。
[0004] 梅茨（Metz)及其他人在1997年6月16-19日在芝加哥召開(kāi)的固態(tài)傳感器和致動(dòng) 器1997年國(guó)際會(huì)議的出版物換能器（Transducers)的"在單個(gè)芯片上使用四個(gè)霍爾裝置的 非接觸式角度測(cè)量"中也說(shuō)明了非接觸式旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量。此出版物示出了四個(gè)橫向的霍爾 傳感器，該四個(gè)橫向的霍爾傳感器與另一個(gè)霍爾傳感器相等間隔地設(shè)置在置于半導(dǎo)體襯底 的芯片平面中的圓形路徑上。具有兩個(gè)磁極的永磁體接附在旋轉(zhuǎn)軸的端部，并在霍爾傳感 器中產(chǎn)生磁場(chǎng)。第EP-B0916074號(hào)歐洲專(zhuān)利文件中說(shuō)明了相同的設(shè)備。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的共同之處在于，永磁體安裝在可旋轉(zhuǎn)元件上，并生成由霍爾傳感 器所捕獲的磁場(chǎng)。這種設(shè)備的問(wèn)題在于霍爾傳感器周?chē)拇鸥蓴_場(chǎng)。處理信號(hào)的處理器需 要進(jìn)行對(duì)從霍爾傳感器接收的測(cè)量值的補(bǔ)償，以對(duì)這些磁干擾場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于均勻背景 場(chǎng)來(lái)說(shuō)，此補(bǔ)償可以以相對(duì)簡(jiǎn)單的樣式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于由相鄰導(dǎo)體中的電流所生成的磁場(chǎng)的補(bǔ) 償更為復(fù)雜，因?yàn)樵撗a(bǔ)償還必須考慮所生成的磁場(chǎng)的場(chǎng)梯度。
[0006] 現(xiàn)代汽車(chē)具有導(dǎo)致這種磁場(chǎng)的多個(gè)載流導(dǎo)體。對(duì)旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量裝置附近的這些磁 干擾場(chǎng)進(jìn)行完全的屏蔽是不可能的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)了用于非接觸式測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)備，該設(shè)備使用用于補(bǔ)償磁干 擾場(chǎng)的新方法。該設(shè)備包括具有偶數(shù)個(gè)極的永磁體和設(shè)置在永磁體下方的平面中的至少三 個(gè)第一橫向霍爾傳感器。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，永磁體具有多個(gè)極，其中所述極的數(shù)量總 計(jì)為四個(gè)或更多，并且不能被三整除。該永磁體圍繞旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，其中該旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的方向 延伸通過(guò)圓形路徑的圓心，并且設(shè)置為大致與該平面正交。
[0008] 由于高信噪比、對(duì)來(lái)自霍爾傳感器的測(cè)量信號(hào)的簡(jiǎn)單的數(shù)字處理，以及對(duì)由磁干 擾場(chǎng)導(dǎo)致的不精確性的廣泛消除，此設(shè)備使得可以精確地測(cè)量角度。
[0009] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，至少三個(gè)第一橫向霍爾傳感器大致以相等角度設(shè)置在 圓形路徑中。因此，該設(shè)備具有勻稱(chēng)設(shè)計(jì)，并且便于對(duì)從霍爾傳感器接收的測(cè)量信號(hào)的處 理。在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，至少兩個(gè)第二橫向霍爾傳感器與第一橫向霍爾傳感器中的 兩個(gè)相對(duì)地設(shè)置在圓形路徑中。通過(guò)使用相對(duì)的霍爾傳感器，現(xiàn)在可以計(jì)算磁干擾場(chǎng)的場(chǎng) 梯度，并且很大程度上消除場(chǎng)梯度，以改進(jìn)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的精度。
[0010] 還公開(kāi)了用于非接觸式測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的方法。該方法包括以下步驟：
[0011] ?用永久磁體生成待測(cè)量的旋轉(zhuǎn)角度下方的磁場(chǎng)；
[0012] ?測(cè)量至少三個(gè)第一橫向霍爾傳感器中的信號(hào)值；以及
[0013] ?計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。
[0014] 如果三個(gè)第一橫向霍爾傳感器以相等角度設(shè)置，則可以將測(cè)量執(zhí)行三次。隨后通 過(guò)確定所有這三次測(cè)量的平均值而對(duì)信號(hào)值進(jìn)行計(jì)算。
[0015] 通過(guò)考慮諸如均勻背景場(chǎng)和由載流導(dǎo)體導(dǎo)致的場(chǎng)梯度的干擾因素，該方法使得可 以精確地測(cè)量角度。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 為了更好地理解本發(fā)明，將借助于以下附圖解釋多個(gè)示例性實(shí)施例，其中本發(fā)明 不限于這些示例性實(shí)施例，并且一個(gè)實(shí)施例的方面可以與其他實(shí)施例的方面組合。
【附圖說(shuō)明】 [0017] 如下：
[0018] 圖1設(shè)備的整體圖；
[0019] 圖2第一橫向霍爾傳感器的設(shè)置方式；
[0020] 圖3三個(gè)第一橫向霍爾傳感器的測(cè)量信號(hào)；
[0021] 圖4三階諧波振蕩；
[0022] 圖5在四個(gè)磁極的情況下三個(gè)第一橫向霍爾傳感器的測(cè)量信號(hào)；
[0023] 圖6六個(gè)橫向霍爾傳感器的設(shè)置方式；
[0024] 圖7五個(gè)橫向霍爾傳感器的設(shè)置方式；
[0025] 圖8計(jì)算的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 圖1示出了第一方面的設(shè)備的整體圖。設(shè)備10具有接附至軸65的前面63的永 磁體60。軸65圍繞旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)70旋轉(zhuǎn)，并且設(shè)備10可以測(cè)量軸65的旋轉(zhuǎn)角度15。
[0027] 在半導(dǎo)體襯底35上，三個(gè)第一橫向霍爾傳感器40a_40c接附在圓形路徑50中。在 圖2中將這三個(gè)第一橫向霍爾傳感器40a-c與圓形路徑50 -起表示出來(lái)。此圓形路徑50 置于永磁體60下方的芯片平面30中。軸65的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)70延伸通過(guò)圓形路徑50的圓心 55,并且設(shè)置為大致與芯片平面30正交，因此也與半導(dǎo)體襯底35的表面正交。第一橫向霍 爾傳感器40a-40c經(jīng)由電線(xiàn)80連接至信號(hào)處理器90。信號(hào)處理器90可以接收來(lái)自霍爾傳 感器40a-40c的測(cè)量值Sl、S2、S3,并根據(jù)其計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度15的值。
[0028] 圖1還示出了設(shè)備10附近的載流干擾導(dǎo)體75。此干擾導(dǎo)體75導(dǎo)致干擾場(chǎng)Bst，該 干擾場(chǎng)Bst具有沿三個(gè)方向的梯度：梯度1、梯度2和梯度3。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，干 擾導(dǎo)體75僅為在設(shè)備10附近的幾個(gè)干擾導(dǎo)體的實(shí)例。設(shè)備10置于由Bciff標(biāo)示的均勻背 景磁場(chǎng)中。
[0029] 圖2示出了圍繞圓形路徑50大致以相等角度設(shè)置的三個(gè)橫向霍爾傳感器40a_c 的平面圖。此圖中的永磁體60是雙極的，北極N在圖的左側(cè)，南極S在圖的右側(cè)，但是此設(shè) 置方式并非對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。永磁體60具有磁測(cè)量角度15φ和通量密度B。。三個(gè)橫向 霍爾傳感器40a-c各自生成一個(gè)測(cè)量信號(hào)SI、S2和S3,測(cè)量信號(hào)SI、S2和S3由于相應(yīng)的 角度平移而發(fā)生±2π/3的相移。因此，根據(jù)以下算法計(jì)算對(duì)應(yīng)的橫向霍爾單元中的電壓 Vsi、Vs2和 V S3。
[0033] 圖3示出了磁角度時(shí)的測(cè)量信號(hào)VS1、Vs2和V S3。因此，根據(jù)測(cè)量信號(hào)VS1、Vs2 和vS3的值這樣計(jì)算測(cè)量角度φ:
[0035] 在等式中測(cè)量值Vsi的權(quán)重太高。因此，優(yōu)選地，根據(jù)三個(gè)測(cè)量值V S1、Vs2和V S3中 的每個(gè)三次計(jì)算測(cè)量角度φ,之后根據(jù)所計(jì)算的三個(gè)磁角度確定平均值。
[0036] 均勻背景場(chǎng)Bciff是所有三個(gè)測(cè)量信號(hào)V S1、VS2、Vs3的平均值，并且如下計(jì)算：
[0038] 在設(shè)備的又一個(gè)方面中，測(cè)量信號(hào)的差值VS12、VS23和V s31可以代替測(cè)量信號(hào)的絕對(duì) 值Vsi、Vs2和Vs3使用。
[0039] Vsi2= V S1-V52
[0040] Vs23 - V s2_Vs3
[0041] Vs31= V S2_VS1
[0042] 這些值VS12、Vs23和Vs31各自發(fā)生±2 π /3的相移，以計(jì)算測(cè)量角度％因此，通過(guò)這 些具有差值的等式而消除了均勻背景場(chǎng)Bciff的值。
[0043] 圖1的設(shè)備10給出了非常良好的測(cè)量值，因?yàn)樵O(shè)備10有效地捕獲并消除均勻背 景場(chǎng)B ciff的值。然而，當(dāng)存在由于干擾導(dǎo)體80導(dǎo)致的場(chǎng)梯度時(shí)，仍然存在一些不精確性。
[0044] 在與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)或圓心55有一定距離處進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量會(huì)引起測(cè)量信號(hào)S1、S2和S3 中的諧波失真，因?yàn)闇y(cè)量信號(hào)Sl、S2和S3傾向于呈現(xiàn)三角形式。為此原因，在測(cè)量信號(hào)中 存在奇次諧波。最強(qiáng)的諧波是三階振蕩。第一橫向霍爾傳