用于使用多极磁体来测量绝对角位置的布置、方法和传感器技术

用于测量转子(2)相对于定子(3)的角位置(α)的布置(1)，该布置包括安装在转子(2)上的多极磁体(5)以及安装在定子(3)上的传感器(6)，且该传感器(6)包括有被组织成两个组群(S,T)或四个组群(S,T,U,V)的、用于测量磁场分量(Br,Bt,Bz)的多个传感器元件(HH,VH)。用于计算角位置(α)的方法包括得到每一组群中的各元件的信号的和、这两个和的比、以及反正切函数。替换地，该方法可包括得到信号的和、和的差值、差值的比以及反正切函数。集成传感器(6)以及这样的布置(1)或传感器(6)在汽车环境中的使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用多极磁体来测量绝对角位置的布置、方法和传感器
本专利技术涉及使用磁场的位置传感器的领域。更具体地，本专利技术涉及用于使用磁场来精确确定小于360°的角位置的非接触式布置和方法。
技术介绍
对旋转角的测量在各种应用中被需要，诸如手动的电开关或者对电机或阀等的位置测量。取决于成本和准确度限制，该任务可通过各种方法(诸如机械接触、电势计、光学编码器或磁编码器)来完成。现代的集成电路技术提供将磁传感器及其读出和角计算电子器件集成在单个管芯上的可能性。这允许以有竞争性的成本和良好的性能提供机械旋转检测器，该检测器由附连到转子的永磁体和附连到定子的单片集成传感器组成。具有磁体的转子和具有传感器的定子之间不存在机械接触允许密封地封装该传感器。这准许在残酷环境条件下进行无磨损的角测量。随着电气系统的紧凑性的增加，特别是在伴随混合引擎系统的到来的汽车中，这样的位置传感器被附加地暴露于来自邻近的携带强电流(例如，大于100A)的电流导体的外部磁场。为了在这样的条件下保持高感测准确性，该传感器可通过铁磁屏蔽来屏蔽，或者它必须被造得对这样的场有固有稳健性。这可通过测量场梯度而非绝对场来实现，因为只要传感器尺寸较小，该传感器上的任何外部场在第一近似中都被假定为是恒定的。对应于该要求的传感器从EP0916074B1知晓。它描述了使用源自非旋转对称磁体(尤其是两极磁体)的磁场来进行非接触式角度测量的方法和布置，藉此与旋转轴平行的轴向场分量(Bz)由在与该旋转轴垂直的平面内部的若干分开的点处的传感器元件(所谓的“水平霍尔元件”)测量。因此，在完全相对的传感器元件值之间的差被得到，以使得来自恒定的外部(干扰)场的任何信号都被减去因此它不再出现在角信号中。所描述的方法和布置的缺点在于其针对小角度测量的应用。US20020021124描述了使用用于使磁场线弯曲的一个或多个所谓的磁场聚集器(简称为“IMC”)结合位于该IMC下面的各水平霍尔元件或成切线地位于该IMC边缘的各垂直霍尔元件的位置传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基本上对外部磁场不敏感的用于测量转子相对于定子的绝对角位置的传感器和布置和方法。具体地，本专利技术的各实施例的目的在于提供一种这样的具有增加的敏感度的用于测量小于360°的角位置的传感器和布置和方法。通过根据本专利技术的各实施例的布置和方法和传感器来完成上述目的。在第一方面，本专利技术提供一种用于测量转子相对于定子的角位置的布置。该布置包括：-转子，所述转子能围绕旋转轴旋转；-定子，所述定子具有相对于该旋转轴的固定位置；-安装在所述转子上的用于创建磁场的磁源，所述磁源是具有至少四个磁极并提供相对于旋转轴周期性重复的磁场图案的多极磁体；-传感器，所述传感器被安装在所述定子上并包括多个传感器元件，所述传感器元件用于测量所述磁场的至少一个磁场分量并用于提供指示所述至少一个磁场分量的测量信号，所述传感器被定位成基本上以所述旋转轴为中心，并在距所述磁源第一距离处被定位在与所述旋转轴基本上垂直的平面中；所述传感器元件被基本上定位在处于距所述旋转轴第二距离处的圆上，并被取向为用于检测所述至少一个磁场分量；以及-用于计算所述转子距所提供的传感器信号的角位置的装置。在第二方面，本专利技术提供一种用于测量转子相对于定子的角位置的布置。该布置包括：转子，所述转子能围绕旋转轴旋转；定子，所述定子具有相对于所述旋转轴的固定位置；安装在所述转子上的用于创建磁场的磁源，所述磁源是具有多个用于生成相对于旋转轴周期性重复的磁场图案的磁极的多极磁体，磁极数为至少四个；传感器，所述传感器被安装在所述定子上并包括多个传感器元件，所述传感器元件用于测量所述磁场的至少一个磁场分量并用于提供指示所述至少一个磁场分量的测量信号，所述传感器被定位成基本上以所述旋转轴为中心，并在距所述磁源第一距离处被定位在与所述旋转轴基本上垂直的平面中；所述传感器元件被基本上定位在处于距所述旋转轴第二距离处的圆上，并被取向成用于检测所述至少一个磁场分量；所述多个传感器元件被划分成至少第一组群和第二组群，每一组群内的元件被定位在所述圆上的等距角位置处，所述第一组群中的元件和所述第二组群中的元件之间的角距离等于180°除以所述磁源的磁极数；用于从所提供的信号中计算所述转子的角位置的装置，所述用于计算的装置适用于计算由所述第一组群中的传感器元件提供的信号的第一和或第一平均，并适用于计算由所述第二组群中的传感器元件提供的信号的第二和或第二平均，并适用于基于从由所述第一和、第一平均、第二和及第二平均组成的组中选择的一个或多个值来确定所述转子的所述角位置。使用磁场来确定角位置的优点在于传感器是非接触式，并由此在固定部分和可移动部分之间不存在机械接触由此不存在磨损。这样的传感器可在恶劣环境中被有利地使用。使用包括多个传感器元件的单个集成传感器的优点在于各个体传感器元件或若干传感器间不对准的风险被消除，并且那些传感器的互连可被忽略。这样的布置的优点在于第一元件组群被布置用于测量所谓的正弦信号，而第二元件组群被布置用于测量余弦信号，从而一起形成正交信号，所述角位置可从该正交信号准确地确定。这样的布置的优点在于它允许磁源的切向场分量、径向场分量或轴向场分量中的任何一者而非(仅)轴向场分量被测量。这样的布置的优点在于它不要求将铁磁磁轭附加到定子以用于对转子的磁场进行整形，该附加会增加组件成本和劳动力。这样的布置的优点在于磁源在磁体以及旋转轴的紧密附近处创建磁场，其中在位于与旋转轴同心的圆上、并距磁体较短距离的位置处的各磁场分量具有随旋转角以基本上周期性(例如，正弦或余弦)的方式改变并且随距旋转轴的距离以基本上线性的形式变化的切向场分量和/或径向场分量和/或轴向场分量。这样的磁体的示例是具有含正方形、圆形或多边形截面的圆柱形形状的磁体。由这样的布置提供的角位置的优点在于或可能在于对位置偏移误差的稳健性(例如，基本上对位置偏移误差不敏感)。这提供了不必进行校准以补偿位置误差的进一步优点。由这样的布置提供的角位置的优点在于或可能在于对均匀外部磁场的稳健性(例如，基本上对均匀外部磁场不敏感)。磁源可以是具有圆形、正方形或多边形(例如，六边形)的多极盘。该多极磁体可以但不一定提供有中央开口，例如中央圆柱开口(由此基本上形成环状体)。传感器元件的数目至少等于磁源的极数，但为了得到改进的功能也可以是那个数目的两倍。在根据本专利技术的布置的各实施例中，多极磁体是永磁体。使用永磁体来生成磁场具有不需要施加功率来生成磁场的优点。在根据本专利技术的布置的各实施例中，多极磁体具有中央圆柱开口。在根据本专利技术的布置的各实施例中，多极磁体具有至少六个磁极。这样的布置的优点在于它提供了较高的敏感度。具有六极磁体或有更多极的磁体的布置的优点在于在角范围为0到120°。越多磁极可用，角敏感度范围变得越小。在根据本专利技术的布置的实施例中，多极磁体具有含外径和内径的环形形状，并且该传感器中的圆具有为该磁体的外径的l.到30％的直径。这样的布置的优点在于传感器元件被定位到的圆的直径基本上独立于环形磁体的尺寸。这允许传感器和磁体尺寸被基本上彼此独立地选择。这还允许独立于磁体对传感器进行定标的进一步技术。在根据本专利技术的布置的各实施例中，测量到的至少一个磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于测量转子(2)相对于定子(3)的角位置(α)的布置(1)，所述布置包括：‑所述转子(2)，所述转子(2)能围绕旋转轴(4)旋转；‑所述定子(3)，所述定子(3)具有相对于所述旋转轴(4)的固定位置；‑安装在所述转子(2)上的用于创建磁场(B)的磁源(5)，所述磁源(5)是具有用于生成相对于所述旋转轴(4)周期性重复的磁场图案(B)的多个(Np个)磁极的多极磁体，磁极数(Np)为至少四个；‑传感器(6)，所述传感器(6)安装在所述定子(3)上并包括多个传感器元件(VH,HH)，所述多个传感器元件用于测量所述磁场(B)的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)并用于提供指示所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)的测量信号(Si,Ti)，所述传感器(6)被定位成基本上以所述旋转轴(4)为中心，并在距所述磁源(5)第一距离(d1)处被定位在与所述旋转轴(4)基本上垂直的平面(β)中；‑所述传感器元件(VH,HH)基本上被定位在距所述旋转轴(4)第二距离(r2)处的圆(8)上，并被取向成用于检测所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)；‑所述多个传感器元件(VH,HH)被划分成至少第一组群(S)和第二组群(T)，每一组群(S,T)内的元件被定位在所述圆(8)上的各等距角位置处，所述第一组群(S)中的元件和所述第二组群(T)中的元件之间的角距离等于180°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)；‑用于从所提供的信号(Si,Ti)中计算所述转子(2)的角位置(α)的装置，所述用于计算的装置适用于计算由所述第一组群(S)中的传感器元件(VHi,HHi)提供的信号(Si)的第一和(sum1)或第一平均(avg1)，并适用于计算由所述第二组群(T)中的传感器元件(VHi,HHi)提供的信号(Ti)的第二和(sum2)或第二平均(avg2)，并适用于基于从由所述第一和(sum1)、第一平均(avg1)、第二和(sum2)及第二平均(avg2)组成的组中选择的一个或多个值来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.23 GB 1215052.01.一种用于测量转子相对于定子的角位置(α)的设备，所述设备包括：-所述转子，所述转子能围绕旋转轴旋转；-所述定子，所述定子具有相对于所述旋转轴的固定位置；-安装在所述转子上的用于创建磁场(B)的磁源，所述磁源是具有用于生成相对于所述旋转轴周期性重复的磁场图案(B)的多个(Np)磁极的多极磁体，磁极数(Np)为至少四个；-传感器，所述传感器安装在所述定子上并包括多个传感器元件(VH,HH)，所述多个传感器元件用于测量所述磁场(B)的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)并用于提供指示所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)的测量信号(Si,Ti,Ui，Vi)，传感器元件(VH,HH)的数目是所述多极磁体的磁极数(Np)的两倍，所述传感器被定位成以所述旋转轴为中心，并在距所述磁源第一距离(d1)处被定位在与所述旋转轴垂直的平面(β)中；-所述传感器元件(VH,HH)被定位在距所述旋转轴第二距离(r2)处的圆上，并被取向成用于检测所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)；-所述多个传感器元件(VH,HH)被划分成至少第一组群(S)和第二组群(T)和第三组群(U)和第四组群(V)，每一组群(S,T，U，V)内的传感器元件被定位在所述圆上的各等距角位置处，所述第一组群(S)中的传感器元件和所述第二组群(T)中的传感器元件之间的角距离等于180°除以所述磁源的磁极数(Np)，所述第三组群(U)中的传感器元件和所述第一组群(S)中的传感器元件之间的角距离等于360°除以所述磁源的磁极数(Np)，并且所述第四组群(V)中的传感器元件和所述第一组群(S)中的传感器元件之间的角距离等于540°除以所述磁源的磁极数(Np)；-用于从所提供的信号(Si,Ti，Ui，Vi)中计算所述转子的角位置(α)的装置，所述用于从所提供的信号(Si,Ti，Ui，Vi)中计算所述转子的角位置(α)的装置适用于计算由所述第一组群(S)中的传感器元件(VHi,HHi)提供的信号(Si)的第一和(sum1)或第一平均(avg1)，并适用于计算由所述第二组群(T)中的传感器元件(VHi,HHi)提供的信号(Ti)的第二和(sum2)或第二平均(avg2)，并适用于计算由所述第三组群(U)中的传感器元件提供的信号的第三和(sum3)或第三平均(avg3)，并适用于计算由所述第四组群(V)中的传感器元件提供的信号的第四和(sum4)或第四平均(avg4)，并适用于基于从由所述第一和(sum1)、第一平均(avg1)、第二和(sum2)及第二平均(avg2)、第三和(sum3)、第三平均(avg3)、第四和(sum4)及第四平均(avg4)组成的组中选择的一个或多个值来确定所述转子的所述角位置(α)。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多极磁体是永磁体。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述多极磁体具有至少六个磁极(N,S)。4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述多极磁体具有含外径(OD)和内径(ID)的环形形状，并且其中所述传感器中的所述圆具有为所述磁体的外径(OD)的l到30％的直径(d2)。5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，测量到的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)包括所述磁场(B)的被取向为在所述圆的切向上的切向场分量(Bt)。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述传感器元件包括垂直霍尔效应元件，所述垂直霍尔效应元件具有含与所述圆相切的法线的板。7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，每一传感器元件包括一对水平霍尔效应元件(G,H)以及IMC分段，所述一对水平霍尔效应元件适用于提供信号(Gi，Hi)并彼此毗邻地位于所述圆上并具有与所述旋转轴垂直地取向的板，所述IMC分段用于使局部切向场分量(Bt)弯曲成与所述板垂直的方向。8.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，测量到的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)包括所述磁场(B)的被取向为在所述圆的径向的径向场分量(Br)，并且其中所述传感器元件包括垂直霍尔效应元件，所述垂直霍尔效应元件具有含垂直于所述旋转轴并与所述旋转轴相交的法线的板。9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每一传感器元件包括水平霍尔效应元件(HH1)，并且其中所述设备进一步包括集成的磁聚集器，所述磁聚集器包括位于所述水平霍尔效应元件的顶部的中心部分以及位于距所述水平霍尔效应元件一距离处并被取向成在径向方向中的多个细长部分；或者每一传感器元件包括水平霍尔效应元件(HH1)，并且其中所述设备进一步包括集成的磁聚集器，所述磁聚集器包括中心部分以及各自位于所述水平霍尔效应元件之一的顶部并被取向成在径向方向中的多个细长部分。10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用于从所提供的信号(Si,Ti，Ui，Vi)中计算所述转子的角位置(α)的装置进一步适用于计算所述第一和(sum1)与所述第三和(sum3)之间的第一差(diff1)，并适用于计算所述第二和(sum2)与所述第四和(sum4)之间的第二差(diff2)；并且其中所述用于从所提供的信号(Si,Ti，Ui，Vi)中计算所述转子的角位置(α)的装置进一步适用于计算所述第一差(diff1)与所述第二差(diff2)的比(R)，并适用于基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子的角位置(α)。11.用于使用权利要求1所述的设备来确定转子相对于定子的角位置(α)的方法，包括：-计算由传感器元件的第一组群(S)提供的各信号(Si)的第一和(sum1)或第一平均(avg1)；-计算由传感器元件的第二组群(T)提供的各信号(Ti)的第二和(sum2)或第二平均(avg2)；-计算由传感器元件的第三组群(U)中的传感器元件提供的信号的第三和(sum3)或第三平均(avg3)；-...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·肖特，S·休伯，
申请(专利权)人：迈来芯技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：比利时;BE