用于处理来自磁场传感器的测量信号的装置和方法制造方法及图纸

描述了一种用于处理磁场B

Devices and methods for processing measurement signals from magnetic field sensors

【技术实现步骤摘要】
用于处理来自磁场传感器的测量信号的装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2017年11月24日提交的德国专利申请DE102017127837.0的权益和优先权。德国专利申请DE102017127837.0的全部公开内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及一种用于处理来自磁场传感器的测量信号的装置和方法。
技术介绍
使用磁场传感器的测量信号进行旋转角度的非接触式测量是已知的。例如，从Reymond，S等人的出版物中已知一种装置。“真正的2-DCMOS集成霍尔传感器(True2-DCMOSIntegratedHallSensor)”，IEEE传感器2007大会，第860-863页，用于旋转角度的非接触式测量，该装置具有半导体基板，其中所谓的垂直霍尔传感器集成为磁场传感器64。该出版物中的磁场传感器在位于半导体衬底的芯片平面内的圆形路径上彼此以均匀的距离布置。磁场传感器延伸到其中的垂直平面分别相对于理论的中心轴线径向布置，该理论的中心轴线穿过圆形路径的圆心并垂直于芯片平面。磁场传感器连接到扫描装置，使得各个磁场传感器的测量信号可以连续地施加到用于旋转扫描信号的差分输出端。因此，磁场传感器的值在循环旋转的基础上被读取。欧洲专利号EP2149797(MicronasGmbH)公开了一种用于测量磁场在一个平面中布置的角度的装置。该装置具有至少两个磁场传感器，这些磁场传感器被布置为它们的测量轴在该平面中和/或与该平面平行，并且彼此相反地定向。Metz等人在1997年6月16日至19日芝加哥举行的换能器1997，国际固态传感器和执行器会议的出版物“在单片机上使用四个霍尔器件的非接触式角度测量(ContactlessAngleMeasurementUsingFourHallDevicesonSingleChip)”中描述了旋转角度的非接触式测量。该出版物显示了四个横向霍尔传感器，其在位于半导体衬底的芯片平面内的圆形路径上彼此以均匀的距离布置。具有两个磁极的永磁体应用于旋转轴的末端并在霍尔传感器中产生磁场。相同的装置在欧洲专利No.EP-B-0916074中被描述。在美国专利申请US2014/0070796A1中进一步公开了一种用于利用霍尔效应来检测磁体的磁场的角度取向的传感器。在美国专利申请US2009/0219016A1中已知一种用于检测旋转元件相对于非旋转元件的角位置的系统。已知的装置的共同之处在于，永磁体安装在旋转元件上并产生由霍尔传感器检测的磁场，霍尔传感器提供测量信号。需要进一步开发所提供的测量信号的信号处理方法，以便提高测量精度并将磁场传感器的数量减少到最小。
技术实现思路
在本说明书中公开了一种用于处理来自多个磁场传感器的测量信号的装置。该装置包括永磁体、奇数个磁场传感器，其提供测量信号的信号值，其中奇数个磁场传感器被布置在具有两个或四个磁极的永磁体下方的平面中，以及信号处理单元。信号处理单元适于检测奇数个磁场传感器的信号值，以从所检测的信号值中过滤出磁场的基波(基频)的频率组分，并计算永磁体的旋转角度的值。在一个方面，磁场传感器是霍尔传感器。这些磁场传感器可以从过滤出的基频确定旋转角度的值。在一个方面，磁场传感器是横向霍尔传感器，其优选地等角度地布置在圆形路径中，因为这种布置简化了旋转角度的计算。原则上，磁场传感器(霍尔传感器)可以被布置在不同的位置。通过变换(例如，傅立叶变换)从测量信号导出频谱组分。在一个方面，永磁体可围绕旋转轴旋转，该旋转轴基本上垂直于平面，并且旋转轴基本上穿过圆心。还公开了一种用于处理来自多个磁场传感器的测量信号的方法。该方法包括以下步骤：检测充满磁场的至少三个磁场传感器中磁场的信号值，以及从测量的信号值中过滤出磁场的基波(基频)的频率组分。该方法可用于从过滤出的频率组分计算旋转角度。附图说明为了更好地说明本专利技术，接下来基于以下附图解释若干示例性实施例，其中本专利技术不限于这些示例性实施例，并且一个实施例的方面可以与另一个实施例的方面结合。附图示出：图1是用于执行该方法的装置的示例性实施例的概览图；图2是芯片平面上的磁场传感器的俯视图；图3是磁场传感器的测量信号；图4是失真的测量信号；图5是测量信号的频率的光谱图示；图6-图8是频率的进一步光谱图示；以及图9是方法的顺序。具体实施方式图1示出了本专利技术的第一非限制性方面中的装置的概述。在这方面，装置10具有磁体60(例如永磁体)，其放置在轴65的前部63处并产生磁场B轴65绕旋转轴70旋转，并且装置10可以测量轴65的旋转角在该示例性方面，三个磁场传感器(例如横向霍尔传感器40a-40c)被放置在半导体衬底(芯片)35上的圆形路径50中。这些磁场传感器40a-c以及圆形路径50在图2中以俯视图示出。圆形路径50位于磁体60下方的芯片平面30中。轴65的旋转轴70穿过圆形路径50的圆心55并且相对于芯片平面30基本上正交地布置，并且因此，相对于半导体衬底35的表面也是正交的。磁场传感器40a-40c通过导线80连接到信号处理单元90。信号处理单元90接受来自磁场传感器40a-40c的信号值VS1、VS2、VS3，并从所述信号值计算旋转角度15的值。图2示出了三个横向霍尔传感器40a-f在圆形路径50中基本上等角度地布置。该图中的永磁体60是两极的。原则上，永磁体60还可以具有额外的磁极。永磁体60示出磁测量角并且具有磁通密度B0。由于相应的角位移，三个横向霍尔传感器40a-f的测量信号VS1、VS2、VS3的信号值在圆形路径50上相移±2π/3并且在图3中理想化地描绘。在图3中的图示中，假设永磁体60产生理想场。在该理想化方面，永磁体60的磁场的检测信号值在整个圆形路径50上形成正弦曲线，其在三个横向霍尔传感器40a-c的三个位置处被检测到。换句话说，所描绘的曲线的频率对应于基频f1。众所周知，真正的磁体不会沿圆形路径15产生纯正弦磁场；而是存在如图4中以简化方式所示的失真。该传感器信号如图4所示,可以分解成基波和多个谐波。图4示出了分解为基波和三次谐波。在实践中，三次谐波是所有谐波中最明显的。通过变换，例如，傅立叶变换，可以产生检测到的磁场B的组成部分的光谱表示，如图5所示。在图5中可以识别每个特定频率组分的强度。磁信号的基波在频率f1(基频)处呈现为谱线，在3f1处3次谐波为一条线。如上所述，霍尔传感器40a-c扫描磁场B众所周知，在离散点处扫描信号时，通过所谓的奈奎斯特(Nyquist)频率fnyq解调频率。例如，如果在图8中，磁场B将在圆形路径50上的四个等距位置处用四个霍尔传感器扫描(即采样频率fs＝4f1)，然后通过奈奎斯特频率fnyq＝2f1在该方面解调频率。该解调如图8所示。以类似的方式，当用图2中的三个霍尔传感器40a-c扫描(采样频率fs＝3f1)时，奈奎斯特频率被计算为fnyq＝1.5f1。从图6(四个磁场传感器)，显然，3f1处的三次谐波在基频f1处被混叠(aliased)到基波。同样地，五次谐波5f1被混叠至-f1，其中-f1与f1不可区分。在将谐波解调为基波之后，不再能够将谐波与基波区分开。因此，在角度15的这种计算中会出现不可避免的角度误差。该问题的解决方案包括使用更多数量的磁场传感器40。在这种情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于处理磁场

【技术特征摘要】
2017.11.24 DE 102017127837.01.一种用于处理磁场的测量信号(VS1、VS2、VS3)的装置(10)，包括：奇数个磁场传感器(40a-c)，所述奇数个磁场传感器(40a-c)布置在具有两个或四个磁极的永磁体(60)下方的平面(30)中，其中所述磁体(60)产生所述磁场；以及信号处理单元(90)，所述信号处理单元(90)适于检测所述奇数个磁场传感器(40a-c)的信号值，以从所检测的信号值(40a-c)中过滤出所述磁场的基频并计算所述永磁体的旋转角度的值。2.根据权利要求1所述的装置(10)，其中所述多个磁场传感器(40a-c)是霍尔传感器，并且优选地是横向霍尔传感器(40a-e...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·缪瑟，
申请(专利权)人：TDK迈克纳斯有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE