磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法制造方法及图纸

本公开涉及一种磁性角度传感器装置(100)和用于估计旋转角度的方法。磁性角度传感器装置(100)包括围绕旋转轴线(115)可旋转的多极磁体(130)。多极磁体(120)的几何布置相对于旋转轴线(115)是旋转非对称的。每个磁场传感器电路(140)均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件。处理电路系统(150)被配置为基于来自多个第一磁场传感器元件的信号的组合计算第一中间角度信息，基于来自多个第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于第一和第二中间角度信息计算夹具(120)和/或多极磁体(130)的旋转角度的估计。

Magnetic Angle Sensor Device and Method for Estimating Rotation Angle

【技术实现步骤摘要】
磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法
本公开涉及用于估计可旋转体的旋转角度的方法和装置。
技术介绍
磁性传感器(诸如霍尔传感器或磁阻传感器)在许多现代角位置感测系统中用于检测旋转对象(诸如轴、极轮或齿轮)的角位置。这种角位置传感器在诸如汽车、工业等的许多领域中都有应用。例如，在汽车中，角位置传感器在无刷直流(BLDC)电机中用于在操作期间或者在转向角测量中检测转子位置，以提供关于驾驶员想要进行自动转向应用的方向的信息(例如，电动助力转向、电子稳定性控制、主动转向系统、停车辅助系统等)。一些应用要求在0°至360°内，即在旋转对象的一次完整绕转(revolution)内，或者甚至从0°到360°的倍数，即多次绕转内进行明确的角度测量。为这种应用提供精确的测量可能是苛刻的，并且需要改进的角度测量概念。
技术实现思路
这种需要通过根据独立权利要求的磁性角度传感器装置和用于估计旋转角度的方法来满足。进一步有利的实施例通过从属权利要求以及详细描述来解决。根据第一方面，本公开提供了一种磁性角度传感器装置。该磁性角度传感器装置包括多极磁体，其围绕旋转轴线可旋转。多极磁体的几何布置/设置相对于旋转轴线是旋转非对称的。多个磁场传感器电路以与多极磁体相距预定轴向距离在预定等距角位置处围绕旋转轴线放置。多个磁场传感器电路中的每一个均包括对第一磁场分量敏感的相应第一磁场传感器元件和对垂直于第一磁场分量的第二磁场分量敏感的相应第二磁场传感器元件。磁性角度传感器装置还包括处理电路系统，其被配置为基于来自多个第一磁场传感器元件的信号的组合来计算第一中间角度信息，基于来自多个第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于第一和第二中间角度信息计算多极磁体的旋转角度的估计。由于多极磁体的旋转非对称设置以及在多个等距角位置处评估至少两个垂直磁场分量(例如，轴向或切向和径向)，可以解决模糊的角度测量以得到明确的结果(诺钮斯原理)。在本公开的上下文中，旋转非对称可理解为还包括仅在有限度或阶的旋转对称。换言之，如果布置不具有无穷度或阶的旋转对称，则该布置可被理解为相对于旋转轴线是旋转非对称的。如此，在本公开的上下文中，例如椭圆形或多边形的多极磁体也可被理解为是旋转非对称的。在一些实施例中，磁性角度传感器装置还可以包括承载多极磁体的夹具。该夹具可以是将多极磁体可旋转地固定至可旋转体(诸如轴)的任何适当的装置。在一些实施例中，例如，夹具可以实施为支撑或载体盘。夹具可以相对于旋转轴线是旋转对称的。在一些实施例中，旋转轴线可与可旋转轴或另一可旋转对象的轴线一致，其旋转角度可通过磁性角度传感器装置来确定。根据实施例，每个磁场传感器电路均包括第一和第二磁场传感器元件。因此，磁场传感器电路的第一磁场传感器元件可基本与所述磁场传感器电路的第二磁场传感器元件搭配。第一和第二磁场传感器元件可位于一个共同的传感器封装中。第一和第二磁场传感器元件可以在不同的半导体芯片中实施或者它们也可以在共同的半导体芯片上实施。第一和/或第二磁场传感器元件可以实施为霍尔传感器(例如，霍尔板、垂直霍尔传感器)或者磁阻传感器。根据它们应该敏感的磁场分量，它们必须被对应地定位。如果它们应该敏感的磁场分量垂直于感测表面，则例如可以使用霍尔板。在一些实施例中，处理电路系统可位于磁场传感器电路附近。例如，其可以在与一个磁场传感器电路相同的芯片上实施。在其他实施例中，处理电路系统可以独立定位并且远离磁场传感器电路。磁场传感器电路和处理电路系统之间的信号接口可以是有线或无线的，这取决于具体应用和/或安装。例如，处理电路系统可以使用数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实施。在一些实施例中，夹具上的多极磁体的几何布置相对于旋转轴线是旋转非对称的。多极磁体相对于旋转轴线的这种旋转非对称布置可以进一步改善明确的角度测量。在一些实施例中，多极磁体本身相对于旋转轴线可以是旋转非对称的(例如，在椭圆形状的情况下)。在其它实施例中，多极磁体本身可以是旋转对称的，但是以旋转非对称的方式安装在夹具上。在后一种情况下，多极磁体的对称或重心可以从旋转轴线径向偏移。在一些实施例中，多极磁体的重心可从旋转轴线偏移1mm和5mm之间的范围内的径向位移。这个范围会产生良好的测量结果，同时限制不平衡质量。在一些实施例中，多极磁体可以是环形的并且相对于旋转轴线偏心地放置在夹具上。在本专利技术的上下文中，“环形”认为也包括非完美环形但类似环形的形状。可以有效地制造(基本为)环形形状的磁性多极环。在一些实施例中，在多极磁体绕旋转轴线的绕转期间，任何一个磁场传感器电路与多极磁体的周界之间的相对径向位置发生变化。而在一些实施例中，这种相对的径向变化可经由多极磁体的旋转非对称布置来得到，可以想到其他实施方式，其中，相对径向变化可以通过改变磁场传感器电路的径向位置和/或通过以另一种方式改变多极磁体的位置来得到。在这种情况下，多极磁体(在夹具上)的几何布置也可以相对于旋转轴线是旋转对称的。传感器和多极磁体之间的相对径向变化会导致改变径向磁场分量，这又会进一步改善明确的角度测量。在一些实施例中，由于相对径向变化，多极磁体的(内或外)周界与位于多极磁体的第一角位置处的一个磁场传感器电路之间的第一径向距离可以不同于多极磁体的周界与位于多极磁体的第二角位置的相同磁场传感器电路之间的第二径向距离。更具体地，多极磁体的内周界的径向位置可以基本上与多极磁体的第一角位置处的给定磁场传感器电路的径向位置一致。类似地，多极磁体的外周界的径向位置可以基本上与多极磁体的第二角位置处的相同磁场传感器电路的径向位置一致。在一些实施例中，磁体的形状和磁场传感器电路的径向位置使得对于磁体的所有旋转位置来说，在平面图(或者顶视图)中，所有磁场传感器电路被定位在磁体的内周界和外周界之间。在又一些实施例中，在一个旋转位置phi1处，特定的磁场传感器电路最接近磁体的内周界，而在相反的旋转位置phi1+180°处，该特定的磁场传感器电路最接近磁体的外周界。在又一些实施例中，对于所有中间旋转位置来说，该特定的磁场传感器电路与磁体的内周界和外周界中的一个之间的间隔相对于旋转位置而单调变化。在又一些实施例中，这适用于所有磁场传感器电路，从而旋转位置phi1对于每个磁场传感器电路是不同的。在又一些实施例中，磁体的内周界与每个磁场传感器电路之间的最小径向距离是磁体和传感器电路的所有横向组装公差的和，使得在最大径向偏移误差的最坏条件下，仍然能够保证磁场传感器在磁体的外周界内且在磁体的内周界外。得益于本公开的本领域技术人员应理解，表述“一致”应该是合理的解释，并且还可以包括例如由于制造公差所造成的小的径向未对准。不要求完美的径向一致。在一些实施例中，磁场传感器电路与多极磁体之间的预定轴向距离在1mm到3mm的范围内。这种轴向距离可以在磁场传感器电路处产生良好的磁场强度，由此产生良好的测量结果。同时，它们允许机械公差。在一些实施例中，多极磁体包括p≥2个极对(即，极数≥4)，它们相对于旋转轴线具有相等的孔径角α。换句话说，多极磁体的磁性对称中心可以相对于旋转轴线同心定位。在磁性多极环与旋转轴线偏心地放置在夹具上的情况下，这表示磁性多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性角度传感器装置(100)，包括：多极磁体(130)，围绕旋转轴线(115)可旋转，其中所述多极磁体(130)的几何布置相对于所述旋转轴线(115)是旋转非对称的；多个磁场传感器电路(140)，以与所述多极磁体(130)相距预定轴向距离在预定等距离角位置处围绕所述旋转轴线(115)放置，其中每个磁场传感器电路(140)均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于所述第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件；以及处理电路系统(150)，被配置为基于来自多个所述第一磁场传感器元件的信号的组合计算第一中间角度信息，基于来自多个所述第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于所述第一中间角度信息和所述第二中间角度信息计算所述多极磁体(130)的旋转角度的估计。

【技术特征摘要】
2017.12.05 DE 102017128869.41.一种磁性角度传感器装置(100)，包括：多极磁体(130)，围绕旋转轴线(115)可旋转，其中所述多极磁体(130)的几何布置相对于所述旋转轴线(115)是旋转非对称的；多个磁场传感器电路(140)，以与所述多极磁体(130)相距预定轴向距离在预定等距离角位置处围绕所述旋转轴线(115)放置，其中每个磁场传感器电路(140)均包括对第一磁场分量敏感的第一磁场传感器元件和对垂直于所述第一磁场分量的第二磁场分量敏感的第二磁场传感器元件；以及处理电路系统(150)，被配置为基于来自多个所述第一磁场传感器元件的信号的组合计算第一中间角度信息，基于来自多个所述第二磁场传感器元件的信号的组合计算第二中间角度信息，以及基于所述第一中间角度信息和所述第二中间角度信息计算所述多极磁体(130)的旋转角度的估计。2.根据权利要求1所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)的重心与所述旋转轴线(115)径向偏移。3.根据权利要求2所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)的磁化部分的所述重心从所述旋转轴线(115)偏移，其中径向偏移在1mm和5mm之间的范围内。4.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)是环状的，并且相对于所述旋转轴线(115)偏心地放置在夹具上。5.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中在所述多极磁体(130)围绕所述旋转轴线(115)的绕转期间，任一个所述磁场传感器电路(140)与所述多极磁体(130)的周界之间的相对径向位置变化。6.根据权利要求5所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)的周界与位于所述多极磁体(130)的第一角位置处的一个所述磁场传感器电路之间的第一径向距离不同于所述多极磁体(130)的周界与位于所述多极磁体(130)的第二角位置处的相同磁场传感器电路之间的第二径向距离。7.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述预定轴向距离在1mm至3mm的范围内。8.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体(130)包括p≥2个极对，这些极对相对于所述旋转轴线(115)具有相等的孔径角。9.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，其中所述多极磁体包括p≥2个极对，其中pmodN≠0，并且其中所述磁场传感器电路围绕所述旋转轴线放置，其中相邻的磁场传感器电路之间具有360°/N/p的角度间隔。10.根据前述权利要求中任一项所述的磁性角度传感器装置(100)，包括在0°、120°和240°的角位置处围绕所述旋转轴线放置的N＝3个磁场传感器电路，并且其中所述处理电路系统(150)被配置为基于下式计算所述第一中间角度信息phi’，phi’＝arctan(Co,Si)其中Co＝Bz,0°-(Bz,120°+Bz,240°)/2且Si＝sqrt(3)*(Bz,120°-Bz,240°)/2，其中Bz,0°表示在0°处测量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·奥塞勒克纳，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE