用于旋转角度检测和3D操纵杆功能的传感器系统技术方案

用于旋转角度检测和3D操纵杆功能的传感器系统。传感器系统和包括其的操纵杆，其中传感器系统包括磁场传感器、第一和第二磁源。第一磁源可相对于传感器的敏感表面旋转并产生至少四极阶的第一磁场贡献。第二磁源可关于敏感表面枢转并产生第二磁场贡献。传感器配置成在敏感表面上的多个横向测量位置中的每一个处至少检测第一和第二磁场贡献的叠加场的平面内分量；获得指示第一磁场贡献的至少两个平面内分量的场梯度的测量值；获得指示第二磁场贡献的至少两个平面内分量的场均值的测量值；以及从场梯度测量值确定第一源的旋转角度并从场均值测量值确定第二源的两个角方向。横向测量位置安排成关于敏感表面上的中心位置的至少两对径向相对的测量位置。

【技术实现步骤摘要】
用于旋转角度检测和3D操纵杆功能的传感器系统
本专利技术总体上涉及位置感测领域，并且特别地涉及用于在具有旋转角度检测和3D操纵杆功能的应用中确定3D位置的非接触式磁场感测设备。
技术介绍
操纵杆控制器通常用于模拟飞行控制或用于飞机交通工具的驾驶和导航。单个控制元件(即操纵杆)结合了多轴线控制，并且可由一只手操作。在国际申请WO01/69343A1中公开了由单个操纵杆手柄实现的全三轴线控制，其中通过使轴旋转来控制第三轴线。使用霍尔效应(Hall-effect)传感器的非接触式测量是针对操纵杆的优选选择，因为其可以减少机械磨损。WO01/69343A1提供了三个磁体和用于提供三个独立的输出信号的三个对应的霍尔传感器，每个控制轴线一个霍尔传感器，从所述输出信号中提取操纵杆取向和手柄旋转。迈来芯公司(Melexis)的MLX30333绝对位置传感器IC使用先进的平面霍尔技术来提供3D操纵杆功能，所述功能仅使用单个位置传感器和单个磁体即可输出两个角度。仅需一个位置传感器并且易于组装的全三轴线控制器仍然是一个尚未解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的实施例的目的是提供一种传感器系统，所述传感器系统包括单个磁场传感器，所述磁场传感器用于在操纵杆应用中进行位置感测、既提供旋转角度检测又提供3D功能。上述目的是通过根据本专利技术的传感器系统实现的。在本专利技术的第一方面，公开了一种用于在操纵杆中使用的传感器系统。所述传感器系统包括磁场传感器，所述磁场传感器具有敏感表面、第一磁源和第二磁源。所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，并且在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献。所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度α限定。所述第二磁源关于所述敏感表面可枢转到多个源取向，并且在所述敏感表面处产生第二磁场贡献。关于所述敏感表面的每个源取向由两个角方向θ、φ限定。此外，所述磁场传感器被配置用于：针对在所述敏感表面上提供的多个横向测量位置中的每一个横向测量位置，至少检测所产生的第一和第二磁场贡献的叠加场的平面内分量。所述多个横向测量位置被横向地安排并且被安排成关于所述敏感表面上的中心位置的至少两对径向相对的测量位置。在与同一对横向测量位置相对应的测量位置处检测到所述叠加场的相同平面内分量。所述磁场传感器进一步被配置用于：基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量，获得指示所述第一磁场贡献的至少两个平面内分量的场梯度的测量值；以及基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的至少两个进一步检测到的平面内分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置处的至少两个平面内分量的场均值的测量值。除此之外，所述磁场传感器被配置用于从所述获得的场梯度测量值中确定所述第一磁源的所述旋转角度α，以及从所述获得的场均值测量值中确定所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ。在本专利技术的优选实施例中，所述对的径向相对的测量位置被安排成与中心位置等距。这简化了针对场梯度和场均值的测量，因为可以忽略或至少析出所述叠加场的检测到的分量的距离相关加权。典型地，将所述横向测量位置定位成靠近所述中心位置，其中，靠近意味着处于某平面内距离处，所述平面内距离比所述第二磁源产生的所述第二磁场贡献在所述敏感表面所在平面内演化的特征长度尺度小，但与所述第一磁场源产生的所述第一磁场贡献在同一平面内演化的特征长度尺度处于相同的数量级或更大。根据本专利技术的一些实施例，所述磁场传感器进一步被配置用于：基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的进一步检测到的平面外分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置处的平面外分量的场均值的测量值。考虑到所述第二磁源的磁化强度的变化(例如，热变化)和/或由所述第二源的机械漂移或枢转移动所引起的、所述第二磁源关于所述敏感表面的表面法向距离的变化，涉及所述第二磁场贡献的所述平面外分量的另外实施例具有可以获得更加鲁棒的传感器系统的优点。根据本专利技术的一些实施例，所述磁场传感器被配置用于：通过结合所述叠加场的所述多个检测到的空间分量中与所述敏感表面上的同一对横向测量位置相对应的所述检测到的空间分量之和和/或之差，获得指示所述场梯度和/或所述场均值的测量值。在信号处理单元中计算检测到的场分量之和和之差是易于实施的，并且非常适合通过所述传感器系统快速且能量高效地确定所述旋转角度和所述两个角方向。因此，在本专利技术的优选实施例中，所述传感器系统还包括信号处理单元或位置确定模块(例如，计算机程序产品的可加载且可执行指令)，所述信号处理单元或位置确定模块被配置用于组合所述检测到的空间分量之和和/或之差，并且基于此确定所述旋转角度和所述两个角方向。根据本专利技术的一些实施例，所述磁场传感器被配置用于：通过提供所述第二磁源的物理模型以将所述第二磁场贡献在所述中心位置处产生的变化与所述两个角方向θ、φ的变化进行关联而从所述获得的场均值测量值中确定所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ，并且通过将在所述中心位置处获得的所述场均值测量值用作模型约束来确定所述两个角方向作为所述物理模型的解。这种物理模型可以是将所述第二磁场贡献在所述中心位置处产生的分量描述为所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ的函数的一组(非线性)等式，例如将所述第二磁场贡献描述为与作为第二磁源的点状偶极子源相关联的偶极场的等式。根据本专利技术的一些实施例，所述磁场传感器被配置用于检测所述叠加场的、针对所述多个横向测量位置中的至少一个横向测量位置和针对所述中心位置的两个不同的平面内分量或者一个平面内分量和一个平面外分量。由于可以减少在所述敏感表面上提供的多个测量位置，因此在所述多个横向测量位置中的一个横向测量位置和在所述中心位置处检测到所述叠加场的不止一个分量是有利的。因此，可以更紧凑地提供磁场感测元件(例如，霍尔效应探针)，并且可以在所述传感器的敏感表面上分布更少的所述磁场感测元件，这允许例如基于半导体芯片的磁场传感器的区域高效实施。根据本专利技术的一些实施例，在连接每对横向测量位置中的两个横向测量位置的线之间形成的角度是45弧度的整数倍。该特定的角度间隔具有可以获得所述第一磁场贡献的平面内投影的同相分量和正交分量(例如，正交三角信号sin和cos)的优点。同相分量和正交分量的比率具有另一个优点：它独立于所产生的第一磁场贡献的矢量范数(例如，场强)，例如独立于所述第一磁源的磁场强度或磁化强度并且独立于所述第一磁源相对于所述敏感表面的表面法向距离，这允许通过所述传感器系统确定更加鲁棒的旋转角度。在另一方面，本专利技术涉及一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括具有敏感表面、第一磁源和第二磁源的磁场传感器，所述第一磁源和第二磁源分别用于在所述敏感表面处产生第一磁场贡献和第二磁场贡献。所产生的第一磁场贡献为至少四极阶。所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，其中，所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括：/n-磁场传感器(1；70；90)，所述磁场传感器具有敏感表面(10)，/n-第一磁源(2)，所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，以用于在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献(B；B

【技术特征摘要】
20190226 EP 19159541.21.一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括：
-磁场传感器(1；70；90)，所述磁场传感器具有敏感表面(10)，
-第一磁源(2)，所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，以用于在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献(B；Bm1)，所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度(α)限定，以及
-第二磁源(3)，所述第二磁源关于所述敏感表面可枢转到多个源取向，以用于在所述敏感表面处产生第二磁场贡献(Berr；Bm2)，关于所述敏感表面的每个源取向由两个角方向(θ，φ)限定，
其中，所述磁场传感器被配置用于：
-针对在所述敏感表面(10)上提供的多个横向测量位置(A至H)中的每一个横向测量位置，至少检测所产生的第一磁场贡献和第二磁场贡献的叠加场(B叠加)的平面内分量，所述多个横向测量位置被横向地安排并且被安排成关于所述敏感表面上的中心位置(P)的至少两对径向相对的测量位置，以用于至少检测所述叠加场的、在与同一对相对应的测量位置处的相同平面内分量，
-基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量，获得指示所述第一磁场贡献的至少两个平面内分量(Bx，Bx-y)的场梯度的测量值，
-基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的至少两个进一步检测到的平面内分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置处的至少两个平面内分量(Berr,x，Berr,y)的场均值的测量值，
-从所获得的场梯度测量值确定所述第一磁源(2)的所述旋转角度(α)，并且从所获得的场均值测量值确定所述第二磁源(3)的所述两个角方向(θ，φ)。


2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器进一步被配置用于：基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的进一步检测到的平面外分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置(P)处的平面外分量(Berr,z)的场均值的测量值。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器被配置用于：通过结合所述叠加场的所述多个检测到的空间分量中与所述敏感表面上的同一对横向测量位置相对应的检测到的空间分量的和以及/或者差，获得指示所述场梯度和/或所述场均值的测量值。


4.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器被配置用于：通过提供用于所述第二磁源(3)的物理模型以将在所述中心位置处产生的所述第二磁场贡献的变化与所述两个角方向(θ，φ)的变化进行关联而从所述获得的场均值测量值确定所述第二磁源(3)的所述两个角方向(θ，φ)，并且通过将在所述中心位置处的所获得的场均值测量值用作模型约束来确定所述两个角方向作为所述物理模型的解。


5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器被配置用于检测所述叠加场的、针对所述多个横向测量位置中的至少一个横向测量位置和针对所述中心位置的两个不同的平面内分量、或者平面内分量和平面外分量。


6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的传感器系统，其中，在连接每对横向测量位置中的两个横向测量位置的线之间形成的角度是45弧度的整数倍。


7.一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括：
-磁场传感器(50；60)，所述磁场传感器具有敏感表面(10)，
-第一磁源(2)，所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，以用于在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献(B；Bm1)，所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度(α)限定，以及
-第二磁源(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昊，Z·崔，
申请(专利权)人：迈来芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH