角位置测量设备 技术领域 本发明涉及使用磁传感器、 尤其是基于用于使用磁阻元件测量磁场的技术的传感 器来测量运动元件的角位置的领域。
更具体而言， 本发明涉及一种角位置测量设备， 该设备包括 ： 磁传感器， 所述磁传 感器与将被测量旋转角的运动磁性元件相配合， 所述磁传感器至少包括一个第一磁阻元件 组和一个第二磁阻元件组， 每个磁阻元件组都被配置为适于提供第一和第二测量信号的惠 斯登电桥， 所述第一和第二测量信号分别与所述运动磁性元件的角位置的两倍的正弦和余 弦成比例 ； 以及处理单元， 其根据第一和第二测量信号提供对应于所述运动磁性元件的角 位置的响应。
背景技术
简单来说， 磁阻元件是由于某些铁磁合金的电阻率受外场影响而对磁场敏感的电阻元件。 磁阻传感器通常包括磁阻材料层， 所述磁阻材料层具有在测量方向上流经所述层 的电流， 其中所述层被所述层的平面中的外磁场磁化。
常规情况下， 这些传感器利用称为各向异性磁电阻的公知效应， 所述效应发生在 铁磁过渡金属、 比如镍、 钴、 和铁中， 所述铁磁过渡金属根据在由磁阻材料制成的传感器的 敏感元件中流通的测量电流的方向与外磁场的场力线的方向之间的角度产生所述敏感元 件的电阻率的变化。
所述传感器的敏感元件常常由被安装在测量电桥配置中的磁阻元件、 或者磁敏电 阻器构成。所述测量电桥被设计为被供电， 并且输送某个空载电压。外磁场影响所述电桥 的臂并且引起失衡， 所述失衡被放大并且被利用。
在图 1 中示意性地示出了这种类型的传感器 10。该传感器包括 ： 第一磁阻元件组 R1 至 R4， 其被配置为第一惠斯登 (Wheatstone) 电桥 ； 以及第二磁阻元件组 R5 至 R8， 其被 配置为第二惠斯登电桥， 因此， 每个惠斯登电桥都形成用于差分测量由第一和第二磁阻元 件组分别提供的信号的装置。
所述两个电桥被组装在同一衬底上， 并且被定位为彼此成 45°。 在所述配置中， 来 自所述两个电桥中的每一个电桥的测量信号都正交， 也就是说， 其具有 90°的相位差。
因此， 第一电桥提供如下的第一测量电压， 其与在所述传感器的容纳所述磁阻元 件的面之上旋转的运动磁性元件的磁场的角位置 α 的两倍的正弦成比例， 并且第二电桥 提供如下的第二测量电压， 其与相同磁场的角位置 α 的两倍的余弦成比例。
因此， 来自第一电桥的测量信号为 U1sin2α 类型， 并且来自第二电桥的测量信号 为 U2cos2α 类型。
根据所述两个 sin2α 和 cos2α 测量信号， 处理单元适于通过执行如下类型的计 算来找出角度 α 的值 ：
其中 A ＝ U1/U2 是所述两个测量信号的两个幅度之比。
然而， 因子 2α 意味着所述传感器实际上仅能测量 180°的角变化。
图 2 示出使用这样的传感器 10 来测量运动元件 ( 未表示出 ) 的角位置的角位置 测量设备 20 的实施例， 其中所述运动元件机械地耦合到永磁体类型的运动磁性元件 12， 所 述磁性元件 12 沿着纵轴 AA′为平行六面体形状并且在其两个末端分别具有北极 N 和南极 S。所述运动磁性元件 12 在传感器 10 处产生磁场 H， 所述磁场 H 的场力线 h 大部分近似地 平行于纵轴 AA′。
所述运动磁性元件绕垂直于纵轴 AA′的旋转轴 30 转动。 根据上面解释的原理， 通 过所述运动磁性元件的纵轴与相同轴的参考位置之间所形成的角度 α， 所述运动磁性元件 的角位置被测量出， 其中所述参考位置例如对应于如下初始位置 ： 在所述初始位置中， 所述 运动磁性元件 12 的纵轴 AA′与传感器 10 的纵轴 XX′平行。
所述运动元件以及因此运动磁性元件 12 相对于初始位置的角位移 α 实际上产生 所述运动磁性元件在传感器 10 的平面中的场 H 的相同角位移 α， 并且根据从所述传感器的 被配置为惠斯登电桥的两个磁阻元件组所获得的测量信号可以测量出所述位移。
在理想情况下， 利用均匀平行磁场来测量所述角度。
然而， 机械装配公差意味着 ： 所述磁传感器 10 并未使得能够具有 180°的真实测 量范围， 而是较小的范围、 例如被限制在 179.8°的较小的范围。
首先， 实际上这是因为磁体本身不能被精确地定中心在其旋转轴上。 于是术语 “旋 转中心偏移” 适用。不能被精确地定中心在磁体的轴 ( 磁体的轴被理解为与所述磁体的纵 轴垂直地穿过所述磁体的中心的线 ) 上的传感器也是如此。于是术语 “径向偏移” 适用。
这两种公差导致角误差， 这意味着 ： 根据装配， 如图 2 中所述的某些角位置测量设 备在实际中将不会使得能够测量 180°的位置。
此外， 另一局限性来源于如下的传感器本身 ： 该传感器具有可高达 0.3°的磁滞 以及 0.1°的最大测量精度。 其后果是， 对于位于接近于正常使用范围的末端之处的角位置 而言、 即对于接近 0°或 180°的角位置而言， 误差处于其最大值。 例如， 对于 +0.1°的角位 置而言， 所述传感器可能指示 +180°的位置。
总的来说， 与装配公差相关联的问题可以通过增大磁体的尺寸来处理。 在实践中， 磁体变得越大， 则偏移效应被越多地减小。然而， 这并不解决与传感器本身相关联的问题。
在实践中， 结果是， 图 2 中所述的现有技术的角位置测量设备通常仅仅在减小的、 常规情况下在 0 至 179.8°之间的角范围内被使用， 这使得所述设备不能用于需要确定实 际上位于 0 至 180°之间、 甚至以上的范围内的角位置的某些情况。
超出 180°， 常规情况下使用另一种技术、 比如 360°霍尔效应。然而， 由于体积、 成本、 以及技术控制的原因， 将尤其有利的是 ： 能够保留基于磁阻电桥的传感器来执行较大 角范围内的测量。
发明内容 本发明使得能够通过为了减少上述缺点的目的而提供一种角位置测量设备来克 服上述缺点， 所述角位置测量设备同样符合上面的前序部分中所给出的一般定义， 更具体 而言， 其特征在于， 磁传感器相对于运动磁性元件的轴并且所述运动磁性元件相对于所述 元件的旋转轴被偏移如下的偏移值 ： 所述偏移值被故意地选择为使得所述磁传感器的角测 量范围延伸超出 180°。
根据本发明的设备的优点之一在于， 通过使测量范围延伸超出 180°， 所述传感器 未达到其极限值， 并且因此就不再存在在所述极限处有 180°误差的问题。
有利地， 该设备包括用于校准由惠斯登电桥所提供的第一和 / 或第二测量信号的 偏移值的装置， 所述校准适于至少部分地校正所提供的响应的非线性。
根据一个实施例， 定义所述传感器与所述运动磁性元件的轴之间的偏移的偏移值 被分解成偏移距离值和偏移角值。
同样有利地， 定义所述运动磁性元件与其旋转轴之间的偏移的偏移值被分解成偏 移距离值和偏移角值。
在一种优选的实施例中， 所述两个惠斯登电桥被彼此成 45°地布置在所述传感器 的同一衬底上。
此外还规定 ： 所述运动磁性元件是环形或平行六面体形状的运动永磁体， 该运动 永磁体在与所述传感器的安置有磁阻元件的一个面近似平行的旋转平面中转动。
本发明还涉及一种用于设计角位置测量设备的方法， 所述角位置测量设备包括使 用磁阻元件的磁传感器， 所述磁传感器与在所述传感器之上旋转的运动磁性元件相配合， 以 便测量分别与所述运动磁性元件的角位置的两倍的正弦和余弦成比例的第一和第二测量信 号； 以及根据所述第一和第二测量信号计算对应于所述运动磁性元件的角位置的响应， 所述 方法的特征在于， 该方法包括如下步骤， 所述步骤在于 ： 故意地一方面使所述磁传感器相对 于所述运动磁性元件的轴以及另一方面使所述运动磁性元件相对于所述元件的旋转轴偏移 如下偏移值， 所述偏移值被选择为使得所述磁传感器的角测量范围延伸超出 180°。
有利地， 所述方法还包括步骤 ： 校准第一和 / 或第二测量信号的偏移值， 所述校准 适于至少部分地校正所述传感器的响应的非线性。
优选地， 所选择的偏移值被分解成偏移距离值和偏移角值。
附图说明 在阅读下面作为说明性和非限制性的例子并且参考附图所给出的描述时， 本发明 的其它特征和优点将变得更显而易见， 在附图中 ：
- 图 1 示意性地示出已经被描述的具有磁阻电桥的磁传感器 ；
- 图 2 示出根据现有技术的并且已经予以描述的角位置测量设备的示意性实施 例， 所述角位置测量设备包括如图 1 中所示的传感器 ；
- 图 3a 和 3b 表示根据本发明的测量设备的示意性侧视图和平面图， 其示出受控偏 移原理， 其中与已经予以描述的图共有的元件带有相同的附图标记 ；
- 图 4 表示从所述传感器的两个惠斯登电桥所获得的测量信号以及来自所述传感 器的响应信号的曲线， 其中所述传感器根据所述测量信号提供所述运动磁性元件的磁场在
被延伸超出 180°的测量范围内的角位置 α。 具体实施方式
因此， 本发明依赖于图 3a 中所示的如下原理 ： 故意创建角位置测量设备 20 的装配 中的双重偏移， 其中所述角位置测量设备 20 使用基于已经描述的磁阻电桥的传感器 10 ； 以 及控制所述偏移而不是受制于所述偏移。因此， 所述双重偏移被分解成 ：
- 一方面是， 磁传感器 10 与运动磁性元件 12( 其在该示例性实施例中为环形 ) 的 轴 14 之间的第一偏移 Exc_R ； 以及
- 另一方面是， 运动磁性元件 12 与其旋转轴 30 之间的第二偏移 Exc_A。
更具体而言， 参考图 3b， 用于定义上述两种偏移类型中的每种偏移类型的偏移值 被分解成 ： 偏移距离， 其对于第一偏移 Exc_R 以及第二偏移 Exc_A 而言分别为 Distance_ R( 距离 _R) 和 Distance_A( 距离 _A) ； 以及偏移角， 其对于第一偏移 Exc_R 以及第二偏移 Exc_A 而言分别为 Angle_R( 角 _R) 和 Angle_A( 角 _A)。因此， 总共存在 4 个参数用于控制 装配中的双重偏移。
通过将预先确定的偏移值与这 4 个参数中的每个相关联， 所产生的一方面所述传 感器相对于所述磁体以及另一方面所述运动磁性元件相对于其旋转轴的经过故意偏移的 位置使得能够将所述设备的角测量范围稍微延伸超出 180°， 同时保证在适当延伸的整个 范围内高度精确的运行。 当然， 所述两个偏移、 即径向偏移和旋转偏移的组合造成角误差 Δα， 所述角误差 Δα 特别是根据所述运动磁性元件的尺寸以及根据预先定义的偏移值所计算出的磁常数 的函数。
然后， 从所述传感器的被定位为成 45°的两个惠斯登电桥所获得的正弦和余弦测 量信号由于所述误差而失真， 从而引入这些信号的相位调制失真。 换言之， 这些信号的曲率 在所述运动磁性元件的旋转期间被调制。
在图 4 中示出了该现象， 其中标注为 Sin 和 Cos 的曲线分别表示从具有受控的双 重偏移的传感器的两个惠斯登电桥所获得的正弦和余弦信号， 并且因此标注为 Arctan 的 曲线表示由所述传感器提供的响应、 即从对上述两个信号所执行的处理所获得的测量角位 置。应当注意， 测量信号 Sin 和 Cos 具有其最大值和 / 或最小值， 该最大值和 / 或最小值由 于由双重偏移造成的相位调制失真而漂移。 所述测量信号也具有 360°的周期。 因此， 根据 偏移距离和偏移角， 所述曲线将不同地发生失真。 通过调节这些偏移值， 然后能够获得所述 曲线的适于使角测量范围延伸的失真 ( 如图 4 的例子中所示 )。
当然， 在图 4 的 Arctan 曲线上可以清楚地看到 ： 角测量范围是从 180°到 364°、 即 184°范围。 还应当注意， 由于对称性， 另外的测量范围被减小。 因此， 将所述两个偏移与 适当确定的偏移值相组合的结果是 ： 角测量范围被延伸超出 180°。为了获得该结果， 因此 需要确定合适的偏移值， 以用于定义适于引起对测量信号的合适调制的角误差， 从而使得 能够延伸测量范围。对偏移值的所述确定特别是取决于运动磁性元件的类型、 尤其是其形 状以及其尺寸。
然而， 使角测量范围超出 180°的延伸将线性误差引入到从所述两个正弦和余弦 测量信号所获得的角响应中。因此， 需要计算所述测量信号之一或二者的偏移值 ( 相对于
零的漂移 ) 的合适的校准， 其中所述校准适于至少部分地校正由所述传感器提供的响应的 非线性。因此， 对正弦和余弦测量信号之一或二者的偏移值的修改有利地使得能够纠正所 述传感器在经过延伸的整个角测量范围内的响应的线性。
然而， 超出 200°的测量范围， 通过调节正弦和余弦测量信号的偏移对线性的校正 可能不再是足够的， 并且于是可能需要使用映射表使所述传感器的响应线性化， 所获得的 响应曲线为严格递增的曲线。
本发明决不限于本说明书中详述的实施例。 本领域的技术人员例如能够在无论如 何不偏移本发明的范围的情况下使用除 (i) 中所给出的组合之外的第一和第二测量信号 的组合。