具有两个传感器信号的旋转角度传感器和操作方法

摘要

本发明涉及一种用于确定径向磁化的磁体(6)围绕旋转轴线(12)相对于主支撑件(14)的旋转角度(WE)的传感器装置(8)，所述传感器装置包含：不同周向位置(UP‑aa，b)处的两个传感器(18a，b)，所述传感器与所述旋转轴线(12)具有径向距离(Ara，b)，以便检测所述磁体(6)的所述测量场(16)的切向分量(KTa，b)和轴向分量(KA，b)；以及评估单元(28)，所述评估单元用于基于反正切函数从所述分量中确定所述旋转角度(WE)。在用于确定所述旋转角度(WE)的方法中，通过所述传感器(18a，b)检测所述分量并且基于反正切函数从中确定所述旋转角度(WE)。

说明书

本发明涉及一种用于确定磁体围绕旋转轴线相对于基座载体的旋转角度的传感器装置，并且涉及一种用于确定磁体围绕旋转轴线相对于该传感器装置中的基座载体的旋转角度的方法。

图4示出了实践中已知的这种传感器装置100。传感器102以位置固定的方式布置在基座载体104上。磁体106被安装成可围绕旋转轴线108相对于基座载体104旋转(由双箭头指示)，并且生成磁性测量场110(仅象征性地指示)。磁体106在此采取围绕旋转轴线108的(实际)旋转角度WT。传感器102捕获测量场110，并且传感器装置100使用评估单元112通过反正切函数确定传感器的当前(确定的)旋转角度WE。

图5示出了相对于实际旋转角度WT绘制的、通过反正切函数确定的旋转角度WE。理想地，确定的旋转角度WE应等于实际旋转角度WT。然而，实际上，确定的旋转角度WE存在误差。

本发明的目的是指明就旋转角度捕获而言的改进。

该目的通过如权利要求1所述的传感器装置实现。在另外的权利要求、以下描述和附图中可以找到本发明以及其他发明类别的优选或有利实施例。

该传感器装置用于确定磁体围绕旋转轴线的(确定的)旋转角度。该旋转角度是磁体围绕旋转轴线相对于基座载体的旋转角度。该传感器装置包含基座载体和磁体。该磁体可以围绕旋转轴线相对于基座载体旋转。该磁体特别相对于旋转轴线径向地磁化。该磁体用于生成磁性测量场，或者该磁体至少在传感器装置进行操作时，生成测量场。该磁体特别是永久磁体。

该传感器装置包含传感器。该传感器特别是霍尔传感器。该传感器相对于该基座载体以位置固定的方式布置。该传感器用于捕获测量场的第一切向分量和第一轴向分量。对应的切向方向和轴向方向应被理解为相对于旋转轴线。在此，第一传感器相对于该旋转轴线布置在第一周向位置处，并且距该旋转轴线的第一径向距离。

该传感器装置包含至少一个第二传感器，该至少一个第二传感器用于捕获该测量场的第二切向分量和第二轴向分量，其中，如上所述，这些分量应被理解为相对于旋转轴线。第二传感器相对于该旋转轴线布置在第二周向位置处，并且距该旋转轴线的第二径向距离。该第二周向位置特别不同于该第一周向位置。因此，可以在传感器中生成相对于磁体的旋转以相移的方式选择性地偏移或移位的测量信号。如下文所解释的，此移位可以稍后用于补偿非线性。

该传感器装置包含评估单元。后者用于根据由传感器在传感器的定位处捕获的测量场的上述分量来确定旋转角度。在此上下文中，使用所捕获的切向分量中的至少一个切向分量和所捕获的轴向分量中的至少一个轴向分量。此外，还使用了所捕获的那些切向分量中的另外的至少一个分量或所捕获的轴向分量中的至少一个轴向分量。通过评估单元基于至少三个指定的分量的确定是通过反正切函数(atan函数)来进行的。

因此，至少使用三个指定的分量进行计算。特别地，使用由传感器捕获的所有分量。

本发明基于以下观察：如果在已知的旋转角度传感器系统(传感器装置)(如首先关于图4已经提到)的情况下，传感器定位于磁体的旋转轴线(旋转轴线)外部，则如图5所展示的，获得传感器信号的针对(实际)旋转角度绘制的非线性轮廓。信号非线性的实施例高度依赖于磁体与传感器之间的空气间隙以及传感器距磁体的旋转轴线的距离。

本发明还基于这样的认识：可以通过在生产过程中训练磁体传感器系统(传感器装置)来在上述常规程序中将此非线性线性化。这可以例如借助以下事实来实现：对于Atan计算，可以根据以下公式将因数(kx，ky)指配给单独的场分量(由传感器捕获的轴向/径向/切向分量，在此例如为Bx和By)：

本发明基于以替代方式补偿几何形状引起的非线性的思想。

出于此目的，使用至少两个传感器，该至少两个传感器可选地或理想地以相对于彼此偏移60度到120度、特别是80度到100度、特别是90度的方式布置在围绕磁体下方或上方的旋转轴线的圆周上(也就是说，相对于旋转轴线在轴向方向上偏移)。

可选地，还可以选择传感器在不同半径上的不同的角度比率或不同定位。所选布置取决于所用磁体的形状和磁化以及所选传感器数量。

可选地选择传感器的布置的方式为使得测量的非线性角度信号(原始角度，参见下文)关于理想的线性传感器角度直线(针对实际旋转角度绘制的理想无误差确定旋转角度)在工作范围内具有实际上轴向对称的轮廓。

由于传感器信号(原始角度)与理想直线的偏差分别大于或高于该直线，或者小于或低于该直线，因此可以通过形成两个传感器信号(原始角度)的平均值来将关于理想线性直线的残留误差降到最低。此方法可以在大的参数范围内独立于各种空气间隙产生具有低的残留误差(相对于理想直线)的实际线性传感器信号(确定的旋转角度)。

因此，不必干预传感器信号(原始角度)的Atan计算，以便针对各种空气间隙和半径使传感器输出信号的角度轮廓(确定的旋转角度)线性化。由此避免了昂贵且费时的训练过程(例如，线的末端)以及在进行中的测量操作期间依赖于空气间隙的校正措施。此外，传感器与磁体之间的确切空气间隙常常是未知的，并且只能以高度不确定性进行测量。为此预先计算并存储在表格中的用于传感器特性曲线的空气间隙校正的校正因数因此总是只能在空气间隙测量不准确的情况下应用，这尽管花费水平高，但在测量信号中仍会产生显著的残留误差。本发明克服了此缺点。

因此，本发明布置特别适合于其中传感器远位于编码器磁体的旋转轴线之外的磁体传感器系统。如果磁体的内部区域用于电缆穿通件等，并且传感器仅定位于印刷电路板(基座载体)上的磁体的外部区域下方，则对于环形磁体特别如此。

通过形成多个传感器的平均值来减小非线性测量误差高度依赖于传感器在磁体下方的定位。现代磁场计算程序可以用于确定传感器的理想位置，从而在参数范围内产生可能最佳的误差补偿。

此方法提供了在(实际)旋转角度和空气间隙上几乎没有误差的稳健的内在稳定的测量信号(确定的旋转角度)，这在进行中的测量操作期间不需要训练或补偿过程。因此，此布置对于利用推拉作用来捕获旋转角度(磁体相对于基座载体或传感器在不同轴向位置之间的移位)是非常有利的，该推拉作用必须以最小的误差在各种距离(空气间隙)下捕获操作员控制元件的旋转角度。

此外，测量信号的平均值的形成显著减小了外部干扰场的干扰影响，因为相邻传感器之间的干扰场梯度通常由于干扰场源与传感器系统之间的相对较大的距离而较低。

此布置可以用于任何期望形状(但是特别有效地具有旋转对称的几何形状)的永久磁体，例如在环形磁体和圆形磁体的情况下。

该程序可以用于常规的基于霍尔的2D角度传感器或3D传感器。

在本发明的一个优选实施例中，这些传感器中的至少一个传感器以关于中心平面偏移轴向距离的方式布置，该中心平面在该旋转轴线的轴向方向上相对于磁体的旋转轴线横向地放置。这特别适用于所有传感器。特别地，至少两个或所有传感器相对于旋转轴线定位于与中心平面公共的平行平面中。特别地，在磁体与对应的传感器之间存在空气间隙。这对应于磁体“下方或上方”的上文指定的布置。本发明特别适合于对应的布置。

在本发明的一个优选实施例中，至少两个，特别是全部传感器距旋转轴线的相同的轴向距离和/或相同的径向距离。这产生对称的或规则的布置，对于该布置可以特别有效地使用本发明。

在一个优选实施例中，这些周向位置中的两个周向位置彼此成直角偏移。对于这两个周向位置，因此获得相位偏移对应角度(例如，90°)的相应传感器信号，这通过在两个传感器之间形成平均值来产生特别简单的误差补偿。

在一个优选实施例中，该磁体被实施成相对于旋转轴线旋转对称。这在传感器中产生特别类似但相位偏移的信号。

在一个优选实施例中，该磁体是相对于旋转轴线同中心布置的环形磁体。因此，所述环形磁体具有中央开口，该中央开口可以特别用作电缆穿通件。因此，该传感器装置可以特别有利地用于径向放电不多的应用中。

在一个优选实施例中，磁体沿旋转轴线的轴向位置相对于基座载体是可变的。对应的轴向位置的变化也可以通过传感器来检测。因此，该传感器装置适合于检测轴向移动，特别是上述推拉作用的轴向移动。因此，传感器相对于磁体的轴向位置在此均匀地变化。

在一个优选实施例中，评估单元包含原始角度模块，该原始角度模块被配置成通过反正切函数从相应传感器的相应轴向分量和切向分量形成同一传感器的原始角度，然后可以处理该原始角度以形成该旋转角度。

因此，相应传感器的两个分量信号本身已经在评估单元内部被单独预处理以形成原始角度，这使得随后可以在评估单元中进一步处理原始角度。以其他方式，关于对应的原始角度参考上文的陈述。

在一个优选实施例宏，该评估单元包含平均值模块，该平均值模块被配置成从这些轴向分量和/或切向分量中的至少两个分量和/或如果存在的话，从确定的原始角度中形成平均值，然后可以处理该平均值以形成该旋转角度。如上文所解释的，可以通过对应地形成平均值来特别容易地补偿原始角度中的非线性，其中，非线性是由传感器与旋转轴线之间的轴向距离引起的。

本发明的目的还通过如权利要求10中所述的方法来实现，该方法用于确定磁体围绕旋转轴线相对于根据本发明的传感器装置中的基座载体的旋转角度。在该方法中，这些切向分量中的至少一个切向分量和这些轴向分量中的至少一个轴向分量以及这些切向分量或这些轴向分量中的另外的至少一个分量是利用传感器捕获的，如上文对应地解释的。旋转角度是通过反正切函数至少从捕获的分量(取决于确定的轴向分量或切向分量)中确定的。这可以在传感器装置的评估单元中发生。然而，在该方法中也可以替代性地使用没有评估单元的减少的传感器装置。然后，对应的评估在替代性评估单元中发生，该替代性评估单元也可以定位于传感器装置外部。

已经关于根据本发明的传感器装置对应地解释了该方法和其实施例中的至少一些实施例以及相应的优点。

在一个优选实施例中，通过反正切函数根据相应传感器的相应轴向分量和切向分量形成同一传感器的原始角度。然后，优选地在评估单元中处理原始角度以形成旋转角度。上文已经关于原始角度或原始角度模块对应地解释了对应的程序和其优点。

在一个优选实施例中，原始角度是通过未加权的反正切函数形成的。如上文详细解释的，因此，不必干预实际反正切函数的计算，即，可以免除上文所解释的因数(kx，ky)的扩展。

在本发明的一个优选实施例中，至少一个平均值由这些轴向分量和/或切向分量中的至少两个分量形成。替代性地或另外地，平均值由确定的原始角度(如果这些原始角度存在的话)形成。然后，优选地在评估单元中处理平均值以形成旋转角度。上文已经对应地解释了对应的程序。

在一个优选实施例中，形成这些传感器中的至少两个传感器的单独的原始角度，其中，选择这些传感器的位置(轴向和/或径向和/或周向位置)的方式为使得这些单独的原始角度关于理想角度直线(针对实际旋转角度绘制的确定的旋转角度)具有轴向对称的轮廓。然后通过形成两个原始角度的平均值来确定旋转角度。

上文已经对应地解释了对应的程序。特别地，在此上下文中，可以选择传感器相对于旋转轴线在周向方向上的90°的角度偏移，使得原始角度(相对于理想直线的对称性)之间出现上文所解释的有利的关系。

在一个优选实施例中，通过至少在至少一个传感器的定位处对测量场的FEM分析来优化针对实际旋转角度绘制的确定的旋转角度的轮廓。特别地执行该优化的方式为使得通过对可指定的轴向距离和径向距离以及角度偏移的栅格化FEM分析，选择供应轮廓的相对最佳线性的那些轴向距离和径向距离以及角度偏移。

布置的参数变化，至少传感器的轴向距离和/或径向距离和/或周向位置，改变了实际确定的旋转角度的轮廓。根据本发明，以这种方式改变参数，直到在对应变化的范围内(也就是说，在所考虑的定位可能性的范围内，特别是有限的选择)找到其中将确定的旋转角度与实际旋转角度之间(特别是在所有测试位置内)的偏差最小化的组合。特别地，在此上下文中，在具有合适的网格间隔和合适数量的网格点的网格形状中，在旋转轴线的径向-轴向平面中检查对应的变量，所述检查发生在所有网格点处，并且选择用于传感器定位的最佳网格点(径向距离/轴向距离)。在此上下文中，传感器之间的周向偏移也有所变化。对于对应的优化过程以及在确定的旋转角度与实际旋转角度之间的要优化的对应偏差程度，本领域技术人员具有多种选择可能性。在此，本领域技术人员能够针对具体存在的传感器装置作出合适的选择。

术语“可以被指定”在这里需要理解为特别意指要检查的但应在看起来相应适当的径向-轴向周向范围内显著密集定位或在技术上适当的渐变距离内的网格点的技术上符合实践的数量，该数量尽可能小但是是充足的。

然后可以从理论上或在计算机上执行对应的优化；不需要为此进行测试或测量。

可以在对本发明的优选示例性实施例以及附图的以下描述中发现本发明的其他特征、效果和优点，在附图中，在各自情况下以示意性原理图示出：

图1示出了呈平面视图的根据本发明的传感器装置，并且

图2示出了其侧视图，

图3示出了来自图1和图2的两个传感器的原始角度以及实际旋转角度和针对实际旋转角度绘制的确定的旋转角度，

图4示出了根据现有技术的传感器装置，并且

图5示出了根据现有技术的针对实际旋转角度绘制的来自图4的传感器的原始角度。

图1(在图2中的箭头I方向上的平面视图)和图2(在图1中的箭头II-II方向上的截面)示出了根据本发明的传感器装置8。该传感器装置用于确定磁体6围绕旋转轴线12相对于基座载体14的(确定的)旋转角度WE。确定的旋转角度WE在此旨在理想地对应于磁体6围绕旋转轴线12的实际旋转角度WT。在此，基座载体14和磁体6是传感器装置8的一部分。因此，磁体6可以围绕旋转轴线12旋转(通过双箭头指示)，并且在此是相对于旋转轴线12径向地磁化的。因此，磁体6生成在此仅由场线象征性地指示的磁性测量场16。

传感器装置8的第一传感器18a相对于基座载体14位置固定地布置。所述传感器18a用于捕获测量场16的第一切向分量KTa和第一轴向分量KAa。术语“轴向”、“切向”等在此应理解为是相对于旋转轴线12的。在此，第一传感器18a相对于旋转轴线12布置在第一周向位置UPa处，并且布置在距旋转轴线12的第一径向距离ARa处。

传感器装置8还包含用于捕获测量场16的第二切向分量KTb和第二轴向分量KAb的第二传感器18b。第二传感器18b相对于旋转轴线12布置在第二周向位置UPb处，并且相对于旋转轴线12布置在第二径向距离RAb处。

传感器装置8还包含用于确定旋转角度WE的评估单元28。在示例中，评估单元28出于此目的使用第一传感器18a和第二传感器18b的切向分量KTa、b和轴向分量KAa、b，如将在下文进一步解释的。

两个传感器18a、b以关于中心平面24偏移第一和第二轴向距离AAa、b(在此两个轴向距离相同)的方式布置，该中心平面在位于旋转轴线12的轴向方向上相对于磁体6的旋转轴线12横向地放置。此外，两个传感器18a、b关于旋转轴线12具有相同的径向距离ARa、b。在此，两个周向位置UPa、b也相对于旋转轴线12围成直角。

磁体6还被实施成相对于旋转轴线12旋转对称，该磁体在此为相对于旋转轴线12同中心布置的环形磁体。因此，所述环形磁体具有中央开口10，当传感器安装在应用(未展示)(例如汽车的变速杆)中时，该中央开口用作电缆(未展示)的穿通件。

磁体6在旋转轴线12上的轴向位置PA是可变的，即，磁体6可以在所展示的双箭头的方向上移动。轴向距离AAa、b在这种移动期间一致地变化。

评估单元28包含原始角度模块32。原始角度模块用于通过反正切函数由相应传感器18a、b的相应轴向分量KAa、b和切向分量KTa、b形成同一传感器18a、b的原始角度WRa、b，然后处理该原始角度WRa、b以形成旋转角度WE。

评估单元28还包含平均值模块30。平均值模块用于由两个确定的原始角度WRa、b形成平均值M，然后处理该平均值M以形成旋转角度WE，或者在此构成确定的旋转角度WE。

图3展示了两个原始角度WRa、b如何通过纯反正切函数(也就是说，在没有上述因数kx、ky的情况下或者在kx＝ky＝1的情况下)来容易地确定，并且因此在针对实际旋转角度WT绘制时具有非线性轮廓26。在示例中以高度放大的方式展示了轮廓26与实际旋转角度WT的偏差。实际上，这些偏差在个位数程度范围内变化，通常在1°以下。与实际旋转角度WT的偏差或变形在各自情况下是基本上正的和负的正弦曲线的。

然而，在两个原始角度

WRa、b之间形成平均值然后在由绝对旋转角度WT描述的理想直线上产生确定的旋转角度WE。残留误差是由于整个系统的非线性而产生的。

6 磁体

8 传感器装置

10 开口

12 旋转轴线

14 基座载体

16 测量场

18a、b 传感器

24 中心平面

26 轮廓

28 评估单元

30 平均值模块

32 原始角度模块

100 传感器装置

102 传感器

104 基座载体

106 磁体

108 旋转轴线

110 测量场

112 评估单元

WT 旋转角度(实际)

WE 旋转角度(确定的)

N 北极

S 南极

KAa、b 轴向分量

KTa、b 切向分量

AAa、b 轴向距离

Ara、b 径向距离

UPa、b 周向位置

M 平均值

PA 轴向位置

WRa、b 原始角度