用于确定旋转轴的角度的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于确定旋转轴的角度的设备和方法，尤其是布置在轴外（oos：out of shaft）的角度测量系统。

背景技术：

1、轴外的角度测量系统可以用于测量旋转轴的角度位置，尤其是当轴的端部是不可接近的时。现有技术包括磁性旋转变压器和感应传感器，其例如可以用于汽车工业中。在磁性旋转变压器中，顺磁环以特殊形式固定在轴上，并且在由两个线圈组组成的结构组件场地内转动，这需要精确的定位。然而，由于构件的必要的精确的取向，这些系统可能导致相应的安装和维护成本。可以由具有线圈的多层电路板和导电转子组成的感应系统还需要精确的取向和一定的最小尺寸，这可以增加结构空间和相关的成本。另外的缺点是，旋转变压器和感应系统对机械公差敏感，这可能会影响角度测量方面的精度。

2、因此，需要一种系统，该系统克服这些限制并且能够在最小的空间需求和更低的成本中实现精确的角度测量，并且它同时提供相对于外部干扰、例如杂散场高的抗性。

技术实现思路

1、该需求通过根据本发明的设备和方法来满足。有利的改进方案由说明书得到。

2、根据本发明的第一方面，提出一种用于确定旋转轴的角度的设备。该设备包括具有至少一个磁极对的固定在旋转轴上的永磁体以及至少两个相互间隔开的磁传感器装置。传感器装置相互以与磁极对相关的角度偏置量围绕轴布置，并且分别具有至少两个产生差分输出信号的磁场敏感元件。此外设置有评估单元，该评估单元构造用于接收来自至少两个传感器装置的差分输出信号并且由此确定轴的角度信息。该设备能够通过使用差分信号实现精确的（oos）角度测量，所述差分信号即使在存在干扰场时也可以确保高的精度。

3、根据一些实施例，永磁体构造为两极磁体，其中，至少两个磁传感器装置相互以180°/2=90°的角度偏置量围绕轴布置。如果永磁体构造为四极磁体（两个磁极对），那么磁传感器装置可以相互以180°/4=45°的角度偏置量围绕轴布置。在具有仅一个磁极对（北极和南极）的沿直径的磁化中，两个磁传感器装置之间的最佳角度偏置量是90°，因为这对应于90°的电角度。当永磁体相反具有两个磁极对（总共四个磁极）时，最佳角度偏置量相应减小为45°，因为电角度现在由于更高的极数而变小。这种具有多个磁极对的实施方式的优点是，传感器在每个机械周转中更频繁地感知磁场变化，这可以提高角度分辨率。此外，更小的角度偏置量能够实现传感器的更紧凑和更节省空间的布置。同时，通过差分测量保持高的干扰场鲁棒性。在传感器元件的布置方面的灵活性允许使设备最佳地适配于特殊的结构要求和不同的几何框架条件。

4、根据一些实施方式，永磁体可以以环或盘的形式构造。用于测量角度的环形或盘形永磁体可以沿直径或多极地被磁化，其中，磁极沿周边或盘面分段地布置，使得场线分别在对置的北极与南极之间延伸。这产生明确定义的局部变化的磁场，所述磁场是理想的，以便通过周围的磁场敏感传感器元件确定轴的角度位置。两个备选的结构形式的优点是，它们能够使设备灵活地适配于不同的机械要求。环形或盘形的实施方案可以减小所需的安装高度，并且由此例如在具有有限的结构空间和对总系统设计的高的要求的应用中促进更紧凑地和更节省空间地集成到现有的系统中。附加地，可以根据期望的磁场分布针对性地选择磁体形状，以便在精度和相对于外部干扰场的鲁棒性方面获得最佳测量结果。

5、根据一些实施方式，每个磁传感器装置包括两个磁场敏感元件，磁场敏感元件分别构造为xmr或vhall传感器元件。xmr表示磁阻传感器技术，当材料暴露于外部磁场中时，所述磁阻传感器技术随着材料的电阻的变化作出反应。存在不同类型的在传感器中使用的磁阻效应，其包括各向异性磁阻（amr）、巨磁阻（gmr）、隧道磁阻（tmr）和异常磁阻（emr）。这些技术提供精确的磁场测量，并且可以用于角度和位置测量的应用中。vhall表示竖直霍尔效应传感器。霍尔效应描述了一种现象，即在被电流流过的导体中，磁场产生垂直于电流和磁场的电压。vhall传感器是专门设计的霍尔效应传感器，其在竖直配置中，而不是在传统的水平配置中提供针对磁场的敏感性。该类型的传感器可以用于关键在于精确检测特定取向中的磁场的应用。两种传感器技术提供鲁棒的和精确的磁场检测可能性。

6、根据一些实施例，至少两个磁传感器装置具有与永磁体相同的径向距离。这意味着，至少两个磁传感器装置分别以与永磁体的中心的相同的距离定位，即具有与轴的转动轴线的相同的距离。因此，两个传感器位于共同的圆环上，圆环的中心点形成永磁体或轴的轴线。这种对称布置的优点在于，两个传感器装置以相同方式被磁场影响。因此，传感器装置在外部干扰影响、例如均匀的磁杂散场中经历几乎相同的变化，其通过输出信号的差分形成相互有效地得到补偿。因此，角度测量相对于外部干扰的鲁棒性可以明显得到改进，这又可以提高系统的精度和可靠性。附加地，该对称定位可以减少可能的偏移效应和信号失真，这可以进一步改进测量结果的精度和可重现性。

7、根据一些实施方式，磁传感器装置内的至少两个磁场敏感元件分别布置在平行于或垂直于轴轴线延伸的平面中。这意味着，磁场敏感传感器元件可以以两种不同的方式在空间上被定位。它们可以布置在平行于轴的转动轴线的平面中（轴向布置）或者垂直于轴轴线延伸的平面中（径向或切向布置）。在与轴轴线平行的取向（轴向布置）中，传感器元件主要检测沿转动轴线产生的轴向磁场。该布置具有以下优点，即传感器元件由于其相对于轴线的对称定位而能够提供相对于均匀的磁杂散场特别高的鲁棒性。在此，外部磁场以相同方式作用于两个传感器元件上，从而通过形成信号差异来有效地消除这些干扰影响。与之相对，传感器元件在垂直于轴轴线延伸的平面中的布置（径向或切向布置）意味着，元件沿周边或相对于轴线径向地测量磁场。例如当轴向结构空间是有限的时，该取向能够实现特别紧凑的集成。然而，在该布置中，干扰场抑制可能略低，因为传感器元件根据径向或切向距离可能可以暴露于不一样强的磁场或外部杂散场中。因此，这两种取向之间的选择提供使设备灵活地适配于不同的机械边缘条件、空间要求和关于干扰场鲁棒性的要求的可能性。

8、因此，根据一些实施方式，在磁传感器装置内的至少两个磁场敏感元件分别轴向间隔开地布置在平行于轴轴线延伸的平面中。这意味着，至少两个磁场敏感元件定位在平行于轴的转动轴线取向的平面中，其中，在元件之间存在沿轴轴线的轴向距离。换言之，传感器元件并排位于沿轴线延伸的平面中，但并不刚好处于相同的轴向位置处，而是相互轴向错开地布置。该轴向错开的布置的优点是，两个传感器元件暴露于类似的磁场强度中，由此产生对称的场分布。由于该对称性，两个元件暴露于相同的外部干扰场中，这在形成差分信号时导致的是，有效地计算出均匀的干扰场。因此，该轴向布置可以相对于外部磁场明显改进角度测量的鲁棒性和精度。附加地，该对称布置可以简化信号评估，因为在理想情况下不需要附加的校正，其在不对称布置中可能是需要的。这可以产生更高的精度、测量结果的更好的可重现性，和简化的校准和维护。

9、根据一些实施例，磁传感器装置内的至少两个磁场敏感元件分别径向间隔开地布置在垂直于轴轴线延伸的平面中。这意味着，磁传感器装置中的至少两个磁场敏感元件定位在垂直于轴的转动轴线延伸的平面中，其中，磁场敏感元件与轴的中心或永磁体具有不同的径向距离。换言之，磁场敏感传感器元件位于轴周围的同一水平面中，但不位于同一半径中，而是位于不同的半径中。该布置的可能的优点是，由此在传感器元件的机械结构和定位方面产生附加的自由度。因此，系统可以更灵活地适配于不同的机械边缘条件和空间要求。磁场敏感元件例如可以被放置在轴附近，以便检测更强的磁场分量。而其他磁场敏感元件定位得更远，以便探测其他的场分量或场强度。这能够实现针对性地测量径向磁场梯度，但同时可能是一个挑战，因为元件基于不同的径向距离暴露于不同的磁场强度中。为了平衡信号振幅的由此产生的差异或潜在的偏移值，可能需要评估单元中的信号的后期的归一化或校准。与轴向布置（其中，元件相对于轴在径向上一样远地并且对称地定位）相比，在径向上不同的布置可以相对于外部干扰场提供较少的保护，因为产生不对称的场分布。该实施方式仍然可以允许设备的结构设计中的更高的灵活性和对特定测量条件的可适配性。

10、在轴向布置中也可能需要后期的归一化或校准。即使在理想的对称的磁场中，例如由于xmr（例如tmr）元件的由生产引起的不同的敏感性，也可以导致两个传感器装置的不同的信号振幅。

11、根据一些实施例，在磁传感器装置内的磁场敏感元件分别切向间隔开地布置在垂直于轴轴线延伸的平面中。这描述了一种布置，在该布置中，传感器的磁场敏感元件位于垂直于轴的转动轴线定位的平面中。在此，传感器元件相互切向间隔开，即沿围绕轴、永磁体的圆的周边，以特定角度彼此错开地布置。这意味着，两个传感器元件在径向上看虽然可以与轴轴线具有相同的距离，但沿圆周边，即沿切向方向，在空间上彼此分离。该切向布置的优点是，传感器从不同的切向位置检测磁场的变化。由此产生对磁场分量的相移的检测，这又可以用于确定角度位置。该切向放置允许针对性地测量可能沿周边方向特别明显地出现的场变化。这尤其在轴向布置由于结构限制而是不可能或不期望的情况下提供优点。然而，与径向布置类似，切向定位可能更易受到外部磁干扰的影响，尤其当铁磁部件增强外部磁场时。尽管存在这种可能的缺点，但切向布置允许在有限的轴向结构空间的情况下的传感器的灵活的集成，从而该设备可以更多样化地用于不同的结构和技术环境中。

12、根据一些实施方式，属于该设备的轴非铁磁地构造。这意味着，轴由没有铁磁特性并且因此不是磁性的的材料组成。为此，典型的材料例如是铝、不锈钢或其他非磁性金属和合金。这种材料选择的优点是，轴不会增强或影响磁场，因为不会出现磁通量集中或扭曲。因此，由磁传感器元件检测到的磁场保持均匀和无歪曲，这可以提高角度测量的精度和稳定性。此外，非铁磁轴可以促进传感器的校准，因为基于干扰性的磁影响而需要更少的补偿费用。这最终可以改进测量精度，并且减少设备的校准和维护费用。

13、根据本发明的另外的方面，提出一种用于确定旋转轴的角度的方法，该方法包括将具有至少一个磁极对的永磁体固定在旋转轴上，和以与磁极对相关的角度偏置量布置至少两个磁传感器装置。方法包括通过至少两个磁传感器装置检测差分输出信号，并且评估这些信号以确定角度，因此提供在不同的工业应用中实现旋转的部件的精确和连续的角度跟踪的有效可能性。

14、根据另外的方面，本发明提供一种用于确定旋转轴的角度的设备。该设备包括具有至少一个磁极对的固定在旋转轴上的永磁体。设备还包括至少三个磁场传感器，这些磁场传感器以等距的角距离围绕永磁体布置。每个磁场传感器配置用于检测由永磁体产生的磁场并且输出相应的传感器信号。该设备还包括评估单元。评估单元配置用于接收至少三个磁场传感器的传感器信号。借助变换，评估单元从传感器信号导出正弦信号和余弦信号。评估单元基于正弦信号和余弦信号计算出轴的角度信息。

15、因此，均匀分布在转动的磁体周围的多个磁场传感器共同测量由磁体产生的磁场。计算单元借助数学变换将因此获得的测量值转换为正弦信号和余弦信号，从所述正弦信号和余弦信号可以导出轴的精确的转动角度。该布置能够实现角度检测，而不用对单个传感器进行机械复杂的取向。所提出的设备能够实现精确的360°绝对角度测量。通过至少三个磁场传感器的等距布置可以减少由磁场引起的例如在具有更少的传感器的布置中出现的误差。设备还能够实现相对于干扰场和杂散场更鲁棒的测量。

16、根据一些实施例，每个磁场传感器配置用于检测由永磁体产生的磁场的径向分量。因此，每个传感器不会测量整个磁场，而是针对性地测量垂直于轴的轴线向外、即沿径向方向指向的分量。所指向的检测确保的是，选择性地评估与角度计算相关的磁场信息。检测径向磁场分量可以改进角度精度，因为可以抑制在其他空间方向上的磁干扰影响。由此，测量可以变得更稳定，并且不易受到轴向或切向杂散场的影响。

17、根据一些实施例，永磁体是沿直径磁化的。这意味着，永磁体的磁化方向横向地延伸通过整个磁体，使得北极和南极沿直径对置。在磁体旋转时，所产生的磁场也会转动，这在每个测量点处产生正弦形的信号变化。沿直径的磁化可以产生均匀且可良好预测的磁场特性。这可以改进被导出的正弦信号和余弦信号的质量，并且因此提高角度计算的精度。

18、根据一些实施例，变换是克拉克变换。克拉克变换是一种将三相系统的信号转移到二维坐标系并且在此直接产生正交的正弦-余弦对的数学方法。克拉克变换的使用能够实现从传感器信号计算高效地导出角度信息。它还可以有助于，从过滤传感器信号过滤出共模份额和同相位的干扰信号。

19、根据一些实施例，磁场传感器构造为tmr传感器。tmr传感器的使用能够实现精确和低噪音的磁场检测。这即使在磁场较弱的情况下，例如在大的气隙的情况下也可以有助于更高的角度分辨率和更好的测量精度。

20、根据一些实施例，每个磁场传感器构造为具有两个磁场敏感测量元件的差分传感器。每个磁场传感器配置用于从其两个测量元件的测量信号形成差分信号。这意味着，传感器内的两个测量元件在两个相邻的点检测磁场。从这两个测量信号的差异形成传感器的输出信号。差分信号评估可以有助于有效地抑制例如通过外部杂散场或温度漂移引起的同相位的干扰信号。相对于有用信号的测量敏感性在此可以得到保持，而信噪比可以得到改进。

21、根据一些实施例，每个磁场传感器的两个磁场敏感测量元件布置为，使得由永磁体产生的磁场的轴向分量差分地被检测，其中，每个磁场传感器的芯片平面基本上平行于轴或永磁体的表面地取向，或由永磁体产生的磁场的切向分量差分地被检测，其中，磁场敏感测量元件沿切线在轴的周边彼此间隔开，并且以与轴的轴线的相同的径向距离布置。因此，根据测量元件的几何布置，可以选择性地和差分地检测轴向或切向磁场分量。这使得传感器配置能够灵活地适配于不同的安装情况和磁体几何形状。传感器布置中的该灵活性可以改进系统对不同的机械结构的可适配性。通过定义的磁场方向的差分检测可以进一步提高相对于杂散场的鲁棒性。

22、根据一些实施例，设置刚好三个磁场传感器，这些磁场传感器相互以120°的角距离围绕永磁体布置。三个均匀分布的传感器形成对称的三相系统，克拉克变换可以直接用于该三相系统。由三个传感器组成的布置可以表示系统复杂性与测量精度之间的良好的妥协。与两传感器布置相比，可以减少角度误差。

23、根据一些实施例，设置刚好六个磁场传感器，这些磁场传感器相互以60°的角距离围绕永磁体布置。具有六个传感器的布置表示三传感器布置的扩展，并且可以通过冗余和平均值形成进一步提高角度精度。六传感器布置可以相对于三传感器布置进一步减小角度误差。磁场的空间分布式检测可以有效地补偿永磁体的由磁场引起的不均匀性。

24、根据一些实施例，评估单元还配置用于计算三个中间信号，其中，每个中间信号由两个对置的磁场传感器的传感器信号的差形成。变换应用于这三个中间信号。在六传感器布置中，在应用克拉克变换之前，分别减去两个相互对置的传感器的信号。之前的差分形成可以实现对共模干扰信号的附加的抑制。它还可以增大信号振幅，并且因此改进下游的变换的动态范围。

25、根据一些实施例，永磁体构造为铁氧体磁体。铁氧体磁体由基于氧化铁的陶瓷材料组成，并且是低成本的、耐腐蚀的和温度稳定的。铁氧体磁体的使用可以降低系统的制造成本。铁氧体磁体可以用于要求耐温性和化学鲁棒性的工业环境中。铁氧体磁体的与稀土磁体相比较低的剩磁可以通过适当的传感器选择和系统设计来补偿。

26、根据一些实施例，永磁体以环或盘的形式构造。这两种形状能够实现在旋转轴上的同轴的、机械上简单的固定，并且非常适用于沿直径的磁化。环形或盘形的磁体几何形状可以有利于磁场在外部区域中的均匀分布。该磁体几何形状还能够实现简单且节省空间地集成到现有的轴结构中。

27、根据一些实施例，磁场传感器布置在永磁体的径向外部。因此，这些传感器不位于磁体的上方或下方，而是以轴周围的均匀的角距离位于磁体的外周边上。径向外部的传感器布置能够实现机械灵活地安装在包围轴的电路板上。此外，该布置可以提供简单地接近传感器以用于维护和校准。

28、根据一些实施例，永磁体与磁场传感器之间的气隙大于3mm。气隙是指永磁体的外表面与磁场传感器的激活表面之间的空闲的距离。足够大的气隙可以有助于，使磁场传感器在其线性测量区域内运行。太强的磁场可以使传感器饱和并且导致角度误差的增加。

29、根据一些实施例，评估单元还配置用于执行校准。校准可以包括通过偏移和振幅校正对传感器信号的归一化。备选地或补充地，校准可以包括椭圆适配以提取校正因子。在椭圆适配中，分析正弦和余弦信号，并且校正与理想圆形的偏差，以便减小系统性角度误差。校准功能可以改进系统的测量精度。通过校正偏移和振幅误差可以补偿制造公差和安装误差。椭圆适配尤其可以有助于校正非线性的磁场特性和传感器失配。

30、根据一些实施例，评估单元被配置用于借助atan2函数从正弦信号和余弦信号计算出角度信息。atan2函数是反正切函数的变体，其清晰地覆盖0°至360°的整个角度范围并且在此考虑到两个输入信号的符号。atan2函数的使用可以确保清晰的360°绝对角度检测。与简单的反正切函数不同，可以避免在角度配属中的模糊性，这对于在整个循环中的可靠的角度确定是重要的。

31、根据一些实施例，轴构造为非铁磁的。这意味着轴材料不具有磁特性或仅具有可忽略的磁特性，并且因此不会影响或扭曲永磁体的磁场。非铁磁轴可以防止永磁体的磁场通过轴材料被导出或扭曲。这可以改进测量信号的质量，并且提高角度确定的精度。

32、根据一些实施例，该设备包括数量为n=3k（k≥2）的磁场传感器，磁场传感器以360°/n的均匀的角距离围绕轴布置。评估单元构造用于将n个磁场传感器分为k个子集，每个子集包含三个磁场传感器，其中，每个子集的三个磁场传感器分别相互错开120°。对于每个子集，评估单元对相关的三个传感器信号执行克拉克变换，以便获得每个正弦和余弦信号。评估单元从每个正弦-余弦对，借助反正切函数确定子角度。评估单元将轴的最终转动角度计算为k个子角度的平均值。换言之，在例如具有六个、九个或十二个传感器的布置中，这些传感器被分为分别具有三个传感器的多个组。每个组提供自身的角度值。最终角度由所有子角度的平均值产生。这表示基本的三传感器布置的可缩放的扩展。可缩放的架构可以利用传感器数量的增加而系统地改进角度精度。平均值通过多个独立的角度测量的形成可以减少随机的测量误差和传感器特定的偏差。该概念还能够针对与安全相关的应用实现简单的冗余。

33、根据另外的方面，本发明提供一种确定旋转轴的角度的方法。该方法包括借助至少三个磁场传感器检测径向的、轴向的或切向的磁场分量，磁场传感器以等距的角距离围绕固定在轴上的、沿直径磁化的永磁体布置。每个磁场传感器输出相应的传感器信号。该方法还包括借助变换从至少三个磁场传感器的传感器信号导出正弦信号和余弦信号。最后，基于正弦信号和余弦信号计算轴的角度信息。

34、根据另外的方面，本发明提供一种用于360°绝对角度识别的角度测量系统。该系统包括可转动的轴和沿直径磁化的永磁体，该永磁体与轴抗扭地连接。电路板相对于轴固定地布置。至少三个磁场传感器以等距的角距离围绕永磁体安装在电路板上，其中，每个磁场传感器配置用于检测径向磁场分量。处理器接收至少三个磁场传感器的传感器信号，借助变换导出正弦信号和余弦信号，并且计算轴的绝对角度值。角度测量系统可以实现为用于工业应用的完全的、自身闭合的单元。所有部件在电路板上的集成能够实现紧凑的且廉价的系统解决方案。

35、根据另外的方面，本发明提供一种计算机程序产品，其包括指令，当这些指令由处理器执行时，这些指令促使处理器接收至少三个磁场传感器的传感器信号，这些磁场传感器以等距的角距离围绕沿直径磁化的永磁体布置。此外，处理器被促使借助变换从传感器信号导出正弦信号和余弦信号，并且基于正弦信号和余弦信号计算角度信息。

36、本领域技术人员认识到，上述的实施例和特征并不局限于相应描述的组合，而是可以以多种方式相互组合。涉及磁场传感器的数量和布置的实施例的特征例如可以与涉及磁场敏感元件的设计、变换的方式或校准方法的特征组合。同样，描述具有克拉克变换的三传感器布置的实施例可以与设置差分信号检测、椭圆适配或特定的磁体几何形状的实施例组合。涉及具有至少两个磁传感器装置和与磁极对相关的角度偏置量的设备的第一方面的特征在此可以与涉及具有至少三个等距布置的磁场传感器和变换的设备的第二方面的特征组合，如果这在技术上是有意义的并且是不矛盾的。因此，本发明并不局限于明确描述的组合，而是包括所公开的特征的所有技术上可实现的组合。

37、在阅读随后的详细描述中并且在查看附图时，本领域技术人员将识别本发明的另外的特征和优点。