具有杂散场补偿的基于磁场的角度传感器系统和相应方法与流程

1.在此描述的创新方案涉及基于磁场的角度传感器系统，并且尤其涉及具有集成的杂散场补偿的基于磁场的角度传感器系统，该杂散场补偿用于在确定转子和定子之间的旋转角度时减小和/或补偿测量偏差。


背景技术：

2.角度传感器用于求取在定子和可以相对于定子旋转的转子之间的旋转角度。在此，可以涉及几度的旋转，或者涉及360
°
和更大的旋转。例如，转子可以多次地并且部分地以非常高的角速度围绕自身的轴线或者相对于定子旋转。
3.这种所述类型的角度测量系统产生也称为y分量的正弦分量以及也称为x分量的余弦分量。然后可以使用反正切函数(也称为arctan，ata或tan-1
)根据以下公式求取旋转角度：
[0004][0005]
这种基于磁场的角度传感器例如应用在汽车领域中，例如应用在电动马达的电换向中。对角度精度的要求，也就是说对角度测量的精度的要求在此持续提高。在测量旋转角度时有时要求《0.2
°
的角度偏差。然而，这种小公差范围的实现在实践中是极其困难的，因为尤其外部杂散磁场可能导致不期望的测量偏差，所述测量偏差负面地影响所要求的精度。
[0006]
为了减轻或补偿这些外部杂散磁场的负面影响，可以采用磁屏蔽。然而，这种磁屏蔽的提供和装配导致在应用的构造和制造中工作成本以及费用成本增加。


技术实现要素：

[0007]
为了满足角度确定时高精度的需求，在本公开中提出了一种根据本发明的基于磁场的角度测量系统，该角度测量系统具有集成的杂散场补偿，以及提出了一种根据本发明的用于杂散场补偿的相应的方法。该角度传感器以及用于杂散场补偿的相应方法的实施方式和其他有利的方面在以下提及。
[0008]
本文描述的创新的基于磁场的角度传感器系统包括定子部件和相对于定子部件可旋转的转子部件，其中，所述转子部件具有多极磁体。此外，角度传感器系统具有在饱和运行中工作的磁场传感器和在线性运行中工作的磁场传感器，其中，在饱和运行中工作的磁场传感器被设计成基于多极磁体的磁场确定转子部件相对于定子部件的旋转角度。而在线性运行中工作的磁场传感器被设计成求取作用于角度传感器系统的外部杂散磁场。角度传感器系统还具有控制装置，该控制装置被设计成：基于借助于在线性运行中工作的磁场传感器所求取的外部杂散磁场，在借助于在饱和运行中工作的磁场传感器所执行的旋转角度确定中，减小和/或补偿与杂散场相关的测量偏差。
[0009]
此外，提出一种用于在借助基于磁场的角度传感器系统确定旋转角度时减小和/或补偿测量偏差的相应方法，其中，所述方法具有步骤：提供定子部件以及能够相对于所述定子部件旋转的转子部件，其中，所述转子部件具有多极磁体。此外，该方法包括提供在饱和运行中工作的磁场传感器和在线性运行中工作的磁场传感器。借助于在饱和运行中工作的磁场传感器可以确定转子部件和定子部件之间的旋转角度，更确切地说，基于多极磁体的磁场来进行该确定。借助于在线性运行中工作的磁场传感器可以确定作用于角度传感器系统的外部杂散磁场。基于所求取的该杂散磁场，然后可以在确定旋转角度时减小和/或补偿与杂散场相关的测量偏差。
附图说明
[0010]
一些实施例在附图中通过示例示出并且在下面被阐述。示出了：
[0011]
图1示出根据实施例的在所谓的轴端(eof)实施方案中的角度传感器系统的示意侧视图，
[0012]
图2示出根据实施例的角度传感器系统的示意俯视图，
[0013]
图3示出用于描述根据实施例的在此描述的用于杂散场补偿的方案的示意框图，
[0014]
图4a至图4c示出用于使杂散磁场对在饱和运行中工作的传感器和在线性运行中工作的传感器的工作磁场的作用可视化的示意图，
[0015]
图5a示出用于展示根据实施例的在此所描述的用于借助于前cordic来进行杂散场补偿的方案的示意框图，
[0016]
图5b示出用于展示根据实施例的在此所描述的用于借助于后cordic来进行杂散场补偿的方案的示意框图，
[0017]
图6a、6b示出根据实施例的在此所描述的用于杂散场补偿的方案的模拟的角度测量信号的函数，
[0018]
图7示出用于展示根据实施例的用于杂散场补偿的方法的示意框图，
[0019]
图8示出用于说明根据实施例的在借助基于amr的传感器确定电角度时用于通过正确的半平面做出决定的实际和理想的垂直霍尔效应传感器的输出信号的图表，
[0020]
图9示出用于说明根据实施例的在基于amr的传感器中的半平面的校正的幅度圆，
[0021]
图10示出用于说明根据另外的实施例的在基于amr的传感器中的半平面的校正的另外的幅度圆，
[0022]
图11示出根据实施例的在基于amr的传感器中的具有带有半平面的校正的传感器输出信号的模拟结果，以及
[0023]
图12示出根据实施例的在基于amr的传感器中的在半平面校正之后的残余角误差的模拟结果。
具体实施方式
[0024]
下面参考附图更详细描述实施例，其中，具有相同或相似功能的元件设置有相同的附图标记。
[0025]
以框图示出并且参考框图解释的方法步骤也能够以不同于所示出和描述的顺序来执行。此外，涉及装置的特定特征的方法步骤可以与装置的该相同特征互换，反之亦然。
[0026]
只要在本公开内谈及补偿、尤其是杂散场补偿，那么在此应理解为减弱或减小。因此，杂散场补偿是减弱或减小由杂散场引起的测量偏差。但是，术语补偿在此也可以理解为测量偏差的完全减小或消除。
[0027]
如果在本公开内谈及多极磁体，那么在此指的是具有至少两个不同极的磁体，并且尤其是永磁体。在此，多极磁体例如可以是具有北极和南极的偶极磁体、具有两个北极和两个南极的四极磁体、具有三个北极和三个南极的六极磁体等。多极磁体的极可以例如径向对置。多极磁体可以具有不同的几何形状。例如，多极磁体可以具有环形造型。此外，这里以偶极磁体为例所描述的一切也适用于多极磁体。反过来也一样。
[0028]
图1示出根据示例布置的基于磁场的角度传感器系统100。这是一种所谓的轴端(eos)布置，其中，多极磁体101布置在可旋转的轴102的端部上。在该非限制性示例中，多极磁体101可以是双极磁体(偶极磁体)。在这种情况下，可旋转轴102是围绕旋转轴线105旋转的转子部件。
[0029]
封装体103与多极磁体101相对地布置。封装体103可以布置在定子部件104(例如，印刷电路板(pcb))上。封装体103可以具有角度传感器系统。角度传感器系统可以具有至少一个磁场传感器。磁场传感器可以是磁角度传感器，磁角度传感器被设计成求取随着轴102(转子部件)旋转的多极磁体101相对于定子部件104的当前旋转角度。
[0030]
磁场传感器例如可以是磁阻式磁场传感器，并且尤其是在饱和运行中工作的磁场传感器。作为非限制性示例，磁场传感器可以包括利用各向异性磁阻效应(amr)的amr传感器、利用巨磁阻效应(gmr)的gmr传感器、利用超巨磁阻效应(cmr)的cmr传感器、或者利用磁隧道电阻效应(tmr)的tmr传感器，所谓的tmr传感器。在本公开内，这类磁阻式的、在饱和运行中工作的磁场传感器也被概括在缩写xmr传感器下。
[0031]
这种在饱和运行中工作的磁场传感器产生也称为y分量的正弦分量以及也称为x分量的余弦分量。然后，可以在使用反正切函数(也称为arctan，atan或tan-1
)的情况下根据以下公式求取转子部件和定子部件之间的旋转角度：
[0032][0033]
xmr传感器具有非常好的信噪比(snr)。amr传感器还具有针对相位漂移和关于高次谐波误差的出色稳定性。然而，amr传感器被限制到180
°
的角度范围，即amr传感器仅在180
°
的范围中提供关于待测量的旋转角度的明确结果。此外，amr传感器有时可能具有在其输出信号幅度方面的漂移以及可识别的偏移。
[0034]
备选地或附加地，在图1中描绘的角度传感器系统可以具有在线性运行中工作的磁场传感器。为此，霍尔传感器或者还有在线性运行中工作的xmr传感器被称为非限制性示例。霍尔传感器具有出色的线性度。此外，霍尔传感器可以具有偏移补偿(例如电流旋转)，这使得固有的、也就是说系统固有的偏移减小和/或补偿。
[0035]
上述两种类型的磁场传感器都容易受到外部干扰场、即所谓的外部杂散磁场的影响。这些杂散场导致角度测量中的偏差或误差。仅仅地磁场在确定转子部件与定子部件之间的旋转角度时已经可以导致显著的偏差。因此，例如在具有20mt的工作磁场幅度的磁场传感器中，大约100μt的杂散场(这大致对应于地磁场)已经可以导致0.3
°
及更大的角度误
差。
[0036]
因此，为了改善现有角度传感器系统中的这个问题，提出的是，提供一种具有集成的杂散场补偿的角度传感器系统。这种创新的角度传感器系统的一个部段在图2中示例性地示出。
[0037]
图2示出根据本文描述的创新方案的基于磁场的角度传感器系统100的示意俯视图。如先前参照图1描述的，角度传感器系统100可以布置在封装体103中。封装体103或角度传感器系统100可以布置在诸如pcb之类的衬底104上。衬底104可以是定子部件的一部分。
[0038]
角度传感器系统100可以包括至少一个以饱和运行模式工作的磁场传感器110。在饱和运行中工作的磁场传感器110可以可选地具有一个或多个传感器桥，传感器桥在本文中以虚线示出并且设有附图标记111、112、...、118。
[0039]
角度传感器系统100也可以具有至少一个在线性运行中工作的磁场传感器120。但角度传感器系统100也可以可选地具有多个在线性运行中工作的磁场传感器，其中，在此另一个这种磁场传感器以虚线示出并且设有附图标记121。下面仅更详细阐述至少一个在线性运行中工作的磁场传感器120，其中，当然，所有实施方案同样也适用于所有其他的在线性运行中工作的磁场传感器121等。
[0040]
在饱和运行中工作的磁场传感器110可以是xmr传感器。基于xmr的角度传感器110通常在饱和中运行。该角度传感器测量合成磁场的角度(的余弦和正弦)。该测量方法特别好地适合于以高分辨率确定旋转角度。
[0041]
基于xmr的传感器虽然可以具有用于本征偏移补偿的器件，即用于补偿例如由传感器元件本身或电子信号路径引起的偏移，但是基于xmr的传感器容易受到干扰磁场(例如，外部杂散磁场)的影响。由于饱和运行，在基于xmr的传感器中不能无限制地实现由外部杂散磁场引起的磁偏移的量化，并且该磁偏移直接导致有限的角度误差。此外，基于xmr的传感器通常缺乏用于磁偏移补偿的可能性，即用于补偿由外部杂散磁场引起的偏移。然而，这些磁偏移限制了对于标准轴端(eos)应用的可实现的测量精度。
[0042]
在这里使用的线性角度传感器中，或者在线性运行中工作的磁场传感器中，通常这种磁偏移线性地传播。因此，借助于在线性运行中工作的磁场传感器能够特别好地量化磁偏移。这尤其适用于在线性运行中工作的磁场传感器此外还具有固有的偏移补偿(例如借助于电流旋转)的情况。这种在线性运行中工作的磁场传感器的非限制性示例是霍尔传感器或霍尔元件。因此，在线性运行中工作的磁场传感器具有最小的残余偏移。此外，能够非常精确地求取和补偿杂散磁场。然而，在线性运行中工作的磁场传感器具有低snr，并且此外相对于机械应力、尤其剪切应力的变化是敏感的。
[0043]
现在，在此提出的创新方案提供了基于磁场的角度传感器系统100(图2)，其中，该角度传感器系统100具有至少一个在饱和运行中工作的磁场传感器110，并且另外具有至少一个在线性运行中工作的磁场传感器120。
[0044]
在饱和运行中工作的磁场传感器110可以被设计成基于多极磁体101(图1)的磁场来确定转子部件102相对于定子部件104的旋转角度。在线性运行中工作的磁场传感器120可以被设计成求取作用于角度传感器系统100的外部杂散磁场。
[0045]
角度传感器系统100还可以具有控制装置130，控制装置被设计成基于可以借助于在线性运行中工作的磁场传感器120求取的外部杂散磁场，在确定旋转角度时减小和/或补
偿与杂散场相关的测量偏差，其中，旋转角度的确定又可以借助于在饱和运行中工作的磁场传感器110来执行。
[0046]
也就是说，关于借助于在线性运行中工作的磁场传感器120求取的杂散磁场的信息可以用于减小或补偿在饱和运行中工作的磁场传感器110的测量误差或测量偏差。
[0047]
图3示出用于说明用于减小或补偿外部杂散磁场的可以想到的设计方案的示意框图。只要在此谈及杂散磁场，就能够理解为，杂散磁场涉及准静态的杂散磁场，也就是说，涉及比用于角度测量的磁场的旋转频率明显更缓慢地变化的杂散场。这种杂散磁场可以导致一种恒定的偏移，该偏移被添加到用于角度测量的磁场。
[0048]
在线性运行中工作的磁场传感器120可以产生输出信号310，输出信号可以具有与这种外部杂散磁场的相关性。例如，输出信号310此外能够具有与这种外部杂散磁场的强度的相关性，这意味着杂散场越强，对输出信号310的作用就越大。现在，能够再次将自动校准320应用于输出信号310。自动校准320例如可以是如下校准，其中，求取通过杂散场引起的幅移和/或相移和/或输出信号310的偏移。
[0049]
因此，在自动校准320中可以求取杂散场信息330。杂散场信息可以说描述了杂散场。这些杂散场信息然后可以被应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340，以便减小和/或补偿测量偏差。
[0050]
也就是说，在饱和运行中工作的磁场传感器110产生输出信号340，所述输出信号能够用于在转子部件102和定子部件104之间的角度测量。在饱和运行中工作的磁场传感器110的表示旋转角度的输出信号340具有与外部杂散磁场的相关性。借助于在线性运行中工作的磁场传感器120、或者说在该磁场传感器的自动校准320期间所求取的杂散场信息330于是可以被用于减小或补偿在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340与外部杂散磁场的相关性。也就是说，杂散场信息330可以包含与杂散场相关的参数，这些参数可以被用于补偿或减小在饱和运行中工作的磁场传感器110的测量误差。出于这个原因，杂散场信息330也可以称为与杂散场相关的补偿参数。
[0051]
如在开始时已经提到的，外部杂散磁场可以向在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340添加某种恒定偏移。为了减小或补偿该偏移，与杂散场相关的补偿参数330可以包含偏移信息，该偏移信息从在线性运行中工作的磁场传感器120的输出信号310中例如在自动校准320期间求取。备选地或附加地，与杂散场相关的补偿参数330可以包括例如在自动校准320期间从在线性运行中工作的磁场传感器120的输出信号310求取的幅度信息(例如幅度偏差)。
[0052]
这将在下面参照图4a至图4c更详细解释。这些图示意地示出在eos应用中准静态杂散磁场对基于磁场的角度传感器系统100的输出信号310、340的先前讨论的效果，该角度传感器系统具有在饱和运行中工作的磁场传感器110和在线性运行中工作的磁场传感器120，如图1所示。
[0053]
图4a示出在准静态的杂散磁场b
stray
的影响下的由多极磁体101产生的磁场矢量b
mag
以及所属的角度信息所得到的有效磁场b
eff
包含偏离的角度信息如由实线所示的圆401所示，有效磁场作为角度的函数描述了相对于原点错开了偏移量的圆。
[0054]
图4b示出了具有信号幅度s
gmr
的在饱和运行中工作的理想磁场传感器110(这里：gmr传感器)对有效磁场的系统响应。在饱和运行中工作的磁场传感器110将磁场矢量的幅
度归一化成其自身的信号幅度s
gmr
。由于这个原因，磁场传感器110的输出作为角度的函数描述了圆，该圆的中心处于原点。然而，在此丢失关于外部杂散磁场的每个信息。然而，表示旋转角度的输出信号由于杂散磁场而包含角度误差(测量偏差)。
[0055]
图4c示出了具有信号灵敏度s
vhall
的在线性运行中工作的理想磁场传感器120(这里：霍尔效应传感器)对有效磁场的系统响应。在线性运行中工作的磁场传感器120可以说基于其灵敏度s
vhall
标定有效磁场矢量。出于这个原因，磁场传感器120的输出作为角度的函数描述了圆，该圆的中心相对于原点错开了杂散磁场。如前面参照图3已经阐述的那样，可以例如借助自动校准320来求取杂散场信息330，并且可以减小或补偿其对在饱和运行中工作的磁场传感器110的传感器输出信号340的不期望的作用，以便由此获得原始的角度信息
[0056]
下面借助于数学证明来阐述用于在角度确定时减小或补偿由杂散场引起的测量偏差的可能的实施例：
[0057]
通常，在eos应用中，在外部杂散磁场b
stray
＝(bsx，bsy)
t
的影响下的有效磁场由公式给出：
[0058][0059]
在线性运行中工作的理想的磁场传感器对这样的有效磁场做出响应，办法是：该磁场传感器简单地利用其灵敏度根据以下公式来标定该有效磁场：
[0060][0061]
例如，如先前参考图3所描述的自动校准(例如，最小/最大搜索)导致与杂散场相关的补偿参数330。与杂散场相关的补偿参数330例如可以包含在线性运行中工作的磁场传感器120的输出信号的偏移信息(ox，oy)和/或幅度信息(ax，ay)：
[0062][0063]
这里，ax＝(max(x
vhall
)-min(x
vhall
))/2描述幅度，并且ox＝(max(x
vhall
) min(x
vhall
))/2描述x信道的偏移。ay和oy代表y信道的幅度和偏移。为了执行自动校准的目的，有利的是，在转子部件和定子部件之间扫过至少360
°
的至少一个区间。准静态杂散磁场b
stray
(借助磁场b0的幅度归一化)可以根据以下公式从这些补偿参数来量化：
[0064][0065]
与杂散场相关的补偿参数330因此例如可以根据以下公式具有在偏移信息ox、oy和幅度信息ax、ay之间的比例：
[0066]
偏移信息(x)/幅度信息(x)＝ox/ax，以及
[0067]
偏移信息(y)/幅度信息(y)＝oy/ay。
[0068]
如下面示出的，这些杂散场信息或这些杂散场信息中包含的偏移信息(ox，oy)和/
或幅度信息(ax，ay)已经足以确定准静态的杂散磁场的效应并且将相应的杂散场补偿应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340。
[0069]
在饱和运行中工作的理想磁场传感器由于该磁场传感器产生有效角度的余弦分量和正弦分量而根据以下公式(1)对有效磁场做出响应：
[0070][0071]
在公式(5)中，因子n
xmr
被引入以在不同的xmr技术之间进行区分。对于在360
°
的整个周期内提供明确输出信号的gmr和tmr技术来说n
xmr
＝1，而对于仅在180
°
的区间内提供明确输出信号的amr技术来说n
xmr
＝2。
[0072]
对于gmr和tmr(n
xmr
＝1)，得到从公式(5)到(b
stray
/b0)的一阶的泰勒级数展开：
[0073][0074]
这里，引入了校正因子在下文中，较高阶的项由σ(stray2)表示。通过倒置公式(6)并且忽略更高阶的项，获得：
[0075][0076]
这里，c2(x2，y2)＝(1 ox/ax
·
x2 oy/ay
·
y2)表示倒置的校正因子(高达一阶)，并且x2和y2表示aop补偿xmr输出信号(关于术语aop补偿，见下文)。
[0077]
同样地，可以确定外部杂散磁场对在饱和运行中工作的磁场传感器110的表示旋转角度的输出信号340的影响。为此目的，反正切函数(或arctan2)可应用于公式(5)。得到了直至(b
stray
/b0)的第一阶的随后的泰勒级数展开：
[0078][0079]
与不能不受限地应用于amr传感器的公式(6)不同，公式(8)适用于基于gmr、tmr和
amr的角度传感器。如果现在使公式(8)倒置并且又忽略高阶项，则得到：
[0080][0081]
这里，x2和y2表示aop补偿的xmr输出信号(关于aop补偿，参见下文)。对于基于amr的角度传感器，有利的是，确定用于确定角度的正确的半平面。这例如可以通过从在线性运行中工作的磁场传感器120(例如霍尔效应传感器)的信号路径中量取“象限信息”或者通过内部跟踪相应的象限来进行。
[0082]
如开头已经提到的，在饱和运行中工作的磁场传感器110可以根据以下公式通过计算输出信号的正弦分量和余弦分量的反正切函数来确定转子部件102和定子部件104之间的旋转角度：
[0083][0084]
旋转角度的计算在此也被称为cordic。对于基于tmr和gmr的角度传感器，它们的aop补偿的输出信号和和可以直接用于旋转角度(cordic)的计算。而对于基于amr的角度传感器，需要在前的另外的cordic实施方案以便计算角度的正弦和余弦。
[0085]
公式(3)、(4)、(7)和(9)形成这里描述的自动校准和杂散场补偿的基础。在此，杂散场补偿本身可以以不同的方式进行。例如，可以在使用(借助在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330的情况下，更确切地说在计算旋转角度之前对在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340进行补偿(所谓的前cordic)。对此备选地，可以首先从在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340中计算出旋转角度，并且接着可以将(借助在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330为了杂散场补偿的目的而应用于计算出的旋转角度(所谓的后cordic)。
[0086]
图5a示出用于表示用于杂散场补偿的实施例的示意框图，其中，首先在使用(借助在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330的情况下，对在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340进行补偿，并且然后计算旋转角度(前cordic)。
[0087]
在图5a中示意地示出在饱和运行中工作的磁场传感器110以及在线性运行中工作的磁场传感器120。在饱和运行中工作的磁场传感器110的信号路径被划分为包括传感器信号的余弦分量的第一信号路径110a和包括传感器信号的正弦分量的第二信号路径110b。这同样适用于在线性运行中工作的磁场传感器120。在线性运行中工作的磁场传感器120的信号路径被划分为包括传感器信号的余弦分量的第一信号路径120a和包括传感器信号的正弦分量的第二信号路径120b。
[0088]
在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340可以可选地经受所谓的aop校
正360。术语aop代表幅度-相位-偏移。也就是说，只要幅移和/或相移和/或静态偏移被减小或补偿，输出信号340就可以被处理。aop校正360可以包括aop校准361和随后的aop补偿362，其中，aop校准361提供相应的aop参数363、aop参数然后又可以被应用于输出信号340以用于aop补偿。
[0089]
根据这样的实施例，控制装置130因此可以被设计成在应用与杂散场相关的补偿参数330之前执行在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340的幅度-相位-偏移-校正360，其中，在幅度-相位-偏移-校正360中，将幅移补偿和/或相移补偿和/或偏移补偿应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340。
[0090]
这种aop校正360最小化xmr信号路径中的线性不规则性，诸如偏移和幅移。为了aop校正360的目的，例如能够将最小值/最大值确定应用于输出信号340(x
xmr
和y
xmr
)，尤其是在基于gmr和tmr的传感器的至少360
°
的区间中、或者备选地在基于amr的传感器的180
°
的区间中。从所找到的最大值和最小值中，然后可以确定在相应信号路径110a、110b中的幅度ax
xmr
，ay
xmr
以及偏移ox
xmr
，oy
xmr
。
[0091]
在aop自动校准361完成时，即一旦实现了aop参数363的足够良好的估计值，则这些aop参数363可以用于aop补偿362，使得根据以下公式得到aop补偿的输出信号x2，y2：
[0092]
x2＝(x
xmr-ox
xmr
)/ax
xmr
和y2＝(y
xmr-oy
xmr
)/ay
xmr
。
[0093]
aop自动校准361可以被连续地实施以随时间推移在确定可从中导出的aop参数363时改进结果。
[0094]
与此并行地，可以执行前面参照图3已经阐述的、在线性运行中工作的磁场传感器110的输出信号310的自动校准320。由此可以求取与杂散场相关的补偿参数330。与杂散场相关的补偿参数330例如可以根据上面的公式(4)来求取。尤其，与杂散场相关的补偿参数330可以包含输出信号310的幅度信息和/或偏移信息，例如前面在公式(4)中列出的关系ox/ax和oy/ay。
[0095]
与杂散场相关的补偿参数330于是可以被用于对在饱和运行中工作的磁场传感器110的(可选的aop补偿的)输出信号340或x2、y2进行杂散场补偿。例如，在应用上述公式(7)的情况下的杂散场补偿引起经杂散场补偿的输出信号x4、y4，这些输出信号然后又可以被考虑用于计算经杂散场补偿的旋转角度(参见框370中的角度计算cordic)。
[0096]
可选地，在线性运行中工作的磁场传感器120的输出信号310可以经受另外的补偿380，由此可以专门针对基于amr的传感器导出象限信息。这些象限信息随后可以在计算经杂散场补偿的旋转角度时被考虑。
[0097]
总体上，因此在图5a中示出的前cordic方案中，控制装置130可以被设计成基于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340实施指示转子部件102相对于定子部件104的旋转角度的角度计算，并且控制装置130还可以被设计成在角度计算之前将与杂散场相关的补偿参数330应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340，以便由此在确定旋转角度时补偿测量偏差。
[0098]
图5b示出用于确定经杂散场补偿的旋转角度的备选方案。在此涉及前面提到的后cordic方案，其中，首先由在饱和运行中工作的磁场传感器110的(可选的aop补偿
的)输出信号340或x2、y2计算有效旋转角度并且随后为了进行杂散场补偿的目的，将(借助于在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330应用于计算的旋转角度(所谓的后cordic)，以便由此求取经杂散场补偿的旋转角度
[0099]
具有与图5a中相同功能的相同功能块设有相同的附图标记，因此在此省去重复说明，并且替代地参考图5a的实施方案。
[0100]
与图5a的区别尤其在于，在此在框370中首先基于在饱和运行中工作的磁场传感器110的(可选的aop补偿的)输出信号340或x2、y2来执行有效磁角度的角度计算(cordic)。角度计算(cordic)可以例如根据公式(9)的第一行来执行，其中，对于基于amr的传感器，应该考虑正确的半平面。随后在框390中，出于杂散场补偿的目的，可以将与杂散场相关的补偿参数330应用于先前计算的有效磁角度例如如公式(9)的第二行中所示。结果，相应地得到经杂散场补偿的旋转角度
[0101]
总体上，因此在图5b中示出的后cordic方案中，控制装置130可以被设计成基于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340实施指示转子部件102相对于定子部件104的旋转角度的角度计算，并且控制装置130还可以被设计成在角度计算之后将与杂散场相关的补偿参数330应用于角度计算的结果，以便由此在确定旋转角度时补偿测量偏差。
[0102]
为了确认本文所述的创新方法，已经执行了两个模拟，参考图6a和图6b更具体描述这两个模拟。图6a示出测量的结果，其中，在线性运行中工作的霍尔效应传感器120与在饱和运行中工作的基于gmr的传感器110组合。图6b示出测量的结果，其中，在线性运行中工作的霍尔效应传感器120与在饱和运行中工作的基于amr的传感器110组合。
[0103]
在两种测量中，假定具有b0＝20mt的幅度的工作磁场。此外，还假设杂散磁场b
stray
＝(100ut，30ut)
t
。不仅前cordic而且后cordic杂散场补偿根据在此描述的原理均被应用于在旋转角度的确定中补偿或减小测量误差。如在附图中可以看出的，本文描述的创新方案将杂散磁场对旋转角度的计算的作用减小两个数量级。
[0104]
因此，在图6a(霍尔效应传感器 gmr传感器)和图6b(霍尔效应传感器 amr传感器)中看到在确定旋转角度时的测量误差610，所述旋转角度在360
°
的全角度区间上在 0.3
°
和-0.3
°
之间的范围中波动。也就是说，由于外部杂散磁场，有效地获得角度测量中的直至0.6
°
的系统误差或偏差。通过使用在此所描述的创新方案，可以减小或完全补偿该测量误差，这通过所绘制的函数620示出。
[0105]
在此描述的创新方案也涉及一种用于在角度传感器系统100中的杂散场补偿的相应方法。因此，图7示出用于在借助基于磁场的角度传感器系统100确定旋转角度时减小和/或补偿测量偏差的这种方法的示例性实施方式。
[0106]
在框701中，提供定子部件104以及可相对于定子部件旋转的转子部件102，其中，转子部件102包括多极磁体101。
[0107]
在框702中，提供在饱和运行中工作的磁场传感器110和在线性运行中工作的磁场传感器120。
[0108]
在框703中，确定转子部件102和定子部件104之间的旋转角度，更确切地说，基于多极磁体101的磁场借助于在饱和运行中工作的磁场传感器110来进行该确定。
[0109]
在框704中，借助于在线性运行中工作的磁场传感器120来确定作用于角度传感器
系统100的外部杂散磁场，并且在确定旋转角度时补偿与杂散场相关的测量偏差，并且更确切地说基于所求取的杂散磁场来进行该补偿。
[0110]
总体上，因此可以确定，根据在此描述的创新方案建议一种具有集成的杂散场补偿的基于磁场的角度测量系统或角度传感器系统100。为了杂散场补偿的目的，角度传感器系统100包括在饱和运行中工作的磁场传感器110与在线性运行中工作的磁场传感器120的组合。因此，可以将在线性运行中工作的磁场传感器120(例如，霍尔效应传感器)的信号路径的线性特性与在饱和运行中工作的磁场传感器110(例如，xmr传感器)的信号路径的饱和行为组合。这提供了一种用于减小或补偿由外部杂散磁场引起的测量偏差的有效且同时成本低廉的技术解决方案，而为此不需要昂贵的附加屏蔽。
[0111]
利用在此描述的创新方案，可以以有利的方式和方法将准静态的外部杂散磁场对角度传感器系统100的传感器电路的影响进行补偿，办法是：将在饱和运行中工作的传感器110(例如xmr)与在线性运行中工作的传感器120(例如基于垂直的霍尔板)组合。在饱和运行中工作的传感器110测量有效旋转角度，由于杂散磁场，有效旋转角度可能受到测量误差的影响。在线性运行中工作的传感器120确定由于杂散磁场而建立的磁偏移。该信息然后可以被用于补偿在饱和运行中工作的磁场传感器120的输出信号。
[0112]
在饱和运行中工作的传感器110与在线性运行中工作的传感器120的组合是用于实现高精度角度测量的有希望的候选者。此外，传感器110、120的这种组合为功能安全应用提供了冗余的和多样的测量技术。通过传感器110、120的组合可以说将两个传感器技术的优点结合在一起：
[0113]
·
准静态杂散磁场被补偿；
[0114]
·
良好的信噪比；
[0115]
·
基于amr的传感器的出色的相位稳定性。
[0116]
换言之，在此描述的方案描述了针对组合的线性和饱和的角度传感器110、120的准静态杂散磁场的自动校准和补偿。
[0117]
已经多次提到，基于amr的传感器(作为在饱和运行中工作的传感器110的非限制性示例)仅在180
°
的角度区间内提供明确的结果。在转子相对于定子旋转180
°
之后，角度信号重复。因此，在解释测量结果时可能出现多义性。为了将在此提出的创新方案也有意义地应用于基于amr的角度传感器，下面提出一种对此的解决方案。
[0118]
首先要再次对此说明的是，在磁阻测量原理中与霍尔效应传感装置相比信号幅度通常不与场大小相关，因为磁阻传感器在饱和运行中工作。尤其是基于amr的传感器虽然提供具有尽可能最小的角度误差(例如《0.2
°
)的测量结果，然而，该传感器仅在180
°
的角度区间内具有明确的测量结果。
[0119]
为了解决这种情况，提出将在饱和运行中工作的基于amr的传感器110与至少一个霍尔效应元件120、并且尤其与在线性运行中工作的垂直霍尔效应元件120组合。在此，术语“垂直”涉及基于amr的传感器110的芯片平面。
[0120]
为了进一步的阐述，在这一点上再次参考图2。图2示出具有基于amr的传感器110的角度传感器系统100的实施例。如在此仅示例性示出的，基于amr的传感器110可以包括多个传感器桥111、112、...、118。基于amr的传感器110布置在主延伸平面、所谓的芯片平面上(在此：平行于在所示的俯视图中的图平面)。角度传感器系统100还包括第一垂直霍尔效应
传感器120。第一垂直霍尔效应传感器120被布置成垂直于基于amr的传感器110的芯片平面。可选地，角度传感器系统100可以包括第二垂直霍尔效应传感器121。第二垂直霍尔效应传感器121也垂直于基于amr的传感器110的芯片平面布置。
[0121]
第一霍尔效应传感器120和/或第二霍尔效应传感器121可以横向地布置在基于amr的传感器110的附近、或者基于amr的传感器110的上方或下方。然而，第一霍尔效应传感器120和/或第二霍尔效应传感器121可以布置在衬底104上的任何其他位置上。
[0122]
根据可以设想的实施例，第一垂直霍尔效应传感器120可以相对于第二垂直霍尔效应传感器121垂直地布置，即以90
°
的角度布置。因为垂直的霍尔效应传感器120、121分别具有用于确定磁场的确定的优选方向140、141，因此相应的垂直的霍尔效应传感器120、121的相应的优选方向140、141也可以相对于彼此垂直地、即以90
°
的角度定向。第一垂直霍尔效应传感器120因此可以例如在x方向上是灵敏的，而第二垂直霍尔效应传感器121可以在y方向上是灵敏的。因此，可以特别有利地确定正确的半平面以用于明确地确定基于amr的传感器110的输出信号(角度测量结果)。
[0123]
因此，通过这种90
°
布置也可能的是，使用第一垂直霍尔效应传感器120和/或第二垂直霍尔效应传感器121来明确地确定在基于amr的传感器110的角度测量结果情况下的相应的半平面。由此，尽管使用了基于amr的传感器110，角度传感器系统100仍然可以提供在360
°
的角度区间上的明确的测量结果。
[0124]
因此，由于基于amr的传感器110在360
°
的角度区间内输出两个不明确的角度值，因此第一垂直霍尔效应传感器120和/或第二垂直霍尔效应传感器121可以用于区分amr传感器110当前在哪个半平面中工作。
[0125]
在图8中，信号在轴102的整个360
°
旋转上(图1)绘制。在此要提到，为了这里所描述的阐述，在所谓的机械角度与所谓的电角度之间进行区分。机械角度描述转子部件102的真实的实际旋转。电角度描述传感器的角度信号，即，传感器输出的计算角度。也就是说，虽然转子部件可以实际地旋转360
°
的机械角度，但是借助于基于amr的传感器110测量的电角度仅在180
°
的角度区间内是明确的。
[0126]
图8(上方的第1列)在y轴上示出电角度，即所测量的角度，并且在x轴上示出转子部件的实际机械角度。可以看出，在此存在两个在0
°
和180
°
之间以及在180
°
和360
°
之间的相同信号。在位于下面的图表中，示出了理想的第一垂直霍尔效应传感器(上方的第2列)和与其成90
°
错开布置的理想的第二垂直霍尔效应传感器(上方的第3列)的理想输出信号。在布置在下面的图表中，示出了实际的第一垂直霍尔效应传感器(上方的第4列)和相对于其以90
°
错开布置的实际的第二垂直霍尔效应传感器(上方的第5列)的输出信号。
[0127]
在此显示的传感器信号例如借助于比较器功能离散化，其中，正信号在输出端上提供逻辑0，并且负信号在输出端上提供逻辑1。由于霍尔效应传感器具有测量信号偏差，所以来自两个霍尔效应传感器120、121(x和y)的输出信号被用于确定正确的半平面。在图8中的最下列中示出决策图，基于该决策图作出关于哪个半平面应被考虑用于角度测量的决策。在此，决定是否将180
°
加到基于amr的传感器的输出信号上。在此可以应用以下逻辑：
[0128][0129]
只要霍尔传感器比较器功能的输出的交点处于霍尔传感器幅度电路内，该方法就提供可靠的结果。这应当在下面参考图9更详细阐述。
[0130]
图9示出具有包括偏移偏差的实际霍尔传感器比较器功能的限制(vhx和vhy)的圆。只要交点190处于限定的霍尔传感器幅度电路191内，就能够可靠地做出关于正确的半平面的决策。
[0131]
图10示出用于确定正确的半平面的备选的实施例。在此，转子部件102的全机械360
°
旋转被分成总共八个八分圆。在此，180
°
角度修正也借助霍尔效应传感器信号(xhall，yhall)来执行，这些霍尔效应传感器信号同样可以借助比较器功能来生成(仅仅坐标系与图9相比是不同的)。
[0132]
图10示出半单位圆的基本四个八分圆，对于这些八分圆可以毫无问题地重建基于amr的传感器信号。因此，例如在x方向上布置的霍尔效应传感器的霍尔效应传感器信号(xhall)可以被视为在第2个八分圆内(0
°
和-45
°
之间)和第3个八分圆内(0
°
和 45
°
之间)。如果该信号xhall＜0，则加上180
°
。另一方面，例如在y方向上布置的霍尔效应传感器的霍尔效应传感器信号(yhall)可以被视为在第1个八分圆内(-45
°
和-90
°
之间)和第4个八分圆内( 45
°
和 90
°
之间)。如果该信号yhall＜0，则加上180
°
。为了重构整个360
°
，可利用附加信息，例如来自最小垂直的基于霍尔效应的角度传感器或磁开关的信息。
[0133]
以下，将这些校正角度计算的实现以python代码进行说明：def cordic(vec_amr,vec_vhall):
[0134]
"""从amr和最小垂直霍尔传感器信号重建磁角。
[0135]
输入：
[0136]
vec_amr...来自基于amr角度传感器的输出
[0137]
vec_vhall...来自垂直的基于霍尔角度传感器的输出(0＝xhall,1＝yhall)
[0138]
"""
[0139]
angle_amr＝np.rad2deg(np.arctan2(vec_amr[1],vec_amr[0]))#[
°
]；从-180
°
到180
°
[0140]
octant1＝(angle_amr/2《-45)#依赖vhally，如果为正，加180
°
[0141]
octant2＝(-45《＝angle_amr/2)&(angle_amr/2《0)#依赖vhallx，如果为负，加180
°
[0142]
octant3＝(0《＝angle_amr/2)&(angle_amr/2《45)#依赖vhallx，如果为负，减180
°
[0143]
octant4＝(45《＝angle_amr/2)#依赖vhally，如果为负，减180
°
[0144]
angle_out＝angle_amr/2
[0145]
angle_out[octant1&(vec_vhall[1]》0)] ＝180
[0146]
angle_out[octant2&(vec_vhall[0]《0)] ＝180
[0147]
angle_out[octant3&(vec_vhall[0]《0)]-＝180
[0148]
angle_out[octant4&(vec_vhall[1]《0)]-＝180
[0149]
return angle_out
[0150]
只要能够保证初始的旋转，例如这也用于幅度和偏移的启动校准，则霍尔效应传感器的第二信道(vhx)可以被忽略。这里，半平面的决策点是amr与其180
°
角点相交的时候。
[0151]
执行限定的数值模拟以验证本文所述的这些方法，以证明该方案的可行性。为此，在python中模拟了本文提出的传感器架构。
[0152]
首先，生成具有典型幅度的旋转磁场。该磁场通过两个分析传感器模型(图11)、高精度的基于amr的角度传感器(输出信号的0.05
°
角度噪声和180
°
周期性)以及垂直的基于霍尔效应的开关(输出信号的对应于10
°
角度噪声的误差、360
°
周期性、两个输出信道中的每个信道的1比特输出)来测量。图11(顶部)示出基于amr的角度传感器的输出信号，并且图11(底部)示出作为旋转磁场的真实机械角度的函数的垂直霍尔效应开关的输出信号。
[0153]
这些输出信号已经用通用cordic函数(vec_amr，vec_vhall)处理，见上文。在图12中绘制了重建的角度。这里，可以看到借助垂直霍尔效应开关重建的角度的角度误差151以及由基于amr的传感器和垂直霍尔效应开关形成的组合的角度误差152。尽管垂直霍尔效应开关的输出信号不完美，但是对于每个采样点正确的八分圆的重建是正确的。
[0154]
本文描述的创新方案可以用于利用与基于amr的传感器组合的分立霍尔效应传感器的任何系统解决方案。在这种情况下有利的是，霍尔效应传感器芯片被布置成尽可能靠近amr传感器芯片。
[0155]
因此，利用该方案，基于amr的角度传感器的角度输出信号的正确的180
°
半平面可以被明确地确定，更确切地说，该正确的180
°
半平面在使用至少一个并且优选地两个彼此正交布置的垂直霍尔效应传感器120、121结合基于amr的传感器110的情况下可以被明确地确定。
[0156]
上述实施例仅是对本文所描述的创新方案的原理的说明。应理解的是，本文描述的布置和细节的修改和变化对于其他本领域技术人员而言将是显而易见的。因此意图是，本文所描述的方案仅由所附专利权利要求的保护范围来限制，并且不是由本文中借助实施例的描述和阐述所呈现的具体细节来限制。
[0157]
尽管有些方面结合装置被描述，但是应当理解，这些方面也是对相应方法的描述，从而装置的块或结构元件也可以理解为相应的方法步骤或方法步骤的特征。与此类似地，结合方法步骤或者作为方法步骤描述的方面也表示对相应装置的相应的块或细节或特征的描述。
[0158]
方法步骤中的一些或全部方法步骤可以由硬件设备(或使用硬件设备)来执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一些或多个方法步骤可以由这样的设备执行。
[0159]
根据确定的实施要求，实施例能够以硬件或以软件或至少部分地以硬件或至少部分地以软件来实施。所述实现方式可以在使用数字存储介质、例如软盘、dvd、蓝光光盘、cd、
rom、prom、eprom、eeprom或闪存、硬盘或其他磁存储器或光存储器的情况下被执行，在所述数字存储介质上存储电子可读的控制信号，所述电子可读的控制信号与可编程计算机系统共同作用或可以共同作用，使得相应的方法被执行。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
[0160]
有些实施例也包括数据载体，所述数据载体具有电子可读的控制信号，所述控制信号能够与可编程的计算机系统共同作用，使得执行在此所描述的方法中的一个方法。
[0161]
一般地，实施例可以作为具有程序代码的计算机程序产品来实现，其中，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，所述程序代码有效地执行所述方法中的一个方法。
[0162]
程序代码例如也可以存储在机器可读的载体上。
[0163]
其他实施例包括用于执行本文描述的方法中的一个方法的计算机程序，其中，所述计算机程序存储在机器可读的载体上。换言之，这里描述的方法的实施例因此是计算机程序，该计算机程序具有程序代码，当计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用于执行这里描述的方法中的一个方法。
[0164]
因此，这里描述的方法的另一实施例是数据载体(或者数字存储介质或者计算机可读介质)，在数据载体上记录有用于执行这里描述的方法中的一个方法的计算机程序。所述数据载体或数字存储介质或计算机可读介质通常是有形的和/或非暂时性的。
[0165]
因此，在此描述的方法的另一实施例是数据流或信号序列，其表示用于执行在此描述的方法中的一个方法的计算机程序。数据流或信号序列例如可以被如下配置，即，通过数据通信连接、例如通过因特网被传输。
[0166]
另一实施例包括处理设备，例如计算机或可编程逻辑组件，处理设备被配置或适配成执行在此描述的方法中的一个方法。
[0167]
另一实施例包括一种计算机，在该计算机上安装了用于执行这里所描述的方法中的一个方法的计算机程序。
[0168]
另一实施例包括一种装置或系统，其被设计成向接收器传输用于执行本文描述的方法中的至少一个方法的计算机程序。传输例如可以电子地或光学地进行。接收器可以是例如计算机、移动设备、存储设备或类似装置。该装置或系统例如可以包括用于将计算机程序传输给接收器的文件服务器。
[0169]
在一些实施例中，可编程逻辑组件(例如现场可编程门阵列、fpga)可以被用于执行本文所述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器共同作用以执行本文描述的方法中的一个方法。一般地，在一些实施例中，这些方法在任意硬件装置方面被执行。硬件装置可以是通用硬件，如计算机处理器(cpu)，或专用于该方法的硬件，如asic。
[0170]
上述实施例仅是对本文所描述的方案的原理的说明。应理解的是，本文描述的布置和细节的修改和变化对于其他本领域技术人员而言将是显而易见的。因此意图是，本文所描述的方案仅由所附专利权利要求的保护范围来限制，并且不是由本文中借助实施例的描述和阐述所呈现的具体细节来限制。