用于位置检测的装置和方法与流程

1.本发明总体上涉及位置感测，并且更具体地，涉及使用磁阻角度传感器的线性位置感测。


背景技术：

2.线性磁位置传感器可测量多极磁条的线性运动。圆形多极磁环也可用于旋转增量旋转离轴应用。磁阻角度传感器通常不能轻易用于线性磁位置感测，因为它们对面内磁场分量敏感。这意味着，例如，如果磁阻角度传感器包括跨越x-y平面的一个或多个磁阻传感器桥组件，则磁阻传感器桥组件仅对x和y磁场分量敏感。然而，相对于磁传感器移动的多极磁条或旋转圆形多极磁环通常会导致变化的平面外磁场分量，而两个平面内磁场分量中的一个分量将太弱，甚至为零。已知的磁阻传感器技术有各向异性磁阻(amr)、巨磁阻(gmr)、隧道磁阻(tmr)、超巨磁阻(cmr)或异常磁阻(emr)。它们可以用术语xmr来概括。
3.因此，可能需要将现有的xmr角度传感器用于多极磁体的线性磁位置感测。


技术实现要素：

4.通过根据独立权利要求的装置和方法满足该要求。一些有益的实施例由从属权利要求解决。
5.根据第一方面，本发明提出了一种用于位置检测的装置。该装置包括具有沿多极延伸方向延伸的极对的多极磁体。该装置还包括xmr(角度)传感器，其包括对第一平面内磁场分量敏感的第一传感器桥和对第二平面内磁场分量敏感的第二传感器桥。第一传感器桥和第二传感器桥被布置在平面内并沿传感器轴隔开。多极延伸方向和传感器轴以大于20
°
且小于70
°
的旋转角度而相互旋转。
6.通过多极延伸方向和传感器轴之间的旋转角度以及第一和第二传感器桥的空间分离，第一和第二传感器桥的测量信号可具有相位差。这可被用于确定多极磁体的运动。因此，本公开的实施例可用于角度和线性运动应用。
7.在一些实施例中，多极延伸方向和传感器轴以45
°±5°
的旋转角度相互旋转。具有45
°
的旋转角度可以是有益的，因为第一和第二传感器桥的信号分量理想地具有相同的幅度，这可以简化计算工作。
8.在一些实施例中，多极延伸方向对应于直线。在这些实施例中，多极磁体被实施为线性多极磁条。
9.在其他实施例中，多极延伸方向对应于圆周方向。在这些实施例中，多极磁体被实施为圆形多极磁环。
10.在一些实施例中，多极磁体和xmr传感器被彼此相对布置，使得第一和第二传感器桥的安装表面(或它们跨越的平面)的法线也垂直于多极磁体面向安装表面的表面。这种布置可产生最佳测量结果。
11.在一些实施例中，多极磁体包括线性多极磁条。线性多极磁条和xmr传感器可被平
行布置，以允许线性多极磁条和xmr传感器之间的线性相对移动。
12.在一些实施例中，多极磁体包括圆形多极磁环，圆形多极磁环的极对沿圆周方向延伸。xmr传感器可被径向布置在圆形多极磁环的内部或外部，以允许圆形多极磁环和xmr传感器之间的旋转相对移动。由圆形多极磁环跨越的平面和由xmr传感器跨越的平面可相互垂直。同时，由多极环形磁体跨越的平面和传感器轴以大于20
°
且小于70
°
的旋转角度相互转换。换句话说，圆形多极磁环的旋转轴和传感器轴以大于20
°
且小于70
°
的旋转角度相互旋转。再次地，45
°
的旋转角度可以是有利的。
13.在一些实施例中，该装置还包括处理器，处理器被配置为基于第一和第二传感器桥的相应输出信号、多极磁体的极距、第一和第二传感器桥之间的距离以及旋转角度来计算多极磁体和xmr传感器之间的相对位置。处理器可在同一芯片上与xmr传感器集成，或者可以实施为外部设备。
14.在一些实施例中，第一传感器桥的磁电阻的参考层的第一磁化方向与第二传感器桥的磁电阻的参考层的第二磁化方向正交。例如，第一磁化方向可被布置成使得第一传感器桥对磁场的x分量敏感，第二磁化方向可被布置成使得第二传感器桥对磁场的y分量敏感。
15.根据又一方面，本公开还提出了一种用于位置检测的方法。该方法包括相对于xmr传感器移动具有沿多极延伸方向延伸的极对的多极磁体，其中xmr传感器包括对第一平面内磁场分量敏感的第一传感器桥和对第二平面内磁场分量敏感的第二传感器桥，其中第一传感器桥和第二传感器桥被布置在平面内并且沿传感器轴隔开，其中多极延伸方向和传感器轴以大于20
°
且小于70
°
的旋转角度相互旋转。该方法还包括基于第一和第二传感器桥的相应输出信号、多极磁体的极距、第一和第二传感器桥之间的距离以及旋转角度来计算多极磁体和xmr传感器之间的相对位置。
16.在一些实施例中，该方法包括相对于彼此布置多极磁体和xmr传感器，使得第一和第二传感器桥的安装表面的法线也垂直于多极磁体面向安装表面的表面。
17.在一些实施例中，多极磁体是多极条形磁体。然后，计算相对位置可包括计算多极条形磁体和xmr传感器之间的线性位移。
18.在一些实施例中，多极磁体是多极环形磁体。然后，计算相对位置可包括计算多极条形磁体相对于xmr传感器的旋转角度。
19.在一些实施例中，多极延伸方向和传感器轴可以45
°±5°
的旋转角度相互旋转。
20.本公开的实施例允许将xmr角度传感器扩展到高精度线性位置应用。
附图说明
21.以下将仅以示例的方式并参考附图描述一些装置和/或方法的示例，其中
22.图1示出了具有多极条形磁体和xmr传感器的位置感测布置的示意性俯视图，其中多极磁体延伸方向和传感器轴彼此不旋转；
23.图2示出了传感器轴相对于多极延伸方向旋转45
°
并且传感器桥电路位于相同位置的情况下的传感器输出信号；
24.图3示出了xmr传感器，xmr传感器包括安装在公共平面衬底上且以距离s隔开的第一传感器桥电路和第二传感器桥电路；
25.图4示出了根据本公开实施例的用于位置检测的装置；
26.图5示出了用于图4的设置的传感器输出信号；
27.图6示出了相对位置θ，其周期性取决于极距；
28.图7a示出了用于获得多极磁体的绝对位置的迭代处理；
29.图7b示出了用于确定角增量的伪代码；以及
30.图8示出了根据本公开的另一实施例的用于位置检测的装置。
具体实施方式
31.现在将参考示出一些实例的附图更全面地描述各种示例。在附图中，为了清楚，可以夸大线、层和/或区域的厚度。
32.因此，虽然进一步的示例能够进行各种修改和替代形式，但其一些特定示例在附图中示出并且随后进行详细描述。然而，这种详细描述并不将进一步的示例限于所描述的特定形式。进一步的示例可覆盖落入本公开范围内的所有修改、等效和替代。相同或相似的数字贯穿附图的描述指代相似或相似的元件，在提供相同或相似的功能的同时，它们可以相同地或以修改形式实施。
33.应理解，当一个元件被称为与另一元件“连接”或“耦合”时，元件可直接连接或耦合或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果两个元素a和b使用“或者”组合，如果没有明确或隐含的其他定义。则应理解为公开所有可能的组合，即仅a、仅b以及a和b。相同组合的替代措辞为“a和b中的至少一个”或“a和/或b”。这同样适用于两个以上元素的组合。
34.本文用于描述特定示例的术语不打算限制进一步的示例。当使用诸如“一个”和“该”等单数形式且仅使用单个元素既不明确也不隐含地被定义为强制性时，进一步的示例也可以使用复数元素来实施相同功能。类似地，当随后将功能描述为使用多个元素实施时，进一步的示例可使用单个元素或处理实体来实施相同功能。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定所提特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件、组件和/或其任何组的存在或添加。
35.除非另有定义，否则所有术语(包括技术和科学术语)在本文均以其示例所属领域的普通含义使用。
36.图1示出了位置感测布置100的示意性俯视图，该位置感测布置100包括线性多极条形磁体110，磁体110具有沿多极延伸方向114延伸的多个极对112-s、112-n。在所示示例中，延伸方向114对应于x方向，其也是多极条形磁体110的移动或移位方向。多极条形磁体110的磁南极和北极112-s、112-n各自具有与多极条形磁体110的极距相对应的宽度p。
37.位置感测布置100还包括xmr传感器120，xmr传感器120可以基本上平行于多极条形磁体110的上表面或下表面被布置在多极条形磁体110的上方或下方。因此，多极条形磁体110和xmr传感器120彼此相对布置，使得xmr传感器120的表面的法线也垂直于多极条形磁体110面对xmr传感器120的表面。在所示示例中，多极条形磁体110和xmr传感器120在x方向上相对可移动。
38.xmr传感器120可以是xmr角度传感器，例如实施为amr、gmr或tmr角度传感器。xmr传感器120包括第一传感器桥电路122-1，其对例如在x方向上的第一平面内磁场分量敏感。
xmr传感器120还包括第二传感器桥电路122-2，其对例如在y方向上的第二平面内磁场分量敏感。第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2被布置在平面内(即，x-y平面内)，并且沿x方向上延伸穿过第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2的传感器轴124隔开。例如，传感器桥电路122-1、122-2可以并排集成在公共衬底上，以在公共传感器芯片中实施。
39.角度测量传感器通常包括sine(通常称为y分量)和cosine(通常称为x分量)测量，使用arctan函数(或者也称为tan-1
)进行角度计算：
[0040][0041]
受益于本公开的技术人员应理解，从多极条形磁体110延伸穿过布置在多极条形磁体110上方的xmr传感器120的磁场分量将具有x方向(平面内)和z方向(平面外)的分量。在图1的图示示例中，传感器轴124平行于多极延伸方向114(x方向)。即，多极延伸方向114和传感器轴124彼此不旋转。
[0042]
在具有平行传感器轴124和多极延伸方向114的图1的布置中，布置在多极条形磁体110上方的xmr(角度)传感器120可以仅感测x方向上的磁场分量。xmr传感器120将不感测y方向上的磁场分量。因此，假设xmr传感器120和多极条形磁体110之间存在相对线性移动，xmr传感器120将输出振荡x信号126-1，但不输出(零)y信号126-2。当多极延伸方向114和传感器轴124之间的旋转角度为0
°
(或180
°
)时，无论第一传感器桥电路(x桥电路)122-1和第二传感器桥电路(y桥电路)122-2是否沿传感器轴124隔开或位于相同位置(传感器轴124上)，x信号126-1和y信号126-2都可如图1所示。因此，利用图1的感测布置100生成的x信号126-1和y信号126-2对于位置或移动检测来说可能是无用的。
[0043]
图2示出了针对传感器轴124相对于多极延伸方向(x方向)114旋转
±
45
°
并且x桥电路122-1和y桥电路122-2位于xmr传感器120中的相同(x，y)位置(例如，彼此叠置)的情况下的示例性x信号126-1和y信号126-2。多极延伸方向114和传感器轴124之间
±
45
°
的固定旋转角度使得第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2的输出信号理想地具有相同幅度。然而，由于对于并置的传感器桥电路122-1、122-2，x信号126-1和y信号126-2之间的相位差为180
°
或0
°
，因此x信号126-1和y信号126-2对于位置检测来说可能仍然无用。
[0044]
图3示出了xmr(角度)传感器120的典型实施，该xmr(角度)传感器120包括横向并排安装在公共平面衬底128上的第一传感器桥电路122-1(用于x分量)和第二传感器桥电路122-2(用于y分量)。从图3可以看出，第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2之间沿传感器轴124的物理距离s可以选择为大于零。这里，第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2被布置在衬底128上的平面内，并且沿传感器轴124以物理距离s隔开。该物理距离s与多极延伸方向114和传感器轴124之间的非零旋转角度α组合，能够利用现有xmr角度传感器进行线性位置检测。这将在下文进一步详细解释。
[0045]
图4示出了根据本公开实施例的用于(线性)位置检测的装置400。
[0046]
装置400包括具有沿多极延伸方向114延伸的极对112-s、112-n的多极条形磁体110。多极延伸方向114对应于多极条形磁体110的纵轴。装置400进一步包括xmr(角度)传感器120，其包括对第一平面内磁场分量(x分量)敏感的第一传感器桥电路(x桥电路)122-1和对第二平面内磁场分量(y分量)敏感的第二传感器桥电路(y桥电路)122-2。第一传感器桥
电路122-1和第二传感器桥电路122-2被配置为提供可用于位置检测的相应输出信号(x和y信号)126-1、126-2。
[0047]
例如，第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2可各自包括具有四个磁电阻器的相应惠斯通桥电路。受益于本公开的技术人员应理解，第一传感器桥电路122-1的磁电阻器的参考层的磁化方向与第二传感器桥电路122-2的磁电阻器的参考层的第二磁化方向正交。参考层的磁化方向可与应被感测的磁场分量平行或反平行。第一传感器桥电路122-1的磁电阻器与第二传感器桥电路122-2的磁电阻器平面布置在公共衬底128上的平面内。第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2的相应中心沿传感器轴124间隔一物理距离s。在图4的实施例中，多极条形磁体110的多极延伸方向或纵轴114和传感器轴124以45
°
的固定旋转角α旋转。
[0048]
一般而言，如果旋转角度α不同于0
°
、90
°
或180
°
或其整数倍，则本发明的原理是可以适用。例如，在一些实施例中，旋转角度α可大于20
°
且小于70
°
。在图4的设置中，多极条形磁体110和xmr传感器120彼此相对布置，使得第一和第二传感器桥电路122-1、122-2的衬底128的法线也垂直于多极磁体110面对衬底128的表面(安装表面)。
[0049]
受益于本公开的技术人员应理解，旋转角度α和本文描述的其他几何关系的精度可取决于制造公差。因此，45
°
的旋转角度还包括稍微偏离45
°
的旋转角度，例如，45
°±5°
或45
°±1°
。45
°
的旋转角度可能是有益的，因为所得到的输出信号126-1、126-2的幅度基本相同。例如，不同于45
°
的旋转角度可通过数学校准/补偿概念来解释。
[0050]
图5示出了用于图4的位置感测设置的示例性x信号126-1和y信号126-2，即，对于多极条形磁体110和xmr传感器120跨越的平面仍然平行，但传感器轴124相对于多极延伸方向(x方向)114旋转45
°
的情况，其中x桥电路122-1和y桥电路122-2沿传感器轴124间隔物理距离s。多极延伸方向114和传感器轴124之间45
°
的旋转角度与物理距离s一起产生x桥电路122-1和y桥电路122-2的相移输出信号126-1、126-2，输出信号126-1、126-2理想地具有相同幅度。从本公开受益的技术人员应理解，旋转的第一传感器桥电路122-1和第二传感器桥电路122-2都将感测从多极条形磁体110在x方向延伸出的磁场的x分量的相应投影。
[0051]
装置400可进一步包括处理器(未示出)，处理器被配置为接收输出信号126-1、126-2，并且基于第一和第二传感器桥电路122-1、122-2的相应输出信号126-1、126-2、多极磁体110的极距p、第一和第二传感器桥电路122-1、122-2之间的距离s以及固定旋转角度α来计算多极磁体110和xmr传感器120之间的相对位置(例如，线性偏移)。处理器的电路可与第一和第二传感器桥电路122-1、122-2集成到公共传感器芯片中。备选地，处理器也可被布置在第一和第二传感器桥电路122-1、122-2外部。
[0052]
多极磁体110和xmr(角度)传感器120之间的相对位置也可以表示为角度θ，其中，θ＝
±
2π的角度对应于多极条形磁体110的
±
2p的相对位置或移动。受益于本公开的技术人员应理解，现有的xmr角度传感器可用于实施本公开的实施例。对于多极磁体110和xmr传感器120之间的旋转角度α＝45
°
，表示为角度θ的相对位置可如下确定。
[0053]
第一传感器桥电路122-1的输出信号126-1可数学地表示为x＝cosθ。第二传感器桥电路122-2的输出信号126-2可数学地表示为y＝cos(θ φ)，其中，φ＝π/p且θ＝π/p*x。
[0054]
通过
[0055]
相对位置θ可确定为：
[0056][0057]
从图6可以看出，相对位置(或角度)θ可以是根据极距p确定的周期信号。因此，为了获得多极磁体110的绝对位置(或角度)，从迭代0处的任意参考位置θ0开始，相对位置θ可迭代地累积以确定迭代k处的绝对角度位置φk。这在图7a和图7b中示出。
[0058]
累积角度δθi＜π，k＝0，1，2，...可通过以下等式转换为绝对(线性)位置：
[0059]
绝对位置＝2p/2π*φk。
[0060]
受益于本公开的技术人员应理解，测量精度可取决于各种因素，诸如用于将x信号126-1和y信号126-2从模拟域转换到数字域所采用的模数转换器(adc)的质量。
[0061]
所提出的原理不仅可用于多极条形磁体的位置感测，也可以与多极环形磁体联合用于位置感测。
[0062]
图8示出了本公开的又一实施例800，其中多极磁体被实施为多极环形磁体810，其极对812-s、812-n沿着圆周方向814围绕多极环形磁体810的旋转轴815延伸。在所示实施例中，xmr传感器120被径向布置在多极环形磁体810的外部，以允许多极环形磁体810和xmr传感器120之间的旋转相对移动。多极环形磁体810跨越的(x-y)平面延伸穿过xmr传感器。由多极环形磁体810跨越的(x-y)平面和由xmr传感器120跨越的(x-z)平面820彼此垂直。此外，由多极环形磁体810跨越的(x-y)平面和xmr传感器120的传感器轴124以可大于20
°
且小于70
°
的旋转角度旋转。在优选实施例中，旋转角度为45
°
。
[0063]
本公开的实施例允许将现有的xmr角度传感器扩展到高精度线性或旋转位置应用。为此，建议相对于磁阻传感器120移动具有沿多极延伸方向114、814延伸的极对的多极磁体110、810，其中，磁阻传感器120包括对第一平面内磁场分量敏感的第一传感器桥122-1和对第二平面内磁场分量敏感的第二传感器桥122-2，其中，第一传感器桥和第二传感器桥布置在平面内并沿传感器轴124隔开。多极延伸方向114、814和传感器轴124以大于20
°
且小于70
°
的旋转角度相互旋转。多极磁体110、810和磁阻传感器120之间的相对位置基于第一和第二传感器桥的相应输出信号126-1、126-2、多极磁体的极距、第一和第二传感器桥之间的距离以及旋转角度来计算。
[0064]
与一个或多个先前详细的示例和附图一起提及和描述的方面和特征还可以与一个或多个其他示例组合，以替换其他示例的类似特征，或者将该特征另外引入其他示例。
[0065]
示例还可以是或涉及计算机程序，其具有当计算机程序在计算机或处理器上执行时用于形成上述一种或多种方法的程序代码。上述各种方法的步骤、操作或处理可由编程计算机或处理器执行。示例还可以包括程序存储设备，诸如数字数据存储介质，其是机器、处理器或计算机可读的，并且对机器可执行、处理器可执行或计算机可执行的程序指令进行编码。指令执行或引起执行上述方法的部分或全部动作。程序存储设备可包括或例如是数字存储器、磁性存储介质(诸如磁盘和磁带)、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。进一步的示例还可以覆盖被编程以执行上述方法的动作的计算机、处理器或控制单元，或
者被编程以执行上述方法的动作的(现场)可编程逻辑阵列((f)pla)或(现场)可编程门阵列((f)pga)。
[0066]
说明书和附图仅示出本公开的原理。此外，本文所述的所有示例主要明确仅用于说明目的，以帮助读者理解本公开的原理以及发明人为推进本领域所贡献的概念。本文列举本公开的原理、方面和示例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其等效物。
[0067]
表示为“用于
…
的装置”的执行特定功能的功能块可指被配置为执行特定功能的电路。因此，“用于
…
的装置”可实施为“被配置为或适合于
…
的装置”诸如被配置为或适合于相应任务的装置或电路。
[0068]
图中所示的各种元件的功能，包括标记为“装置”、“用于提供信号的装置”、“用于生成信号的装置”等的任何功能块，可以专用硬件(例如，“信号提供器”、“信号处理单元”、“处理器”、“控制器”等)以及能够执行与适当软件相关的软件的硬件的形式来实施。当由处理器提供时，功能可由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独处理器提供，其中一些或所有处理器可共享。然而，术语“处理器”或“控制器”远不限于专门能够执行软件的硬件，而是可以包括数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、用于存储软件的只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)和非易失性存储器。也可包括其他常规和/或定制硬件。
[0069]
例如，框图可示出实施本公开原理的高级电路图。类似地，流程图、状态转换图、伪代码等可表示各种处理、操作或步骤，例如，这些处理、操作或步骤可基本上在计算机可读介质中表示，并由计算机或处理器执行，而不管是否明显示出这样的计算机或处理器。说明书或权利要求中公开的方法可通过具有用于执行这些方法的各个动作的装置来实施。
[0070]
应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作、处理、操作、步骤或功能不应被解释为特定顺序，除非另有明确或隐含说明，例如出于技术原因。因此，多个动作或功能的公开不会将其限于特定顺序，除非此类动作或功能因技术原因不可互换。此外，在一些示例中，单个动作、功能、处理、操作或步骤可分别包括或可分为多个子动作、子功能、子处理、子操作或子步骤。除非被排除在外，否则这种子动作可包括在单个动作或作为单个动作的公开的一部分。
[0071]
此外，以下权利要求在此并入详细说明书，其中每项权利要求都可作为单独的示例。虽然每项权利要求可作为单独的示例，但是应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中提及与一项或多项其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括该从属权利要求与每项其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非声明不打算进行特定组合，否则在此明确提出此类组合。此外，意图还将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。