CN101384883B - 行程达360°的磁角位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包含运动部件的角位置传感器，该运动部件包括至少一个基本为圆柱形的、围绕其轴旋转的永久磁铁(1)、至少二个磁敏元件(2，3)以及至少一个处理电路(4)，该处理电路提供与该运动部件的绝对位置相关的信号，其中，磁敏元件(2，3)基本位于同一点，并且测量磁场的切向分量以及磁场的径向和/或轴向分量，以提供二个相角基本相差90°的正弦信号。

Description

行程达360°的磁角位置传感器

本发明涉及角度可达360°的磁旋转位置传感器领域，更具体地讲，涉及用于测量车辆转向柱角位置的位置传感器，但是这种应用并不是唯一的。

根据磁场来探测角度的传感器具有许多优点：

●和运动部件没有机械接触，所以没有磨损，

●对脏污不灵敏，

●制造成本低，

●使用寿命长。

在现有技术中已经知道存在描述旋转传感器的专利EP1083406，该传感器具有环形磁体和二个磁敏元件，测量由磁铁所生磁场的径向分量并生成二个方波正弦信号，这些信号在解码后被用来在360°范围上探测位置。

这个方案的缺点是存在两个探头，这样就可能由于一个探头相对于另一个探头的位置不正确而引起测量误差。另外，存在二个空间偏离90°的集成电路也使该传感器的最终成本增加，因为印刷电路表面区域可能很大，接点数目会增加。

在现有技术中还知道存在能在一个位置上测量磁场的两个分量的探头(霍尔效应探头，譬如Melexis制造的MLX90316或者磁致电阻探头。)

在现有技术中还知道存在专利US06316935，描述能够旋转360°的位置传感器(见图1)，用磁致电阻探头来确定基本沿直径方向磁化的圆盘磁铁的角位置。在该专利中，对该磁铁所生磁场的方向敏感的磁致电阻探头位于该磁铁下面，而且基本就在旋转轴上。该探头测量该磁铁旋转轴上的磁场的Bx和By分量(见图2)。磁铁和探头的这种结构限制了该传感器的使用。这是因为，在采用旋转传感器来测量具有通轴的系统(譬如转向柱)的角位置的情况下，这种磁铁和探头结构是不可能被采用的，其原因是转向柱的尺寸使它无法给它的旋转轴上的磁致电阻元件定位。

本发明提出解决上述问题的方法是，设法使用在沿直径方向磁化的环形磁铁或圆盘磁铁的旋转轴之外的单个点上(用物理术语讲，如果磁场分量的测点之间的距离小于5mm，就认为测量在单个点上进行。)同时测得的两个磁场分量(径向的和切向的，或者说轴向的和切向的)来确定它的角位置，尽管这个角与磁场角并不对应(注意：只有当测量在这同一个磁体的轴上进行时，磁场的方向才会与磁铁的角位置“对正”)。所以，下面描述的解决方案就是要能够降低传感器的成本并提高测量的可靠性，同时以有利方式使它适应不同的几何结构，特别是设备具有通轴的情况。

如果我们考虑沿直径方向磁化的环形或圆盘磁铁周围空间内的任何点，就会发现由这个磁铁所生磁场的径向分量和轴向分量是两个同相的正弦曲线，而切向分量则是与该磁场的两个其他分量的相角相差90°的正弦曲线(见图3)。所以，能够利用该磁场的相角相差90°的一对分量(切向和径向分量或者切向和轴向分量)并采用如下公式来解码该磁铁的角度：

$\mathrm{\α}\left(t\right)=\arctan (\frac{V_{1\max }}{V_{2\max }}\×\frac{V_2\left(t\right)}{V_1\left(t\right)})$

其中：α是旋转角；V₁是磁场的径向或轴向分量；V_1max是V₁的幅值；V₂是磁场的切向分量；V_2max是V₂的幅值。

根据这两个幅值通常不同的分量对磁铁的角位置进行解码，需要对所用的两个分量进行标准化，这样才能够执行反正切计算而从中导出角度。这些解码和标准化功能或者通过独立的元件(4)进行，或者通过直接由将两个磁场分量的测量、该角度的解码以及这两个磁场分量的标准化结合到一起的探头(譬如MLX90136)进行。

经济上有利的方法是采用单个SMD(表面安装器件)类型的集成电路，其印刷电路表面区域比采用磁铁周围相隔90°排列的两个探头的情况小得多。

在优选实施例中，磁致电阻元件包括至少一对其灵敏度轴相互平行的磁致电阻传感器，这一对传感器由垂直于上述灵敏度轴的铁磁磁轭实现磁耦合，上述磁轭被安装在和该旋转轴垂直的平面上，或者被安装在和穿过旋转轴的平面相平行的平面上。作为示例方法，磁敏元件可以包括Melexis生产的、带有组合磁通集中器的探头MLX90136，该探头包括4个共面传感器(所以，灵敏度轴是平行的)。这4个霍尔元件位于构成磁轭的铁磁圆盘边缘之下。它们在空间上相隔90°。磁场在(具有高相对磁导率的)铁磁圆盘的附近弯曲。磁力线垂直于磁通集中器的表面，而且它们穿过霍尔元件，所以能够测量该探头平面内的两个磁场分量。而且，因为磁力线在铁磁圆盘附近被集中，所以由这些霍尔元件测量的磁场被放大。每个轴(X轴和Y轴，或者X轴和Z轴)上的霍尔元件被连接到能够提供这两个霍尔元件的(用来抵消该磁场轴向分量的)电压差的信号处理电路，该电压差则由模/数转换器进行放大和采样。该数字信号处理电路将每个分量乘以一个可编程增益(这样就能够获得幅值基本相等的正弦曲线)并在执行除法和反正切计算之前(针对探头参数中与温度相关的偏移、正交性、波动)进行各种补偿。举例来说，在集成电路的输出中能够以正比于角度的电压形式得到这个角度。

本发明以有利的形式采用由具有直径方向各向异性的塑性铁磁体来制造的环形磁铁，这样就能够用最低的可能成本获得很好的性能。而且，使用具有各向异性的磁铁有助于磁化过程。这是因为传感器的性能(输出信号的线性度)直接取决于能否获得良好的沿直径方向的磁化。也可以使用各向同性磁铁，但是用来使磁铁获得沿直径方向的“良好”磁化的磁化过程却比较复杂。这是因为，沿直径方向磁化环形磁铁所必须的磁化磁场虽然很容易由通电的简单线圈来获得，但却由于空气和要被磁化的材料之间的磁导率不同而使磁力线弯曲，其弯曲程度与两种介质之间的边界折射率有关，其关系如下：

$\frac{\tan \left({\mathrm{\α}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\α}}_2\right)}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{r1}}{{\mathrm{\μ}}_{r2}}$

这种弯曲转化为非直径方向的材料磁化，所以就转化为图10所示的两个所测分量的变形。正如同一图10所示，这两个信号不是两个相角相差90°的正弦曲线，在解码相角的过程中，这会转化成相当可观的非线性，图10还显示了根据该磁场的两个分量解码所得的信号。

在各向同性材料的情况下，为了纠正和补偿磁铁内部磁力线的、导致“不良”直径方向磁化的这种弯曲，磁铁的外形就不采用圆形，而是选用基本为椭圆的形状(见图11)。

在使用探头MLX90316时，也能够按照特别补偿非线性误差的方式为这种探头编程。补偿是通过对整个传感器范围的不同增益进行编程来实现的。在这种编程情况下，图12显示了如下内容：

●由非线性传递函数解码所得的信号；

●已解码信号的非线性。

在各向同性磁铁或具有径向各向异性的磁铁的情况下，也能够采用在该磁铁外围服从正弦规律的径向磁化方法来渐进磁化磁铁。这种磁化方式能够避免由于磁力线折射所引起的磁化方向的误差，而在沿直径方向磁化的情况下确实会出现这种误差。

在需要输出信号冗余的应用情况下，自然可以设想通过使用相对于旋转轴而言和第一测点有角度偏移的第二测点来使系统变成双份。最好能够具有两个相似的外壳，每个外壳将两个信号的测量和解码组合到一起，一个信号是切向的，另一个信号来自径向和轴向分量的组合，对这两个信号都做了特别的增益调节，以便提供两个独立的角位置信号。

在对与旋转几圈的方向盘相联的转向柱位置进行测量的应用情况中，可以看出，必须测量大于360°的行程。这时，能够采用根据本发明的传感器并通过将它和运动减速器相联来将几圈范围的旋转减少到传感器内小于或等于1圈的旋转。

参考下述附图可以更好地理解本发明：

●图1表示沿直径方向磁化的圆盘磁铁所产生的磁力线，

●图2表示位于磁铁旋转轴上的点(图1所示的O点)上的3个磁感应分量，

●图3表示位于磁铁旋转轴外的点上的3个磁感应分量，

●图4表示本发明的总体视图，

●图5表示采用径向和切向感应分量的旋转传感器的视图，

●图6表示位于图5所示结构空间内任何点上的3个磁感应分量(测点位于磁铁的中平面)，

●图7表示采用轴向和切向感应分量的旋转传感器的视图，

●图8表示对相对磁导率(μ_r)等于1的材料磁化后的磁铁内部的磁力线，

●图9表示对相对磁导率(μ_r)等于1.2的材料磁化后的磁铁内部的磁力线，

●图10表示在沿“直径方向”磁化的各向同性圆环磁铁上测得的信号的径向和切向磁感应分量以及非线性特性，

●图11表示在沿“直径方向”磁化的各向同性的、具有基本椭圆外形的磁铁上测得的信号的径向和轴向磁感应分量以及非线性特性，

●图12表示在各向同性磁铁上测得的、采用非线性传递函数解码的信号，

●图13表示具有渐进径向磁化的磁铁，

●图14表示磁铁周围空间内任意点上的3个磁感应分量，

●图15表示根据本发明的、带有减速器以便用于多圈应用场合的传感器组合，

●图16表示位于磁通集中器边缘的4个霍尔元件，

●图17表示存在磁通集中器情况下的磁力线，

●图18表示采用4个霍尔元件和磁通集中器的探头的信号处理框图，

●图19和图20表示根据本发明的、磁铁为磁瓦的第二实施例，

●图21表示根据本发明的第二实施例，其中包含磁敏元件的探头位于空心圆柱磁铁的内部，

●图22、图23和图26表示根据本发明的第二实施例，其中探头与屏蔽外部磁场的屏蔽罩相连接，

●图24和图25表示根据本发明的第二实施例，其中该传感器与轴承相连接。

图1表示采用沿直径方向磁化的圆盘磁铁所获得的典型磁力线。磁力线被画在通过磁铁中心的、与磁铁磁化方向共线的平面上。在图2和图3中，对位于磁铁旋转轴上的测点和位于比磁铁外轴半径更大的半径上的测点，画出了径向(Bx)、切向(By)和轴向(Baxial)磁感应分量。图2表示，在轴上某点，作为磁铁旋转度的函数的磁感应分量X和Y幅值相等，轴向分量为0，与在磁铁上方的位置无关。从图3可以看出，3个磁感应分量都不为0，径向和轴向分量同相，而切向分量与其他两个分量在相角上相差90°。

图4表示根据本发明的传感器，包括基本上径向磁化的环形永久磁铁(1)；这个磁铁在空间任何一点产生磁场，该磁场具有由两个磁敏元件测量的径向或轴向分量(3)以及切向分量(2)，测量元件的信号经由对这两个分量执行解码和标准化的处理元件(4)加以处理，以便输出一个正比于该磁铁角位置的电气信号。

图5表示用作转向柱传感器的传感器结构，利用磁铁(1)产生的磁场的径向和切向分量。这种结构采用沿直径方向磁化的、被直接安装到转向柱或者驱动轴(5)上的环形磁铁。探头平面按照有利的方式被定位成和该磁铁的对称平面共面，以便在出现探头(6)定位误差的情况下能够限制该磁场的轴向分量的影响。这是因为，对于这种特定的结构，磁场的轴向分量是0，所以，即使探头没有被正确定位，该探头测得的轴向分量在切向分量上的投影也会是0。在这种特定的结构中，采用的探头将两个磁场分量测量值的集成、两个分量的标准化以及基于相角相差90°的两个信号的角度解码组合到一起。根据一个希望的变体形式，该磁铁被直接粘接到转向柱。

图7表示用作转向柱传感器的传感器结构，利用磁铁(1)产生的磁感应的轴向和切向分量。对这种结构，不存在会导致径向分量被明显抵消的探头位置，而在探头(4)定位不良的情况下，这种抵消会产生一定的切向分量，从而造成输出信号的失真。对于这种结构，探头的位置将按有利的方式加以选择，以便将径向分量降低到最小，同时维持其他两个分量具有最优幅值。在这种特定的结构中，采用的探头将两个磁场分量测量值的集成、两个分量的标准化以及基于相角相差90°的两个信号的角度解码组合到一起。

图8表示在为了获得沿直径方向的磁化而进行磁化后，具有相对磁导率等于1(μ_r＝1，就如空气一样)的环形磁铁的内部和外部的磁力线。磁力线穿过磁铁而不发生任何变形，这样就能够得到正确的沿直径方向的磁化。

图9表示具有相对磁导率等于1.2的环形磁铁在磁化后的内部和外部的磁力线。磁力线在穿过磁铁时发生了变形，该变形是由于空气的相对导磁率(μ_r＝1)和磁铁的相对导磁率(在本情况下是μ_r＝1.2)的差引起的。所以，磁力线的这个偏差就转化为沿直径方向的不良磁化。为了解决这个问题，当然可以采用具有希望磁化方向的各向异性磁铁。在各向同性磁铁情况下，将会很难获得沿直径方向的良好磁化，这样就会导致图10所示的结果。为了纠正并补偿这种磁化误差，可以采用基本上为椭圆外形的磁铁。在这种磁铁上测量的感应分量如图11所示。在由于磁力线折射率的差别，而且也由于测量间隙的变化所造成的非线性特性方面，可以看出明显的改进。

在采用各向同性环形磁铁的情况下，会由于磁化过程中磁铁表面的磁力线折射而产生不良的直径方向磁化，这时，如果采用可编程探头对非线性传递函数进行编程，就能够部分地补偿该信号的非线性(见图12)。

在采用各向同性磁铁或者具有径向各向异性的磁铁的情况下，图13表示在1圈范围内的剩余磁化强度具有正弦变化的环形磁铁。这种结构导致图14所示的信号。

图15表示根据本发明的传感器，和与减速器输出相连的环形磁铁被组合到一起，以便测量位于该减速器输入端的元件的大于360°的行程。举例来说，这可以被用于转向柱需要在几圈范围内探测方向盘角位置的情况。图15的示例表示和行星齿轮减速器相连的传感器，不过，只要所形成的组合能够适用于该应用情况，可以使用任何其他减速系统。

图16表示磁通集中器(19)和位于元件(19)边缘下方并间隔90°的4个霍尔元件(15、16、17和18)。每个霍尔元件(15、16、17和18)有一根沿Z轴走向的、垂直于磁通集中器(19)的XOY平面的探测轴。元件15和16测量沿X轴的磁感应，元件17和18测量沿Y轴的磁感应。4个元件(15、16、17和18)和磁通集中器(19)的磁轭(19)被安装在封装该组件以便形成单个部件的外壳内。

图17表示存在磁通集中器(19)时在沿和X轴及Y轴之一垂直的截面上的磁力线。磁力线弯曲穿过霍尔元件(17)和(18)，并变得垂直于该集中器表面。

图18表示信号处理框图。信号V_x和V_y从霍尔元件15(提供信号V_z1)、16(提供信号V_z2)和17(提供信号V_z3)、18(提供信号V_z4)获得。它们的差被增益模块(21)(包括电子增益和铁磁集中器19的增益)放大，经过模/数转换器(22)而到达数字信号处理模块(23)：该模块执行对所测振幅的校正，并提供输出信号(V_out)。

在图19和图20中，磁铁(1)是沿直径方向磁化的圆柱磁瓦。这种沿直径方向的定向能够描述无穷多个相对于磁瓦(1)的方向。图19和图20是这种磁化所采取的方向的两个示例。在图19中，相对于磁铁(1)的中心而言，磁化是径向的，而在图20中是切向的。所以，这些示例没有构成任何实质性的限制。

图21表示第二实施例，其中探头(6)位于构成圆环的圆柱或空心磁铁(1)的内部。事实上，如果容纳传感器的系统尺寸需要如此，让探头(6)这样放置可能是有利的。

图22和图23表示本发明所描述的、与屏蔽外部磁场的屏蔽罩(81)相连的传感器。事实上，如果该传感器要被用于受到污染的环境，保证对外部信号不灵敏是有利的。在图22中，磁铁(1)被安装在铁磁磁轭(71)上，而磁轭本身又被安装在轴(5)上。探头(6)位于磁铁(1)的前方，其方向能够测量该磁场的切向和径向分量。它被屏蔽罩(81)包围，屏蔽罩则按照非限定性示例方式采用通常用于这种功能的材料来制造，譬如具有高磁导率的合金。由于探头(6)对轴向磁场不灵敏，所以屏蔽罩(81)最好沿磁铁平面位于探头(6)周围。在图23中，可以看到与相同传感器相连的相同屏蔽功能，但是探头(6)的安装方式能够测量该磁场的切向和轴向分量。在这个实施例中，由于探头(6)对径向磁场不灵敏，所以屏蔽罩(81)最好沿和磁铁(1)相切的平面位于探头周围。按照这种方式放置，屏蔽罩(81)就能够保证在测量过程中对外部磁场不灵敏。在图22和图23中，屏蔽罩(81)拥有小尺寸的摺叠薄板形式。

图22和图23所示的屏蔽罩(81)是一种有益的解决方案，可以使尺寸最小，但并非限定如此。熟悉该技术的人员所了解的所有屏蔽手段无疑都能够和该位置传感器组合到一起。譬如说，在图26中，屏蔽罩(81)用一个环表示，完全包围由磁铁(1)+探头(6)构成的组件。

由于根据本发明的传感器按照非限定性方式特别适合于包含通轴的应用场合，所以能够设想将该传感器放置在紧挨轴承(譬如滚珠轴承)的位置。图24和图25表示本发明所描述的、和滚珠轴承相连的传感器的两个实施例。图24的探头(6)对切向和轴向磁场灵敏，而图25中的探头(6)对切向和径向磁场灵敏。在这两种情况下，滚珠轴承(91)位于该传感器附近，以便形成紧凑的组件。在理想情况下，磁铁(1)和传感器的尺寸，以及敏感元件的位置，都应当根据轴承(91)尺寸以及包括该传感器和轴承(91)的组件的总体尺寸加以选择。

Claims (22)

1.一种包含运动部件的角位置传感器，该运动部件包括至少一个基本为圆柱形的、围绕其轴旋转的永久磁铁（1）、至少两个磁敏元件（2，3）以及至少一个信号处理电路（4），该信号处理电路提供与该运动部件的绝对位置相关的信号，其特征在于，

所述磁敏元件（2，3）基本位于同一点，并且测量磁场的切向分量以及该磁场的径向和/或轴向分量，以提供二个相角基本相差90°的正弦信号，其中，所述磁铁用各向同性材料制造，并且其中，为了补偿在所述磁铁（1）内部的磁力线的弯曲，所述磁铁具有基本椭圆外形或者所述磁敏元件（2，3）允许调节用于解码该角度的两个信号的增益。

2.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，包括至少一个磁通集中元件，并且，所述磁敏元件（2，3）包括两对磁敏元件，这些磁敏元件的灵敏度轴相互平行，所述磁敏元件的位置靠近垂直于上述平行灵敏度轴的磁轭的外围，所述磁敏元件中的两个元件测量该磁场的径向和/或轴向分量，且所述磁敏元件中的另外两个元件测量该磁场的切向分量。

3.根据前述任一权利要求所述的角位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路采用相角相差90°的、来自至少两个磁敏元件的两个电信号进行反正切计算。

4.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路允许调节用于解码该角度的相角相差90°的两个正弦信号的增益。

5.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路采用相角相差90°的、来自至少两个磁敏元件的两个电信号进行反正切计算，所述信号处理电路允许调节用于解码该角度的相角相差90°的两个正弦信号的增益，其中磁场的测量、增益的调节以及反正切解码的计算被集成到同一个外壳之中。

6.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，永久磁铁是空心圆柱。

7.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，所述磁敏元件基本上位于该磁铁的中平面。

8.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，永久磁铁粘接到位置要被测量的旋转轴。

9.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，永久磁铁被粘接到铁磁磁轭。

10.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，该永久磁铁基本上沿直径方向磁化。

11.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，永久磁铁是基本上沿直径方向磁化的磁瓦。

12.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，该磁铁在一圈范围内具有渐进的正弦磁化。

13.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路允许传递函数的非线性编程。

14.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，所述磁敏元件（2，3）包括测量由该磁铁产生的磁感应的径向和切向分量的磁敏元件。

15.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，所述磁敏元件（2，3）包括测量由该磁铁产生的磁感应的轴向和切向分量的磁敏元件。

16.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，该磁铁具有基本上为椭圆的外部形状。

17.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，行程小于或等于360°。

18.根据权利要求1所述的角位置传感器，该角位置传感器与运动减速器相关联，其特征在于，该磁铁被固定到该减速器的输出。

19.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，包括对磁场进行屏蔽的装置。

20.根据权利要求19所述的角位置传感器，其特征在于，该屏蔽装置在所述磁敏元件附近拥有摺叠薄板的形状。

21.根据权利要求19所述的角位置传感器，其特征在于，该屏蔽装置具有圆柱环的形状。

22.根据权利要求1所述的角位置传感器，其特征在于，该角位置传感器与机械轴承部件相连。

Images