角方位傳感器以及相應的方法和設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及感測磁場的角方位的領域。本發明尤其涉及傳感器，其用于感測產生磁場的磁體的角方位，并且通過這種方式，也可以得到磁體的旋轉速度或相關尺寸。本發明涉及根據權利要求的公開條款的方法和裝置。相應的設備應用于許多領域，例如，在例如電機和汽車與飛機工業中的位置感測和旋轉速度測量。
【背景技術】
[0002]在W02008/145662A1中，介紹了用于測量平面內磁場方向的磁場傳感器，其包括感測結構，該感測結構包括環形阱和沿環形阱彼此等間距布置的等尺寸的多個觸點；以及電路，其包括與感測結構的觸點關聯的多個電子開關、用于控制電子開關的邏輯塊、至少一個電流源、用于測量第一電壓和第二電壓之間的差的裝置、提供用于控制邏輯塊的控制信號并提供參考信號的時序電路。邏輯塊適用于根據預定方案在控制信號的控制下閉合和斷開電子開關，以使得多個觸點中的預定數量的觸點形成垂直的霍爾元件，該垂直的霍爾元件由至少一個電流源供應電流并且具有兩個連接至用于測量的裝置的觸點，以及使得垂直的霍爾元件沿著環形阱按步移動。還提供了用于測量參考信號和電壓測量部件的輸出信號之間的相位位移的裝置。
[0003]根據W02009/1124969A1可知一種用于測量平面內磁場方向的磁場傳感器，其包括兩個可作為旋轉的霍爾元件操作的感測結構。這兩個霍爾元件沿相反的方向以離散步進旋轉。這種磁場傳感器可以用作用于測量流過導體的初級電流的電流傳感器。
[0004]WO 2012/151707公開了用于感測磁場的角方位的方法，包括:
[0005]a)提供一組N2 2個霍爾效應設備，每個霍爾效應設備具有檢測方向并且包括兩對連接器；
[0006]b)提供至少一個具有基本頻率f = l/Tf的帶通濾波器；
[0007]c)提供至少一個在其輸出端輸出電流的電流源；
[0008]其中，將霍爾效應設備的兩對連接器接線至所述電流源的輸出端或者接線至所述帶通濾波器的特定方式被稱為“接線方案”；
[0009]dl)在持續0.5Tf的第一時間段期間以及以所述N個霍爾效應設備的特定次序，在持續時間ti的各個連續時間段期間將相應的接線方案Wi+應用于所述N個霍爾效應設備中的每一個;以及
[0010]d2)在持續0.5Tf的第一時間段之后的、持續0.5Tf的第二時間段期間，以及以所述N個霍爾效應設備的相同特定次序，在相同持續時間t i的各個連續時間段期間將相應的接線方案W1-應用于所述N個霍爾效應設備中的每一個；
[0011]其中，所述接線方案Wi+中的每一個是相應的另一接線方案W1-的正交且反向的接線方案；以及
[0012]e)響應于執行步驟dl)和d2)，從由所述帶通濾波器輸出的的信號得到指示所述角方位的輸出信號；
[0013]其中? = ι，...，Ν。
【發明內容】
[0014]本發明的一個目的在于創建感測產生磁場的磁體的角方位的改進的方式。更具體地說，提供用于感測產生磁場的磁體的角方位的改進的方法并且提供用于感測產生磁場的磁體的角方位的相應的傳感器及包含這樣的傳感器的集成電路。此外，還提供包含這樣的傳感器的設備或裝置以及用于制造用于感測產生磁場的磁體的角方位的傳感器的方法，以及信號處理單元在用于感測產生磁場的磁體的角方位的傳感器中的用途。
[0015]本發明的另一目的是創建感測產生磁場的磁體的角方位的方法，其產生特別穩定的結果。
[0016]本發明的另一目的是提供確定此類角方位的方法，其對不期望的相位位移特別不敏感。
[0017]本發明的另一目的是提供確定此類角方位的方法，其對不期望的外部影響特別不敏感。
[0018]本發明的另一目的是提供確定此類角方位的方法，其對不期望的內部影響特別不敏感。
[0019]本發明的另一目的是提供確定此類角方位的方法，其能夠明確地確定表示所述角方位的角。換句話說，所述角方位能夠被確定以使得0°和360°之間的任一角能夠被單一地(唯一地)確定。
[0020]本發明的另一目的是提供相對容易地實現的確定此類角方位的方法。
[0021]本發明的另一目的是提供產生特別精確的結果的確定此類角方位的方法。
[0022]本發明的另一目的是提供確定此類角方位的特別快的方法。
[0023]本發明的另一目的是提供具有良好的可制造性的傳感器。
[0024]本發明的另一目的是提供改進的角位置傳感器。
[0025]本發明的另一目的是提供改進的旋轉編碼器。
[0026]本發明的另一目的是提供改進的旋轉速度傳感器。
[0027]本發明的另一目的是提供改進的轉數計。
[0028]本發明的另一目的是提供改進的電動機。
[0029]本發明的另一目的是創建在感測產生磁場的磁體的角方位中使用的改進的處理信號的方法。
[0030]本發明的另一目的是在用于感測產生磁場的磁體中的角方位的傳感器中實施信號處理以使得傳感器產生特別穩定的輸出。
[0031 ]從下文的說明書和實施例呈現進一步的目的。
[0032]這些目的中的至少一個目的是至少部分地通過根據本專利權利要求所述的裝置和方法實現的。
[0033]用于感測產生磁場的磁體的角方位的傳感器，所述傳感器包括感測單元，感測單元包括
[0034]一N > 2個磁場感測設備；
[0035]一掃描電路，用于(更特別地被構造和配置為)以頻率fO重復地、以第一預設次序順序地探測所述N個磁場感測設備中的至少兩個磁場感測設備并且連結由相應的被探測的(或“被掃描的”)磁場感測設備針對所述磁場輸出的信號，以便獲取被稱為第一原始磁信號的模擬信號，該模擬信號是包含具有所述頻率fO的頻率分量的信號；
[0036]—用于輸出所述第一原始磁信號的至少第一磁信號輸出端；以及
[0037]—用于輸出參考信號的參考輸出端，該參考信號是不依賴于所述磁場的、具有所述頻率fO的邏輯信號；
[0038]所述傳感器還包括
[0039]一第一信號處理單元和第二信號處理單元，它們被相同地構造，各自具有輸入端和輸出端；
[0040]—具有至少第一輸入端和第二輸入端的相位檢測單元，用于得出輸入到該相位檢測單元的信號之間的相位差，以及用于根據所述相位差獲取并輸出表示與所述角方位相關的角的被稱為輸出角信號的信號，所述相位檢測單元至少包括第一無模糊相位檢測電路，第一無模糊相位檢測電路具有兩個分別與所述第一輸入端和所述第二輸入端相同的輸入端；
[0041 ] 其中
[0042]Cl)所述第一信號處理單元的所述輸入端耦合至所述第一磁信號輸出端；
[0043]C2)所述第一信號處理單元的所述輸出端耦合至所述相位檢測單元的所述第一輸入端；
[0044]C3)所述參考輸出端耦合至所述相位檢測單元的所述第二輸入端；
[0045]C4)所述第二信號處理單元的所述輸入端耦合至所述感測單元的輸出端；
[0046]C5)所述第二信號處理單元的所述輸出端耦合至所述相位檢測單元的輸入端。
[0047]如此，可以構造用于明確地感測整個360°場方位的傳感器，此外，該傳感器提供非常精確的輸出(即，所述輸出角信號對不期望的影響非常不敏感)。更特別地，可以獲取兩個分別經歷可能發生在第一信號處理單元和第二信號處理單元中的相位偏移(不期望的相位偏移)的信號，盡管如此，由于使用參考信號，仍可以獲得明確的結果。由于第一信號處理單元和第二信號處理單元的相似性(相同的構造)，這些(不期望的)相位偏移對于第一和第二信號處理單元(至少在很大程度上)是相等的。
[0048]基于這些信號形成差(特別是相位差)可能抵消相位偏移。消除了相位偏移，可以獲取更穩定的傳感器輸出信號，實際上或者至少在很大程度上不依賴于內部效應(例如頻率相關或電流相關效應)并且獨立于第一和第二信號處理單元所受的外部影響(例如溫度變化)。
[0049]可以通過不同的方法形成所述差。可以獲取前述信號本身的相位差，即通過所述第一無模糊相位檢測電路來獲取。可替代地，兩個信號中的每一個(分別與另一信號一起)被提供至相位檢測單元的不同的無模糊相位檢測電路，然后，從如此獲得的相位差信號形成所述差，其特別地可以是數字信號，在這種情況下，可以使用數字加法或減法。
[0050]對于形成差，可替代地或另外地，也可以使用相位檢測單元的第二無模糊相位檢測電路確定所述相位偏移，并且使用所獲得的信號作為閉環控制中的控制信號。更特別地，所述信號可以用于控制時鐘發生器的頻率，從該頻率也能得出針對第一原始磁信號和針對參考信號的所述頻率fO。
[0051]注意，措詞“由相應的被探測的磁場感測設備‘針對’所述磁場輸出的信號”可以被理解為“由相應的被探測的磁場感測設備輸出的、‘作為該相應的被探測的磁場感測設備與所述磁場交互作用的結果’的信號”。
[0052]更具體地，所述第一原始磁信號可以為具有所述頻率fO的周期信號-至少假設磁場保持不變。典型地，原始磁信號(第一或第二，參考下文)是階梯信號。以及典型地，所述階梯信號近似正弦形信號(至少假設在探測期間中磁場保持不變)。
[0053]注意，例如上述耦合Cl至C5中的一些的耦合可以是至少部分相同的，例如，在一些實施例中，耦合C3和C4可以部分一致，例如耦合C4構成耦合C3的一部分。
[0054]還要注意，耦合(一般)不必是直接的，而是可以經由一個或多個單元實現，例如，在一些實施例中，耦合C3和/或耦合C4可以是例如經由衰減器的間接耦合。
[0055]相應地，根據該實施例，所述參考輸出端可以直接或間接耦合至所述相位檢測單元的所述第二輸入端。特別地，間接耦合可以經由所述第二信號處理單元實現，參見下文。
[0056]所述信號處理單元可以特別地被構造和配置為從輸入的模擬信號獲取邏輯信號，以及更特別地從輸入的周期模擬信號(例如第一原始磁信號或參考信號)獲取在輸入的周期模擬信號的每個零交點具有一個邊沿的邏輯信號。
[0057]無模糊的相位檢測電路被構造和配置為單一地(唯一地、明確地)確定兩個輸入信號的相位差，即，從0°到360°的整個范圍內的相位差是可區分的，即，可以被唯一地識別。因此，無模糊相位檢測電路的兩個輸入端不是等價的，即，互換輸入信號通常產生不同的檢測相位差，即，在另一情況下檢測的相位差的負值。
[0058]通常，邏輯信號被輸入至無模糊相位檢測電路。
[0059]邏輯信號可以被限定為例如僅可以采用兩個離散值的信號(或波形)。更特別地，邏輯信號的電壓等于邏輯電平I或者邏輯電平零。
[0060]在一個實施例中，
[0061 ] 一所述相位檢測單元包括第三輸入端和第四輸入端；
[0062]—所述相位檢測單元包括第二無模糊相位檢測電路，所述第二無模糊相位檢測電路具有兩個分別與所述第三輸入端和所述第四輸入端相同的輸入端；
[0063]一所述第二信號處理單元的所述輸出端耦合至所述相位檢測單元的所述第三輸入端。
[0064]第一無模糊相位檢測電路和第二無模糊相位檢測電路可以被相同地構造或者可以被不同地構造。
[0065]具有第二無模糊相位檢測電路提供了獲取兩個(通常不同的)相位差的可能性，一個通過第一無模糊相位檢測電路獲取而另一個通過第二無模糊相位檢測電路獲取。這可以補償不期望的效應或漂移，尤其是補償所述相位偏移，并因此獲取高穩定的輸出角信號。特別地，這些相位差中的一個可以用于建立對另一個的修正。可以采用多種方法這樣做。
[0066]特別地，這可以例如通過形成兩個相位差之間的和或差來實現。在這種情況下，規定第一和第二無模糊相位檢測電路被相同地構造是可取的。
[0067]在涉及最后提到的實施例的一個實施例中，所述相位檢測單元包括具有第一輸入端和第二輸入端的加法器或減法器，所述第一和第二無模糊相位檢測電路各自具有用于輸出表示輸入至相應的無模糊相位檢測電路的兩個輸入端的信號之間的相位差的相位差信號的輸出端，其中
[0068]—所述第一無模糊相位檢測電路的輸出端耦合至所述數字加法器或減法器的所述第一輸入端；以及
[0069]—所述第二無模糊相位檢測電路的輸出端耦合至所述數字加法器或減法器的所述第二輸入端；
[0070]特別地，該相位差信號可以是數字信號。
[0071 ]特別地，該加法器或減法器可以是數字加法器或減法器。
[0072]因此，可以使第一信號處理單元的輸出端耦合(特別地直接耦合)至第一無模糊相位檢測電路的輸入端(尤其是至所述第一輸入端)以及使第二信號處理單元的輸出端耦合(特別地直接耦合)至第二無模糊相位檢測電路的輸入端(尤其是至所述第三輸入端)。相應地，需要選擇另外的互連，其中存在多種可能性。注意，當與無模糊相位檢測電路的輸入端的連接被互換時，無模糊相位檢測電路一般輸出不同的相位差信號。更精確地，當與它們的輸入端的連接被互換時，輸出的符號發生改變。因此，并且因為可以在一側的無模糊相位檢測電路之一(或者兩者)和另一側的加法器或減法器之間互連一個或多個反相器(即，針對數字信號，用于改變符號的部件)，所以為了獲取期望的輸出角信號，可以選擇加法器或減法器，以及可以選擇提供互連的多種方法，以及可以不提供反相器或者提供一個或多個反相器。
[0073]可以例如從兩個相位差信號來形成和或差，這兩個相位差信號被期望是相同的，并因此除了第一相位差信號相比第二相位差信號以相反的方式經歷了不期望的效應以外而名義上相同(可能除了符號)，或者可以從經歷了不期望的效應的一個相位差信號和表示該不期望的效應本身(可能除了符號)的另一相位差信號來形成和或差。
[0074]加法器或減法器的輸出端通常是相位檢測單元的輸出端。特別地，加法器或減法器所獲取的和或差可以是輸出角信號。
[0075]在涉及最后提到的實施例的一個實施例中，
[0076]I)所述參考輸出端;或
[0077]II)所述第一信號處理單元的所述輸出端；
[0078]耦合至所述相位檢測單元的所述第四輸入端和所述第二信號處理單元的所述輸入端。
[0079]以及特別地，可以規定將所述第二信號處理單元的所述輸入端經由衰減器耦合
[0080]—在情況I)，至所述參考輸出端；以及
[0081]—在情況II)，至所述第一信號處理單元的所述輸出端；
[0082]特別地，在情況I)，可以給第二無模糊相位檢測電路(經由相位檢測單元的第四輸入端)直接提供參考信號以及(經由相位檢測單元的第三輸入端)直接提供基于參考信號、但是已在第二信號處理單元中處理過的信號。通常，參考信號可以在衰減器中被衰減，然后(衰減的)信號再到達第二信號處理單元。
[0083]特別地，在情況I)，第一無模糊相位檢測電路可以確定參考信號和通過在第一信號處理單元中處理第一原始磁信號獲取的信號之間的相位差。我們將把所述通過在第一信號處理單元中處理第一原始磁信號獲取的信號，即從第一信號處理單元(當其被提供以第一原始磁信號時)輸出的信號，稱為“第一處理的磁信號”。相應地，由第一無模糊相位檢測電路輸出的相位差信號表示疊加了不可避免地發生的，尤其是在第一信號處理單元中并且由于第一信號處理單元不可避免地發生的相位偏移的期望信號(可能除了符號)。第二無模糊相位檢測電路確定參考信號和通過在第二信號處理單元中處理參考信號獲取的信號之間的相位差。相應地，由第二無模糊相位檢測電路輸出的相位差信號表示不可避免地發生的，特別是在第二信號處理單元中且由于第二信號處理單元不可避免地發生的相位偏移。適當地形成由第一無模糊相位檢測電路輸出的相位差信號與由第二無模糊相位檢測電路輸出的相位差信號的和或差將導致該(不期望的)相位偏移的消除(因為第一和第二信號處理單元被相同地構造)并因此允許具有至少在很大程度上不依賴于所述相位偏移并因此非常穩定和精確的輸出角