專(zhuān)利名稱(chēng)：改進(jìn)的位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提供線(xiàn)性位置或角位置的精確信息的具有磁性傳感器的絕對(duì)位置系統(tǒng)的領(lǐng)域。這種測(cè)量系統(tǒng)要求極大的穩(wěn)定性和極大的精確度，尤其被應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知美國(guó)專(zhuān)利US7741839描述的一種解決方法，該方法介紹了絕對(duì)位置傳感器的一般原理，該絕對(duì)位置傳感器使用產(chǎn)生連續(xù)可變磁場(chǎng)的磁體以及給出代表形狀為正弦曲線(xiàn)的磁分量的兩個(gè)電信號(hào)的磁性傳感器，從而確定出磁體和傳感器的相對(duì)位置。該專(zhuān)利提出對(duì)由兩個(gè)傳感器給出的信號(hào)之比進(jìn)行反正切計(jì)算，用來(lái)提供活動(dòng)磁體的大概位置。按照這種方式，可在測(cè)量點(diǎn)直接測(cè)量磁場(chǎng)的角度。

由此確定的信號(hào)精確度并不令人滿(mǎn)意，因?yàn)?，在一般情況下，兩磁場(chǎng)分量具有非常不同的振幅。因此，通過(guò)反正切計(jì)算的磁場(chǎng)角度與位置變化不成比例，由此導(dǎo)致對(duì)位置認(rèn)識(shí)的極不精確。能實(shí)現(xiàn)分量之間相等的幾何形狀很有限，或者要求對(duì)尺寸的顯著影響，例如專(zhuān)利US7030608中所描述的示例。為了改善精確度，已經(jīng)在法國(guó)專(zhuān)利FR2893410中提出一種方法，該方法旨在對(duì)由傳感器給出的信號(hào)之比施加增益系數(shù)，并提出一種探測(cè)器，其包括連接在通量集中器上的兩對(duì)霍爾元件。該現(xiàn)有技術(shù)專(zhuān)利描述了一種傳感器，其包括沿直徑磁化的圓柱形磁體。檢測(cè)元件位于磁體的圓周，并獲取磁場(chǎng)切向和徑向分量的變化。為了解碼傳感器的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，施加修正增益系數(shù)，該系數(shù)等于來(lái)自切向分量的電壓與來(lái)自徑向分量的電壓的最大振幅比。因此，所獲得信號(hào)的非線(xiàn)性得到改善。然而，這種結(jié)構(gòu)限于被徑向磁化的環(huán)形的情況。所述方法已經(jīng)由法國(guó)專(zhuān)利EP1989505描述的發(fā)明補(bǔ)充。該專(zhuān)利描述了具有磁體的線(xiàn)性或旋轉(zhuǎn)傳感器，該磁體在磁體內(nèi)部的磁化方向的改變?yōu)榫€(xiàn)性變化。按照這種方式，依然通過(guò)施加與來(lái)自徑向場(chǎng)和切向場(chǎng)的電壓振幅比相等的歸一化因子，可通過(guò)反正切計(jì)算，確定探測(cè)器相對(duì)于磁體的角或線(xiàn)性位移。然而，在很多情況下，尤其在磁化諧波較大的情況下，或在材料中實(shí)現(xiàn)的磁化不按照完整的周期變化時(shí)，應(yīng)用該簡(jiǎn)單的比值不能獲得足夠精確的位置信息。以往技術(shù)的缺點(diǎn)由以往技術(shù)的傳感器提供的位置信息不完全令人滿(mǎn)意，因?yàn)橄鄬?duì)于將來(lái)由工業(yè)強(qiáng)制規(guī)定的限制，磁信號(hào)和電信號(hào)的非線(xiàn)性導(dǎo)致較低的精確度。實(shí)際上，在實(shí)際情況中，真實(shí)測(cè)得的信號(hào)不是單純的正弦曲線(xiàn)，而是具有可能較大的諧波成分。因此可以按照以下等式寫(xiě)出各磁場(chǎng)分量= E^-sinO'B)
IB2=Ebi-CosQ. Θ )
其中，-BI表不由磁體產(chǎn)生的與位移方向正交的磁分量，-B2表不由磁體產(chǎn)生的成90°相位差的切向磁分量-Θ表示電角度，即在相關(guān)的信號(hào)周期上的角位置。這是試圖獲知的角度，其與探測(cè)器相對(duì)于磁體的位置成比例，并且不與測(cè)量點(diǎn)的磁角度相混淆，磁角度被定義為與兩相關(guān)分量對(duì)應(yīng)的兩矢量之間的角度，-Bi表示構(gòu)成信號(hào)B1的不同諧波的振幅，-bi表示構(gòu)成信號(hào)B2的不同諧波的振幅，_i表示諧波的次數(shù)。信號(hào)諧波來(lái)自不同的干擾，尤其是·-磁體幾何形狀固有的邊緣效應(yīng)，主要在有效行程末端產(chǎn)生。該邊緣效應(yīng)因磁體尺寸在位移方向上接近有效行程，甚至小于有效行程而變得更大。可以通過(guò)選擇大尺寸的磁體來(lái)減小這種效應(yīng)，但這與小型化和降低研發(fā)成本相悖。-磁化過(guò)程中的缺陷。實(shí)現(xiàn)方向連續(xù)變化的磁化會(huì)給磁化工具的制造帶來(lái)困難。例如，很難以完全線(xiàn)性的方式實(shí)現(xiàn)沿位移方向的磁化，且偏差角將導(dǎo)致由霍爾效應(yīng)元件測(cè)得的電信號(hào)的諧波，-磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率該相對(duì)磁導(dǎo)率不完全等于空氣磁導(dǎo)率，這會(huì)產(chǎn)生磁體和空氣之間的衍射寄生現(xiàn)象，從而使由霍爾效應(yīng)元件檢測(cè)到的局部磁場(chǎng)發(fā)生變形，-磁體不均勻當(dāng)用某些類(lèi)型的磁體，特別是接合在一起的磁體工作時(shí)時(shí)，有時(shí)材料會(huì)不均勻，由此導(dǎo)致磁體特性不一致，并引起局部磁場(chǎng)的變形，-檢測(cè)磁場(chǎng)分量的霍爾元件的錯(cuò)誤排列。因此，以往技術(shù)適用于諧波含量較小或不存在諧波以及信號(hào)被表述為基波表達(dá)式的構(gòu)造。上述描述的分量B1和B2因此變?yōu)锽1 = av sin ( θ )B2 = Id1 · cos ( θ )因此簡(jiǎn)單地計(jì)算BI除以B2的商就可以獲得電角度，這樣可獲得以下等式Θ =
Q1 B2因此，在傳感器的位移的任意位置獲知電角度可以獲得傳感器的絕對(duì)位置信息。通常，當(dāng)由于上述原因，信號(hào)為變形的正弦曲線(xiàn)而并非是單純正弦時(shí)，在磁體表面和測(cè)量探測(cè)器之間以較小距離，也就是靠近磁體來(lái)進(jìn)行工作時(shí)，將增大諧波含量。越遠(yuǎn)離磁體，其諧波含量越小。然而，當(dāng)希望以盡可能小的磁體工作時(shí)，即便測(cè)量磁隙較大，邊緣效應(yīng)也可能導(dǎo)致較大的諧波含量。由以往技術(shù)給出的提供電角度的公式不足以適用。本行業(yè)技術(shù)人員已試圖通過(guò)諸如信息后期處理等方案來(lái)改善精度，例如，應(yīng)用允許進(jìn)行線(xiàn)性化數(shù)值處理的修正表。該方法會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高并會(huì)降低系統(tǒng)是穩(wěn)定性，且對(duì)機(jī)械變化和位置偏差，特別是磁體和探測(cè)器之間的距離變化十分敏感。上述提到的某些參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間而變化，而僅通過(guò)后期處理進(jìn)行補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致因傳感器老化所致的功能偏差。在專(zhuān)利FR2893410中提出的另一種解決方案在于通過(guò)磁體的非恒定形狀，例如橢圓截面而非圓截面，來(lái)彌補(bǔ)線(xiàn)性缺陷。該方法意味著更為復(fù)雜的制造工藝。
另一解決方案在于通過(guò)彎曲扇面應(yīng)用校正系數(shù)，從而以重復(fù)的方式逐個(gè)區(qū)域地改善傳感器的線(xiàn)性。然而，這需要額外的電子資源，此外，其也是一種對(duì)公差缺乏穩(wěn)定性的方法,這種方法將會(huì)隨時(shí)間變化日益變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過(guò)提出如下的絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)克服這些缺陷，該絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)相比于現(xiàn)有技術(shù)的傳感器具有改善的精度并且既無(wú)需后處理也不需要特定構(gòu)造的磁體。當(dāng)然，也可以對(duì)根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用附加的處理，但按照本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)本質(zhì)上具有比以往技術(shù)的傳感器更高的精確度。明確的是，在本專(zhuān)利范疇內(nèi)術(shù)語(yǔ)“絕對(duì)位置”擴(kuò)展至多周期的測(cè)量系統(tǒng)。絕對(duì)位置因此將涉及在一個(gè)周期上的絕對(duì)位置，關(guān)于第幾個(gè)周期的信息由附加裝置確定。有利的是，本發(fā)明特別能使本行業(yè)技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器，并且特別在平行六面體形狀的磁體，或呈扇形或瓦狀的磁體的情況下，可使磁體尺寸相對(duì)于行程最小化，并 且獲得基本上小于行程的磁體，同時(shí)保持十分良好的線(xiàn)性。有利的是，本發(fā)明允許本行業(yè)技術(shù)人員用小的磁隙來(lái)與大磁隙的情況一樣地進(jìn)行工作，在測(cè)量磁隙較小的情況下諧波含量較大。實(shí)際上，在該情況下，諧波含量雖然更小，但當(dāng)磁體比測(cè)得的行程更小時(shí)，邊緣效應(yīng)將導(dǎo)致較大的諧波含量。在上述提到的不同情況中，諧波含量都不可忽視。就廣義而言，本發(fā)明涉及一種絕對(duì)位置的測(cè)量系統(tǒng)，其包括永磁體、在給定行程上關(guān)于該磁體相對(duì)移動(dòng)的至少一個(gè)探測(cè)器以及計(jì)算部件，磁體在探測(cè)器處產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)具有沿位移方向的稱(chēng)為切向磁分量的第一磁分量Bt以及與第一磁分量正交并成90°相位差的稱(chēng)為法向磁分量的第二磁分量Bn，探測(cè)器給出分別取決于分量Bn、Bt的兩個(gè)電信號(hào)Vn、Vt，計(jì)算部件提供根據(jù)信號(hào)Vn、Vt之間的比值的反正切計(jì)算的位置信息，該比值被施以校正系數(shù)G，其特征在于，計(jì)算部件被參數(shù)化，用以把嚴(yán)格區(qū)別于k的非零增益G施加在信號(hào)Vn、Vt中的一個(gè)上,其中，k代表比值Vmaxt/Vmaxn,其中,Vmaxt和Vmaxn分別表示信號(hào)Vt和Vn在行程上的振幅，增益G被計(jì)算為使來(lái)自磁分量的位置值與對(duì)應(yīng)的真實(shí)機(jī)械位置值之間的偏差最小。 按照第一實(shí)施變型，永磁體具有沿位移方向連續(xù)變化的磁化方向。按照第二實(shí)施變型，永磁體具有單一方向的磁化，并且磁化強(qiáng)度沿位移方向連續(xù)變化。優(yōu)選地，所述計(jì)算部件被參數(shù)化，從而把介于O. 4k和O. 98k或介于I. 02k和2. 5k之間的增益G施加在信號(hào)Vn、Vt中的一個(gè)上，其中，k指信號(hào)Vt和Vn的振幅比值。優(yōu)選地，所述磁傳感器包括至少兩個(gè)霍爾效應(yīng)元件。更好地，所述磁傳感器包括與通量集中器關(guān)聯(lián)的至少兩對(duì)霍爾效應(yīng)元件，例如，由邁利芯(Melexis)公司生產(chǎn)的MLX90316型探測(cè)器。在第二實(shí)施方式中，探測(cè)器可以具有霍爾效應(yīng)而不需要集中器，例如，微開(kāi)(Micronas)公司的HAL3625型探測(cè)器。在第二實(shí)施方式中，探測(cè)器可以為磁阻型。
按照第一變型，永磁體是管狀。按照第二變型，永磁體是呈瓦狀的半管型。按照第三變型，永磁體是扇形。 按照第四變型，永磁體是平行六面體元件。按照第五變型，永磁體為盤(pán)狀。按照一個(gè)特定的實(shí)施方式，永磁體被徑向磁化。按照一個(gè)特定的實(shí)施方式，永磁體為管型并被徑向磁化。方向連續(xù)變化的磁化，可以在沿測(cè)量維度定位的區(qū)域內(nèi)具有優(yōu)選方向。例如，可以根據(jù)是否有(例如來(lái)自電線(xiàn)的)干擾磁場(chǎng)施加在磁體上，以及是否希望使影響最小以便在所 有情況下在磁體的該中心位置保持不劣化的精度，來(lái)在磁體中央施加例如法向或切向的磁化。因而獲知在磁體中央處的干擾磁場(chǎng)的方向，使得能夠正確地選擇在磁體中央處的磁化方向。因此，如果干擾磁場(chǎng)在位移的中央處具有切向方向，則可以選擇在磁體中央處具有切向方向的磁化。顯然，以上提出的例子完全不局限于傳感器行程的中間位置，而是可以運(yùn)用于傳感器行程上任意點(diǎn)。按照一個(gè)特定的實(shí)施方式，永磁體沿在中央法線(xiàn)方向和與行程的末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在行程上的總轉(zhuǎn)動(dòng)基本等于180°。按照另一個(gè)特定的實(shí)施方式，永磁體沿在中央切線(xiàn)方向和與行程末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在行程上的總轉(zhuǎn)動(dòng)小于360°。在非管型磁體的情況下，將根據(jù)尺寸限制和希望的性能確定磁化類(lèi)型(在中央處正交或在中央處正切)以及磁體上磁化的總旋轉(zhuǎn)。圖4和圖5的表格示出針對(duì)給定行程和固定的磁體尺寸實(shí)現(xiàn)的一些示例。表格顯示根據(jù)希望的磁體大小來(lái)特別是根據(jù)在非線(xiàn)性上獲得的性能指導(dǎo)磁化類(lèi)型的選擇。按照一個(gè)變型，磁體為各向異性型，磁化方向與各向異性方向?qū)?zhǔn)。優(yōu)選地，磁體具有各向異性，各向異性的方向沿磁體行程連續(xù)變化本發(fā)明還涉及絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法，其包括確定信號(hào)Vn、Vt在有效行程上的最大值Vmaxn、Vmaxt,計(jì)算與比值Vmaxt/Vmaxn相等的系數(shù)k,并在計(jì)算反正切之前，通過(guò)使真實(shí)位置和計(jì)算位置之間的差別完全最小化來(lái)設(shè)置嚴(yán)格區(qū)別于k的非零增益G。本發(fā)明還涉及上述描述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施方法，該測(cè)量系統(tǒng)包括磁體和探測(cè)器，并且其中信號(hào)Vn和Vt是變形的正弦波或偽正弦波，而不是單純的正弦波，該方法包括預(yù)校準(zhǔn)操作，包括針對(duì)探測(cè)器和磁體的多個(gè)不同相對(duì)位置，通過(guò)測(cè)量或模擬，建立把相對(duì)位置中的每一個(gè)的測(cè)量值X與針對(duì)該相對(duì)位置X獲得的電信號(hào)Vn和Vt的比值Vn/Vt相關(guān)聯(lián)的規(guī)則，預(yù)優(yōu)化操作，包括確定增益G的值，使得對(duì)于該值，針對(duì)多個(gè)相對(duì)位置獲得的、在不同的測(cè)量值X和與函數(shù)C · Arctg (G · Vn/Vt)對(duì)應(yīng)的不同值之間的偏差最小，其中C是已知的構(gòu)造常數(shù)，該方法還包括在使用該系統(tǒng)時(shí)執(zhí)行的后續(xù)擴(kuò)展操作，其包括把探測(cè)器和磁體的任一相對(duì)位置的測(cè)量值X與函數(shù)C · Arctg (G · Vn/Vt)的值進(jìn)行比較。在所實(shí)施的方法中，如閱讀本說(shuō)明書(shū)的本行業(yè)技術(shù)人員將理解的，預(yù)校準(zhǔn)和預(yù)優(yōu)化的預(yù)操作構(gòu)成所涉及的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法。此外，構(gòu)造常數(shù)C由磁體的磁化間距確定并且代表探測(cè)器和磁體的相對(duì)位移的距離與角度Arctg (G. Vn/Vt)的相應(yīng)變化的比值。
具體實(shí)施例方式通過(guò)閱讀參照附圖的非限定性示例實(shí)施例的描述，將更好地理解本發(fā)明，附圖中-圖I示出包括平行六面體形磁體的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，該磁體具有方向連續(xù)變化的磁化。-圖2示出在圖I的磁體附近測(cè)得的磁感應(yīng)。-圖3a、3b和3c示出根據(jù)應(yīng)用于圖2的磁感比值的系數(shù)類(lèi)型獲得的非線(xiàn)性結(jié)果以及計(jì)算的電角度。-圖4示出對(duì)于平行六面體形的磁體，概括要應(yīng)用于磁化正切于磁體中央的情況的性能以及校正參數(shù)的表格。
-圖5示出對(duì)于平行六面體形的磁體，概括要應(yīng)用于磁化正交于磁體中央的情況的性能以及校正參數(shù)。-圖6a、6b和6c分別示出包括盤(pán)狀磁體的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖、測(cè)量點(diǎn)處的磁感應(yīng)以及非線(xiàn)性方面的結(jié)果。-圖7a、7b和7c分別示出包括管狀磁體的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖、測(cè)量點(diǎn)處的磁感應(yīng)以及非線(xiàn)性方面的結(jié)果。-圖8a和Sb分別示出具有瓦形狀的第一測(cè)量系統(tǒng)的示意圖以及在非線(xiàn)性方面的結(jié)果。-圖9a和9b分別示出具有瓦形狀的第二測(cè)量系統(tǒng)的示意圖以及非線(xiàn)性方面的結(jié)
果O-

圖10示出具有瓦形狀的第三測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。-圖11示出具有多周期環(huán)形狀的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。-圖12示出包括在單一方向上磁化但強(qiáng)度沿位移方向改變的磁體的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。圖I示出具有平行六面體磁體(I)的線(xiàn)性絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的第一實(shí)施示例的示意圖。在該示例中，涉及在28mm行程上以固定為24mm的更小長(zhǎng)度(L)的磁體(I)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性位置傳感器。因而好處在于材料和體積上的受益，以及由此有益于成本和重量。在該圖I中，磁體(I)的寬度(LA)為5mm而高度(H)為3mm。需注意，磁體(I)的寬度和高度僅對(duì)諧波含量產(chǎn)生微弱的影響，且僅僅影響所獲得信號(hào)的振幅。該磁體(I)在磁體內(nèi)在接近180°的角度上按照連續(xù)改變的磁化方向被磁化。該角度通過(guò)分析確定為使得能夠在非線(xiàn)性方面獲得更好的結(jié)果。在該磁體(I)的上方，探測(cè)器(2)位于離上表面3. 5mm的距離(D)處，該探測(cè)器包括能在兩垂直軸上檢測(cè)磁場(chǎng)振幅Bt和Bn的磁敏檢測(cè)部件，Bt和Bn分別為在空間中的該點(diǎn)上磁場(chǎng)相對(duì)于位移方向限定的切向分量和法向分量。需注意，可以很容易設(shè)想為沿維度(LA)把所述檢測(cè)部件從磁體(I)對(duì)稱(chēng)平面移開(kāi)，目的在于擴(kuò)展出與其說(shuō)是切向和法向的磁分量不如說(shuō)是切向和軸向的磁分量。圖2示出在圖I的情況下，根據(jù)探測(cè)器相對(duì)于檢測(cè)部件(2)的霍爾元件的相對(duì)位置，在放置磁體(I)的點(diǎn)處磁場(chǎng)的法向(Bn)和切向(Bt)分量的感應(yīng)測(cè)量結(jié)果。在這種配置中，切向和法向信號(hào)明顯不同于相位偏移90°的兩個(gè)正弦波，這是因?yàn)橹C波含量較大，特別是因?yàn)檫吘壭?yīng)，更一般地說(shuō)，是因?yàn)榍懊骊U述的多種原因。因此，如圖3a所示，如果基于兩個(gè)分量之間的反正切計(jì)算，來(lái)計(jì)算位置(例如US7741839中所描述)，或如圖3b所示，如果如EP1989505所描述那樣預(yù)先施加等于振幅比值Vmaxt/Vmaxn的系數(shù)k,則將導(dǎo)致較大的不精確性。在圖3a上，曲線(xiàn)POS示出在未施加增益的情況下，根據(jù)應(yīng)用于圖2的信號(hào)的比值的反正切計(jì)算而計(jì)算出的電角度(位置的映像)。信號(hào)NL示出根據(jù)真實(shí)機(jī)械位置得到的信號(hào)POS的非線(xiàn)性?？梢钥闯觯捎谠谛盘?hào)上獲得的非線(xiàn)性為+/-2. 8%，因此結(jié)果較差。在圖3b上，在計(jì)算反正切之前，施加于法向和切向分量上的增益等于所述分量的振幅之比。按照?qǐng)D2，把切向信號(hào)的振幅設(shè)為433高斯，并把法向信號(hào)的振幅設(shè)為660高斯，該增益值因此接近O. 65 (433/660)。在行程上將該增益施加于分量的比值以及反正切的計(jì)算當(dāng)中，利用該比值計(jì)算的位置POSk具有表示為NLk的+/-I. 3%的非線(xiàn)性。在許多應(yīng)用中，這種非線(xiàn)性不能接受。本行業(yè)人員因此試圖借助上述描述的不同技術(shù)來(lái)校正這種非線(xiàn)性。 為此，既不把反正切計(jì)算應(yīng)用在由霍爾效應(yīng)元件檢測(cè)的電信號(hào)之比上，也不將反正切計(jì)算應(yīng)用在由簡(jiǎn)單的振幅比(VmaXt/VmaXn) k加權(quán)的信號(hào)上，而是借助由本發(fā)明特有的增益系數(shù)G加權(quán)的信號(hào)。實(shí)際上，在電信號(hào)是變形的正弦波而非單純正弦的情況下，該增益系數(shù)，盡管可能接近振幅比VmaXt/VmaXn，但卻總是不同于該比值。該系數(shù)的精確值由應(yīng)用于所計(jì)算的磁位置和真實(shí)機(jī)械位置的模擬數(shù)據(jù)的優(yōu)化算法確定。對(duì)磁位置值和機(jī)械位置值之間的偏差進(jìn)行最小化處理，從而確定測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算部件要使用的增益系數(shù)G。因此在不能通過(guò)模擬獲得感應(yīng)磁場(chǎng)的情況下，或在涉及校正探測(cè)器定位錯(cuò)誤的情況下，可以根據(jù)真實(shí)的機(jī)械位置對(duì)模型進(jìn)行分量的測(cè)量，其中該機(jī)械位置是借助標(biāo)準(zhǔn)位置傳感器測(cè)得的。因此與上述一樣，對(duì)由比值Vn/Vt的反正切計(jì)算得到的磁位置值和機(jī)械位置值之間的偏差進(jìn)行最小化處理，從而確定測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算部件要使用的增益系數(shù)G。圖3c示出仍然是在圖I所示的情況下，但通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明提出的方法，輸出信號(hào)和該信號(hào)的非線(xiàn)性上的結(jié)果。信號(hào)POSG表示通過(guò)對(duì)被施加增益G的、切向和法向分量的映像電壓的比值進(jìn)行反正切計(jì)算而獲得的信號(hào)。如果施加的增益G等于O. 76，則所獲得位置信號(hào)的由NLG表示的非線(xiàn)性由此降至+/-0. 62%，或者說(shuō)是比僅利用振幅比值的增益獲得的非線(xiàn)性小2倍的值。與圖I的實(shí)施方式相關(guān)的例子絕非局限于此，不同的磁體尺寸和測(cè)量條件意味著不同的校正增益值。已經(jīng)進(jìn)行的不同試驗(yàn)顯示，該增益G或者在振幅比值k的值以下，即在O. 4k到
O.98k的范圍，或者在k的值以上，即在I. 02k到2. 5k的范圍，也就是如果諧波含量不可忽略不計(jì)，則系數(shù)G將不同于k。圖4示出在磁化方向與平行六面體磁體中央相切的情況下，概括了為研究行程28mm的線(xiàn)性位置傳感器而進(jìn)行的試驗(yàn)的表格，以便顯示出結(jié)果的變化以及使用以往技術(shù)給出的增益k和使用為了獲得在行程上得到的信號(hào)的非線(xiàn)性的更好結(jié)果而被施加于法向和切向分量的比值的最佳校正增益G之間的區(qū)別。第一列“尺寸”示出所考慮的不同幾何形狀的情況的尺寸。其中的每一個(gè)涉及長(zhǎng)度在20mm到32mm之內(nèi)變化的平行六面體磁體。第二列的“空氣隙”列出磁體表面和檢測(cè)部件之間的測(cè)量磁隙或距離(D)。第三列示出例如按照以往技術(shù)的教導(dǎo)計(jì)算的與切向振幅％)和法向振幅U1)的比值對(duì)應(yīng)的系數(shù)k的變化。第四列示出由本發(fā)明給出且等于k值的λ倍的系數(shù)G的變化。第五列列出λ的值。第六列示出采用校正系數(shù)G在28mm行程上獲得的非線(xiàn)性的值，而第七列示出采用以往技術(shù)的校正系數(shù)k在28mm行程上獲得的非線(xiàn)性的值。所有這些具體的非限定性的典型示例中的每一個(gè)都表明，通過(guò)利用嚴(yán)格區(qū)別于k的系數(shù)G，可以顯著改善利用以往技術(shù)的系數(shù)k獲得非線(xiàn)性。圖4的表格特別示出，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于行程而同時(shí)確保良好線(xiàn)性的傳感器。以“情況#5”為例，磁體的長(zhǎng)度為20mm，小于28mm的行程。通過(guò)使用由以往技術(shù)給出的O. 47的修正系數(shù)，所獲得的最佳非線(xiàn)性為+/_9%。該值不符合工業(yè)規(guī)范。通過(guò)使用為I. 05的校正系數(shù)G，所獲得的最佳非線(xiàn)性因此為+/-0. 94%。以往技術(shù)不允許使用例如磁體小于行程 的構(gòu)造，而借助由本發(fā)明給出的校正系數(shù)，則可以使這樣的方案可行。圖5示出在磁化方向與平行六面體磁體正交的情況下，概括為了研究28mm行程的線(xiàn)性位置傳感器而進(jìn)行的試驗(yàn)的表格。在該表格上可見(jiàn)與圖4的表格示出的相同的列。讀者由此可以看到根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的情況實(shí)現(xiàn)在磁體(I)的中央處正切或正交的磁化產(chǎn)生的影響和好處。例如，選取“情況#14”。其涉及長(zhǎng)度為24mm的磁體(I )，因此比行程更短，對(duì)于該磁體在磁體上方的測(cè)量距離為6. 5mm,即距離相對(duì)較大。通過(guò)使用由以往技術(shù)給出的O. 52的校正系數(shù)k，所獲得的最佳非線(xiàn)性為+/-3.7%。該值不符合大部分工業(yè)規(guī)范。通過(guò)使用1.3倍于該系數(shù)的校正系數(shù)G，即等于O. 69的校正系數(shù)，所獲得的最佳非線(xiàn)性因此為+/-0. 08%。通過(guò)查看與磁化方向在中央處正交的情況有關(guān)的圖4的表格，可以看出對(duì)于O. 87的系數(shù)G，所獲得的最好結(jié)果是+/-0.21%。因此，通過(guò)在磁體(I)的中央實(shí)現(xiàn)法向磁化，將獲得磁體(O的尺寸被最小化的傳感器，同時(shí)確保以距磁體較大的距離進(jìn)行工作的可能性，保證最小的非線(xiàn)性并符合最嚴(yán)格的規(guī)范。還是在圖5的表格中，選取另一實(shí)施例?！扒闆r#20”表示磁體大于行程(長(zhǎng)度為32mm)的情況。通過(guò)以距磁體3. 5mm的距離工作，可以將系數(shù)k為O. 48時(shí)的+/-4. 6%的非線(xiàn)性改變?yōu)橄禂?shù)G為O. 3時(shí)的+/-0. 29%的非線(xiàn)性。因此即便磁體長(zhǎng)度比行程更大，也可以實(shí)現(xiàn)精確度提高的傳感器。有利的是，圖5的表格能確定限制非常嚴(yán)格的特別優(yōu)選的情況?！扒闆r#21”對(duì)應(yīng)于測(cè)量間隙很小(2mm)，且磁體(I)的長(zhǎng)度比行程小得多(在28mm的行程中為20mm)的情況。在該情況下，邊緣效應(yīng)較大，而且探測(cè)器(2)和磁體(I)之間的靠近使諧波含量很大。利用以往技術(shù)的O. 55的校正系數(shù)獲得的最佳非線(xiàn)性是+/_6%，而利用O. 31的校正系數(shù)G獲得的非線(xiàn)性等于+/-0. 6%。因此能以尺寸較小的磁體實(shí)現(xiàn)具有較大精確度的傳感器，并以較小的測(cè)量磁隙進(jìn)行工作。圖6a示出帶有盤(pán)狀磁體的絕對(duì)角位置測(cè)量系統(tǒng)的第一實(shí)施示例示意圖。方向沿磁體(I)厚度連續(xù)變化的磁化實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。探測(cè)器被定位在標(biāo)記為(S)的圓上，該圓與磁體(I)同心且位于磁體(I)的上方，代表探測(cè)器(2)相對(duì)于磁體(I)或探測(cè)器(I)相對(duì)于探測(cè)器(2)所處的真實(shí)路徑。為計(jì)算絕對(duì)位置而使用的分量是被標(biāo)為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。
在圖6b中，在360°的機(jī)械角行程上示出在磁體(I)的外直徑為20mm，內(nèi)直徑為IOmm且厚度為2. 5mm的情況下，由定位在距表面3mm的距離(D)處的探測(cè)器所見(jiàn)的分量Bt和Bn?？梢宰⒁獾剑撔盘?hào)包含次數(shù)i=3的諧波，該諧波按照分量趨于產(chǎn)生三角形或梯形形變。在圖6c上，可以再次觀察到由本發(fā)明提出的系數(shù)G的效果，相比于通過(guò)以往技術(shù)給出的+/-3. 6%的非線(xiàn)性，其允許獲得+/-0. 4%的傳感器非線(xiàn)性。因此相比于簡(jiǎn)單的兩信號(hào)振幅比值O. 44，施加O. 67的系數(shù)。圖7a示出帶有管狀磁體(I)的絕對(duì)角位置測(cè)量系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。從探測(cè)器(2)所見(jiàn)的方向在磁體(I)內(nèi)部連續(xù)變化的磁化，在360°的完整角行程 上實(shí)現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)。探測(cè)器(2)被定位在標(biāo)為(S)的圓形軌跡上，該圓形軌跡與磁體(I)同心，并且有利的是，被定為在磁體(I)的高度(H)上。計(jì)算絕對(duì)位置所使用的分量是被標(biāo)為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照讀取直徑(S)的高度，根據(jù)感應(yīng)振幅或傳感器精確度的因素來(lái)選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖7b中，在360°機(jī)械角行程上示出在磁體(I)的外直徑為7mm，內(nèi)直徑為5mm且厚度為3. 5mm的情況下，從探測(cè)器(2)所見(jiàn)的分量Bt和Bn，其中探測(cè)器被定位在距表面
3.16mm的距離(D)處?？梢宰⒁獾?，曲線(xiàn)含有非常小的諧波含量，看上去完全為正弦輪廓。然而在圖7c上可觀察到，盡管主要由于磁化工具的幾何形狀和磁體磁導(dǎo)率導(dǎo)致較小的諧波含量，而使所提出的系數(shù)(G)與以往技術(shù)的系數(shù)(k)之間的差別很小(為k的
I.03倍)，但其效果非常顯著，使傳感器的非線(xiàn)性從+/-0. 3%改善為+/-0. 04%。圖8a示出帶有瓦狀磁體的絕對(duì)角位置測(cè)量系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。磁化方向在磁體(I)內(nèi)部按照位移方向連續(xù)變化，并且所研究的完整角行程為80°。在磁體(I)前方探測(cè)器(2)被定位在軌跡(S)上，該軌跡對(duì)應(yīng)比磁體(I)的外直徑更大的直徑，與磁體(I)同心并且有利的是設(shè)置在磁體(I)的高度(H)上。計(jì)算絕對(duì)位置所使用的分量是被標(biāo)為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照讀取直徑(S)的高度，根據(jù)感應(yīng)振幅或傳感器精確度的因素來(lái)選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖Sb上，可觀察到相對(duì)于使用以往技術(shù)的系數(shù)k，使用本發(fā)明的增益G所帶來(lái)的改進(jìn)。對(duì)于90°、100°和120°的磁體(I)角向長(zhǎng)度，所獲得的最佳非線(xiàn)性分別從+/-4%改變?yōu)?+/-1%，從 +/-I. 51% 改變?yōu)?+/-0. 65%,從 +/-0. 9% 改變?yōu)?+/-0. 39%。圖9a示出帶有瓦狀磁體的絕對(duì)角位置測(cè)量系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖。磁化方向在磁體(I)內(nèi)部按照位移方向連續(xù)變化，并且所研究的完整角行程為40°。在磁體(I)前方探測(cè)器(2)被定位在距磁體(I)距離(D)處，位于呈圓弧形的軌跡
(S)上，該軌跡與磁體(I)同心。計(jì)算絕對(duì)位置所使用的分量是被標(biāo)為Vt和Vn的切向和法向的電分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照讀取直徑(S)，根據(jù)感應(yīng)振幅或傳感器精確度的因素來(lái)選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖9b上，可觀察到相對(duì)于使用以往技術(shù)的系數(shù)k，使用本發(fā)明的增益G所帶來(lái)的改進(jìn)。對(duì)于30°、40°、50°和70°的磁體(I)的角向長(zhǎng)度，所獲得的最佳非線(xiàn)性分別從+/-2. 53% 改變?yōu)?+/-0. 14%,從 +/-5. 3% 改變?yōu)?+/-0. 13%,從 +/-3. 7% 改變?yōu)?+/-0. 45%,從+/-0. 24% 改變?yōu)?+/-ο. 04%O圖10示出帶有瓦狀磁體的絕對(duì)角位置測(cè)量系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖。在該情況下，探測(cè)器(2)被定位在與磁體(I)的曲率半徑同心的軌跡(S)上，但位于比該曲率半徑更小的半徑上。實(shí)際上，與軌跡(S)的半徑大于磁體(I)的曲率半徑的情況相比，如果是半徑比該曲率半徑更小的軌道(S)從而所形成的位移較小，則會(huì)因此導(dǎo)致待施加校正因數(shù)的不同結(jié)果。圖11示出按照本發(fā)明的傳感器的構(gòu)造，該傳感器包括具有方向連續(xù)變化的多極磁化的環(huán)狀磁體(I)。實(shí)際上可以觀察到，該環(huán)具有5個(gè)以72°的機(jī)械角磁化的周期。在各周期上，可觀察到磁化方向的旋轉(zhuǎn)角度等于360°。當(dāng)磁體相對(duì)于探測(cè)器或探測(cè)器相對(duì)于磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，定位在磁體表面附近的探測(cè)器(2)因此以在5個(gè)周期上解碼角位置。位置傳感器因此不再提供360°旋轉(zhuǎn)角上的絕對(duì)位置，而是提供在一個(gè)72°周期上的絕對(duì)位置。該類(lèi)型的多極磁體結(jié)構(gòu)例如能提供發(fā)動(dòng)機(jī)電周期上的絕對(duì)位置。編碼器的精確度將影響發(fā)動(dòng) 機(jī)效率或者甚至由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)態(tài)扭矩的穩(wěn)定性。本發(fā)明能夠通過(guò)使用合適的增益來(lái)改善這兩個(gè)因素。圖12示出磁化類(lèi)型的變型。與方向連續(xù)變化的磁化不同的是，在此提出的磁化經(jīng)由沿單一方向改變的磁化振幅調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方向與傳感器的位移相對(duì)應(yīng)。此外，即便所述磁化允許獲得準(zhǔn)正弦的電信號(hào)，在計(jì)算反正切之前引入不同于所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的振幅比值的增益，也允許獲得更好的精度。在此處詳細(xì)描述并通過(guò)若干示例闡明的本發(fā)明當(dāng)然不局限于按照位移方向的傳感器。根據(jù)與上述針對(duì)位移方向描述的原理相同的原理，可借助一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，通過(guò)使用在測(cè)量點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的3個(gè)分量(切向和兩個(gè)法向)來(lái)實(shí)現(xiàn)遵從兩個(gè)位移方向的傳感器(稱(chēng)為2D傳感器)。
權(quán)利要求
1.一種絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，包括永磁體、在給定行程上關(guān)于所述磁體相對(duì)移動(dòng)的至少一個(gè)探測(cè)器以及計(jì)算部件，所述磁體在所述探測(cè)器處產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)具有沿位移方向的稱(chēng)為切向磁分量的第一磁分量Bt以及與所述第一磁分量正交并成90°相位差的稱(chēng)為法向磁分量的第二磁分量Bn，所述探測(cè)器給出分別取決于所述分量Bn、Bt的兩個(gè)電信號(hào)Vn、Vt，所述計(jì)算部件提供根據(jù)所述信號(hào)Vn、Vt之間的比值的反正切計(jì)算的位置信息，所述比值被施以校正系數(shù)G，其特征在于，所述計(jì)算部件被參數(shù)化，用以把嚴(yán)格區(qū)別于k的非零增益G施加在所述信號(hào)Vn、Vt中的一個(gè)上,其中，k代表比值Vmaxt/Vmaxn,其中,Vmaxt和Vmaxn分別表示所述信號(hào)Vt和Vn在所述行程上的振幅，所述增益G被計(jì)算為使來(lái)自磁分量的位置值與對(duì)應(yīng)的真實(shí)機(jī)械位置值之間的偏差最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體具有沿位移方向連續(xù)變化的磁化方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體具有單一方向的磁化，并且磁化強(qiáng)度沿位移方向連續(xù)變化。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算部件被參數(shù)化，以把介于O. 4k和O. 98k之間的增益G施加于所述信號(hào)Vn、Vt中的一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任意一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算部件被參數(shù)化，從而把介于I. 02k和2. 5k之間的增益G施加于所述信號(hào)Vn、Vt中的一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述磁傳感器包括至少兩個(gè)霍爾效應(yīng)元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述磁傳感器包括與通量集中器關(guān)聯(lián)的至少兩對(duì)霍爾效應(yīng)元件。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體為管狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至7中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體為呈瓦狀的半管形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至7中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體為盤(pán)狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至7中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體為扇形。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至7中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體是平行六面體。
13.根據(jù)權(quán)利要求2以及權(quán)利要求6至12中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體沿在中央法線(xiàn)方向和與所述行程的末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在所述行程上的總轉(zhuǎn)動(dòng)基本等于180°。
14.根據(jù)權(quán)利要求2以及權(quán)利要求6至12中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體沿在中央切線(xiàn)方向和與所述行程末端相切的方向之間變化的方向磁化，電角度在所述行程上的總轉(zhuǎn)動(dòng)小于360°。
15.根據(jù)權(quán)利要求I到14中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體為各向異性型，磁化方向與各向異性方向?qū)?zhǔn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體具有各向異性，各向異性的方向連續(xù)變化。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法，包括確定所述信號(hào)Vn、Vt在有效行程上的最大值Vmaxn、Vmaxt,計(jì)算與比值Vmaxt/Vmaxn相等的系數(shù)k，并在計(jì)算反正切之前，設(shè)置嚴(yán)格區(qū)別于k的非零增益G。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，測(cè)量信號(hào)Vn和Vt，通過(guò)比值Vn/Vt的反正切計(jì)算磁位置，對(duì)由反正切計(jì)算得到的所述磁位置的值和真實(shí)的機(jī)械位置值之間的偏差進(jìn)行最小化處理，以確定增益系數(shù)G。
19.根據(jù)權(quán)利要求I至17中任意一項(xiàng)所述的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的使用方法，其特征在于，所述方法包括預(yù)校準(zhǔn)操作，包括針對(duì)所述探測(cè)器和所述磁體的多個(gè)不同相對(duì)位置，通過(guò)測(cè)量或模擬，建立把所述相對(duì)位置中的每一個(gè)的測(cè)量值X與針對(duì)該相對(duì)位置X獲得的電信號(hào)Vn和Vt的比值Vn/Vt相關(guān)聯(lián)的規(guī)則；預(yù)優(yōu)化操作，包括確定所述增益G的值，使得對(duì)·于該值，針對(duì)多個(gè)相對(duì)位置獲得的、在不同的測(cè)量值X和與函數(shù)C · Arctg (G - Vn/Vt)對(duì)應(yīng)的不同值之間的偏差最小，其中C是已知的構(gòu)造常數(shù)；以及后續(xù)擴(kuò)展操作，包括把所述探測(cè)器和所述磁體的任一相對(duì)位置的測(cè)量值X與函數(shù)C · Arctg (G · Vn/Vt)的值進(jìn)行比較。
全文摘要
本發(fā)明尤其涉及為絕對(duì)位置的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)的方法，測(cè)量系統(tǒng)包括永磁體、在給定行程上關(guān)于所述磁體相對(duì)移動(dòng)的至少一個(gè)探測(cè)器以及計(jì)算部件，計(jì)算部件提供根據(jù)受校正系數(shù)G作用的、探測(cè)器輸出信號(hào)之間的比值的反正切計(jì)算得到的位置信息，所述信號(hào)是偽正弦波或方波。所述方法包括優(yōu)化操作，包括選擇系數(shù)G的值，其中系數(shù)G使因探測(cè)器的輸出信號(hào)的偽正弦特征而導(dǎo)致的測(cè)量系統(tǒng)的誤差最小。
文檔編號(hào)G01D5/14GK102893131SQ201180023873
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者米夏埃爾·德?tīng)柊蜖? 蒂埃里·多格, 迪迪埃·弗拉商, 熱拉爾德·馬松 申請(qǐng)人:移動(dòng)磁體技術(shù)公司