角方位传感器以及相应的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及感测磁场的角方位的领域。本发明尤其涉及传感器，其用于感测产生磁场的磁体的角方位，并且通过这种方式，也可以得到磁体的旋转速度或相关尺寸。本发明涉及根据权利要求的公开条款的方法和装置。相应的设备应用于许多领域，例如，在例如电机和汽车与飞机工业中的位置感测和旋转速度测量。
【背景技术】
[0002]在W02008/145662A1中，介绍了用于测量平面内磁场方向的磁场传感器，其包括感测结构，该感测结构包括环形阱和沿环形阱彼此等间距布置的等尺寸的多个触点；以及电路，其包括与感测结构的触点关联的多个电子开关、用于控制电子开关的逻辑块、至少一个电流源、用于测量第一电压和第二电压之间的差的装置、提供用于控制逻辑块的控制信号并提供参考信号的时序电路。逻辑块适用于根据预定方案在控制信号的控制下闭合和断开电子开关，以使得多个触点中的预定数量的触点形成垂直的霍尔元件，该垂直的霍尔元件由至少一个电流源供应电流并且具有两个连接至用于测量的装置的触点，以及使得垂直的霍尔元件沿着环形阱按步移动。还提供了用于测量参考信号和电压测量部件的输出信号之间的相位位移的装置。
[0003]根据W02009/1124969A1可知一种用于测量平面内磁场方向的磁场传感器，其包括两个可作为旋转的霍尔元件操作的感测结构。这两个霍尔元件沿相反的方向以离散步进旋转。这种磁场传感器可以用作用于测量流过导体的初级电流的电流传感器。
[0004]WO 2012/151707公开了用于感测磁场的角方位的方法，包括:
[0005]a)提供一组N2 2个霍尔效应设备，每个霍尔效应设备具有检测方向并且包括两对连接器；
[0006]b)提供至少一个具有基本频率f = l/Tf的带通滤波器；
[0007]c)提供至少一个在其输出端输出电流的电流源；
[0008]其中，将霍尔效应设备的两对连接器接线至所述电流源的输出端或者接线至所述带通滤波器的特定方式被称为“接线方案”；
[0009]dl)在持续0.5Tf的第一时间段期间以及以所述N个霍尔效应设备的特定次序，在持续时间ti的各个连续时间段期间将相应的接线方案Wi+应用于所述N个霍尔效应设备中的每一个;以及
[0010]d2)在持续0.5Tf的第一时间段之后的、持续0.5Tf的第二时间段期间，以及以所述N个霍尔效应设备的相同特定次序，在相同持续时间t i的各个连续时间段期间将相应的接线方案W1-应用于所述N个霍尔效应设备中的每一个；
[0011]其中，所述接线方案Wi+中的每一个是相应的另一接线方案W1-的正交且反向的接线方案；以及
[0012]e)响应于执行步骤dl)和d2)，从由所述带通滤波器输出的的信号得到指示所述角方位的输出信号；
[0013]其中? = ι，...，Ν。
【发明内容】
[0014]本发明的一个目的在于创建感测产生磁场的磁体的角方位的改进的方式。更具体地说，提供用于感测产生磁场的磁体的角方位的改进的方法并且提供用于感测产生磁场的磁体的角方位的相应的传感器及包含这样的传感器的集成电路。此外，还提供包含这样的传感器的设备或装置以及用于制造用于感测产生磁场的磁体的角方位的传感器的方法，以及信号处理单元在用于感测产生磁场的磁体的角方位的传感器中的用途。
[0015]本发明的另一目的是创建感测产生磁场的磁体的角方位的方法，其产生特别稳定的结果。
[0016]本发明的另一目的是提供确定此类角方位的方法，其对不期望的相位位移特别不敏感。
[0017]本发明的另一目的是提供确定此类角方位的方法，其对不期望的外部影响特别不敏感。
[0018]本发明的另一目的是提供确定此类角方位的方法，其对不期望的内部影响特别不敏感。
[0019]本发明的另一目的是提供确定此类角方位的方法，其能够明确地确定表示所述角方位的角。换句话说，所述角方位能够被确定以使得0°和360°之间的任一角能够被单一地(唯一地)确定。
[0020]本发明的另一目的是提供相对容易地实现的确定此类角方位的方法。
[0021]本发明的另一目的是提供产生特别精确的结果的确定此类角方位的方法。
[0022]本发明的另一目的是提供确定此类角方位的特别快的方法。
[0023]本发明的另一目的是提供具有良好的可制造性的传感器。
[0024]本发明的另一目的是提供改进的角位置传感器。
[0025]本发明的另一目的是提供改进的旋转编码器。
[0026]本发明的另一目的是提供改进的旋转速度传感器。
[0027]本发明的另一目的是提供改进的转数计。
[0028]本发明的另一目的是提供改进的电动机。
[0029]本发明的另一目的是创建在感测产生磁场的磁体的角方位中使用的改进的处理信号的方法。
[0030]本发明的另一目的是在用于感测产生磁场的磁体中的角方位的传感器中实施信号处理以使得传感器产生特别稳定的输出。
[0031 ]从下文的说明书和实施例呈现进一步的目的。
[0032]这些目的中的至少一个目的是至少部分地通过根据本专利权利要求所述的装置和方法实现的。
[0033]用于感测产生磁场的磁体的角方位的传感器，所述传感器包括感测单元，感测单元包括
[0034]一N > 2个磁场感测设备；
[0035]一扫描电路，用于(更特别地被构造和配置为)以频率fO重复地、以第一预设次序顺序地探测所述N个磁场感测设备中的至少两个磁场感测设备并且连结由相应的被探测的(或“被扫描的”)磁场感测设备针对所述磁场输出的信号，以便获取被称为第一原始磁信号的模拟信号，该模拟信号是包含具有所述频率fO的频率分量的信号；
[0036]—用于输出所述第一原始磁信号的至少第一磁信号输出端；以及
[0037]—用于输出参考信号的参考输出端，该参考信号是不依赖于所述磁场的、具有所述频率fO的逻辑信号；
[0038]所述传感器还包括
[0039]一第一信号处理单元和第二信号处理单元，它们被相同地构造，各自具有输入端和输出端；
[0040]—具有至少第一输入端和第二输入端的相位检测单元，用于得出输入到该相位检测单元的信号之间的相位差，以及用于根据所述相位差获取并输出表示与所述角方位相关的角的被称为输出角信号的信号，所述相位检测单元至少包括第一无模糊相位检测电路，第一无模糊相位检测电路具有两个分别与所述第一输入端和所述第二输入端相同的输入端；
[0041 ] 其中
[0042]Cl)所述第一信号处理单元的所述输入端耦合至所述第一磁信号输出端；
[0043]C2)所述第一信号处理单元的所述输出端耦合至所述相位检测单元的所述第一输入端；
[0044]C3)所述参考输出端耦合至所述相位检测单元的所述第二输入端；
[0045]C4)所述第二信号处理单元的所述输入端耦合至所述感测单元的输出端；
[0046]C5)所述第二信号处理单元的所述输出端耦合至所述相位检测单元的输入端。
[0047]如此，可以构造用于明确地感测整个360°场方位的传感器，此外，该传感器提供非常精确的输出(即，所述输出角信号对不期望的影响非常不敏感)。更特别地，可以获取两个分别经历可能发生在第一信号处理单元和第二信号处理单元中的相位偏移(不期望的相位偏移)的信号，尽管如此，由于使用参考信号，仍可以获得明确的结果。由于第一信号处理单元和第二信号处理单元的相似性(相同的构造)，这些(不期望的)相位偏移对于第一和第二信号处理单元(至少在很大程度上)是相等的。
[0048]基于这些信号形成差(特别是相位差)可能抵消相位偏移。消除了相位偏移，可以获取更稳定的传感器输出信号，实际上或者至少在很大程度上不依赖于内部效应(例如频率相关或电流相关效应)并且独立于第一和第二信号处理单元所受的外部影响(例如温度变化)。
[0049]可以通过不同的方法形成所述差。可以获取前述信号本身的相位差，即通过所述第一无模糊相位检测电路来获取。可替代地，两个信号中的每一个(分别与另一信号一起)被提供至相位检测单元的不同的无模糊相位检测电路，然后，从如此获得的相位差信号形成所述差，其特别地可以是数字信号，在这种情况下，可以使用数字加法或减法。
[0050]对于形成差，可替代地或另外地，也可以使用相位检测单元的第二无模糊相位检测电路确定所述相位偏移，并且使用所获得的信号作为闭环控制中的控制信号。更特别地，所述信号可以用于控制时钟发生器的频率，从该频率也能得出针对第一原始磁信号和针对参考信号的所述频率fO。
[0051]注意，措词“由相应的被探测的磁场感测设备‘针对’所述磁场输出的信号”可以被理解为“由相应的被探测的磁场感测设备输出的、‘作为该相应的被探测的磁场感测设备与所述磁场交互作用的结果’的信号”。
[0052]更具体地，所述第一原始磁信号可以为具有所述频率fO的周期信号-至少假设磁场保持不变。典型地，原始磁信号(第一或第二，参考下文)是阶梯信号。以及典型地，所述阶梯信号近似正弦形信号(至少假设在探测期间中磁场保持不变)。
[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，在一些实施例中，耦合C3和C4可以部分一致，例如耦合C4构成耦合C3的一部分。
[0054]还要注意，耦合(一般)不必是直接的，而是可以经由一个或多个单元实现，例如，在一些实施例中，耦合C3和/或耦合C4可以是例如经由衰减器的间接耦合。
[0055]相应地，根据该实施例，所述参考输出端可以直接或间接耦合至所述相位检测单元的所述第二输入端。特别地，间接耦合可以经由所述第二信号处理单元实现，参见下文。
[0056]所述信号处理单元可以特别地被构造和配置为从输入的模拟信号获取逻辑信号，以及更特别地从输入的周期模拟信号(例如第一原始磁信号或参考信号)获取在输入的周期模拟信号的每个零交点具有一个边沿的逻辑信号。
[0057]无模糊的相位检测电路被构造和配置为单一地(唯一地、明确地)确定两个输入信号的相位差，即，从0°到360°的整个范围内的相位差是可区分的，即，可以被唯一地识别。因此，无模糊相位检测电路的两个输入端不是等价的，即，互换输入信号通常产生不同的检测相位差，即，在另一情况下检测的相位差的负值。
[0058]通常，逻辑信号被输入至无模糊相位检测电路。
[0059]逻辑信号可以被限定为例如仅可以采用两个离散值的信号(或波形)。更特别地，逻辑信号的电压等于逻辑电平I或者逻辑电平零。
[0060]在一个实施例中，
[0061 ] 一所述相位检测单元包括第三输入端和第四输入端；
[0062]—所述相位检测单元包括第二无模糊相位检测电路，所述第二无模糊相位检测电路具有两个分别与所述第三输入端和所述第四输入端相同的输入端；
[0063]一所述第二信号处理单元的所述输出端耦合至所述相位检测单元的所述第三输入端。
[0064]第一无模糊相位检测电路和第二无模糊相位检测电路可以被相同地构造或者可以被不同地构造。
[0065]具有第二无模糊相位检测电路提供了获取两个(通常不同的)相位差的可能性，一个通过第一无模糊相位检测电路获取而另一个通过第二无模糊相位检测电路获取。这可以补偿不期望的效应或漂移，尤其是补偿所述相位偏移，并因此获取高稳定的输出角信号。特别地，这些相位差中的一个可以用于建立对另一个的修正。可以采用多种方法这样做。
[0066]特别地，这可以例如通过形成两个相位差之间的和或差来实现。在这种情况下，规定第一和第二无模糊相位检测电路被相同地构造是可取的。
[0067]在涉及最后提到的实施例的一个实施例中，所述相位检测单元包括具有第一输入端和第二输入端的加法器或减法器，所述第一和第二无模糊相位检测电路各自具有用于输出表示输入至相应的无模糊相位检测电路的两个输入端的信号之间的相位差的相位差信号的输出端，其中
[0068]—所述第一无模糊相位检测电路的输出端耦合至所述数字加法器或减法器的所述第一输入端；以及
[0069]—所述第二无模糊相位检测电路的输出端耦合至所述数字加法器或减法器的所述第二输入端；
[0070]特别地，该相位差信号可以是数字信号。
[0071 ]特别地，该加法器或减法器可以是数字加法器或减法器。
[0072]因此，可以使第一信号处理单元的输出端耦合(特别地直接耦合)至第一无模糊相位检测电路的输入端(尤其是至所述第一输入端)以及使第二信号处理单元的输出端耦合(特别地直接耦合)至第二无模糊相位检测电路的输入端(尤其是至所述第三输入端)。相应地，需要选择另外的互连，其中存在多种可能性。注意，当与无模糊相位检测电路的输入端的连接被互换时，无模糊相位检测电路一般输出不同的相位差信号。更精确地，当与它们的输入端的连接被互换时，输出的符号发生改变。因此，并且因为可以在一侧的无模糊相位检测电路之一(或者两者)和另一侧的加法器或减法器之间互连一个或多个反相器(即，针对数字信号，用于改变符号的部件)，所以为了获取期望的输出角信号，可以选择加法器或减法器，以及可以选择提供互连的多种方法，以及可以不提供反相器或者提供一个或多个反相器。
[0073]可以例如从两个相位差信号来形成和或差，这两个相位差信号被期望是相同的，并因此除了第一相位差信号相比第二相位差信号以相反的方式经历了不期望的效应以外而名义上相同(可能除了符号)，或者可以从经历了不期望的效应的一个相位差信号和表示该不期望的效应本身(可能除了符号)的另一相位差信号来形成和或差。
[0074]加法器或减法器的输出端通常是相位检测单元的输出端。特别地，加法器或减法器所获取的和或差可以是输出角信号。
[0075]在涉及最后提到的实施例的一个实施例中，
[0076]I)所述参考输出端;或
[0077]II)所述第一信号处理单元的所述输出端；
[0078]耦合至所述相位检测单元的所述第四输入端和所述第二信号处理单元的所述输入端。
[0079]以及特别地，可以规定将所述第二信号处理单元的所述输入端经由衰减器耦合
[0080]—在情况I)，至所述参考输出端；以及
[0081]—在情况II)，至所述第一信号处理单元的所述输出端；
[0082]特别地，在情况I)，可以给第二无模糊相位检测电路(经由相位检测单元的第四输入端)直接提供参考信号以及(经由相位检测单元的第三输入端)直接提供基于参考信号、但是已在第二信号处理单元中处理过的信号。通常，参考信号可以在衰减器中被衰减，然后(衰减的)信号再到达第二信号处理单元。
[0083]特别地，在情况I)，第一无模糊相位检测电路可以确定参考信号和通过在第一信号处理单元中处理第一原始磁信号获取的信号之间的相位差。我们将把所述通过在第一信号处理单元中处理第一原始磁信号获取的信号，即从第一信号处理单元(当其被提供以第一原始磁信号时)输出的信号，称为“第一处理的磁信号”。相应地，由第一无模糊相位检测电路输出的相位差信号表示叠加了不可避免地发生的，尤其是在第一信号处理单元中并且由于第一信号处理单元不可避免地发生的相位偏移的期望信号(可能除了符号)。第二无模糊相位检测电路确定参考信号和通过在第二信号处理单元中处理参考信号获取的信号之间的相位差。相应地，由第二无模糊相位检测电路输出的相位差信号表示不可避免地发生的，特别是在第二信号处理单元中且由于第二信号处理单元不可避免地发生的相位偏移。适当地形成由第一无模糊相位检测电路输出的相位差信号与由第二无模糊相位检测电路输出的相位差信号的和或差将导致该(不期望的)相位偏移的消除(因为第一和第二信号处理单元被相同地构造)并因此允许具有至少在很大程度上不依赖于所述相位偏移并因此非常稳定和精确的输出角