專利名稱：用于角度傳感器的方法和裝置的制作方法
用于角度傳感器的方法和裝置
背景技術(shù)：
如在本領(lǐng)域中公知的，存在用于確定角度位置的各種旋轉(zhuǎn)傳感器。在傳感器的一 種類型中，使用霍爾效應(yīng)模塊生成可以根據(jù)其確定角度位置的正弦和余弦信號(hào)。這種傳感 器使用數(shù)字處理以處理由霍爾單元生成的正弦和余弦信號(hào)。由于模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換以及其它因 素，這種數(shù)字處理對(duì)角度位置確定的速度和精確度產(chǎn)生了限制。例如，來自奧地利微系統(tǒng)公司的產(chǎn)品號(hào)AS5043是角度位置傳感器，其使用坐標(biāo)旋 轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算機(jī)(CORDIC)數(shù)字處理來自霍爾陣列的信息，該坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算機(jī)利用查找 表實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)學(xué)的迭代計(jì)算。其它傳感器使用類似的數(shù)字處理以實(shí)現(xiàn)用于計(jì)算位置信息的 各種處理算法。如在本領(lǐng)域中公知的，用于確定角度位置的正弦曲線之間的正交(quadrature) 關(guān)系對(duì)于最小化誤差很重要。還要求該正交關(guān)系使用A2Sin2 θ +A2COs2 θ =A2三角恒等式發(fā) 現(xiàn)正弦信號(hào)的幅值，其中A是幅值。用于生成需要的正弦和余弦信號(hào)的一種公知方法是在 兩個(gè)機(jī)械偏移的磁傳感器上方旋轉(zhuǎn)雙極盤狀磁體。然而，磁體與傳感器之間的故意或者非 故意機(jī)械未對(duì)準(zhǔn)能夠使輸入正弦曲線具有任意的相位關(guān)系而不是理想的正弦和余弦正交。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種使用模擬信號(hào)處理根據(jù)由磁傳感器生成的相移波形生成線性輸 出的旋轉(zhuǎn)傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，在單個(gè)襯底上提供傳感器。利用該結(jié)構(gòu)，提供高效且成 本節(jié)約的傳感器。盡管在示例性實(shí)施例中表示和描述的本發(fā)明具有特定的電路和信號(hào)處理 實(shí)現(xiàn)，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明可應(yīng)用于在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的各種模擬處理技術(shù)、實(shí)現(xiàn)以及算法。在本發(fā)明的一個(gè)方面，一種傳感器包括信號(hào)生成模塊，所述信號(hào)生成模塊包括磁 傳感器以提供位置信息，用于生成與所述位置信息相對(duì)應(yīng)的第一和第二波形?？梢詫⒖蛇x 的信號(hào)反相模塊耦合到所述信號(hào)生成模塊用于使第一波形反相以提供第一反相波形并且 使第二波形反相以提供第二反相波形?？梢詫⒛M信號(hào)處理模塊耦合到所述可選的信號(hào) 反相模塊用于提供對(duì)來自所述信號(hào)反相模塊的所述第一波形、第二波形、第一反相波形和 第二反相波形的代數(shù)控制并且生成線性位置輸出電壓信號(hào)。實(shí)施例可以包括各種特征。例如，信號(hào)反相模塊可以在第一區(qū)域中輸出第一和第 二波形并且在第二區(qū)域中輸出第一和第二反相波形，其中第二區(qū)域與在沒有第一和第二波 形的反相時(shí)輸出將是非線性的位置范圍相對(duì)應(yīng)。區(qū)域指示符比特可以表明第一和第二區(qū)域 中的位置范圍。第一區(qū)域可以跨度大約一百八十度。第一區(qū)域可以與-sin(e) >cos(9) 相對(duì)應(yīng)，其中_sin( θ )是指正弦波關(guān)于偏移電壓的反相，sin( θ )和cos( θ )體現(xiàn)與正弦曲 線相關(guān)聯(lián)的幅值和偏差，并且θ表明旋轉(zhuǎn)磁體在磁傳感器中的角度。第一區(qū)域能夠與θ的 大約訓(xùn)度到大m35度的范圍相對(duì)應(yīng)。可以通過output=Asin(θ)+offset/1/k(Asin(θ)+Acos(θ)+2 x offset)定義第一區(qū)域中的輸出，其中θ表明旋轉(zhuǎn)磁體在磁傳感器中的角度，offset是第一和第二 波形相對(duì)于地的垂直偏移。A是第一和第二波形的幅值，并且k是影響輸出的增益和垂直偏 移的實(shí)數(shù)。信號(hào)處理模塊可以包括模擬乘法器。傳感器可以提供在單個(gè)襯底上。傳感器能 夠包括具有多個(gè)極對(duì)的磁體以增加波形頻率，用于降低最大角度誤差的磁體。在本發(fā)明的另一方面，一種傳感器包括用于生成角度位置信息的磁位置感測(cè)元 件、用于生成與所述角度位置信息相對(duì)應(yīng)的第一波形的第一信號(hào)生成器、用于生成與所述 角度位置信息相對(duì)應(yīng)的第二波形的第二信號(hào)生成器，其中所述第一和第二波形偏移預(yù)定 量。該傳感器還包括用于使第一波形反相以提供第一反相波形的第一反相器以及用于使第 二波形反相以提供第二反相波形的第二反相器，其中所述第一和第二波形關(guān)于偏移電壓反 相，以及用于根據(jù)所述第一波形、第二波形、第一反相波形和第二反相波形生成線性輸出信 號(hào)的模擬信號(hào)處理模塊。該傳感器可以包括各種特征中的一個(gè)或者多個(gè)?？梢杂尚盘?hào)處理模塊在第一區(qū)域 中使用第一和第二波形并且在第二區(qū)域中使用第一反相波形和第二反相波形以生成線性 輸出信號(hào)。第一區(qū)域可以與對(duì)于位置感測(cè)元件的大約180度角度位置相對(duì)應(yīng)。區(qū)域指示符 可以表明第一和第二操作區(qū)域。在本發(fā)明的另一方面，一種傳感器包括信號(hào)生成器模塊，所述信號(hào)生成器模塊包 括位置傳感器、耦合到所述信號(hào)生成器模塊的信號(hào)反相模塊、以及耦合到所述信號(hào)反相模 塊以生成與所述位置傳感器的角度位置相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的模擬信號(hào)處理模塊。在一個(gè)實(shí) 施例中，在單個(gè)襯底上設(shè)置傳感器。在本發(fā)明的另一方面，一種方法包括設(shè)置包括磁位置感測(cè)元件的信號(hào)生成器模 塊，將信號(hào)反相模塊耦合到所述信號(hào)生成器模塊，并且將模擬信號(hào)處理模塊耦合到所述信 號(hào)反相模塊以生成與來自所述位置感測(cè)元件的信息相對(duì)應(yīng)的線性輸出信號(hào)。所述方法可以包括在單個(gè)襯底上設(shè)置所述信號(hào)生成器模塊、所述信號(hào)反相模塊以 及所述信號(hào)處理模塊，生成與來自所述位置感測(cè)元件的信息相對(duì)應(yīng)的第一和第二波形，以 及使所述第一和第二波形反相以生成線性輸出信號(hào)的步驟中的一個(gè)或者多個(gè)。在本發(fā)明的另一方面，一種傳感器包括磁體、相對(duì)于所述磁體定位以檢測(cè)附接到 所述磁體的部件的旋轉(zhuǎn)的第一，第二和第三傳感器元件、以及模擬信號(hào)處理模塊，用于處理 來自所述第一，第二和第三傳感器元件的輸出信號(hào)并且生成來自所述第一傳感器元件的第 一信號(hào)以及來自所述第二和第三傳感器元件的第二信號(hào)，通過最大化所述第一和第二信號(hào) 的正交關(guān)系最小化所述第一，第二和第三傳感器元件相對(duì)于所述磁體的位置未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。所述傳感器可以還包括下面特征中的一個(gè)或者多個(gè)所述傳感器元件包括霍爾 元件，所述傳感器包括第四傳感器元件并且所述第二信號(hào)是差分的，所述第一傳感器元件 是生成第一輸出信號(hào)T的TOP，所述第二傳感器元件是生成第二輸出信號(hào)R的RIGHT，并且 所述第三傳感器元件是生成輸出信號(hào)L的LEFT，其中所述第一信號(hào)是Vsin ( θ ) = V霍爾 (T)并且所述第二信號(hào)是Vcos(e) =V霍爾(L)+V霍爾(R)，所述元件是通軸(through shaft)ο在本發(fā)明的另一方面，一種方法包括設(shè)置相對(duì)于磁體定位以檢測(cè)附接到所述磁體 的部件的旋轉(zhuǎn)的第一、第二和第三傳感器元件；以及處理來自所述第一、第二和第三傳感器 元件的輸出信號(hào)以生成來自所述第一傳感器元件的第一信號(hào)以及來自所述第二和第三傳感器元件的第二信號(hào)，通過最大化所述第一和第二信號(hào)的正交關(guān)系最小化所述第一、第二 和第三傳感器元件相對(duì)于所述磁體的位置未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。


根據(jù)下面對(duì)附圖的描述，將更加充分理解本發(fā)明的前述特征以及本發(fā)明本身，在 附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性模擬角度傳感器的方框圖；圖IA是根據(jù)本發(fā)明能夠形成傳感器一部分的霍爾元件的圖形表示；圖2是模型化的正弦和余弦信號(hào)、正弦和余弦信號(hào)的平均以及基于等式1的關(guān)系 的輸出信號(hào)的圖形說明；圖3是具有反相區(qū)域的模型化的正弦、余弦、平均和輸出信號(hào)的圖形說明；圖4是表示用于線性和非線性輸出區(qū)域的區(qū)域指示符信號(hào)的圖形說明；圖5是根據(jù)本發(fā)明的模擬角度傳感器的示例性電路實(shí)現(xiàn)；圖6是圖5的電路的信號(hào)生成部分的電路圖；圖7是圖5的電路的信號(hào)反相部分的電路圖；圖8是圖5的電路的信號(hào)處理部分的電路圖；以及圖9是根據(jù)本發(fā)明的示例性傳感器封裝的圖形表示；圖9A是具有第一和第二管芯的傳感器的方框圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例由角度傳感器生成的信號(hào)的圖形表示；圖11是環(huán)形磁體和傳感器以及正弦和余弦信號(hào)的圖形表示；圖IlA是能夠生成正弦和余弦信號(hào)的圓環(huán)形狀的多極磁體的圖形表示；圖12是由圖11的結(jié)構(gòu)生成的信號(hào)的圖形表示；圖13是環(huán)形磁體和傳感器以及正弦和余弦信號(hào)的圖形表示；圖14是環(huán)形磁體和傳感器以及正弦和余弦信號(hào)的另一圖形表示；圖15是包括在正弦信號(hào)的一個(gè)周期上生成的斜坡的信號(hào)的圖形表示；圖16是第一區(qū)域解碼器比特的圖形表示；圖17是第二區(qū)域解碼器比特的圖形表示；圖18是示例性實(shí)現(xiàn)的電路圖；圖19是圖18的電路的仿真的圖形表示；圖20是補(bǔ)償波形平均的圖形表示；圖21是波形平均的示例性實(shí)現(xiàn)的電路圖；圖22是兩個(gè)偏移霍爾元件以及生成的信號(hào)的圖形表示；圖23是第一信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖24是第二信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖25是第三信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖26是表示輸入增益因數(shù)、輸入角度以及輸出角度的圖形表示；圖27是表示示例性實(shí)現(xiàn)的電路圖；圖28是表示圖27的電路的另一示例性實(shí)現(xiàn)的電路圖；圖29是第一信號(hào)處理步驟的圖形表示；
圖30是第二信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖31是第三信號(hào)處理步驟的圖形表示圖32是第四信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖33是第五信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖34是第六信號(hào)處理步驟的圖形表示；圖35是示例性實(shí)現(xiàn)的電路圖；圖36是對(duì)于圖35的電路的仿真輸出的圖形表示；圖37是AGC和/或AOC時(shí)序電路的示意性表示；以及圖38是圖37的電路中的信號(hào)的圖形表示。圖39是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的位置傳感器的示意性表示；圖40A是傳感器元件輸出信號(hào)的圖形表示，并且圖40B是根據(jù)輸出信號(hào)的差分信 號(hào)的圖形表示；圖41A是傳感器元件與磁體之間未對(duì)準(zhǔn)時(shí)傳感器元件輸出信號(hào)的圖形表示，并且 圖41B是根據(jù)輸出信號(hào)的差分信號(hào)的圖形表示；圖42A是傳感器元件與磁體之間未對(duì)準(zhǔn)時(shí)傳感器元件輸出信號(hào)的圖形表示，并且 圖42B是根據(jù)輸出信號(hào)的差分信號(hào)的圖形表示；圖43是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例表示用于設(shè)置使用差分信號(hào)的傳感器的步驟的 示例性順序的流程圖；圖44是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例具有增益的幅值以進(jìn)行匹配和組合從而生成具 有正交關(guān)系的正弦曲線的圖形表示；圖45是用于各種匹配輸入幅值的輸出相位的圖形表示；圖46A和46B是示例性處理操作的電路表示；圖47是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例具有反饋的增益控制電路的示意性表示；圖48是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的傳感器的方框圖；圖49是具有環(huán)形磁體和傳感器元件的通軸的圖形表示；圖50是傳感器元件信號(hào)的圖形表示；圖51是經(jīng)處理的傳感器元件信號(hào)的圖形表示；圖52是表示插值和線性化處理的方框圖；圖53是輸出誤差的圖形表示；圖54是線性化之后的輸出誤差的圖形表示；以及圖55是表示用于處理傳感器元件信息的步驟的示例性順序的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了具有信號(hào)生成模塊102的模擬位置傳感器100，信號(hào)生成模塊102用于 根據(jù)設(shè)置的磁傳感器生成到可選的信號(hào)反相模塊104的波形，該信號(hào)反相模塊104生成該 波形的反相版本。信號(hào)處理模塊106實(shí)現(xiàn)該波形的模擬代數(shù)操作(manipulation)。信號(hào)操 作模塊106生成與角度位置成比例的線性輸出電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，在單個(gè)硅襯底上設(shè) 置所述傳感器。圖IA示出了表示為具有永磁體152的示例性霍爾效應(yīng)器件150的磁傳感器，所述
7永磁體152具有用于生成正弦波的第一磁傳感器154以及與該第一傳感器成九十度放置用 于生成余弦波的第二磁傳感器156。可以根據(jù)所述正弦和余弦信號(hào)確定旋轉(zhuǎn)磁體152的角 度位置θ以提供線性傳感器輸出。在示例性實(shí)施例中，傳感器電路具有360°感測(cè)范圍并 且在單個(gè)電源上操作。 在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)在下面的等式1中闡述的關(guān)系生成傳感器輸出
oumt —ΑβΗΘ) +offset
vuipui —.、
L0077」丄(如111(沒)+如08(沒)+ 2乂(#擬)寸式⑴
k其中，output是傳感器輸出，A是生成的正弦和余弦信號(hào)的幅值，offset是正弦信 號(hào)相對(duì)于地的垂直偏移，并且k是任意的實(shí)數(shù)，其中k影響最終傳感器輸出的增益和垂直偏 移。通常，應(yīng)該設(shè)置k的值以使得輸出的數(shù)學(xué)值落入期望的操作范圍之內(nèi)。圖2示出了對(duì)于等式1的模型化的輸入正弦信號(hào)和輸出。示出了正弦波200 和余弦波202以及所述正弦和余弦信號(hào)的平均信號(hào)204。還示出了輸出信號(hào)206(sin/ (sin/2+cos/2))0注意到，(Sin/(Sin/2+COS/2))體現(xiàn)與等式1所描述的正弦曲線相關(guān)聯(lián) 的幅值和偏移。可以看出，如果保持下面等式2和3中的關(guān)系，則等式1產(chǎn)生在大約315° 到135°的第一區(qū)域中具有高度線性度的輸出信號(hào)206 O腳』電電&等式⑵A=供電電壓-0.5伏特等式(3)
2在135°到315°的第二區(qū)域中，與第一區(qū)域相比，在偏移電壓周圍使輸入正弦曲 線反相。所說明的模型假設(shè)A = 2伏特，offset = 2. 5伏特，并且k = 2。利用這些觀察，可以修改等式1的模型以使得輸出信號(hào)在兩個(gè)區(qū)域中具有相同程 度的線性度并且在這兩個(gè)區(qū)域上是周期性的。在一個(gè)特定實(shí)施例中，如圖3所示，如果波形 落入135°到315° (第二區(qū)域)的范圍內(nèi)，則通過使所述波形反相來執(zhí)行所述修改。如圖 所示，在135°到315°的范圍中使正弦波200’、余弦波202’以及平均信號(hào)204’反相，所述 范圍對(duì)應(yīng)于-sin ( θ ) >cos(6 )，其中-sin( θ )是指正弦波關(guān)于偏移電壓的反相，sin ( θ ) 和cos( θ )體現(xiàn)與由等式1描述的正弦曲線相關(guān)聯(lián)的幅值和偏移。示例性參數(shù)是A = 2伏 特，offset = 2. 5伏特并且k = 2。如圖4所示，可以使用區(qū)域指示符250識(shí)別反相或者135°到315°的第二區(qū)域， 可以將其提供為比特，表明是否-sin( θ ) > cos( θ )，其中-sin( θ )是指正弦波關(guān)于偏移 電壓的反相，sin( θ )和cos( θ )體現(xiàn)與正弦曲線相關(guān)聯(lián)的幅值和偏移。如上所述，等式1 的修改模型產(chǎn)生在180°范圍上是周期性的輸出。為了提供360°感測(cè)范圍，可以使用下面 來定義第一和第二區(qū)域如果-sin(θ ) > cos( θ )則輸出區(qū)域=0°到180° (其中θ從315°到135°的第一區(qū)域)否則輸出區(qū)域=180°到360° (其中θ從135°到315°的第二區(qū)域)可選地，區(qū)域 指示符250可以用于垂直向上移位180°到360°的傳感器輸出或者第二區(qū)域以創(chuàng)建線性 斜坡。垂直移位的幅值取決于變量k。
8明模擬位置傳感器200的示例性電路實(shí)現(xiàn)。傳感器200包括 圖1的信號(hào)生成、信號(hào)反相以及信號(hào)處理模塊102、104、106的示例性實(shí)現(xiàn)，這將在下面進(jìn)行 詳細(xì)描述。圖6示出了包括第一和第二霍爾效應(yīng)器件302、304的信號(hào)生成模塊102的一個(gè)電 路實(shí)現(xiàn)，所述第一和第二霍爾效應(yīng)器件302、304中的每一個(gè)包括霍爾板306以及具有偏移 修整和增益修整輸入的放大器308?？蛇x地，可以調(diào)節(jié)增益和偏移修整值，例如通過自動(dòng)增 益控制和/或自動(dòng)偏移調(diào)節(jié)。第一霍爾效應(yīng)器件302輸出sin(e)信號(hào)并且第二霍爾效應(yīng) 器件304輸出COS(0)信號(hào)，其中θ代表旋轉(zhuǎn)磁體的位置。盡管所說明的實(shí)施例使用線性霍爾效應(yīng)器件提供正弦信號(hào)的生成，但是可以使用 各種其它磁傳感器，例如磁阻(MR)、磁控晶體管、巨磁控晶體管(GMR)傳感器或者各向異性 磁阻(AMR)傳感器。此外，盡管示出了正弦波，但是應(yīng)該理解，可以使用其它適合的波形來 滿足特定應(yīng)用的需要。第一信號(hào)反相器310使sin(e)信號(hào)反相以提供-Sin(e)信號(hào)(其中，-sin(e) 關(guān)于偏移反相)，并且第二信號(hào)反相器312使cos( θ )信號(hào)反相以提供-cos( θ )信號(hào) (其中，-cos(e)關(guān)于偏移反相)。利用反相器310、312，sin(e)、-sin(e)、cos(e)以 及-COS(Q)中的每一個(gè)都適用于信號(hào)反相模塊104(圖7)。比較器314接收C0S(e) 和-sin( θ )作為輸入以生成區(qū)域指示符比特(如上所述，反相或者非反相的正弦和余弦信 號(hào))。比較器314實(shí)現(xiàn)上述-sin(e) >cos(0)的確定以生成區(qū)域指示符比特。信號(hào)生成模塊102還包括調(diào)節(jié)電源316，例如5V，以及偏置參考電壓318，例如 2.5V。盡管在示例性實(shí)施例中使用5V的電源電壓，但是在滿足等式(2)和(3)中說明的關(guān) 系的同時(shí)，可以改變使用的特定電壓。圖7示出了示例性信號(hào)反相模塊104電路實(shí)現(xiàn)以使得從磁傳感器302、304(圖6) 在135° -315° (第二)區(qū)域中生成的正弦信號(hào)反相。在說明性的實(shí)現(xiàn)中，將原始(sin( θ ) 和cos( θ ))信號(hào)和反相信號(hào)(-sin( θ )和-cos( θ ))作為輸入提供到2輸入模擬復(fù)用器 350。比較器314輸出，能夠與圖4的區(qū)域指示符比特250相對(duì)應(yīng)，控制復(fù)用器350的輸出。 即，區(qū)域指示符比特250確定反相或者非反相的信號(hào)是否從模擬復(fù)用器250輸出?？梢岳?用各自的放大器352、354緩沖復(fù)用器250輸出以輸入到信號(hào)處理模塊106 (圖8)。圖8示出了使用具有第一和第二電阻器Rl、R2的電阻分壓器實(shí)現(xiàn)增益因數(shù)k的 示例性信號(hào)處理電路106實(shí)現(xiàn)。注意到，由于在示例性實(shí)施例中k = 2，再調(diào)用下面的等式 (1)，這可以工作。
QUtpUt__Asin(O)+ offset_丄++等式⑴ k位于電阻器R1、R2之間的點(diǎn)提供(Sin(e)+cos(e))/2。該信號(hào)被緩沖并且輸入 到模擬乘法器400。提供sin( θ )信號(hào)作為到模擬乘法器400的第二輸入(等式1中的分 子)，使用模擬乘法器400提供隱式除法。應(yīng)該理解，根據(jù)等式4，該電路包括對(duì)于多個(gè)區(qū)域 線性度的波形反相。在一個(gè)特定實(shí)施例中，模擬乘法器400在單個(gè)電源上操作并且假設(shè)地等于數(shù)學(xué) 零。應(yīng)該理解，其它電路實(shí)施例可以利用例如0. 5V的各種電壓作為“地”進(jìn)行操作以例如
9避免與地差異相關(guān)聯(lián)的效果。注意到，該除法操作僅要求兩個(gè)正交除法(或者乘法)，由于 假設(shè)兩個(gè)輸入信號(hào)在數(shù)學(xué)上都為正。在所說明的實(shí)施例中，處理來自模擬乘法器400的輸 出以對(duì)于在0. 5V到4. 5V范圍內(nèi)的輸出提供增益和偏移校正?？梢允褂帽绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的處理和技術(shù)在單個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)圖5的電路。盡管將本發(fā)明主要表示和描述為實(shí)現(xiàn)特定的代數(shù)關(guān)系以在單個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)模擬 位置傳感器，但是應(yīng)該理解，也可以實(shí)現(xiàn)其它代數(shù)關(guān)系。在另一實(shí)施例中，如下所述可以實(shí)現(xiàn)可選的算法。再次參照等式1， 辭如 一_Asmjd)+ offset_丄+乂+等式⑴ k其中，output是傳感器輸出，A是生成的正弦和余弦信號(hào)的幅值，offset是正弦 信號(hào)相對(duì)于地的垂直偏移，并且k是任意實(shí)數(shù)，其中k影響最終傳感器輸出的增益和垂直偏 移。
為了反映反相，可以將等式1在數(shù)學(xué)上表示為如在等式4中所闡述的
output =
-(士 sin(沒)土 eos(0)) + 2 χ offset 等式⑷ k
或者，表示為下面的等式5: output-
-(sin(^) + eos(<9)) ± offset 等式(5) k
然后在下面情況時(shí)應(yīng)用反相，即“-”項(xiàng)
2X offset- (Asin ( θ)+offset) > Acos ( θ)+offset
或者
A sin(0) + A cos(0) + 2 χ offset ^ ,、
——^-——J丄~ < offset等式(J)
2
為了獲得該算法的可選形式，可以將等式5簡(jiǎn)化為
h
使分子和分母同時(shí)乘以；以生成等式8中的結(jié)果
A
outPut =-等式(8)
A
如等式O)所示，在分子中插入加和減cos(e)
等式(6)
output “ ―~·■丨…一丨丨丨 …」r丨》廣 等式(g) .//3、，, ^ offset
+ CQs(B) 土-
A 根據(jù)等式(10)在分子中插入加和減sin(e)。
10

在等式11中，從分子中的“ksin ( 0 ) -sin ( e ) ”項(xiàng)中提取因子sin ( e )。 r等式(11) 注意到分子和分母中的共同項(xiàng)“sin(0) + cos(0)±^l^”。可以將等式n重寫
為等式12:si_詢等式(12) 注意到，如果意識(shí)到常數(shù)項(xiàng)“ 1”是DC偏移，則由于該偏移不會(huì)改變輸出的整體線 性度而可以消除該偏移，如等式13所示。 現(xiàn)在考慮k是僅影響輸出的最終增益和偏移的常數(shù)?？梢怨潭ㄔ摮?shù)以使得如在 上述示例中k = 2。這可以在等式14中表示 由于已知Sin(0) + eos(沒)=V2sin(0 + 45°)并且sin(0) - cos(0) = sin(0 _45°)，可
以將等式14改寫為等式15 使等式右側(cè)的分子和分母除以VI產(chǎn)生等式16的關(guān)系 +等式(16)
A注意到，分子中的正弦項(xiàng)sin(e-45° )與分母中的正弦項(xiàng)sin(e+45° )相差 90°的相位。因?yàn)檫@個(gè)，可以分別使用sin( e)和cos( e)代替分子和分母，如在下面的等 式17所示 土知押等式(17) 這將反相點(diǎn)(即，應(yīng)用“-”項(xiàng))改變?yōu)?O>cos(0)o而且，現(xiàn)在輸出的相位與反正切相等地對(duì)準(zhǔn)而不是輸出的相位與反正切相差45°。注意到，現(xiàn)在正弦曲線具有統(tǒng)一增益sin(e)具有零偏移，而cos(e)具有有限
偏移(即，cos(e)具有等于^^的偏移)。由于變量A和偏移不再代表正弦曲線的
實(shí)際增益和偏移，可以將該常數(shù)識(shí)別為可以被稱為b的數(shù)字。再次改寫得到等式18中闡述 的關(guān)系 輸出的線性度取決于常數(shù)項(xiàng)的值。先前示例表示為A = 2并且offset = 2. 5V。 在簡(jiǎn)明的“猜想”中，理想的常數(shù)項(xiàng)b大致等于1.7678。通過改變b的值可以稍微改善輸 出的線性度。將意識(shí)到，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)等式18的關(guān)系，例如為了適合上面的原始規(guī)范。 如果sin ( 9 )和cos ( 9 )具有某一增益A，則常數(shù)b必須也變?yōu)锳的函數(shù)，如在等式19中所 示 使用自動(dòng)增益控制或者使用等式20的公知的三角恒等式關(guān)系，可以知道A的值 圖9示出了具有說明性引腳分配Vcc和Gnd的示例性傳感器封裝500，具有 sin(0)和cos(e)引腳、區(qū)域指示符和位置輸出信號(hào)。應(yīng)該意識(shí)到，各種引腳分配配置是 可能的。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器封裝包括單個(gè)襯底502上的傳感器。對(duì)于示例性傳感器實(shí)現(xiàn)，可以期望提供一種與電源電壓成比例的角度傳感器的輸 出以使得能夠與諸如ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的各種電路的LSB(最低有效位)接口。如上所述， 為了使除法級(jí)的輸出與電源電壓成比例，可以應(yīng)用下面的關(guān)系k = 0. 4*電源，A = 0. 4*電 源并且offset = 0.5*電源。只要保持這些關(guān)系，就能成比例地調(diào)節(jié)傳感器輸出。可選地， 假設(shè)電源=5V，則如果僅允許A和offset成比例，則無論電源下降多低(假設(shè)其不削減輸 出)，除法器級(jí)的輸出將精確地相同。通過利用電源/5調(diào)節(jié)除法級(jí)的輸出可以實(shí)現(xiàn)比例性。 應(yīng)該理解，使用其它機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)比例性。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例在單個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)模擬傳感器與具有數(shù)字信號(hào)處理 核的傳統(tǒng)傳感器相比利用更少的部件提供更小的封裝。在一個(gè)特定實(shí)施例中，傳感器包括 單個(gè)管芯上的AMR和電路。在其它實(shí)施例中，角度傳感器可以具有多個(gè)管芯，例如用于GMR、 AMR、GaAs和各種硅霍爾傳感器。在圖9A所示的一個(gè)特定實(shí)施例中，角度傳感器包括具有 用于電路的CMOS工藝的第一管芯D1以及為傳感器提供不同的霍爾板摻雜的第二管芯D2 的多個(gè)管芯。其它實(shí)施例包括具有信號(hào)處理的一個(gè)管芯以及兩個(gè)GaAs管芯和/或兩個(gè)MR 管芯。應(yīng)該注意到，GMR管芯在靈敏度的不同平面中作用以使得需要正確放置傳感器，例如 更加接近旋轉(zhuǎn)軸的中心。此外，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，可以降低制造成本并且將很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)條 件。在本發(fā)明的另一方面，角度傳感器增加正弦頻率以提供更高的輸出分辨率。已經(jīng) 知道，在兩個(gè)90°機(jī)械偏移的磁傳感器上方旋轉(zhuǎn)徑向雙極盤狀磁體將生成正弦/余弦信號(hào) 對(duì)作為磁傳感器的輸出。磁體的一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)將與正弦和余弦信號(hào)的一個(gè)周期相對(duì)應(yīng)。
12通過在一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)上增加正弦曲線的頻率，在角度感測(cè)方面實(shí)現(xiàn)更高的輸出分辨率。如上所述，通過將90°機(jī)械偏移的兩個(gè)磁傳感器放置在旋轉(zhuǎn)的徑向雙極盤狀磁體 中心的周圍，可以生成用于角度感測(cè)應(yīng)用的一對(duì)正弦/余弦信號(hào)。將90°機(jī)械偏移的兩個(gè) 霍爾板放置在徑向雙極盤狀磁體中心的周圍產(chǎn)生正弦/余弦信號(hào)對(duì)。在使用這兩個(gè)正弦曲線作為角度感測(cè)算法，例如上面等式1中描述的算法的輸入 時(shí)，輸出呈現(xiàn)為如圖10中所示。按照下面的等式21計(jì)算輸出的最大角度誤差 其中e EXPECTED(e)是在給定角度e處的期望角度輸出，0)是在給定角度e 處磁傳感器的期望輸出電壓，V0FFSET是輸出電壓的偏移，是輸出電壓的全刻度電壓 范圍，并且0^^是輸出電壓斜坡的角度范圍。示出了正弦和余弦信號(hào)600、602以及輸出 電壓 VQUT( e )604。在等式21中觀察到誤差是輸出的角度范圍e ^^的函數(shù)。如果在固定其它變量 的同時(shí)降低0KAM;E，則可以降低最大角度誤差(VE_—MX)。可以通過在磁體的一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)上增加正弦曲線的頻率來降低0_『如果例 如使用環(huán)形磁體代替徑向雙極盤狀磁體，則可以在單個(gè)旋轉(zhuǎn)中生成更多的正弦曲線。例如， 如果使用三極對(duì)磁體，則如圖11所示，正弦曲線的頻率增加三倍，并且因此如圖12所示， 0eaN(;e降低三倍。如果9raN(;e降低給定的倍數(shù)，則MX將降低相同的倍數(shù)。圖11A示出 了表示多極“圓環(huán)”磁體的可選實(shí)施例。磁化從中心成輻射狀向外。在圖11的配置中，在具有奇數(shù)個(gè)(S卩，三個(gè))極的環(huán)形磁體654上，第一和第二傳 感器650、652偏移九十度。圖12圖形化示出了對(duì)于圖11的配置的信號(hào)，正弦、余弦和VQUT 輸出信號(hào) 656、658、660 以及 0 EANGE 662 和 VQFFSET664。在下面的等式22和等式23的計(jì)算中示出了誤差的降低。 V^ ^ ^-MAX^^Q)- outK )隱r Gg)等式(23)
^V FULL _SCALE應(yīng)該理解，可以將利用環(huán)形磁體增加正弦曲線的頻率應(yīng)用到任何數(shù)量的極對(duì)組合 中。注意到，給定的環(huán)形磁體可以具有生成相同的sin(e)和cos(e)信號(hào)的幾個(gè)不同的 可能傳感器布置。盡管將示例性實(shí)施例表示和描述為具有環(huán)形磁體，但是應(yīng)該理解，可以使 用其它適合的設(shè)備生成波形。圖13和14示出了具有兩個(gè)極對(duì)的環(huán)形磁體的示例性磁傳感器布置。圖13示出 了具有第一和第二極對(duì)的環(huán)形磁體700。第一傳感器702放置在北極/南極的交叉處，并且 第二傳感器704放置在分離大約四十五度的相鄰南極處。圖14示出了具有位于南極/北 極的交叉點(diǎn)處的第一傳感器752以及位于分離大約135度的非相鄰的南極中的第二傳感器 的環(huán)形磁體750?？梢钥闯觯瑢?duì)于兩種配置，所產(chǎn)生的正弦和余弦信號(hào)相同。如上所述，可以使用區(qū)域指示符比特來區(qū)分在正弦輸入的單個(gè)周期上的兩個(gè)相鄰 輸出斜坡。在多極實(shí)施例中，可以使用區(qū)域指示符比特來區(qū)分環(huán)形磁體的360度旋轉(zhuǎn)上的多
13個(gè)輸出斜坡。使用區(qū)域指示符比特作為到計(jì)數(shù)器的輸入，可以確定磁體操作的角度區(qū)域。在 循環(huán)通過所有區(qū)域之后，計(jì)數(shù)器可以復(fù)位回到零。只要設(shè)備在公知的角度區(qū)域(例如，對(duì)于 “磁體”磁化的四個(gè)區(qū)域的情況是0° -90° )中開始并且磁體沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，這種方案就 可以工作。如果磁體在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，則可以使用向上/向下計(jì)數(shù)器并且結(jié)合方向檢測(cè) 算法來確定操作區(qū)域。然而，設(shè)備必須在公知的角度區(qū)域中開始?？梢允褂孟旅娴牡仁?4計(jì)算由環(huán)形磁體生成的輸出斜坡的數(shù)量(S卩，可分辨區(qū)域 的數(shù)量)，每一個(gè)斜坡跨度和角度區(qū)域由等式25給出。 例如，使用等式24，可以計(jì)算具有兩個(gè)極對(duì)的環(huán)形磁體與該磁體的一個(gè)完整旋轉(zhuǎn) 上的四個(gè)輸出斜坡相對(duì)應(yīng)。比特狀態(tài)中的每一個(gè)變化與90°的區(qū)域中的變化相對(duì)應(yīng)(根據(jù) 等式25)。如在下面的表1中所闡述的，可以區(qū)分操作區(qū)域。表1操作區(qū)域 如圖15所示，區(qū)域指示符比特區(qū)分在正弦信號(hào)的一個(gè)周期上生成的第一和第二 斜坡802、804。如果將區(qū)域指示符比特作為到計(jì)數(shù)器的輸入進(jìn)行發(fā)送，則可以使用計(jì)數(shù)器來 區(qū)分在磁體的360°旋轉(zhuǎn)上的四個(gè)90°操作區(qū)域。盡管示例性實(shí)施例討論了霍爾效應(yīng)傳感器的使用，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說很明顯，也可以使用其它類型的磁場(chǎng)傳感器來代替霍爾元件或者與霍爾元件結(jié)合使 用。例如，該器件可以使用各向異性磁阻(AMR)傳感器和/或巨磁阻(GMR)傳感器。在GMR 傳感器的情況中，GMR元件旨在覆蓋由多個(gè)材料棧構(gòu)成的傳感器的范圍，該多個(gè)材料棧例 如線性旋轉(zhuǎn)閥、隧道磁阻(TMR)或者巨磁阻(CMR)傳感器。在其它實(shí)施例中，傳感器包括 后向偏置磁體以感測(cè)軟磁元件和/或目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的另一方面，需要用于增加通過在霍爾元件上旋轉(zhuǎn)單極磁體創(chuàng)建的正弦 信號(hào)的頻率的信號(hào)處理電路處理來自磁傳感器的輸出電壓并且在應(yīng)用到諸如在上面等式1 中描述的角度感測(cè)算法時(shí)生成能夠用于獲得更好分辨率的更大頻率的信號(hào)。如上所述，通過在兩個(gè)單獨(dú)的霍爾元件上旋轉(zhuǎn)單個(gè)雙極磁體能夠生成根據(jù)正弦和 余弦輸入的線性輸出。利用線性化信號(hào)，輸出中y伏特的變化直接與x旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)應(yīng)。根 據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，增加輸入正弦曲線的頻率通過增加在360°周期上的線性輸出
14
斜坡的數(shù)量而又增加輸出分辨率。在數(shù)學(xué)上，使用下面的三角恒等式二倍角關(guān)系來增加輸入正弦曲線的頻率是可能 的sin(2 0 ) = 2sin( 0 )cos( 0 )等式(26)cos (20)= cos2 ( 0 )-sin2( 0 )等式(27)如果將由等式26和27產(chǎn)生的倍增頻率信號(hào)作為到等式1的角度感測(cè)機(jī)制的輸入 進(jìn)行發(fā)送，則輸出將在360°的旋轉(zhuǎn)上具有四個(gè)線性斜坡。該線性斜坡的雙倍將導(dǎo)致角度感 測(cè)的整體分辨率的倍增。對(duì)輸出進(jìn)行解碼以區(qū)分0-90°，90° -180°，180° -270°以及270° -360°之間 的四個(gè)斜坡?？梢允褂孟旅娴乃膫€(gè)比特進(jìn)行解碼，例如在表1中所示。表1 用于區(qū)分每一個(gè)輸出斜坡的操作區(qū)域的解碼器比特
碼器比特一的復(fù)雜性是先前角度感測(cè)關(guān)系的輸出中-45°相移的結(jié)果?？梢愿淖?cè)?45° 相移，因而通過使用與等式1中描述的不同形式的算法來簡(jiǎn)化比較過程。為了生成上述表1中解碼器比特二的信號(hào)，可以利用下面的關(guān)系。如果-sin(2 0 ) > cos (2 0 )比特2=低否則比特2=高圖16示出了對(duì)于解碼器比特一 1001相對(duì)于輸出1000的時(shí)序圖并且圖17示出了 對(duì)于解碼器比特二 1002的時(shí)序圖。圖18示出了上述角度感測(cè)機(jī)制的示例性示意實(shí)現(xiàn)1010。電路1010包括正弦輸入
在示例性實(shí)施例中，可以按照下面生成解碼器比特一
sin(0 + 22.5。)= —((1 + V2) sin(0) + cos(^)) 4
如果 sin( 0 +22. 5° ) > offset 比特1 =低 否則
比特1 =高
其中，offset是正弦信號(hào)相對(duì)于數(shù)學(xué)零(例如，地)的垂直偏移。注意到，確定解1012和余弦輸入1014。區(qū)域電路1016生成解碼器比特一。代數(shù)電路108實(shí)現(xiàn)等式26和 27以向例如圖5中所示的電路的角度感測(cè)電路1020提供sin (2 e )和cos(2 e )。代數(shù)電 路1018生成乘以二以及cos2(e)并且減去sin2(e)的分量信號(hào)sin(e)和cos(e)。圖19示出了圖18的電路的仿真輸出1044。仿真輸入正弦1040和余弦1042信號(hào) 具有1kHz的頻率。注意到，可以利用輸入信號(hào)的任何分?jǐn)?shù)增加頻率以增加分辨率。例如 輸出中線性斜坡的數(shù)量與輸入的頻率成比例；例如使用等式28和29，將存在三個(gè) 線性輸出斜坡。解碼電路可以區(qū)分每一個(gè)線性斜坡的操作區(qū)域。在本發(fā)明的另一方面，角度感測(cè)輸出具有能夠與第二信號(hào)相互補(bǔ)償?shù)姆蔷€性波形 以使得兩個(gè)信號(hào)的平均值具有增強(qiáng)的線性度。將等式1拷貝如下 丄+ (約+ 2父0#對(duì))寸 k其中，output是傳感器輸出，A是生成的正弦和余弦信號(hào)的幅值，offset是正弦信 號(hào)相對(duì)于地的垂直偏移，并且k是任意實(shí)數(shù)。在將區(qū)域中的波形反相以在360度上實(shí)現(xiàn)相 同的線性度(參見等式4)時(shí)，如果-sin(e) >cos(0)時(shí)應(yīng)用減號(hào)。對(duì)等式1執(zhí)行代數(shù) 操作呈現(xiàn)出，在不隱藏在下面的等式30中說明的線性度屬性的情況下，可以按照更加簡(jiǎn)單 的數(shù)學(xué)形式表示。
Asin(^)0勢(shì)—_±0御等式(30)其中，output是傳感器輸出，A是生成的正弦和余弦信號(hào)的幅值，并且offset是 余弦相對(duì)于地的垂直偏移。如果cos(e) <0則應(yīng)用減號(hào)。假設(shè)輸入正弦曲線的一個(gè)周 期與磁體的一個(gè)360度旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)，回憶到等式1和30的輸出不是真正線性的，而是具有 士0. 33度的理論最佳情況的最大誤差?？梢赃x擇生成非線性波形并且用于等式30中的offset值的值。然后可以生成與 第一波形具有補(bǔ)償非線性度的第二波形。在一個(gè)實(shí)施例中，通過使用等式30的稍微修改版 本來執(zhí)行，如在下面的等式31中所示。第一和第二波形的平均可以比等式30單獨(dú)的最佳 情況誤差具有更高程度的線性度。考慮上面的等式30以及下面的等式31
Asin(0) ^ ,— =等式(31)其中，k是調(diào)節(jié)因數(shù)。注意到A和offset對(duì)于兩個(gè)等式具有相同的值。選擇k = 0. 309和offset = 1. 02A的值產(chǎn)生圖20中所示的波形。等式30的輸出1100和等式31 的輸出1102表示其各自的非線性度彼此補(bǔ)償以使得兩個(gè)波形的平均具有更高程度的線性 度。對(duì)于上面選擇的offset和k的值，所產(chǎn)生的輸出具有0. 029度的最佳情況最大誤差。
對(duì)波形1100、1102進(jìn)行平均導(dǎo)致具有0. 029°的最佳情況最大誤差的輸出。這是 與沒有本發(fā)明的補(bǔ)償波形平均相比更小的幅值數(shù)量級(jí)。通過下面的等式32描述最終輸出
等式(32)其中，A是正弦和余弦的幅值，offset是余弦的偏移，并且k是調(diào)節(jié)因數(shù)。在 cos(0) <0時(shí)應(yīng)用反相(S卩，減號(hào))。下面的圖21示出了等式32在電路中的示例性實(shí)現(xiàn)。注意到，可以對(duì)由等式30產(chǎn)生的具有不同偏移的兩個(gè)波形執(zhí)行這里描述的相同 平均技術(shù)，如在等式33中所示。
等式(33)例如，如果offset 1 = 1. 36且offset2 = 4. 76，則等式33的輸出具有大約 士 0. 15°的誤差。在本發(fā)明的另一方面，電路集成兩個(gè)磁傳感器以及生成根據(jù)兩個(gè)傳感器輸出推導(dǎo) 的第三正弦信號(hào)所需的信號(hào)處理電路。使用這三個(gè)信號(hào)，修整兩個(gè)正弦信號(hào)之間的相位差。 在角度感測(cè)、齒輪齒感測(cè)和其它應(yīng)用中，修整兩個(gè)正弦信號(hào)之間的相位差是有利的。該特征 在修整由于下面原因?qū)е碌膫鞲衅魑磳?duì)準(zhǔn)時(shí)尤其有利-在最終傳感器安裝期間的制造布置公差(即，盤狀磁體相對(duì)于角度傳感器未對(duì) 準(zhǔn))-影響沒有設(shè)置在單個(gè)襯底上的兩個(gè)霍爾或者M(jìn)R傳感器的相對(duì)布置的制造布置 公差。這在硅信號(hào)處理管芯與兩個(gè)或者多個(gè)GaAs霍爾板或者M(jìn)R(磁阻傳感器)接口的情 況中是有利的。對(duì)于角度感測(cè)應(yīng)用所需的生成一對(duì)正弦/余弦信號(hào)的傳統(tǒng)方案是在旋轉(zhuǎn)磁體的 中心周圍以90°機(jī)械偏移放置兩個(gè)霍爾板。該方案的缺點(diǎn)在于霍爾板的90°機(jī)械偏移的 任何未對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致正弦和余弦信號(hào)之間的相位誤差。機(jī)械未對(duì)準(zhǔn)的主要源來自終端用戶不 能在設(shè)備封裝上方精確對(duì)準(zhǔn)磁體。例如，干分之五寸的磁體放置未對(duì)準(zhǔn)能夠?qū)е赂哌_(dá)大約 士8. 33°的相位誤差。對(duì)于反正切算法，這樣的相位誤差轉(zhuǎn)換為大致士8°的角度誤差。相 位誤差是角度感測(cè)算法中誤差的主導(dǎo)源。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，修整在霍爾/MR生成的正弦/余弦信號(hào)之間的相位 差，如在下面將詳細(xì)描述的。注意到，在使用九十度偏移傳感器構(gòu)建cos(e)時(shí)該修整會(huì)很 難實(shí)現(xiàn)?？梢圆捎玫仁?4、35和36中的關(guān)系以提供根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的調(diào)整。Csin ( 9 + y ) = Asin ( 0 + a ) +Bsin ( 0 + ^ ) (34)
等式(35)
等式(36)其中，A、B和C是各自正弦曲線的增益，并且a、3、Y是它們的相位。下面描述 用于構(gòu)建cos(e)的示例性技術(shù)。
如圖22所示，首先通過各自的霍爾元件1200、1202生成第一和第二霍爾信號(hào)Sl和 s2。使81 =Asin(e)，其中A是某一任意增益。注意到，假設(shè)Asin(e)是參考信號(hào)并且因 此沒有與其相關(guān)聯(lián)的相位誤差。Hs2 = ASin(e+0)，其中90° < 0 <180°。例如，如 果 A= 1 并且 3 = 125°，則 Sl=Asin(e)并且 s2 = sin( e+125° )。通過相對(duì)于 Sl 機(jī) 械相位偏移地放置第二霍爾來生成s2。可以使用下面的等式37、38和39將兩個(gè)生成的信號(hào)與余弦相關(guān)。
其中，G是增益因數(shù)并且C是所產(chǎn)生的余弦信號(hào)的幅值?？梢允沟诙盘?hào)s2增益G。其中0 =125°，可以計(jì)算(等式38) G = 1. 74。結(jié) 果，如圖 23 所示，s2 = 1. 74sin( e+125° )?，F(xiàn)在使S3 = Sl+S2。如等式37所說明的，s3 = Ccos(e)，其中可以使用等式39 計(jì)算C。在該示例中，C = 1.43，因此如圖24所示，s3 = 1.43。08(9)，其中將八8111(9)和 Gasin ( 0 + 3 )相加以獲得 Ccos ( 0 )。然后衰減第三信號(hào)s3以使得其幅值與第一信號(hào)Sl的幅值匹配。這產(chǎn)生Sl = sin(e)并且 s3 = cos(e)，如圖 25 所示。在如上所述構(gòu)建相移的余弦信號(hào)之后，可以修整余弦的相位。通過對(duì)由在兩個(gè) 機(jī)械偏移的霍爾元件上方旋轉(zhuǎn)磁體生成的信號(hào)進(jìn)行加和來構(gòu)建余弦。假設(shè)由于(等于 Asin(0))是參考信號(hào)而沒有與其相關(guān)聯(lián)的相位誤差。通過s2的相位0以及s2的增益因 數(shù)G確定&的相位。s3 = Csin(e+Y)，其中Y在下面的等式40中給出。 理想的是，由于Csin( e+90° ) = Ccos ( e )，Y 等于 90°。已知s2可能會(huì)由于磁體未對(duì)準(zhǔn)而具有相位差，并且其相位差將直接影響s3的相 位。然而，如在下面的示例中所示，通過調(diào)節(jié)s2的增益，可以修整s3的相位中的誤差。示例假設(shè)期望生成下面的信號(hào)Si = sin( 0 )s2 = Gsin( 0 +125° ) = 1. 74sin( 0 +125° )s3 = Csin (0+90° ) = 1. 43sin (0+90° ) = 1. 43cos ( 0 )但是由于磁體未對(duì)準(zhǔn)，下面的結(jié)果Si = sin( 0 )s2 = 1. 74sin( 0 +115° )s3 = 2. 14sin( 0 +80. 54° )通過改變s2的增益，可以“固定”s3的相位。代替使G = 1. 74，使G = 2. 37。這將 使 s2 =2. 37sin( 0+115° )并且 s3 = 2. 14sin( 0+90° )。
圖26示出了對(duì)于0的幾個(gè)選擇增益因數(shù)G如何影響輸出相位，0是s2相對(duì)于Sl 的機(jī)械偏移。輸出曲線在90°附近越陡，越容易經(jīng)由改變?cè)鲆嬉驍?shù)G發(fā)現(xiàn)真實(shí)的Y。換句 話說，對(duì)于在90°附近更陡的曲線，增益誤差對(duì)于最終輸出角度具有更少的影響。這在下面 的表I中計(jì)算，其總結(jié)了輸入相位0對(duì)構(gòu)建90°相移信號(hào)的能力的影響。表I 隨著輸入相位0減小，角度分辨率增加。假設(shè)增益因數(shù)G可以實(shí)現(xiàn)在士 內(nèi)來計(jì)算角度分辨率。 在實(shí)際應(yīng)用中，可能0的最佳選擇是115°。假設(shè)0 < 士 10°，則余弦相位的 最差情況精確度將是士0.44°。接下來的步驟是調(diào)節(jié)C的增益以使得其與A匹配。在 圖27的示例性電路中實(shí)現(xiàn)構(gòu)建余弦的該數(shù)學(xué)過程。根據(jù)兩個(gè)輸入霍爾信號(hào)Asin( e )和 AGsin(e+0)生成余弦信號(hào)。為了調(diào)節(jié)0中的相位未對(duì)準(zhǔn)，應(yīng)該調(diào)節(jié)增益級(jí)。該示例假設(shè) A = 0. 5V, G = 2. 366 并且 3 = 115°。可以將用于修整余弦相位的相同技術(shù)應(yīng)用于修整正弦的相位。更具體地說，重新 設(shè)置等式39產(chǎn)生等式41中的結(jié)果= S3-S2 或者等式(41)Asin ( 0 ) = Ccos ( 0 ) —GAsin ( 0 + 3 )為了使Asin(e)相移，可以將另一增益級(jí)加到s2的輸出并且應(yīng)用等式41。考慮 下面S4 = XS2等式(42)YAsin ( 0 +a ) = Ccos ( 0 ) —XGAsin ( 0 + 3 )其中X和Y是增益因數(shù)并且a是移動(dòng)的角度?？梢允褂蒙厦鎸?duì)于余弦的相同原 理來計(jì)算這些變量。圖28示出了如何將Asin(e)的相位調(diào)節(jié)加到圖27的余弦構(gòu)建電路。在本發(fā)明的另一方面，使用可以是正弦曲線的單個(gè)波形來生成相應(yīng)的余弦信號(hào)。 如本領(lǐng)域中所公知的，研究角度感測(cè)電路的一個(gè)障礙是不依賴先前狀態(tài)的存儲(chǔ)而線性化正 弦輸入。如上所述，可以根據(jù)兩個(gè)正弦輸入提供線性輸出，例如，通過在兩個(gè)空間相移的霍
19爾元件上方旋轉(zhuǎn)單極磁體生成正弦和余弦信號(hào)。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，將三角恒等 式應(yīng)用到單個(gè)正弦輸入以構(gòu)建其相應(yīng)的余弦信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，生成與輸入正弦相對(duì) 應(yīng)的三角波。該三角波的生成不需要對(duì)先前狀態(tài)的任何存儲(chǔ)。利用三角恒等式Sin2(e)+cos2(e) = 1，可以將該三角恒等式寫為等式42 A2sin2 ( 0 ) +A2cos2 ( 0 ) = A2等式(42)其中，A是增益因數(shù)并且0是角度位置，求解cos(e)的絕對(duì)值。重新設(shè)置等式 42產(chǎn)生等式43的結(jié)果cos(0)\ == +4A2 - A2 sin2 (0)等式(43)其提供修正的cos ( 0 )。由于該等式的平方項(xiàng)使所有值為正，因此不能直接計(jì)算真 實(shí)的cos( e)信號(hào)。為了計(jì)算真實(shí)的cos( e )，需要在合適的點(diǎn)處使修正的信號(hào)反相的指示 符比特。如上所述，使用修正的正弦信號(hào)能夠計(jì)算線性輸出。通過構(gòu)建相應(yīng)的余弦信號(hào)可 以使正弦輸入線性化。一開始，如圖29所示，提供正弦輸入Asin(e)。如圖30所示，控制 該正弦曲線以具有形式A2sin2(e)。然后可以如圖31所示計(jì)算|AcoS(e) |。接下來的步 驟使Asin(e)和|Acos(0)增益常數(shù)G以符合等式44和45中的規(guī)則。如圖33所示，通過將GAsin( 0 )加到G|Acos( e ) |生成反相的“手杖” (cane)波 形。利用加法操作，該手杖波形將比GAsin(e)和G|AcoS(e) |大的因數(shù)。如圖34所 示，將該“手杖”波形除以修正的G|Acos( 0 ) |，可以在輸出增益和偏移方面相應(yīng)地修整其輸 出。輸出波形與初始正弦曲線的峰值和波谷相對(duì)應(yīng)。對(duì)于示例性實(shí)施例中的優(yōu)化結(jié)果，等式44和45中的關(guān)系應(yīng)該為真GA = 0. 596 (offset)等式(44)offset 乒 0等式(45)其中，G是上述的增益因數(shù)并且offset是正弦信號(hào)相對(duì)于數(shù)學(xué)零(S卩，地)的垂 直偏移。在不存在誤差源的理想情況下，最小非線性度是0. 328°。可以在電路中實(shí)現(xiàn)用于 線性化正弦曲線的該過程，例如圖35中所示的示例性電路中。將電路的輸出表示為圖36 的對(duì)于輸入正弦曲線1300和三角輸出1302的仿真結(jié)果。對(duì)于該示例，輸入正弦曲線具有 1kHz的頻率。為了在360度角度感測(cè)應(yīng)用中利用該算法，需要一種識(shí)別輸出的負(fù)斜坡部分的 方法。然而，這對(duì)于180度傳感器將不需要。該識(shí)別可以是使負(fù)斜坡部分反相并且區(qū)分 0-180°區(qū)域和180° -360°區(qū)域的指示符比特形式。該指示符比特可以采取用于識(shí)別磁 場(chǎng)極性，即，南極和北極，的附加磁場(chǎng)傳感器。沒有該指示符比特，該算法將只能是0-180° 的范圍。注意到，由于該輸出的相位具有-90°相移而不是-45°相移，因此該輸出與等式 1中的機(jī)制不同。對(duì)于等式1的實(shí)施例的相移，考慮0°是輸出最小值的點(diǎn)。在本發(fā)明的另一方面，控制輸入正弦曲線的增益和偏移以減小最終輸出誤差。可 以將自動(dòng)增益控制(AGC)和自動(dòng)偏移調(diào)節(jié)(A0A)應(yīng)用到上述的角度感測(cè)實(shí)施例。例如，一 個(gè)實(shí)施例使用偏移調(diào)節(jié)DAC (數(shù)字到模擬)以及從當(dāng)前DAC接收輸入電流以控制放大器的 增益的增益單元跨導(dǎo)。專利號(hào)為7, 026，808,6, 919，720以及6，815，944的美國(guó)專利示出了 示例性AGC電路，并且2006年4月17日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/405，265的美國(guó)專利申請(qǐng)公開 了示例性A0A實(shí)施例，這里引用上述專利和申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容作為參考。
在另一實(shí)施例中，具有增益控制的電路依賴輸入是
的事 實(shí)，其中A1和A2是信號(hào)的增益值。如果假設(shè)信號(hào)具有匹配的增益，(即，A1 = A2 = A)可以 在電路中實(shí)現(xiàn)三角恒等式X =+G4cos(0))2以求解實(shí)際增益Α。將正弦曲線調(diào) 節(jié)A的某一因數(shù)(其中使用上面的等式計(jì)算A)將導(dǎo)致最終的恒定增益，而與由于氣隙位移 導(dǎo)致的變化無關(guān)。該增益控制方法對(duì)于具有零偏移和匹配增益的信號(hào)有效，并且能夠結(jié)合 其它AGC方法使用?？梢岳斫?，例如能夠在線測(cè)試和/或消費(fèi)者最終測(cè)試結(jié)束處修整增益和偏移。也 可以在設(shè)備上電時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)或者在運(yùn)行模式期間動(dòng)態(tài)改變。如果期望在操作期間進(jìn)行增益和偏移的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，則設(shè)備可以具有啟用或者禁止 調(diào)節(jié)模式的校準(zhǔn)引腳。該引腳還能夠控制將AGC和AOA校正應(yīng)用到輸出的更新速度?？梢?通過時(shí)序機(jī)制控制更新頻率或者該更新頻率與該算法的最終輸出斜坡的下降沿瞬變相對(duì)應(yīng)。圖37和38示出了用于在運(yùn)行模式期間經(jīng)由時(shí)序機(jī)制控制AGC和AOA的速度的示 例性技術(shù)。位于校準(zhǔn)引腳CAL上的外部電容器C使中心節(jié)點(diǎn)充電。在電容器C上的電壓達(dá) 到Vkef時(shí)，比較器CO跳閘(trip)并且使電容器放電。比較器CO輸出將瞬間脈沖升高。在 比較器脈沖升高時(shí)可以更新AOA和AGC校正。選擇不同尺寸的電容器能夠控制比較器脈沖 的速度。使CAL引腳變?yōu)榈蛯㈥P(guān)閉動(dòng)態(tài)更新模式。在本發(fā)明的另一方面，角度傳感器使用來自頻率獨(dú)立的正弦曲線的第一和第二正 交信號(hào)。利用該結(jié)構(gòu)，能夠提高傳感器的精確度。為了提供正交信號(hào)，可以使用差分(differentially)導(dǎo)致接近正交關(guān)系的四個(gè) 傳感器元件，例如霍爾元件。也可以使兩個(gè)正弦曲線的幅值增益以匹配，然后對(duì)這兩個(gè)信號(hào) 進(jìn)行加法和減法運(yùn)算產(chǎn)生接近正交的關(guān)系。也可以組合這些技術(shù)。下面詳細(xì)描述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例公開了如何根據(jù)頻率獨(dú)立的正弦曲線獲 得第一和第二正交信號(hào)。另一示例性實(shí)施例包括自動(dòng)增益控制(AGC)技術(shù)的示例利用這些 信號(hào)。公知的角度感測(cè)算法使用兩個(gè)輸入正弦信號(hào)生成線性輸出斜坡。這些算法依賴于 兩個(gè)輸入正弦曲線之間的90°相位關(guān)系并且不能容忍與理想值的稍微相位改變。利用增強(qiáng) 的正交生成第一和第二正弦信號(hào)有助于最小化角度感測(cè)算法中的誤差并且對(duì)于自動(dòng)增益 控制(AGC)很有用。圖39示出了用于創(chuàng)建在未對(duì)準(zhǔn)上具有接近正交關(guān)系的正弦曲線的示例性傳感器 實(shí)施例2000。如下所述，利用根據(jù)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁體2004設(shè)置的四個(gè)霍爾元件2002a-d生成 的差分信號(hào)。在說明性實(shí)施例中，沿著面向盤狀磁體2004的方形配置取向四個(gè)霍爾元件2002。 假設(shè)四個(gè)霍爾元件2002之間的中心點(diǎn)CP與盤狀磁體2004的中心C對(duì)準(zhǔn)。在所示的實(shí)施 例中，第一霍爾元件2002a位于頂部，第二霍爾元件2002b位于右側(cè)，第三霍爾元件2002c 位于底部，并且第四霍爾元件2002d位于左側(cè)。傳感器2000還包括用于執(zhí)行下面詳細(xì)描述的信號(hào)處理的至少一部分的信號(hào)處理 模塊2008。從頂部信號(hào)減去底部信號(hào)并且從左側(cè)信號(hào)減去右側(cè)信號(hào)將產(chǎn)生具有正交關(guān)系的兩個(gè)信號(hào)Sigl、Sig2(圖40、41、42)。盡管盤狀磁體的中心與四個(gè)霍爾的中心點(diǎn)之間未對(duì) 準(zhǔn)，信號(hào)Sigl和Sig2之間的關(guān)系保持接近正交。圖40A示出了來自四個(gè)霍爾元件2002a (頂部)、2002b (右側(cè))、2002c (底部)、 2002d (左側(cè))中的每一個(gè)的信號(hào)T、B、L、R，其中霍爾元件位于中心，S卩，未對(duì)準(zhǔn)。圖40B示出 了所產(chǎn)生的差分信號(hào)，包括第一信號(hào)Sigl和第二信號(hào)Sig2，其中，Sigl = 0^)/2且5土82 =(L-R)/2。第一輸入正弦曲線具有1.39Vpp的幅值，并且對(duì)于0. 8082的比值，第二輸入正弦 曲線具有1. 66Vpp的幅值。第一輸入信號(hào)具有2. 489V的偏移并且第二輸入信號(hào)具有2. 501V 的偏移，具有84. 32度的相位。圖41A示出了向上Imm和向左Imm未對(duì)準(zhǔn)的四個(gè)霍爾元件信號(hào)T、B、L、R。應(yīng)該理 解，根據(jù)磁體2004的中心(圖40)和四個(gè)元件2002的中心確定對(duì)準(zhǔn)。圖4IB示出了從霍 爾元件信號(hào)T、B、L、R推導(dǎo)的第一和第二信號(hào)Sigl、Sig2。圖42A示出了向上Imm和向左2mm未對(duì)準(zhǔn)的四個(gè)霍爾元件信號(hào)Τ、B、L、R。圖42B 示出了所產(chǎn)生的信號(hào)Sigl、Sig2。如上所示和所述，可以使用來自四個(gè)傳感器元件的輸出信號(hào)生成具有基本正交關(guān) 系的差分信號(hào)以降低由于傳感器元件相對(duì)于磁體的未對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致的精確度惡化。圖43是示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例用于差分傳感器的步驟的示例性順序的 流程圖。在步驟2100，確定之間的未對(duì)準(zhǔn)。在步驟2102，接收來自諸如圖39中所示的四個(gè) 霍爾元件2002a (頂部)、2002b (右側(cè))、2002c (底部)、2002D (左側(cè))的霍爾元件的信號(hào)。 在步驟2104，生成包括第一信號(hào)Sigl和第二信號(hào)Sig2的差分信號(hào)，其中第一信號(hào)Sigl = 0^)/2，并且第二信號(hào)5丨82= (L-R)/2。應(yīng)該理解，可以在寬范圍的封裝類型中設(shè)置本發(fā)明的傳感器。圖9示出了可以設(shè) 置本發(fā)明的傳感器的示例性封裝類型。在本發(fā)明的另一方面，示例性實(shí)施例通過使第一和第二正弦曲線的幅值增益以進(jìn) 行匹配并且然后對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行加法和減法操作來創(chuàng)建具有正交關(guān)系的正弦曲線?？紤]具有任意相位差的第一和第二輸入正弦曲線INl = Asin( θ )+a(等式 46)IN2 = Bsin( θ+(jj)+b(等式 47)對(duì)于輸入相位差Φ的大多數(shù)值，如果A = B，則可以生成具有90°相位差的第一 和第二輸出正弦曲線。這通過如在等式48和49中對(duì)輸入正弦曲線進(jìn)行加法和減法操作實(shí) 現(xiàn)。SIGl = ΙΝ1-ΙΝ2(等式 48)SIG2 = ΙΝ1+ΙΝ2(等式 49)將每一項(xiàng)除以因數(shù)二確保信號(hào)SIGl和SIG2具有小于或者等于1附和ΙΝ2的幅值。 所產(chǎn)生的正弦曲線具有下面形式
SIGl = Csin( θ - γ )+c(等式 52)SIG2 = Dsin ( θ + δ ) +d(等式 53)其中，如果A = B，則對(duì)于Φ的大多數(shù)值，δ-γ 士 90°。圖44示出了對(duì)于信號(hào)INl、ΙΝ2、SIGl、SIG2的上述關(guān)系的示例。在說明性圖中， INl = 3sin( θ )并且ΙΝ2 = 3sin( θ +150° )。所產(chǎn)生的正弦曲線SIGl和SIG2具有不匹 配的幅值和90°的相位差。圖45示出了在匹配輸入幅值中對(duì)于不同變化的輸出相位(參照等式46和等式 47)。χ軸代表輸入相位差Φ?？梢钥闯?，使用該技術(shù)，對(duì)于大多數(shù)輸入相位差，正交關(guān)系保 持具有相對(duì)嚴(yán)格的公差。圖46Α和46Β示出了用于在等式50和等式51中示出的數(shù)學(xué)運(yùn)算的示例性電路實(shí) 現(xiàn)。在說明性實(shí)施例中，圖46Α示出了電阻分壓器并且圖46Β示出了維特斯通橋。應(yīng)該理 解，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，寬范圍的可選實(shí)現(xiàn)將很明顯。例如，可以容易地配置 運(yùn)算放大器電路以提供期望的結(jié)果。從圖44可以明顯看出，輸出正交正弦信號(hào)將不必具有匹配幅值?？梢栽趯⑿盘?hào)輸 入到角度感測(cè)算法之前對(duì)該信號(hào)進(jìn)行修整以匹配幅值。在本發(fā)明的另一方面，可以單獨(dú)或者彼此結(jié)合使用上述方案以產(chǎn)生具有正交關(guān)系 的正弦曲線。修整該正交信號(hào)以具有匹配增益并且用作對(duì)于角度感測(cè)處理的輸入。這些處 理的信號(hào)對(duì)于自動(dòng)增益控制(AGC)電路是有用的?；貞浀?，用于自動(dòng)增益控制的一種技術(shù) 是利用三角恒等式關(guān)系A(chǔ) = VZsin2 + Zeos2 沒(等式 54)A2 = A2Sin2 θ +A2Cos2 θ(等式 55)其中，A是幅值并且θ是旋轉(zhuǎn)的磁角度。在一個(gè)實(shí)施例中，使用上述三角恒等式關(guān)系來指定一個(gè)輸入信號(hào)作為“Asin θ ”且 指定一個(gè)輸入信號(hào)作為“Acos θ ”并且使用上面的等式54直接計(jì)算Α?？梢允褂闷椒?、加法 和平方根模塊來計(jì)算sin' ^+ ^2 COS2 ^?？梢詫的值與參考電壓進(jìn)行比較，并且可以 使用反饋電路調(diào)節(jié)Asin θ和Acos θ的幅值。在另一實(shí)施例中，使用上面的三角恒等式關(guān)系并且使用平方和加法模塊計(jì)算 A2Sin2 θ +A2COs2 θ以發(fā)現(xiàn)A2的值(根據(jù)等式55)?？梢詫2的值與參考電壓進(jìn)行比較，并 且使用反饋電路調(diào)節(jié)Asin θ和Acos θ的幅值。該第二方案在電路實(shí)現(xiàn)中不需要平方根模 塊(參照?qǐng)D47)。圖47示出了根據(jù)本發(fā)明具有增益控制電路3002的示例性電路3000。在說明性 實(shí)施例中，AGC處理利用Vkef信號(hào)計(jì)算A2值。對(duì)信號(hào)Asin θ求平方3004，對(duì)信號(hào)Acos θ 求平方3006，并且對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行求和3008以向增益控制電路3002提供信號(hào)Α2。向增益 控制電路3002提供參考電壓Vref，信號(hào)Asin θ和信號(hào)Acos θ，該增益控制電路3002對(duì)于 Asin θ和Acos θ的反饋分別輸出Aksin θ和Akcos θ。增益控制電路3002增加或者降低 k的值，直到A2等于Vref。本發(fā)明的示例性實(shí)施例與公知的傳感器實(shí)現(xiàn)相比提供優(yōu)點(diǎn)。例如，使用上方 (head-on)磁體配置和四個(gè)霍爾元件實(shí)現(xiàn)，對(duì)于任意的未對(duì)準(zhǔn)幾乎保持90°輸出相位關(guān) 系。此外，利用加法/減法技術(shù)，該90°輸出相位關(guān)系對(duì)于輸入相位Φ的大多數(shù)值有效。只要兩個(gè)輸入信號(hào)具有匹配幅值，該接近正交關(guān)系將繼續(xù)保持。此外，利用加法/減法技術(shù)， 輸出相位僅是匹配輸入幅值的函數(shù)，并且因此獨(dú)立于輸入相位或者不匹配的輸入偏移。在本發(fā)明的另一方面，可以使用磁傳感器檢測(cè)磁通軸的旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，使 用三個(gè)傳感器提供九十度相位差的正弦/余弦信號(hào)。處理這些信號(hào)以確定該通軸環(huán)形磁體 的旋轉(zhuǎn)角度。圖48示出了具有多個(gè)磁傳感器4002a-c的示例性傳感器4000，用于檢測(cè)具有圖 49所示的環(huán)形磁體4007的旋轉(zhuǎn)通軸4005的角度位置?？梢园凑战Y(jié)合圖39所示和所述的 類似方式設(shè)置磁傳感器4002的結(jié)構(gòu)。如在上面和下面所描述的，可以通過放大器4004放 大并且通過濾波器4006濾波來自傳感器的輸出并且輸出作為Vsin ( θ )和vcos ( θ )。應(yīng)該 理解，環(huán)形磁體4007上的極對(duì)數(shù)量確定磁正弦信號(hào)在一個(gè)360度機(jī)械旋轉(zhuǎn)中的磁正弦信號(hào) 的頻率。例如三磁傳感器能夠?qū)τ谕ㄝS提供正弦/余弦信號(hào)，可以使用例如反正切的插值 控制該通軸以確定盤狀磁體在該軸上的旋轉(zhuǎn)角度。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，該結(jié)構(gòu)在頂部角度感 測(cè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)于未對(duì)準(zhǔn)振動(dòng)誤差的改善公差。在圖49所示的示例性實(shí)施例中，使用頂部傳感器T提供作為Vsin( θ ) = V霍爾 (T)的輸出信號(hào)并且使用左側(cè)和右側(cè)傳感器L、R提供Vcos( θ) =V霍爾(L)+V霍爾(R)。 在可選實(shí)施例中，可以使用第一和第二對(duì)中的四個(gè)傳感器提供第一和第二差分信號(hào)。例如， 如上所述，通過利用一對(duì)差分信號(hào)以及另一對(duì)加和信號(hào)，四個(gè)霍爾元件能夠生成正交信號(hào)。 應(yīng)該注意到，在示例性仿真中，使用三個(gè)霍爾元件比對(duì)于圖49中所示的應(yīng)用的四個(gè)元件提 供優(yōu)越的性能。在提供四個(gè)感測(cè)元件配置時(shí)，可以可選地關(guān)閉一個(gè)傳感器元件以降低功耗。圖50示出了對(duì)于用于例如圖49中所示的示例性環(huán)形磁體配置的每一個(gè)感測(cè)元件 Τ、B、L、R的原始霍爾元件信號(hào)。對(duì)于頂部和底部傳感器元件Τ、B之間以及左側(cè)和右側(cè)元 件L、R之間1. 8mm的間隔示出了原始信號(hào)。應(yīng)該理解，差分元件之間的霍爾間隔對(duì)于實(shí)現(xiàn) 正交是無關(guān)的。即，正交的正弦/余弦關(guān)系獨(dú)立于環(huán)形磁體的極間隔并且取決于磁元件的 機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。在圖51 中示出了 Vsin(Q)和 Vcos(0)，其中，Vsin(Q) = V 霍爾(T)，并且 Vcos(9) =V霍爾(L)+V霍爾(R)。示出這些信號(hào)而沒有增益和偏移校正。在示例性實(shí)施例中，如圖52中所示，執(zhí)行正弦插值處理。在一個(gè)特定實(shí)施例中，對(duì) 于插值使用反正切函數(shù)4050。應(yīng)該理解，在對(duì)正弦信號(hào)執(zhí)行反正切處理之后，在正弦信號(hào)的 九十度相位關(guān)系中或者在正弦信號(hào)的增益/偏移中仍然存在一些誤差。輸入正弦誤差會(huì)在 反正切處理中產(chǎn)生輸出誤差。在反正切模塊后端處使用線性化處理4052能夠降低輸出誤 差。圖53示出了沒有線性化時(shí)的輸出誤差等級(jí)并且圖54示出了在線性化之后的輸出誤差 等級(jí)。圖55示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例用于設(shè)置傳感器的步驟的示例性順序。在 步驟5000中，接收來自第一(例如，頂部)、第二(例如，左側(cè))和第三(例如，右側(cè))傳感 器的信息。該信息與具有附接的磁體的軸的旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)。在步驟5002中，由第一傳感器(V 霍爾(T))生成第一正弦輸出信號(hào)，例如Vsin( θ )。在步驟5004中，由第二和第三傳感器信 號(hào)，例如，V霍爾(L)、V霍爾(R)生成第二正弦信號(hào)，例如Vcos(e)。在步驟5006中，對(duì)第一和第二輸出信號(hào)執(zhí)行插值處理。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于插
24值使用反正切。在步驟5008中，對(duì)輸出信號(hào)執(zhí)行線性化處理以降低輸出誤差。在步驟5010 中，生成傳感器輸出信號(hào)。盡管所說明的實(shí)施例使用線性霍爾效應(yīng)器件提供正弦信號(hào)的生成，但是可以使用 各種其它磁傳感器，例如磁阻(MR)、磁控晶體管、巨磁阻(GMR)傳感器或者各向異性磁阻 (AMR)傳感器。此外，經(jīng)過示出了正弦波，但是應(yīng)該理解，可以使用其它適合的波滿足特定應(yīng) 用的需要?；谏鲜鰧?shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)。 因此，本發(fā)明并非局限于專門示出和描述的內(nèi)容，除非在所附權(quán)利要求中指明。將這里引用 的所有公開和參考文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容通過引用的方式并入本發(fā)明。
權(quán)利要求
一種傳感器，包括磁體；相對(duì)于所述磁體定位的第一、第二、第三和第四傳感器元件；以及模擬信號(hào)處理模塊，用于處理來自所述第一、第二、第三和第四傳感器元件的輸出信號(hào)并且生成第一和第二差分信號(hào)，從而通過最大化所述第一和第二差分信號(hào)的正交關(guān)系來最小化所述第一、第二、第三和第四傳感器元件相對(duì)于所述磁體的位置未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述傳感器元件包括霍爾元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述傳感器精確包括四個(gè)霍爾元件。
4 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述第一霍爾元件是生成第一輸出信號(hào)T的 TOP，所述第二霍爾元件是生成第二輸出信號(hào)R的RIGHT，所述第三霍爾元件是生成輸出信 號(hào)B的BOTTOM，并且所述第四霍爾元件是生成輸出信號(hào)的LEFT，其中第一差分信號(hào)sigl = (T-B)/2，并且第二差分信號(hào)sig2 = (L-R) 2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述磁體是盤狀磁體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述磁體具有兩個(gè)極。
7.一種方法，包括相對(duì)于磁體定位第一、第二、第三和第四傳感器元件；以及設(shè)置模擬信號(hào)處理模塊以處理來自所述第一、第二、第三和第四傳感器元件的輸出信 號(hào)并且生成第一和第二差分信號(hào)，從而通過最大化所述第一和第二差分信號(hào)的正交關(guān)系來 最小化所述第一、第二、第三和第四傳感器元件相對(duì)于所述磁體的位置未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述傳感器元件包括霍爾元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述傳感器精確包括四個(gè)霍爾元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第一霍爾元件是生成第一輸出信號(hào)T的 TOP，所述第二霍爾元件是生成第二輸出信號(hào)R的RIGHT，所述第三霍爾元件是生成輸出信 號(hào)B的BOTTOM，并且所述第四霍爾元件是生成輸出信號(hào)的LEFT，其中第一差分信號(hào)sigl = (T-B)/2，并且第二差分信號(hào)sig2 = (L-R) 2。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述磁體是盤狀磁體。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述磁體具有兩個(gè)極。
13.一種傳感器，包括磁體；相對(duì)于所述磁體定位的第一、第二和第三傳感器元件，用于檢測(cè)附接到所述磁體的部 件的旋轉(zhuǎn)；以及模擬信號(hào)處理模塊，用于處理來自所述第一、第二和第三傳感器元件的輸出信號(hào)并且 生成來自所述第一傳感器元件的第一信號(hào)以及來自所述第二和第三傳感器元件的第二信 號(hào)，從而通過最大化所述第一和第二信號(hào)的正交關(guān)系來最小化由于所述第一、第二和第三 傳感器元件相對(duì)于所述磁體的未對(duì)準(zhǔn)引起的位置誤差。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中，所述傳感器元件包括霍爾元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中，所述傳感器包括第四傳感器元件，并且所述 第二信號(hào)是差分的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中，所述第一傳感器元件是生成第一輸出信號(hào)T的TOP，所述第二傳感器元件是生成第二輸出信號(hào)R的RIGHT，并且所述第三傳感器元件是 生成輸出信號(hào)L的LEFT，其中，所述第一信號(hào)是Vsin( θ ) = V霍爾(T)并且所述第二信號(hào) 是 Vcos ( θ ) = V 霍爾(L) +V 霍爾(R)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中，所述部件是通軸。
18.一種方法，包括設(shè)置相對(duì)于磁體定位的第一、第二和第三傳感器元件以檢測(cè)附接到所述磁體的部件的 旋轉(zhuǎn)·’以及處理來自所述第一、第二和第三傳感器元件的輸出信號(hào)以生成來自所述第一傳感器元 件的第一信號(hào)以及來自所述第二和第三傳感器元件的第二信號(hào)，從而通過最大化所述第一 和第二信號(hào)的正交關(guān)系來最小化所述第一、第二和第三傳感器元件相對(duì)于所述磁體的位置 未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述傳感器元件包括霍爾元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述傳感器包括第四傳感器元件，并且所述第二信號(hào)是差分的。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第一傳感器元件是生成第一輸出信號(hào)T的 TOP，所述第二傳感器元件是生成第二輸出信號(hào)R的RIGHT，并且所述第三傳感器元件是生 成輸出信號(hào)L的LEFT，其中，所述第一信號(hào)是Vsin( θ ) =V霍爾(T)，并且所述第二信號(hào)是 Vcos ( θ ) = V 霍爾(L) +V 霍爾(R)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述部件是通軸。
23.一種磁傳感器，包括附接到軸的磁體；定位用于檢測(cè)所述軸的旋轉(zhuǎn)的第一、第二和第三磁傳感器元件；以及模擬反正切處理模塊，用于通過最大化根據(jù)來自所述第一、第二和第三傳感器元件的 信號(hào)生成的正弦/余弦信號(hào)的正交關(guān)系生成九十度正弦/余弦信號(hào)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的傳感器，其中，由所述第一傳感器元件生成所述正弦信號(hào) 并且由所述第二和第三傳感器元件生成所述余弦信號(hào)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的傳感器，還包括用于減小所述正弦和余弦信號(hào)中的輸出誤 差的線性化模塊。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的傳感器，其中，所述磁體包括環(huán)形磁體。
27.一種傳感器，包括磁體；第一、第二和第三磁傳感器元件；模擬處理模塊，用于根據(jù)提供所述磁體的角度位置信息的所述第一、第二和第三磁傳 感器元件生成正交的正弦和余弦輸出信號(hào)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的傳感器，其中，所述余弦輸出信號(hào)是差分的。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的傳感器，其中，所述余弦信號(hào)由所述第二和第三磁傳感器 元件生成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種傳感器，用于最小化傳感器元件相對(duì)于磁體的未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器包括磁體；相對(duì)于所述磁體定位的第一、第二和第三傳感器元件；以及信號(hào)處理模塊，用于處理來自所述第一、第二和第三傳感器元件的輸出信號(hào)并且生成第一和第二信號(hào)，通過最大化所述第一和第二信號(hào)的正交關(guān)系來最小化所述第一、第二和第三傳感器元件相對(duì)于所述磁體的位置未對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)。
文檔編號(hào)G01D5/244GK101918796SQ200880123891
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者D·J·哈斯, M·J·托馬斯, 籔崎仁 申請(qǐng)人:阿萊戈微系統(tǒng)公司