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

由此確定的信號精確度并不令人滿意，因?yàn)?，在一般情況下，兩磁場分量具有非常不同的振幅。因此，通過反正切計(jì)算的磁場角度與位置變化不成比例，由此導(dǎo)致對位置認(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，或者要求對尺寸的顯著影響，例如專利US7030608中所描述的示例。為了改善精確度，已經(jīng)在法國專利FR2893410中提出一種方法，該方法旨在對由傳感器給出的信號之比施加增益系數(shù)，并提出一種探測器，其包括連接在通量集中器上的兩對霍爾元件。該現(xiàn)有技術(shù)專利描述了一種傳感器，其包括沿直徑磁化的圓柱形磁體。檢測元件位于磁體的圓周，并獲取磁場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)等于來自切向分量的電壓與來自徑向分量的電壓的最大振幅比。因此，所獲得信號的非線性得到改善。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)由法國專利EP1989505描述的發(fā)明補(bǔ)充。該專利描述了具有磁體的線性或旋轉(zhuǎn)傳感器，該磁體在磁體內(nèi)部的磁化方向的改變?yōu)榫€性變化。按照這種方式，依然通過施加與來自徑向場和切向場的電壓振幅比相等的歸一化因子，可通過反正切計(jì)算，確定探測器相對于磁體的角或線性位移。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意，因?yàn)橄鄬τ趯碛晒I(yè)強(qiáng)制規(guī)定的限制，磁信號和電信號的非線性導(dǎo)致較低的精確度。實(shí)際上，在實(shí)際情況中，真實(shí)測得的信號不是單純的正弦曲線，而是具有可能較大的諧波成分。因此可以按照以下等式寫出各磁場分量= 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)的信號周期上的角位置。這是試圖獲知的角度，其與探測器相對于磁體的位置成比例，并且不與測量點(diǎn)的磁角度相混淆，磁角度被定義為與兩相關(guān)分量對應(yīng)的兩矢量之間的角度，-Bi表示構(gòu)成信號B1的不同諧波的振幅，-bi表示構(gòu)成信號B2的不同諧波的振幅，_i表示諧波的次數(shù)。信號諧波來自不同的干擾，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。可以通過選擇大尺寸的磁體來減小這種效應(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困難。例如，很難以完全線性的方式實(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)元件測得的電信號的諧波，-磁體的相對磁導(dǎo)率該相對磁導(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)元件檢測到的局部磁場發(fā)生變形，-磁體不均勻當(dāng)用某些類型的磁體，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，并引起局部磁場的變形，-檢測磁場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位置信息。通常，當(dāng)由于上述原因，信號為變形的正弦曲線而并非是單純正弦時(shí)，在磁體表面和測量探測器之間以較小距離，也就是靠近磁體來進(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)人員已試圖通過諸如信息后期處理等方案來改善精度，例如，應(yīng)用允許進(jìn)行線性化數(shù)值處理的修正表。該方法會(huì)導(dǎo)致成本過高并會(huì)降低系統(tǒng)是穩(wěn)定性，且對機(jī)械變化和位置偏差，特別是磁體和探測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。在專利FR2893410中提出的另一種解決方案在于通過磁體的非恒定形狀，例如橢圓截面而非圓截面，來彌補(bǔ)線性缺陷。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性。然而，這需要額外的電子資源，此外，其也是一種對公差缺乏穩(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)明的目的在于通過提出如下的絕對測量系統(tǒng)來克服這些缺陷，該絕對測量系統(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需后處理也不需要特定構(gòu)造的磁體。當(dāng)然，也可以對根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)應(yīng)用附加的處理，但按照本發(fā)明的測量系統(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，在本專利范疇內(nèi)術(shù)語“絕對位置”擴(kuò)展至多周期的測量系統(tǒng)。絕對位置因此將涉及在一個(gè)周期上的絕對位置，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)人員用小的磁隙來與大磁隙的情況一樣地進(jìn)行工作，在測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)明涉及一種絕對位置的測量系統(tǒng)，其包括永磁體、在給定行程上關(guān)于該磁體相對移動(dòng)的至少一個(gè)探測器以及計(jì)算部件，磁體在探測器處產(chǎn)生磁場，該磁場具有沿位移方向的稱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°相位差的稱為法向磁分量的第二磁分量Bn，探測器給出分別取決于分量Bn、Bt的兩個(gè)電信號Vn、Vt，計(jì)算部件提供根據(jù)信號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Vt和Vn在行程上的振幅，增益G被計(jì)算為使來自磁分量的位置值與對應(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Vn、Vt中的一個(gè)上，其中，k指信號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)的至少兩對霍爾效應(yīng)元件，例如，由邁利芯(Melexis)公司生產(chǎn)的MLX90316型探測器。在第二實(shí)施方式中，探測器可以具有霍爾效應(yīng)而不需要集中器，例如，微開(Micronas)公司的HAL3625型探測器。在第二實(shí)施方式中，探測器可以為磁阻型。
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(例如來自電線的)干擾磁場施加在磁體上，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)希望的磁體大小來特別是根據(jù)在非線性上獲得的性能指導(dǎo)磁化類型的選擇。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)明還涉及絕對位置測量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法，其包括確定信號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，通過使真實(shí)位置和計(jì)算位置之間的差別完全最小化來設(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位置測量系統(tǒng)的實(shí)施方法，該測量系統(tǒng)包括磁體和探測器，并且其中信號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，包括針對探測器和磁體的多個(gè)不同相對位置，通過測量或模擬，建立把相對位置中的每一個(gè)的測量值X與針對該相對位置X獲得的電信號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，使得對于該值，針對多個(gè)相對位置獲得的、在不同的測量值X和與函數(shù)C · Arctg (G · Vn/Vt)對應(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，其包括把探測器和磁體的任一相對位置的測量值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，如閱讀本說明書的本行業(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)成所涉及的絕對位置測量系統(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器和磁體的相對位移的距離與角度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)類型獲得的非線性結(jié)果以及計(jì)算的電角度。-圖4示出對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分別示出包括盤狀磁體的測量系統(tǒng)的示意圖、測量點(diǎn)處的磁感應(yīng)以及非線性方面的結(jié)果。-圖7a、7b和7c分別示出包括管狀磁體的測量系統(tǒng)的示意圖、測量點(diǎn)處的磁感應(yīng)以及非線性方面的結(jié)果。-圖8a和Sb分別示出具有瓦形狀的第一測量系統(tǒng)的示意圖以及在非線性方面的結(jié)果。-圖9a和9b分別示出具有瓦形狀的第二測量系統(tǒng)的示意圖以及非線性方面的結(jié)
果O-

圖10示出具有瓦形狀的第三測量系統(tǒng)的示意圖。-圖11示出具有多周期環(huán)形狀的測量系統(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量系統(tǒng)的示意圖。圖I示出具有平行六面體磁體(I)的線性絕對位置測量系統(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的更小長度(L)的磁體(I)實(shí)現(xiàn)線性位置傳感器。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)的寬度和高度僅對諧波含量產(chǎn)生微弱的影響，且僅僅影響所獲得信號的振幅。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。該角度通過分析確定為使得能夠在非線性方面獲得更好的結(jié)果。在該磁體(I)的上方，探測器(2)位于離上表面3. 5mm的距離(D)處，該探測器包括能在兩垂直軸上檢測磁場振幅Bt和Bn的磁敏檢測部件，Bt和Bn分別為在空間中的該點(diǎn)上磁場相對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)把所述檢測部件從磁體(I)對稱平面移開，目的在于擴(kuò)展出與其說是切向和法向的磁分量不如說是切向和軸向的磁分量。圖2示出在圖I的情況下，根據(jù)探測器相對于檢測部件(2)的霍爾元件的相對位置，在放置磁體(I)的點(diǎn)處磁場的法向(Bn)和切向(Bt)分量的感應(yīng)測量結(jié)果。在這種配置中，切向和法向信號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，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NL示出根據(jù)真實(shí)機(jī)械位置得到的信號POS的非線性?？梢钥闯?，由于在信號上獲得的非線性為+/-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。按照圖2，把切向信號的振幅設(shè)為433高斯，并把法向信號的振幅設(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%的非線性。在許多應(yīng)用中，這種非線性不能接受。本行業(yè)人員因此試圖借助上述描述的不同技術(shù)來校正這種非線性。 為此，既不把反正切計(jì)算應(yīng)用在由霍爾效應(yīng)元件檢測的電信號之比上，也不將反正切計(jì)算應(yīng)用在由簡單的振幅比(VmaXt/VmaXn) k加權(quán)的信號上，而是借助由本發(fā)明特有的增益系數(shù)G加權(quán)的信號。實(shí)際上，在電信號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。因此在不能通過模擬獲得感應(yīng)磁場的情況下，或在涉及校正探測器定位錯(cuò)誤的情況下，可以根據(jù)真實(shí)的機(jī)械位置對模型進(jìn)行分量的測量，其中該機(jī)械位置是借助標(biāo)準(zhǔn)位置傳感器測得的。因此與上述一樣，對由比值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，但通過應(yīng)用本發(fā)明提出的方法，輸出信號和該信號的非線性上的結(jié)果。信號POSG表示通過對被施加增益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。如果施加的增益G等于O. 76，則所獲得位置信號的由NLG表示的非線性由此降至+/-0. 62%，或者說是比僅利用振幅比值的增益獲得的非線性小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的非線性的更好結(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部件之間的測量磁隙或距離(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獲得非線性。圖4的表格特別示出，可以實(shí)現(xiàn)長度遠(yuǎn)小于行程而同時(shí)確保良好線性的傳感器。以“情況#5”為例，磁體的長度為20mm，小于28mm的行程。通過使用由以往技術(shù)給出的O. 47的修正系數(shù)，所獲得的最佳非線性為+/_9%。該值不符合工業(yè)規(guī)范。通過使用為I. 05的校正系數(shù)G，所獲得的最佳非線性因此為+/-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行程的線性位置傳感器而進(jìn)行的試驗(yàn)的表格。在該表格上可見與圖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”。其涉及長度為24mm的磁體(I )，因此比行程更短，對于該磁體在磁體上方的測量距離為6. 5mm,即距離相對較大。通過使用由以往技術(shù)給出的O. 52的校正系數(shù)k，所獲得的最佳非線性為+/-3.7%。該值不符合大部分工業(yè)規(guī)范。通過使用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)，所獲得的最佳非線性因此為+/-0. 08%。通過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，可以看出對于O. 87的系數(shù)G，所獲得的最好結(jié)果是+/-0.21%。因此，通過在磁體(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。“情況#20”表示磁體大于行程(長度為32mm)的情況。通過以距磁體3. 5mm的距離工作，可以將系數(shù)k為O. 48時(shí)的+/-4. 6%的非線性改變?yōu)橄禂?shù)G為O. 3時(shí)的+/-0. 29%的非線性。因此即便磁體長度比行程更大，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”對應(yīng)于測量間隙很小(2mm)，且磁體(I)的長度比行程小得多(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)獲得的最佳非線性是+/_6%，而利用O. 31的校正系數(shù)G獲得的非線性等于+/-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，并以較小的測量磁隙進(jìn)行工作。圖6a示出帶有盤狀磁體的絕對角位置測量系統(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，代表探測器(2)相對于磁體(I)或探測器(I)相對于探測器(2)所處的真實(shí)路徑。為計(jì)算絕對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)處的探測器所見的分量Bt和Bn?？梢宰⒁獾?，該信號包含次數(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，相比于通過以往技術(shù)給出的+/-3. 6%的非線性，其允許獲得+/-0. 4%的傳感器非線性。因此相比于簡單的兩信號振幅比值O. 44，施加O. 67的系數(shù)。圖7a示出帶有管狀磁體(I)的絕對角位置測量系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。從探測器(2)所見的方向在磁體(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，從探測器(2)所見的分量Bt和Bn，其中探測器被定位在距表面
3.16mm的距離(D)處?？梢宰⒁獾?，曲線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，使傳感器的非線性從+/-0. 3%改善為+/-0. 04%。圖8a示出帶有瓦狀磁體的絕對角位置測量系統(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)前方探測器(2)被定位在軌跡(S)上，該軌跡對應(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選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖Sb上，可觀察到相對于使用以往技術(shù)的系數(shù)k，使用本發(fā)明的增益G所帶來的改進(jìn)。對于90°、100°和120°的磁體(I)角向長度，所獲得的最佳非線性分別從+/-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角位置測量系統(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選擇軸向(Va)和切向(Vt)分量。在圖9b上，可觀察到相對于使用以往技術(shù)的系數(shù)k，使用本發(fā)明的增益G所帶來的改進(jìn)。對于30°、40°、50°和70°的磁體(I)的角向長度，所獲得的最佳非線性分別從+/-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角位置測量系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖。在該情況下，探測器(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)磁體相對于探測器或探測器相對于磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，定位在磁體表面附近的探測器(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)角上的絕對位置，而是提供在一個(gè)72°周期上的絕對位置。該類型的多極磁體結(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)明能夠通過使用合適的增益來改善這兩個(gè)因素。圖12示出磁化類型的變型。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)制來實(shí)現(xiàn)，該方向與傳感器的位移相對應(yīng)。此外，即便所述磁化允許獲得準(zhǔn)正弦的電信號，在計(jì)算反正切之前引入不同于所測量的兩個(gè)信號的振幅比值的增益，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)探測器，通過使用在測量點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的3個(gè)分量(切向和兩個(gè)法向)來實(shí)現(xiàn)遵從兩個(gè)位移方向的傳感器(稱為2D傳感器)。
權(quán)利要求
1.一種絕對位置測量系統(tǒng)，包括永磁體、在給定行程上關(guān)于所述磁體相對移動(dòng)的至少一個(gè)探測器以及計(jì)算部件，所述磁體在所述探測器處產(chǎn)生磁場，所述磁場具有沿位移方向的稱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°相位差的稱為法向磁分量的第二磁分量Bn，所述探測器給出分別取決于所述分量Bn、Bt的兩個(gè)電信號Vn、Vt，所述計(jì)算部件提供根據(jù)所述信號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Vt和Vn在所述行程上的振幅，所述增益G被計(jì)算為使來自磁分量的位置值與對應(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所述的絕對位置測量系統(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所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體為盤狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至7中至少一項(xiàng)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體沿在中央法線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)所述的絕對位置測量系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體沿在中央切線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)所述的絕對位置測量系統(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所述的絕對位置測量系統(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)所述的絕對位置測量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法，包括確定所述信號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)所述的絕對位置測量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，測量信號Vn和Vt，通過比值Vn/Vt的反正切計(jì)算磁位置，對由反正切計(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)所述的絕對位置測量系統(tǒng)的使用方法，其特征在于，所述方法包括預(yù)校準(zhǔn)操作，包括針對所述探測器和所述磁體的多個(gè)不同相對位置，通過測量或模擬，建立把所述相對位置中的每一個(gè)的測量值X與針對該相對位置X獲得的電信號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·于該值，針對多個(gè)相對位置獲得的、在不同的測量值X和與函數(shù)C · Arctg (G - Vn/Vt)對應(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，包括把所述探測器和所述磁體的任一相對位置的測量值X與函數(shù)C · Arctg (G · Vn/Vt)的值進(jìn)行比較。
全文摘要
本發(fā)明尤其涉及為絕對位置的測量系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)的方法，測量系統(tǒng)包括永磁體、在給定行程上關(guān)于所述磁體相對移動(dòng)的至少一個(gè)探測器以及計(jì)算部件，計(jì)算部件提供根據(jù)受校正系數(shù)G作用的、探測器輸出信號之間的比值的反正切計(jì)算得到的位置信息，所述信號是偽正弦波或方波。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使因探測器的輸出信號的偽正弦特征而導(dǎo)致的測量系統(tǒng)的誤差最小。
文檔編號G01D5/14GK102893131SQ201180023873
公開日2013年1月23日 申請日期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·德爾巴爾, 蒂埃里·多格, 迪迪埃·弗拉商, 熱拉爾德·馬松 申請人:移動(dòng)磁體技術(shù)公司