专利名称：用于确定指示器磁体磁化方向的传感器组件和方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及用于确定指示器磁体(indicator magnet)的磁化方向的概念。本发明的其他实施方式涉及磁基位置测量系统中的磁化方向的自动检测。
背景技术：
在磁基线性位置测量系统领域中，长期以来普遍使用与移动永磁体结合的霍尔(Hall)传感器来监测单轴线性移动。原理上，这种系统如图10所示来构造。存在固定传感器10，永磁体12以线性方式移动过该传感器10。传感器10测量相应磁场值并向估算单元提供这些值，估算单元据此计算磁体12的当前位置。在图10所示坐标系中，X轴基本平行于永磁体12移动的线性轴。此外，X轴和Z轴位于图平面内，而Y轴垂直于图平面。根据现有技术，存在用于采用霍尔传感器确定移动磁体的位置的不同估算方法。现有技术中已知的用于位置确定的过程的最简单形式使用磁场Z分量22的线性 范围20,如图11示例性所示。对于所示实例，它可以在-O. 005m到+0. 005m(=+/-5mm)范围内。在边界处出现显著非线性，从而对于该相对小的测量范围已使用了线性化。这种类型的估算相对容易实现，但在应用期间具有很大不足。一方面，由于位置值直接源于磁场分量的绝对值，所以磁体温度以及例如生产引起的磁化分散对测量精度具有直接影响。另一方面，与磁体的可测场(即明显大于约50μ T的地磁场的场)存在的面积相关的永磁体对于传感器的可用行进范围相对很小。因此，采用这种方法，传感器的检测范围以及由永磁体提供的磁场分量均未被完全利用，且此外，还产生了取决于永磁体温度的位置信号。在根据DE19836599A1的现有技术已知的另一过程中，为独立于磁体温度，利用了使用两个磁场分量Bx 30和Bz 22的比以及例如用于位置确定的其反正切计算的方法(见图12)。由于根据两个场分量的比来确定位置，所以该方法独立于传感器芯片和磁体的温度。此外，可用行进范围大于上述方法中的可用行进范围。然而，在根据图12的这种方法中也存在一般性问题，行进范围不受所测场分量的高度限制，但却受估算方法限制。因此，同样在这种方法中，传感器与永磁铁之间的理论可行的行进范围也未被完全利用。因此，本发明的目的是允许在磁基位置测量系统中扩大磁场传感器组件与指示器磁体之间的实际可用行进范围，以及同时增强应对寄生(spurious)影响的稳健性，诸如应对外部寄生磁场或温度变化。该目的通过根据权利要求I或14的传感器组件、根据权利要求9或19的方法以及根据权利要求20的计算机程序来解决。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种用于确定指不器磁体相对于传感器组件的磁化方向的传感器组件。其中，传感器组件包括第一磁场传感器，其用于检测关于第一空间方向的第一磁场分量和关于第二空间方向的第二磁场分量；以及第二磁场传感器，其用于检测关于第一空间方向的第三磁场分量和关于第二空间方向的第四磁场分量。这里，第一磁场传感器和第二磁场传感器彼此空间隔开而配置。此外，该传感器组件包括处理装置，其被实施为合成第一磁场分量和第二磁场分量以获得第一合成量，合成第三磁场分量和第四磁场分量以获得第二合成量，基于第一合 成量与第二合成量的比较来确定指示器磁体相对于传感器组件的位置，以及基于所确定的指示器磁体相对于传感器组件的位置和所检测到的关于第二空间方向的磁场分量的符号来确定磁化方向。本发明发现，例如，通过利用四象限估算法，如将在本发明中更详细描述的那样，通过基于所确定的指示器磁体相对于传感器组件的位置以及所检测到的关于第二空间方向的磁场分量的符号来确定指不器磁体的磁化方向，可获得指不器磁体相对于传感器组件的行进范围的恰如所述的扩大，并可同时获得对于外部寄生影响的增强的稳健性。采用该过程，具体地，通过(在磁基位置测量系统中)使用四象限估算法，可获得指示器磁体相对于传感器组件的实际可用的行进范围的扩大，以及同时获得测量组件对于寄生影响的增强的稳健性。换句话说，在本发明中，首先，为确定磁化方向，确定磁体相对于传感器(即相对于由传感器定义的基准点)的当前位置。因此，例如确定指示器磁体是在X轴的负向侧还是正向侧，其中，例如假设基准点为X轴的零点。该信息可通过在传感器芯片上不仅提供多轴磁场传感器而且还提供X方向上并列的两个传感器来获得。这里，假设X方向平行于传感器组件与指示器磁体之间的相对移动。在本发明的实施方式中，处理装置被实施为当在第一磁场传感器处两个磁场分量的第一合成量的大小(magnitude,幅值)或绝对值大于在第二磁场传感器处两个磁场分量的第二合成量的大小时，确定指示器磁体相对于传感器组件的第一位置；以及当第二合成量的大小大于第一合成量的大小时，确定指示器磁体相对于传感器组件的第二位置。换句话说，其中具体磁场大小最高的传感器更接近磁体。因此，通过比较以多轴方式测量的两个磁场传感器位置处的磁场大�。苫裰盘迨窃赬轴的正向侧还是负向侧。在本发明的其他实施方式中，处理装置还被实施为当第一位置已被确定时，在第二磁场分量或第四磁场分量为正号处示出第一磁化方向，且当第二位置已被确定时示出第二磁化方向；以及当第一位置已被确定时，在第二磁场分量或第四磁场分量为负号处示出第二磁化方向，且当第二位置已被确定时示出第一磁化方向。因此，通过获知磁体位于哪侦牝在第二步骤中，具体通过考虑磁场的Z分量，可明确得出磁体的磁化方向。
以下将参照附图更详细地讨论本发明的实施方式。附图示出图Ia和图Ib示出了用于确定根据本发明实施方式的指示器磁体的磁化方向的传感器组件；图2示出了相对于指示器磁体的X位置的第一磁场传感器的两个磁场分量的第一合成量和第二磁场传感器的两个磁场分量的第二合成量的大小的示例性曲线；图3a至图3d示出了用于确定针对指示器磁体相对于传感器组件的四种不同配置的指示器磁体的磁化方向；
图3e示出了图3a至图3d所示的四种配置的概述；图4示出了用于确定指示器磁体是否在传感器组件的基准点周围的中心区域内的由第一或第二磁场传感器检测到的对于第一空间方向的磁场分量和由第一或第二磁场传感器检测到的对于第二空间方向的磁场分量的大小的示例性曲线；图5示出了用于确定在图4所示中心区域中的关于图3的指示器磁体的磁化方向的不意图；图6示出了分别具有两个最大值(maximum,极大值)的第一磁场传感器的两个磁场分量的第一合成量和第二磁场传感器的两个磁场分量的第二合成量的大小的示例性曲线.图7示出了两个最大值已分别被减至一个最大值的第一磁场传感器的两个磁场分量的第一合成量和第二磁场传感器的两个磁场分量的第二合成量的大小的示例性曲 线.图8示出了通过使用指示器磁体的磁场的X和Z分量的四象限角度计算的示例性估算图；图9示出了用于确定根据本发明的指示器磁体的位置或磁化方向的方法的流程图；图10示出了根据现有技术的用于指示器磁体的位置确定的已知传感器组件的示意图；图11示出了通过使用指示器磁体的磁场Z分量的对应于图10所示传感器组件的示例性估算图；以及图12示出了通过使用磁场的X分量和Z分量的对应于图10所示传感器组件的另一示例性估算图。
具体实施例方式在以下将基于附图更详细地讨论本发明之前，应当注意，在以下实施方式中，相同元件或功能等价的元件在图中以相同附图标记示出。因此，在不同实施方式中，对具有相同附图标记的元件的描述是可互换和/或可互用的。图Ia示出了根据本发明实施方式的用于指示器磁体的位置确定的传感器组件100，其也可被称为编码磁体或传感器磁体或者位置磁体105。如图Ia所示，传感器组件100包括第一磁场传感器110、第二磁场传感器120和处理装置130。第一磁场传感器110和第二磁场传感器120可具体被实施为多轴磁场传感器,诸如对不同空间方向敏感的磁场传感器的组合(例如，垂直/水平霍尔传感器或霍尔元件)。这里，磁场传感器110、120可分别对不同的线性独立空间方向敏感，诸如对有关指示器磁体105的磁场的X方向101和Z方向102敏感。由X轴基本平行于指示器磁体105相对于传感器组件100的移动的线性相关方向这一事实定义了图Ia的坐标系。此外,X轴和Z轴在图平面内，而Y轴垂直于图平面。这意味着X轴指向有关指示器磁体与传感器组件之间移动的相对方向的轴向方向(X方向101)，而Z轴指向径向方向(Z方向102)。此外,磁场分量关于轴向方向对应于轴向分量Bx,而磁场分量关于径向方向对应于径向分量Bz,其中，由于对称原因，关于与由X轴和Z轴扩展成的平面垂直的Y方向103的磁场分量在本例中被认为可以忽略。在传感器组件100中，第一位置115处的第一磁场传感器110和第二位置125处的第二磁场传感器120彼此空间隔开放置。如图Ia所示，两个磁场传感器110、120可被例如放置在传感器芯片150上。例如,指不器磁体105可被实施为永磁体或电磁体。在本发明的实施方式中，指示器磁体105可相对于传感器组件100例如以线性方式沿轴(例如，与X方向101平行)移动。例如，示例性线性相对移动可通过移动指示器磁体105并固定传感器组件100而发生，或通过移动传感器组件100并固定指示器磁体105而发生，或者通过彼此相对移动传感器组件100和指示器磁体105而发生。如图Ia所示，源自指示器磁体105的磁场线109穿过分别在位置115和125处的两个磁场传感器110、120。在图Ia所示的指示器磁体105包括磁化方向107的情况下，磁场线109在X/Z平面内，且包括在正X或正Z方向101、102上的分量。两个磁场传感器110、120可分别输出取决于所测磁场分量Blx、Blz和B2x、B2z且具体与所测磁场分量Blx、Blz和B2x、B2z成比例的传感器信号Slx、Slz和S2x、S2z0各磁场分量在处理装置130中被处理和估算，以例如最终获得包括例如有关指示器磁体105的磁化方向107的信息的输出信号S’。·图Ib示出了图Ia所示的传感器组件100的进一步细节。在本发明的实施方式中，第一磁场传感器110和第二磁场传感器120分别包括两个传感器元件，其中，该传感器元件对不同空间方向101、102敏感。具体地，第一磁场传感器110的传感器元件被实施为输出在第一空间方向(例如，X方向101)上的第一磁场分量Blx,以及在第二空间方向(例如，Z方向102)上的第二磁场分量Blz。此外,第二磁场传感器120的传感器兀件被实施为输出在第一空间方向101上的第三磁场分量B2x,以及在第二空间方向102上的第四磁场分量B2z。在本发明的实施方式中，第一磁场传感器110和第二磁场传感器120的传感器兀件分别包括对不同空间方向101、102敏感的可比较磁体。如图Ib所不,两个磁场传感器110、120关于X方向101彼此空间隔开放置。在典型应用中，例如，由于本发明的概念可以非常有利地被应用在单片集成系统中，所以两个像素单元的距离将在约Imm到IOmm的范围内。从磁体中心到传感器表面的距离例如可在O. 5mm到IOOmm之间。在非常小的指示器磁体(2mmX2mmX2mm)中，有效距离将在约O. 5謹到ICtam,而在环形磁体(di=15mm、da=25謹、h=5mm)中，5謹到5Ctam的距离是有效的，且在(20mmX50mmX50mm)立方体磁体中，高达IOOmm以上的距离可能是有效的。基本上，磁体与传感器之间的距离取决于磁体尺寸。处理装置130被实施为合成第一磁场分量Blx和第二磁场分量Blz来获得第一合成量B1,以及合成第三磁场分量B2x和第四磁场分量B2z来获得第二合成量B2 (步骤133)。此夕卜，处理装置130被实施为基于第一合成量B1和第二合成量B2的比较来确定指示器磁体105相对于传感器组件100的位置(步骤135)。最终，处理装置130被实施为基于所确定的指示器磁体105相对于传感器组件100的位置和关于第二空间方向102的所检测到的磁场分量Bz的符号来确定磁化方向107 (步骤137)。最终，有关指示器磁体105的磁化方向的信息可被分配给处理装置130的输出信号S’，或者处理装置130可提供指示磁化方向的信号s’。在本发明的实施方式中，指示器磁体1005相对于两个传感器位置115、125的基准点155的位置可被设定。如图Ib所示，例如，基准点155可以是两个传感器位置115、125之间的中心上的对称点。此外，零点位置“O”可被分配至基准点155。在本发明的实施方式中，在零点“O”左侧(“左”)的指示器磁体105的位置表示第一位置，而在零点“O”右侧(“右”)的指示器磁体105的位置表示第二位置。这里，各位置指的是指示器磁体105相对于两个传感器位置115、125的通过基 准点155的垂直平分线157的位置。此外，基准点155可具体表示在图平面内由线性独立的空间方向101、102 (例如，X、Z方向)所扩展的坐标系111的原点。Y方向103垂直于图平面。具体地,关于如上 所述的两个空间方向101、102的磁场分量对应于轴向或径向分量Bx、Bz,其中，垂直于其的分量By可被忽略。由于对称的原因，在实施方式中，基准点处在两个传感器位置之间的中心。作为替代，可选择有关传感器组件100的任何基准点。在本发明的其他实施方式中，当具有磁轴106的指不器磁体105相对于两个磁场传感器110、120例如沿平行于X方向101的位移线165移动时，第一磁场传感器110和第二磁场传感器120被实施为分别检测轴向方向上的第一磁场分量Blx和第三磁场分量B2x以及径向方向上的第二磁场分量Blz和第四磁场分量B2z。参照图Ib的部分视图170，轴向方向由两个传感器位置115、125的距离矢量Ju未定义，以及径向方向由垂直于距离矢量是2且包括与磁体轴106的交点175的方向矢量来定义。在本发明的其他实施方式中，处理装置130被实施为分别将第一磁场分量Blx与第二磁场分量Blz合成，以及将第三磁场分量B2z与第四磁场分量B2z合成,从而分别使第一合成量的大小Ib1I表示大小函数I (b1x,Blz) I,以及第二合成量的大小|b2|表示大小函数
(b2x，b2z) I。因此，大小Ib1I或大小|b2|是对在第一传感器位置115和第二传感器位置125处的整个磁场强度的测量，其例如可经由以下关系来计算(I) IA I=况+ 圯(2) \ B2I=^Bfx+Bi图2不出了相对于指不器磁体105的X位置的第一磁场传感器110的第一合成量和第二磁场传感器120的第二合成量的大小的示例性曲线。图2示例性示出了竖轴上以特斯拉为单位的磁场强度，以及横轴上以米为单位的磁体的X位置。这里，图2的X位置基本对应于指示器磁体105在图Ib的线性位移线165上的位置。此外，图2所示的X位置O基本对应于图Ib所示的零点位置“O”。参照图2，两个输出信号在20mm与+20mm之间的范围内包括ο与3χιο_3τ之间的典型磁场强度。此外，可以看出，Ib1I和Ib2I的曲线包括被基本分配给X位置O的交点205。在本发明的实施方式中，处理装置130被实施为当第一合成量的大小Ib1I高于第二合成量的大小IB2I时确定第一位置(基准点155或零点位置“O”的“左”侧)，以及当第二合成量的大小IB2I高于第一合成量的大小Ib1I时确定第二位置(基准点155或零点位置“ O ”的“右”侧)。这里，如图2中由带有标记“磁体位于x〈0处”或“磁体位于x>0处”的相应箭头所指示，由负X值到交点205位置左侧的范围(range)来定义位置，以及由正X值到交点205位置右侧的范围来定义第二位置。因此，在实施方式中，通过比较分别由两个磁场传感器110、120提供的合成量B1和民的大小Ib1I和IB21，可确定和分配指示器磁体105的位置。因此，本质上提供更大输出信号或确定更大磁场强度的传感器更靠近指示器磁体105。此外，如上所述，处理装置130被实施为基于所确定的指示器磁体105相对于传感器组件100的位置和关于第二空间方向102的所检测到的磁场分量(Bz)的符号来确定磁化方向107 (图lb，步骤137)。用于示例的目的，图3a至图3d示出了指示器磁体105相对于基准点155的四种不同配置。在图3a至图3d中，一方面，指示器磁体105包括第一位置(“左”)或第二位置(“右”)，即指示器磁体105在位移线165的零点“O”的左侧或右侧，且另一方面，指示器磁体105包括在正或负X方向101上的磁化方向107。磁场线109分别对应于磁化方向107延伸，如图3a至图3d所示，其中，磁化方向107通过指示器磁体105的北极(N)和南极(S)给出。具体地，在图3a、图3b中，指示器磁体105具有第一位置，而在图3c、图3d中其具有第二位置。此外，在图3a、图3b中，指示器磁体105的磁化方向107指向正X方向，而在图3b、图3c中，其指向负X方向。
参照图3a至图3d，基于对位置的知晓(即，指示器磁体在左侧或在右侧)，磁化方向107可从利用第一磁场传感器110或第二磁场传感器120测量的磁场的Z分量B1z、B2z或者Bz导出。在本发明的其他实施方式中，处理装置130被实施为当第一位置已被确定时检测第二磁场分量Blz或第四磁场分量B2z为正号处的第一磁化方向，且当第二位置已被确定时检测第二磁化方向，以及当第一位置已被确定时检测第二磁场分量Blz或第四磁场分量B2z为负号处的第二磁化方向，且当第二位置已被确定时检测第一磁化方向。这里，第一磁化方向指向负X方向(见图3b、图3c)，而第二磁化方向指向正X方向(见图3a、图3b)。图3e的表总结了根据位置和Z分量Bz的符号得出的有关可能的配置的所述四种情况。为实现恰如所述过程的稳健性，实际中，由于因磁体的不对称或其他非理想情况而可能发生例如用于检测磁体所在的一侧的两个大小函数的交点(图2中交点205)并不严格在与磁场Z分量的零点位置相同的位置处，所以零点(基准点)周围区域可被分别处理。这可能导致对测量范围中心的错误确定。为使系统针对这种特殊情况具有稳健性，在位置O “附近”的磁化检测应直接从磁场的X分量得出。作为一种标准，例如当磁体接近位置O时，可使用对场分量Bx和Bz的大小的比较。在本发明的其他实施方式中，处理装置130被实施为确定指示器磁体105是否在传感器组件100的基准点155周围的中心区域410内。为此，将由第一磁场传感器110或第二磁场传感器120检测到的关于第一空间方向101的磁场分量Bx或从其得出的值与由第一磁场传感器110或第二磁场传感器120检测到的关于第二空间方向102的磁场分量Bz或从其得出的值进行比较。例如，若该比较具有指示器磁体105在中心区域410内的结果，则磁化方向107将基于所检测到的关于第一空间方向101的磁场分量Bx(纵向分量或轴向分量)的符号来确定。然而，若指不器磁体105在中心区域410外部,则磁化方向107将根据基于图2和图3a至图3d所述的过程来确定。本文中，图4示出了具有关于指示器磁体105在约-20mm到+20mm范围内的X位置的ο与4χιο_3τ之间的典型磁场强度的大小IbxI和|bz|的示例性曲线。图4示出了基准点155周围且由条件|BX|>|BZ|定义的中心区域410。因此，在该区域410中，X分量的磁场强度(Bx)大于Z分量的磁场强度(Bz)。中心区域410还在图4中通过由“靠近O”指示的两个箭头示出，并由对应于IbxI和IbzI的两个交点417、427的两个位置415、425来限定。具体地,例如，中心区域410从约-5mm扩展到约+5mm。这里,应当注意,为定义中心区域410，也可使用例如从大小IbxI和IbzI的曲线得出的其他合适曲线。在本发明的其他实施方式中，处理装置130被实施为当所检测到的关于第一空间方向ιο 的磁场分量的大小|bx|大于所检测到的关于第二空间方向102的磁场分量的大小
Bz时,在所检测到的关于第一空间方向101的磁场分量Bx为正号处确定指不器磁体105的第一磁化方向，以及在所检测到的关于第一空间方向101的磁场分量Bx为负号处确定指不器磁体105的第二磁化方向。用于示例的目的，图5示出了指示器磁体105具体在图4所示的中心区域(即，接 近X位置“O”)的示例性情况。其特征在于指示器磁体105的对称轴108 (虚线)基本穿过基准点155而延伸。以下可考虑两种情况(I)、(2)。若磁化方向107 (磁体中的|S-N|极组)指向正X方向(情况I)，则接近零点位置的磁场线109将基本上指向负X方向。然而，若磁化方向107指向负X方向(情况2)，则接近零点位置的磁场线109将基本上指向正X方向。磁场的Z分量Bz的大小IbzI在接近ο时实际消失。在图5中，情况⑴由测量值用实线示出，而情况(2)由虚线示出。此外，第一磁化方向由负X方向定义，以及第二磁化方向由正X方向定义。换句话说，具体地，当Bx的大小或诸如Bx2的从其得出的值大于Bz的大小或诸如Bz2的从其得出的值时，则该位置接近位置0，且磁化方向可直接从磁场的X分量的相反符号来确定。在本发明的其他实施方式中，处理装置130可被实施为分别经由应用至第一磁场分量Blx或第三磁场分量B2x或者第二磁场分量Blz或第四磁场分量B2z的大小函数来确定大小IBxI和大小IbzU例如，参照图4，Bx或IBzI可通过加权因子加权，从而改变基准点155周围的中心区域410，例如使其减小。在本发明的其他实施方式中，若为IbxI选择O. 25与I之间的加权因子，则将压缩关于Y轴的相应测量值，且关于交点417、427的两个位置415,425向基准点155的方向移动，即基准点155周围的中心区域410变得更小。因此，根据本发明的稳健性实施或设计，可以有利地在比较之前向两个大小中的一个提供加权因子。具体地，O. 25与I之间的X分量的加权因子使行进范围进一步扩大。同时，接近O的除外区域(exclusion region)变得更小。图4中在边缘(左和右)处可见，边缘处存在大小Bx变为大于大小Bz的区域。然而，这是对于“接近O”区域的标准，且将在这些边缘区域中导致错误的磁化方向确定。利用X分量中小于I的因数，该交点将进一步向外部移动，且有效行进范围变得更大。在本发明的其他实施方式中，在计算两个传感器位置的大小以确定磁体位于哪一侧之前，对一个或两个分量的进一步加权可另外增加系统的稳健性。例如，当已对磁体在X方向上的长度加倍时，在正常大小函数(无加权)中可能出现两个最大值和一个最小值(minimum，最小值)。随后，当非许可区域未完全被接近区域(“接近O”)检测到时，则在行进范围的中心可能对磁体位于哪一侧进行错误确定。图6中示例性示出了这种两个最大值。这里，图6的曲线IB11和IB21基本对应于图2的曲线，其中，在图2中每条曲线仅具有一个最大值210或220，而在图6中每条曲线分别具有两个最大值(双最大值610或620)。此外，图6示出了用于确定磁体位置的示例性比较函数605，例如假定当第一合成量的大小Ib1I大于第二合成量的大小Ib2I时函数为最小值(例如，οτ)，以及当满足条件Ib2|>Ib1 I时，函数为最大值(例如，>3χιο_3τ)。这里，比较函数605的最小值具体对应于第一位置(“左”)，而最大值对应于指示器磁体105的第二位置(“右”)的比较函数605。图6中可见，在两个最大值的情况下，难以或者根本不可能进行明确的位置确定。在本发明的其他实施方式中，处理装置130被实施为用另一加权因子来加权所检测到的磁场分量Bx或所检测到的磁场分量Βζ，从而避免大小函数的双最大值。具体地，例如，可用小于或等于O. 75的另一加权因子来加权所检测到的磁场分量Βζ。图7示出了这种加权的示例性结果，其中，双最大值610、620分别被减小至最大值 710或720。图7中，曲线Ib1I和Ib2I基本对应于图2的曲线，然而同时由于加权，两条曲线已具有关于X轴的更宽的最大值710和720。尽管最大值710、720被这样加宽，但指示器磁体105的位置可例如借助于比较函数705来唯一确定。一般地，应选择加权函数使得曲线Ib1I和Ib2I仅具有一个交点715。具体地，在大小计算之前的Z分量的加权减小对于两个传感器位置均有利。例如，在大小计算之前用于Z分量的O. 75的因子已经完全消除了大多数应用领域中的双最大值。总之，通过降低Z分量的加权，双最大值可被减少为一个最大值。这提高了系统的稳健性，在该系统中，更大的磁体几何尺寸可被用于位置测量。在本发明的其他实施方式中，处理装置130被实施为利用CORDIC算法(CORDIC=坐标旋转数字计算机)来计算大小函数。CORDIC算法是效率迭代算法，其可用于例如计算三角函数或大小函数。利用CORDIC算法计算大小函数可在三维空间中或二维平面内进行。在本发明的其他实施方式中，当使用CORDIC算法时，有以下两种可行的简化。当传感器的垂直平分线与磁轴相交且磁场的Y分量(即，在对应于图I的Y轴103的方向上的分量By)由此在行进范围的所有位置处均约为O时，产生第一种简化。因此，用于检测磁体所在的一侧的大小公式可被减少为平面内的大小公式，这是对计算的极大简化。由于仅进行两个相同计算后的大小的比较，所以可省略大小计算的最后一部分(求根)，由于上述这一事实而产生了第二种简化。因此，当CORDIC算法被用于大小计算时，平面内CORDIC因子的修正可根据第一种简化而省略或者仅须在三维空间中进行一次。尽管本文中绝对磁场值被用于磁化方向的检测或确定，但该过程的使用在基于梯度的位置测量系统中也是有用的。在本发明的其他实施方式中，该系统中，处理装置130可被实施为通过使用两个传感器位置115、125的距离d12 (见图Ia),基于第一磁场分量Blx和第三磁场分量B2x来确定关于第一空间方向(X方向101)的第一梯度，以及基于第二磁场分量Blz和第四磁场分量B2z来确定关于第一空间方向的第二梯度。这里，例如可通过不同的商来计算梯度。利用该算法，仅会产生对最大可允许寄生磁场量的限制，其被行进范围边缘处的最小磁场值预先确定。因此，在实施方式中，测量磁场可在至少两个不同位置处进行，从而可确定空间磁场变化。利用磁场变化，空间位移或偏移(倾斜也属于其中)可被更精确测量到。
具体地，可确定指示器磁体的磁场的空间变化，从而寄生量可被有效补偿，且诸如偏移(倾斜或扭曲)的其他分量可被确定。因此，通过使用多维磁场传感器，其他实施方式允许对磁场的多维测量。由于测量可在几个位置处在不同空间方向上进行，所以沿不同空间方向的流密度变化也可被确定。这具体允许了对指示器磁场的梯度的确定。通过确定梯度，磁场测量可被更精确地且以更不易发生错误的方式实现。例如，通过确定磁场的梯度，指示器磁体相对于传感器组件的任何倾斜或偏移均可被确定。最终，在本发明的其他实施方式中，基于有关磁化方向107的信息,指不器磁体101相对于基准点155的位置可被确定。为此，可使用所发明的估算，它与现有技术中描述的变换的不同之处基本上在于，首先不由所检测到的磁场分量BjJPBz形成商，而是使用两个分量来进行所谓的4象限角计算800(见图8)。图8中可见，两个分量分别表示四个象限(例如，Ql、Q2、Q3和Q4)中的数值对。这里，向象限的分量分配由箭头810、820来指示。
与经由两个场分量的比或者经由诸如对应于图12的其反正切函数的计算的估算相比，4象限角计算的一个极大优势在于，在角度+/-90°内没有不连续点39出现。此外，由于两个分量与例如四个象限Q1-Q4之间的分配是唯一的，所以通过4象限角计算，可以避免信号的�：浪�。基于该唯一分配，在本发明的实施方式中，当在CORDIC算法的所谓“定矢”运算模式下计算反正切函数或大小函数时，可确保对取决于各自象限的符号的相应控制。因此，由指示器磁体结合磁场传感器提供的最大可行的行进范围变为可能。由于即使磁体温度可变，由磁场方向和磁体的场线方向获得的位置值也不改变，所以能维持温度的无关性。通过对符号的技巧性选择，角度计算可被设定为使得0°角严格对应于位置0_。因此，角度计算中不可避免的跳跃不连续815被移向区域的边界外部。由于相应磁场角度不在该应用中出现，所以跳跃不连续不具有任何寄生效应。若以旋转180°的方式来安装磁体或传感器，则角度计算的跳跃不连续被移位至位置O点(即，测量范围的中心)。在许多应用中，这将不仅产生寄生而且妨碍该方法的应用。此外，在未预先确定磁体到传感器的安装位置的应用中，这种方法还将存在有关除外的标准。因此，在应用的主要领域-自动化技术中，不能使用这种位置传感器。由于该原因，具有最大行进范围的系统一般不被广泛使用，因为此处必须非常精确地考虑磁体的磁化方向。然而，在本发明的实施方式中，当磁化方向已知时，4象限角计算可被非常容易地控制，使得跳跃不连续总是处在区域边界处，且从不在区域中心(零点)处。总之，用于确定磁化方向的整个过程可在流程图中很容易地示出。图9示出了用于确定指示器磁体105的位置或磁化方向的方法900的流程图。具体地，方法900包括两个决定块910、920，其中，块910和块920基本上可彼此独立运行或者也可逐个运行。这里，块910、920基本对应于已在图4(块910)或图2(块920)上下文中详细描述的方法步骤。基于所确定的决定，方法900分别从块910、920开始展开相应的分支。在进一步的后续方法步骤930中，磁化方向基于X分量(Bx)的符号或基于Z分量(Bz)的符号如上文详细描述来确定。因此，两个决定是必要的，从而能够从所测磁场的分量的符号得出磁化方向。
尽管已在设备背景下描述了一些方面，但显然这些方面也表示对相应方法的描述，从而设备或装置的块或器件也可被认为是相应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，已在方法背景下或作为方法来描述的方面也表示对相应设备的相应块或细节或者特征的描述。根据具体实施要求，本发明的实施方式可以硬件或软件来实施。可通过使用可与可编程计算机系统协作从而执行相应方法的具有存储其上的电可读控制信号的数字存储介质(例如，软盘、DVD、蓝光碟、CD、R0M、PR0M、EPR0M、EEPR0M或闪存、硬盘驱动器或其他磁或光存储器)来进行该实施。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。因此，根据本发明的一些实施方式包括数据载体，该数据载体包括能够与可编程计算机系统协作从而执行本文所述方法之一的电可读控制信号。一般地，本发明的实施方式可被实施为具有程序代码的计算机程序产品，其中，当该计算机程序在计算机上运行时，程序代码能有效执行方法中的一种。例如，程序代码还可 被存储在机器可读载体中。在一些实施方式中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列、FPGA)可被用于执行本文所述方法中的一些或所有功能。在一些实施方式中，现场可编程门阵列可与微处理器协作。因此，本发明提供了一种概念，通过这一概念在操作期间可检测磁体的磁化方向的位置。当磁化方向已知时，磁场的X分量的符号可在需要时被很容易地反转，使得例如在4象限角计算中，角度0°再次与位置O重合(对比图8)。独立于所用磁体的磁化方向，寄生的跳跃不连续总是处在测量范围的边界处。本发明的优势在于，可进行估算以使得指示器磁体相对于传感器组件的尽可能大的行进范围成为可能，并且测量是稳健的，即独立于磁体温度、传感器温度和其他寄生影响。因此，本发明的优势还在于，当指示器磁体相对于传感器组件的未知配置(assembly)是在指示器磁体相对于两个磁场传感器成180°的位置上时，操作期间可检测到指示器磁体的位置，这再次允许对指示器磁体的磁化方向的自动检测。本发明的其他优势在于，例如4象限角计算可很容易地被用于具有最大行进范围的位置测量。独立于磁化方向，测量系统提供了正确的位置值。当位置值的符号也以适当方式与磁化方向一起转换时，测量系统可被配置为使得传感器或磁体用作参照系。这里，在第一种情况下，磁化方向对于位置测量值并不重要，而在第二种情况下，磁体的180°旋转严格提供了负位置测量值。选择参照系的选项仅结合本发明来获得。本发明的主要应用领域是自动化技术领域。其中，气缸被用在不同设计中。现今在已多于90%的情况下，这些气缸具有集成在活塞中的磁体以便能够触发磁限开关。越来越频繁地，现有限制开关被线性测量传感器取代以提高生产监测并改善产品质量。采用这种改装，存在于已被安装在气缸内的活塞中的磁体的磁化方向未知。此外，在两个可行位置上安装线性测量改装传感器应当是可行的。对两个可行结合实例中的一个的确定常常受到整个系统中的构造环境的影响。例如，连接线缆要尽量直接被引至估算单
J Li ο在所有情况下，传感器在安装后无需昂贵的校准操作即可立刻准备工作。在该情况下，本发明允许具有针对该应用的最大可行行进范围的位置传感器的实现。
本发明可被有利地用于许多其他领域，在这些领域中，简单使用和同时稳健的位置测量是很重要的。在4象限角计算可用于位置计算的其 他领域中，本发明还可有利地用于简化生产和减少可能的错误源。
权利要求
1.一种用于确定指不器磁体(105)的磁化方向(107)的传感器组件(100),包括 第一磁场传感器(110),其用于检测关于第一空间方向(101)的第一磁场分量(Blx)和关于第二空间方向(102)的第二磁场分量(Blz)； 第二磁场传感器(120),其用于检测关于所述第一空间方向(101)的第三磁场分量(B2x)和关于所述第二空间方向(102)的第四磁场分量(B2z)； 其中，所述第一磁场传感器(110)和所述第二磁场传感器(120)彼此空间隔开而配置；以及 处理装置(130)，其被实施为 合成所述第一磁场分量(Blx)和所述第二磁场分量(Blz)以获得第一合成量(B1)； 合成所述第三磁场分量(B2x)和所述第四磁场分量(B2z)以获得第二合成量(B2)； 基于所述第一合成量(B1)与所述第二合成量(B2)的比较来确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件(100)的位置；以及 基于所确定的所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件(100)的位置和所检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量(B2)的符号来确定所述磁化方向(107)。
2.根据权利要求I所述的传感器组件，其中，所述第一磁场传感器(110)和所述第二磁场传感器(120)被实施为分别检测在轴向方向上的所述第一磁场分量(Blx)和所述第三磁场分量(B2x)，以及在关于所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件的相对移动方向的径向方向上的所述第二磁场分量(Blz)和所述第四磁场分量(B2z)。
3.根据权利要求I或2所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为当所述第一合成量的大小(Ib1I)大于所述第二合成量的大小(Ib2I)时，确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件的第一位置，以及当所述第二合成量的大小(Ib2I)大于所述第一合成量的大小(Ib1I)时，确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件的第二位置。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为当所述第一位置已被确定时，在所述第二磁场分量(Blz)或所述第四磁场分量(B2z)为正号处示出第一磁化方向，且当所述第二位置已被确定时示出第二磁化方向；以及当所述第一位置已被确定时，在所述第二磁场分量(Blz)或所述第四磁场分量(B2z)为负号处示出所述第二磁化方向，且当所述第二位置已被确定时示出所述第一磁化方向。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为分别以所述第一合成量的大小(Ib1I)表示大小函数(I (Blx,Blz) I)和所述第二合成量的大小(Ib2I)表不大小函数(I (b2x,B2z) I)这一方式,将所述第一磁场分量(Blx)与所述第二磁场分量(Blz)合成，以及将所述第三磁场分量(B2x)与所述第四磁场分量(B2z)合成。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为利用CORDIC算法来计算所述大小函数。
7.根据权利要求5或6所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为用小于或等于O. 75的第一加权因子来加权所检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量(Bx)或者加权所检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量(Bz)。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的传感器组件，其中，所述第一磁场传感器(110)和所述第二磁场传感器(120)分别被实施为多轴磁场传感器，其中，所述多轴磁场传感器的每个传感器元件包括针对所述第一空间方向(101)和所述第二空间方向(102)的磁灵敏度。
9.一种用于确定指不器磁体(105)相对于传感器组件(100)的磁化方向(107)的方法，其中，所述传感器组件(100)包括第一磁场传感器(110)，其用于检测关于第一空间方向(101)的第一磁场分量(Blx)和关于第二空间方向(102)的第二磁场分量(Blz);以及第二磁场传感器(120)，其与所述第一磁场传感器(110)空间隔开，且用于检测关于所述第一空间方向(101)的第三磁场分量(B2x)和关于所述第二空间方向(102)的第四磁场分量(B2z),该方法包括合成所述第一磁场分量(Blx)和所述第二磁场分量(Blz)以获得第一合成量(B1)； 合成所述第三磁场分量(B2x)和所述第四磁场分量(B2z)以获得第二合成量(B2)；基于所述第一合成量(B1)与第二合成量(B2)的比较来确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件(100)的位置；以及 基于所确定的所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件(100)的位置和所检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量(Bz)的符号来确定所述磁化方向(107)。
10.根据权利要求9所述的方法,其中，在轴向方向上检测所述第一磁场分量(Blx)和所述第三磁场分量(B2x)，以及在关于所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件的相对移动方向的径向方向上检测所述第二磁场分量(Blz)和所述第四磁场分量(B2z)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，在确定所述位置的步骤中，当所述第一合成量的大小(Ib1I)大于所述第二合成量的大小(Ib2I)时，确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件的第一位置；以及当所述第二合成量的大小(Ib2I)大于所述第一合成量的大小(Ib1I)时，确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件的第二位置。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，在确定所述磁化方向(107)的步骤中，当所述第一位置已被确定时，在所述第二磁场分量(Blz)或所述第四磁场分量(B2z)为正号处示出第一磁化方向，且当所述第二位置已被确定时示出第二磁化方向；以及当所述第一位置已被确定时，在所述第二磁场分量(Blz)或所述第四磁场分量(B2z)为负号处示出所述第二磁化方向，且当所述第二位置已被确定时示出所述第一磁化方向。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，所述第一磁场分量(Blx)与所述第二磁场分量(Blz)合成以及所述第三磁场分量(B2x)与所述第四磁场分量合成，使得所述第一合成量的大小(IB1I)表示大小函数(I (Blx,Blz) I)以及所述第二合成量的大小(Ib2I)表示大小函数(I (b2x,B2z) I)。
14.一种用于确定指不器磁体(105)的磁化方向(107)的传感器组件(100),包括第一磁场传感器(110),其用于检测关于第一空间方向(101)的第一磁场分量(Blx)和关于第二空间方向(102)的第二磁场分量(Blz)； 第二磁场传感器(120),其用于检测关于所述第一空间方向(101)的第三磁场分量(B2x)和关于所述第二空间方向(102)的第四磁场分量(B2z)；其中，所述第一磁场传感器(110)和所述第二磁场传感器(120)彼此空间隔开而配置；以及 处理装置(130)，其被实施为基于由所述第一磁场传感器(110)或所述第二磁场传感器(120)检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量(Bx)与由所述第一磁场传感器(110)或所述第二磁场传感器(120)检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量(Bz)的比较，确定所述指示器磁体(105)是否在所述传感器组件(100)的基准点(155)周围的中心区域(410)内； 若所述指示器磁体(105)在所述中心区域(410)内，则 基于所检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量(Bx)的符号来确定所述磁化方向(107);以及 若所述指示器磁体(105)在所述中心区域(410)外部，则 合成所述第一磁场分量(Blx)和所述第二磁场分量(Blz)以获得第一合成量(B1)； 合成所述第三磁场分量(B2x)和所述第四磁场分量(B2z)以获得第二合成量(B2)；基于所述第一合成量(B1)与所述第二合成量(B2)的比较来确定所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件(100)的位置；以及 基于所确定的所述指示器磁体(105)相对于所述传感器组件(100)的位置和所检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量(Bz)的符号来确定所述磁化方向(107)。
15.根据权利要求16所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为当所检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量的大小(IbxI)大于所检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量的大小(|bz|)时,在关于所述第一空间方向(ιο )的磁场分量(Bx)为正号处不出第一磁化方向，以及在所检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量(Bx)为负号处不出第二磁化方向。
16.根据权利要求15所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为经由大小函数分别确定所述大小(IbxI)和所述大小(IbzI)。
17.根据权利要求16或17所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为用第二加权因子来加权所述大小(IbxI)或所述大小(IbzI)，使得所述基准点(155)周围的所述中心区域(410)被减小。
18.根据权利要求17所述的传感器组件，其中，所述处理装置(130)被实施为用0.25与I之间的所述第二加权因子来加权所述大小(IBxI)。
19.一种用于确定指不器磁体(105)相对于传感器组件(100)的磁化方向(107)的方法，其中，所述传感器组件(100)包括第一磁场传感器(110)，其用于检测关于第一空间方向(101)的第一磁场分量(Blx)和关于第二空间方向(102)的第二磁场分量(Blz);以及第二磁场传感器(120)，其与所述第一磁场传感器(110)空间隔开，且用于检测关于所述第一空间方向(101)的第三磁场分量(B2x)和关于所述第二空间方向(102)的第四磁场分量(B2z),该方法包括 基于由所述第一磁场传感器(110)或所述第二磁场传感器(120)检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量(Bx)与由所述第一磁场传感器(110)或所述第二磁场传感器(120)检测到的关于所述第二空间方向(102)的磁场分量(Bz)的比较，确定所述指示器磁体(105)是否在所述传感器组件(100)的基准点(155)周围的中心区域(410)内； 若所述指示器磁体(105)在所述中心区域(410)内，则基于所检测到的关于所述第一空间方向(101)的磁场分量(Bx)的符号来确定所述磁化方向(107);以及 若所述指示器磁体(105)在所述中心区域(410)外部，则根据权利要求9至12中任一项所述的方法来确定所述磁化方向(107)。
20.一种计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，所述计算机程序用于执行根据权利要求9至13中任一项或根据权利要求19所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定指示器磁体相对于传感器组件的磁化方向的传感器组件，该传感器组件包括第一磁场传感器，其用于检测关于第一空间方向的第一磁场分量(B1x)和关于第二空间方向(102)的第二磁场分量(B1z)；以及第二磁场传感器，其用于检测关于第一空间方向的第三磁场分量(B2x)和关于第二空间方向的第四磁场分量(B2z)，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器彼此空间隔开。此外，该传感器组件包括处理装置，其被实施为合成第一磁场分量(B1x)和第二磁场分量(B1z)以获得第一合成量(B1)，合成第三磁场分量(B2x)和第四磁场分量(B2z)以获得第二合成量(B2)，基于第一合成量(B1)与第二合成量(B2)的比较来确定指示器磁体相对于传感器组件的位置，以及基于所确定的指示器磁体相对于传感器组件的位置和所检测到的关于第二空间方向的磁场分量(Bz)的符号来确定磁化方向。
文档编号G01D5/14GK102906542SQ201180026098
公开日2013年1月30日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月25日
发明者汉斯-彼德·霍厄, 约瑟夫·索尔埃尔 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司
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