CN114076613B 具有杂散场补偿的基于磁场的角度传感器系统和相应方法 （英飞凌科技股份有限公司）

US6326781B1,2001.12.04EP3255446A1,2017.12.13US6724184B1,2004.04.20US2016069708A1,2016.03.10具有杂散场补偿的基于磁场的角度传感器本公开的实施例涉及具有杂散场补偿的基创新方案描述了一种基于磁场的角度传感器系件旋转的转子部件(102)、在饱和运行中工作的磁场传感器(110)和在线性运行中工作的磁场传感器(120)，在饱和运行中工作的磁场传感器被设计成确定转子部件相对于定子部件的旋转角角度传感器系统还具有控制装置(130)，其被设计成基于所求取的外部杂散磁场来补偿在执行2定子部件(104)以及相对于所述定子部件可旋转的转子部件(102在饱和运行中工作的磁场传感器(110)和在其中所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)被设计成基于所述多极磁体(101)的其中所述在线性运行中工作的磁场传感器(120)被设计成求取作用于所述角度传感器其中所述角度传感器系统(100)还具有控制装置(130)，所述控借助于所述在线性运行中工作的磁场传感器(120)所求取的外部杂散磁场，在借助于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)所执行的旋转角度的确定中，补偿与杂散场相关的其中所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)具有磁阻传感器，所述磁阻传感器使用各向异性磁阻效应AMR、巨磁阻效应GMR、或者超巨磁阻效应CMR、或者磁隧道电阻效应其中所述在线性运行中工作的磁场传感器(120)其中所述霍尔效应传感器(120)被设计为垂直于所述在饱和运行中工作的磁场传感器其中所述控制装置(130)被设计成执行所述在线性运行中工作的磁场传感器(120)的其中所述与杂散场相关的补偿参数(330)包含所述在线性运行中工作的磁场传感器其中所述与杂散场相关的补偿参数(330)根据以下公式具有在所述偏移信息(Ox，Oy)其中所述控制装置(130)被设计成基于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)的其中所述控制装置(130)被设计成在所述角度计算之前将所述与杂散场相关的补偿参数(330)应用于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)的输出信号(340)，以便由此在3其中所述控制装置(130)被设计成基于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)的其中所述控制装置(130)被设计成在所述角度计算之后将所述与杂散场相关的补偿参其中所述控制装置(130)被设计成在应用所述与杂散场相关的补偿参数(330)之前执行所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)的输出信号(340)的幅度-相位-偏移-校正其中在所述幅度-相位-偏移-校正(360)中，将幅移补偿和/10.一种用于在借助基于磁场的角度传感器系统(100)确定旋转角度时补偿测量偏差提供定子部件(104)以及相对于所述定子部件可旋转的转子部件(102)，其提供在饱和运行中工作的磁场传感器(110)和在线性运行借助于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)基于所述多极磁体(101)的磁场来确定所述转子部件(102)与所述定子部件(104)之借助于所述在线性运行中工作的磁场传感器(120)求取作用于所述角度传感器系统在基于所求取的所述杂散磁场确定所述旋转角度时补偿与杂散场相执行所述在线性运行中工作的磁场传感器(120)的输出信号(310)的自动校准(320)，以便由此求取与杂散场相关的补偿参数(330)，所述与杂散场相关的补偿参数描述外部杂其中所述与杂散场相关的补偿参数(330)包含所述在线性运行中工作的磁场传感器基于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)的输出信号(34在时间上在所述角度计算之前，将所述与杂散场相关的补偿参数(330)应用于所述在基于所述在饱和运行中工作的磁场传感器(110)的所述输出信号实施角度计算，所述在时间上在所述角度计算之后，将所述与杂散场相关的补偿参数(330)应用于所述角4在时间上在应用所述与杂散场相关的补偿参数(330)之前，执行所述在饱和运行中工其中在所述自动校准(361)中将幅移补偿和/或相移补偿和/或偏移补偿应用于所述在15.一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码用于当程序在计算机上运行5[0002]角度传感器用于求取在定子和可以相对于定子旋转的转子之间的旋转角度。在[0003]这种所述类型的角度测量系统产生也称为y分量的正弦分量以及也称为x分量的为尤其外部杂散磁场可能导致不期望的测量偏差，所述测量偏差负面地影响所要求的精蔽的提供和装配导致在应用的构造和制造中工作成[0008]本文描述的创新的基于磁场的角度传感器系统包括定子部件和相对于定子部件6[0009]此外，提出一种用于在借助基于磁场的角度传感器系统确定旋转角度时减小和/[0011]图1示出根据实施例的在所谓的轴端(EoF)实施方案中的角度传感器系统的示意[0014]图4A至图4C示出用于使杂散磁场对在饱和运行中工作的传感器和在线性运行中[0015]图5A示出用于展示根据实施例的在此所描述的用于借助于前CORDIC来进行杂散[0016]图5B示出用于展示根据实施例的在此所描述的用于借助于后CORDIC来进行杂散[0019]图8示出用于说明根据实施例的在借助基于AMR的传感器确定电角度时用于通过正确的半平面做出决定的实际和理想的垂直霍尔效应传感器[0021]图10示出用于说明根据另外的实施例的在基于AMR的传感器中的半平面的校正的[0022]图11示出根据实施例的在基于AMR的传感器中的具有带有半平面的校正的传感器[0023]图12示出根据实施例的在基于AMR的传感器中的在半平面校正之后的残余角误差[0025]以框图示出并且参考框图解释的方法步骤也能够以不同于所示出和描述的顺序7[0028]图1示出根据示例布置的基于磁场的角度传感器系统100。这是一种所谓的轴端(转子部件)旋转的多极磁体101相对于定子部件104的行中工作的磁场传感器也被概括在缩写xMR传[0031]这种在饱和运行中工作的磁场传感器产生也称为y分量的正弦分量以及也称为x[0033]xMR传感器具有非常好的信噪比(SNR)。AMR传感器还具有针对相位漂移和关于高[0034]备选地或附加地，在图1中描绘的角度传感器系统可以具有在线性运行中工作的8的杂散场补偿的角度传感器系统。这种创新的角度传感器系统的一个部段在图2中示例性[0037]图2示出根据本文描述的创新方案的基于磁场的角度传感器系统100的示意俯视饱和运行中工作的磁场传感器110可以可选地具有一个或多个传感器桥，传感器桥在本文一个这种磁场传感器以虚线示出并且设有附图标记121。下面仅更详细阐述至少一个在线[0041]基于xMR的传感器虽然可以具有用于本征偏移补偿的器件，即用于补偿例如由传感器元件本身或电子信号路径引起的偏移，但是基于xMR的传感器容易受到干扰磁场(例这些磁偏移限制了对于标准轴端(EoS)应用的可实现的磁偏移。这尤其适用于在线性运行中工作的磁场传感器此外还具有固有的偏移补偿(例如借助于电流旋转)的情况。这种在线性运行中工作的磁场传感器的非限制性示例是霍尔传[0044]在饱和运行中工作的磁场传感器110可以被设计成基于多极磁体101(图1)的磁场来确定转子部件102相对于定子部件104的旋转角度。在线性运行中工作的磁场传感器120可以被设计成求取作用于角度传感器系统100的9[0046]也就是说，关于借助于在线性运行中工作的磁场传感器120求取的杂散磁场的信息可以用于减小或补偿在饱和运行中工作的磁场传感器110的测[0047]图3示出用于说明用于减小或补偿外部杂散磁场的可以想到的设计方案的示意框场。这些杂散场信息然后可以被应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号作的磁场传感器120、或者说在该磁场传感器的自动校准320期间所求取的杂散场信息330于是可以被用于减小或补偿在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340与外部杂[0051]如在开始时已经提到的，外部杂散磁场可以向在饱和运行中工作的磁场传感器330可以包含偏移信息，该偏移信息从在线性运行中工作的磁场传感器120的输出信号310例如在自动校准320期间从在线性运行中工作的磁场传感器120的输出信号310求取的幅度[0052]这将在下面参照图4A至图4C更详细解释。这些图示意地示出在EOS应用中准静态传感器系统具有在饱和运行中工作的磁场传感器110和在线性运行中工作的磁场传感器[0053]图4A示出在准静态的杂散磁场Bstray的影响下的由多极磁体101产生的磁场矢量Bmag以及所属的角度信息pmago所得到的有效磁场Beff包含偏离的角度信息如由实线[0054]图4B示出了具有信号幅度SGMR的在饱和运行中工作的理想磁场传感器110(这里：GMR传感器)对有效磁场的系统响应。在饱和运行中工作的磁场传感器110将磁场矢量的幅旋转角度的输出信号peff由于杂散磁场而包含角度误差(测量偏差)。[0055]图4C示出了具有信号灵敏度SVHall的在线性运行中工作的理想磁场传感器120(这[0056]下面借助于数学证明来阐述用于在角度确定时减小或补偿由杂散场引起的测量磁场传感器简单地利用其灵敏度根据以下公式来标定[0063]这里，Ax＝(max(XVHall)-min(XVHall))/2描述幅度，并且Ox＝(max(XVHall)+min有利的是，在转子部件和定子部件之间扫过至少360°的至少一个区间。准静态杂散磁场[0065]与杂散场相关的补偿参数330因此例如可以根据以下公式具有在偏移信息Ox、Oy[0069]在饱和运行中工作的理想磁场传感器由于该磁场传感器产生有效角度的余弦分量和正弦分量而根据以下公式(1)对有效[0074]这里，引入了校正因子[0077]同样地，可以确定外部杂散磁场对在饱和运行中工作的磁场传感器110的表示旋了直至(Bstray/B0)的第一阶的随后的泰勒[0082]如开头已经提到的，在饱和运行中工作的磁场传感器110可以根据以下公式通过计算输出信号的正弦分量和余弦分量的反正切函数来确定转子部件102和定子部件104之AOP补偿的输出信号x2=cos(pen)和y2=sin(per)可以直接用于旋转角度算角度peff的正弦和余弦。感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330的情况下，更确切地说在计算旋转角度之前选地，可以首先从在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340中计算出旋转角度，并且接着可以将(借助在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330为了杂散场补偿的目的而应用于计算出的旋转在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330的情况下，对在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340进行补偿，并且然后计算旋转角度(前[0087]在图5A中示意地示出在饱和运行中工作的磁场传感器110以及在线性运行中工作号路径被划分为包括传感器信号的余弦分量的第一信号路径120A和包括传感器信号的正[0088]在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340可以可选地经受所谓的AOP校或补偿，输出信号340就可以被处理。AOP校正360可以包括AOP校准361和随后的AOP补偿[0089]根据这样的实施例，控制装置130因此可以被设计成在应用与杂散场相关的补偿参数330之前执行在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340的幅度-相位-偏移-应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出[0090]这种AOP校正360最小化xMR信号路径中的线性不规则性，诸如偏移和幅移。为了[0093]AOP自动校准361可以被连续地实施以随时间推移在确定可从中导出的AOP参数330可以包含输出信号310的幅度信息和/或偏移信息，例如前面在公式(4)中列出的关系[0095]与杂散场相关的补偿参数330于是可以被用于对在饱和运行中工作的磁场传感器考虑用于计算经杂散场补偿的旋转角度mog=arctan(y4/x4)(参见框370中的角度计饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340实施指示转子部件102相对于定子部件相关的补偿参数330应用于在饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340，以便由此[0098]图5B示出用于确定经杂散场补偿的旋转角度pmag的备选方案。在此涉及前面提到的后CORDIC方案，其中，首先由在饱和运行中工作的磁场传感器110的(可选的AOP补偿(借助于在线性运行中工作的磁场传感器120求取的)与杂散场相关的补偿参数330应用于[0100]与图5A的区别尤其在于，在此在框370中首先基于在饱和运行中工作的磁场传感器110的(可选的AOP补偿的)输出信号340或X2、Y2来执行有效磁角度Deff的角度计算相关的补偿参数330应用于先前计算的有效磁角度perrs例如如公式(9)的第二行中所示。饱和运行中工作的磁场传感器110的输出信号340实施指示转子部件102相对于定子部件作的霍尔效应传感器120与在饱和运行中工作的基于AMR的传感器[0105]在此描述的创新方案也涉及一种用于在角度传感器系统100中的杂散场补偿的相多极磁体101的磁场借助于在饱和运行中工作的磁场系统100包括在饱和运行中工作的磁场传感器110与在线性运行中工作的磁场传感器120的110(例如xMR)与在线性运行中工作的传感器120(例如基于垂直的霍尔板)组合。在饱和运以被用于补偿在饱和运行中工作的磁场传感器120的输[0112]在饱和运行中工作的传感器110与在线性运行中工作的传感器120的组合是用于[0117]已经多次提到，基于AMR的传感器(作为在饱和运行中工作的传感器110的非限制传感器120。第一垂直霍尔效应传感器120被布置成垂直于基于AMR的传感器110的芯片平传感器121也垂直于基于AMR的传感器110的[0121]第一霍尔效应传感器120和/或第二霍尔效应传感器121可以横向地布置在基于器120和/或第二霍尔效应传感器121可以布置在衬底104上的任何其他[0122]根据可以设想的实施例，第一垂直霍尔效应传感器120可以相对于第二垂直霍尔垂直霍尔效应传感器121来明确地确定在基于AMR的传感器110的角度测量结果情况下的相因此第一垂直霍尔效应传感器120和/或第二垂直霍尔效应传感器121可以用于区分AMR传布置在下面的图表中，示出了实际的第一垂直霍尔效应传感器(上方的第4列)和相对于其的最下列中示出决策图，基于该决策图作出关于哪个半平面应被考虑用于角度测量的决[0130]图9示出具有包括偏移偏差的实际霍尔传感器比较器功能的限制(VHX和VHY)的[0131]图10示出用于确定正确的半平面的备选的实施例。在此，转子部件102的全机械Yhall)来执行，这些霍尔效应传感器信号同样可以借助比较器功能来生成(仅仅坐标系与AMR的传感器信号。因此，例如在X方向上布置的霍尔效应传感器的霍尔效应传感器信号到180°[0141]octant2＝(-45<＝angle_AMR/2)&(angle_AMR/2180°[0142]octant3＝(0<＝angle_A