专利名称：角度测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及角度测量。
背景技术：
例如像巨磁阻(GMR)传感器这样的磁敏(magnetic sensing)装置可以在各种各样的应用中使用。例如，GMR传感器常常用于感测旋转轴的角度位置。在这种应用中，永磁体(有时被称作“丸(Pill)”)可以安装在转向轴的端部且处于轴的旋转轴线的中心。 典型地连接起来以形成一个或多个桥的GMR元件或电阻器还可以随着由指示旋转轴的角度位置的GMR电阻器生成的结果所得输出信号而定位以便处于旋转轴线的中心。然而，如发明人已意识到的那样，在很多应用中，由于空间的限制，将GMR传感器安装在轴的旋转轴线上的轴端部是低效率的。例如，在车辆中，转向轴的端部典型地具有附接于其的转向节 (knuckle)组件，并且不存在将GMR传感器安装在转向轴的旋转轴线上的实用方式，因为转向节组件阻碍了这种配置。因此，需要改进的角度感测技术。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定轴的角度位置的角度测量系统。该角度测量系统包括第一和第二磁体，其适于根据预定关系协作旋转通过不同的角度距离， 其中所述第一磁体耦合到所述轴并且与所述轴一起旋转；第一和第二角度传感器，其位于不同位置并且适于测量由所述第一和第二磁体产生的磁场方向性；以及控制器，其适于基于由所述第一和第二角度传感器测量的磁场方向性来确定所述轴的角度位置。根据本发明的另一方面，提供一种用于确定轴的角度位置的方法。该方法包括在关于第一轴线固定的第一位置测量磁场的方向性，第一磁体围绕所述第一轴线旋转；在关于第二轴线固定的第二位置测量所述磁场的方向性，第二磁体围绕所述第二轴线旋转；分析所述磁场在所述第一和第二位置的方向性，以确定所述轴的角度位置。根据本发明的又一方面，提供一种用于确定轴的绝对角度位置的方法。该方法包括在第一位置测量磁场的第一相对角度，其中所述第一相对角度是第一磁体的函数，所述第一磁体围绕所述轴的旋转轴线与所述轴一起旋转；在与所述第一位置间隔开的第二位置测量所述磁场的第二相对角度，其中所述第二相对角度是第二磁体的函数，所述第二磁体适于以不同于所述第一磁体的方式运动；基于所述第一和第二相对角度之间的关系确定所述轴的绝对角度位置。根据本发明的另一方面，提供一种用于确定轴的绝对角度位置的系统。该系统包括第一磁体，其适于围绕第一旋转轴线与所述轴一起旋转；第二磁体，其适于围绕第二旋转轴线旋转，所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线间隔开；第一角度传感器，其适于在第一位置测量磁场的第一相对角度，其中所述第一位置在所述第一磁体上方并且与所述第一旋转轴线间隔开；第二角度传感器，其适于在第二位置测量所述磁场的第二相对角度；以及控制器，其适于分析所述第一和第二相对角度以确定所述轴的绝对角度位置。
图1是根据一个实施例的角度测量系统的俯视图。图2是图1的角度测量系统的侧视图。图3是概括说明适合于与图1的角度测量系统一起使用的GMR角度传感器的一个实施例的框图。图4是说明根据一个实施例的GMR电阻器配置的示意图。图5A-5D说明随时间地(in time)在不同角位置的角度测量系统。图6示出说明来自用于导出绝对角度位置的两个角度传感器的信号的采样角度计算绘图，并且其对应于图5A-5D。图7是说明根据一些实施例的方法的流程图。图8是说明冗余(redundant)角度传感器的一个示例的实施例。图9是说明其中除了磁体之外的附加结构被包括在旋转主体中的一个示例的实施例。图10是说明包括冗余角度传感器的一个示例的实施例。图11是说明包括纽扣磁体(button magnet)上方的偏心角度传感器的一个示例的实施例。图12是说明包括纽扣磁体上方的一对偏心角度传感器的一个示例的实施例。图13是说明其中角度传感器相对于通过第一和第二旋转主体中心的χ轴偏移 90°的一个示例的实施例。
具体实施例方式现在参考附图描述要求保护的主题，其中遍及全文相似的标记用于指代相似的元件。在以下描述中，为了解释的目的，陈述了许多具体细节以便提供对要求保护的主题的透彻理解。然而，很明显，在没有这些具体细节的情况下，要求保护的主题也可以实现。本公开的方面涉及用于测量旋转轴的角度位置的技术。正如将在下文更详细描述的那样，本公开的一些角度测量系统包括至少两个磁体，它们根据预定关系(例如，预定的齿轮比(gear ratio))以不同的速率协作旋转。一个或多个常常固定的角度传感器测量在对于特定角度轴位置的不同位置处的合成磁场(resultant magnetic field)的方向性。基于由角度传感器测量的磁场方向性，该技术可以确定旋转轴的绝对(absolute)角度位置。正如从下面的细节可以认识到的那样，根据本公开的角度测量技术在利用了旋转轴的许多应用中是有优势的。在一些应用中，这些技术可以被用于测量相对角度和绝对角度二者。实质上，相对角度是在单个360°旋转内测量的角度位置，而绝对角度是可以考虑 (account for)多于一个360°旋转的角度位置。例如，相对角度位置可以测量相对于真实垂线的45°旋转(其中没有指示从先前的测量经过了多少个360°旋转)，而绝对角度位置可以指示相对于某固定参考线的两个完整的360°旋转加45°旋转(例如，相对固定参考线的765°旋转)。图1和图2分别说明用于确定旋转轴102(例如车辆中的转向轴)的绝对角度的角度测量系统100的俯视图和侧视图。该角度测量系统包括耦合到旋转轴(分别是102、 108)的第一和第二主体(104、106)，其中轴的旋转轴线(分别是110、112)间隔开一段距离 114。注意到，尽管在所说明的实施例中轴线110、112是平行的，然而在其它实施例中，它们也可以关于彼此倾斜，例如在蜗轮(worm gear)配置中。第一和第二主体(104、106)具有外径(分别是RQ1、RQ2)，其限定主体的外部圆周， 沿着所述外部圆周设置有齿(teeth) 116。沿着外部圆周的齿116的数目可以根据预定的齿轮比而布置，因此促进第一和第二主体(104、106)根据预定关系围绕它们的旋转轴线(分别是110、112)的旋转运动。每个主体都包括一个或多个磁体，其适于提供根据主体的运动而旋转的磁场。例如，第一主体104包括安装在旋转轴102的第一磁体118，其可以是具有北极120和南极122 的环形永磁体。由第一磁体118产生的第一磁场的磁场线从北极120延伸到南极122，如磁场线所指示的那样。类似地，第二主体106包括第二磁体126，其可以是具有北极1 和南极130的圆形或“纽扣”永磁体。由第二磁体1 产生的第二磁场的磁场线从北极1 延伸到南极130，如磁场线132a-132c所指示的那样。为了简明的目的，在此处的说明中，仅仅示出了直的磁场线，但要认识到在实际实施中磁场线常常是曲线的或弯曲的。两个或更多角度传感器(例如，第一角度传感器134和第二角度传感器136)分别位于关于第一和第二磁体118、1沈的不同位置。在某些实施例中，第一和第二角度传感器134、136包括第一和第二半导体芯片(分别是138、140)，其具有GMR电阻器区(分别是 142、144)且安装在印刷电路板上(分别是146、148)。图1和图2示出了位于第一磁体118上方的第一角度传感器134。更特别地，第一角度传感器134通常位于与环形磁体118的表面152平行的平面150中，以使得电阻器区 142基本上处于沿着延伸通过旋转轴102的旋转轴线110的半径的中心，且在环形磁体118 的内径(r,)和外径(r0)之间。此外，电阻器区142通常在内径ri和外径r。之间是等距的， 以帮助限制在环形磁体118边缘附近遇到的不期望的场变化。图1和图2还示出位于第二磁体1 上方的第二角度传感器136。更特别地，第二角度传感器136通常位于与纽扣磁体126的表面156平行的平面154中，以使得电阻器区 144基本上处于纽扣磁体的旋转轴线112的中心。根据实施，平面150、巧4和表面152、156 之间的距离可以相同或不同。典型地，第一和第二角度传感器134、136保持固定，而第一和第二磁体118、1 在其下旋转。以这种方式，第一和第二角度传感器134、136测量磁场在其各自位置的方向性或相对角度，且将相对角度信息提供给控制器158 (例如，微控制器)。控制器158然后可以基于来自第一和第二角度传感器134、136的相对角度确定旋转轴102的绝对角度。因为沿着轴的绝对角度的每一度都对应于第一和第二角度传感器的不同对测量，所以齿轮比的灵活性提供了对于轴的绝对角度的无限可能性。为了促进适合的功能，环形磁体118(和轴102)的全旋转数Ti可以由下面的等式 ⑴表示T1=-(1)
a其中A是轴102转过的绝对角度，且a = 360° (假定对于所有转的最大可能的轴旋转)。设计人员然后可以选择整数i，且根据下面的等式( 计算环形磁体118对于纽扣磁体126的尺寸比ζ
权利要求
1.一种用于确定轴的角度位置的角度测量系统，包括第一和第二磁体，其适于根据预定关系协作旋转通过不同的角度距离，其中所述第一磁体耦合到所述轴并且与所述轴一起旋转；第一和第二角度传感器，其位于不同位置并且适于测量由所述第一和第二磁体产生的磁场方向性；以及控制器，其适于基于由所述第一和第二角度传感器测量的磁场方向性来确定所述轴的角度位置。
2.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中所述轴适于旋转通过大于360度的绝对角度，且其中所述控制器适于基于由所述第一和第二角度传感器测量的磁场方向性来确定所述轴的绝对角度。
3.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中围绕所述轴沿径向设置所述第一磁体。
4.根据权利要求3所述的角度测量系统，其中所述第一角度传感器关于所述第一磁体的旋转轴线是固定的。
5.根据权利要求4所述的角度测量系统，其中所述第一角度传感器包括感测区，所述感测区至少基本上处于所述第一磁体的内径和所述第一磁体的外径之间的中心。
6.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中所述第二磁体适于围绕旋转轴线旋转， 所述旋转轴线至少基本上被定位于所述第二磁体的中心。
7.根据权利要求6所述的角度测量系统，其中所述第二角度传感器关于所述第二磁体的旋转轴线是固定的。
8.根据权利要求7所述的角度测量系统，其中所述第二角度传感器包括感测区，所述感测区至少基本上处于所述第二磁体的旋转轴线的中心。
9.根据权利要求7所述的角度测量系统，其中所述第二角度传感器包括感测区，所述感测区与所述第二磁体的旋转轴线间隔开。
10.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中在所述第一和第二磁体的外侧沿径向设置齿，其中所述齿被布置成根据齿轮比来建立预定关系。
11.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中如果不是所述第一角度传感器和第二角度传感器二者，则所述第一角度传感器或第二角度传感器中的至少一个包括半导体芯片，其包括为协作确定磁场方向性而布置的巨磁阻(GMR)电阻器的布置。
12.一种用于确定轴的角度位置的方法，包括在关于第一轴线固定的第一位置测量磁场的方向性，第一磁体围绕所述第一轴线旋转；在关于第二轴线固定的第二位置测量所述磁场的方向性，第二磁体围绕所述第二轴线旋转；分析所述磁场在所述第一和第二位置的方向性，以确定所述轴的角度位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一轴线对应于所述轴的旋转轴线。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一位置与所述第一轴线间隔开一段距1 。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二磁体至少基本上处于所述第二轴线的中心。
16.一种用于确定轴的绝对角度位置的方法， 包括在第一位置测量磁场的第一相对角度，其中所述第一相对角度是第一磁体的函数，所述第一磁体围绕所述轴的旋转轴线与所述轴一起旋转；在与所述第一位置间隔开的第二位置测量所述磁场的第二相对角度，其中所述第二相对角度是第二磁体的函数，所述第二磁体适于以不同于所述第一磁体的方式运动； 基于所述第一和第二相对角度之间的关系确定所述轴的绝对角度位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一和第二相对角度指定小于360度的角度且其中所述绝对角度位置大于360度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中根据所述第一和第二相对角度确定绝对角度位置包括分析所述第一和第二相对角度，以及识别对于所述第一和第二相对角度的唯一对应绝对角度位置。
19.一种用于确定轴的绝对角度位置的系统， 包括第一磁体，其适于围绕第一旋转轴线与所述轴一起旋转；第二磁体，其适于围绕第二旋转轴线旋转，所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线间隔开；第一角度传感器，其适于在第一位置测量磁场的第一相对角度，其中所述第一位置在所述第一磁体上方并且与所述第一旋转轴线间隔开；第二角度传感器，其适于在第二位置测量所述磁场的第二相对角度；以及控制器，其适于分析所述第一和第二相对角度以确定所述轴的绝对角度位置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第二位置至少基本上位于所述第二旋转轴线上。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述第二位置与所述第二旋转轴线间隔开一段距离。
22.根据权利要求19所述的系统，还包括；在所述第一磁体上方的至少一个冗余角度传感器。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述至少一个冗余角度传感器相对于所述第一磁体的表面位于与所述第一角度传感器的公共面上。
24.根据权利要求19所述的系统，还包括在所述第二磁体上方的至少一个冗余角度传感器。
25.根据权利要求M所述的系统，其中所述至少一个冗余角度传感器被堆叠在所述第二角度传感器上且至少基本上位于所述第二旋转轴线上。
全文摘要
一种角度测量系统。本公开的某些方面涉及用于测量旋转轴的角度位置的技术。正如下面更详细描述的那样，本公开的某些角度测量系统包括至少两个磁体，所述磁体根据预定关系(例如，预定齿轮比)以不同速率协作旋转。通常固定的两个或更多磁场感测元件测量在对于特定角度轴位置的不同位置处的合成磁场的方向性。基于由磁场感测元件测量的方向性，该技术可以确定旋转轴的绝对角度位置，其可以大于360度。
文档编号G01B7/30GK102183203SQ20101062428
公开日2011年9月14日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者J·W·斯特林 申请人:英飞凌科技股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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