本發(fā)明主要涉及傳感器，尤其但不局限于涉及具有安裝于軸側(cè)的傳感器的磁角度傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在許多應(yīng)用中，需檢測圓柱形磁體或環(huán)形磁體這種沿徑向磁化的磁體的角位置，例如汽車動力系統(tǒng)。圖1給出了一項現(xiàn)有技術(shù)，涉及沿直徑徑向磁化的圓柱形磁體10。放置于磁體10中央正下方的磁傳感器11用來檢測圓柱形磁體10所產(chǎn)生的磁場分量B的角度方位。在這種傳感配置中，磁場分量B與磁體10從北極N到南極S的磁化方向完全相反(旋轉(zhuǎn)180度)。因此，通過檢測磁體10正下方的磁場分量B的角度方位，與此角度方位相關(guān)的磁體10磁化方向也可得到。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標(biāo)之一是為實(shí)現(xiàn)更靈活、更便于安裝的傳感系統(tǒng)而提供的磁角度傳感系統(tǒng)及相應(yīng)的檢測方法。

為實(shí)現(xiàn)上述與其他目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，提供了一種磁角度傳感系統(tǒng)，包括：徑向磁化的磁體(10)，其所在平面為xy，磁化方向由磁體(10)的北極(N)到南極(S)，北極(N)和南極(S)在平面xy上相反的兩端，磁體(10)可繞垂直于平面xy的z軸旋轉(zhuǎn)；磁角度傳感器(40)具有一個平行于z軸且垂直于處在z軸與磁角度傳感器(40)之間的半徑r的傳感平面tz′，磁角度傳感器(40)同平面xy異面，并檢測位于傳感平面tz′上平行于z軸的第一檢測方向z′的、由磁體(10)所產(chǎn)生的磁場矢量(B)的軸向磁場分量(Bz)，以及檢測位于傳感平面上垂直于半徑r與z軸的第二檢測方向t的、磁場矢量(B)的正切磁場分量(Bt)，以提供一個表示磁角位置的角度信號DA。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，磁角度傳感系統(tǒng)(400)進(jìn)一步包括了實(shí)現(xiàn)函數(shù)β＝Arctan(Bt/Bz)的計算電路，其中β表示磁角度傳感器(40)處的磁場矢量在傳感平面tz′上投影的方位角，Bt表示正切磁場分量，Bz表示軸向磁場分量。磁體(10)的角位置α由計算出的方位角β得到。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中磁角度傳感器(40、600)包括：第一霍爾器件(61)，檢測第一檢測方向z′；第二霍爾器件(62)，檢測第二檢測方向t；第一處理單元(63)耦接到第一霍爾器件(61)和第二霍爾器件(62)，并配置成提供第一角度信號DB，DB表示磁角度傳感器(40)處的磁場矢量在傳感平面tz′上投影的方位角β；第二處理單元(64)耦接到第一處理單元(63)的輸出，并根據(jù)第一角度信號DB，提供表示磁體角位置α的第二角度信號DA。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中磁角度傳感器(40、600)包括：檢測第一檢測方向z′的第一霍爾器件(61)，包括兩對連接頭；檢測第二檢測方向t的第二霍爾器件(62)，包括兩對連接頭；電流源(2)，其輸出提供一定的電流；濾波單元(F)，具有一個輸入和一個輸出；接線單元(W)，具有多個耦接到電流源(2)輸出端、第一與第二霍爾器件(61、62)的連接頭以及濾波單元輸入端的節(jié)點(diǎn)，其選擇性地將第一與第二霍爾器件(61、62)各自的一對連接頭耦接到電流源(2)以使得電流流經(jīng)第一與第二霍爾器件(61、62)，同時將第一與第二霍爾器件(61、62)各自的另一對連接頭耦接到濾波單元(F)的輸入端以提供第一霍爾電壓信號；控制單元，其按照以下方式對接線單元(W)進(jìn)行控制：一個時間周期Tf內(nèi)，在第一個0.5Tf的持續(xù)時期中，前0.25Tf期間令T1接線方案施于第一霍爾器件，后0.25Tf期間令Z1接線方案施于第二霍爾器件，在緊接著的第二個0.5Tf的持續(xù)時期中，前0.25Tf期間令-T2方案施于第一霍爾器件，后0.25Tf期間令-Z2施于第二霍爾器件，這其中-T2、-Z2各自與T1、Z1正交且反向；進(jìn)一步地，包括輸出單元(4)，其耦接到濾波單元(F)的輸出端，提供表示磁體(10)角位置的角度信號DA；其中，一個接線方案中一對連接到電流源的連接頭在另一個接線方案中連接到濾波單元，這兩個接線方案被稱作是正交的；一個接線方案中霍爾電壓信號同另一個接線方案中霍爾電壓信號的方向相反，這兩個接線方案被稱作是互為反向的。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中輸出單元(4)包括：比較器(3)，具有耦接到濾波單元(F)的第一輸入端與接地的第二輸入端；相位檢測單元(5)，具有耦接到比較器(3)輸出端的第一輸入端(EN)、接收PWM信號的第二輸入端(RST)、接收時鐘信號的第三輸入端(CLK)及提供表征磁體(10)角位置的角度信號DA的輸出端。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中相位檢測單元(5)包括：鎖存電路，具有耦接到比較器輸出端的置位輸入端，和接收PWM信號的復(fù)位輸入端，以及輸出端；計數(shù)器，具有耦接到鎖存電路輸出端的輸入端，以及提供表示磁體(10)角位置的與磁化方向(M)相關(guān)的角度信號的輸出端。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，磁角度傳感系統(tǒng)(400)進(jìn)一步包括：第三霍爾器件(131)，其平行于第一霍爾器件(61)且相對于第一霍爾器件旋轉(zhuǎn)了180度，包括兩對連接頭；第四霍爾器件(132)，其平行于第二霍爾器件(62)且相對于第二霍爾器件旋轉(zhuǎn)了180度，包括兩對連接頭；第二接線單元(W′)，具有多個耦接到電流源(2)的輸出端、第三與第四霍爾器件(131、132)連接頭的節(jié)點(diǎn)，其選擇性地將第三與第四霍爾器件(131、132)各自的一對連接頭耦接到電流源(2)以使得電流流經(jīng)第一與第二霍爾器件(131、132)，第三與第四霍爾器件(131、132)各自的另一對連接頭提供第二霍爾電壓，施于第三與第四霍爾器件的接線方案和施于第一與第二霍爾器件的接線方案相同；減法單元(5)，具有接收第一霍爾電壓信號的第一輸入端、接收第二霍爾電壓信號的第二輸入端以及耦接到濾波單元輸入端的輸出端。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中第一與第二霍爾器件在某時期內(nèi)各自連接到電流源的那一對連接頭在相應(yīng)的時期到來之前已經(jīng)連好，并在此時期內(nèi)維持連接；同時另一對連接到濾波單元的連接頭在此時期內(nèi)連接，并在該時期之后繼續(xù)維持連接一小段時間。

為實(shí)現(xiàn)上述及其他目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于傳感系統(tǒng)的磁角度傳感器，所述傳感系統(tǒng)包括沿徑向磁化的磁體，該磁體可繞垂直于自身所在平面xy的z軸旋轉(zhuǎn)，所述磁角度傳感器具有平行于z軸且垂直于處在z軸與磁角度傳感器之間的半徑r的傳感平面tz′，并與磁體所在平面xy異面，包括：第一霍爾器件，檢測位于傳感平面tz′上平行于z軸的第一檢測方向z′的、由磁體所產(chǎn)生的磁場矢量的軸向磁場分量；第二霍爾器件，檢測位于傳感平面上tz′上垂直于半徑r與z軸的第二檢測方向t的、磁場矢量的正切磁場分量；以及處理單元，根據(jù)軸向磁場分量和正切磁場分量提供表示磁體角位置d的角度信號DA。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中所述第一霍爾器件與第二霍爾器件分別具有兩對連接頭，所述處理單元包括：電流源，輸出端提供一定的電流；濾波單元，具有一個輸入端和一個輸出端，所述濾波單元根據(jù)周期Tf＝1/f濾出基波頻率為f的正弦波；控制單元，控制第一接線單元，使得第一與第二霍爾器件各自的一對連接頭接收電流，同時第一與第二霍爾器件各自的另一對連接頭提供第一霍爾電壓信號，所述第一霍爾電壓信號傳至濾波單元；以及輸出單元，輸出單元，耦接到濾波單元的輸出端，提供表示磁體角位置的角度信號DA。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中所述輸出單元包括：比較器，具有第一輸入端與第二輸入端，所述第一輸入端耦接到濾波單元，所述第二輸入端接地電位；鎖存電路，具有置位輸入端、復(fù)位輸入端和輸出端，所述置位輸入端耦接到比較器輸出端，所述復(fù)位輸入端接收PWM信號；以及計數(shù)器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端耦接到鎖存電路輸出端，所述第二輸入端接收時鐘信號，所述輸出端提供表示磁體角位置的角度信號DA。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中所述磁角度傳感器還包括：第三霍爾器件，平行于第一霍爾器件且相對于第一霍爾器件旋轉(zhuǎn)了180度，包括兩對連接頭；第四霍爾器件，平行于第二霍爾器件且相對于第二霍爾器件旋轉(zhuǎn)了180度，包括兩對連接頭；第二接線單元，具有多個節(jié)點(diǎn)，所述節(jié)點(diǎn)耦接到電流源的輸出端、第三與第四霍爾器件連接頭，所述第二接線單元其選擇性地將第三與第四霍爾器件各自的一對連接頭耦接到電流源以使得電流流經(jīng)第三與第四霍爾器件，第三與第四霍爾器件各自的另一對連接頭提供第二霍爾電壓，施于第三與第四霍爾器件的接線方案和施于第一與第二霍爾器件的接線方案相同；以及減法單元，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端接收第一霍爾電壓信號，所述第二輸入端接收第二霍爾電壓信號，所述輸出端耦接到濾波單元輸入端。

為實(shí)現(xiàn)上述及其他目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，提供了一種檢測沿徑向磁化的磁體(10)的角位置的方法，此方法包括：將磁角度傳感器(40)放置于磁體(10)的軸側(cè)，傳感器不處于磁體所在的平面，并與磁體的轉(zhuǎn)軸(z)平行(S1601)；檢測傳感器之處的磁場矢量的軸向磁場分量(Bz)與正切磁場分量(Bt)(S1602)；檢測磁場矢量在傳感器傳感平面的投影的方位角β，其中傳感平面是軸向磁場分量(Bz)與正切磁場分量(Bt)所在的平面(S1603)；通過與磁場矢量的方位角β進(jìn)行匹配，得到表示磁體(10)磁化方向(M)與傳感器(40)之間的差角，即磁體角位置α。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，方位角β通過以下方法測得：采用第一霍爾器件(61)檢測軸向磁場分量，其具有兩對連接頭；采用第二霍爾器件(62)檢測正切磁場分量，其具有兩對連接頭；采用接線單元，將第一與第二霍爾器件(61、62)各自的一對連接頭耦接到電流源以使得電流流經(jīng)第一與第二霍爾器件，同時將第一與第二霍爾器件(61、62)各自的另一對連接頭耦接到濾波單元(F)的輸入端以提供一個表征方位角β的霍爾電壓信號。按以下方式控制接線單元：一個時間周期Tf內(nèi)，在第一個0.5Tf的持續(xù)時期中，前0.25Tf期間令T1接線方案施于第一霍爾器件，后0.25Tf期間令Z1接線方案施于第二霍爾器件，在緊接著的第二個0.5Tf的持續(xù)時期中，前0.25Tf期間令-T2方案施于第一霍爾器件，后0.25Tf期間令-Z2施于第二霍爾器件，這其中-T2、-Z2各自與T1、Z1正交且反向。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過調(diào)整傳感器(40)中檢測軸向磁場分量(Bz)的第一霍爾器件的傳感比率及檢測正切磁場分量(Bt)的第二霍爾器件的傳感比率，實(shí)現(xiàn)與方位角β的匹配。

根據(jù)本發(fā)明上述各方面的磁角度傳感系統(tǒng)及檢測徑向磁化磁體的角度位置的方法，有效解決了實(shí)際應(yīng)用中有時軸端無法安裝角度傳感器的問題，實(shí)現(xiàn)了更靈活、更便于安裝的磁角度傳感系統(tǒng)。

附圖說明

參照以下附圖，對本發(fā)明非限制性且非詳盡的實(shí)施例進(jìn)行描述。這些附圖僅用于示例。通常，這些繪圖只展示實(shí)施例中系統(tǒng)或電路的一部分。

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的涉及徑向磁化的圓柱形磁體；

圖2示出一個固定于轉(zhuǎn)軸的磁體；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的固定在平板上的磁體和軸；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的包括磁體和安裝于軸側(cè)的磁角度傳感器的磁傳感系統(tǒng)；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的正切磁場分量、軸向磁場分量與徑向磁場分量的波形圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的放置在軸側(cè)并具有第一處理單元與第二處理單元的磁角度傳感器的原理框圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的角度信號不需要第二處理單元便直接輸出的磁角度傳感器的原理框圖；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的相位檢測單元的原理框圖；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的霍爾器件所有可能的接線方案；

圖10示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的霍爾器件(用帶叉形的方框符號表示)四組不互為反向的接線方案T1、T2、T3與T4；

圖11示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的霍爾器件中通過偏置電流時霍爾電壓隨時間軸變化的波形圖；

圖12示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的適用于抑制尖峰的偏置電流和相應(yīng)的霍爾電壓的波形圖；

圖13示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的另一種磁角度傳感器的原理框圖；

圖14示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的垂直集成霍爾器件的橫截面視圖；

圖15示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的應(yīng)用于垂直集成霍爾器件的四組不互為反向接線方案的原理示意圖；

圖16示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的檢測徑向磁化的磁體的角位置的方法。

不同示意圖中的相同的附圖標(biāo)記表示相同或者相似的部分或特征。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其示例用附圖加以說明。雖然是結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)理解為，并非要把本發(fā)明限制于這些實(shí)施例，相反本發(fā)明應(yīng)當(dāng)涵蓋替代、修改和等效等，這些可能被包括在附加的權(quán)利要求所定義的精神和范圍之內(nèi)。此外，在以下詳細(xì)描述中，為了提供對本發(fā)明的深入理解，對大量特定細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述。然而，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是：不必采用這些特定細(xì)節(jié)來實(shí)行本發(fā)明。在其他實(shí)例中，未具體描述公知的方法、過程、器件和電路，以免對本發(fā)明產(chǎn)生不必要的混淆。

描述中的“耦接”可以是指直接連接或者經(jīng)由中間媒介的間接連接。中介媒介可包括可能存在電阻、寄生電容和(或者)寄生電感的導(dǎo)體，還可包括二極管或其他器件(電路)。描述中的“電路”可以是集成電路(IC)、器件、印刷電路板系統(tǒng)或其他。

在某些應(yīng)用中，參考圖2，一個徑向磁化的磁體如圓柱形磁體10沿著z軸被固定在轉(zhuǎn)軸20上，z軸垂直于磁體的xy平面。在這種情況下，磁傳感器并不能被置于磁體10的正中央下方檢測磁化方向M，故可將磁角度傳感器21沿著磁體10的半徑r置于xy平面，且徑向磁場分量Br反映了基于磁化方向M的角位置α。如圖5所示，角位置α相對于徑向磁場分量Br存在一定的關(guān)系。在另外一些應(yīng)用中，以圖3所示為例，磁體10可能固定在平板30上或嵌于某一裝置中，且同樣具有轉(zhuǎn)軸20，因此磁傳感器既不能置于磁體10的正下方，也不能置于磁體的xy平面。故在這些情況中，需要一個檢測系統(tǒng)來檢測基于磁化方向的角位置，從而要求一個更靈活的檢測系統(tǒng)，其磁角度傳感器置于軸側(cè)A1、A2、A3或A4任一區(qū)域，以適應(yīng)于各種場合。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的磁傳感系統(tǒng)400，磁傳感系統(tǒng)400包括磁體10和磁角度傳感器40，所述磁角度傳感器40置于磁體10的軸側(cè)A1、A2、A3或A4任一區(qū)域，如圖3所示。磁體10沿徑向磁化，其磁化方向M從磁體的北極N到南極S。在此實(shí)施例中，磁角度傳感器既不在磁體10的正下方，也不位于xy平面上，而是在軸側(cè)平行于z軸且低于磁體10的某處，用來檢測磁場矢量在兩個方向上的分量。第一個方向平行于z軸，采集磁場矢量B的軸向磁場分量Bz，第二個方向在其正切方向，采集正切磁場分量Bt。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員非常清楚的一點(diǎn)是，正切方向t垂直于z軸、z軸和傳感器40之間相應(yīng)的那條半徑所共同確定的平面。換言之，傳感器40檢測磁場矢量B在傳感平面上的投影的正切磁場分量Bt和軸向磁場分量Bz，其中傳感平面tz′平行于z軸、垂直于z軸與傳感器40之間的那條半徑。磁角度傳感器40給出了表示磁體10角位置α的角度信號DA，該角度信號DA指示了磁體10磁化方向M與傳感器40安裝之處所對應(yīng)半徑的角度差。此實(shí)施例提供了一個靈活的檢測系統(tǒng)。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的正切方向t上的正切磁場分量Bt、平行于磁體z軸的軸方向z′上的軸向磁場分量Bz以及半徑方向r上的徑向磁場分量。如圖5所示，正切磁場分量Bt與徑向磁場分量Br成比例。

由于正切磁場分量Bt和軸向磁場分量Bz隨角位置α變化的波形有預(yù)定的相位差，當(dāng)磁傳感器位于軸側(cè)時，xy平面上以磁化方向M為參考的角位置α可通過磁場矢量在tz′平面的投影的方位角β獲得，而方位角β可通過對正切磁場分量與軸向磁場分量之比求取反正切而得到。有各種方法和電路可實(shí)現(xiàn)此反正切函數(shù)來求得β值。根據(jù)圖5所示，角位置α有一個對應(yīng)于方位角β的預(yù)定值。在一個實(shí)施例中，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定正切磁場分量Bt與軸向磁場分量Bz的靈敏度比例，可以使角位置α成比例于方位角β。

圖6至圖15示出多個實(shí)施例，它們應(yīng)用于檢測方位角β或直接檢測角位置α。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的基于正切磁場分量Bt和軸向磁場分量Bz的置于軸側(cè)的檢測磁體10角位置α的磁角度傳感器600。磁角度傳感器600檢測磁場矢量B在平面tz′上投影的方位角β，通過與β角相匹配，提供與磁化方向M有關(guān)的磁角度傳感器600的角位置α。在一個實(shí)施例中，檢測方位角β的方法可以參照和結(jié)合已公開的美國專利8508218中檢測角位置α的方法。

磁角度傳感器600包括兩個霍爾器件61、62，都為垂直霍爾器件，其檢測方向都位于傳感平面，各自沿t軸和z′軸方向?；魻柶骷?1、62各有兩對連接頭，為檢測方位角，偏置電流通過其中一對連接頭分別施加到61、62上，同時由另一對連接頭檢測霍爾電壓?；魻柶骷?1、62連接到由控制單元L控制的接線單元W。接線單元W將接線方案施于器件61、62上，以確定哪一對連接頭用于流通偏置電流及哪一對連接頭用于采集霍爾電壓。因此傳感器600包括電流源2，其連接到接線單元W上。

除了連接到霍爾傳感器61、62與電流源2的輸出端，接線單元W還與濾波單元F的一個輸入端相連接。在一個實(shí)施例中，濾波單元F是一個帶通濾波器，對經(jīng)由接線單元采集自霍爾器件61、62的霍爾電壓信號進(jìn)行濾波。

濾波單元F所輸出的濾后信號傳入比較器3的一個輸入端，比較器3另一個輸入端接地。比較器3輸出的信號為數(shù)字信號，可采用現(xiàn)有技術(shù)檢測得到其相位。圖6所示實(shí)施例中，數(shù)字信號用粗箭頭繪制，模擬信號用細(xì)箭頭繪制。對于相位檢測，可采用如圖6所示的相位檢測單元5，它接收比較器3輸出的信號(為PWM信號)、控制單元L輸出的信號和時鐘6輸出的時鐘信號。比較器3和相位檢測單元5構(gòu)成了傳感器600的輸出單元4。表示所要檢測的方位角β的信號DB由輸出單元4的輸出端口輸出。

在已經(jīng)示出的實(shí)施例中，電流源2、接線單元W、濾波器F、時鐘6、控制單元L和輸出單元4構(gòu)成了第一處理單元63，其提供了表示磁場矢量B在傳感平面tz′上投影的方位角β的第一角度信號DB(參見圖4)。在一個實(shí)施例中，角度信號DB為一個8位數(shù)字信號。傳感器600進(jìn)一步包括了第二處理單元64，提供如圖4所示的與磁化方向M有關(guān)的磁角度傳感器600角位置α的角度信號DA，換言之即磁化方向M同傳感器600所在之處半徑r之間的差角。在一個實(shí)施例中，可通過給表示磁場矢量B的方位角β的第一角度信號DB加上某一預(yù)定值，得到角度信號DA。

圖7示出了另一個實(shí)施例，該實(shí)施例的角度信號DA直接由相位檢測單元5輸出，不需要第二處理單元以得出如圖4所示的與磁化方向M有關(guān)的磁角度傳感器40的角位置。在一個實(shí)施例中，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定第一霍爾器件61與第二霍爾器件62的靈敏度比例，例如設(shè)定第一霍爾器件61與第二霍爾器件62的靈敏度比例為1∶1，表示與磁化方向M有關(guān)的磁角度傳感器40角位置α的角度信號DA可以直接由相位檢測單元5的輸出端口輸出。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的相位檢測單元5的框圖，它可以用于圖6的實(shí)施例中。相位檢測單元5包括置位-復(fù)位鎖存器8和計數(shù)器9。鎖存器8的置位輸入端EN耦接到比較器3的輸出端，以觸發(fā)“開”狀態(tài)(或“有效”狀態(tài))，鎖存器8的復(fù)位輸入端RST耦接到控制單元L的輸出端，以觸發(fā)“關(guān)”狀態(tài)(或“空閑”狀態(tài))，或者反之亦然。這兩個邏輯信號有相同的頻率，但它們互相關(guān)聯(lián)的相位取決于(甚至可能代表)所要測得的角度B。因此，鎖存器8輸出一PWM信號，此PWM信號其占空比表示這兩個邏輯信號相關(guān)聯(lián)的相位、進(jìn)而表示角度β。鎖存器8輸出的PWM信號以及時鐘電路6輸出的時鐘信號傳入計數(shù)器9，其中時鐘信號的頻率非常高，比如高于鎖存器8輸出的PWM信號的頻率三到四個數(shù)量級，具體要取決于所期望的分辨率。計數(shù)器9輸出一個代表所要測得的角度β的8位數(shù)字信號DB?；蛘?，在另一個實(shí)施例中，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定霍爾器件間的靈敏度比例，計數(shù)器9輸出的數(shù)字信號會直接代表所求的角度α。如前文所述，其他相位檢測原理和實(shí)現(xiàn)方式可能會被采用，總之，其他輸出單元可能會被采用。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的霍爾器件所有可能的接線方案的示意框圖，對8個應(yīng)用在霍爾器件上的接線方案進(jìn)行了圖示說明。在圖9中，霍爾器件用方形符號表示，偏置電流I的流向用細(xì)箭頭表示，霍爾電壓信號Vhall的方向用點(diǎn)箭頭表示。這些方向顯然只與霍爾器件的接線方式相對應(yīng)，即霍爾器件連接頭的連接方式。霍爾器件的檢測方向垂直于繪制平面，且霍爾器件符號中央的標(biāo)志表明兩種接線方案中引出的霍爾電壓屬于相同還是相反的標(biāo)記。圖9中左手側(cè)的幾組接線方案引出相同標(biāo)記的霍爾電壓Vhall，因此這幾組接線方案之間是不互為反向的接線方案。圖9右手側(cè)的接線方案之間亦是如此，但左側(cè)任意接線方案都與右側(cè)任意接線方案互為反向。此外，圖9上半部分的任意接線方案與下半部分的任意接線方案正交，這是因?yàn)樯习氩糠纸泳€方案中用來流通偏置電流的一對連接頭在下半部分接線方案中被用作采集和輸出霍爾電壓，反之亦然。

圖10示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的霍爾器件(用帶叉的方框符號表示)的四組不互為反向的接線方案T1、T2、T3和T4。字母“i”和“v”各表示流過偏置電流和檢測霍爾電壓的連接頭，且“+”和“-”表明其極性(或“方向”，參考上文)?？赏ㄟ^交換霍爾器件的輸出連接頭，即用“v-”代替“v+”、用“v+”代替“v-”；這些互為反向的接線方案通過前置一個減號來表示，即-T1、-T2、-T3和-T4。

為了便于理解圖6所示傳感器600的功能，圖11示出圖6的霍爾器件61、62流通偏置電流時霍爾電壓Vhall隨時間軸ωt變化的波形圖。如圖10所示，霍爾器件61所采用的接線方案用字母T(T1、T2、T3、T4)指代，但霍爾器件62所采用的同樣的接線方案用字母Z(Z1、Z2、Z3、Z4)指代。施于霍爾器件的偏置電流在對應(yīng)霍爾電壓傳入濾波單元F的同時保持恒定，因此偏置電流為電流脈沖的形式，即恒定電流脈沖構(gòu)成的矩形形狀。接線單元W首先采用接線方案T1，然后是Z1，接下來是-T2和-Z2。之后，按照此順序循環(huán)往復(fù)地采用接線方案。換言之，電流源2流出的恒定偏置電流I會交替性地施加于霍爾器件61與62，與此同時，就偏置電流I正在流經(jīng)的那個霍爾器件而言，它另一對連接頭連接到濾波單元F上。輸入濾波單元F的霍爾電壓構(gòu)成了一個階梯函數(shù)(圖11中用實(shí)線繪制)，而濾波單元F所輸出的濾后信號在圖11中用虛線繪制。

濾波單元F的基波頻率為f，對應(yīng)于周期Tf＝1/f，其中Tf在圖11中也對應(yīng)于2π。在一個接線方案變換到下一個接線方案之前，每個接線方案的施加時間都為Tf/4。時鐘6和控制單元L一同按照著相應(yīng)的時間邏輯運(yùn)行著。所采用的接線方案按以下方式選擇：在第一個0.5Tf的持續(xù)時期內(nèi)，霍爾器件61、62生成相同標(biāo)記的霍爾電壓，在緊接著的第二個0.5Tf內(nèi)，正交且反向的接線方案被采用，采用相應(yīng)接線方案的相應(yīng)霍爾器件的順序在第一個0.5Tf和第二個0.5Tf中完全相同。這會導(dǎo)致產(chǎn)生一個基波頻率f＝1/Tf、正弦波形狀的濾后信號，此濾后信號的相位表示所要測得的磁場矢量B在傳感平面上投影的方位角β。此外值得注意的是，霍爾器件中通常會存在的偏移在這種方式下會被消除。

比較器3將濾后信號與地電位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個數(shù)字信號(更確切地說，是一個方波信號)，通過此數(shù)字信號、時鐘6輸出的時鐘信號以及控制單元L輸出的邏輯信號(通常是方波信號)，相位檢測單元5(見圖8)可輸出一個表示所要測得的磁場矢量B在傳感平面上投影的方位角β的數(shù)字信號，且通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定霍爾器件間的靈敏度比例，相位檢測單元5可輸出一個表示所求的角位置α的數(shù)字信號。

在一個實(shí)施例中，比較器3、控制單元L和鎖存器8所輸出的這三個信號，其頻率相同，即上文所述的頻率f。當(dāng)然其他評估濾后信號的方法不難想到，尤其是去掉比較器3和(或)鎖存器8和(或)計數(shù)器9，但這些方法通常會更復(fù)雜且(或)更慢。當(dāng)霍爾器件連接到電流源2的同時連接到濾波單元F，會產(chǎn)生電流尖峰和相應(yīng)的電壓尖峰(圖11中未示出)，尤其是開始連接以及斷開連接的時刻。這種電壓信號的尖峰輸入到濾波單元F時，會導(dǎo)致所要測的角度β不夠精準(zhǔn)。為了避免上述問題，在濾波單元F連接到霍爾器件61、62之前，電流源2同霍爾器件61、62的連接已經(jīng)完成；在濾波單元斷開與霍爾器件61、62的連接后，電流源2同霍爾器件61、62的連接才斷開。因此，存在流通偏置電流為2倍于原先偏置電流I的時刻，這要求電流源2可以同步地提供原先偏置電流2倍的電流，或者提供第二電流源。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例所采用的為抑制電壓尖峰和提高測量精度而完成上述流程的偏置電流I和相應(yīng)的霍爾電壓Vhall隨時間軸的變化。圖12的下半部分示出偏置電流I，其中各個接線方案的表示符號標(biāo)上了引號，這是因?yàn)橥暾慕泳€方案(包括兩對連接頭的連接情況)顯然只在另一對連接頭也恰好連接上(即連接到濾波單元F)的時間段內(nèi)是被采用的。這里是圖12的一個示例：根據(jù)施于霍爾器件62的接線方案Z1，霍爾器件62與濾波電源F的連接只維持在π/4到3π/4(圖12中的上半部分)，與電流源2的連接維持在0到π/2(圖12中的下半部分)。在這種情況下，相比與濾波單元F的連接，與電流源2的連接要提前建立和推遲斷開各Tf/8，它們維持的時長是與濾波單元F的連接的2倍，并且以后者連接維持的時間段為中心。

另一個可能的改善之處在于即使在嚴(yán)重非線性的霍爾器件中也可實(shí)現(xiàn)卓越的偏置消除效果，它采用的不僅僅是2組接線方案(對于每個霍爾器件來說)，而是4組。

在這種情況下所重復(fù)的接線方案次序，其周期長度不是Tf而是2Tf。在第一個Tf中，可以采用如圖12所示出的次序，也就是T1、Z1、-T2、-Z2。但是在第二個Tf中，采用T3、Z3、-T4、-Z4的次序(圖10)。因此濾后信號是第一個周期Tf和第二個周期Tf之間的平均值。顯然，這個實(shí)施例可以結(jié)合如圖12所示的實(shí)施例。

圖13示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的另一個改進(jìn)后的傳感器40的原理框圖。在這種情況中，提供了第二套霍爾器件，所處傳感器包括第三霍爾器件131和第四霍爾器件132，它們分別平行于霍爾器件61和62。優(yōu)選地，霍爾器件131和132分別與霍爾器件61、62相同，它們對齊的方式也與后者相同，并且分別相對于霍爾器件61、62繞垂直于傳感平面的軸旋轉(zhuǎn)180°。所增加的霍爾器件131、132由所增加的類似于接線單元W的第二接線單元W′控制；兩個接線單元W、W′都由控制單元L控制。另外，圖13所示出的實(shí)施例的特性可由圖6(與圖7)實(shí)施例的特性推斷出來。對于131和61，同時采用同樣的接線方案；對于132和62，也是同時采用同樣的接線方案。接線方案可以是結(jié)合圖11所討論的一套(T1、Z1、-T2、-Z2)或者上文所述的改進(jìn)后的一套(T1、Z1、-T2、-Z2、T3、Z3、-T4、-Z4)，其中尖峰抑制方法顯然也可以加以運(yùn)用。

在霍爾器件產(chǎn)生的Vhall信號傳入濾波單元F之前，通過減法單元7，第一套霍爾器件(61、62)產(chǎn)生的第一霍爾信號與第二套霍爾器件(131、132)產(chǎn)生的第二霍爾信號之間形成差分信號。例如，采用加法器和反相器實(shí)現(xiàn)，然后將差分信號傳入濾波單元F。由于第二套霍爾器件131、132在旋轉(zhuǎn)180°后與第一套霍爾器件61、62對齊，此差分信號的絕對值會大致等于單獨(dú)每套霍爾器件所產(chǎn)生的信號絕對值的2倍。因此不僅信噪比有所提高，而且更重要的是，霍爾器件與濾波單元F的連接建立或斷開(通過改變接線方案)時刻的開關(guān)噪音會至少得到大幅度的衰減。因此，可以得到一個更加精確的輸出信號，但是與只采用一半數(shù)量的霍爾器件相比，需要提供兩倍的偏置電流。

另一個特殊的實(shí)施例尤其適合于磁場矢量B的投影是旋轉(zhuǎn)著的情況，此時濾波單元實(shí)質(zhì)上為帶通濾波器，尤其為一個品質(zhì)因數(shù)Q最好約π/2的帶通濾波器。

在磁場矢量B(以及投影)旋轉(zhuǎn)的情況下，例如永磁體附在旋轉(zhuǎn)軸上的典型情況，可獲取的數(shù)據(jù)(由輸出單元4輸出)總是比當(dāng)前實(shí)際的角位置有所延遲，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鰧?yīng)于測量周期內(nèi)角位置的平均值，而不是對應(yīng)于測量周期最終時刻的角位置。當(dāng)測量時間相對于磁體旋轉(zhuǎn)周期并不算短，或者數(shù)據(jù)在接下來的周期里才進(jìn)行平均(比如為了降噪)，此延遲變得重要起來。解決方案之一是通過估計旋轉(zhuǎn)速度來修正輸出的數(shù)據(jù)，例如在半個輸出周期內(nèi)將前次的角位置加上或減去角位移。然而這要求某些邏輯處理，會花費(fèi)測量時間且需要一個相對復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)過程。但是，就所推薦的解決方案而言，當(dāng)頻率遠(yuǎn)離中央頻率時，它利用帶通濾波器產(chǎn)生的自然相移，當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時此種情況確實(shí)會發(fā)生。當(dāng)磁場矢量投影旋轉(zhuǎn)方向與接線順序(如圖6的示例：t、z、-t′、-z′，字母表示霍爾器件61、62，負(fù)號表示反向的接線方案)所描述的方向相同時，帶通濾波器輸入端的信號頻率會減小；當(dāng)磁場矢量旋轉(zhuǎn)方向與接線順序所描述的方向相反時，帶通濾波器輸入端的信號頻率會增大。因此，當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)方向同接線順序相反時，濾波器引入正相移；當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)方向同接線順序相同時，濾波器引入負(fù)相移。因此，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)計帶通濾波器，令其檢測磁場矢量投影的旋轉(zhuǎn)方向，并設(shè)定測量方向(更確切地說，是接線方案順序)，這樣相移可至少抵消上文所述的延遲(t、z′、-t、-z′或-z′、-t、z′、t)。實(shí)質(zhì)上π/2的品質(zhì)因數(shù)Q幾乎完美地補(bǔ)償了延遲。

采用三個或更多(六個或更多)霍爾器件并應(yīng)用上述的方法，這樣也是可行的。但是在這種情況下，建議謹(jǐn)慎選擇霍爾電壓從各自的霍爾器件傳入濾波單元的順序。此外，例如霍爾器件的角度方位不是規(guī)則分布，建議謹(jǐn)慎調(diào)整各個霍爾器件將其霍爾電壓傳入濾波單元的持續(xù)時間長度。順序和持續(xù)時間這兩項，都應(yīng)根據(jù)傳入濾波單元的階梯信號是模仿頻率f＝1/Tf的正弦波這個依據(jù)來進(jìn)行選擇。而且，應(yīng)該說明的是，這里提到的每一個霍爾器件，可以是單個霍爾器件，也可以由兩個或更多的單個霍爾器件組成，后者以并聯(lián)、串聯(lián)或混合的串并聯(lián)方式進(jìn)行連接。在一個實(shí)施例中，一個霍爾器件由兩個簡單霍爾器件并聯(lián)組成，它的兩對連接頭都是由這兩個簡單霍爾器件各自的一對連接頭并聯(lián)而成。在另一個實(shí)施例中，另一種復(fù)合霍爾器件由兩個簡單霍爾器件組成，對于這兩個簡單霍爾器件中的每一個，都提供了單獨(dú)的電流源。這里也可以把這兩個單獨(dú)的電流源看成一個復(fù)合電流源的兩個部件。這兩個簡單霍爾器件各自的電壓v-和v+傳入單獨(dú)的加法器，以提供復(fù)合霍爾器件的霍爾電壓。一般而言，根據(jù)本發(fā)明一個霍爾器件當(dāng)然可以擁有超過這四個的連接頭，也就是上文所述的兩對連接頭。

以上提到的所有實(shí)施例都可以在單個硅芯片中得到很好的實(shí)現(xiàn)，特別是采用CMOS工藝，所謂的垂直集成霍爾器件尤其適合于這個實(shí)現(xiàn)過程。

圖14示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的垂直集成霍爾器件40橫截面的概要透視圖。在p摻雜的硅襯底中，有一個n摻雜的阱，硅襯底表面有五個以平行對齊的接觸線框所表示的金屬接觸，來流通偏置電流I和采集霍爾電壓Vhall。如圖14中粗線所示，通常這五個金屬接觸中的兩個會被短接起來，即最外側(cè)的兩個。垂直霍爾器件40左側(cè)標(biāo)有“B”的箭頭表示平行于垂直霍爾器件40所檢測的方向的磁場矢量。

根據(jù)圖14的一個接線方案示例，正中間的接觸用來輸入偏置電流，然后如彎箭頭所指示的方向流向最外側(cè)兩個接觸。電流源(圖14中只是象征性地繪出)連接于最中間的接觸和最外側(cè)兩個接觸；當(dāng)然采用兩個單獨(dú)的電流源也是可以的，每個電流源各自連接一個最外側(cè)的接觸并同時連接最中間的接觸。如圖14所示，另外兩個接觸用來采集相應(yīng)的霍爾電壓(霍爾電壓存在于與檢測方向平行的非零的磁場矢量分量)。

圖15示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的應(yīng)用于垂直集成霍爾器件的四個非反向接線方案的原理示意圖。參考圖14所示的垂直集成霍爾器件，圖15可以看成是這種垂直集成霍爾器件的俯視示意圖，其示出的四個接線方案記名與圖10示出的完全相同，細(xì)節(jié)可互相參考。

這些實(shí)施例的各方面以功能單元來描述。很容易理解的是，這些功能單元事實(shí)上可用任何數(shù)量的適合執(zhí)行特定功能的部件實(shí)現(xiàn)。例如，一個控制單元L和一個接線單元就可用來實(shí)現(xiàn)與圖13實(shí)施例功能相同的實(shí)施例，但是也可以用兩個控制單元和兩個接線單元來實(shí)現(xiàn)。

而且，濾波單元F也可以低通濾波器的形式實(shí)現(xiàn)，并可能另有一個偏移消除器(抑制直流電壓偏移)，至少在一些不同于上文所述的采用適當(dāng)品質(zhì)因數(shù)的帶通濾波器以補(bǔ)償時間延遲的實(shí)施例中是這樣。一般而言，濾波單元的主要目的是從霍爾電壓階梯信號中抽取頻率為f＝1/Tf(其相位為所要檢測的角度)的正弦波。

圖16示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的徑向磁化磁體角位置的檢測方法1600。方法1600包括第一步S1601，將磁體角度傳感器置于磁體軸側(cè)且磁體表面下方的區(qū)域，平行于磁體的旋轉(zhuǎn)軸。方法1600包括第二步S1602，檢測傳感器所在之處磁場矢量的平行于旋轉(zhuǎn)軸的軸向磁場分量，以及正切磁場分量。方法1600進(jìn)一步包括第三步S1603，檢測磁場矢量在傳感平面上投影的方位角。通過等式β＝Arctan(Bt/Bz)，方位角β可以根據(jù)正切磁場分量Bt和軸向磁場分量Bz計算得來。在一個實(shí)施例中，此計算過程由圖6、圖7或圖13所示的傳感器完成。最后方法1600包括第四步S1604，通過與磁場矢量的方位角β匹配，得到表示磁體磁化方向和傳感器之間差角的磁體角位置α。在一個實(shí)施例中，匹配方位角β的方法通過調(diào)整檢測軸向磁場分量和正切磁場分量的傳感器之間的靈敏度比例來實(shí)現(xiàn)。在一個實(shí)施例中，參照圖5，如果正切磁場分量Bt的曲線幅值Btm等于軸向磁場分量Bz的曲線幅值Bzm，那么所要求的的磁體角位置就等于磁場矢量的方位角。

盡管以上描述了各種實(shí)施例，應(yīng)該理解的是，它們僅作為示例展現(xiàn)，而并非限制。因此優(yōu)選實(shí)施例的寬度和范圍不應(yīng)該為任何上述的示例性實(shí)施例所限制，而只應(yīng)該按照本發(fā)明的權(quán)利要求以及它們的等效范圍來定義。