专利名称：改进的位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于提供线性位置或角位置的精确信息的具有磁性传感器的绝对位置系统的领域。这种测量系统要求极大的稳定性和极大的精确度，尤其被应用在汽车工业领域。
背景技术：
在现有技术中，已知美国专利US7741839描述的一种解决方法，该方法介绍了绝对位置传感器的一般原理，该绝对位置传感器使用产生连续可变磁场的磁体以及给出代表形状为正弦曲线的磁分量的两个电信号的磁性传感器，从而确定出磁体和传感器的相对位置。该专利提出对由两个传感器给出的信号之比进行反正切计算，用来提供活动磁体的大概位置。按照这种方式，可在测量点直接测量磁场的角度。

由此确定的信号精确度并不令人满意，因为，在一般情况下，两磁场分量具有非常不同的振幅。因此，通过反正切计算的磁场角度与位置变化不成比例，由此导致对位置认识的极不精确。能实现分量之间相等的几何形状很有限，或者要求对尺寸的显著影响，例如专利US7030608中所描述的示例。为了改善精确度，已经在法国专利FR2893410中提出一种方法，该方法旨在对由传感器给出的信号之比施加增益系数，并提出一种探测器，其包括连接在通量集中器上的两对霍尔元件。该现有技术专利描述了一种传感器，其包括沿直径磁化的圆柱形磁体。检测元件位于磁体的圆周，并获取磁场切向和径向分量的变化。为了解码传感器的实际旋转角度，施加修正增益系数，该系数等于来自切向分量的电压与来自径向分量的电压的最大振幅比。因此，所获得信号的非线性得到改善。然而，这种结构限于被径向磁化的环形的情况。所述方法已经由法国专利EP1989505描述的发明补充。该专利描述了具有磁体的线性或旋转传感器，该磁体在磁体内部的磁化方向的改变为线性变化。按照这种方式，依然通过施加与来自径向场和切向场的电压振幅比相等的归一化因子，可通过反正切计算，确定探测器相对于磁体的角或线性位移。然而，在很多情况下，尤其在磁化谐波较大的情况下，或在材料中实现的磁化不按照完整的周期变化时，应用该简单的比值不能获得足够精确的位置信息。以往技术的缺点由以往技术的传感器提供的位置信息不完全令人满意，因为相对于将来由工业强制规定的限制，磁信号和电信号的非线性导致较低的精确度。实际上，在实际情况中，真实测得的信号不是单纯的正弦曲线，而是具有可能较大的谐波成分。因此可以按照以下等式写出各磁场分量= E^-sinO'B)
IB2=Ebi-CosQ. Θ )
其中，-BI表不由磁体产生的与位移方向正交的磁分量，-B2表不由磁体产生的成90°相位差的切向磁分量-Θ表示电角度，即在相关的信号周期上的角位置。这是试图获知的角度，其与探测器相对于磁体的位置成比例，并且不与测量点的磁角度相混淆，磁角度被定义为与两相关分量对应的两矢量之间的角度，-Bi表示构成信号B1的不同谐波的振幅，-bi表示构成信号B2的不同谐波的振幅，_i表示谐波的次数。信号谐波来自不同的干扰，尤其是·-磁体几何形状固有的边缘效应，主要在有效行程末端产生。该边缘效应因磁体尺寸在位移方向上接近有效行程，甚至小于有效行程而变得更大。可以通过选择大尺寸的磁体来减小这种效应，但这与小型化和降低研发成本相悖。-磁化过程中的缺陷。实现方向连续变化的磁化会给磁化工具的制造带来困难。例如，很难以完全线性的方式实现沿位移方向的磁化，且偏差角将导致由霍尔效应元件测得的电信号的谐波，-磁体的相对磁导率该相对磁导率不完全等于空气磁导率，这会产生磁体和空气之间的衍射寄生现象，从而使由霍尔效应元件检测到的局部磁场发生变形，-磁体不均匀当用某些类型的磁体，特别是接合在一起的磁体工作时时，有时材料会不均匀，由此导致磁体特性不一致，并引起局部磁场的变形，-检测磁场分量的霍尔元件的错误排列。因此，以往技术适用于谐波含量较小或不存在谐波以及信号被表述为基波表达式的构造。上述描述的分量B1和B2因此变为B1 = av sin ( θ )B2 = Id1 · cos ( θ )因此简单地计算BI除以B2的商就可以获得电角度，这样可获得以下等式Θ =
Q1 B2因此，在传感器的位移的任意位置获知电角度可以获得传感器的绝对位置信息。通常，当由于上述原因，信号为变形的正弦曲线而并非是单纯正弦时，在磁体表面和测量探测器之间以较小距离，也就是靠近磁体来进行工作时，将增大谐波含量。越远离磁体，其谐波含量越小。然而，当希望以尽可能小的磁体工作时，即便测量磁隙较大，边缘效应也可能导致较大的谐波含量。由以往技术给出的提供电角度的公式不足以适用。本行业技术人员已试图通过诸如信息后期处理等方案来改善精度，例如，应用允许进行线性化数值处理的修正表。该方法会导致成本过高并会降低系统是稳定性，且对机械变化和位置偏差，特别是磁体和探测器之间的距离变化十分敏感。上述提到的某些参数会随着时间而变化，而仅通过后期处理进行补偿会导致因传感器老化所致的功能偏差。在专利FR2893410中提出的另一种解决方案在于通过磁体的非恒定形状，例如椭圆截面而非圆截面，来弥补线性缺陷。该方法意味着更为复杂的制造工艺。
另一解决方案在于通过弯曲扇面应用校正系数，从而以重复的方式逐个区域地改善传感器的线性。然而，这需要额外的电子资源，此外，其也是一种对公差缺乏稳定性的方法,这种方法将会随时间变化日益变差。

发明内容
本发明的目的在于通过提出如下的绝对测量系统来克服这些缺陷，该绝对测量系统相比于现有技术的传感器具有改善的精度并且既无需后处理也不需要特定构造的磁体。当然，也可以对根据本发明的测量系统应用附加的处理，但按照本发明的测量系统本质上具有比以往技术的传感器更高的精确度。明确的是，在本专利范畴内术语“绝对位置”扩展至多周期的测量系统。绝对位置因此将涉及在一个周期上的绝对位置，关于第几个周期的信息由附加装置确定。有利的是，本发明特别能使本行业技术人员实现稳定的传感器，并且特别在平行六面体形状的磁体，或呈扇形或瓦状的磁体的情况下，可使磁体尺寸相对于行程最小化，并 且获得基本上小于行程的磁体，同时保持十分良好的线性。有利的是，本发明允许本行业技术人员用小的磁隙来与大磁隙的情况一样地进行工作，在测量磁隙较小的情况下谐波含量较大。实际上，在该情况下，谐波含量虽然更小，但当磁体比测得的行程更小时，边缘效应将导致较大的谐波含量。在上述提到的不同情况中，谐波含量都不可忽视。就广义而言，本发明涉及一种绝对位置的测量系统，其包括永磁体、在给定行程上关于该磁体相对移动的至少一个探测器以及计算部件，磁体在探测器处产生磁场，该磁场具有沿位移方向的称为切向磁分量的第一磁分量Bt以及与第一磁分量正交并成90°相位差的称为法向磁分量的第二磁分量Bn，探测器给出分别取决于分量Bn、Bt的两个电信号Vn、Vt，计算部件提供根据信号Vn、Vt之间的比值的反正切计算的位置信息，该比值被施以校正系数G，其特征在于，计算部件被参数化，用以把严格区别于k的非零增益G施加在信号Vn、Vt中的一个上,其中，k代表比值Vmaxt/Vmaxn,其中,Vmaxt和Vmaxn分别表示信号Vt和Vn在行程上的振幅，增益G被计算为使来自磁分量的位置值与对应的真实机械位置值之间的偏差最小。 按照第一实施变型，永磁体具有沿位移方向连续变化的磁化方向。按照第二实施变型，永磁体具有单一方向的磁化，并且磁化强度沿位移方向连续变化。优选地，所述计算部件被参数化，从而把介于O. 4k和O. 98k或介于I. 02k和2. 5k之间的增益G施加在信号Vn、Vt中的一个上，其中，k指信号Vt和Vn的振幅比值。优选地，所述磁传感器包括至少两个霍尔效应元件。更好地，所述磁传感器包括与通量集中器关联的至少两对霍尔效应元件，例如，由迈利芯(Melexis)公司生产的MLX90316型探测器。在第二实施方式中，探测器可以具有霍尔效应而不需要集中器，例如，微开(Micronas)公司的HAL3625型探测器。在第二实施方式中，探测器可以为磁阻型。
按照第一变型，永磁体是管状。按照第二变型，永磁体是呈瓦状的半管型。按照第三变型，永磁体是扇形。 按照第四变型，永磁体是平行六面体元件。按照第五变型，永磁体为盘状。按照一个特定的实施方式，永磁体被径向磁化。按照一个特定的实施方式，永磁体为管型并被径向磁化。方向连续变化的磁化，可以在沿测量维度定位的区域内具有优选方向。例如，可以根据是否有(例如来自电线的)干扰磁场施加在磁体上，以及是否希望使影响最小以便在所 有情况下在磁体的该中心位置保持不劣化的精度，来在磁体中央施加例如法向或切向的磁化。因而获知在磁体中央处的干扰磁场的方向，使得能够正确地选择在磁体中央处的磁化方向。因此，如果干扰磁场在位移的中央处具有切向方向，则可以选择在磁体中央处具有切向方向的磁化。显然，以上提出的例子完全不局限于传感器行程的中间位置，而是可以运用于传感器行程上任意点。按照一个特定的实施方式，永磁体沿在中央法线方向和与行程的末端相切的方向之间变化的方向磁化，电角度在行程上的总转动基本等于180°。按照另一个特定的实施方式，永磁体沿在中央切线方向和与行程末端相切的方向之间变化的方向磁化，电角度在行程上的总转动小于360°。在非管型磁体的情况下，将根据尺寸限制和希望的性能确定磁化类型(在中央处正交或在中央处正切)以及磁体上磁化的总旋转。图4和图5的表格示出针对给定行程和固定的磁体尺寸实现的一些示例。表格显示根据希望的磁体大小来特别是根据在非线性上获得的性能指导磁化类型的选择。按照一个变型，磁体为各向异性型，磁化方向与各向异性方向对准。优选地，磁体具有各向异性，各向异性的方向沿磁体行程连续变化本发明还涉及绝对位置测量系统的参数设定方法，其包括确定信号Vn、Vt在有效行程上的最大值Vmaxn、Vmaxt,计算与比值Vmaxt/Vmaxn相等的系数k,并在计算反正切之前，通过使真实位置和计算位置之间的差别完全最小化来设置严格区别于k的非零增益G。本发明还涉及上述描述的绝对位置测量系统的实施方法，该测量系统包括磁体和探测器，并且其中信号Vn和Vt是变形的正弦波或伪正弦波，而不是单纯的正弦波，该方法包括预校准操作，包括针对探测器和磁体的多个不同相对位置，通过测量或模拟，建立把相对位置中的每一个的测量值X与针对该相对位置X获得的电信号Vn和Vt的比值Vn/Vt相关联的规则，预优化操作，包括确定增益G的值，使得对于该值，针对多个相对位置获得的、在不同的测量值X和与函数C · Arctg (G · Vn/Vt)对应的不同值之间的偏差最小，其中C是已知的构造常数，该方法还包括在使用该系统时执行的后续扩展操作，其包括把探测器和磁体的任一相对位置的测量值X与函数C · Arctg (G · Vn/Vt)的值进行比较。在所实施的方法中，如阅读本说明书的本行业技术人员将理解的，预校准和预优化的预操作构成所涉及的绝对位置测量系统的参数设定方法。此外，构造常数C由磁体的磁化间距确定并且代表探测器和磁体的相对位移的距离与角度Arctg (G. Vn/Vt)的相应变化的比值。
具体实施例方式通过阅读参照附图的非限定性示例实施例的描述，将更好地理解本发明，附图中-图I示出包括平行六面体形磁体的测量系统的示意图，该磁体具有方向连续变化的磁化。-图2示出在图I的磁体附近测得的磁感应。-图3a、3b和3c示出根据应用于图2的磁感比值的系数类型获得的非线性结果以及计算的电角度。-图4示出对于平行六面体形的磁体，概括要应用于磁化正切于磁体中央的情况的性能以及校正参数的表格。
-图5示出对于平行六面体形的磁体，概括要应用于磁化正交于磁体中央的情况的性能以及校正参数。-图6a、6b和6c分别示出包括盘状磁体的测量系统的示意图、测量点处的磁感应以及非线性方面的结果。-图7a、7b和7c分别示出包括管状磁体的测量系统的示意图、测量点处的磁感应以及非线性方面的结果。-图8a和Sb分别示出具有瓦形状的第一测量系统的示意图以及在非线性方面的结果。-图9a和9b分别示出具有瓦形状的第二测量系统的示意图以及非线性方面的结
果O-

图10示出具有瓦形状的第三测量系统的示意图。-图11示出具有多周期环形状的测量系统的示意图。-图12示出包括在单一方向上磁化但强度沿位移方向改变的磁体的测量系统的示意图。图I示出具有平行六面体磁体(I)的线性绝对位置测量系统的第一实施示例的示意图。在该示例中，涉及在28mm行程上以固定为24mm的更小长度(L)的磁体(I)实现线性位置传感器。因而好处在于材料和体积上的受益，以及由此有益于成本和重量。在该图I中，磁体(I)的宽度(LA)为5mm而高度(H)为3mm。需注意，磁体(I)的宽度和高度仅对谐波含量产生微弱的影响，且仅仅影响所获得信号的振幅。该磁体(I)在磁体内在接近180°的角度上按照连续改变的磁化方向被磁化。该角度通过分析确定为使得能够在非线性方面获得更好的结果。在该磁体(I)的上方，探测器(2)位于离上表面3. 5mm的距离(D)处，该探测器包括能在两垂直轴上检测磁场振幅Bt和Bn的磁敏检测部件，Bt和Bn分别为在空间中的该点上磁场相对于位移方向限定的切向分量和法向分量。需注意，可以很容易设想为沿维度(LA)把所述检测部件从磁体(I)对称平面移开，目的在于扩展出与其说是切向和法向的磁分量不如说是切向和轴向的磁分量。图2示出在图I的情况下，根据探测器相对于检测部件(2)的霍尔元件的相对位置，在放置磁体(I)的点处磁场的法向(Bn)和切向(Bt)分量的感应测量结果。在这种配置中，切向和法向信号明显不同于相位偏移90°的两个正弦波，这是因为谐波含量较大，特别是因为边缘效应，更一般地说，是因为前面阐述的多种原因。因此，如图3a所示，如果基于两个分量之间的反正切计算，来计算位置(例如US7741839中所描述)，或如图3b所示，如果如EP1989505所描述那样预先施加等于振幅比值Vmaxt/Vmaxn的系数k,则将导致较大的不精确性。在图3a上，曲线POS示出在未施加增益的情况下，根据应用于图2的信号的比值的反正切计算而计算出的电角度(位置的映像)。信号NL示出根据真实机械位置得到的信号POS的非线性。可以看出，由于在信号上获得的非线性为+/-2. 8%，因此结果较差。在图3b上，在计算反正切之前，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。按照图2，把切向信号的振幅设为433高斯，并把法向信号的振幅设为660高斯，该增益值因此接近O. 65 (433/660)。在行程上将该增益施加于分量的比值以及反正切的计算当中，利用该比值计算的位置POSk具有表示为NLk的+/-I. 3%的非线性。在许多应用中，这种非线性不能接受。本行业人员因此试图借助上述描述的不同技术来校正这种非线性。 为此，既不把反正切计算应用在由霍尔效应元件检测的电信号之比上，也不将反正切计算应用在由简单的振幅比(VmaXt/VmaXn) k加权的信号上，而是借助由本发明特有的增益系数G加权的信号。实际上，在电信号是变形的正弦波而非单纯正弦的情况下，该增益系数，尽管可能接近振幅比VmaXt/VmaXn，但却总是不同于该比值。该系数的精确值由应用于所计算的磁位置和真实机械位置的模拟数据的优化算法确定。对磁位置值和机械位置值之间的偏差进行最小化处理，从而确定测量系统的计算部件要使用的增益系数G。因此在不能通过模拟获得感应磁场的情况下，或在涉及校正探测器定位错误的情况下，可以根据真实的机械位置对模型进行分量的测量，其中该机械位置是借助标准位置传感器测得的。因此与上述一样，对由比值Vn/Vt的反正切计算得到的磁位置值和机械位置值之间的偏差进行最小化处理，从而确定测量系统的计算部件要使用的增益系数G。图3c示出仍然是在图I所示的情况下，但通过应用本发明提出的方法，输出信号和该信号的非线性上的结果。信号POSG表示通过对被施加增益G的、切向和法向分量的映像电压的比值进行反正切计算而获得的信号。如果施加的增益G等于O. 76，则所获得位置信号的由NLG表示的非线性由此降至+/-0. 62%，或者说是比仅利用振幅比值的增益获得的非线性小2倍的值。与图I的实施方式相关的例子绝非局限于此，不同的磁体尺寸和测量条件意味着不同的校正增益值。已经进行的不同试验显示，该增益G或者在振幅比值k的值以下，即在O. 4k到
O.98k的范围，或者在k的值以上，即在I. 02k到2. 5k的范围，也就是如果谐波含量不可忽略不计，则系数G将不同于k。图4示出在磁化方向与平行六面体磁体中央相切的情况下，概括了为研究行程28mm的线性位置传感器而进行的试验的表格，以便显示出结果的变化以及使用以往技术给出的增益k和使用为了获得在行程上得到的信号的非线性的更好结果而被施加于法向和切向分量的比值的最佳校正增益G之间的区别。第一列“尺寸”示出所考虑的不同几何形状的情况的尺寸。其中的每一个涉及长度在20mm到32mm之内变化的平行六面体磁体。第二列的“空气隙”列出磁体表面和检测部件之间的测量磁隙或距离(D)。第三列示出例如按照以往技术的教导计算的与切向振幅％)和法向振幅U1)的比值对应的系数k的变化。第四列示出由本发明给出且等于k值的λ倍的系数G的变化。第五列列出λ的值。第六列示出采用校正系数G在28mm行程上获得的非线性的值，而第七列示出采用以往技术的校正系数k在28mm行程上获得的非线性的值。所有这些具体的非限定性的典型示例中的每一个都表明，通过利用严格区别于k的系数G，可以显著改善利用以往技术的系数k获得非线性。图4的表格特别示出，可以实现长度远小于行程而同时确保良好线性的传感器。以“情况#5”为例，磁体的长度为20mm，小于28mm的行程。通过使用由以往技术给出的O. 47的修正系数，所获得的最佳非线性为+/_9%。该值不符合工业规范。通过使用为I. 05的校正系数G，所获得的最佳非线性因此为+/-0. 94%。以往技术不允许使用例如磁体小于行程 的构造，而借助由本发明给出的校正系数，则可以使这样的方案可行。图5示出在磁化方向与平行六面体磁体正交的情况下，概括为了研究28mm行程的线性位置传感器而进行的试验的表格。在该表格上可见与图4的表格示出的相同的列。读者由此可以看到根据所实现的情况实现在磁体(I)的中央处正切或正交的磁化产生的影响和好处。例如，选取“情况#14”。其涉及长度为24mm的磁体(I )，因此比行程更短，对于该磁体在磁体上方的测量距离为6. 5mm,即距离相对较大。通过使用由以往技术给出的O. 52的校正系数k，所获得的最佳非线性为+/-3.7%。该值不符合大部分工业规范。通过使用1.3倍于该系数的校正系数G，即等于O. 69的校正系数，所获得的最佳非线性因此为+/-0. 08%。通过查看与磁化方向在中央处正交的情况有关的图4的表格，可以看出对于O. 87的系数G，所获得的最好结果是+/-0.21%。因此，通过在磁体(I)的中央实现法向磁化，将获得磁体(O的尺寸被最小化的传感器，同时确保以距磁体较大的距离进行工作的可能性，保证最小的非线性并符合最严格的规范。还是在图5的表格中，选取另一实施例。“情况#20”表示磁体大于行程(长度为32mm)的情况。通过以距磁体3. 5mm的距离工作，可以将系数k为O. 48时的+/-4. 6%的非线性改变为系数G为O. 3时的+/-0. 29%的非线性。因此即便磁体长度比行程更大，也可以实现精确度提高的传感器。有利的是，图5的表格能确定限制非常严格的特别优选的情况。“情况#21”对应于测量间隙很小(2mm)，且磁体(I)的长度比行程小得多(在28mm的行程中为20mm)的情况。在该情况下，边缘效应较大，而且探测器(2)和磁体(I)之间的靠近使谐波含量很大。利用以往技术的O. 55的校正系数获得的最佳非线性是+/_6%，而利用O. 31的校正系数G获得的非线性等于+/-0. 6%。因此能以尺寸较小的磁体实现具有较大精确度的传感器，并以较小的测量磁隙进行工作。图6a示出带有盘状磁体的绝对角位置测量系统的第一实施示例示意图。方向沿磁体(I)厚度连续变化的磁化实现360°旋转。探测器被定位在标记为(S)的圆上，该圆与磁体(I)同心且位于磁体(I)的上方，代表探测器(2)相对于磁体(I)或探测器(I)相对于探测器(2)所处的真实路径。为计算绝对位置而使用的分量是被标为Vt和Vn的切向和法向的电分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。
在图6b中，在360°的机械角行程上示出在磁体(I)的外直径为20mm，内直径为IOmm且厚度为2. 5mm的情况下，由定位在距表面3mm的距离(D)处的探测器所见的分量Bt和Bn。可以注意到，该信号包含次数i=3的谐波，该谐波按照分量趋于产生三角形或梯形形变。在图6c上，可以再次观察到由本发明提出的系数G的效果，相比于通过以往技术给出的+/-3. 6%的非线性，其允许获得+/-0. 4%的传感器非线性。因此相比于简单的两信号振幅比值O. 44，施加O. 67的系数。图7a示出带有管状磁体(I)的绝对角位置测量系统的第一实施例的示意图。从探测器(2)所见的方向在磁体(I)内部连续变化的磁化，在360°的完整角行程 上实现360°的旋转。探测器(2)被定位在标为(S)的圆形轨迹上，该圆形轨迹与磁体(I)同心，并且有利的是，被定为在磁体(I)的高度(H)上。计算绝对位置所使用的分量是被标为Vt和Vn的切向和法向的电分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照读取直径(S)的高度，根据感应振幅或传感器精确度的因素来选择轴向(Va)和切向(Vt)分量。在图7b中，在360°机械角行程上示出在磁体(I)的外直径为7mm，内直径为5mm且厚度为3. 5mm的情况下，从探测器(2)所见的分量Bt和Bn，其中探测器被定位在距表面
3.16mm的距离(D)处。可以注意到，曲线含有非常小的谐波含量，看上去完全为正弦轮廓。然而在图7c上可观察到，尽管主要由于磁化工具的几何形状和磁体磁导率导致较小的谐波含量，而使所提出的系数(G)与以往技术的系数(k)之间的差别很小(为k的
I.03倍)，但其效果非常显著，使传感器的非线性从+/-0. 3%改善为+/-0. 04%。图8a示出带有瓦状磁体的绝对角位置测量系统的第一实施例的示意图。磁化方向在磁体(I)内部按照位移方向连续变化，并且所研究的完整角行程为80°。在磁体(I)前方探测器(2)被定位在轨迹(S)上，该轨迹对应比磁体(I)的外直径更大的直径，与磁体(I)同心并且有利的是设置在磁体(I)的高度(H)上。计算绝对位置所使用的分量是被标为Vt和Vn的切向和法向的电分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照读取直径(S)的高度，根据感应振幅或传感器精确度的因素来选择轴向(Va)和切向(Vt)分量。在图Sb上，可观察到相对于使用以往技术的系数k，使用本发明的增益G所带来的改进。对于90°、100°和120°的磁体(I)角向长度，所获得的最佳非线性分别从+/-4%改变为 +/-1%，从 +/-I. 51% 改变为 +/-0. 65%,从 +/-0. 9% 改变为 +/-0. 39%。图9a示出带有瓦状磁体的绝对角位置测量系统的第二实施例的示意图。磁化方向在磁体(I)内部按照位移方向连续变化，并且所研究的完整角行程为40°。在磁体(I)前方探测器(2)被定位在距磁体(I)距离(D)处，位于呈圆弧形的轨迹
(S)上，该轨迹与磁体(I)同心。计算绝对位置所使用的分量是被标为Vt和Vn的切向和法向的电分量，其中Vt和Vn是磁分量Bt和Bn的映像。有利的是，按照读取直径(S)，根据感应振幅或传感器精确度的因素来选择轴向(Va)和切向(Vt)分量。在图9b上，可观察到相对于使用以往技术的系数k，使用本发明的增益G所带来的改进。对于30°、40°、50°和70°的磁体(I)的角向长度，所获得的最佳非线性分别从+/-2. 53% 改变为 +/-0. 14%,从 +/-5. 3% 改变为 +/-0. 13%,从 +/-3. 7% 改变为 +/-0. 45%,从+/-0. 24% 改变为 +/-ο. 04%O图10示出带有瓦状磁体的绝对角位置测量系统的第三实施例的示意图。在该情况下，探测器(2)被定位在与磁体(I)的曲率半径同心的轨迹(S)上，但位于比该曲率半径更小的半径上。实际上，与轨迹(S)的半径大于磁体(I)的曲率半径的情况相比，如果是半径比该曲率半径更小的轨道(S)从而所形成的位移较小，则会因此导致待施加校正因数的不同结果。图11示出按照本发明的传感器的构造，该传感器包括具有方向连续变化的多极磁化的环状磁体(I)。实际上可以观察到，该环具有5个以72°的机械角磁化的周期。在各周期上，可观察到磁化方向的旋转角度等于360°。当磁体相对于探测器或探测器相对于磁体旋转时，定位在磁体表面附近的探测器(2)因此以在5个周期上解码角位置。位置传感器因此不再提供360°旋转角上的绝对位置，而是提供在一个72°周期上的绝对位置。该类型的多极磁体结构例如能提供发动机电周期上的绝对位置。编码器的精确度将影响发动 机效率或者甚至由发动机提供的动态扭矩的稳定性。本发明能够通过使用合适的增益来改善这两个因素。图12示出磁化类型的变型。与方向连续变化的磁化不同的是，在此提出的磁化经由沿单一方向改变的磁化振幅调制来实现，该方向与传感器的位移相对应。此外，即便所述磁化允许获得准正弦的电信号，在计算反正切之前引入不同于所测量的两个信号的振幅比值的增益，也允许获得更好的精度。在此处详细描述并通过若干示例阐明的本发明当然不局限于按照位移方向的传感器。根据与上述针对位移方向描述的原理相同的原理，可借助一个或多个探测器，通过使用在测量点产生的磁场的3个分量(切向和两个法向)来实现遵从两个位移方向的传感器(称为2D传感器)。
权利要求
1.一种绝对位置测量系统，包括永磁体、在给定行程上关于所述磁体相对移动的至少一个探测器以及计算部件，所述磁体在所述探测器处产生磁场，所述磁场具有沿位移方向的称为切向磁分量的第一磁分量Bt以及与所述第一磁分量正交并成90°相位差的称为法向磁分量的第二磁分量Bn，所述探测器给出分别取决于所述分量Bn、Bt的两个电信号Vn、Vt，所述计算部件提供根据所述信号Vn、Vt之间的比值的反正切计算的位置信息，所述比值被施以校正系数G，其特征在于，所述计算部件被参数化，用以把严格区别于k的非零增益G施加在所述信号Vn、Vt中的一个上,其中，k代表比值Vmaxt/Vmaxn,其中,Vmaxt和Vmaxn分别表示所述信号Vt和Vn在所述行程上的振幅，所述增益G被计算为使来自磁分量的位置值与对应的真实机械位置值之间的偏差最小。
2.根据权利要求I所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体具有沿位移方向连续变化的磁化方向。
3.根据权利要求I所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体具有单一方向的磁化，并且磁化强度沿位移方向连续变化。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述计算部件被参数化，以把介于O. 4k和O. 98k之间的增益G施加于所述信号Vn、Vt中的一个。
5.根据权利要求I至3中任意一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述计算部件被参数化，从而把介于I. 02k和2. 5k之间的增益G施加于所述信号Vn、Vt中的一个。
6.根据权利要求I至5中任意一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述磁传感器包括至少两个霍尔效应元件。
7.根据权利要求I至5中任意一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述磁传感器包括与通量集中器关联的至少两对霍尔效应元件。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体为管状。
9.根据权利要求I至7中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体为呈瓦状的半管形状。
10.根据权利要求I至7中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体为盘状。
11.根据权利要求I至7中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体为扇形。
12.根据权利要求I至7中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体是平行六面体。
13.根据权利要求2以及权利要求6至12中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体沿在中央法线方向和与所述行程的末端相切的方向之间变化的方向磁化，电角度在所述行程上的总转动基本等于180°。
14.根据权利要求2以及权利要求6至12中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述永磁体沿在中央切线方向和与所述行程末端相切的方向之间变化的方向磁化，电角度在所述行程上的总转动小于360°。
15.根据权利要求I到14中至少一项所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述磁体为各向异性型，磁化方向与各向异性方向对准。
16.根据权利要求15所述的绝对位置测量系统，其特征在于，所述磁体具有各向异性，各向异性的方向连续变化。
17.根据上述权利要求中至少一项所述的绝对位置测量系统的参数设定方法，包括确定所述信号Vn、Vt在有效行程上的最大值Vmaxn、Vmaxt,计算与比值Vmaxt/Vmaxn相等的系数k，并在计算反正切之前，设置严格区别于k的非零增益G。
18.根据上述权利要求中至少一项所述的绝对位置测量系统的参数设定方法，其特征在于，测量信号Vn和Vt，通过比值Vn/Vt的反正切计算磁位置，对由反正切计算得到的所述磁位置的值和真实的机械位置值之间的偏差进行最小化处理，以确定增益系数G。
19.根据权利要求I至17中任意一项所述的绝对位置测量系统的使用方法，其特征在于，所述方法包括预校准操作，包括针对所述探测器和所述磁体的多个不同相对位置，通过测量或模拟，建立把所述相对位置中的每一个的测量值X与针对该相对位置X获得的电信号Vn和Vt的比值Vn/Vt相关联的规则；预优化操作，包括确定所述增益G的值，使得对·于该值，针对多个相对位置获得的、在不同的测量值X和与函数C · Arctg (G - Vn/Vt)对应的不同值之间的偏差最小，其中C是已知的构造常数；以及后续扩展操作，包括把所述探测器和所述磁体的任一相对位置的测量值X与函数C · Arctg (G · Vn/Vt)的值进行比较。
全文摘要
本发明尤其涉及为绝对位置的测量系统设定参数的方法，测量系统包括永磁体、在给定行程上关于所述磁体相对移动的至少一个探测器以及计算部件，计算部件提供根据受校正系数G作用的、探测器输出信号之间的比值的反正切计算得到的位置信息，所述信号是伪正弦波或方波。所述方法包括优化操作，包括选择系数G的值，其中系数G使因探测器的输出信号的伪正弦特征而导致的测量系统的误差最小。
文档编号G01D5/14GK102893131SQ201180023873
公开日2013年1月23日 申请日期2011年9月23日 优先权日2010年9月29日
发明者米夏埃尔·德尔巴尔, 蒂埃里·多格, 迪迪埃·弗拉商, 热拉尔德·马松 申请人:移动磁体技术公司