使用通量调制和角度感测的位置测量

摘要

本申请公开了用于确定可移动元件的位置的系统和方法。一个系统包括变化的磁通量的可控源。在特别的实施例中，使用第一通量集中器和第二通量集中器引导磁通量穿过磁传感器。传感器产生传感器信号，传感器信号被提供给被设计成对信号进行解调的电路。解调信号被提供给控制器。控制器对信号进行转换并计算第二通量集中器相对于第一通量集中器的位置。控制器可以基于所计算的第二通量集中器的位置来采取预定的行动。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及使用磁传感器确定可移动元件的位置。

背景技术

与其它类型的感测相比，磁感测具有许多优点。例如，磁传感器通 常不受脏环境（即肮脏的、大部分是液体的环境或有多种电磁干扰源的 环境）的影响且相对简单（尤其是当使用市场上可买到的传感集成电路 时，例如霍尔传感器和磁阻式传感器）。尽管有某些优点，然而在一些应 用中，噪音（通常来自外部磁场、不是源自位置测量系统内部）对传感 器感测到的磁场产生影响。当这种情况发生时，传感器测量是不准确的。 预防或降低噪音的影响通常包括在传感器中使用强磁体、提供磁屏蔽和 将聚磁器（magnetic concentrator）置于传感器附近。

磁传感器不准确的另一个来源是由传感器绝对磁场强度的改变引起 的。此改变的一个原因是磁路中的通量变化，这可以由温度的变化引起。 此改变的另一个原因是在相关磁路中与位置测量不相关联的改变（即， 磁路器件之间的间隙被改变）。

发明内容

在一些实施例中，本发明提供用于使用磁传感器确定可移动元件位 置的系统和方法，旨在减少或克服许多已注意到的问题。本发明的实施 例使用通量调制和同步解调的结合，以减少或消除外部磁场噪音源对传 感器的影响。此外，本发明的实施例使用多维（即X和Y分量）通量测 量来确定位置。本发明的实施例还实现了相对高的信噪比，这提高了低 强度磁场测量的准确性。

不采用磁场强度作为主要的衡量标准，本发明的实施例使用一个或 多个磁场角度来确定位置。由于测量在很大程度上不受传感器处的绝对 场强改变的影响，所以，使用磁场角度来确定位置产生了更准确的测量。 特别地，磁场的角度不取决于传感器处的绝对场强。

在一个特别的实施例中，本发明采用用于确定可移动元件的位置的 系统的形式。所述系统包括变化的磁通量的可控源。变化的磁通量具有 频率。所述系统还包括磁路和被配置成输出传感器信号的磁传感器。磁 传感器被置于磁路中，使得改变的磁通量穿过磁传感器。当可移动元件 的位置发生变化时，通量穿过磁传感器的角度发生变化。处理器被配置 成处理传感器信号，使得传感器信号的频率分量被选择性地滤波。处理 器可以包括同步解调电路或数字滤波器。磁传感器被配置成测量通量穿 过磁传感器的角度，且通量角度是可移动元件位置的指示器。

所述系统还可以包括引导磁通量的第一磁通量集中器和相对于第一 磁通量集中器可移动的第二磁通量集中器。变化的磁通量的一些在第一 磁通量集中器和第二磁通量集中器之间耦合。

本发明另一个特别的实施例提供用于确定可移动元件的位置的方 法。所述方法包括如下步骤：对变化的磁通量的源进行控制，用被置于 磁路中的至少一个磁传感器测量磁通量的至少一个方向的分量，使得变 化的磁通量穿过磁传感器。当可移动元件的位置改变时，通量穿过磁传 感器的角度改变。所述方法还包括处理来自磁传感器的传感器信号，使 得传感器信号的频率分量被选择性地滤波。

所述方法还可以包括：引导磁通量穿过第一通量集中器，将第一磁 通量集中器磁性耦合到第二磁通量集中器，将磁传感器置于第一磁通量 集中器和第二磁通量集中器之间，以及用磁传感器测量磁通量至少一个 方向的分量。

本发明又一个实施例提供用于确定可移动元件的位置的系统。所述 系统包括磁路和电路。磁路包括已调制磁通量的可控源、第一磁通量集 中器、第二磁通量集中器和至少一个磁传感器。第一磁通量集中器接收 磁通量。第二磁通量集中器相对于第一磁通量集中器是可移动的，并接 收来自第一磁通量集中器的磁通量。磁传感器被置于第一磁通量集中器 和第二磁通量集中器之间并被配置成测量磁通量的至少一个方向的分 量。电路包括混合器、滤波器和控制器。混合器将磁通量的至少一个方 向的分量和一混合信号进行混合，并输出已混合信号。滤波器对已混合 信号进行滤波并产生解调信号。控制器基于解调信号确定第二磁通量集 中器的位置。

通过考虑详细的描述和附图，本发明的其它方面将变得明白易懂。

附图说明

图1A示意性地示出了用于确定可移动元件位置的系统，其中可移动 元件处于第一位置。

图1B示意性地示出了图1A的系统，其中可移动元件处于第二位置。

图2A是图1A的可移动元件处于第三位置的截面图。

图2B示意性地示出了从X-Y平面视角观察的图1A的系统，其中可移 动元件处于图2A的第三位置。

图2C示意性地示出了从Y-Z平面视角观察的图1A的系统，其中可移 动元件处于图2A的第三位置。

图3A是图1A的可移动元件处于第四位置的截面图。

图3B示意性地示出了从X-Y平面视角观察的图1A的系统，其中可移 动元件处于图3A的第四位置。

图3C示意性地示出了从Y-Z平面视角观察的图1A的系统，其中第二 磁通量集中器（magnetic flux concentrator）处于图3A的第四位置。

图4A是图1A的可移动元件处于第五位置的侧视图。

图4B示意性地示出了从X-Y平面视角观察的图1A的系统，其中可移 动元件处于图4A的第五位置。

图4C示意性地示出了从Y-Z平面视角观察的图1A的系统，其中可移 动元件处于图4A的第五位置。

图5示意性地示出了图1A的系统的可选择实施例，包括附加的电路元 件。

图6示意性地示出了图1A的系统的可选择实施例，其中附加的电路元 件位于传感器内部。

图7示意性地示出了图1A的系统的可选择实施例，使用线圈作为磁通 发生器。

具体实施方式

在对本发明的任何实施例进行详细说明之前，应当理解的是，本发 明在其应用中不限于下文的描述中陈述的或附图中示出的元件的结构和 布置的细节。本发明能涵盖其它实施例，且可以以不同的方式被实施或 被执行。

图1A示意性地示出了用于确定可移动元件位置的系统100。系统100 包括磁路101，磁路101具有变化的磁通量（varying magnetic flux） 的可控源102。在一些实施例中，源102包括磁体105和通量调制器（flux  modulator）110。磁体105和通量调制器110向磁路101提供受控制的 变化的磁通量。通量调制器110允许磁路101的磁阻被改变。通量调制 器110由控制器112控制，并且为了表示调制器可以被看成是以类似于 开关如何操作的方式进行操作，通量调制器110在图中被示为开关。例 如，至少在一些实施例中，通量调制器110可以按照类似于开关如何被 断开和被闭合的方式被断开和闭合。磁路101还包括第一通量集中器 115a、第二通量集中器115b和磁传感器120。第一通量集中器115a和第 二通量集中器115b通过由磁体105和通量调制器110产生的磁通量的至 少一些而被耦合。磁传感器120可以是霍尔传感器、磁阻式传感器，或 者能用来测量通量密度或磁场角度的多个分量的另一种类型的传感器。

控制器112产生调制信号111（例如周期性数字信号或其它信号）， 以使通量调制器110改变其状态。状态的改变可以周期性地或反复地发 生，使得穿过通量集中器115a和115b以及穿过传感器120的磁通量以 已知的频率变化。由磁体105和通量调制器110提供的受控制的磁通量 由第一通量集中器115a和第二通量集中器115b引导穿过传感器120。第 二通量集中器115b相对于第一通量集中器115a是可移动的，如图1A和 图1B所示的。第二通量集中器115b的运动改变磁通量穿过传感器120 的方向。

传感器120测量磁通量的至少一个方向的分量（例如，X分量、Y分 量或它们二者），并通过一输出信号126向电路127输出或传输测量的分 量值，如图1A和图1B所示的。输出信号126在混合器（mixer）132中 与来自控制器112的混合信号130混合。混合信号130具有和被引导穿 过传感器120的磁通量基本相同的频率。优选地，输出信号126和混合 信号130的相位是对齐的。熟悉同步解调器的人员已知针对于已调制的 传感器输出126和混合器信号130之间相移的对策，稍后在本文的详细 说明中将简要讨论该对策。混合器132向低通滤波器140输出或传输信 号135。对信号进行低通滤波产生了代表一个或多个磁通量分量的解调信 号145。解调信号145没有被外部磁场（即噪音）明显影响，除了以相同 频率调制的外部磁场以外。换句话说，在系统100中执行的调制和解调 过程减小了传感器120的输出信号126中的噪音。

解调信号145被传输到控制器112。控制器112对信号145执行模数 转换，并使用数字信号来确定磁通量穿过传感器120的角度。确定磁通 量的角度可以使用已知技术实现。

在确定磁通量的角度之后，控制器112（或在系统100外部的单独的 控制器）根据磁通量穿过传感器120的角度计算第二通量集中器115b的 位置。在一些实施例中，磁通量穿过传感器120的角度不随磁场强度的 绝对水平而改变。因此，磁场强度的改变不会引起对第二通量集中器115b 的位置的位置测量不准确。

在计算第二通量集中器115b的位置之后，控制器112（或在系统100 外部的一个或多个单独的控制器）可以向第二系统提供位置信息。例如， 如果第二通量集中器被安装在车辆传动装置的元件上，第二通量集中器 115b的位置可以表明传动装置的状态（例如，前进中、倒车中或空档中）。 位置信息（例如与传动装置处于倒车状态相关的位置）可以被提供给控 制系统，以打开车辆上的倒车灯。这仅仅是能被采取的行动的一个例子。 在计算第二通量集中器115b的位置之后，控制器112或者接收位置信息 的控制器或其它系统可以采取一个或多个预定的行动（例如，保持当前 设置、调整当前设置、向其它控制器传输数据、等等）。

虽然详细的描述和框图暗示了模拟同步解调系统，但是，该系统还 可以使用数字技术来滤波、调整增益和偏置以及混合相关信号，以取得 相似的结果。这些技术在本领域中是已知的，并且可以与测量概念一起 使用而不改变本发明的范围。

在一个实施例中，第二通量集中器115b在Z方向移动，而不是图1A 中示出的Y方向。图2A-图4C示出了在Z方向移动的第二通量集中器 115b。第二通量集中器115b包括两个片150和152。这两个片150和152 位于各自的平面中，且这两个平面彼此垂直。通过在Z方向而非Y方向 移动第二通量集中器115b，可以增加传感器120可测量的线性范围。如 图2A-图4C示出的，当第二通量集中器115b在Z方向移动时，由于第二 通量集中器115b的形状和定向，第二通量集中器115b距第一通量集中 器115a的顶端205最近的点在Y方向上有所改变。当第二集中器115b 在Z方向可移动时，第一集中器115a的顶端205保持静止。

第二集中器115b被成形为，使得第二集中器115b在Z方向的移动 改变了第二集中器115b上的最近的点到X-Y平面中的第一集中器115a 的顶端205之间的通量角度。与集中器在Z方向的移动相比，集中器115B 的顶端在X-Y平面相对慢的移动使得在Z方向上大的平移且顶端之间相 对小的通量角度变化成为可能。因此，集中器115B在Z方向上相对大的 平移可以用磁传感器以通量角度的小变化进行测量。应当理解的是，第 一通量集中器115a和第二通量集中器115b的其它形状和定向也是可行 的。

图5示出了系统100的可选择实施例，其中，传感器120被配置成 输出多个信号分量，即X和Y分量。图5所示的系统100的实施例还包 括附加的电路，以处理附加的信号分量（与图1所示的实施例相比）。在 图5的实施例中，测量的分量值（例如，X分量值和Y分量值）由一个或 不同的传感器元件分别测量，并作为不同的分量信号502和503被传输 到电路127。然而，每个分量信号502和503通过相似的电路被处理。来 自传感器120的分量信号502和503首先通过高通滤波器和信号增益电 路505和506被传输。随后，这两个分量信号在混合器537和538中与 混合信号130混合。混合器537和538向低通滤波器542和543输出信 号540和541。从低通滤波器542和543产生的同步解调信号545和546 可以具有低信号电平。在此情况下，信号545和546在增益和偏置调整 电路550和551中被调节，以获得对于低信号电平的所期望的补偿。电 路550和551放大或调整信号的增益。每个信号的偏置也在电路550和 551中被调整。在任意的所期望的调节被执行后，从电路550和551产生 的信号被提供给或传输到控制器112。

为了准确测量穿过传感器120的磁通量，在使用用于位置测量的系 统100之前确定一个零电平偏置。通过关闭通量调制器110并测量穿过 传感器120的磁通量确定零电平偏置。基于零电平偏置修改偏置调整， 以优化系统的动态范围。电路550和551的增益和偏置被反复调整，使 得所有信号电平在控制器112的模数转换器的范围内。做出这些调整有 助于确保系统100的最大（或更一般地，宽的）分辨率。在通过增益和 偏置调整电路550和551之后，产生的信号被传输到控制器112。

如上文描述的，控制器112对从电路550和551产生的信号执行模 数转换。控制器112使用分量信号502和503二者来计算磁通量穿过传 感器120的角度，且随后计算第二通量集中器115b的位置。如上文所述， 控制器112也可以被配置成向另一个控制器或系统提供位置信息，或者 基于所计算的第二通量集中器115b的位置采取预定的行动。

为了做出准确的角度计算，单独的分量信号502和503的振幅应当 是相对于彼此的真振幅。换句话说，测量单位应当相同或相似。为此， 用于每个信号502和503的增益和偏置电路应当基本一样或被配置成执 行基本一样的调节。

为了准确确定分量信号502和503的振幅，由相移引起的误差应被 考虑。为了做出准确的测定，传感器120的输出（信号502和503）和混 合信号130之间的相移应被处理。在一个实施例中，通过逐渐改变混合 信号130的相位，直到来自低通滤波器（542和543）的解调信号（信号 545和546）达到远离零信号偏置的最大绝对振幅，阻止了输出信号（信 号502和503）和混合信号130之间的相移。

在可选择的实施例中（未示出），通过使用两个混合器（第一混合器 和第二混合器）来混合输出信号和调制信号130，阻止了（或至少减小了） 传感器120的输出信号和混合信号130之间的相移。第一混合器接收传 感器120的输出信号和与调制信号111同相的信号。第二混合器接收输 出信号和正交信号（例如，与调制信号异相大约90度的信号）。两个信 号都被低通滤波并通过增益和偏置调整，如前文描述的。然后，使用从 同相和正交解调电路产生的分量来计算传感器120的输出信号的大小。 在计算通量角度之前计算通量的X和Y分量的情况下，对于X和Y都有 同相和正交测量。

在目前描述的实施例中，在位于传感器120外面的电路中执行信号 处理。在可选择的实施例中，信号处理电路可以位于传感器120内部（被 标为传感器120A），例如，如图6中示出的。出于应用的目的，“在传感 器内部”涵盖电路在同一外壳内部或位于传感器特定位置的配置。

在图6示出的实施例中，驱动通量调制器110的电子器件位于传感 器120a的内部或被集成进通量调制器110。在该实施例中，角度信息输 出605可以是模拟信号或数字信号（例如，本领域技术人员已知的脉宽 调制信号或其它数字通信信号）。

在本发明的实施例中有用的通量调制器可以采用多种形式中的一 种。在一个实施例中，通量调制器110是发生振荡的机械系统，使得穿 过通量调制器110的磁阻在一振荡频率下发生改变。在可选择的实施例 中，通过改变（或控制）磁路101内部一串联器件的磁导率，可以制作 通量调制器110。在这个实施例中，通过在该串联器件处产生磁场，该串 联器件被周期性地驱使进入磁性饱和状态。位于该串联器件不远处的电 流被用来产生用于驱使该串联器件进入磁性饱和状态的磁场。在其他可 选择的实施例中，使用磁性可以被外部源修改的材料（例如，磁致伸缩 材料或压磁材料）制作通量调制器110。

在又一个可选择的实施例中，线圈705被用作磁路101内部受控制 的磁通量（图7）的源102。线圈705可以是绕线的线圈、从印刷电路板 上的迹线形成的线圈、或另一种类型的线圈。控制器（位于图7中的传 感器120b的内部）与线圈驱动器710通信，以控制流向线圈705的电流。 流向线圈705的电流被周期地增加和减少，以产生具有已知振荡频率的 时变的磁通量。通量被提供给第一通量集中器115a。在这个实施例中， 虽然驱动电路位于传感器外部，但是，感测、调制和解调电路以及计算 电路（例如，控制器112）位于传感器120内部（被标为120B），如上文 描述的。

在一个实施例中（未示出），通量调制器110与穿过第一通量集中器 115a的磁路101路径并联，而非如图1所示地与磁路101路径串联。因 此，并联路径的磁阻被调制。并联路径的减小的磁阻减少了穿过传感器 120的磁通量的量。类似地，并联路径的增大的磁阻增加了穿过传感器 120的磁通量的量。在这个实施例中，感测、电路和磁通量角度的计算均 在传感器120处执行，如上文描述的。

在磁感测应用中，噪音（例如，不是由感测系统100产生的外部磁 场）可以使感测值变得不准确。本发明测量磁通量穿过传感器120的角 度。因此，由于系统100的磁通量的角度没有被和系统100所产生的磁 通量方向相同的外部磁场改变，所以，在和系统100所产生的磁通量相 同的方向上穿过传感器120的外部磁场不影响系统100的可靠性。

此外，由于通量调制和信号解调发生在系统100内部，穿过传感器 120的外部磁场（其角度与以通量集中器115a和115b之间的角度穿过传 感器时不同）没有明显影响对磁通量穿过传感器120的角度的测量，除 非外部磁场以已知的调制频率或以近似于已知的调制频率发生改变（即 “带内”噪音）。如果这样的外部磁场出现，系统可以检测它。例如，使 用正常的解调电路127（图5中），对系统内部产生的通量的调制会被停 止（通量调制器110被保持在一种状态）且由传感器120测量外部磁场。 如果外部磁场被发现是一致的，由外部磁场引起的测量中的误差变成系 统的测量的每个分量的零信号偏置的一部分。如果外部磁场被发现是不 一致的或变化的，控制器112可以尝试对不需要的噪音进行数字滤波或 进入诊断模式（即以测量存在问题的方式进行通信）。

因此，本发明的实施例提供（除了别的之外还有）用于使用基于磁 的传感器确定可移动元件位置的系统和方法。当系统内部的磁场强度发 生改变而且存在不是由系统产生的外部磁场时，所述系统和方法能做出 准确的位置测量。

本发明的不同的特征在权利要求中进行陈述。