磁传感器装置

摘要

提供一种用于确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的磁传感器装置。磁传感器装置包括第一磁传感器、第二磁传感器和确定单元，第一磁传感器用于感测与周期性改变的磁场相关来呢的信号，所述磁场是由于机械组件相对于磁传感器装置的相对运动而产生的；第二磁传感器用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号；其中第一磁传感器设置为相距第二磁次传感器的固定距离；确定单元耦合到第一磁传感器和第二磁传感器上，用于接收第一磁传感器的输出信号和第二磁传感器的输出信号，其中第一磁传感器的输出信号相对于第二磁传感器的输出信号相位偏移，以便对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及以便基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

权利要求

1.一种磁传感器装置(100)，用于确定对机械组件(104)的特性加以表示的信息，所述磁传感器装置包括：第一磁传感器(101)，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述周期性改变的磁场由于机械部件相对于磁传感器装置的相对运动而产生，第二磁传感器(102)，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中第一磁传感器(101)设置为相距第二磁传感器(102)固定距离，以及确定单元(103)，耦合到第一磁传感器(101)和第二磁传感器(102)，并且适用于：接收第一磁传感器(101)的输出信号和第二磁传感器(102)的输出信号，其中第一磁传感器(101)的输出信号相对于第二磁传感器(102)的输出信号相位偏移，对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息；

其中输出信号的比较是基于每个输出信号的导数之比，所述输出信号用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位。

2.根据权利要求1所述的磁传感器装置，

其中所述周期性改变的磁场是由于机械组件的相对运动导致的旋转磁场，其中所述磁传感器装置(100)是用于感测旋转磁场和固定方向之间角度的角度传感器，其中所述第一磁传感器(101)适用于感测沿固定方向的旋转磁场的信号，并且所述第二磁传感器(102)适用于感测与固定方向垂直的旋转磁场的信号，以及其中用于对机械组件的特性加以表示的信息与旋转磁场和固定方向之间的角度相对应。

3.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)，

其中所述确定单元(103)还适用于基于输出信号的比较，来确定第一磁传感器(101)的输出信号和第二磁传感器(102)的输出信号的特性，其中所述输出信号的特性包括输出信号之间的偏移、输出信号的绝对相位或输出信号的零交叉。

4.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)，

其中所确定的用于对机械组件(104)的特性加以表示的信息包括机械组件的位置。

5.根据权利要求1所述的磁传感器装置，

其中所述机械组件(104)是提供周期性改变的磁场的旋转运动机械组件或者直线运动机械组件。

6.根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)，

还包括：

第三磁传感器，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，

其中所述第三磁传感器设置为相距所述第一磁传感器(101)和/或所述第二磁传感器(102)固定距离，以及其中所述确定单元(103)还耦合到所述第三磁传感器，并且还适用于：接收第三磁传感器的输出信号，其中所述第三磁传感器的输出信号相对于第一磁传感器(101)和/或第二磁传感器(102)的输出信号相位偏移，对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

7.一种传感器系统(200)，所述传感器系统包括根据权利要求1所述的磁传感器装置(100)和机械组件(104)。

8.一种确定用于对机械组件(104)的特性加以表示的信息的方法，所述方法包括：通过第一磁传感器(101)，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述磁场由机械件相对于磁传感器装置的相对运动而产生，通过第二磁传感器(102)，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中第一磁传感器(101)设置为相距第二磁传感器(102)固定距离，以及通过与第一磁传感器(101)和第二磁传感器(102)耦合的确定单元(103)，接收第一磁传感器(101)的输出信号和第二磁传感器(102)的输出信号，其中第一磁传感器(101)的输出信号相对于第二磁传感器(102)的输出信号相位偏移，对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，其中输出信号的比较是基于每个输出信号的导数之比，所述输出信号用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

说明书

磁传感器装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种磁传感器装置。

[0002] 此外，本发明涉及一种包括磁传感器装置的传感器系统。

[0003] 除此之外，本发明涉及一种确定对机械组件的特性加以表示的信息的方法。

[0004] 另外，本发明涉及一种计算机可读介质。

[0005] 此外，本发明涉及一种程序单元。

背景技术

[0006] 磁传感器与永磁体或磁化组件相结合可以用来感测机械组件的位置和速度。例如，如果磁传感器放置于相距磁化轮的近距离处，将所述磁化轮的周长分为以磁南和磁北交替磁化的部分，当轮旋转时，磁传感器将感测周期性改变的磁场。通过分析传感器的输出并且了解轮的机械构造，例如，可以确定在传感器位置处的时变磁场的频率，进而确定轮的角速度。

[0007] 在一些应用中，只需探测机械部分的特殊位置。这转化为时刻检测，在所述时刻磁传感器的输出具有特定值。例如，在许多实际情况，感兴趣的是确定磁场的零交叉的时刻。

[0008] 传感器中或传感器读数中的任意误差，例如叠加到信号的任意偏移，将在零交叉的确定中引起误差。在许多磁传感器中，例如各向异性磁阻(AMR)传感器，偏移可能比信号振幅大得多，导致无法接受的误差或甚至无法检测。此外，如果在磁畴中存在任何偏移，例如平行于要感测的场的任何DC杂散场，许多用于偏移抵消的传统技术都不能适当地工作。

[0009] 通过在有限量的时间内观察传感器输出信号并且将所述传感器输出信号与期望信号拟合，可以推算出偏移。然而，如果在小于一个周期内观察信号并且要求信号的一些特性(形状、振幅、频率)的知识，而所述知识在正常工作期间并非总是可用的，上述方法就不适用。相反，通过对传感器输出信号的一个周期进行平均，不需要任何关于信号特性的现有知识就可以得到偏移。然而，在一些应用中，在产生第一个精确的零交叉信号之前不允许等待输出信号的一个完整周期。在那些情况下，观察到了亚赫兹磁场，并且等待信号的完整周期会导致太长的等待时间。

[0010] 目前，这些问题的通用解决方法是在测试期间的偏移校准。可以通过传感器的激光微调或在测试期间测量偏移并且在正常操作期间前馈补偿来实现。弊端是这些技术增加了测试成本，并且可能带来由于温度和老化的偏移变化而导致的不准确结果。

[0011] US 2010/0194387 A1公开了一种磁阻传感器系统，其中所述系统包括磁场源、具有易磁化轴的磁阻传感器以及微分元件。磁场源适用于发射根据振荡输入信号产生的辅助磁场。辅助磁场与磁阻传感器的易磁化轴垂直。磁阻传感器适用于感测与外部磁场和辅助交变磁场的叠加相关联的信号，其中微分元件适用于对所感测信号进行微分。

发明内容

[0012] 本发明的目的是提供一种磁传感器装置和方法，用于提供一种有效的方式，来通过感测机械组件产生的磁场来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

[0013] 为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求所述的磁传感器装置、包括磁传感器装置的传感器系统、确定方法、计算机可读介质和程序元件。

[0014] 根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于确定对机械组件的特性加以表示的信息的磁传感器装置。所述磁传感器装置包括：第一磁传感器，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述周期性改变的磁场是由于机械组件相对于磁传感器装置的相对运动而产生的；第二磁传感器，适用于感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中所述第一磁传感器设置为相距第二磁传感器固定距离；以及确定单元，耦合到第一磁传感器和第二磁传感器。确定单元适用于接收第一磁传感器的输出信号和第二磁传感器的输出信号，其中将第一磁传感器的输出信号相对于第二磁传感器的输出信号相位偏移，以便对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及以便基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

[0015] 根据另一示例性实施例，提供一种传感器系统。传感器系统包括具有上述特点和机械组件的磁传感器装置。

[0016] 根据另一示例性实施例，提供一种确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的方法。所述方法包括：通过第一磁传感器，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，所述磁场是由于机械组件相对于磁传感器装置的相对运动而产生的；通过第二磁传感器，感测与周期性改变的磁场相关联的信号，其中第一磁传感器设置在相距第二磁传感器的固定距离处；通过与第一磁传感器和第二磁传感器耦合的确定单元，接收第一磁传感器的输出信号和第二磁传感器的输出信号，其中将第一磁传感器的输出信号相对于第二磁传感器的输出信号相位偏移。所述方法还包括对输出信号进行比较，用于确定与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，以及基于所确定的与周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

[0017] 根据另一示例性实施例，提供一种计算机可读介质，其中存储了确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序适用于实行或控制具有上述特征的方法。

[0018] 根据又一示例性实施例，提供一种确定用于对机械组件的特性加以表示的信息的程序单元(例如，软件程序，以源代码或以可执行代码)，当由处理器执行时，所述程序单元适用于实行或控制具有上述特征的方法。

[0019] 可以通过计算机程序(即软件)、或者通过使用一个或多个专用电子优化电路(即硬件)或者按照混合形式(即通过软件部件和硬件部件)实现可以根据本发明实施例执行的确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

[0020] 本发明描述了怎样得到机械组件的信息，例如通过精确的零交叉探测，无需任何等待时间或额外的校准，而仅用与信号有关的有限信息。具体地，不需要与传感器输出的绝对振幅和它们的偏移有关的信息。

[0021] 术语“磁传感器”可以表示能够确定或感测与磁场相关联的信号的任意类型的传感器，在这种情况下，具有交变信号的周期性或交变磁场。在一种实施例中，磁传感器可以是磁阻传感器。

[0022] 术语“绝对相位”可以是指与周期性改变的磁场相关联的信号的相位。

[0023] 术语“相位偏移”可以是指这样的事实：两个传感器感测相同的信号，因此具有相同信号输出、但是在不同的时间点，因此输出信号是相位偏移。

[0024] 在下文中，将解释磁传感器装置的另一示例性实施例。然而，这些实施例同样应用在传感器系统、确定方法、程序元件和计算机可读介质中。

[0025] 可以基于每个输出信号的导数之比进行输出信号的比较，所述输出信号用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位。将输出信号相对于时间求导。结果用于确定对与周期性磁场相关联的信号的绝对相位加以表示的比值。

[0026] 所述周期性改变的磁场可以是由于机械部组件的相对运动导致的旋转磁场。在这种情况下，磁传感器装置可以是用于感测在旋转磁场和固定方向之间角度的角度传感器。第一磁传感器可以适用于感测沿所述固定方向的旋转磁场的信号，以及第二磁传感器可以适用于感测沿与所述固定方向的垂直方向的旋转磁场的信号。对机械组件的特性加以表示的信息可以与旋转磁场和固定方向之间的角度相对应。

[0027] 在此描述的系统可用于任何传感器系统，在所述传感器系统中至少使用两个传感器以感测相同物理量，并在传感器的输入处存在物理量之间的相移。通过了解所述相移的值，使用算法可以抵消两个传感器的影响。

[0028] 一种应用可能是在角度传感器(例如，磁角度传感器)的应用。角度传感器通常包括两个传感器，所述传感器感测要感测角度的余弦和正弦分量。例如，在磁角度传感器中，需要感测旋转磁场和固定方向之间的角度α。第一磁传感器可以放置为感测所述场的沿固定方向的分量，以及第二磁传感器可以放置为感测垂直于固定方向的分量。在这样的配置下，第一传感器输入可以等于H cos(α)，第二传感器输入可以是Hsin(α)，其中H是磁场的振幅。因此，所述两个传感器输入是经过 移相的，可以应用之前描述的系统。

[0029] 确定单元还可以适用于基于输出信号的比较，来确定第一磁传感器的输出信号的和第二次传感器的输出信号的特性。基于所述比较，不仅可以确定绝对相位，也可以确定传感器及其输出信号的一些特征。

[0030] 输出信号的特性可以包括输出信号之间的偏移、输出信号的绝对相位以及输出信号的零交叉。零交叉用于表示周期性改变的磁场，所以表示机械组件，并且可以用于确定机械组件的合适功能。

[0031] 所确定的用于对机械组件的特性加以表示的信息可以包括所产生磁场的空间周期以及机械组件的位置。基于所述信息，可以确定与机械组件有关的不同信息。空间周期表示与周期性磁场相关联的信号的波长，即波的形状重复的距离。此外，如果传感器输出波形是已知的，所提出的概念可以不仅用于得到零交叉，而且可以用于得到机械部件的位置。

[0032] 机械组件可以是提供交变磁场的旋转运动机械组件或直线运动机械组件。可以是例如轮子，如齿轮。在任何情况下，机械组件可以由干扰偏置磁场的磁性材料构成，或可以是被磁化的。机械组件可以进行排列以便产生叠加在偏置(外部)磁场上的辅助磁场。可以将外部磁场的改变感测为与机械组件的周期性改变的磁场相关联的信号。

[0033] 磁传感器装置还可以包括第三磁传感器，所述第三磁传感器适用于感测与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号，其中第三磁传感器设置为相距第一磁传感器和/或第二磁传感器的固定距离，其中确定单元进一步耦合到第三磁传感器并还适用于接收第三磁传感器的输出信号，其中第三磁传感器的输出信号是第一磁传感器和/或第二磁传感器的输出信号的相位偏移版本，以便对输出信号进行比较，用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且以便基于所确定的与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。通过使用算法和上述方法，前两个传感器可以用于获得磁信号的无偏移读数，因此获得机械位置的精确读数。尽管提供对偏移的良好补偿，所述方法可能无法实现某些规格，例如噪音性能。在这样的情况下，共同提供无偏移读数的前两个传感器用于补偿第三传感器的偏移，所述第三传感器可提供所有所需的规格，例如所需噪音性能。

[0034] 根据此后要描述的实施例的示例，本发明的上述和其他方面是显而易见的，并且结合这些实施例的示例进行解释。

附图说明

[0035] 此后结合实施例的示例详细描述本发明，且本发明不局限于此。

[0036] 图1示出了根据本发明的示例性实施例的磁传感器装置。

[0037] 图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的磁传感器装置。

[0038] 图3示出了若干长度内传感器相移对到轮子距离的示意图。

[0039] 图4示出了最大相位变化对传感器之间距离的示意图。

[0040] 图5示出了平均相位变化对传感器之间距离的示意图。

[0041] 图6示出了根据本发明的实施例的示出了传感器输出导数近似的框图。

[0042] 图7示出了估计的绝对相位的示意图。

[0043] 图8示出了在图7的绝对相位估计中的误差的示意图。

[0044] 图9示出了用于另一种近似的估计的绝对相位的示意图。

[0045] 图10示出了在图9的绝对相位估计中的误差的示意图。

[0046] 图11示出了利用近似的导数计算的绝对相位估计仿真的示意图。

[0047] 图12示出了在绝对相位估计中的误差的示意图。

[0048] 图13示出了估计的绝对相位的示意图。

[0049] 图14示出了在图13的绝对相位估计中的误差的示意图。

[0050] 图15示出了获得具有与信号频率近似成正比频率的时钟的框图。

[0051] 图16示出了图15的传感器输出的示意图。

[0052] 图17示出了图15的输出Vout的示意图。

[0053] 图18示出了图15的时钟的示意图。

[0054] 图19示出了图15的瞬时时钟频率的示意图。

具体实施方式

[0055] 在图样中的阐述是示意性的。在不同的图中，向相似或相同的部件提供相同的参考符号。

[0056] 如图1所示，所述磁传感器装置100包括以固定距离1间隔开的两个磁传感器101、102(在此示例中置于包括确定单元的衬底103上)，所述两个磁传感器位于放置于产生感测磁场的机械零件或机械组件104附近。

[0057] 磁传感器装置100适用于确定用于对机械组件104的特性加以表示的信息。第一磁传感器101适用于感测由于机械部件相对于磁传感器装置的移动产生的周期性改变的磁场相关联的信号，并且第二磁传感器102适用于感测与由于机械组件的运动产生的周期性改变的磁场相关联的信号。确定单元103耦合到第一磁传感器101和第二磁传感器102，并且适用于接收第一磁传感器101的输出信号和第二磁传感器102的输出信号，其中第一磁传感器101的输出信号是第二磁传感器102的输出信号的相位偏移版本，对输出信号进行比较，用于确定与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，并且适用于基于所确定的与由机械组件产生的周期性改变的磁场相关联的信号的绝对相位，来确定用于对机械组件的特性加以表示的信息。

[0058] 根据对于设备的机械尺寸(机械零件的尺寸、传感器的位置)的了解中，可以确定感测磁场的空间周期。因为所述两个传感器间隔开，所以它们的输出将不会是相同的，却是同一信号的相位偏移的副本，具有不同的偏移量。因为传感器之间的距离1是已知的，两个信号之间的相位偏移也是已知的。通过对两个信号进行比较，可以在无需知道信号的振幅或者信号频率的情况下下，探测信号的绝对相位、信号的偏移以及零交叉。

[0059] 作为示例，图2示出了用于测量轮子104的旋转的磁传感器200的设备。轮子或是由磁性材料制成的齿轮，使得齿间隙205结构扰动偏置磁场，或扰动磁化的轮子，其中用磁北磁南极子来代替齿间隙对。传感器101和102输出将是：

[0060]

[0061] 其中ω、A、θ0、VOS，A以及VOS，B是未知的角频率、振幅、初始相位以及偏移。两个信号之间的相位偏移是 并且仅依赖于l、r、d和α(如图2所示)。l是传感器之间的距离，r是轮子的半径，d是从传感器到轮子的距离，以及α是两个齿之间的角度。通过计算两个输出的导数之比，得到：

[0062]

[0063] 通过对函数 求逆，可以计算绝对相位θ＝ωt+θ0：

[0064]

[0065] 因此，通过测量两个输出的导数以及采用以上表达式，可以立即确定θ。因此，可以立即检测传感器101的零交叉(当 或 时)或者传感器102的零交叉(当 或 时)，或者已知位置的任何其他传感器的零交叉(对距传感器101
和102等距的传感器而言当θ＝0或θ＝π时)。

[0066] 此外，已知θ，也可以不仅确定零交叉，而且确定机械零件的绝对位置。

[0067] 根据图2的设备，在轮子的中心下看两个传感器的角度β可以计算为：

[0068]

[0069] 可以将相位偏移计算为：

[0070]

[0071] 其中α是齿间隙对的角周期，N是在轮子上齿间隙对的总个数。

[0072] 图3示出了对于半径为3cm的44齿间隙对的轮子的典型情况，相位偏移对于机械尺寸变化的灵敏度。具体地，图3示出了在传感器之间不同长度l下，传感器相相位偏移对相距轮子的距离作为物理尺寸和传感器的位置(轮子半径r＝3cm，齿间隙对的个数N＝44，l在0.1mm和1mm之间，d在0mm和3mm之间)的函数。正如不同图301、302、303、304、
305、306、307、308、309、310所示，示出了在0.1mm和1mm之间的不同间距l，相位偏移强烈地依赖于传感器间距，但是所述间距在传感器加工期间可以精确地固定。例如，在集成传感器的情况下，例如AMR或者霍尔传感器，光刻的精确度很高，足以忽略它的影响。

[0073] 图4示出了相对于传感器401之间距离的最大相位变化，以及图5示出了相对于传感器501之间距离的平均相位变化。

[0074] 注意，在传感器间距仅为0.8mm时，得到大于30°的相位偏移，结果是对于较小的总传感器尺寸而言相对较大的相位偏移。此外，即便相距轮子的距离d从0至3mm变化，相位偏移变化小于4°。这种误差对于零交叉的确定的影响将在下面阐述。

[0075] 注意，当这种具体示例是多种可实践应用的代表时，所述概念也可以应用到不同几何结构。例如，可以应用到检测机械零件或组件的位置，所述机械零件或组件沿着与传感器平行的直线运动，并用对准的齿间隙对的序列装配。

[0076] 可以总结出：利用小于1mm的传感器可以获得较大的相位偏移，由于传感器定位的变化引起的误差在1％的量级。

[0077] 如上简述，函数 在数值的全部区间0＜θ＜360°上不是可逆的。为了解决这个问题，区间0＜θ＜360°可以分为子区间，在子区间上函数f(θ)是可逆的。在确定θ属于哪个子区间之后，就可以应用适当的求逆函数。

[0078] 在假设正弦信号且 小于90°的情况下，绝对相位θ可以通过以下方式确定。首先，通过使用以下特性来是识别θ所处的象限：

[0079] 如果 则θ在第一象限(例如0＜θ＜90°)或第三象限内；

[0080] 如果 则θ不在第三象限内；

[0081] 如果 则θ不在第二象限内。

[0082] 以上条件总结如下：

[0083] 第一象限(0＜θ＜90°)：

[0084] 第二象限(90°＜θ＜180°)：

[0085] 第三象限(180°＜θ＜270°)：

[0086] 第四像限(270°＜θ＜360°)：

[0087] 因此，仅使用简单的比较，就可以识别θ的位置。

[0088] 在适当的象限内对函数f(θ)求逆。例如，在第一象限内，结果是：

[0089]

[0090] 其中

[0091] 注意，之前计算是指正弦输出，也可以将类似程序应用于其它波形。此外，仅确保在零交叉发生的θ的值附近进行计算或者最终近似。

[0092] 可以对于传感器101采用在图6中所示的系统600，对每个传感器输出的导数进行近似。在开始时，启动计数器605。在传感器601输出超出以开始时传感器输出的采样值为中心的2Vth宽度的区间时，停止计数器605。在此时计数器的输出将是

[0093]

[0094] 其中fc1k是时钟信号频率。如果具有较高阈值的比较器602首先切换，NA的符号是正；否则为负。两个比较器输出都耦合到逻辑门604上。使用适当小的阈值Vth和适当高的时钟频率，两个导数之比y可以近似为：

[0095]

[0096] 为了减小数值误差，可以实施另外的测量。为了限制计算y的范围，可以在分母处使用NA和NB之间的最大值以及适当地改变函数f(θ)，计算出导数之比。这了避免在所述两个导数中一个接近零时，除以小的数字。这意味着将y定义为y＝min(NA，NB)/max(NA，NB)。

[0097] 图7和8示出仿真的结果，其中使用之前描述用于对导数进行近似的算法和之间报道的用于计算θ的方程来估计绝对相位。具体地，图7示出有效绝对相位θ701和由算法估计的绝对相位θext 702，图8示出了所估计的和有效绝对相位801的差别。仿真基于以下的值： Vth＝20％A，fclk＝20MHz，信号频率20kHz。

[0098] 注意，在估计的绝对相位中存在较大误差和不连续性是由于在导数近似中对θ的某些值的较大误差。当导数近似算法试图估计正弦波形在它的最大值和最小值的导数时，可能发生上述误差。然而，在可实践的情况中，那些区域远离所感兴趣的区域，即远离零交叉，所以不会表现出问题。

[0099] 如果需要更高的精确度，必须使用对Vth而言更小的数值以及更高的时钟频率fclk。这会减小两者的最大误差，例如在非连续处的误差，以及在零交叉的区域中的误差。例如，通过以10为因子减小阈值和以相同因子增加时钟频率，相对于图6和7所示仿真，最大误差可以下降至小于15°，θ在160°-200°区域的误差可以小于3°。然而，可能需要具有更高灵敏度的更快速前端。

[0100] 因为绝对相位θ的计算需要在两个数字(NA，NB)之间作除法以及复函数的估计(6)，会导致复杂的硬件实现。为了简化计算，可以在感兴趣的点附近对函数进行近似或者-1线性化，即VA和VB的零交叉。可以证实，只需要在值 附近对函数f (y)进行近似。

[0101] 通过简单的线性化，可以得到：

[0102]

[0103] 图9和10示出了使用这种近似所得到的误差。图9和10示出了采用近似的导数计算和针对θ的线性化函数，对绝对相位估计的仿真(φ＝20°，Vth＝20％A，fclk＝20MHz，信号频率20kHz)，即方程(9)。图9示出有效绝对相位θ901和由算法θest 902估计的绝对相位。图10示出了所估计的和有效绝对相位1001之间的差别。

[0104] 然而，还是需要除法。如果观察到零交叉发生时的绝对相位，可以实现进一步的简化，满足以下方程：

[0105]

[0106] 零交叉的检测就等同于检测函数的零点：

[0107]

[0108] 在具体情况 下，可以进一步简化，函数变成

[0109]

[0110] 因为以上表达式可以在仅有加、减以及比特移位的二进制逻辑的数字电路中实施，这可以便于实际实现。

[0111] 图11示出了采用以上表达式的仿真的结果。利用近似的导数计算、方程(11)的简化函数H(NA，NB)，示出了绝对相位估计的仿真1101，方程(11)对应在φ＝20°，Vth＝20％A，fclk＝20MHz，信号频率20kHz。函数具有与信号VA and VB的零交叉相对应的零点。注意，在理想情况下，即当方程(7)精确满足而不是近似时，得到四个零点值：
如上所述，通过查看导数值和符号，可以
区别这些情况。与之前所示仿真使用相同参数，函数的零点不是位于理想零点的位置，而是在它们附近，其结果是在零交叉探测时的误差。在零交叉方面的误差的对于角度分别约为7°、1°、2°和21°，。通过得
到更好的导数近似，即降低Vth并且增加fclk，可以得到更高的精确度。

[0112] 在零交叉的探测中的额外误差由于在 的估计中的误差，即在两个传感器之间的相位偏移。那些误差可以是由于制作误差，例如在两个传感器之间距离l的变化或者轮子的极间间隙距离的变化或者机械设备的变化(例如传感器与磁化机械组件之间距离的变化)。通过以下近似，可以进行所述误差的影响的一阶估计。

[0113]

[0114] 其中使用 如前所述，在邻近点 的区域内，分析零交叉的误差。在所述区域，在小于4°的相位偏移中的误差可以转换为小于4°的零交叉检测中的误差，即小于信号周期的约1％。

[0115] 图12示出了在θ＝180°时估计相位的仿真误差1201。在这种情况下，选择参数而不是相移以便最小化它们对总误差的贡献。仿真与公式(13)良好吻合。在θ＝180°绝对相位的估计中，示出了仿真误差对两个传感器之间的相位偏移的改变(φ＝20°，Vth＝2％A，fclk＝2GHz，信号频率20kHz)。

[0116] 为了进一步阐明在φ的估计中误差的影响，图13和14示出了对φ的三个不同数值(10°，20°，30°)的完整算法的仿真。注意，在仿真中，虽然相位偏移变化(等同于使用不同间距的轮子)，但是算法一直假设相移等于20°。注意，相位偏移的改变对应于齿间隙对的个数的改变，范围是从24到66(如果假设44是齿间隙对的标称个数)。图13示出了针对φ的不同取值，Vth＝20％A，fclk＝20MHz，信号频率20kHz下，通过近似导数计算的绝对相位估计的仿真；图示出了有效绝对相位θ为0°(1301)，以及当算法中假设的相位偏移分别是φ＝10°(1302)，φ＝20°(1303)，φ＝30°(1304)时，由算法估计的绝对相位。当φ的值(两个传感器的相移的结果)改变时，算法在假设(错误地)相位移是20°的情况下运行。图14示出了在相移φ为10°(1401)、20°(1402)和30°(1403)下，所估计的和有效绝对相位的差别。

[0117] 所提出的系统和方法可以用于非常低频率的信号。如果使用近似导数的方法，有可能在零交叉的发生和它的探测之间存在等待时间。等待时间等于传感器输出信号用于与在图6中的比较器602、603的阈值相交的时间。这种延迟依赖于信号的振幅和频率以及阈值Vth的值。具体地，对于固定振幅和阈值，等待时间正比于信号周期，其结果是在以周期的一部分导致了恒定的等待时间。这在许多应用中都是允许的，其中只有由零交叉导致的信号的占空比的精确度是有意义的，并且零交叉检测的精确度表示为信号周期的百分比，而不是绝对形式。然而，对于非常慢信号，计数器605的输出会非常大，限制系统的实际实行。

[0118] 如果使用固定的时钟频率，在图6中的计数器605可能需要改变大小以存储与最低期望信号频率相对应的循环的次数。对于时钟频率为20MHz以及50位计数器，最低允许-8频率近似为10 Hz，对应超过一年的周期。对于为了找到绝对相位的NA和NB的处理而言，不需要如此高的准确度，将NA和NB缩放相同的量(例如通过比特移位)足以缩短它们的二进制表示并且简化硬件实现。

[0119] 为了解决这个问题，在一个实施例中，可以使用正比于信号频率的时钟频率fclk。使用在图15中所示系统可以产生近似正比于信号频率的时钟信号。用于得到时钟的图15的系统部分包括用于接收VA(t)的采样器1501，所述时钟的频率近似正比于信号频率。模数V0单元处理采样器的输出，并向比较器1503提供采样器的输出。比较器输出时钟。如图16(示出传感器输出)、17(示出Vout)、18(示出时钟)以及19(示出时钟信号的瞬时频率)中仿真结果所验证的(对于信号频率是100Hz，信号振幅A＝1和V0＝0.02)，时钟频率大约在 和 之间变化，其中f是传感器输出的频率。通过在图6的系统中使
用这样的时钟频率，计数器605的输出可以近似与信号频率无关。那么计数器可以合理地设计，确保它的工作是用于任意低的信号频率。

[0120] 在之前的描述中，在此描述的系统和方法用于确定磁场的零交叉。然而，在一些应用中，上述过程太过复杂或易于引起误差和噪音。在这些情况下，在此描述系统和方法可以仅用于偏移补偿。

[0121] 在这样的设备中，完整的系统包括两个传感器：主传感器，具有高性能的特性，例如高灵敏度和低噪音，以及偏移补偿传感器，具有低残留偏移的特性。如上所述传感器装置可以用于实施偏移补偿传感器。偏移补偿传感器的目的是近似检测零交叉并且使用所述时刻来补偿主传感器的偏移。

[0122] 此处描述的传感系统或装置包括两个以固定距离放置的磁传感器，处理所述磁传感器的输出信号，以便当感测场是周期性时，在没有任何偏移校准的情况下，可以在启动时抵消每个传感器的偏置。通过抵消传感器的偏移，可以即刻且精确地探测由每个传感器所感测的磁场的零交叉。通过计算两个传感器输出的导数之比以及确定所述导数的符号和导数绝对值之间的最大值，可以得到周期性改变的磁场的绝对相位。通过参考时钟的周期个数的比值可以对传感器输出的导数之比进行近似，每个信号占据固定宽度的区间，所述固定宽度以启动时的信号值为中心。当磁场的频率非常低时，为了限制要计数的参考时钟的周期的最大个数，参考时钟可以直接从输入信号中获得，所述最大个数用于计算导数的近似。通过只包含比例因子、加法和减法有关的近似表达式，可以检测到零交叉。在具体示例中，当两个传感器之间的相移是30°，通过使用仅与包含简单二元运算(例如，加法减法以及移位)的近似表达式，可以检测到零交叉。无偏移传感器系统可以用于寻找磁场是零时的时刻，并使用上述时刻来修正额外高精确度磁传感器的偏移。

[0123] 在此描述的系统和方法可以用于磁传感器中。尤其适用于汽车的应用中和速度传感器中，例如在ABS、传动、机轴和凸轮轴中的应用。

[0124] 此外，所描述的算法可以用于任何传感器系统中，在所述传感器系统中，使用至少两个传感器来感测同一物理量，并且在传感器的输入端处，在物理量之间存在相位偏移。通过了解这个相移的值，使用算法来抵消两个传感器的影响。一种特殊应用是在角度传感器方面的应用，例如磁角度传感器。角度传感器通常包括两个传感器，所述两个传感器用于感测要感测的角度的余弦和正弦。例如，在磁角度传感器中，需要感测旋转磁场和固定方向的角度α。放置第一磁传感器以便感测沿固定方向的场的分量；放置第二磁传感器以便感测垂直于固定方向的分量。在这样的配置下，第一传感器输入将等于H cos(α)，而第二传感器输入将是H sin(α)，此处H是磁场的幅值。因此，两个传感器输入是相位偏移 的，并且可以应用之前所述算法。

[0125] 应该注意到，术语“包括”不排除其他元件或特征，“一”或者“一种”不排除复数形式。同样，与不同实施例相关联描述的元件可以进行组合。

[0126] 应当注意到，在权利要求中的参考符号不应理解为限制权利要求的范围。