DE102006035120A1

DE102006035120A1 - Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Drehwinkels einer Welle

Info

Publication number: DE102006035120A1
Application number: DE102006035120A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Granig; Werner Rössler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Messung eines Drehwinkels einer Welle, welche einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand mit einer im Vergleich zum ersten Betriebszustand verringerten Leistungsaufnahme annehmen kann und die folgende Komponenten aufweist: eine erste Spannungsversorgungsanordnung (1), die nur im ersten Betriebszustand eine Versorgungsspannung bereitstellt, eine zweite Spannungsversorgungsanordnung (2), die in dem ersten und zweiten Betriebszustand eine Versorgungsspannung bereitstellt, eine erste Gruppe (10) von Schaltungskomponenten, die an die erste Spannungsversorgungsanordnung (1) angeschlossen sind, eine zweite Gruppe (20) von Schaltungskomponenten, die an die zweite Spannungsversorgungsanordnung (2) angeschlossen sind, wobei die zweite Gruppe (20) von Schaltungskomponenten wenigstens einen Magnetfeldsensor (21) und eine dem Magnetfeldsensor (21) nachgeschaltete, eine Zählerschaltung (222) umfassende Auswerteschaltung (22) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Messung eines Drehwinkels einer Welle.
Die Messung der Winkelposition einer drehbaren Welle ist in vielen Bereichen der Technik eine häufig auftretende Aufgabenstellung. Die Messung soll dabei meist berührungslos erfolgen, um die Zahl der für die Messung erforderlichen verschleißbaren mechanischen Komponenten möglichst gering zu halten.
Zur berührungslosen Messung von Drehwinkeln ist eine Vielzahl von auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhenden Messmethoden bekannt.
Eine einfache und zugleich sehr präzise Methode ist die Messung der Orientierung eines sich mit der Welle mitdrehenden Magnetfeldes. Zu diesem Zweck ist an der Welle meist ein Permanentmagnet und in der unmittelbaren Umgebung der Welle zumindest ein Magnetfeldsensor angeordnet. Eine Drehung der Welle führt hierbei zu einem sich drehenden, durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetfeld. Eine Drehung dieses Magnetfeldes hat eine Änderung der magnetischen Feldstärke entlang der empfindlichen Achse des Magnetfeldsensors und damit eine Änderung der Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors zur Folge. Je nach der gewählten geometrischen Anordnung von Welle und Sensor lässt sich die Winkelposition der Welle aus dem Sensorsignal berechnen. Es ist offensichtlich, dass bei diesem Verfahren aus dem Sensorsignal allein nur ein Winkelbereich zwischen 0° und 360° aufgelöst werden kann. Das heißt, es kann nicht unterschieden werden, ob die Welle beispielsweise um 10° oder bereits um 370° gedreht wurde.
Eine Möglichkeit, den Messbereich über eine volle Umdrehung hinaus zu erweitern, besteht darin, volle Umdrehungen der Welle mittels eines Zählers zu zählen.
Die japanische Patentanmeldung JP 2005-106567 A beschreibt ein solches Messsystem mit zwei magnetoresistiven Sensoren, welches in der Lage ist, mit Hilfe einer Zählerschaltung auch Winkel größer 360° aufzulösen.
Ein geringer Energieverbrauch ist oftmals eine weitere Anforderung an ein derartiges Messsystem. Vor allem im Bereich der Automobilelektronik ist man bestrebt, die Dauerbelastung für die Fahrzeugbatterie möglichst zu reduzieren. Aus diesem Grund ist die Spannungsversorgung vieler elektrischer Komponenten in einem Fahrzeug über den Zündschlüssel abschaltbar, so dass bei ausgeschalteter Zündung diese Komponenten außer Betrieb sind. Für einen Winkelsensor der oben beschriebenen Art, der beispielsweise zur Erfassung eines Lenkwinkels eingesetzt werden kann, würde dies bedeuten, dass sowohl die Magnetfeldsensoren als auch die gesamte zu deren Betrieb notwendige Elektronik bei ausgeschalteter Zündung unversorgt ist. Dies hat zur Folge, dass bei der Wiederinbetriebnahme die Sensorelektronik zwar in der Lage ist aus dem Ausgangssignal der Magnetfeldsensoren die Winkelposition der Welle zu berechnen, jedoch nur in einem Intervall zwischen 0° und 360°. Die in einem Zähler gespeicherte Information über die Anzahl der Umdrehungen ginge durch das Ab- und Wiedereinschalten verloren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Schaltungsanordnung zur Messung von Drehwinkeln an einer Welle auch über eine Umdrehung hinaus zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Leistungsaufnahme aufweist und die eine Ermittlung des Drehwinkels ohne Informationsverlust gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist offensichtlich, dass nicht alle Komponenten der Schaltungsanordnung in dem Betriebszustand mit äußerst geringer Leistungsaufnahme abgeschaltet werden können, ohne dabei die für die weitere Messung notwendige Information zu verlieren. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, die Schaltungsanordnung derart zu gestalten, dass sie in einem Zustand mit äußerst geringer Leistungsaufnahme in der Lage ist, mit nur wenigen stromsparenden Komponenten die unbedingt notwendige Funktion, nämlich das Zählen ganzer Umdrehungen, aufrecht zu erhalten.
Dazu werden im Betriebszustand mit geringer Leistungsaufnahme sämtliche nicht benötigte Komponenten zur Winkelmessung wie zum Beispiel Vorverstärker, Analog-Digital-Wandler, digitale Recheneinheiten, etc. von der Spannungsversorgung getrennt, während die unbedingt notwendigen Komponenten wie z. B. die Sensoren selbst und eine rudimentäre Auswerteeinheit weiterversorgt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren und Teile der rudimentären Auswerteeinheit aus Stromspargründen nur mit einer gepulsten Spannung versorgt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei annähernd orthogonal zueinander orientierte Magnetfeldsensoren, insbesondere hochempfindliche magnetoresistive Sensoren, vorgesehen. Durch die orthogonale Ausrichtung der empfindlichen Achsen der Sensoren wird erreicht, dass die Ausgangssignale der Sensoren (Ausgangsspannung in Abhängigkeit des Drehwinkels) zueinander annähernd eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Bei einer derartigen Anordnung der Magnetfeldsensoren besteht die rudimentäre Auswerteeinheit lediglich aus zwei Komparatoren, um den Quadranten der Winkelposition der Welle zu bestimmen, und einer Zählerschaltung, um Wechsel der Quadranten zu zählen.
Die Komparatoren vergleichen die Ausgangssignale der verwendeten Magnetfeldsensoren mit einem Schwellwert. Ist der Wert eines Signals höher als der jeweilige Schwellwert, nimmt der Ausgang des jeweiligen Komparators den logischen Zustand "1" an, ist es kleiner, den logischen "0". Die Ausgänge der beiden Komparatoren bilden ein 2-Bit-Wort, das vier Zustände annehmen kann, welche die vier möglichen Quadranten von Winkelpositionen repräsentieren. Mit Hilfe eines einfachen Zählers werden Wechsel von einem Quadranten in den Anderen registriert und aufaddiert, so dass auch in diesem Zustand mit verringerter Leistungsaufnahme eine Winkelauflösung von 90° gewährleistet ist.
Bei einem Übergang in einen ersten Betriebszustand mit normaler Leistungsaufnahme steht eine hochauflösende Auswerteeinheit zur Verfügung, welche (wie bereits erwähnt) die Winkelstellung der Welle nur im Intervall von 0° bis 360° auflösen kann. Zusammen mit dem Zählerstand des oben genannten Zählers kann die hochauflösende Auswerteeinheit (digitale Recheneinheit) die Winkelstellung der Welle auch über eine Umdrehung hinaus exakt ermitteln. Dazu reicht es, wenn der hochauflösenden Auswerteeinheit von dem Zähler die Zahl der ganzen Umdrehungen der zur Verfügung gestellt werden. Intern werden jedoch Viertelumdrehungen gezählt um die negativen Auswirkungen eines zufälligen Auf- und Abwärtszählens ("Toggeln") zu verhindern, wenn die Welle gerade am Übergang von einem Quadranten in den nächsten zum Stehen kommt. Dieser Effekt wird weiter unten noch näher erläutert.
Die einzigen Leistung verbrauchenden Komponenten in diesem Betriebszustand mit geringer Leistungsaufnahme sind die Sensoren, die Komparatoren und die Zählerschaltung. Den größten Anteil am Energieverbrauch hat dabei der Sensor selbst, da Magnetfeldsensoren, insbesondere magnetoresistive Sensoren, meist relativ niederohmig sind und nur einen ohmschen Widerstand im Bereich von rund 1 kΩ aufweisen. Um die durchschnittliche Leistungsaufnahme weiter zu reduzieren, können die Magnetfeldsensoren, sowie die Komparatoren statt mit einer Gleichspannung auch mit einer Folge von Spannungspulsen versorgt werden. Bei einem Impuls-Pausen-Verhältnis der Versorgungsspannung von beispielsweise 1:100 wird die Stromaufnahme der Sensoren um einen Faktor 100 reduziert. Eine kontinuierliche Messung ist in diesem Fall nicht mehr möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei Magnetfeldsensoren und zwei Komparatoren zur Bestimmung eines Quadranten der Winkelposition einer Welle.
3 zeigt schematisch eine mögliche Realisierung einer gepulsten Spannungsversorgung zur Versorgung von Magnetfeldsensoren und Komparatoren der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
4 zeigt den Zusammenhang zwischen den Ausgangssignalen der Komparatoren und dem Quadranten der Winkelposition der Welle.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung eines Drehwinkels einer Welle (in der Figur nicht dargestellt). Die Schaltungsanordnung um fasst eine erste Spannungsversorgungsanordnung 1, der ein abschaltbares Versorgungspotential V_DD zugeführt ist, und eine zweite Versorgungsspannungsanordnung 2, der ein permanent vorhandenes Versorgungspotential V_DDL zugeführt ist.
Das abschaltbare Versorgungspotential V_DD ist beispielsweise über einen mit dem Zündschlüssel zu betätigenden Schlüsselschalter mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Das permanent vorhandene Versorgungspotential V_DDL kann direkt mit der Fahrzeugbatterie oder auch über ein Gleichrichterelement (beispielsweise eine Diode) mit der Fahrzeugbatterie verbunden sein, um ein Rückwärtsfließen des Stromes zu vermeiden.
Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine erste Gruppe 10 von Schaltungskomponenten, die zur Spannungsversorgung ausschließlich aus dem abschaltbaren Versorgungspotential gespeist werden,, und eine zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten, die aus dem permanent verfügbaren Versorgungspotential V_DDL gespeist werden, aber auch zusätzlich aus dem abschaltbaren Versorgungspotential V_DD versorgt werden können.
Die Schaltungsanordnung kann zwei Betriebszustände annehmen. Ein erster Betriebszustand, der nachfolgend als Normalbetriebszustand bezeichnet ist, liegt vor, wenn das abschaltbare Versorgungspotential V_DD eingeschaltet ist und einen Sollwert aufweist. Ein zweiter Betriebszustand, der nachfolgend als Betriebszustand verringerter Leistungsaufnahme bezeichnet wird, liegt vor, wenn abschaltbare Versorgungspotential V_DD abgeschaltet ist und beispielsweise einem Bezugspotential der Schaltung, insbesondere Masse entspricht. Zwischen den Anschlüssen für das erste Versorgungspotential V_DD und das zweite Versorgungspotential V_DDL kann ein Gleichrichterelement vorgesehen sein, das in dem Beispiel als Diode realisiert ist. Diese Diode 3 ist in Sperrrichtung zwischen den Anschluss für das erste Versorgungspotential V_DD und das zweite Versorgungspotentials V_DDL geschaltet und bewirkt dass im ersten Betriebszustand die zweite Gruppe 20 von Schaltungskompo nenten nicht allein von dem zweiten Versorgungspotential V_DDL aus gespeist wird sondern auch von dem ersten Versorgungspotential V_DD mitversorgt wird, im zweiten Betriebszustand jedoch ein Stromfluss von dem Anschluss für das zweite Versorgungspotential V_DDL an den Anschluss für das erste Versorgungspotential V_DD verhindert wird. Es ist auch möglich, die Diode 3 wegzulassen. Dann wird unabhängig vom Betriebszustand die zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten stets von dem zweiten Versorgungspotential V_DDL aus gespeist.
Die zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor 21, der ein Ausgangssignal S bereitstellt, das einer ersten Auswerteeinheit 22 zugeführt ist. Diese erste Auswerteeinheit 22 ist dazu ausgebildet, anhand des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors 21, die Winkelposition der Welle zumindest auf eine Umdrehung genau zu ermitteln. Die erste Auswerteeinheit 22 erzeugt ein Ausgangssignal Q, das proportional ist zu der Anzahl der Umdrehungen der Welle.
Diese zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten ist permanent aktiv, das Ausgangssignal Q der Auswerteeinheit 22 steht also in beiden Betriebszuständen, dem Normalbetrieb und dem Betrieb mit verringerter Leistungsaufnahme, zur Verfügung. Die erste Gruppe 10 von Schaltungskomponenten ist hingegen nur im Normalbetrieb, aktiv.
Diese erste Gruppe 10 umfasst mindestens einen Analog-Digital-Wandler 11, dem das Ausgangssignal S des Magnetfeldsensors 21 zugeführt ist und der dieses Ausgangssignal in eine Bitfolge SD umwandelt. Des Weiteren umfasst die erste Gruppe 10 eine digitale Recheneinheit 12, der die Bitfolge SD und das Ausgangssignal Q der Auswerteeinheit 22 zugeführt werden. Diese digitale Recheneinheit 12 ist dazu ausgebildet, aus diesen Daten die tatsächliche Winkelposition der Welle zu berechnen.
Bei einem Abschalten der des ersten Versorgungspotentials V_DD, von dem die Schaltungskomponenten der ersten Gruppe 10 betroffen sind, bleibt bei der dargestellten Schaltungsanordnung aufgrund der aufrechterhaltenen Versorgung der Komponenten der zweiten Gruppe 20 die Information über die bis dahin erfolgten Umdrehungen der Welle in Form des Ausgangssignals Q der ersten Auswerteeinheit 22 erhalten. Vollständige Umdrehungen der Welle während dieses zweiten Betriebszustandes werden durch die erste Auswerteeinheit 22 erfasst und führen somit während dieses Zustandes zu einer Aktualisierung der in dem Ausgangssignal Q enthaltenen Information über die Anzahl der erfolgten Umdrehungen. Nach einem Übergang vom zweiten Betriebszustand mit verringerter Leistungsaufnahme in den Normalbetrieb kann unter Verwendung der behaltenen Umdrehungsinformation in dem Ausgangssignal Q wieder die gesamte Winkelinformation zur gestellt werden. Die digitale Recheneinheit 12 berechnet aus der Bitfolge SD einen Winkelwert zwischen 0° und 360° zu dem gegebenenfalls noch ein Vielfaches von 360° hinzuaddiert wird. Dieses Vielfache ist durch das Ausgangssignal Q der ersten Auswerteeinheit 22 bestimmt.
Das zweite Versorgungspotential V_DDL kann nur für eine geringe Strombelastung ausgelegt sein. Die Diode 3 bewirkt, dass im Normalbetrieb die Spannungsversorgungsanordnung 2 nicht nur über das zweite Versorgungspotential V_DDL versorgt wird, sondern zusätzlich auch über das erste Versorgungspotential V_DD versorgt wird, um eine Versorgungsspannung für die zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten zu erzeugen. Die Diode 3 verhindert jedoch im Betriebszustand mit verringerter Leistungsaufnahme einen Stromfluss zu der ersten Spannungsversorgungsanordnung 1 und damit eine Spannungsversorgung der ersten Gruppe von Schaltungskomponenten während dieses Betriebszustandes. Ist keine Diode vorgesehen, wird die zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten permanent über das zweite (permanente) Versorgungspotential V_DDL versorgt und es muss unter Umständen für eine höhere Strombelastung ausgelegt sein, je nachdem welche Komponenten des Fahrzeuges noch nachdem welche Komponenten des Fahrzeuges noch zusätzlich über das permanente Versorgungspotential V_DDL versorgt werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die zweite Gruppe 20 von Schaltungskomponenten einen ersten Magnetfeldsensor 21a, der ein erstes Ausgangssignal Sx bereitstellt, und einen zweiten Magnetfeldsensor 21b, der ein zweites Ausgangssignal Sy bereitstellt, aufweist. Die zweite Gruppe umfasst außerdem einen ersten Komparator 221a, der dem ersten Magnetfeldsensor nachgeschaltet ist, und einen zweiten Komparator 221b der dem zweiten Magnetfeldsensor nachgeschaltet ist, und eine Zählerschaltung 222.
Die erste Gruppe 10 von Schaltungskomponenten umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel neben der digitalen Recheneinheit 12 einen ersten Analog-Digital-Wandler 11a und einen zweiten Analog-Digital-Wandler 11b. Das Ausgangssignal Sx des ersten Magnetfeldsensors ist bei dieser Anordnung sowohl dem ersten Komparator 221a als auch dem ersten Analog-Digital-Wandler 11a zugeführt, und das Ausgangssignal Sy des zweiten Magnetfeldsensors 21b ist dem zweiten Komparator 221b und dem zweiten Analog-Digital-Wandler 11b zugeführt. Ein Ausgangssignal Qx des ersten Komparators 221a und ein Ausgangssignal Qy des zweiten Komparators 221b bilden ein 2-Bit-Wort, welches der Zählerschaltung 222 zugeführt ist. Die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler und der Zählerschaltung sind der digitalen Recheneinheit 12 zugeführt.
Alle Komponenten der ersten Gruppe 10 sind an die erste Spannungsversorgungsanordnung 1 und alle Komponenten der zweiten Gruppe 20 sind an die zweite Spannungsversorgungsanordnung 2 angeschlossen, der Übersichtlichkeit halber sind entsprechende Versorgungsleitungen jedoch nicht bei allen Bauteilen dieser Gruppe eingezeichnet.
Idealerweise reagiert ein Magnetfeldsensor nur auf eine Komponente der magnetischen Feldstärke, die parallel zu seiner empfindlichen Achse verläuft. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind der erste und zweite Magnetfeldsensor 21a, 21b so realisiert, dass deren empfindliche Achsen wenigstens annähernd orthogonal zueinander verlaufen. Die Ausgangssignale Sx und Sy der beiden Magnetfeldsensoren 21a, 21b sind dadurch orthogonal zueinander, d. h. sie weisen zueinander eine Phasenverschiebung von 90° auf.
Die Komparatoren 221a und 221b vergleichen die Ausgangssignale Sx und Sy der Magnetfeldsensoren 21a und 21b mit einem Schwellwert. Dieser Schwellwert ist beispielsweise Null, was gleichbedeutend damit ist, dass mit Hilfe der Komparatoren 221a und 221b die Polarität der Ausgangssignale Sx und Sy detektiert wird. Mit Hilfe einfacher, auf die Ausgangssignale Qx, Qy der Komparatoren angewendeter Vergleichsoperationen kann so festgestellt werden, ich welchem Quadranten sich die Winkelposition der Welle befindet.
Das Prinzip zur Ermittlung des Quadranten der aktuellen Winkelposition anhand der Ausgangssignale Q_x, Q_y der Komparatoren ist in 4 anschaulich dargestellt. Ein positives Ausgangssignal Sx des ersten Magnetfeldsensors 21a führt zu einem ersten Pegel des Ausgangssignal Qx des ersten Komparators 221a, beispielsweise zu einem High-Pegel (Qx = "1"). Dies bedeutet, dass sich die Winkelposition der Welle im ersten oder im vierten Quadranten befindet. Ein negativer Wert dieses Ausgangssignals Sx führt zu einem zweiten Pegel des Ausgangssignal Qx des ersten Komparators 221a, beispielsweise zu einem Low-Pegel (Qx = "0"). Die Winkelposition der Welle liegt dann im zweiten oder im dritten Quadranten. Aufgrund der 90°-Phasenverschiebung zwischen dem Ausgangssignal Sx des ersten Magnetfeldsensors 21a und dem Ausgangssignal Sy des zweiten Magnetfeldsensors 21b bedeutet ein positives Ausgangssignal des zweiten Magnetfeldsensors 21b, das zu einem ersten Pegel des Ausgangssignals Qy des zweiten Komparators 221b führt (Qy = "1"), dass sich die Winkelposition der Welle entweder im ersten oder im zweiten Quadranten befindet. Ein negatives Ausgangssignal Sy des zweiten Magnetfeldsensors 21b, das zu einem zweiten Pegel des Ausgangssignals Qy des zweiten Komparators 221b führt (Qy = "0"), bedeutet dass sich die Winkelposition der Welle im dritten oder im vierten Quadranten befindet. Interpretiert man die Ausgangssignale Qx und Qy der Komparatoren 221a und 221b als digitales 2Bit-Wort, so repräsentiert dieses 2-Bit-Wort den Quadranten, in dem sich die Winkelposition Welle befindet. Ändert sich bei einer Drehung der Welle der Quadrant des Drehwinkels, so wird der Zähler 222 je nach Drehrichtung inkrementiert oder dekrementiert. Der Zählerstand des Zählers 222 gibt also die Winkelstellung der Welle mit einer Auflösung von 90° wieder. Dieser Zählerstand geht auch im zweiten Betriebszustand mit reduzierter Leistungsaufnahme nicht verloren, da, wie bereits oben beschrieben, im zweiten Betriebszustand nur das erste Versorgungspotential V_DD und damit nur die erste Gruppe 10 von Schaltungskomponenten abgeschaltet wird.
Das Ausgangssignal Q des Zählers, der der digitalen Recheneinheit 12 zugeführt ist gibt jedoch lediglich die Umdrehungszahl der Welle an, auch wenn der Zähler intern genauer (nämlich auf eine viertel Umdrehung genau) arbeitet. Unabhängig davon hat man das weiter oben bereits angesprochene Problem des "Toggelns", wenn die Welle genau am Übergang eines Quadranten zum nächsten zum Stehen kommt. Denn kommt die Welle genau am Übergang zwischen dem vierten und ersten Quadranten zum stehen, kann es sein dass auch das Ausgangssignal Q auf- und abspringt, also "toggelt", und die digitale Recheneinheit die tatsächliche Winkelstellung nicht mehr ermitteln kann. Des Weiteren sind die Schaltschwellen der Komparatoren 221a, 221b nicht so genau, so dass das Weiterzählen des Zählers 222 nicht immer exakt am Übergang von einem Quadranten in den nächsten erfolgt, sondern innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches. Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Maßnahmen möglich.
Beispielsweise kann der Zähler 222 intern ein Richtungsbit R, welches die Drehrichtung der Welle angibt, verwenden. Der Zähler schaltet bei einem Richtungswechsel das Richtungsbit R entsprechend der Drehrichtung um, inkrementiert bzw. dekrementiert sein Ausgangssignal Q aber nur, wenn zuvor zumindest ein Quadrant von der Welle überstrichen wurde, d. h. dass im Falle eines Quadrantenwechsels, der eine Veränderung der Umdrehungszahl Q zur Folge hätte, nur dann erfolgt, wenn zuvor mindestens ein Quadrantenwechsel mit dem selben Wert des Richtungsbits R erfolgt ist. Ist dies nicht der Fall, erfolgt das Umschalten der Umdrehungszahl Q bei gleichbleibender Drehrichtung erst beim folgenden Quadrantenwechsel.
Toggelt also das Ausgangssignal Q nach einer vollen Umdrehung vom ersten Quadranten in den vierten Quadranten zurück, so ändert sich der Zählerstand nicht. Erst wenn sich die Welle bis in den dritten Quadranten zurückdreht, ändert sich auch der Zählerstand und es wird um eine Umdrehung zurückgezählt.
Als Alternative zur Verwendung eines Richtungsbits können der digitalen Recheneinheit 12 auch die Ausgänge Qx, Qy der Komparatoren 221a, 221b zugeführt werden. Damit kann die digitale Recheneinheit (12) unterscheiden, ob der Zähler 222 bei einem gewissen Zählerstand "gerade noch nicht" weiterzählt oder "gerade erst" weitergezählt hat. Mit dem Komparatorausgängen Qx, Qy und damit mit der "Quadrantennummer" als Zusatzinformation kann die digitale Recheneinheit 12 die tatsächliche Winkelposition ebenfalls ermitteln.
3 veranschaulicht ein Realisierungsbeispiel der zweiten Spannungsversorgungsanordnung 2. Diese Spannungsversorgungsanordnung 2 umfasst einen Schaltregler 2a, der das Versorgungspotential V_DDL, beispielsweise eine Bordnetzspannung von 12 V oder 24 V in einem Kraftfahrzeug, auf ein geringeres Betriebspotential V_L, beispielsweise 5 V, umsetzt.
Mit diesem Potential V_L werden ein Oszillator 2b und ein Pulsgenerator 2c versorgt. Das Ausgangssignal des Oszillators 2b, welches dem Impulsgenerator 2c zugeführt ist, weist eine Frequenz von beispielsweise 1 kHz auf. Bei jeder steigenden Flanke des Oszillatorsignals erzeugt der Pulsgenerator 2c einen kurzen Puls, beispielsweise mit einer von 10 μs, der ein Schaltelement 2d ansteuert. Dieses Schaltelement 2d verbindet die Versorgungspotentialanschlüsse der Sensoren 21a und 21b sowie der Komparatoren 221a und 221b mit dem Ausgangspotential V_L des Schaltwandlers 2a. Die Sensoren 21a und 21b und Komparatoren 221a und 221b der zweiten Gruppe von Schaltungskomponenten werden auf diese Weise gepulst mit der Versorgungsspannung V_L versorgt. Das Impuls-Pausen-Verhältnis der gepulsten Spannungsversorgung beträgt beispielsweise 1:100, wodurch sich die mittlere Stromaufnahme der Magnetfeldsensoren 21a und 21b und der Komparatoren 221a und 221b etwa um einen Faktor 100 gegenüber einer dauerhaften Spannungsversorgung dieser Schaltungskomponenten mit einer Gleichspannung reduzieren lässt.
Die Spannungsversorgung der Zählerschaltung 222 erfolgt nicht gepulst sondern kontinuierlich. Die Zählerschaltung 222 ist hierzu direkt mit dem Ausgangspotential V_L des Schaltwandlers 2a verbunden. Die Stromaufnahme des Zählers 222 ist mit Ausnahme der Umschaltzeitpunkte jedoch äußerst gering und im wesentlichen durch Leckströme bestimmt. Die Stromaufnahme der in 3 ausschnittsweise dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist im Betriebszustand mit verringerter Leistungsaufnahme sehr gering und kann bei weniger als 100 μA liegen, die über den Anschluss des ersten Versorgungspotentials V_DDL geliefert werden.
Eine gepulste Versorgung der Magnetfeldsensoren 21, 21a, 21b und der Komparatoren 221a, 221b erfolgt vorzugsweise nur im Betriebszustand mit verringerter Leistungsaufnahme gepulst und im Normalbetrieb kontinuierlich. Dieser Betriebszustand mit verringerter Leistungsaufnahme wird dem Pulsgenerator 2c über ein Zustandssignal EN angezeigt. Als Zustandssignal EN kann beispielsweise ein Ausgangssignal der Spannungsversorgungsanordnung 1 herangezogen werden. Im Betriebszustand mit verringerter Leistungsaufnahme ist das erste Versorgungspotential V_DD abgeschaltet und ein Ausgangssignal bzw. eine Ausgangsspannung der ersten Spannungsversorgungsanordnung 1 entspricht Bezugspotential, was beispielsweise einem Logik-Pegel von "0" entspricht. Bei diesem Signalpegel des Zustandssignals EN wird der Pulsgenerator 2c aktiviert, um eine gepulste Versorgung der Sensoren 21a, 21b und Komparatoren 221a, 221b zu bewirken.
Im Normalbetrieb entspricht der Wert des Zustandssignals EN einem Logik-Pegel von "1". Bei diesem Signalpegel schaltet das Schaltelement 2d permanent ein, so dass im Normalbetrieb Schaltungskomponenten der zweiten Gruppe 20 kontinuierlich mit einer Gleichspannung versorgt werden.

1: erste Spannungsversorgungsanordnung
2: zweite Spannungsversorgungsanordnung
2a: Spannungswandler
2b: Oszillator
2c: Pulsgenerator
2d: Schaltelement
3: Diode
10: erste Gruppe von Schaltungskomponenten
11: Analog-Digital-Wandler
11a: erster Analog-Digital-Wandler
11b: zweiter Analog-Digital-Wandler
12: Recheneinheit
20: zweite Gruppe von Schaltungskomponenten
21: Magnetfeldsensor
21a: erster Magnetfeldsensor
21b: zweiter Magnetfeldsensor
221a: erster Komparator
221b: zweiter Komparator
22: Auswerteeinheit
222: Zähler
V_DD: erstes Versorgungspotential
^VDDL: zweite Versorgungspotential
V_L: Ausgangspotential von 2a
S: Ausgangssignal von 21
Sx: Ausgangssignal von 21a
Sy: Ausgangssignal von 21b
SD: digitale Bitfolge, digitalisierter Wert von S
Q: Ausgangssignal von 22 bzw. 222
Qx: Ausgangssignal von 221a
Qy: Ausgangssignal von 221b

Claims

Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Drehwinkels einer Welle, die einen ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand mit einer im Vergleich zum ersten Betriebszustand verringerten Leistungsaufnahme annehmen kann und die aufweist: – eine erste Spannungsversorgungsanordnung (1), die nur im ersten Betriebszustand eine Versorgungsspannung bereitstellt, – eine zweite Spannungsversorgungsanordnung (2), die in dem ersten und zweiten Betriebszustand eine Versorgungsspannung bereitstellt, – eine erste Gruppe (10) von Schaltungskomponenten, die an die erste Spannungsversorgungsanordnung (1) angeschlossen sind, – eine zweite Gruppe (20) von Schaltungskomponenten, die an die zweite Spannungsversorgungsanordnung (2) angeschlossen sind, wobei die zweite Gruppe (20) von Schaltungskomponenten wenigstens einen Magnetfeldsensor (21) und eine dem Magnetfeldsensor (21) nachgeschaltete, eine Zählerschaltung (222) umfassende Auswerteschaltung (22) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die erste Gruppe (10) von Schaltungskomponenten einen Analog-Digital-Wandler (11) und eine digitale Recheneinheit (12) umfasst, wobei dem Analog-Digital-Wandler (11) ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors (21) zugeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteschaltung (22) dazu ausgebildet ist, anhand eines Ausgangssignals des wenigstens einen Magnetfeldsensors wenigstens eine Viertelumdrehung der Welle aufzulösen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteschaltung (22) derart ausgebildet ist, ihr Ausgangssignal (Q) erst zu verändern, wenn von der Welle zuvor zumindest ein Quadrant bei gleichbleibender Drehrichtung überstrichen wurde.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Gruppe (20) von Schaltungskomponenten zwei Magnetfeldsensoren (21a, 21b) aufweist und bei der die Auswerteschaltung (22) zwei Komparatoren (221a, 221b) und eine Zählerschaltung (222) aufweist, wobei einem ersten (221a) der Komparatoren ein Ausgangssignal eines ersten (21a) der Magnetfeldsensoren und einem zweiten (221b) der Komparatoren ein Ausgangssignal eines zweiten (21b) der Magnetfeldsensoren zugeführt ist, und wobei Ausgangssignale der Komparatoren (221a, 221b) der Zählerschaltung zugeführt sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannungsversorgungsanordnung (2) für die Magnetfeldsensoren (21; 21a, 21b) im zweiten Betriebszustand nur eine gepulste Versorgungsspannung bereitstellt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei der die gepulste Versorgungsspannung ein Impuls/Pausen-Verhältnis von rund eins zu hundert aufweist
Verfahren zur Ermittlung eines Drehwinkels einer Welle mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der die Magnetfeldsensoren (21a, 21b) annähernd orthogonal zueinander orientiert sind, mit folgenden Schritten: (a) Auswerten der Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren (21a, 21b) die einen Quadranten festlegen, in dem sich der Drehwinkel der Welle befindet, (b) Inkrementieren eines Zählers (22), wenn sich die Welle in positiver Richtung um eine Umdrehung weitergedreht hat oder Dekrementieren eines Zählers (22), wenn sich die Welle in negativer Richtung um eine Umdrehung weitergedreht hat.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Inkrementieren bzw. ein Dekrementieren des Zählers (22) erst stattfindet, nachdem von der Welle zuvor zumindest ein Quadrant bei gleichbleibender Drehrichtung überstrichen wurde.