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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch
1, ein Verfahren gemäß Oberbegriff
von Anspruch 6 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in einem
Sensorsystem, insbesondere in einem Lenkwinkelsensorsystem, für Kraftfahrzeuge.
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Sensoranordnungen
zur Winkelmessung finden vielfältigen
Einsatz. Sie werden auch häufig
zur Erfassung des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen, zum Beispiel zur
Bestimmung des Lenkwinkels in fahrdynamischen Regelungen (ESP) verwendet.
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Es
sind Sensoranordnungen bekannt, die einen Drehwinkel über den
Bereich einer Umdrehung messen können.
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Eine
bereits bekannte Anordnung zur berührlosen Messung eines Drehwinkels
innerhalb von 360° verwendet
einen besonders einfach ausgebildeten zylinderförmigen Encoder, welcher im
Wesentlichen zu seiner Zylindergrundfläche homogen und parallel magnetisiert
ist. Solche magnetischen Encoder werden auch als Diametral-Encoder
oder Diametralmagnete bezeichnet, da Nord- und Südpol bezüglich einer durch den Mittelpunkt
der Grundfläche
verlaufenden Symmetrielinie gegenüberliegend angeordnet sind.
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Aufgrund
dieser Art der Magnetisierung des Encoders wird das ihn umgebende
magnetische Feld durch eine Drehung des Encoders um dessen Zylinderachse
so beeinflusst, dass die Änderungen
des magnetischen Feldes infolge der Drehbewegungen, durch Magnetfeldsensoren
erfassbar sind und als Drehwinkeländerungen bewertet werden können. Ein zylinderförmiger Encoder,
welcher hingegen eine übliche
Magnetisierung im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse aufweist,
beeinflusst das ihn umgebende Magnetfeld in einer Weise, dass aus
diesem keine Rückschlüsse auf
Drehungen des Encoders um seine Zylinderachse möglich sind. Der oben beschriebene
Encoder mit einer Magnetisierung im Wesentlichen parallel zur Zylindergrundfläche ist
die einfachste übliche
zylinderförmige
Ausbildung eines Encoders, welche zur Erfassung von Drehbewegungen um
dessen Zylinderachse taugt.
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Zur
Messung des Drehwinkels eines solchen Encoders um dessen Zylinderachse
ist es üblich,
aufgrund des diesen umgebenden Feldlinienverlaufs, Sensoranordnungen
zu verwenden, bei denen mindestens ein Sensorelement axial, im Wesentlichen mittig
zentriert unter oder über
dem Encoder angeordnet ist. Dies ist häufig nicht leicht zu realisieren. Wenn
zum Beispiel die Installation solch einer Sensoranordnung zur Drehwinkelerfassung
einer Welle dient und nach deren Einbau erfolgen soll, ist es möglich dass
an den Enden der Welle kein Bauraum mehr zugänglich ist. Außerdem treten
Fälle auf,
bei denen konstruktionsbedingt an keinem Ende der Welle Bauraum
für eine
Sensoranordnung zur Verfügung
steht.
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Druckschrift
US 7,030,608 A1 schlägt eine Drehwinkelerfas sungsvorrichtung
vor, welche einen zylinderförmigen
Magnetencoder, mit zur Zylindergrundfläche paralleler Magnetisierung
aufweist und zwei Magnetfeldsensorelemente, welche zueinander und
bezüglich
der Zylindergrundfläche
um 90° verdreht
ausgerichtet sind und zusammen an einem Ort im radialen Magnetfeld
des Magnetencoders positioniert sind. Die eng benachbarte Positionierung
der beiden Magnetfeldsensorelemente ist allerdings insofern nachteilig,
dass diese beiden Elemente die zu erfassenden Magnetfeldkomponenten
des jeweils anderen Elements beeinflussen und so zu einer systematischen
Messungenauigkeit beitragen. Darüber hinaus
ist die eng benachbarte Positionierung beider Magnetfeldsensorelemente
auch anfällig
gegenüber kleinen
Verschiebungen, bzw. Abstandsfehlern zum Encoder oder des Encoders
von seiner idealen Mittelachse, welche gewisse Messfehler hervorrufen. Diese
können
durch eine Art Pendelbewegung charakterisiert werden, welche der
Magnetfeldsensor im Zuge einer Drehbewegung des Encoders erfasst.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative
Sensoranordnung vorzuschlagen, insbesondere eine Sensoranordnung,
welche den Drehwinkel eines oben beschriebenen Encoders erfassen
kann und deren Magnetfeldsensoren dabei im radialen, inhomogenen
Bereich des Magnetfelds positioniert sind und welche dabei so ausgelegt
ist, dass gewisse Auswirkungen des inhomogenen Feldes, wie beispielsweise
oben angesprochene Messfehler vermieden werden oder in gewissen
Grenzen kompensiert werden können
und ein Verfahren anzugeben, mit dem der Drehwinkel in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
gemessen werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Sensoranordnung gemäß Anspruch
1 und das Verfahren gemäß Anspruch
6.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, ausgehend vom oben beschriebenen
Stand der Technik eine Sensoranordnung zu beschreiben, wobei zur
Erfassung des Encoderdrehwinkels mindestens zwei Magnetfeldsensoren
radial zur Zylinderachse des Encoders um einen definierten Winkelbetrag
zueinander versetzt angeordnet sind. Dabei sind diese mindestens
zwei Magnetfeldsensoren durch die bezüglich der Zylinderachse des
Encoders versetzte Positionierung voneinander beabstandet angeordnet.
Die Signale der mindestens zwei Magnetfeldsensoren werden zur Bestimmung
des Drehwinkels zwischen dem Encoder und den Magnetfeldsensoren
gemeinsam ausgewertet.
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Durch
die voneinander beabstandete Positionierung der Magnetfeldsensoren
wird deren gegenseitige Messbeeinflussung gering gehalten und durch
diese Positionierung können
außerdem
bestimmte Messungenauigkeiten, welche sich aus der spezifischen
Magnetisierung des Encoders ergeben, in gewissem Umfang ausgeglichen
werden, da mindestens zwei Magnetfeldsensoren das radiale Magnetfeld
des Encoders in zwei unterschiedlich ausgeprägten Bereichen erfassen und
Messfehler mit denen die Daten des einen Magnetfeldsensors zu einem
bestimmten Zeitpunkt behaftet sind, können zu diesem selben Zeitpunkt
in gewissen Grenzen bzw. in gewissem Umfang durch die Messdaten
des anderen Magnetfeldsensors ausgeglichen werden da dieser einen
anderen Bereich des Magnetfeldes des Encoders erfasst, der diese
Messfehler in geringerem Umfang hervorruft. Auch Messfehler, welche
aus einer mangelnden Zentrierung der Feldrotation resultieren, können durch
die Messung des Feldes an zwei verschiedenen Positionen in gewissem
Umfang kompensiert werden.
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Unter
einem Magnetfeldsensor wird ein Sensor verstanden, welcher magnetische
Feldgrößen erfassen
kann und geeignet ausgeben kann. Dabei beinhaltet der Sensor in
der Regel mindestens ein Hall-Element oder einen magnetoresistiven
Widerstand oder ein anderes magnetfeldempfindliches Sensorelement.
Der Sensor gibt die von ihm erfassten Informationen in Form eines
elektrischen Signals oder Funksignals aus. Die Definition umschließt auch Magnetfeldsensoren,
welche mehr als ein elektrisches Ausgangssignal aufweisen und auch
solche, welche eine Signalverarbeitung integrieren.
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Unter
einer Magnetisierung des Encoders im Wesentlichen parallel zu seiner
Zylindergrundfläche, wird
eine Magnetisierung verstanden, bei welcher der Feldlinienverlauf
des Magnetfelds innerhalb des Encoders in Richtung im Wesentlichen
parallel zur Zylindergrundfläche
des Encoders ausgebildet ist.
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Unter
der Ausgangsposition zwischen Encoder und Magnetfeldsensoren bzw.
unter Ausgangsposition der Sensoranordnung wird eine Position verstanden,
die der Encodermantelstelle gegenüberliegt, bei der die Feldlinien
nach dem senkrechten Austritt aus dem Encoder weitestgehend gerade
weiterverlaufen und sich im idealen, theoretischen Extremfall im
Unendlichen über
einen um 180° versetzten
Eintritt in den Encoder schließen.
Diese Ausgangsposition liegt also direkt auf der verlängerten
Linie der Magnetisierungsrichtung des Encoders, welche durch den
Encodermittelpunkt geht, in Zielorientierung der Magnetisierung
außerhalb
des Encoderkörpers.
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Erfindungsgemäß werden
vorzugsweise Magnetfeldsensoren eingesetzt, welche das Magnetfeld innerhalb
der Drehebene in zwei Richtungen erfassen können und welche dem entsprechend
zwei Ausgangssignale aufweisen.
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Bevorzugt
werden die Magnetfeldsensoren bezüglich der Zylinderachse des
Encoders um einen Winkelbetrag zwischen mehr als 45° und weniger
als 135° zueinander
versetzt angeordnet. Dies ist sinnvoll um zu gewährleisten, dass die mindestens
zwei Magnetfeldsensoren unterschiedliche Bereiche des Magnetfeldes
erfassen. Außerdem
wird dadurch eine gewisse Mindestbeabstandung erreicht, wodurch
die gegenseitige Messbeeinflussung der Magnetfeldsensoren sehr gering
wird.
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Es
ist zweckmäßig, dass
die Magnetfeldsensoren in einer Ebene liegen, welche im Wesentlichen senkrecht
zur Mantelfläche
des Encoders ausgerichtet ist. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, dass
die Magnetfeldsensoren in Bezug auf ihre Positionierung zur Zylinderachse
des Encoders um einen Winkelbetrag von im Wesentlichen 90° zueinander
versetzt angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft bezüglich der
Ausprägung
des Radialfelds des Encoders. Eine Winkelmessung ist durch einen
Magnetfeldsensor relativ zum Encoder am genauesten, wenn dieser
sich auf der geraden Linie bezüglich
der Ausgangsposition befindet oder auf einer Position dazu um ein
vielfa ches von 90° versetzt.
Sensorpositionen relativ zum Encoder, welche bezüglich oben genannter Ausgangsposition
um ein Vielfaches von 90°+45° (n·90°+45°) versetzt
sind, erzeugen die ungenauesten Messergebnisse.
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Durch
eine versetzte Positionierung der Magnetfeldsensoren zueinander
um im Wesentlichen 90° kann
für die
Verwendung von zwei Sensoren die beste Kompensation bezüglich der
Messungenauigkeiten erreicht werden. Dieses wird auch beispielhaft in 3 veranschaulicht.
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Es
ist bevorzugt, die Abstände
der jeweiligen Magnetfeldsensoren zum Encoder im Wesentlichen gleich
groß zu
wählen.
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Bevorzugt
weist die Sensoranordnung drei Magnetfeldsensoren auf, wobei diese
in Bezug auf ihre Positionierung zur Zylinderachse des Encoders um
einen Winkelbetrag zum jeweils benachbarten Magnetfeldsensor von
im Wesentlichen 120° versetzt angeordnet
sind. Durch diese Ausbildung der Sensoranordnung wird die Messgenauigkeit
erhöht
und zusätzlich
kann die jeweilige Entfernung der Sensoren zur Zylinderachse des
Encoders aus der entfernungsabhängigen
Feldstärkemessung
unter Berücksichtigung
der Daten der drei Sensoren bestimmt werden.
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Es
ist zweckmäßig ein
Verfahren zur Messung eines Drehwinkels in einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
zu verwenden, welches die Ausgangssignale der mindestens zwei Magnetfeldsensoren
gemeinsam auswertet und welches die Auswertung der Magnetfeldsensorausgangssignale
unter Anwendung einer Mittelwertbildung beinhaltet und durch welches
der Drehwinkel zwischen dem Encoder und den Magnetfeldsensoren berechnet
wird. Es ist alternativ zweckmäßig, dass
das Verfahren lediglich die Ausgangssignale aller Magnetfeldsensoren auswertet
und aus diesen den Drehwinkel zwischen dem Encoder und den Magnetfeldsensoren
berechnet, ohne eine Mittelwertbildung vorzunehmen. Dabei ist es
vorteilhaft dieses Verfahren zur Bestimmung des Drehwinkels um weiterführende Ausprägungen zu
ergänzen.
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Vorzugsweise
werden durch die Auswertung der Magnetfeldsensor-Ausgangssignale
die Komponenten des prinzipiell abstandsabhängigen Winkelfehlers kompensiert.
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Es
wird bevorzugt, dass ein Fehlerwert, insbesondere ein Schätzwert,
mit dem der jeweils durch den Magnetfeldsensor erfasste Winkel,
bezüglich des
wahren Winkels, in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Encoders zum jeweiligen Magnetfeldsensor und
vom Abstand des jeweiligen Magnetfeldsensors zum Encoder, behaftet
ist, vom erfassten oder bereits vorläufig berechneten Winkelwert,
insbesondere jeweils pro Magnetfeldsensor, subtrahiert wird.
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Die
Auswertung der Magnetfeldsensor-Ausgangssignale, bzw. die Auswertung
der aus diesen gewonnenen Daten, erfolgt vorzugsweise durch die Anwendung
mindestens einer Arcustangensfunktion. Dabei wird insbesondere eine
atan2-Funktion verwendet, welche durch geeignete Wahl ihrer Parameter
bezüglich
der Fehlerkompensation angepasst werden kann.
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Es
ist zweckmäßig den
Encoder als einen starken Selten-Erd-Magneten auszubilden.
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Bevorzugt
wird der Encoder axial in eine nichtmagnetische Hohlwelle eingesetzt.
Dies kann insbesondere in Form einer ausgefrästen Tasche realisiert werden.
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Es
ist alternativ zweckmäßig den
Encoder axial an einem Ende einer Welle anzubringen, insbesondere
durch Schrauben oder Kleben.
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Vorzugsweise
wird die Welle selbst entsprechend dem Obergriff von Anspruch 1
ausgebildet, bzw. magnetisiert.
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Es
ist zweckmäßig, dass
der Radius des Encoders größer ist
als dessen Höhe
und insbesondere ist der Radius im Verhältnis zur Höhe möglichst groß.
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Die
hier vorgeschlagene Sensoranordnung kann in unterschiedlichen Bereichen
zur Messung von absoluten Winkeln verwendet werden. Dabei ist ein
Einsatz dieser Sensoranordnung besonders in Sensorsystemen, insbesondere
Lenkwinkelsensoren bzw. Lenkwinkelsensorsystemen oder in erweiterter Form
als eigenständiger
Lenkwinkelsensor, in Kraftfahrzeugen sinnvoll.
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Darüber hinaus
kann die Sensoranordnung auch speziell zur Winkelmessung in Drehreglern
und zur Messung des Drehwinkels von Wellen verwendet werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von
Figuren.
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Es
zeigen in schematischer Darstellung
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1 die
Sensoranordnung mit zwei Magnetfeldsensoren, sowie deren Signale,
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2 die
Sensoranordnung mit drei Magnetfeldsensoren, sowie deren Signale,
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3 die
Verläufe
der magnetischen Feldlinien des Encoders ohne Verdrehung bezüglich der beiden
Magnetfeldsensoren und
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4 die
Verläufe
der magnetischen Feldlinien des Encoders bezüglich der beiden Magnetfeldsensoren
bei Drehung des Encoders um einen bestimmten Winkel.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
abgebildet, wobei der Encoder 1 mit seiner bezüglich zur
Deckfläche
parallelen Magnetisierung, welche auch als diametrale Magnetisierung
bezeichnet wird, magnetisch mit den beiden Magnetfeldsensoren 2a und 2b gekoppelt
ist. Diese Magnetfeldsensoren sind bezüglich des Encoder in der Drehebene
um 90° versetzt
angeordnet, weisen den gleichen Abstand zum Encoder auf und geben
jeweils zwei elektrische Signale a, b und c, d aus, welche in ihrem
Verlauf von der Richtung des Magnetfelds abhängig sind, das der jeweilige
Magnetfeldsensor 2a, 2b erfasst. Die Summen von
a, b und c, d bilden jeweils ein Signal, aus dem, durch die Auswertung
mit einer Arcustan gens-Funktion, jeweils ein Winkelwert berechnet
wird. Die Auswertung durch eine Arcustangensfunktion zur Berechnung
des Drehwinkels ist deshalb vorteilhaft, weil die Sensorausgangssignale der
beiden Sensoren 2a und 2b im Wesentlichen den Verlauf
einer Sinus- bzw. einer Cosinusfunktion aufweisen, aufgrund der
um 90° phasenverschobenen bzw.
-versetzten Anordnung der beiden Magnetfeldsensoren 2a und 2b.
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2 zeigt
eine beispielhafte Sensoranordnung mit einem zu 1 entsprechenden
Encoder 1, wobei in diesem Fall drei Magnetfeldsensoren 2a, 2b und 2c in
der Drehebene um jeweils 120° zu
den benachbarten Magnetfeldsensoren versetzt angeordnet sind. Die
Sensoren erfassen gemeinsam Drehbewegungen des Encoders und geben
jeweils zwei elektrische Ausgangssignale a, b , c, d, und e, f aus,
welche die Informationen über
die von den Sensoren 2a, 2b und 2c erfassten Änderungen
des Magnetfeldes enthalten.
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3 zeigt
den prinzipiellen Verlauf der magnetischen Feldlinien, welche sich
um den Encoder 1 herum radial ausbreiten und von den beiden
Magnetfeldsensoren 2a und 2b erfasst werden. Dabei
sind der Drehwinkel Phi des Encoders 1, welcher in diesem
Beispiel 0° beträgt und die
Winkel der Magnetfeldlinien W1 und W2 unter denen die Magnetfeldsensoren 2a und 2b das
Magnetfeld erfassen, durch Pfeile veranschaulicht.
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In 4 wird
eine zu 3 analoge Sensoranordnung und
Kennzeichnung der Winkel gezeigt, wobei sich allerdings die Winkel
Phi, W1 und W2 jeweils geändert
haben. Das bedeutet, dass die Anordnung einen Drehwinkel Phi des
Encoders 1 aufweist, welcher zu 0° verschieden ist.
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In
den 3 und 4 ist dargestellt, dass das
Magnetfeld des Encoders 1 radial prinzipiell eine inhomogene
Ausprägung
aufweist. Aus diesem Grund ist eine Erfassung des Drehwinkels durch
einen einzigen radial zur Zylinderachse des Encoders 1 angeordneten
Magnetfeldsensor schwierig oder ungenau. Die Pfeilspitze des Winkels
Phi kennzeichnet bezüglich 3 die
0°-Position,
von der ausgehend die Drehwinkel gegen den Uhrzeigersinn gerechnet
werden. Es ist klar zu erkennen, dass bezüglich einer Encoderstellung
wie in 3, eine Änderung
des Drehwinkels bezüglich
einer radial wie oben definierten 0°-Position die größte Änderung
der Magnetfeldlinienausrichtung hervorruft und bezüglich einer
radial wie oben definierten 270°-Position
(analog zu einer 90°-Position) die geringste Änderung
hervorruft. Anders ausgedrückt,
bezüglich
einer Konstellation wie sie in 3 gezeigt
ist, löst
eine Änderung ΔPhi, Änderungen
der beiden Winkel W1 und W2 aus, wobei ΔW1 >> ΔW2 ist.
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Durch
die beispielhaft, erfindungsgemäße Anordnung
von zwei zum Encoder radial angeordneten, bezüglich der Drehrichtung des
Encoders um 90° bzw.
270°-versetzt
angeordneten Magnetfeldsensoren 2a und 2b, welche
zusätzlich
jeweils den gleichen Abstand zum Encoder 1 aufweisen, kann
das oben beschriebene Problem beispielhaft erfindungsgemäß gelöst werden.
Dies geschieht prinzipiell dadurch, dass zumindest einer der Magnetfeldsensoren 2a, 2b immer
eine hinreichende Änderung
der Magnetfeldrichtung erfassen kann. Aus den Aus gangssignalen beider
Magnetfeldsensoren 2a, 2b kann durch eine gemeinsame
Auswertung der Drehwinkel des Encoders berechnet werden.
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Die
Auswertung des Signals geschieht beispielgemäß durch eine Mittelwertbildung.
Dies kann insbesondere durch die zwei beispielgemäß vorhandenen
Analogkanäle
jedes der Magnetfeldsensoren realisiert werden. Des Weiteren kann
der Fehlerverlauf durch den Einsatz einer modifizierten atan2-Funktion
unter Berücksichtigung
höherfrequenter
Komponenten des prinzipiell verbleibenden, abstandsabhängigen Winkelfehlers
kompensiert werden. Die vom Sensor erfasste Felddichte ändert sich
sowohl in Abhängigkeit
der Entfernung des Sensors vom Encoder, als auch in Abhängigkeit
vom Verdrehwinkel zwischen Sensor und Encoder. Dabei ist die Änderung
der Felddichte in Abhängigkeit
vom Encoder-Sensor-Abstand an zwei in der Drehebene zueinander bezüglich des
Drehwinkels versetzten Orten unterschiedlich. Ausgehend von einer
oben beschriebenen Ausgangsposition eilt der erfasste Winkel dem
wahren Winkel in einem Bereich um einen gewissen winkel- und abstandsabhängigen Wert
vor und analog in einem anderen Bereich, welcher um 90° versetzt
zu diesem ist, um einen gewissen winkel- und abstandsabhängigen Wert
nach. Dabei treten Fehlermaxima und -minima immer symmetrisch zur
Feldrichtung auf. Durch die Verwendung einer Arcustagensfunktion
aus den Winkeldaten der beiden Sensoren, insbesondere einer arctan2-Funktion kann
die oben beschriebene Inhomogenität des Feldes, anhand 3 veranschaulicht
(ΔPhi Änderungen
der beiden Winkel W1 und W2 aus, wobei ΔW1 >> ΔW2 und Fehlerminimum
bei W1 und Fehlermaximum bei W2), in gewissem Umfang kompensiert werden.
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Dabei
geschieht diese Kompensation beispielgemäß dadurch, dass die oben beschriebenen prinzipiellen
Messfehler, welche sich aus der Geometrie des Encoderfeldes und
der Positionierung der Magnetfeldsensoren ergeben, dadurch kompensiert werden,
dass diese winkelabhängigen
Fehler durch mathematische Modellbildung oder Fehlermessung, insbesondere
einmalige experimentelle Fehlermessung, abgeschätzt oder berechnet werden und
diese Fehler vom vorläufig
berechneten oder erfassten Winkelwert subtrahiert werden und somit
der vorläufig
berechnete Winkelwert, welcher durch oben beschriebene Messfehler
resultierend aus der inhomogenen Feldgeometrie behaftet ist, an
den tatsächlichen
Winkelwert genähert
wird, insbesondere so weit, bis die Messfehler so gering sind, dass
der insgesamt berechnete Winkelwert als wahrer Winkelwert angenommen
werden kann. Diese Subtraktion zur Fehlerkompensation kann auch
bezüglich
der Daten jedes einzelnen Magnetfeldsensors, insbesondere unter
Berücksichtigung
der Daten mindestens eines anderen Magnetfeldsensors, vorgenommen werden.
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Im
Fall, dass man wie in 2, drei Magnetfeldsensoren oder
allgemein mehr als zwei, verwendet, kann die Fehlerkompensation
weiter verbessert werden und zusätzlich
zum Winkel auch die Position der Achse bezüglich der Sensoren bestimmt
werden.
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Im
Fall einer beispielgemäßen Sensoranordnung
mit zwei Magnetfeldsensoren findet die Berechnung vorzugsweise wie
folgt statt: Phi = (atan2((a + b)/2, (c + d)/2) – phi0) modulo 360° Hierbei
ist phi0 ein Offset-Drehwinkel und der gesamte Dreh winkel Phi wird
absolut bezüglich,
bzw. innerhalb, einer Umdrehung berechnet.
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Im
Fall einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
mit 3 Magnetfeldsensoren werden in der Berechnung des Drehwinkels
Phi durch die Arcustangensfunktion die Mittelwerte der Summen a
+ b, c + d und e + f berücksichtigt.