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Die
Erfindung betrifft ein Messverfahren, eine Sensoranordnung zur Verwendung
mit einer diametral magnetisierten Magnetquelle sowie ein Verfahren
zum Aufbau eines Messsystems mit einer solchen Sensoranordnung.
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Sensoranordnungen,
welche Magnetfeldsensoren zur Messung einer magnetischen Feldintensität umfassen,
können benutzt werden, um eine winkelmäßige
Abweichung einer Magnetquelle in Bezug auf die Position oder Ausrichtung
der Magnetfeldsensoren zu bestimmen. Als Magnetquellen werden dabei
vielfach diametral magnetisierte und drehbar gelagerte Magnetquellen
verwendet.
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Die
Magnetfeldsensoren können dabei beispielsweise entlang
eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sein und über
diesen Umfang Sensorsignale bereitstellen, die ungefähr
eine sinusförmige Kurve bilden, abhängig von der
Position und der Ausrichtung der Magnetquelle. Bei einem diametral
magnetisierten Magneten lassen sich beispielsweise Sensorsignale
von Magnetfeldsensoren derart auswerten, dass sich anhand der gemessenen
Sensorsignale ein Drehwinkel der Magnetquelle innerhalb einer vollen
Umdrehung von 360° bestimmen lässt.
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Beispielhafte
Verfahren und Anordnungen zur Bestimmung eines Drehwinkels sind
beispielsweise in der Druckschrift
EP
07004585.1 offenbart, die hiermit in Gesamtheit ihrer Offenbarung
durch Referenz aufgenommen wird.
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Für
eine genaue Winkelbestimmung ist es jedoch vorteilhaft, wenn eine
Rotationsachse des Magneten durch das Zentrum der kreisförmig
angeordneten Magnetfeldsensoren verläuft. In diesem Fall
tritt nämlich ein gleichmäßiger sinusförmiger
Verlauf über alle Magnetfeldsensoren entlang des kreisförmigen
Umfangs auf, ohne dass es zu Variationen jeweiliger Signalamplituden
in Abhängigkeit des Drehwinkels kommt.
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Beim
Aufbau einer Messanordnung kann beispielsweise auf einem Gehäuse
eines integrierten Bausteins ein Referenzpunkt markiert sein, an
dem optisch beziehungsweise mechanisch eine Ausrichtung der Rotationsachse
der Magnetquelle erfolgen kann. Wenn jedoch die Anordnung im Inneren
des Gehäuses, welche die Magnetfeldsensoren umfasst, mit
vorgegebener Toleranz bezüglich ihrer Position im Gehäuse
befestigt ist, kann es dennoch zu Abweichungen zwischen der Rotationsachse
und dem Zentrum der Magnetfeldsensoren kommen, so dass eine Messgenauigkeit
beeinträchtigt ist.
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Alternativ
kann auch ein Verlauf gemessener magnetischer Feldintensitäten über
eine volle Drehung des Magneten mittels einer Linearitätsbetrachtung
ausgewertet werden, um eine optimale Position für die Rotationsachse
der Magnetquelle zu finden. Ein derartiges Verfahren ist jedoch
mit einem erhöhten zeitlichen und produktionstechnischen
Aufwand verbunden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Messverfahren und eine Sensoranordnung
anzugeben, mit denen eine Position einer Rotationsachse einer Magnetquelle
genauer und mit geringerem Aufwand bestimmt werden kann. Es ist
auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufbau eines Messsystems
aufzuzeigen, bei dem eine geringe Abweichung einer Rotationsachse
einer Mag netquelle von einer vorgegebenen Position erreicht werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform eines Messverfahrens
wird eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren bereitgestellt, die entlang
eines im Wesentlichen kreisförmigen Umfangs angeordnet
sind und jeweils eingerichtet sind, ein Sensorsignal in Abhängigkeit
einer magnetischen Feldintensität abzugeben. Ferner wird
eine diametral magnetisierte Magnetquelle bereitgestellt, welche über
den kreisförmigen Umfang drehbar um eine Rotationsachse
gelagert ist. Von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren wird ein erster
Satz von Sensorsignalen empfangen, beispielsweise in Abhängigkeit
der magnetischen Feldintensität, welche von der Magnetquelle
bewirkt wird. Es erfolgt eine Bestimmung einer ersten Ausrichtung
einer Achse, die durch einen Referenzwertübergang definiert
ist, als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen. Dabei ist
die Ausrichtung mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren,
beispielsweise deren vorgegebene Anordnung definiert. Die Magnetquelle
wird nach dem Empfang des ersten Satzes von Sensorsignalen um die
Rotationsachse gedreht, wobei ein Drehwinkel hierbei vorzugsweise
ein beliebiger Drehwinkel unterschiedlich von einem ganzzahligen
Vielfachen von 180° ist. Es wird ein zweiter Satz von Sensorsignalen
von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren empfangen und eine zweite
Ausrichtung der durch den Referenzwertübergang definierten
Achse als Funktion des zweiten Satzes von Sensorsignalen bestimmt,
wiederum mit Bezug beispielsweise auf die Anordnung der Vielzahl
von Magnetfeldsensoren. Eine Position der Rotationsachse mit Bezug auf
die Vielzahl von Magnetfeldsensoren wird in Abhängigkeit
der ersten und zweiten Ausrichtung bestimmt.
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Eine
diametral magnetisierte Magnetquelle weist üblicherweise
eine diametrale Achse auf, auf deren einen Seite eine Magnetfeldintensität
größer als ein bestimmter Referenzwert induziert
wird, während auf der anderen Seite eine Magnetfeldintensität
mit einem Wert kleiner als der Referenzwert bewirkt wird. Ein Übergang
zwischen den durch die Achse getrennten Bereichen der Magnetfeldintensität über
den Referenzwert stellt somit einen Referenzwertübergang
dar. Durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoren abgegebenen
Sensorsignale kann jeweils eine Ausrichtung dieser Achse, die durch
den Referenzwertübergang definiert ist, bestimmt werden.
Der Referenzwertübergang beziehungsweise die Achse verlaufen
demgemäß durch den Mittelpunkt beziehungsweise
die Rotationsachse der Magnetquelle. Nach einer Drehung der Magnetquelle kann
die zweite Ausrichtung aus einem weiteren Satz von Sensorsignalen
bestimmt werden, wobei sich aus den so ermittelten Ausrichtungen,
die beide durch die Position der Rotationsachse verlaufen, diese
Position der Rotationsachse bestimmen lässt.
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Durch
die Auswertung der Ausrichtung der Magnetquelle anhand von durch
die Position der Rotationsachse gehenden Achsen kann diese Position
mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Da nur zwei Messungen für
die Bestimmung der zwei Ausrichtungen notwendig sind, lässt
sich das beschriebene Verfahren auch mit geringem Aufwand durchführen.
Dies wird auch dadurch unterstützt, dass der Drehwinkel
der Magnetquelle zwischen dem Erfassen des ersten und zweiten Satzes
von Sensorsignalen nahezu beliebig gewählt werden kann
und nicht vorbestimmt werden muss.
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In
verschiedenen Ausführungsformen des Messverfahrens wird
die Position der Rotationsachse mit Bezug auf einen Mittelpunkt
des kreisförmigen Umfangs bestimmt. Ferner kann jedem der
Sensorsignale, die von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren abgegeben
werden, eine Position zugeordnet werden. Anders ausgedrückt,
weisen die erfassten Sensorsignale einen genau definierten Ortsbezug
auf, der durch die Position des entsprechenden Magnetfeldsensors,
welcher das Sensorsignal abgibt, bestimmt ist.
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In
einer Ausführungsform des Messverfahrens wird beim Bestimmen
der ersten und zweiten Ausrichtung der Achse jeweils eine erste
interpolierte Position des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit
eines ersten und eines zweiten Sensorsignals aus dem jeweiligen
Satz von Sensorsignalen ermittelt. In ähnlicher Weise wird
eine zweite interpolierte Position des Referenzwertübergangs
in Abhängigkeit eines dritten und eines vierten Sensorsignals
aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen ermittelt. Die jeweilige
Ausrichtung der Achse kann demgemäß als Funktion
einer jeweiligen geradlinigen Verbindung der ersten und zweiten
interpolierten Position ermittelt werden.
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Beispielsweise
werden die erste und zweite interpolierte Position in Abhängigkeit
jeweils benachbarter Sensorsignale ermittelt. So können
beispielsweise zwei Sensorsignale aus dem jeweiligen Satz von Sensorsignalen
gefunden werden, bei denen das eine Sensorsignal größer
als der Referenzwert ist und das andere kleiner als der Referenzwert
ist. Ein Referenzwertübergang kann somit zwischen den Positionen
dieser gefundenen Sensorsignale angenommen werden, so dass bei einer
diametral magnetisierten Magnetquelle infolgedessen zwei interpolierte
Positionen gefunden werden können. Anhand der jeweiligen
Wer te dieser Sensorsignale und ihren Positionen lässt sich
eine Position des Referenzwertübergangs interpolieren.
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Eine
geradlinige Verbindung dieser interpolierten Positionen kann demgemäß als
Achse des Referenzwertübergangs betrachtet werden. Eine
Ausrichtung beziehungsweise ein geometrischer Verlauf dieser Achse
kann formelmäßig beziehungsweise analytisch in
Abhängigkeit der interpolierten Positionen beschrieben
werden.
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Nach
einer Drehung der Magnetquelle um die Rotationsachse kann in ähnlicher
Weise eine zweite Ausrichtung der Achse ermittelt werden, beispielsweise
wiederum formelmäßig beziehungsweise analytisch. Ein
Schnittpunkt der durch die Achse beziehungsweise den Referenzwertübergang
definierten ersten und zweiten Ausrichtungen kann wegen der Geometrie
der diametral magnetisierten Magnetquelle als Position der Rotationsachse
betrachtet werden. Anders ausgedrückt ist die Position
der Rotationsachse durch einen Schnittpunkt der geradlinigen Verbindungen
der interpolierten Positionen definiert.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die
Rotationsachse in Abhängigkeit der bestimmten Position
verschoben werden. Beispielsweise werden die Rotationsachse beziehungsweise
die Position der Rotationsachse entsprechend der ermittelten Position,
welche einer Abweichung von einer idealen Position entspricht, verschoben.
Nach dem Verschieben der Rotationsachse kann mit dem gleichen Verfahren wie
oben beschrieben erneut die Position der Rotationsachse bestimmt
werden, um festzustellen, ob diese neue Position beispielsweise
im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz liegt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel können auch
Winkelpositionen der Magnetquelle in Abhängigkeit der erfassten
Sensorsignale bestimmt werden. Dabei kann gleichzeitig, wie für
die obigen Ausführungsbeispiele beschrieben, jeweils die
Position der Rotationsachse bestimmt werden. Hierbei kann eine Benachrichtigung
erfolgen, wenn die bestimmte Position der Rotationsachse eine Abweichung
vom Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs erreicht, die
größer oder kleiner als eine vorgegebene Abweichung
ist. Beispielsweise kann bei einer zu großen Abweichung
ein Alarmsignal abgegeben werden, welches zur Korrektur der Position der
Rotationsachse auffordert.
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Ein
Verfahren gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
kann auch automatisiert durchgeführt werden, beispielsweise
gesteuert durch eine zusätzliche Kalibrierungseinrichtung
mit einem Mikrocontroller oder einer programmierbaren Schaltung.
Insbesondere kann das Drehen der Magnetquelle automatisch beziehungsweise
gesteuert erfolgen.
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In
einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung, die zur
Verwendung mit einer diametral magnetisierten Magnetquelle vorgesehen
ist, weist diese eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren auf, die entlang eines
kreisförmigen Umfangs angeordnet sind und jeweils eingerichtet
sind, ein Sensorsignal in Abhängigkeit einer magnetischen
Feldintensität abzugeben. Die Sensoranordnung umfasst ferner
eine mit den Magnetfeldsensoren gekoppelte Auswerteeinrichtung,
die dazu eingerichtet ist, einen ersten und einen zweiten Satz von
Sensorsignalen von der Vielzahl von Magnetfeldsensoren zu empfangen.
Die Auswerteeinrichtung ist ferner dazu eingerichtet, eine erste
Ausrichtung einer Achse, die durch einen Referenzwertübergang
definiert ist, mit Bezug auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren
als Funktion des ersten Satzes von Sensorsignalen zu bestimmen und
eine zweite Ausrichtung der Achse als Funktion des zweiten Satzes
von Sensorsignalen zu bestimmen. Weiterhin ist die Auswerteeinrichtung
dazu eingerichtet, eine Position einer Rotationsachse mit Bezug
auf die Vielzahl von Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit
der ersten und zweiten Ausrichtung zu bestimmen.
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Da
bei eine derartigen Sensoranordnung lediglich zwei Sätze
von Sensorsignalen benötigt werden, welche in der Auswerteeinrichtung
ausgewertet werden, um eine Position einer Rotationsachse zu bestimmen, kann
eine Abweichung einer Rotationsachse einer Magnetquelle mit geringem
Aufwand bestimmt werden. Die Bestimmung der Position über
eine erste und eine zweite Ausrichtung ermöglicht auch
eine erhöhte Genauigkeit für die Positionsbestimmung.
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In
einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung dazu
eingerichtet, die Position der Rotationsachse mit Bezug auf einen
Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs zu bestimmen. In
einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ist
die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, beim Bestimmen der ersten und
zweiten Ausrichtung der Achse eine erste interpolierte Position
des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit eines
ersten und eines zweiten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz von
Sensorsignalen zu ermitteln und eine zweite interpolierte Position
des Referenzwertübergangs in Abhängigkeit eines
dritten und eines vierten Sensorsignals aus dem jeweiligen Satz
von Sensorsignalen zu ermitteln. Die jeweilige Ausrichtung der Achse
wird von der Auswerteeinrichtung als Funktion einer jeweiligen geradlinigen
Verbindung der ersten und zweiten interpolierten Position ermittelt.
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Des
Weiteren kann die Position der Rotationsachse von der Auswerteeinrichtung
durch Ermitteln eines Schnittpunkts zwischen den jeweiligen geradlinigen
Verbindungen bestimmt werden, entsprechend den Ausführungsbeispielen
des Messverfahrens.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung
ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, eine Benachrichtigung
abzugeben, wenn die bestimmte Position der Rotationsachse eine Abweichung
vom Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs erreicht, die
größer oder kleiner als eine vorgegebene Abweichung
ist.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen der Sensoranordnung kann
die Auswerteeinrichtung ferner dazu eingerichtet sein, einen Drehwinkel
in Abhängigkeit des ersten und/oder des zweiten Satzes
von Sensorsignalen zu ermitteln.
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In
einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Aufbau eines
Messsystems wird eine Sensoranordnung gemäß einer
der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele bereitgestellt.
Ferner wird eine diametral magnetisierte Magnetquelle bereitgestellt,
welche über dem kreisförmigen Umfang der Sensoranordnung drehbar
um eine Rotationsachse gelagert ist. Es wird eine Position der Rotationsachse
mit Bezug auf einen Mittelpunkt des kreisförmigen Umfangs
mit der Sensoranordnung bestimmt. Die Rotationsachse der Magnetquelle
wird in Abhängigkeit der bestimmten Position verschoben.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren kann ein Messsystem bereitgestellt werden,
welches wegen der Korrektur der Position der Rotationsachse der
Magnetquelle eine geringe Abweichung der Magnetquelle von einer
vorgegebenen Position aufweist. Ein derart aufgebautes Messsystem
kann somit eine hohe Genauig keit beispielsweise bei der Bestimmung
eines Rotationswinkels der Magnetquelle aufweisen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen
anhand der Figuren näher erläutert. Funktions-
beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
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Es
zeigen:
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1A und 1B Ausführungsbeispiele
mit Magnetfeldsensoren und einer Magnetquelle mit unterschiedlichen
Drehwinkeln,
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2 beispielhafte
Signaldiagramme von Sensorsignalen,
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3 eine
beispielhafte geometrische Darstellung bestimmter Ausrichtungen,
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4 ein
Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung, und
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5 ein
Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung als integrierter
Schaltkreis in einem Gehäuse.
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Die 1A und 1B zeigen
jeweils eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15, die entlang
eines kreisförmigen Umfangs CIR mit Mittelpunkt CT angeordnet
sind. Die Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 sind dabei gleichmäßig über
den Kreisumfang verteilt, so dass ein Winkel zwischen benachbarten
Magnetfeldsensoren jeweils gleich groß ist. Ferner ist jeweils
eine diametral magnetisierte Magnetquelle MAG mit einem magnetischen
Nordpol N und einem magnetischen Südpol S vorgesehen, die
um eine Rotationsachse RA drehbar ist. Die Magnetquelle MAG weist
eine Achse AX auf, die durch einen Referenzwertübergang
RVT zwischen Magnetfeldintensitäten, die größer
als ein Referenzwert sind, und solchen, die kleiner als der Referenzwert
sind, definiert ist.
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Die
Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 sind jeweils dazu eingerichtet,
ein Sensorsignal H0 bis H15, welches aus Übersichtsgründen
nicht dargestellt ist, in Abhängigkeit einer magnetischen
Feldintensität abzugeben, welche im wesentlichen von der
Magnetquelle MAG bewirkt wird.
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Mit
Verweis auf 1A verläuft die durch
den Referenzwertübergang RVT definierte Achse AX durch die
Position der Rotationsachse RA sowie zwischen den Magnetfeldsensoren
MS2 und MS3 durch eine Position P1 und zwischen den Magnetfeldsensoren
MS10 und MS11 durch eine Position P2. Durch Auswertung eines Satzes
von Sensorsignalen H0 bis H15, welche von den Magnetfeldsensoren
MS0 bis MS15 abgegeben werden, kann eine Ausrichtung AL1 der Achse
AX ermittelt werden. Da die Position der Magnetfeldsensoren MS0
bis MS15 und der von ihnen abgegebenen Sensorsignale H0 bis H15 üblicherweise
bekannt ist, kann auch die Ausrichtung AL1 der Achse AX mit Bezug
auf die Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 beziehungsweise den Mittelpunkt
CT des kreisförmigem Umfangs CIR beschrieben werden.
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Mit
Verweis auf 1B ist in der dortigen Darstellung
die Magnetquelle MAG gegenüber der Anordnung in 1A bezüglich
der Rotationsachse RA gedreht. Das Drehen der Magnetquelle kann
automatisch beziehungsweise gesteuert durch eine zusätzliche
Kalibrierungseinrichtung, die aus Übersichtsgrün den
nicht dargestellt ist, mit einem Mikrocontroller oder einer programmierbaren
Schaltung erfolgen. Eine derartige Kalibrierungseinrichtung kann
hierbei auch von einer entsprechenden Auswerteeinrichtung umfasst
sein.
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Die
Ausrichtung AL2 der Achse AX in dieser Darstellung verläuft
wie bei der Darstellung in 1A durch
die Position der Rotationsachse RA. Bezüglich der Magnetfeldsensoren
MS0 bis MS15 verläuft die Ausrichtung AL2 zwischen dem
Magnetfeldsensoren MS13 und MS14 durch eine Position P3 und zwischen
den Magnetfeldsensoren MS4 und MS5 durch eine Position P4. Wie zuvor
für 1A erläutert, können
aus einem weiteren Satz von Sensorsignalen, der von den Magnetfeldsensoren
MS0 bis MS15 abgegeben wird, Parameter zur Bestimmung der zweiten
Ausrichtung AL2 ermittelt werden. In 1B ist
zudem aus Übersichtsgründen die erste Ausrichtung
AL1 eingezeichnet. Die Position der Rotationsachse RA liegt auf
dem Schnittpunkt der zwei Ausrichtungen AL1, AL2 und kann in Abhängigkeit
der bekannten Ausrichtungen AL1 und AL2 in einem beispielsweise
durch die Vielzahl von Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 aufgestellten
Koordinatensystem über entsprechende Positionskoordinaten
X0, Y0 dargestellt werden.
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Die
Information über die Position X0, Y0 der Rotationsachse
RA kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Magnetquelle
MAG beziehungsweise die Position der Rotationsachse RA der Magnetquelle MAG
so zu verschieben, dass die Rotationsachse RA nach der Verschiebung
durch den Mittelpunkt CT des kreisförmigen Umfangs CIR
verläuft.
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2 zeigt
beispielhafte Signaldiagramme mit Sensorsignalen zur Bestimmung
der interpolierten Positionen des Referenzwertübergangs.
In dem oberen Diagramm sind, mit Verweis auf 1A, beispielhafte Sensorsignale
H2, H3, H10, H11 von entsprechenden Magnetfeldsensoren MS2, MS3,
MS10, MS11 dargestellt. Mit Bezug auf einen Referenzwert RV ist
beispielsweise in diesem Diagramm der Wert des Sensorsignals H2
größer als der Referenzwert RV und der Wert des
Sensorsignals H3 kleiner als der Referenzwert RV. Dementsprechend
liegt die Position P1 des Referenzwertübergangs zwischen
den Positionen der Sensorsignale H2, H3 beziehungsweise der Magnetfeldsensoren
MS2, MS3. In Abhängigkeit der absoluten beziehungsweise
relativen Abweichung der Sensorsignale H2, H3 vom Referenzwert RV
kann diese Position interpoliert werden, um die interpolierte Position
P1 des Referenzwertübergangs zu erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel
sind zwar die Werte der Sensorsignale H2, H3 im Wesentlichen gleich
groß dargestellt, so dass sich die interpolierte Position
P1 demzufolge auf dem halben Weg zwischen den Magnetfeldsensoren
MS2, MS3 befindet, jedoch kann sich die interpolierte Position P1
bei unterschiedlichen Größen der Sensorsignale
H2, H3 im Diagramm entsprechend nach links oder nach rechts verschieben.
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In ähnlicher
Weise sind Sensorsignale H10, H11 um einen weiteren Referenzwertübergang
herum dargestellt, über deren Werte sich eine zweite interpolierte
Position P2 des Referenzwertübergangs ermitteln lässt.
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Da
die Positionen der einzelnen Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 und
damit der daraus resultierenden Sensorsignale H0 bis H15 vorab bekannt
sind und mit entsprechenden Koordinaten in einem gewählten Koordinatensystem
beschrieben werden können, lassen sich somit die interpolierten
Positionen P1, P2 in Abhängigkeit der Sensorsignale ebenfalls
als Koordinaten in diesem Koordinatensystem darstellen. Dabei können
die interpolierte Positionen P1, 22 beispielsweise auf einer geradli nigen
Verbindung zwischen den Magnetfeldsensoren MS2 und MS3 beziehungsweise
zwischen MS10 und MS11 angenommen werden. Alternativ kann auch die
Krümmung des kreisförmigen Umfangs CIR, auf dem
die Magnetfeldsensoren angeordnet sind, berücksichtigt
werden, so dass die interpolierten Positionen P1, P2 auf dem kreisförmigen
Umfang CIR angenommen werden.
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In ähnlicher
Weise wie für das obere Diagramm beschrieben, sind im unteren
Diagramm in 2 Sensorsignale H13, H14, H4,
H5 dargestellt, die beispielsweise aus einer Messung bei einer Ausrichtung
der Magnetquelle MAG gemäß 1B resultieren.
Die interpolierte Position P3 ergibt sich somit aus den Positionen der
Magnetfeldsensoren MS13, MS14 in Verbindung mit den von ihnen abgegebenen
Sensorsignalen H13, H14. In gleicher Weise ergibt sich die vierte
interpolierte Position P4 aus den Positionen der Magnetfeldsensoren
MS4, MS5 in Verbindung mit den entsprechenden Sensorsignalen H4,
H5.
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Mit
den bekannten Koordinaten der interpolierten Positionen P1 bis P4
können beispielsweise Geradengleichungen für die
erste und zweite Ausrichtung AL1, AL2 ermittelt werden. Beispielhafte
resultierende Geraden sind in 3 in einem
x-y-Koordinatensystem dargestellt. In bekannter Weise lassen sich
aus den Koordinaten der interpolierten Positionen P1, P2 eine Steigung
m1 und ein konstanter Parameter b1 einer Geradengleichung für
die erste Ausrichtung AL1 AL1: y =
m1·x + b1 (1)bestimmen.
Gleichermaßen ergibt sich aus den Koordinaten der dritten
und vierten interpolierten Position P3, P4 eine Geradengleichung
für die zweite Ausrichtung AL2 zu AL2: y = m2·x + b2, (2)wobei m2
die Steigung der Geraden und b2 einen konstanten Faktor der Geraden
darstellen.
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Mit
Verweis auf die Erläuterungen zu
1B lässt
sich die Position X0, Y0 der Rotationsachse aus einem Schnittpunkt
der zwei Ausrichtungen AL1, AL2 ermitteln. Dazu kann beispielsweise
mit den Gleichungen (1) und (2) ein lineares Gleichungssystem aufgestellt
werden, dessen Lösung die Koordinaten X0, Y0 liefert. Beispielsweise
kann durch Gleichsetzen der Gleichungen (1) und (2) mit nachfolgendem
Auflösen nach dem Parameter x die Koordinate X0 bestimmt
werden, so dass sich ergibt:
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Durch
Einsetzen von Gleichung (3) beispielsweise in Gleichung (1) mit
X0 als x resultiert die Koordinate Y0 zu
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Die
so ermittelte Position X0, Y0 kann beispielsweise ausgegeben werden
und zur Korrektur der Position der Rotationsachse verwendet werden.
Alternativ kann die Position X0, Y0 auch dahingehend überprüft werden,
ob sie innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches einer Abweichung
zum Mittelpunkt CT des kreisförmigen Umfangs CIR liegt.
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Neben
der Funktion zur Bestimmung der Position X0, Y0 der Rotationsachse
RA der Magnetquelle MAG werden die Sensorsignale üblicherweise
zur Bestimmung eines Drehwinkels Φ der Magnet quelle verwendet.
Für diesen Fall kann die Information über die
Steigung M1, M2 der ersten und zweiten Ausrichtung AL1, AL2 zumindest
doppelt genutzt werden. Wenn beispielsweise als Bezugsachse für
einen Drehwinkel Φ die x-Achse des Koordinatensystems beziehungsweise
eine zur x-Achse parallel liegende Achse verwendet wird, kann ein
Drehwinkel Φ der Magnetquelle MAG in einfacher Weise aus
den Steigungen M1, M2 abgeleitet werden, beispielsweise über
eine auf einer Tangensfunktion basierenden Funktion. Ein Rechenaufwand
zur Ermittlung der Position X0, Y0 beziehungsweise eines Rotationswinkels Φ der
Magnetquelle MAG ist somit reduziert. Ein Verfahren und eine Anordnung
zum Bestimmen eines Rotationswinkels Φ aus interpolierten
Positionen können beispielsweise der
EP 07004585.1 entnommen werden, deren
Offenbarung oben per Bezug aufgenommen ist.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einer
Vielzahl von Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15, die eingerichtet sind,
entsprechende Sensorsignale H0 bis H15 an eine Auswerteeinrichtung
EV abzugeben. Ferner ist die Magnetquelle MAG dargestellt, die mit
der Sensoranordnung verwendet werden kann. Die Auswerteeinrichtung
EV weist beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler ADC auf, dem die
Sensorsignale H0 bis H15 in analoger Form zuführbar sind.
Digital gewandelte Sensorsignale werden von dem Analog-Digital-Wandler
ADC ausgangsseitig an eine arithmetisch logische Einheit ALU abgegeben.
Die Recheneinheit ALU weist beispielsweise Ausgänge zur
Abgabe eines Drehwinkels Φ und einer Position X0, Y0 der
Rotationsachse RA auf.
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Die
Auswerteeinrichtung EV ist beispielsweise dazu eingerichtet, mit
einem Verfahren gemäß einem der zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiele die Position X0, Y0 und einen Drehwinkel φ zwischen
der durch den Referenzwertübergang RVT definierten Achse
AX und einer vorgegebenen Bezugsachse ZA zu bestimmen. Die Bezugsachse
ZA ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine geradlinige
Verbindung der Magnetfeldsensoren MS0 und MS8 beziehungsweise einer
Parallelen dazu definiert. Die Bezugsachse ZA kann jedoch auch beliebig
anders definiert werden. Die Auswerteeinrichtung EV ist insbesondere
dazu vorgesehen, eine erste und eine zweite Ausrichtung AL1, AL2
für verschiedene Drehwinkel der Magnetquelle MAG zu bestimmen
und die Position X0, V0 aus den bestimmten Ausrichtungen zu ermitteln.
Die dazu notwendigen Berechnungen können beispielsweise
in der Recheneinheit ALU durchgeführt werden.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer auf einem Halbleiterchip
implementierten Sensoranordnung gemäß einem der
obigen Ausführungsbeispiele, welches in einem Chipgehäuse
IC angeordnet ist. Aus Übersichtsgründen sind
nur der Halbleiterkern ED der Sensoranordnung mit den entlang eines
kreisförmigen Umfangs CIR um einen Mittelpunkt CT angeordneten
Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 dargestellt. Der Punkt PCT kennzeichnet
beispielsweise einen Mittelpunkt des Gehäuses IC, der als
Anhaltspunkt für eine Anordnung einer drehbar gelagerten
Magnetquelle verwendet werden kann. Vorzugsweise ist der Halbleiterkern
ED im Chipgehäuse IC so befestigt, dass die Positionen
des Gehäusemittelpunkts PCT und des Mittelpunkts CT der
Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 übereinstimmen. Dies ist
jedoch aus fertigungstechnischen Gründen oftmals nur mit
einer gewissen Toleranz erreichbar.
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Beim
Aufbau eines Messsystems wird beispielsweise demnach eine Magnetquelle
zunächst so angeordnet, dass ihre Rotationsachse RA durch
den Chipmittelpunkt PCT verläuft. Durch Aufnahme von Sensorsignalen
an zwei verschiedenen Drehpositionen der Magnetquelle können
mit der Sensoranordnung die zwei Ausrichtungen der Magnetquelle
und daraus die Position X0, Y0 beziehungsweise der Versatz der Rotationsachse
vom Mittelpunkt CT der Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 bestimmt
werden und über eine Schnittstelle der Sensoranordnung
abgegeben werden. Diese Information kann daraufhin dazu verwendet
werden, um die Position der Rotationsachse zu verändern
beziehungsweise zu korrigieren, so dass vorzugsweise die Rotationsachse
durch den Mittelpunkt CT verläuft. In weiteren Messungen
kann bei Bedarf überprüft werden, ob die korrigierte
Position innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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Neben
Winkelmessungen, die mit der Sensoranordnung erfolgen können,
kann dauerhaft oder zu festgelegten Zeitpunkten eine Überprüfung
der Position der Rotationsachse erfolgen. Wenn beispielsweise während
des Betriebs des Messsystems eine Abweichung der Position über
einen Toleranzbereich hinaus festgestellt wird, kann ein Warn- oder
Alarmsignal abgegeben werden, z. B. wiederum über eine
Schnittstelle der Sensoranordnung beziehungsweise des Messsystems.
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Auch
wenn in den vorliegenden Ausführungsbeispielen jeweils
eine Anzahl von sechzehn Magnetfeldsensoren MS0 bis MS15 dargestellt
ist, können in anderen Ausführungsformen des Messverfahrens
beziehungsweise der Sensoranordnung auch eine beliebige andere Anzahl
von Magnetfeldsensoren, die größer oder kleiner
als sechzehn ist, verwendet werden. Ebenso ist es in verschiedenen
Ausführungsformen möglich, anstelle von benachbarten
Sensorsignalen solche Sensorsignale zu verwenden beziehungsweise
auszuwerten, die nicht direkt nebeneinander positioniert sind, sondern
beispielsweise aus zwei Sensorsignalen, die von Magnetfeldsensoren,
zwischen denen ein weiterer Magnetfeldsensor angeordnet ist, erzeugt
werden.
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- MAG
- Magnetquelle
- CIR
- kreisförmiger
Umfang
- MS0–MS15
- Magnetfeldsensoren
- H0–H15
- Sensorsignale
- CT
- Kreismittelpunkt
- RA
- Rotationsachse
- RVT
- Referenzwertübergang
- RV
- Referenzwert
- AX
- Achse
- ZA
- Bezugsachse
- AL1,
AL2
- Ausrichtung
- P1–P4
- interpolierte
Position
- X0,
Y0
- Position
- m1,
m2
- Steigung
- b1,
b2
- Konstante
- φ, Φ
- Winkel
- EV
- Auswerteeinrichtung
- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- ALU
- Recheneinheit
- IC
- Gehäuse
- ED
- Halbleiterkern
- PCT
- Gehäusemittelpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 07004585 [0004, 0050]
