DE102009055130A1

DE102009055130A1 - Sensor, der zwei Coderinge und einen Magnetfeldsensor zwischen den Coderingen umfasst

Info

Publication number: DE102009055130A1
Application number: DE102009055130A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2010-07-15
Also published as: US8085036B2; US20100176799A1

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst eine Welle und einen ersten Codering, der eine erste Anzahl von Polpaaren umfasst. Der erste Codering ist an der Welle befestigt. Die Vorrichtung umfasst einen zweiten Codering, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die sich von der ersten Anzahl unterscheidet. Der zweite Codering ist an der Welle befestigt und von dem ersten Codering beabstandet. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Erfassen einer ersten Überlagerung von Magnetfeldern, die durch den ersten Codering und den zweiten Codering bereitgestellt werden.

Description

Ein Erfassungssystemtyp verwendet ein Permanentmagnetpolrad. Das Magnetpolrad wird typischerweise verwendet, um die Winkelposition und/oder Geschwindigkeit einer Welle zu erfassen, an der das Magnetpolrad befestigt ist. Ein Magnetpolrad umfasst eine Mehrzahl von Magnetbereichen mit wechselnder Polarität (d. h. Polpaare) entlang dem Umfang des Magnetpolrads. Diese Bereiche sind in der axialen, radialen und/oder tangentialen Richtung des Magnetpolrads magnetisiert. Die Bereiche erzeugen ein Magnetfeld (B) wie folgt:
Gleichung I

B(ψ, r, z) = b(r, z)·sin(N·ψ + ψ0)
wobei:

ψ

der Azimutwinkel ist, der von 0° bis 360° reicht;

ψ0

die Phasenverschiebung ist;

r

die radiale Koordinate ist mit r = 0 auf der Drehachse;

z

die axiale Koordinate mit z = 0 in der Mittelebene des Magnetpolrads ist;

N

die Anzahl von Polpaaren entlang dem Umfang des Magnetpolrads ist; und

b(r,z)

eine Funktion ist, die die Dämpfung des Magnetfelds über dem Abstand des Magnetpolrads beschreibt.

Jedes Polpaar umfasst einen Südpol und einen Nordpol, die die Quelle und die Senke der Magnetisierung sind. Zwei benachbarte Nordpole sind um einen Abstand (λ) voneinander entfernt, was der Magnetabstand ist, wobei λ definiert ist als: Gleichung II
wobei:

Umfang der Umfang des Magnetpolrads ist.

Alle drei Komponenten des Magnetfelds (d. h. die radiale, die axiale und die Azimutkomponente) folgen der Gleichung I oben, außer für den Wert von ψ0, der die Phasenverschiebung bezeichnet.
Falls die Bewegung einer Welle klein ist (z. B. falls die Erfassung des Drehens einer Welle aufgrund einer Momentbelastung oder jeder Art von Deformation eines festen Körpers gewünscht ist), sind typische Erfassungssysteme nicht empfindlich genug, um eine gute Genauigkeit und Auflösung zu erreichen. Wenn sich ein Magnetpolrad dreht, dreht sich das Magnetfeldmuster synchron. Das Magnetfeld wird durch einen Magnetfeldsensor erfasst. Typischerweise erzeugt der Magnetfeldsensor einen Puls, falls das Magnetfeld durch Null verläuft, wodurch die Winkelposition des Magnetpolrads digitalisiert wird.
Falls ein Magnetpolrad 10 Polpaare hat, ist die Periode des Magnetfelds 360°/10 = 36°. Es ist üblich, dass Magnetpolräder 60 Polpaare umfassen zum Erhalten eines Pulses für alle 6° der Drehung. Um die Winkelauflösung eines Magnetpolrads zu erhöhen, werden mehr Magnetbereiche oder Polpaare entlang dem Umfang des Magnetpolrads verwendet. Die Auflösung eines Magnetpolrads ist jedoch begrenzt, da es unmöglich ist, Bereiche zu magnetisieren, die zu klein sind.
Außerdem verringert sich die Größe des Magnetfelds proportional zu exp(–2·π·z/λ) und exp(–2·π·r/λ). Bei einem konstanten Luftzwischenraum (d. h. dem Abstand des Magnetfeldsensors zu dem Magnetpolrad) verringert sich daher das Magnetfeld im Wesentlichen für kleine λ (d. h. für große N). Da es typischerweise zwischen dem Magnetpolrad und dem Magnetfeldsensor einen gewissen Zwischenraum gibt, kann das Signal, das durch den Magnetfeldsensor bereitgestellt wird, sich über die Lebensdauer des Erfassungssystems wesentlich verringern aufgrund eines zunehmenden Spiels der Lager und/oder einer Deformation, die durch Lasten verursacht wird.
Ferner kann mit typischen Magnetpolrädern die Position des Magnetpolrads nur inkremental erfasst werden. Das heißt, jedes Mal wenn das Magnetpolrad um mehrere Grad gedreht wird, liefert das Magnetpolrad einen Puls. Daher kann das Erfassungssystem nicht die absolute Position des Magnetpolrads erfassen; das Erfassungssystem erfasst lediglich Änderungen in der Position des Magnetpolrads. Um die absolute Position des Magnetpolrads zu bestimmen, werden die Pulse summiert. Dieses Summieren der Pulse ist jedoch problematisch, falls das Magnetpolrad die Position verändert, während der Magnetfeldsensor abgeschaltet ist. In diesem Fall verliert das Erfassungssystem die absolute Position des Magnetpolrads aus den Augen.
Eine Drehposition kann auch durch Winkelsensoren erfasst werden, die die Richtung eines homogenen Magnetfelds erfassen, das auf einen Magnetfeldsensor wirkt, der einen Sensorchip umfasst. Typische Erfassungssysteme verwenden einen kleinen Permanentmagneten, der an dem Ende einer Welle befestigt ist und der senkrecht zu der Drehachse magnetisiert ist. Das Magnetfeld des Permanentmagneten ist parallel zu dem Sensorchip, falls der Sensorchip vor dem Permanentmagneten und senkrecht zu der Drehachse platziert ist. Diese Erfassungssysteme sind ziemlich genau (z. B. 1° Genauigkeit), sie sind jedoch zu langsam, um ein Echtzeitsignal mit einer Verzögerung in der Größenordnung von Mikrosekunden zu liefern, wie es für viele Anwendungen benötigt wird. Außerdem kann es sein, dass das Ende der Welle nicht verfügbar ist zum Befestigen des Permanentmagneten. Ein weiteres Problem dieser Erfassungssysteme ist, dass dieselben anfällig sind für magnetische Interferenz, da die Messung nicht differentiell ist. Jedes Hintergrundmagnetfeld ändert die Richtung des arbeitenden Magnetfelds von dem Permanentmagneten und führt zu einem Winkelfehler.
Aus diesen und anderen Gründen gibt es einen Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zum Bestimmen einer Position mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel liefert eine Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Welle und einen ersten Codering, der eine erste Anzahl von Polpaaren umfasst. Der erste Codering ist an der Welle befestigt. Die Vorrichtung umfasst einen zweiten Codering, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die sich von der ersten Anzahl unterscheidet. Der zweite Codering ist an der Welle befestigt und von dem ersten Codering beabstandet. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Erfassen einer ersten Überlagerung von Magnetfeldern, die durch den ersten Codering und den zweiten Codering bereitgestellt werden.
Die beiliegenden Zeichnungen sind enthalten, um ein besseres Verständnis von Ausführungsbeispielen zu liefern und sind in dieser Beschreibung enthalten und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien von Ausführungsbeispielen zu erklären. Andere Ausführungsbeispiele und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsbeispielen sind ohne weiteres offensichtlich, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems darstellt;
2 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Positionssensors darstellt;
3 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird;
4 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird;
5 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird;
6 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird;
7 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Differenz bei Magnetfeldern eines Positionssensors darstellt;
8 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Sensorchips darstellt;
9 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines linearen Positionssensors darstellt;
10 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors darstellt;
11 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors darstellt;
12 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors darstellt;
13 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Winkelsensor erfasst wird;
14 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorchips darstellt;
15 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorchips darstellt;
16 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorchips darstellt;
17 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors darstellt;
18 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Hüllkurve von jedem von zwei Magnetfeldern darstellt;
19 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensor darstellt;
20 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Winkelsensor erfasst wird;
21 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensor darstellt; und
22 ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensor darstellt.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen darstellend spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diesbezüglich wird mit Bezugnahme auf die Ausrichtung der Figur(en), die beschrieben wird/werden Richtungsterminologie, wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vordere”, „hintere” etc., verwendet. Weil Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Darstellungszwecken verwendet und ist auf keinen Fall begrenzend. Es ist klar, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem begrenzenden Sinne zu sehen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die angehängten Ansprüche definiert.
Es ist klar, dass die Merkmale der verschiedenen beispielhaften Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, es sei denn, dies ist speziell anderweitig angemerkt.
1 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 darstellt. Das System 100 umfasst einen Host 102 und einen Sensor 106. Der Host 102 ist durch die Kommunikationsverbindung 104 kommunikativ mit dem Sensor 106 gekoppelt. Der Host 102 umfasst einen Mikroprozessor, einen Computer, eine Steuerung oder jede andere geeignete Vorrichtung zum Empfangen von Daten von dem Sensor 106. Der Sensor 106 kommuniziert Daten durch die Kommunikationsverbindung 104 zu dem Host 102. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kommunikationsverbindung 104 eine drahtlose Kommunikationsverbindung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 106 ein Positionssensor zum Erfassen des Drehens einer Welle aufgrund einer Momentbelastung oder einer anderen Deformation eines starren Körpers. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor 106 zwei Magnetcoderäder, die Pole mit etwas unterschiedlichen Größen umfassen. Eines der Coderäder wird bezüglich des anderen Coderads durch eine kleine Verschiebung bewegt (z. B. durch eine Deformation einer Welle). Ein Magnetfeldsensor ist zwischen den beiden Coderädern platziert, um das Interferenzmuster der Magnetfelder zu messen, das durch beide Coderäder erzeugt wird. Von dem Interferenzmuster der Magnetfelder, das durch beide Coderäder erzeugt wird, wird die Deformation der Welle bestimmt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Sensor 106 ein Winkelsensor. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor 106 zwei Zielringe, die an einem Rotor befestigt sind. Ein Magnetfeldsensor ist zwischen den beiden Zielringen positioniert und ist an einem Statur befestigt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die zwei Zielringe an dem Statur befestigt und der Magnetfeldsensor ist an dem Rotor befestigt. Die zwei Zielringe sind entweder Permanentmagnetpolringe oder weichmagnetische Zahnringe. Die Zielringe haben unterschiedliche Anzahlen von Polen oder Zähnen. Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst der Magnetfeldsensor das Interferenzmuster der Magnetfelder von beiden Zielringen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel erfasst der Magnetfeldsensor jedes Magnetfeld getrennt und kombiniert die Informationen in einer Signalverarbeitungseinheit. Von dem Interferenzmuster der Magnetfelder von beiden Zielringen wird der Drehwinkel in dem Bereich von 0° bis 360° in Echtzeit bestimmt.
2 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Positionssensors 110 beschreibt. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Positionssensor 110 den Sensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Positionssensor 110 umfasst eine Welle 112, ein erstes Magnetcoderad 114, ein zweites Magnetcoderad 120 und einen Magnetfeldsensor 126. Das erste Magnetcoderad 114 umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 116 und Südpolen 118, um eine erste Mehrzahl von Polpaaren bereitzustellen. Das zweite Magnetcoderad 120 umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 122 und Südpolen 124, um eine zweite Mehrzahl von Polpaaren bereitzustellen. Das erste Coderad 114 umfasst eine andere Anzahl von Polpaaren als das zweite Coderad 120.
Entweder das erste Coderad 114 oder das zweite Coderad 120 ist an einem festen Referenzrahmen der Welle 112 befestigt, und das andere des ersten Coderads 114 und des zweiten Coderads 120 ist an einem Teil der Welle 112 befestigt, der sich aufgrund von Deformation bewegt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das erste Coderad 114 von dem zweiten Coderad 120 um einige wenige Millimeter beabstandet. Der Magnetfeldsensor 126 ist zwischen dem ersten Coderad 114 und dem zweiten Coderad 120 platziert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 126 an dem festen Referenzrahmen der Welle 112 befestigt.
Das Magnetfeld, das sowohl durch das erste Coderad 114 als auch das zweite Coderad 120 bereitgestellt wird, ist ein Sinuswellenmuster über einer Azimutkoordinate ψ. Die Überlagerung der Magnetfelder, die durch sowohl das erste Coderad 114 als auch das zweite Coderad 120 bereitgestellt werden, liefert typische Interferenzeffekte von phasenkohärenten Wellenphänomenen. Falls sich eines der Coderäder 114 und 120 um einen Abstand (d. h. ein Polpaar) bezüglich des anderen der Coderäder 114 und 120 bewegt, bewegt sich das Interferenzmuster um 360°. Somit hat der Positionssensor 110 ein Übersetzungsverhältnis von 1:N, falls eines der Coderäder 114 und 120 N Polpaare umfasst und das andere der Coderäder 114 und 120 (N – 1) Polpaare umfasst.
Dieses Prinzip wird verwendet, um sehr kleine Verschiebungen zu messen, wie z. B. die Torsion der Welle 112, da die kleine Torsion verstärkt wird. Dieses Prinzip wird auch verwendet, um geeignete lineare Strukturen zu messen durch Ersetzen der Coderäder 114 und 120 mit linearen Streifen von periodisch angeordneten Permanentmagneten, die nachfolgend beschrieben werden. Daher kann das Prinzip verwendet werden, um alle geeigneten Arten von Deformation zu messen.
Der Magnetfeldsensor 126 umfasst einen Sensorchip, der ein oder mehrere Sensorelemente zum Erfassen von Magnetfeldern umfasst. Der Magnetfeldsensor 126 ist zwischen dem ersten Coderad 114 und dem zweiten Coderad 120 positioniert, so dass die Mitte des Magnetfeldsensors 126 mit dem Minimum des Interferenzmusters zusammenfällt. Falls sich eines der Coderäder 114 und 120 um 0,1° nach links oder rechts bewegt, bewegt sich das Minimum des Interferenzmusters ebenfalls um 6° (für N = 60) nach links oder rechts. Falls der Durchmesser der Coderäder 114 und 120 30 mm ist, dann entspricht eine 6°-Verschiebung einer Verschiebung von 1,5 mm auf dem Sensorchip des Magnetfeldsensors 126. Der Magnetfeldsensor 126 vergleicht die Ausgaben aller Sensorelemente um die Position des Minimums des Interferenzmusters oder des Minimums der Hüllkurve des Interferenzmusters zu erfassen. Somit können sehr kleine Bewegungen der Coderäder 114 und 120 bezüglich zueinander bestimmt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Welle 112 einen dünneren Abschnitt (nicht gezeigt) zwischen dem ersten Coderad 114 und dem zweiten Coderad 120, so dass ein Moment auf der Welle 112 ein Coderad bezüglich des anderen Coderads um wenige Zehntel eines Grads dreht. Die Positionstoleranzen des Sensors 110 sind kein großes Problem, da die gesamte Anordnung starr ist und keine Lager und daher kein Spiel umfasst. Sowohl das erste Coderad 114 als auch das zweite Coderad 120 sind an der gleichen Welle 112 befestigt, die sich unter einer Last deformiert. Die Torsionsdeformation wird durch den Magnetfeldsensor 126 gemessen. Alle anderen Deformationen sollten minimiert werden, sind jedoch nicht wesentlich für das Erfassungssystem.
Die folgenden 3–5 sind Diagramme, die darstellen, dass sich das Minimum der Hüllkurve des Interferenzmusters um 0°, 36° und 72° verschiebt, falls eines der Coderäder 114 und 120 um einen Wert (α) von 0°, 1,125° und 2,25° bezüglich des anderen Coderads 114 bzw. 120 verschoben wird.
3 ist ein Diagramm 130a, das ein Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird, wie z. B. den Positionssensor 110, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist α gleich 0°. Das Diagramm 130a zeigt ψ in Grad auf der x-Achse 132 an. Das Diagramm 130a zeigt die Amplitude des Magnetfelds (B₁) von einem ersten Coderad, die Amplitude des Magnetfelds (B₂) von einem zweiten Coderad und die Amplitude des Gesamtmagnetfelds (B_total) auf der y-Achse 134 an. Das Diagramm 130a zeigt die Amplitude der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds auf der y-Achse 136 an.
Das Magnetfeld des ersten Coderads wird bei 138a angezeigt für ein Coderad, bei dem N gleich 32 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Magnetfeld des zweiten Coderads ist bei 140a angezeigt für ein Coderad, bei dem N gleich 31 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Gesamtmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird, der zwischen dem ersten Coderad und dem zweiten Coderad positioniert ist, ist bei 144a angezeigt. Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist bei 142a angezeigt. Wie es durch das Diagramm 130a angezeigt ist, ist für eine Coderadverschiebung von α gleich 0°, das Minimum der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds bei ψ gleich 180°, wie es bei 146a angezeigt ist.
4 ist ein Diagramm 130b, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und eine Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird, wie z. B. Positionssensor 110, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist α gleich 1,125°. Das Diagramm 130b zeigt ψ in Grad auf der x-Achse 132 an. Das Diagramm 130b zeigt die Amplitude des Magnetfelds (B₁) von dem ersten Coderad, die Amplitude des Magnetfelds (B₂) von dem zweiten Coderad und die Amplitude des Gesamtmagnetfelds (B_total) auf der y-Achse 134 an. Das Diagramm 130b zeigt die Amplitude der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds auf der y-Achse 136 an.
Das Magnetfeld des ersten Coderads ist bei 138b für ein Coderad angezeigt, bei dem N gleich 32 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Magnetfeld des zweiten Coderads ist bei 140b für ein Coderad angezeigt, bei dem N gleich 31 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Gesamtmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird, der zwischen dem ersten Coderad und dem zweiten Coderad positioniert ist, ist bei 144b angezeigt. Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist bei 142b angezeigt. Wie es durch das Diagramm 130b angezeigt ist, ist für eine Coderadverschiebung von α gleich 1,125° das Minimum der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds bei ψ gleich 144°, wie es bei 146b angezeigt ist.
5 ist ein Diagramm 130c, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird, wie z. B. den Positionssensor 110, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist α gleich 2,25°. Das Diagramm 130c zeigt ψ in Grad auf der x-Achse 132 an. Das Diagramm 130c zeigt die Amplitude des Magnetfelds (B₁) von dem ersten Coderad, die Amplitude des Magnetfelds (B₂) von dem zweiten Coderad und die Amplitude des Gesamtmagnetfelds (B_total) auf der y-Achse 134 an. Das Diagramm 130c zeigt die Amplitude der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds auf der y-Achse 136 an.
Das Magnetfeld des ersten Coderads ist bei 138c für ein Coderad angezeigt, bei dem N gleich 32 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Magnetfeld des zweiten Coderads ist bei 140c für ein Coderad angezeigt, bei dem N gleich 31 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Gesamtmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird, der zwischen dem ersten Coderad und dem zweiten Coderad positioniert ist, ist bei 144c angezeigt. Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist bei 142c angezeigt. Wie es durch das Diagramm 130c angezeigt ist, ist für eine Coderadverschiebung von α gleich 2,25° das Minimum der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds bei ψ gleich 108°, wie es bei 146c angezeigt ist.
Wie es in 3–5 angezeigt ist, ist das Minimum des Interferenzmusters nur in der Symmetrieebene zwischen beiden Coderädern 0, wo die Feldamplituden beider Coderäder gleich sind. Falls die Magnetisierung der Coderäder nicht gleich stark ist oder falls die Dicke der Coderäder nicht identisch ist, oder falls der Magnetfeldsensor nicht an der genauen Mittelposition zwischen den Coderädern befestigt ist (aufgrund von Toleranzen des Magnetfelds des Gehäuses der Integrierten Schaltung oder des Moduls, in das das Gehäuse der integrierten Schaltung geklebt oder befestigt ist), verschwindet das Minimum nicht ganz oder geht nicht zu 0. Dies ist jedoch kein Problem, da selbst wenn sich die Magnetfelder beider Coderäder um 20% unterscheiden, das Minimum nach wie vor so niedrig ist wie 0,2/2,2 oder 9%, wie es in der folgenden 6 angezeigt ist.
6 ist ein Diagramm 130d, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und einer Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Positionssensor erfasst wird, wie z. B. den Positionssensor 110, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Das Diagramm 130d zeigt ψ in Grad auf der x-Achse 132 an. Das Diagramm 130d zeigt die Amplitude des Magnetfelds (B₁) von dem ersten Coderad, die Amplitude des Magnetfelds (B₂) von dem zweiten Coderad und die Amplitude des Gesamtmagnetfelds (B_total) auf der y-Achse 134 an. Das Diagramm 130d zeigt die Amplitude der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds auf der y-Achse 136 an.
Das Magnetfeld des ersten Coderads ist bei 138d für ein Coderad angezeigt, bei dem N gleich 32 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Magnetfeld des zweiten Coderads ist bei 140d für ein Coderad angezeigt, bei dem N gleich 31 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1,2 ist. Das Gesamtmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird, der zwischen dem ersten Coderad und dem zweiten Coderad positioniert ist, ist bei 144d angezeigt. Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist bei 142d angezeigt. Wie es durch das Diagramm 130d angezeigt ist, gibt es selbst da, wo die Magnetfelder von jedem der Pole nicht gleich sind, immer noch ein Minimum der Hüllkurve, wie es bei 146d angezeigt ist.
Falls bei einem Ausführungsbeispiel die zu erfassende Torsion gering ist, ist kein vollständiges Coderad notwendig. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Teil jedes Coderads verwendet werden, wie z. B. ein Viertel jedes Coderads. Falls das Coderadsegment zu klein ist, wird das Coderadsegment jedoch das Magnetfeldmuster merklich beeinträchtigen, das nahe den Enden des Coderadsegments größere Amplituden aufweisen wird. Dies kann die Leistungsfähigkeit des Erfassungssystems verschlechtern. Die Größe der Coderadsegmente kann basierend auf der erforderlichen Genauigkeit zum Erfassen des Torsionswinkels ausgewählt werden. Dies könnte jedoch durch numerische Simulation der bestimmten Anwendung näher bestimmt werden.
Die Anzahl von Polen pro Coderad bestimmt die Auflösung. Bei einem Ausführungsbeispiel sind entlang einem gegebenen Abstand (L) N Pole für ein Coderad und (N – 1) Pole für das andere Coderad. Daher sind die Polgrößen L/N und L/(N – 1). Für ein vollständiges Coderad ist L gleich dem Umfang des Coderads. Falls ein Coderad um eine Polperiode bewegt wird, bewegt das Minimum des Interferenzmusters den Abstand L. Daher ist das Übersetzungsverhältnis der Anordnung gleich dem Verhältnis von L über eine Polperiode oder L/N. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Permanentmagnet an dem Magnetfeldsensor befestigt und jedes Coderad wird durch ein Zahnrad ersetzt, wobei die Größe der Zähne jedes Rads etwas unterschiedlich ist. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet ähnlich wie das Coderadausführungsbeispiel.
Der Einfachheit der folgenden Erläuterung der Signalverarbeitung halber, die beim Bestimmen der Torsion der Welle beteiligt ist, wird angenommen, dass die Magnetflussdichte von beiden Coderädern auf dem Magnetfeldsensor gleich 1 mT ist. Daher ist das Feld (B₁) des ersten Coderads gegeben durch:
Gleichung III

B1 = sin(N(ψ + α))
wobei:

ψ

die Winkelkoordinate gleich der Azimutalwinkelposition entlang dem Umfang des Coderads ist;

α

die Verdrehung zwischen dem ersten und dem zweiten Coderad ist; und

N

die Anzahl von Polpaaren des ersten Coderads ist.

Das Feld (B₂) des zweiten Coderads, das N – 1 Polpaare umfasst, ist gegeben durch:
Gleichung IV

B2 = sin((N – 1)ψ)

Die Überlagerung beider Magnetfelder (B_Chip) auf dem Sensorchip ist gegeben durch:
Gleichung V

B_Chip = √2(1 + cos(ψ + Nα))sin((N – 0.5)ψ + Nα)

Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist der Quadratwurzelterm der Gleichung V. Diese Hüllkurve kann auf eine Vielzahl von Weisen bestimmt werden. Gemäß dem Nyquist-Sampling-Theorem sollte die Wellenform zumindest bei zweimal ihrer Trägerfrequenz abgetastet werden. Falls ψ = 2πt, wobei t die Zeit ist, dann ist die Trägerfrequenz N – 0,5. Daher sollte die Wellenform bei zumindest 2N – 1 Zyklen pro Sekunde abgetastet werden, was ein Ganzzahlmehrfaches von ψ = 2π/(2N – 1) ist. Somit ist ein erstes Sensorelement bei ψ = 0 auf dem Sensorchip platziert, und ein zweites Sensorelement ist bei ψ = 2π/(2N – 1) auf dem Sensorchip platziert. Daher sind die Sensorelemente einen Abstand λN/(2N – 1) entfernt platziert. Falls λ gleich 5 mm und N gleich 60 ist, dann sind die Sensorelemente etwa 2,5 mm entfernt, was auf einem typischen Siliziumchip untergebracht werden kann. Somit erfasst das erste Sensorelement das Feld (B_Chip,1) wie folgt:
Gleichung VI

BChip,1 = √2(1 + cosNα)sin(Nα)
und das zweite Sensorelement erfasst das Feld (B_Chip,2) wie folgt:

Gleichung VII

BChip,2 = √2(1 + cos(2π/(2N – 1) + Nα))sin(π + Nα) ≅ –√2(1 + cosNα)sin(Nα)
wobei die Näherung gilt, solange α >> 2π/[N(2N – 1)] (z. B.: falls N = 60, dann α >> 0,05°). Durch Berechnen der Differenz zwischen beiden Sensorelementen kann die Verdrehung α, wie in der folgenden 7 dargestellt bestimmt werden.

7 ist ein Diagramm 150, das ein Ausführungsbeispiel einer Differenz bei Magnetfeldern eines Positionssensors darstellt, wie z. B. Positionssensor 110, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Das Diagramm 150 umfasst N·α in Grad auf der x-Achse 152 und die Amplitude von B_Chip,1 – B_Chip,2 auf dem Sensorchip in beliebigen Einheiten (b. E.) auf der y-Achse 154. N·α für N·α >> 360°/(2N – 1) für N = 32 ist bei 156 angezeigt. Wie es durch das Diagramm 150 dargestellt ist, ist die Funktion nicht eindeutig. Daher kann das Erfassungssystem konfiguriert sein, um in dem Bereich –60° < N·α < +60° zu arbeiten, wo die Kurve nahezu linear ist oder das Erfassungssystem auch konfiguriert sein kann, um in dem größeren Bereich 70° < N·α < +290° zu arbeiten, wo die Kurve nicht linear ist (z. B. über Nachschlagtabellen).
8 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Sensorchips 160 darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Sensorchip 160 den Magnetfeldsensor 126 oder einen Teil des Magnetfeldsensors 126 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Der Sensorchip 160 umfasst ein erstes Sensorelement 162, ein zweites Sensorelement 166, ein drittes Sensorelement 164, ein viertes Sensorelement 168, Subtraktionsblöcke 178 und 182, einen Verhältnisblock 186 und einen Arkustangensblock 190. Der Ausgang des ersten Sensorelements 162 ist durch den Signalweg 170 elektrisch gekoppelt mit einem ersten Eingang des Subtraktionsblock 178. Der Ausgang des zweiten Sensorelements 166 ist durch den Signalweg 174 elektrisch gekoppelt mit einem zweiten Eingang des Subtraktionsblocks 178. Der Ausgang des dritten Sensorelements 164 ist durch den Signalweg 172 elektrisch gekoppelt mit einem ersten Eingang des Subtraktionsblocks 182. Der Ausgang des vierten Sensorelements 168 ist durch den Signalweg 176 elektrisch gekoppelt mit einem zweiten Eingang des Subtraktionsblocks 182.
Der Ausgang des Subtraktionsblocks 178 ist durch den Signalweg 180 elektrisch gekoppelt mit einem ersten Eingang des Verhältnisblocks 186. Der Ausgang des Subtraktionsblocks 182 ist durch den Signalweg 184 elektrisch gekoppelt mit einem zweiten Eingang des Verhältnisblocks 186. Der Ausgang des Verhältnisblocks 186 ist durch den Signalweg 188 elektrisch gekoppelt mit dem Eingang des Arkustangensblocks 190. Der Ausgang des Arkustangensblocks 190 wird auf dem Signalweg 192 bereitgestellt.
Der Magnetabstand (d. h. die Periode des Magnetfeldmusters) ist durch λ angezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen dem ersten Sensorelement 162 und dem dritten Sensorelement 164 wie bei 194 angezeigt, der Abstand zwischen dem dritten Sensorelement 164 und dem zweiten Sensorelement 166 wie bei 196 angezeigt, und der Abstand zwischen dem zweiten Sensorelement 166 und dem vierten Sensorelement 168 wie bei 198 angezeigt gleich λN/(4N – 2).
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Magnetfeld bei ψ = π/(2N – 1) und ψ = 3π/(2N – 1) abgetastet. Somit erfasst das dritte Sensorelement das Magnetfeld (B_Chip,3) und das vierte Sensorelement erfasst das Magnetfeld (B_Chip,4) wie folgt:
Gleichung VIII

BChip,3 = √2(1 + cos(π/(2N – 1) + Nα))sin(π/2 + Nα) ≅ √2(1 + cosNα)cos(Nα)

Gleichung IX

BChip,4 = √2(1 + cos(3π/(2N – 1) + Nα))sin(3π/2 + Nα) ≅ –√2(1 + cosNα)cos(Nα)

Die Differenz (S₁₂) zwischen den Signalen des ersten und zweiten Sensorelements wird durch den Subtraktionsblock 178 bestimmt, und die Differenz (S₃₄) zwischen den Signalen des dritten und vierten Sensorelements wird durch den Subtraktionsblock 182 wie folgt bestimmt:
Gleichung X

S12 = BChip,1 – BChip,2

Gleichung XI

S34 = BChip,3 – BChip‚4

Signale S₁₂ und S₃₄ sind um 90° phasenverschoben, da dieselben In-Phase- und Quadratur-Komponenten sind. Daher wird N·α berechnet durch den Verhältnisblock 186 und den Arkustangensblock 190, indem die inverse Tangente des Verhältnisses beider Signale S₁₂ und S₃₄ wie folgt genommen wird:
Gleichung XII

α = arctan(S12/S34)

Diese Berechnung kann durchgeführt werden durch den Koordinatendrehungsdigitalcomputer-(CORDIC-; CORDIC = coordinate rotation digital computer)Algorithmus oder ein anderes geeignetes Verfahren.
Ein Vorteil dieses Erfassungssystems ist, dass das Erfassungssystem differential ist, da das Erfassungssystem Differenzen von Magnetfeldern verwendet, um das Ergebnis abzuleiten. Daher wird das Erfassungssystem nicht beeinträchtigt durch homogene Hintergrundfelder (z. B. magnetische Interferenzen). Alles Hintergrundrauschen beeinträchtigt die Signale beider Sensorelemente und daher wird das Hintergrundrauschen aufgehoben aufgrund der Subtraktion von S₁₂ = B_Chip,1 – B_Chip,2 und S₃₄ = B_Chip,3 – B_Chip,4. Ein weiterer Vorteil dieses Erfassungssystems ist, dass das Erfassungssystem für N·α in dem Bereich von 0° bis 360° funktioniert.
Bei anderen Ausführungsbeispielen werden andere Verfahren der Signalverarbeitung verwendet. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel das Verhältnis der Ausgangssignale von dem ersten Sensorelement 162 und dem dritten Sensorelement 164 von denselben verwendet werden, um den Arkustangens von N·α zu berechnen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können das erste Sensorelement 162 und das dritte Sensorelement 164 selbst verwendet werden, um das Quadrat jedes Signals zu nehmen und zu addieren, um 2(1 + cosNα) zu erhalten, was durch Nachschlagtabellen gelöst werden kann, um N·α zu bestimmen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein längerer Sensorchip mit mehr Sensorelementen mit der Beabstandung von λN/(4N – 2) zwischen zwei Nachbarn entlang dem Chip verwendet. Beispielsweise werden, wie es in 8 dargestellt ist, vier Sensorelemente verwendet, um den Wert der Hüllkurve an ihrer Mitte abzuleiten, und die Prozedur wird mit zusätzlichen vier Sensorelementen wiederholt, die nach rechts oder links verschoben sind, um mehr Informationen bezüglich der Hüllkurve über der Raumkoordinate zu erhalten.
Jede geeignete Komponente des Magnetfelds kann verwendet werden. Daher umfassen die Sensorelemente, die verwendet werden können, Hall-Sensorelemente oder magnetoresistive Sensorelemente, wie z. B. anisotrope magnetoresistive (AMR-)Sensorelemente, giantmagnetoresistive (GMR-)Sensorelemente oder tunnel-magnetoresistive (TMR-)Sensorelemente. Zusätzlich können die Coderäder in der axialen Richtung oder der radialen Richtung verschoben sein. Die Coderäder können auch in der gleichen Ebene mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet sein.
9 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines linearen Positionssensors 200 darstellt. Der lineare Positionssensor 200 umfasst einen ersten Linearcodestreifen 208, einen zweiten Linearcodestreifen 202 und einen Magnetfeldsensor 218. Der erste Linearcodestreifen 208 umfasst eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die auf eine kettenartige Weise angeordnet sind, wobei jeder Magnet einen Nordpol 210 und einen Südpol 212 umfasst. Der zweite Linearcodestreifen 202 umfasst eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die auf eine kettenartige Weise angeordnet sind, wobei jeder Magnet einen Nordpol 206 und einen Südpol 204 umfasst. Entweder der erste Codestreifen 208 oder der zweite Codestreifen 202 ist an einem Referenzsystem befestigt und der andere des ersten Codestreifens 208 und des zweiten Codestreifens 202 ist an einem Bauglied befestigt, das sich unter der Deformationswirkung bewegt, die zu messen ist.
Der erste Codestreifen 208 umfasst eine erste Polperiode λ₁, wie es bei 216 angezeigt ist. Der zweite Codestreifen 202 umfasst eine zweite Polperiode λ₂, wie es bei 214 angezeigt ist. Die zweite Polperiode λ₂ ist geringer als die erste Polperiode λ₁. Der erste Codestreifen 208 ist von dem zweiten Codestreifen 202 um einen Abstand (s) beabstandet, wie es bei 224 angezeigt ist. Der erste Codestreifen 208 hat eine Dicke (t₁), wie es bei 228 angezeigt ist, und der zweite Codestreifen 202 hat eine Dicke (t₂), wie es bei 228 angezeigt ist. Eine Flusslinie des ersten Codestreifens 208 ist bei 222 angezeigt. Der Magnetfeldsensor 218 ist zwischen den ersten Codestreifen 208 und den zweiten Codestreifen 202 platziert, in einem Abstand (g), wie es bei 220 angezeigt ist, von dem ersten Codestreifen 208. Der lineare Positionssensor 200 arbeitet ähnlich wie der Positionssensor 110, der vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Positionssensor 200 die lineare Bewegung misst anstatt der Drehbewegung. Die Signalverarbeitung für den linearen Positionssensor 200 ist ähnlich wie die Signalverarbeitung für den Positionssensor 110.
10 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 300a darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Winkelsensor 300a den Sensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Winkelsensor 300a umfasst eine Welle 302, ein Rad 304a, einen ersten Magnetcodering 306a, einen zweiten Magnetcodering 312a und einen Magnetfeldsensor 318. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Magnetcodering 306a und der zweite Magnetcodering 312a radial angeordnet und jeder Codering hat einen unterschiedlichen Durchmesser.
Der erste Codering 306a umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 308a und Südpolen 310a, um eine erste Mehrzahl (N₁) von Polpaaren zu liefern. Der zweite Codering 312a umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 314a und Südpolen 316a, um eine zweite Mehrzahl (N₂) von Polpaaren bereitzustellen. Der zweite Codering 312a umfasst eine andere Anzahl von Polpaaren als der erste Codering 306a. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der erste Codering 306a 30 Polpaare und der zweite Codering 312a umfasst 31 Polpaare. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfassen sowohl der erste Codering 306a als auch der zweite Codering 312a andere geeignete Anzahlen von Polpaaren.
Beide Coderinge 306a und 312a sind an dem Rad 304a befestigt, das an der Welle 302 befestigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Codering 306a von dem zweiten Codering 312a um wenige Millimeter beabstandet. Der Magnetfeldsensor 318 ist zwischen den ersten Codering 306a und den zweiten Codering 312a platziert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 318 an einem festen Referenzrahmen befestigt. Der Magnetfeldsensor 318 erfasst die Winkelposition der Welle 302 basierend auf dem kombinierten Magnetfeld von dem ersten Codering 306a und dem zweiten Codering 312a.
11 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 300b darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Winkelsensor 300b den Sensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Winkelsensor 300b umfasst eine Welle 302, ein Rad 304b, einen ersten Magnetcodering 306b, einen zweiten Magnetcodering 312b und einen Magnetfeldsensor 318. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Magnetcodering 306b und der zweite Magnetcodering 312b radial angeordnet und jeder Codering hat einen unterschiedlichen Durchmesser. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Codering 306b und der zweite Codering 312b koplanar.
Der erste Codering 306b umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 308b und Südpolen 310b, um eine erste Mehrzahl (N₁) von Polpaaren bereitzustellen. Der zweite Codering 312b umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 314b und Südpolen 316b, um eine zweite Mehrzahl (N₂) von Polpaaren bereitzustellen. Der erste Codering 306b umfasst eine andere Anzahl von Polpaaren als der zweite Codering 312b. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der erste Codering 306b 30 Polpaare und der zweite Codering 312b umfasst 31 Polpaare. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfassen sowohl der erste Codering 306b als auch der zweite Codering 312b andere geeignete Anzahlen von Polpaaren.
Beide Coderinge 306b und 312b sind an dem Rad 304b befestigt, das an der Welle 302 befestigt ist. Der Magnetfeldsensor 318 ist über und zwischen dem ersten Codering 306b und dem zweiten Codering 412a platziert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 318 an einem festen Referenzrahmen befestigt. Der Magnetfeldsensor 318 erfasst die Winkelposition der Welle 302 basierend auf dem kombinierten Magnetfeld von dem ersten Codering 306b und dem zweiten Codering 312b.
12 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 300c darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Winkelsensor 300c den Sensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Winkelsensor 300c umfasst eine Welle 302, ein erstes Rad 304c, ein zweites Rad 304d, einen ersten Magnetcodering 306c, einen zweiten Magnetcodering 312c und einen Magnetfeldsensor 318. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Codering 306c und der zweite Codering 312c axial angeordnet und jeder Codering hat den gleichen Durchmesser.
Der erste Codering 306c umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 308c und Südpolen 310c, um eine erste Mehrzahl (N₁) von Polpaaren bereitzustellen. Der zweite Codering 312c umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 314c und Südpolen 316c, um eine zweite Mehrzahl (N₂) von Polpaaren bereitzustellen. Der erste Codering 306c umfasst eine andere Anzahl von Polpaaren als der zweite Codering 312c. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der erste Codering 306c 30 Polpaare und der zweite Codering 312c umfasst 31 Polpaare. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfassen sowohl der erste Codering 306c als auch der zweite Codering 312c andere geeignete Anzahlen von Polpaaren.
Der erste Codering 306c ist an dem ersten Rad 304c befestigt, das an der Welle 302 befestigt ist. Der zweite Codering 312c ist an dem zweiten Rad 304d befestigt, das ebenfalls an der Welle 302 befestigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Codering 306c um einige wenige Millimeter von dem zweiten Codering 312c beabstandet. Der Magnetfeldsensor 318 ist zwischen den ersten Codering 306c und den zweiten Codering 412c platziert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 318 an einem festen Referenzrahmen befestigt. Der Magnetfeldsensor 318 erfasst die Winkelposition der Welle 302 basierend auf dem kombinierten Magnetfeld von dem ersten Codering 306c und dem zweiten Codering 312c.
Bei jedem Ausführungsbeispiel, das vorher mit Bezugnahme auf 10–12 beschrieben und dargestellt wurde, erfasst der Magnetfeldsensor 318 die Überlagerung der Magnetfel der des ersten und des zweiten Coderings. Für die Axialkonfiguration, die in 12 dargestellt ist, sind das Magnetfeld (B₁) des ersten Coderings und das Magnetfeld (B₂) des zweiten Coderings wie folgt:
Gleichung XIII

B1 = b(r, z)sin(N1ψ + ψ10)

Gleichung XIV

B2 = (1 + ε(ψ))b(r, z – s)sin(N2ψ + ψ20)
wobei:

s

die axiale Beabstandung von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Codering ist;

b(r,z) und b(r,z – s)

Funktionen sind, die die Dämpfung der Magnetfelder über dem Abstand jedes Polrads beschreiben; und

(1 + ε)

eine stärkere Feldamplitude des zweiten Polrings beschreibt (falls ε positiv ist).

Ein positives ε kann erreicht werden durch bestimmte Abstandsvariationen der Magnetisierung oder Dickenmodulation des Coderings entlang seinem Umfang. Die Terme ψ₁₀ und ψ₂₀ berücksichtigen die Winkelposition jedes Coderings auf dem Rad (z. B. Montagetoleranz). Die Summe der Magnetfelder für ein kleines ε(ψ) ist wie folgt:
Gleichung XV
Der Quadratwurzelterm der obigen Gleichung ist die Hüllkurve des Magnetfeldmusters, das mit einer niedrigen Frequenz wie folgt moduliert ist:
Gleichung XVI

cos2(N₂ – N₁2 ψ)

Die Trägerfrequenz des Magnetfeldmusters ist durch den Sinusterm in der obigen Gleichung gegeben. Der Sinusterm ist der Hochfrequenzabschnitt wie folgt:
Gleichung XVII

sin(N₂ + N₁2 ψ)

Die Wellenform ist amplitudenmoduliert mit der Niederfrequenzsinuswelle, die auf eine Hochfrequenzsinuswelle moduliert ist. Die Hüllkurve verschwindet oder geht zu Null bei ungeraden Mehrfachen von ψ = π/(N₂ – N₁), falls b(r, z) = (1 + ε(ψ))b(r, z – s). Falls ein einzelnes Sensorelement verwendet wird und falls die Amplitude verschwindet, verliert das Erfassungssystem auch seine Nulldurchgänge. Um dies zu verhindern, kann ε absichtlich auf 10% bis 30% gesetzt werden (während der Sensor grob in die Mitte zwischen dem ersten und zweiten Codering gesetzt wird, so dass b(r, z) = b(r, z – s)). Dann verschwindet die Hüllkurve von B₁ + B₂ nie, wie es in der folgenden 13 dargestellt ist.
13 ist ein Diagramm 130, das ein Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern und eine Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds darstellt, das durch einen Winkelsensor erfasst wird, wie z. B. den Winkelsensor 300c, der vorher mit Bezugnahme auf 12 beschrieben und dargestellt wurde. Das Diagramm 330 zeigt ψ in Grad auf der x-Achse 132 an. Das Diagramm 330 zeigt die Amplitude des Magnetfelds (B₁) von einem ersten Codering, die Amplitude des Magnetfelds (B₂) von einem zweiten Codering und die Amplitude des Gesamtmagnetfelds (B_total) auf der y-Achse 134 an. Das Diagramm 330 zeigt die Amplitude der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds auf der y-Achse 136 an.
Das Magnetfeld des ersten Coderings ist bei 332 für einen Codering angezeigt, bei dem N gleich 32 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Magnetfeld des zweiten Coderings ist bei 334 für einen Codering angezeigt, bei dem N gleich 31 Polpaare ist und die Amplitude gleich 2 ist. Das Gesamtmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird, der zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering positioniert ist, ist bei 336 angezeigt. Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist bei 338 angezeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor näher zu dem Codering mit N = 31 Polpaaren oder die Magnetisierung und Dicke dieses Coderings ist stärker, so dass die Amplitude seines Magnetfelds größer ist als das Magnetfeld des anderen Coderings. Daher ändert sich die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds von 0,5 zu 1,5 und verschwindet nicht für jeden Winkel ψ von 0° bis 360°. Die Hüllkurve ist im Wesentlichen identisch für axiale und azimutale Magnetfeldkomponenten (B_z, B_ψ). Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Gesamtmagnetfeld 32 Perioden in einer Umdrehung. In diesem Fall ist λ = Umfang/max(N₁,N₂), wobei max(N₁,N₂) die größere der beiden Zahlen bezeichnet.
Der Hochfrequenzabschnitt ermöglicht die Messung des Magnetfelds an zwei Positionen auf dem Sensorchip, die λ/4 voneinander beabstandet sind in der Richtung des Umfangs der Coderinge. Die Beabstandung von λ/4 auf dem Sensorchip ist äquivalent zu einer Phasenverschiebung von λ/4/max(N₁,N₂) = 90°/max(N₁,N₂) bezüglich des Drehwinkels. Die Quadratwurzel der Summe der Quadrate beider Magnetfelder liefert eine gute Messung für die Hüllkurve. Daher liefert ein erstes Sensorelement ein erstes Sensorelementsignal (s₁) wie folgt:
Gleichung XVIII

s1 = A(ψ)sinN₂ + N₁2 ψ
und ein zweites Sensorelement liefert ein zweites Sensorelementsignal (s₂) wie folgt:

Gleichung XIX

s2 = A(ψ) sin(N₂ + N₁2 ψ + π/2) = A(ψ)cosN₂ + N₁2 ψ

Daher:
Gleichung XX
Somit kann ein Sensorchip die Hüllkurve messen, während das Rad nach wie vor im Ruhezustand ist. Es gibt keine Notwendigkeit, zu warten, bis das Rad sich um λ gedreht hat. Allgemein, falls das erste Sensorelement das Signal erfasst:
Gleichung XXI

s1(ψ) = Asin(N(ψ – ψ1))
und das zweite Sensorelement erfasst das Signal:

Gleichung XXII

s2(ψ) = Asin(N(ψ – ψ2))
und falls beide Sensorelemente um einen beliebigen Abstand (Δ) getrennt sind:

Gleichung XXIII

Δ = Nλ(ψ2 – ψ1)/(2π)
dann kann die Amplitude bereitgestellt werden durch: Gleichung XXVI

Auf diese Weise, mit zwei Sensorelementen um einen gut definierten Abstand auf einem Sensorchip voneinander beabstandet, kann die Hüllkurve unter Verwendung der obigen Gleichung abgeleitet werden.
14 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Sensorchips 350a darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Sensorchip 350a verwendet, um die Hüllkurve unter Verwendung der obigen Gleichung abzuleiten. Der Sensorchip 350a umfasst ein erstes oder linkes Sensorelement 352 und ein zweites oder rechtes Sensorelement 354. Das erste Sensorelement 352 ist von dem zweiten Sensorelement 354 um einen Abstand Δ beabstandet, wie es bei 356 angezeigt ist. Die Bewegungsrichtung des Magnetfeldmusters ist bei 358 angezeigt.
15 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorchips 350b darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Erfassungssystem widerstandsfähig gegenüber Hintergrundmagnetfeldern, dadurch, dass die Magnetfelder differentiell gemessen werden. Der Sensorchip 350b umfasst ein erstes oder linkes Sensorelement 360, ein zweites oder mittleres Sensorelement 362 und ein drittes oder rechtes Sensorelement 364. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das linke Sensorelement 360 um einen Abstand von λ/4 von dem mittleren Sensorelement 362 beabstandet, wie es durch 366 angezeigt ist. Das rechte Sensorelement 364 ist auch um einen Abstand λ/4 von dem mittleren Sensorelement 362 beabstandet, wie es bei 368 angezeigt ist. Die Bewegungsrichtung des Magnetfeldmusters ist bei 358 angezeigt.
Die Differenz zwischen dem Signal (s_C) des mittleren Sensorelements 362 und dem Signal (s_L) des linken Sensorelements 360 ist um 90° phasenverschoben zu der Differenz zwischen dem Signal (s_R) des rechten Sensorelements 364 und dem Signal (s_C) des mittleren Sensorelements 362. Diese zwei Differenzsignale werden verwendet, um die Hüllkurve unter Verwendung des Folgenden zu bestimmen:
Gleichung XXV
Alle drei Sensorelemente 360, 362 und 364 erfassen die gleiche Komponente des Magnetfelds (z. B. sind dieselben alle Hall-Sensoren, die auf die Magnetfelder senkrecht zu der Chipoberfläche ansprechen). Da Differenzen der Magnetfelder verarbeitet werden, werden homogene Hintergrundmagnetfelder aufgehoben.
16 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorchips 350c darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Magnetfeldsensorelementtypen verwendet, um zwei orthogonale Komponenten des Magnetfelds zu erfassen. Der Sensorchip 350c umfasst ein erstes und linkes Sensorelement 370, ein zweites und rechtes Sensorelement 374, ein drittes und linkes Sensorelement 372 und ein viertes und rechtes Sensorelement 376. Die Bewegungsrichtung des Magnetfeldmusters ist bei 358 angezeigt.
Das erste Sensorelement 370 und das dritte Sensorelement 372 sind an der gleichen Position entlang der Bewegungsrichtung des Magnetfeldmusters positioniert. Das zweite Sensorelement 374 und das vierte Sensorelement 376 sind ebenfalls an der gleichen Position entlang der Bewegungsrichtung des Magnetfeldmusters positioniert. Bei einem Ausführungsbeispiel sind das erste Sensorelement 370 und das dritte Sensorelement 372 um einen Abstand λ/4 von dem zweiten Sensorelement 374 und dem vierten Sensorelement 376 beabstandet, wie es bei 378 angezeigt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind das erste Sensorelement 370 und das zweite Sensorelement 374 Hall-Sensorelemente, die die Komponente des Magnetfelds erfassen, die senkrecht (bezeichnet durch ⊥) zu der Chipoberfläche ist. Das zweite Sensorelement 372 und das vierte Sensorelement 376 sind magnetoresistive Sensorelemente, die die Komponente des Magnetfelds erfassen, die parallel (bezeichnet durch //) zu der Bewegungsrichtung des Magnetmusters ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Amplitude gegeben durch: Gleichung XXVI
wobei:

s_R⊥ – s_L⊥: die Differenz zwischen den Signalen des ersten Sensorelements 370 und des zweiten Sensorelements 374 ist; und
s_R// – s_L//: die Differenz zwischen den Signalen des dritten Sensorelements 372 und des vierten Sensorelements 376 ist.

Falls die Hüllkurve klein ist, ist der Winkel etwa 180°, wie es in 13 dargestellt ist. Falls die Hüllkurve groß ist, ist der Winkel etwa 0°. Obwohl der Magnetfeldsensor den Winkel ψ absolut messen kann, ist der Wert der Hüllkurve nicht eindeutig im gesamten Bereich einer Drehung (d. h. die Hüllkurve ist identisch für 90° und 270°). Außerdem wird bei 0° und 180° die Neigung der Hüllkurve über dem Winkel klein, was das Erfassen der Hüllkurve bei und nahe diesen Winkeln schwieriger macht als bei anderen Winkeln. Somit kann die Hüllkurve zwischen 60° und 160° und zwischen 200° und 300° leicht erfasst werden. Um dieses Problem anzugehen, können die kleinen geneigten Bereiche von –60° bis 60° und von 160° bis 200° durch einen zweiten Magnetfeldsensor bedeckt werden, der von dem ersten Magnetfeldsensor um etwa 90° bis 120° verschoben ist entlang dem Umfang des Coderings, wie es in der folgenden 17 dargestellt ist.
17 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 300d darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Winkelsensor 300d den Sensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Winkelsensor 300d ist ähnlich wie der Winkelsensor 300c, der vorher mit Bezugnahme auf 12 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Winkelsensor 300d einen zusätzlichen Magnetfeldsensor 380 umfasst. Der Magnetfeldsensor 380 ist etwa 90° bis 120° entlang dem Umfang der Coderinge 306c und 312c platziert.
Mit zwei Magnetfeldsensoren verschoben entlang dem Umfang um einen Winkel (δ) kann die absolute Winkelposition erhalten werden durch Vergleichen der zwei Hüllkurven wie folgt. Die Hüllkurve (A₁) des ersten Magnetfeldsensors positioniert bei 0° wird bereitgestellt durch:
Gleichung XXVII
Die Hüllkurve (A₂) des zweiten Sensors positioniert bei δ⁰ wird bereitgestellt durch:
Gleichung XXVIII
Falls ε(ψ) = 0 und b(r, z) = b(r, z – s), sind die zwei Hüllkurven proportional zu: Gleichung XXIX
Gleichung XXX
Durch die Verwendung von goniometrischen Identitäten wird von diesen beiden Gleichungen das Folgende abgeleitet:
Gleichung XXXI
Daher sind der Sinus- und Kosinusterm: Gleichung XXXII
Gleichung XXXIII
Von diesen Gleichungen wird das Argument (N₂ – N₁)/(2ψ) berechnet unter Verwendung von CORDIC-Algorithmen oder eines anderen geeigneten Verfahrens. Für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel, bei dem δ = π/(N₂ – N₁), werden die Gleichungen wie folgt vereinfacht:
Gleichung XXXIV
Gleichung XXXV
Falls N₂ = N₁ + 1, stellt die folgende 18 die zwei Kurven über dem Drehwinkel dar.
18 ist ein Diagramm 390, das ein Ausführungsbeispiel der Hüllkurve von jeweils zwei Magnetfeldern darstellt. Das Diagramm 390 umfasst ψ in Grad auf der x-Achse 392 und die Amplitude der Hüllkurven A₁(ψ) und A₂(ψ) auf der y-Achse 394. Die Kurve 396 stellt die Hüllkurve für A₁(ψ) dar und die Hüllkurve 398 stellt die Hüllkurve für A₂(ψ) dar. Durch Vergleichen von A₁(ψ) und A₂(ψ) wird die absolute Winkelposition erhalten.
Eine Verschiebung von δ = π/(N₂ – N₁) liefert die Anordnung, die in der folgenden 19 dargestellt ist. 19 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 300e darstellt. Bei einem Ausführunsgsbeispiel stellt der Winkelsensor 300e den Sensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Winkelsensor 300e ist ähnlich wie der Winkelsensor 300c, der vorher mit Bezugnahme auf 12 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Winkelsensor 300e einen zusätzlichen Magnetfeldsensor 380 umfasst. Der Magnetfeldsensor 380 ist etwa 180° entlang dem Umfang der Coderinge 306c und 312c platziert.
Wenn mehr als ein Magnetfeldsensor verwendet wird, werden die Magnetfeldsensoren synchronisiert, so dass ihre Ausgaben die Position der Coderinge zur gleichen Zeit reflektieren. Falls die Position der Welle nicht gut definiert ist aufgrund von Spiel der Lager oder Abnutzung, kann eine Coderinganordnung mit 180° Symmetrie verwendet werden. Die 180°-Symmetrie kann bereitgestellt werden durch Einstellen von N₂ = N₁ + 2. Das Magnetfeldmuster bei diesem Ausführungsbeispiel liefert eine doppelte Periodizität, da N₂ – N₁ = 2.
20 ist ein Diagramm 400, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfeldern darstellt und eine Hüllkurve eines Gesamtmagnetfelds, das durch einen Winkelsensor erfasst wird, wie z. B. den Winkelsensor 300e, der vorher mit Bezugnahme auf 19 beschrieben und dargestellt wurde. Das Diagramm 400 zeigt ψ in Grad auf der x-Achse 132 an. Das Diagramm 400 zeigt die Amplitude des Magnetfelds (B₁) von einem ersten Codering, die Amplitude des Magnetfelds (B₂) von einem zweiten Codering und die Amplitude des Gesamtmagnetfelds (B_total) auf der y-Achse 134 an. Das Diagramm 400 zeigt die Amplitude der Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds auf der y-Achse 136 an.
Das Magnetfeld des ersten Coderings ist bei 402 für ein Codering angezeigt, bei dem N gleich 32 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Magnetfeld des zweiten Coderings ist bei 404 für einen Codering angezeigt, bei dem N gleich 30 Polpaare ist und die Amplitude gleich 1 ist. Das Gesamtmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird, der zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering positioniert ist, ist bei 406 angezeigt. Die Hüllkurve des Gesamtmagnetfelds ist bei 408 angezeigt.
Die Hüllkurve, die bei 408 angezeigt ist, ist periodisch mit einer Periode von 180°. Falls daher zwei Magnetfeldsensoren direkt einander gegenüber platziert sind, wie es in 19 dargestellt ist, erfassen beide Sensoren im Wesentlichen das gleiche Magnetfeld. Falls sich jedoch die Achse nach rechts bewegt, verringert sich der Abstand zu dem rechten Sensor, während sich der Abstand zu dem linken Sensor erhöht. Eine Auswertung des Mittelwerts beider Sensorausgaben ist unabhängig von der lateralen Bewegung der Welle. Daher ist das Erfassungssystem widerstandsfähig gegenüber Spiel von Lager oder Abnutzung.
21 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 420 darstellt. Der Winkelsensor 420 umfasst einen ersten Codering 428, einen zweiten Codering 422 und einen Magnetfeldsensor 434. Der erste Codering 428 umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 430 und Südpolen 432, um eine erste Mehrzahl von Polpaaren bereitzustellen. Der zweite Codering 422 umfasst eine Mehrzahl von Nordpolen 426 und Südpolen 424, um eine zweite Mehrzahl von Polpaaren bereitzustellen. Der erste Codering 428 umfasst eine andere Anzahl von Polpaaren als der zweite Codering 422.
Der erste Codering 428 umfasst eine erste Polperiode λ₁, wie es bei 462 angezeigt ist, und eine erste Dicke t₁, wie es bei 458 angezeigt ist. Der zweite Codering 422 umfasst eine zweite Polperiode λ₂, wie es bei 460 angezeigt ist, und eine zweite Dicke t₂, wie es bei 454 angezeigt ist. Die zweite Polperiode λ₂ ist geringer als die erste Polperiode λ₁, und die zweite Dicke t₂ ist geringer als die erste Dicke t₁. Der axiale Abstand (s) zwischen dem ersten Codering 428 und dem zweiten Codering 422 ist bei 456 angezeigt. Eine Flusslinie des ersten Coderings 428 ist bei 452 angezeigt. Die Drehachse ist bei 464 angezeigt.
Der Magnetfeldsensor 434 ist ein Chip, der ein erstes linkes Sensorelement (s_1L) 440, ein erstes rechtes Sensorelement (s_1R) 442, ein zweites linkes Sensorelement (s_2L) 436 und ein zweites rechtes Sensorelement (s_2R) 438 umfasst. Die Sensorelemente umfassen planare oder vertikale Hallsensorelemente oder magnetoresistive Sensorelemente, wie z. B. AMR, GMR, TMR und XMR. Das erste linke Sensorelement 440 ist von dem ersten rechten Sensorelement 442 um einen ersten Abstand (d₁) getrennt, wie es bei 448 angezeigt ist. Das zweite linke Sensorelement 436 ist von dem zweiten rechten Sensorelement 438 um einen zweiten Abstand (d₂) getrennt, wie es bei 466 angezeigt ist. Die Normale des Sensorchips 434 zeigt in die radiale Richtung des ersten Coderings 428 und des zweiten Coderings 422. Die Mitte des Sensorchips 434 ist von der Mitte des ersten Coderings 428 um einen Abstand (g) getrennt, wie es bei 450 angezeigt ist.
Da Magnetfelder mit dem Abstand schnell abklingen, erfassen bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorelemente 436 und 438 nur Magnetfelder von dem zweiten Codering 422, während die Sensorelemente 440 und 442 nur Magnetfelder von dem ersten Codering 428 erfassen. Die Sensorelemente 436 und 438 erfassen den Winkel N₂ψ durch eines der zwei oben beschriebenen Verfahren.
Für das erste Verfahren wird die gleiche Magnetfeldkomponente an zwei Punkten gemessen, die um ein Viertel der Magnetperiode voneinander beabstandet sind, wobei d₂ = λ₂/4. Dies liefert In-Phase- und Quadraturkomponenten der Magnetfeldkomponenten wie folgt:
Gleichung XXXVI

s2L = b2(r, z)sin(N2ψ + ψ20)

Gleichung XXXVII

s2R = b2(r, z)sin(N2ψ + ψ20 + π/2) = b2(r,z)cos(N2 + ψ20)

Mit diesen zwei Werten wird das Argument N₂ψ + ψ₂₀ bis zu einem ganzzahligen Mehrfachen von 2π berechnet. Da sich diese Berechnung nur auf das Verhältnis beider Werte bezieht, ist die Berechnung widerstandsfähig gegenüber Lebenszeitverschiebung des Magnetmoments (d. h. Änderung bei b₂(r, z), da dieser Term in der Berechnung aufgehoben wird.
Für das zweite Verfahren werden zwei orthogonale Feldkomponenten an dem gleichen Punkt gemessen. Orthogonale Feldkomponenten eines Coderings sind immer 90° phasenverschoben und haben eine identische Amplitude b₂(r, z). Die Komponenten des Magnetfelds sind wie folgt:
Gleichung XXXVIII

s2⊥ = b2(r,z)sin(N2ψ + ψ20)

Gleichung XXXIX

s2// = b2(r, z)cos(N2ψ + ψ20)

Die dritte Magnetfeldkomponente, die viel kleiner ist als die anderen beiden, wird gelöscht. Dieses Verfahren verwendet zwei Magnetfeldsensortypen, die auf orthogonale Magnetfeldkomponenten ansprechen, und beide Sensortypen sind bezüglich zueinander kalibriert. Das Sensorsystem berechnet den Arkustangens der In-Phase- und Quadraturkomponenten, um N₂ψ zu bestimmen, das bis zu Ganzzahlwerten von 2π nicht eindeutig ist. Daher werden die Sensorelemente 436 und 438 verwendet, um den Drehwinkel wie folgt zu bestimmen:
Gleichung XL

ψ = arctan(s2L/s2R) + 2πk2/N2
wobei:

k₂

eine unbekannte Ganzzahl ist.

Analog werden Sensorelemente 440 und 442 verwendet, um den Drehwinkel wie folgt zu bestimmen:
Gleichung XLI

ψ = arctan(s1L/s1R) + 2πk1/N1
wobei:

k₁

eine unbekannte Ganzzahl ist.

Ein Algorithmus wird verwendet, um k₁ und k₂ zu bestimmen und dann ψ abzuleiten. Der Algorithmus ist in der Technik bekannt und daher nicht Teil dieser Erfindung.
22 ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors 470 darstellt. Der Winkelsensor 470 umfasst ein erstes Zahnrad 478, ein zweites Zahnrad 472, einen Magnetfeldsensor 488 und einen Permanentmagneten 498. Der Permanentmagnet 498 ist an der Rückseite des Magnetfeldsensors 488 befestigt. Zahnräder 478 und 472 und der Permanentmagnet 498 werden statt den oben beschriebenen Coderingen verwendet.
Das erste Zahnrad 478 umfasst eine erste Mehrzahl von Zähnen 482 und Zwischenräume 480 zwischen den Zähnen. Das zweite Zahnrad 472 umfasst eine zweite Mehrzahl von Zähnen 476 und Zwischenräumen 474 zwischen den Zähnen. Das erste Zahnrad 478 umfasst eine andere Anzahl von Zähnen als das zweite Zahnrad 472. Das erste Zahnrad 478 umfasst eine erste Zahnperiode, wie es bei 486 angezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die erste Zahnperiode λ₁/4. Das zweite Zahnrad 472 umfasst eine zweite Zahnperiode, wie es bei 484 angezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite Zahnperiode λ₂/4. Die zweite Zahnperiode ist geringer als die erste Zahnperiode. Die Drehachse ist bei 464 angezeigt. Der Magnetfeldsensor 488 ist ein Chip, der ein erstes linkes Sensorelement (s_1L) 494, ein erstes rechtes Sensorelement (s_1R) 496, ein zweites linkes Sensorelement (s_2L) 490 und ein zweites rechtes Sensorelement (s_2R) 492 umfasst.
Die Welle, an der beide Zahnräder 478 und 472 befestigt sind, dreht sich, so dass sich die Zähne bei gleicher Geschwindigkeit bewegen. Das Material der Zahnräder 478 und 472 ist weichmagnetisches Material mit hoher Permeabilität von mehr als 100, wie z. B. 4.000 für reines Eisen. Der Permanentmagnet 498 wird in der Richtung der Drehachse 464 oder in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Drehachse 464 polarisiert. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 498 wird durch das Vorliegen von Zähnen beeinflusst. Jedes Mal, wenn ein Zahn in der Nähe ist, erhöht sich das Magnetfeld, während sich das Magnetfeld verringert, wenn ein Zwischenraum in der Nähe ist. Die Beabstandung der Zähne des zweiten Zahnrads 472 ist geringer als die Beabstandung der Zähne des ersten Zahnrads 478, so dass der Magnetabstand des zweiten Zahnrads 472 geringer ist als der Magnetabstand des ersten Zahnrads 478.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 490 und 492 ein Viertel des Magnetabstands des zweiten Zahnrads 472 beabstandet. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 494 und 496 ein Viertel des Magnetabstands des ersten Zahnrads 478 beabstandet. Die Signalverarbeitung zum Bestimmen des Winkels ψ, wenn Zahnräder 478 und 472 verwendet werden, ist ähnlich wie die Signalverarbeitung, wenn permanent-magnetisierte Coderinge verwendet werden, wie es vorher beschrieben wurde.
Ausführungsbeispiele liefern Sensoren zum Erfassen der Position oder des Winkels einer Welle. Bei einem Ausführungsbeispiel sind zwei Coderinge mit etwas unterschiedlichen Polgrößen nahe zueinander positioniert. Einer der Coderinge wird bezüglich des anderen Coderings um eine kleine Verschiebung bewegt (z. B. Deformation einer Welle). Ein Magnetfeldsensor, der zwischen die zwei Coderinge platziert ist, misst das Interferenzmuster der Magnetfelder beider Coderäder und bestimmt die Deformation. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden zwei Zielringe (entweder Permanentmagnetpolringe oder weichmagnetische Zahnringe) an einem Rotor befestigt und ein Magnetfeldsensor wird zwischen die beide Ringe positioniert und an einem Stator befestigt (oder umgekehrt). Die Zielringe haben eine unterschiedliche Anzahl von Polen oder Zähnen. Der Magnetfeldsensor erfasst Überlagerung der Magnetfelder beider Ringe oder erfasst jedes Magnetfeld getrennt und kombiniert dieselben in einer Signalverarbeitungseinheit. Auf diese Weise kann der Drehwinkel in dem Bereich von 0° bis 360° in Echtzeit bestimmt werden.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurden, ist es für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet klar, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anwendung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist diese Erfindung nur durch die Ansprüche und Äquivalente derselben begrenzt.

Claims

Vorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: eine Welle (302); einen ersten Codering, der eine erste Anzahl von Polpaaren umfasst, wobei der erste Codering an der Welle (302) befestigt ist; einen zweiten Codering, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die sich von der ersten Anzahl unterscheidet, wobei der zweite Codering an der Welle (302) befestigt ist und von dem ersten Codering beabstandet ist; und einen ersten Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Erfassen einer ersten Überlagerung von Magnetfeldern, die durch den ersten Codering und den zweiten Codering bereitgestellt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die zweite Anzahl von Polpaaren um eins geringer ist als die erste Anzahl von Polpaaren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Codering fest ist in Bezug auf den zweiten Codering.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste Codering ein erstes Coderad (114) umfasst, und bei der der zweite Codering ein zweites Coderad (120) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Welle (302) deformierbar ist, so dass sich das erste Coderad (114) in Bezug auf das zweite Coderad (120) dreht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der zweite Codering (312c) axial beabstandet ist von dem ersten Codering (306c).
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der erste Codering (306a) und der zweite Codering (312b) auf dem gleichen Rad (304a) sind, das an der Welle (302) befestigt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der der zweite Codering radial beabstandet ist von dem ersten Codering.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der der erste Codering (306b) und der zweite Codering (312b) koplanar sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der erste Magnetfeldsensor einen Chip umfasst, der ein erstes Sensorelement und cm zweites Sensorelement umfasst, das von dem ersten Sensorelement beabstandet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der Chip ein drittes Sensorelement umfasst, das von dem zweiten Sensorelement beabstandet ist, um einen Differentialmagnetfeldsensor bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der der Chip ein drittes Sensorelement umfasst, das von dem zweiten Sensorelement beabstandet ist, und ein viertes Sensorelement, das von dem dritten Sensorelement beabstandet ist, um einen Differentialmagnetfeldsensor zu liefern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der der Chip ein drittes Sensorelement, das an dem ersten Sensorelement positioniert ist, und ein viertes Sensorelement umfasst, das an dem zweiten Sensorelement positioniert ist, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement eine erste Komponente eines Magnetfelds erfassen, und wobei das dritte Sensorelement und das vierte Sensorelement eine zweite Komponente des Magnetfelds orthogonal zu der ersten Komponente erfassen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der erste Magnetfeldsensor zumindest entweder ein Hallsensorelement oder ein magnetoresistives Sensorelement umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner folgende Merkmale umfasst: einen zweiten Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Erfassen einer zweiten Überlagerung von Magnetfeldern, die durch den ersten Codering und den zweiten Codering bereitgestellt werden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, die ferner folgende Merkmale umfasst: einen Permanentmagneten (498), der an dem ersten Magnetfeldsensor (488) befestigt ist, wobei der erste Codering ein erstes Zahnrad (478) umfasst; und wobei der zweite Codering ein zweites Zahnrad (472) umfasst.
Vorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: eine Welle (302); einen ersten Codering, der eine erste Anzahl von Polpaaren umfasst, wobei der erste Codering an der Welle (302) befestigt ist; einen zweiten Codering, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die sich von der ersten Anzahl unterscheidet, wobei der zweite Codering an der Welle (302) befestigt ist und von dem ersten Codering beabstandet ist; einen ersten Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Erfassen eines ersten Magnetfelds, das durch den ersten Codering bereitgestellt wird, und eines zweiten Magnetfelds, das durch den zweiten Codering bereitgestellt wird; und eine Schaltung, die konfiguriert ist, um eine Position der Welle (302) zu bestimmen basierend auf dem erfassten ersten Magnetfeld und dem erfassten zweiten Magnetfeld.
Vorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Codestreifen (208), der erste Polpaare mit einer ersten Polperiode umfasst; einen zweiten Codestreifen (202), der zweite Polpaare mit einer zweiten Polperiode umfasst, die sich von der ersten Polperiode unterscheidet, wobei der zweite Codestreifen (202) von dem ersten Codestreifen (208) beabstandet ist; und einen Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Codestreifen (208) und dem zweiten Codestreifen (202) zum Erfassen einer Überlagerung von Magnetfeldern, die durch den ersten Codestreifen (208) und den zweiten Codestreifen (202) bereitgestellt werden.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Position, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten Coderings, der eine erste Anzahl von Polpaaren umfasst, wobei der erste Codering an einer Welle (302) befestigt ist; Bereitstellen eines zweiten Coderings, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die sich von der ersten Anzahl unterscheidet, wobei der zweite Codering an der Welle (302) befestigt ist und von dem ersten Codering beabstandet ist; und Erfassen eines ersten Magnetfeldinterferenzmusters zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Bestimmen einer Position der Welle (302).
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Bereitstellen des zweiten Coderings das Bereitstellen eines zweiten Coderings umfasst, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die um eins geringer ist als die erste Anzahl von Polpaaren.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem das Erfassen des ersten Magnetfeldinterferenzmusters das Erfassen einer ersten Magnetfeldinterferenzmusterkomponente parallel zu der Welle (302) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem das Erfassen des ersten Magnetfeldinterferenzmusters das Erfassen einer ersten Magnetfeldinterferenzmusterkomponente senkrecht zu der Welle (302) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, das ferner folgenden Schritt umfasst: Erfassen eines zweiten Magnetfeldinterferenzmusters zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering zum Bestimmen der Position der Welle (302).
Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem das Bereitstellen des zweiten Coderings das Bereitstellen eines zweiten Coderings umfasst, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die um zwei geringer ist als die erste Anzahl von Polpaaren, und bei dem das Erfassen des zweiten Magnetfeldinterferenzmusters das Erfassen des zweiten Magnetfeldinterferenzmusters zwischen dem ersten Codering und dem zweiten Codering an einer Position gegenüber einer Position umfasst, an der das erste Magnetfeldinterferenzmuster erfasst wird.
Verfahren zum Bestimmen einer Position, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten Coderings, der eine erste Anzahl von Polpaaren umfasst, wobei der erste Codering an einer Welle (302) befestigt ist; Bereitstellen eines zweiten Coderings, der eine zweite Anzahl von Polpaaren umfasst, die sich von der ersten Anzahl unterscheidet, wobei der zweite Codering an der Welle (302) befestigt ist und von dem ersten Codering beabstandet ist; Erfassen eines ersten Magnetfelds, das durch den ersten Codering bereitgestellt wird, und eines zweiten Magnetfelds, das durch den zweiten Codering bereitgestellt wird; und Bestimmen einer Position der Welle (302) basierend auf dem erfassten ersten Magnetfeld und dem erfassten zweiten Magnetfeld.