DE102010019484B4

DE102010019484B4 - Sensoranordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102010019484B4
Application number: DE102010019484A
Authority: DE
Inventors: Kurt Riedmüller; Thomas Oswald
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: DE102010019484A1; DE102010019484B9; US20110273172A1; US9212934B2

Abstract

Sensoranordnung, umfassend – mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (SM1) und einen zweiten Magnetfeldsensor (SM2), – eine Signalverarbeitungseinrichtung (PROC), die dazu ingerichtet ist, ein Minimalsignal (MIN) und ein Maximalsignal (MAX) des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors (SM1, SM2) über den Messbereich (FSR) der Sensoranordnung festzustellen, und – ein Auswahlmittel (MOV) mittels dessen in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals (MIN, MAX) der erste oder zweite Magnetfeldsensor (SM1, SM2) auswählbar ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung.
Kontaktlose und kostengünstige Positionsbestimmungen sind möglich durch eine Kombination eines handelsüblichen Magneten oder Magnetstreifens mit einem Magnetfeldsensor (typischerweise einem Hall-Element). Ist die Magnetfeldquelle drehbar gegenüber dem Sensor gelagert, so ermöglicht eine solche Anordnung eine kontaktlose Winkelbestimmung. Ist die Magnetfeldquelle hingegen linear entlang einer Bewegungsachse bewegbar, so ist eine eindimensionale Positionsbestimmung möglich. Grundsätzlich unterscheidet man in diesem Zusammenhang unipolare und bipolare Anordnungen, je nachdem, ob ein einzelner Magnetpol oder mehrere Magnetpole zur Messung herangezogen werden.
1A zeigt eine bipolare Anordnung einer Magnetfeldquelle N, S und eines Magnetfeldsensors SM1. Die Magnetfeldquelle N, S ist beispielsweise ein Stabmagnet und entlang einer Bewegungsachse X relativ zum Magnetfeldsensor SM1 bewegbar. Der Magnetfeldsensor SM1 ist üblicherweise ein Hall-Element. In 1A ist eine charakteristische Messkurve für die beschriebene Anordnung gezeigt. Die Grafik zeigt die Magnetfeldstärke B (gemessen in mT) aufgetragen gegen Positionen entlang der Bewegungsachse X (gemessen in mm). Die resultierende Magnetfeldfunktion BX weist mehrere charakteristische Punkte auf. Das Minimum des Magnetfeldes BMIN entspricht dem Minimum der Magnetfeldfunktion BX und das Maximum des Magnetfeldes BMAX entspricht dem Maximum der Magnetfeldfunktion BX. Diese Punkte korrespondieren in gewissem Sinn mit den einzelnen Polen der Magnetfeldquelle N, S. Zwischen dem Minimum und dem Maximum des Magnetfeldes BMIN, BMAX verläuft die Magnetfeldfunktion BX nahezu linear und durch den Magnetfeldursprung B0. Der Magnetfeldursprung B0 ist dadurch charakterisiert, dass an ihm idealerweise die Magnetfeldfunktion BX identisch Null ist. Der Magnetfeldursprung B0 charakterisiert weiterhin den Fall, bei dem die Magnetfeldquelle N, S mittig über dem Magnetfeldsensor SM1 entlang der Bewegungsachse X steht. In der Praxis ist in diesem Punkt der Messwert der Magnetfeldfunktion BX in der Regel nicht identisch Null, sondern durch sekundäre Effekte wie Temperatur- und Fertigungstoleranzen des Magnetfeldsensors SM1, sowie dem Abstand zwischen Magnetfeldsensor SM1 und Magnetfeldquelle N, S (der so genannte Luftspalt oder Airgap) beeinflusst. Durch diese Effekte ist in der Regel das Signal vom Magnetfeldsensor SM1 nicht identisch Null.
Die zentrale Größe für Anwendungen der bipolaren wie unipolaren Sensoranordnungen für Winkel- wie auch lineare Positionsbestimmung ist die Auflösung (für einen gegebenen Luftspalt). Die Auflösung selbst ist wiederum abhängig von einer Verstärkung G der Sensoranordnung, die bestimmt ist durch die Ausgangsspannung VOUT des Magnetfeldsensors SM1 und der Magnetfeldstärke B: G = VOUT / B.
Für eine optimale Verstärkung G und damit eine optimale Auflösung ist es von besonderer Wichtigkeit im linearen Bereich der Magnetfeldfunktion BX über einen Bewegungsbereich XMIN, XMAX der Magnetfeldquelle N, S zu bleiben. Dazu ist es notwendig, einen minimalen Endpunkt XMIN der Bewegung der Magnetfeldquelle N, S und einen maximalen Endpunkt XMAX zu kennen. Durch geeignete Wahl des Bewegungsbereiches XMIN, XMAX kann der volle Messbereich FSR der Sensoranordnung zwischen einer oberen und einer unteren Messbereichsgrenze FSRMIN, FSRMAX ausgefüllt werden. Die untere und obere Messbereichsgrenze FSRMIN, FSRMAX sind dabei im Allgemeinen von dem verwendeten Magnetfeldsensor SM1 sowie von den verwendeten Komponenten der Signalverarbeitung abhängig. In diesem Sinne wird im Folgenden vom Messbereich bzw. den Messbereichsgrenzen der Sensoranordnung oder kurz Messbereich bzw. Messbereichsgrenzen gesprochen.
Die 1B zeigt eine charakteristische Magnetfeldkennlinie BCH, die aus der Ausgangsspannung VOUT des Magnetfeldsensors SM1 als Funktion der Magnetfeldstärke B abgeleitet ist. Da in der Regel der Magnetfeldsensor SM1 ein Hall-Element oder ein ähnlicher Sensor ist, ist die Magnetfeldstärke B proportional zur Position entlang der Bewegungsachse X. Das Ziel ist es nun, den Messbereich FSR so innerhalb des Bewegungsbereichs XMIN, XMAX der Magnetfeldquelle N, S zu platzieren, dass die Magnetfeldkennlinie BCH möglichst linear bzw. auf einer idealen linearen Kennlinie BLIN komplett innerhalb des Messbereiches FSR zu liegen kommt.
Herkömmliche Sensoranordnungen der vorgestellten Art führen beim Einschalten eine Kompensation der Empfindlichkeit und von Luftspaltvariationen durch und durchfahren zunächst den kompletten Bewegungsbereich XMIN, XMAX. Aufgrund charakteristischer Messwerte wird die Empfindlichkeit angepasst oder vom Benutzer eingestellt. Im Idealfall ist eine mechanische Nullposition innerhalb des Bewegungsbereichs XMIN, XMAX identisch mit dem magnetischen Ursprung B0, sodass sich die ideale lineare Kennlinie BLIN ergibt und optimal im Messbereich FSR platziert ist. Aufgrund mechanischer Toleranzen ist jedoch meist der Bewegungsbereich XMIN, XMAX nicht optimal zentriert und der Messbereich FSR nicht geeignet ausgenutzt.
Aufgrund dieser Effekte wird in der Regel die Empfindlichkeit des Sensors so weit reduziert, dass ein möglichst großer Bereich der Kennlinie BCH innerhalb des Messbereiches zu liegen kommt. Dadurch verringern sich jedoch die Verstärkung und damit die mögliche Auflösung der Sensoranordnung. Beispielsweise ergibt für einen Bewegungsbereich XMIN, XMAX von +/–250 μm und einer mechanischen Verschiebung von +/–100 μm eine Verringerung der Auflösung des Systems um fast einen Faktor 2. Auch ist durch die Reduzierung der Empfindlichkeit allein nicht gewährleistet, dass auch die entsprechende Magnetfeldkennlinie BCH innerhalb des Messbereiches FSR in genügendem Maße linear ist.
WO 2009/052537 zeigt eine Methode und eine Sensoranordnung zur berührungslosen Abtastung von Rotation und Winkellage mit einem Tracking-System. Die Vorrichtung basiert auf mehreren Magnetfelderfassungselementen, die an verschiedenen Positionen unter einen magnetischen Ziel angeordnet sind. Die gemessenen Signale werden verwendet, um die Sensorelemente zu wählen oder zu kombinieren, um die tatsächliche Orientierung des Magneten zu bestimmen. Dazu wird die Ausrichtung zunächst als ein grober Wert bestimmt und die restliche Verschiebung als feiner Wert ergänzt.
US 2002/052537 A1 zeigt ebenfalls eine Sensoranordnung zur berührungslosen Abtastung einer Rotation. Eine Drehwelle weist Rotationssensoren auf, die direkt auf der Welle befestigt und Paare von diametral entgegengesetzten Magnetfeldsensoren bilden. Die Magnetfeldsensoren bilden innerhalb gewisser Grenzen Sensorpaarbereiche ab und in Verbindung mit einer Kommutierungslogik kann aus einem linearen Winkellagesignal oder aus einer stückweisen Differenzierung ein analoges Positionssignal generiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung bereitzustellen, das Störeinflüsse auf die Empfindlichkeit des Sensors reduziert.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung umfasst mindestens einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor. Darüber hinaus umfasst die Sensoranordnung eine Signalverarbeitungseinrichtung sowie ein Auswahlmittel, die jeweils mit dem ersten und zweiten Magnetfeldsensor verbunden sind.
Mit dem ersten oder zweiten Magnetfeldsensor werden beispielsweise in Abhängigkeit einer zur Sensoranordnung bewegbaren Magnetfeldquelle entsprechende Sensorsignale über den Messbereich der Sensoranordnung gemessen. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, beispielsweise durch einen Komparator oder eine Logik, ein Minimalsignal und ein Maximalsignal des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors innerhalb des Messbereichs festzustellen. Dies kann beispielsweise zu gegebenen Positionen der bewegbaren Magnetfeldquelle entlang einer Bewegungsachse geschehen. In Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors wird der erste oder zweite Magnetfeldsensor mittels des Auswahlmittels ausgewählt.
Bevorzugt erfolgt die Auswahl eines der Magnetfeldsensoren nachdem in einem ersten Schritt die Verstärkung der Sensoranordnung geeignet eingestellt wurde. Die Verstärkung wird dann im Zuge der Auswahl konstant gehalten.
Vorteilhafterweise ist es mittels des Auswahlmittels möglich, einen der beiden Magnetfeldsensoren, beispielsweise während einer Initialisierung beim Start der Sensoranordnung, für eine folgende Messung auszuwählen. Der Vergleich mit dem Minimalsignal und dem Maximalsignal ermöglicht dabei diese Auswahl mit Hinblick auf einen optimalen Messwertbereich durchzuführen. So kann die Auswahl in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals beispielsweise berücksichtigen, dass die der lineare Anteil der Magnetfeldkennlinie des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors möglichst innerhalb des Messwertbereiches zu liegen kommt. Auf diese Weise ist es möglich, mechanische Intoleranzen und andere Störfaktoren zu reduzieren und somit die Empfindlichkeit beziehungsweise Auflösung der Sensoranordnung zu verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung ist die Signalverarbeitungseinrichtung mittels eines Signalausgangs mit einer Recheneinheit verbunden. Ferner ist die Recheneinheit mittels einer Schnittstelle an das Auswahlmittel gekoppelt. Die Recheneinheit umfasst beispielsweise einen Mikroprozessor oder eine geeignete integrierte Schaltung, wie einen ASIC (ASIC: Application Specific Integrated Circuit).
Die Signalverarbeitungseinrichtung generiert auf Basis von Sensorsignalen ein Ausgangssignal, welches bevorzugt am Signalausgang bereitgestellt wird. Entsprechend können auch das Minimal- und Maximalsignal am Signalausgang ausgegeben werden. Die Recheneinheit verarbeitet die Ausgangssignale beziehungsweise das Minimal- und Maximalsignal nach Vorgabe oder Eingriff eines Benutzers. Als Folge dieser Verarbeitung wählt das Auswahlmittel, beispielsweise mittels eines Steuersignals, den ersten oder zweiten Magnetfeldsensor aus.
Alternativ kann das Auswahlmittel auch über entsprechende Mittel verfügen, die Auswahl des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors ohne die Recheneinheit beziehungsweise einen externen Eingriff eines Benutzers vorzunehmen. Dazu ist das Auswahlmittel bevorzugt mit dem Signalausgang der Signalverarbeitungseinrichtung gekoppelt und wird in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals die Auswahl vornehmen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung ein erstes Kombinationsmittel. Die Signalverarbeitungseinrichtung weist einen Signaleingang, sowie einen Offsetausgang auf. Das erste Kombinationsmittel ist eingangsseitig mit dem ersten oder zweiten Magnetfelddetektor und dem Offsetausgang gekoppelt. Ausgangsseitig ist das erste Kombinationsmittel mit dem Signaleingang verbunden.
Das erste Kombinationsmittel koppelt eingangseitig den ausgewählten ersten oder zweiten Magnetfeldsensor wirksam mit dem Offsetausgang und ausgangsseitig mit dem Signaleingang der Signalverarbeitungseinrichtung. Die Signalverarbeitungseinrichtung dient der Signalverarbeitung der Sensorsignale. Insbesondere stellt die Signalverarbeitungseinrichtung an ihrem Signalausgang ein Sensorsignal zur Verfügung aus dem beispielsweise eine Position einer relativ zur Sensoranordnung bewegbaren Magnetfeldquelle abgeleitet werden kann. Des Weiteren stellt die Signalverarbeitungseinrichtung am Offsetausgang ein Offsetsignal zur Verfügung.
Mit dem Offsetsignal und dem Kombinationsmittel lässt sich ein Offset des ersten oder zweiten Magnetfelddetektors kompensieren. Magnetfeldsensoren, wie etwa Hall-Elemente, sind teilweise stark Offset behaftet. Einflüsse wie Umgebungstemperatur und Fertigungstoleranzen der Sensoren beeinträchtigen die Genauigkeit einer Messung mit Magnetfeldsensoren. Für viele Anwendungen lässt sich durch eine Offsetkompensation eine deutliche Steigerung der Genauigkeit erzielen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Auswahlmittel ein Vergleichsmittel, welches das Minimalsignal mit einer unteren Messbereichsgrenze und das Maximalsignal mit einer oberen Messbereichsgrenze vergleicht.
Das Vergleichsmittel umfasst beispielsweise einen Komparator oder eine geeignete Logik. Bevorzugt wird das Minimalsignal und Maximalsignal in einer Initialisierungsroutine beim Start der Sensoranordnung gemessen. Dazu könnte beispielsweise eine relativ zur Sensoranordnung bewegbare Magnetfeldquelle über ihren Bewegungsbereich verfahren werden. An jeweiligen Endpunkten der Bewegung werden Sensorsignale aufgenommen und bilden so das Minimalsignal und Maximalsignal. Die untere und obere Messbereichsgrenze können ferner werksseitig oder durch eine Kalibrierung durch einen Benutzer vorgegeben werden. Das Vergleichsmittel bildet dann Differenzen der Wertepaare Minimalsignal und untere Messbereichsgrenze beziehungsweise Maximalsignal und obere Messbereichsgrenze. Diese Differenzen sind ein Maß dafür, wie gut der Messbereich für den ausgewählten Magnetfeldsensor abgedeckt ist. Ferner dient der Vergleich als Entscheidungsgröße dafür, welcher Magnetfeldsensor für eine folgende Messung verwendet wird. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass derjenige Magnetfeldsensor gewählt wird, dessen Differenzen der Wertepaare minimal sind.
Vorteilhafterweise lässt sich der Messbereich der Sensoranordnung mit Hilfe der unteren und oberen Messbereichsgrenze charakterisieren. Beispielsweise kann so ein linearer Messbereich der Sensoranordnung definiert werden. Der Vergleich und damit die Auswahl des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors erfolgt bevorzugt beim Einschalten der Sensoranordnung. Dazu kann beispielsweise die bewegbare Magnetfeldquelle entlang der Bewegungsachse zu einer Minimal- und Maximalposition verfahren werden und an den jeweiligen Positionen das Minimal- und Maximalsignal gemessen werden. Auf diese Weise ist eine schnelle und unkomplizierte Zweipunktkalibrierung möglich.
Alternativ kann eine komplette Magnetfeldkennlinie gemessen und/oder in einem geeigneten Speicher abgelegt werden. Diese Magnetfeldkennlinie kann dann zu Kalibrierungszwecken abgerufen werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Kombinationsmittel eingangsseitig einen Signalverstärker auf.
Mit dem Signalverstärker wird das unter Umständen geringe Sensorsignal verstärkt oder auch in eine andere elektrische Größe umgewandelt. Bevorzugt wird der Signalverstärker ein Sensorsignal in einen Messstrom umwandeln und verstärken.
In einer weiteren Ausführungsform ist jeweils der erste und zweite Magnetfeldsensor mit einer Schaltungsvorrichtung verbunden.
Die jeweilige Schaltungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, jeweils aus Sensorsignalen des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors ein erstes und zweites Phasensignal zu generieren. Das erste und zweite Phasensignal wird beispielsweise durch ein Wechseln der Elektroden des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors erhalten. Auf diese Weise wird ein sogenanntes Current Spinning realisiert.
Mit Hilfe des ersten und zweiten Phasensignals lässt sich in der darauf folgenden Signalverarbeitung in der Sensoranordnung eine Offsetkompensation durchführen. Für handelsübliche Magnetfeldsensoren, wie etwa Hall-Elemente, ist es bekannt, dass diese in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen und der Temperatur der Umgebung einen Offset aufweisen. Dadurch generieren die Magnetfeldsensoren auch bei nicht anliegendem Magnetfeld ein von Null verschiedenes Sensorsignal. Für genaue Positionsmessungen mit Hilfe einer Sensoranordnung ist es jedoch sehr vorteilhaft, den Offset zu korrigieren und so höhere Genauigkeiten zu erzielen. Dazu wird beispielsweise eine als Current Spinning bekannte Methode angewandt. Dabei wird aus dem ersten und zweiten Phasensignal ein Offset rechnerisch bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung einen Analog/Digital-Konverter, der mit dem Signaleingang verbunden ist. Ferner umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung einen Funktionsbaustein, der mit einem Ausgang des Analog/Digital-Konverters verbunden ist. Mit diesem Ausgang des Analog/Digital-Konverters ist zudem eine Offsetkompensationseinrichtung verbunden. Die Offsetkompensationseinrichtung ist zudem mit dem Offsetausgang verbunden. Ein Digital/Analog-Konverter koppelt den Offsetausgang mit dem ersten Kombinationsmittel.
Die Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet die Sensorsignale des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors. Dazu werden zunächst mittels des Analog/Digital-Konverters die Sensorsignale digitalisiert. Der Funktionsbaustein ist dazu eingerichtet, aus den Sensorsignalen oder den Phasensignalen des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors ein Ausgangssignal abzuleiten. Aus diesem Ausgangssignal lässt sich beispielsweise die Position einer bewegbaren Magnetfeldquelle bestimmen. Die Offsetkompensationseinrichtung ist dazu eingerichtet, aus den Sensorsignalen oder ersten und zweiten Phasensignalen des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors ein Offsetsignal abzuleiten. Dieses Offsetsignal wird durch den Digital/Analog-Konverter in ein analoges Offsetsignal gewandelt und mittels des ersten Kombinationsmittels den Sensorsignalen oder Phasensignalen überlagert.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Signalverarbeitungseinrichtung eine Offsetkompensation durch Rückführung der Sensorsignale beziehungsweise Phasensignale. Das auf diese Weise generierte Offsetsignal wird den Sensorsignalen so überlagert, dass ein Offset berücksichtigt und kompensiert werden kann. Das entsprechende Ausgangssignal, wie es durch den Funktionsbaustein bereitgestellt wird, ist dann von Offseteinflüssen bereinigt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung eine Anpassungsschaltung und ein zweites Kombinationsmittel, das eingangsseitig mit dem Offsetausgang und der Anpassungsschaltung verbunden ist und ausgangsseitig mit dem ersten Kombinationsmittel gekoppelt ist.
Die Anpassungsschaltung ist dazu eingerichtet, ein Korrektursignal in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals zu generieren. Das Minimal- und Maximalsignal wird dabei bevorzugt während der Initialisierung der Sensoranordnung gemessen. An jeweiligen Endpunkten der Bewegung einer Magnetfeldquelle werden Sensorsignale aufgenommen und bilden so das Minimalsignal beziehungsweise Maximalsignal.
Alternativ können das Minimal- und Maximalsignal auch am Auswahlmittel abgegriffen werden.
Vorteilhafterweise lässt sich mit Hilfe der Anpassungsschaltung eine weitere Reduzierung störender Faktoren auf die Auflösung der Sensoranordnung realisieren. Beispielsweise sind der erste und zweite Magnetfeldsensor so angeordnet, dass die Wahl entweder des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors eine Verbesserung der Auflösung der Sensoranordnung bedeutet. Da jedoch der Abstand zwischen erstem und zweitem Magnetfeldsensor nicht beliebig klein sein kann, kann der Fall auftreten, dass der Messwertbereich der Sensoranordnung durch den gewählten Magnetfeldsensor unter Umständen noch nicht optimal ausgenutzt ist. So kann es passieren, dass gerade an den Randbereichen eine der Endpositionen außerhalb des Messbereiches zu liegen kommt. Dies kann mit der Anpassungsschaltung ausgeglichen werden, indem der Messwertbereich des gewählten Sensors verschoben wird. Eine solche Verschiebung mittels des Korrektursignals hat zudem keinen Einfluss auf die Linearität der Magnetfeldkennlinie.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anpassungsschaltung ein Vergleichsmittel, das das Minimalsignal mit der unteren Messbereichsgrenze und das Maximalsignal mit der oberen Messbereichsgrenze vergleicht. Das Vergleichmittel kann beispielsweise einen Komparator oder eine Logik umfassen.
Die untere und obere Messbereichsgrenze können werksseitig vorgegeben oder durch eine Kalibrierung durch einen Benutzer vorgegeben werden. Das Vergleichsmittel bildet dann beispielsweise Differenzen der Wertepaare Minimalsignal und untere Messbereichsgrenze beziehungsweise Maximalsignal und obere Messbereichsgrenze. Diese Differenzen sind ein Maß dafür, wie gut der Messbereich für den ausgewählten Magnetfeldsensor abgedeckt ist.
Der Messbereich der Sensoranordnung lässt sich mit Hilfe der unteren und oberen Messbereichsgrenze charakterisieren. Beispielsweise kann so ein linearer Messbereich der Sensoranordnung definiert werden. Der Vergleich mittels des Vergleichsmittels erfolgt bevorzugt beim Einschalten der Sensoranordnung. Dazu kann beispielsweise die bewegbare Magnetfeldquelle entlang der Bewegungsachse zu einer Minimal- und Maximalposition verfahren werden und an den jeweiligen Positionen das Minimal- und Maximalsignal gemessen werden. Auf diese Weise kann der gewählte erste oder zweite Magnetfeldsensor so durch die Anpassungsschaltung betrieben werden, dass der Messbereich in höherem Maße ausgenutzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anpassungsschaltung dafür eingerichtet, das Korrektursignal in Abhängigkeit des ersten und zweiten Phasensignals zu generieren.
Die Schaltervorrichtung generiert zunächst das erste und zweite Phasensignal mit dem Ziel eine Offsetkompensation zu ermöglichen bzw. ein Current Spinning durchzuführen. Die Phasensignale lassen sich jedoch auch durch die Anpassungsschaltung nutzen. Die Phasensignale entstehen beispielsweise durch Wechsel der Elektroden der Magnetfeldsensoren und sind so in ihrer Polarität unterschiedlich. Ihr Betrag ist jedoch derselbe. Um mit der Anpassungsschaltung eine Verschiebung des Messbereiches der Sensoranordnung zu realisieren, wird bevorzugt das Korrektursignal synchron zu den Phasensignalen invertiert.
Vorteilhafterweise lässt sich so der Digital/Analog Konverter und das erste Kombinationsmittel in doppelter Weise für die Offsetkompensation und das Korrektursignal verwenden. Auf Basis der Phasensignale kann die Magnetfeldkennlinie eines der Magnetfeldsensoren so verschoben werden, dass sie jeweils optimal in den Messbereich der Sensoranordnung passt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sensoranordnung wird ein Minimalsignal und ein Maximalsignal eines ersten und zweiten Magnetfeldsensors im Messbereich der Sensoranordnung festgestellt. Dazu werden Sensorsignale des jeweils gewählten ersten oder zweiten Magnetfeldsensors gemessen. Das Minimalsignal und das Maximalsignal werden mit vorher festgelegten Vergleichswerten verglichen. In Abhängigkeit des Vergleichens des Minimalsignals und des Maximalsignals mit den festgelegten Vergleichswerten wird der erste oder zweite Magnetfeldsensor für weitere Messungen ausgewählt.
Vorteilhafterweise ist es mittels des Vergleichs von Minimalsignal und Maximalsignal möglich, eine Auswahl eines Magnetfeldsensors mit Hinblick auf einen optimalen Messwertbereich durchzuführen. So kann die Auswahl in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals beispielsweise berücksichtigen, dass die Sensorsignale des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors möglichst linear zur Position der Magnetfeldquelle innerhalb des Messwertbereiches sind. Auf diese Weise ist es möglich, mechanische Intoleranzen und andere Störfaktoren zu reduzieren und somit die Empfindlichkeit beziehungsweise Auflösung der Sensoranordnung zu verbessern. Bevorzugt wird das Verfahren bei der Initialisierung der Sensoranordnung durchlaufen.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die festgelegten Vergleichswerte je eine untere Messbereichsgrenze und eine obere Messbereichsgrenze.
Vorteilhafterweise lässt sich der Messbereich der Sensoranordnung mit Hilfe der unteren und oberen Messbereichsgrenze charakterisieren. Beispielsweise kann so ein linearer Messbereich der Sensoranordnung definiert werden. Dazu kann beispielsweise eine bewegbare Magnetfeldquelle entlang der Bewegungsachse zu einer Minimal- und Maximalposition verfahren und an den jeweiligen Positionen das Minimal- und Maximalsignal gemessen werden. Auf diese Weise ist eine schnelle und unkomplizierte Kalibrierung eines möglichst linearen Messbereiches möglich.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein Korrektursignal in Abhängigkeit des Minimalsignals und des Maximalsignals generiert und Sensorsignale des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors mit dem Korrektursignal korrigiert.
Vorteilhafterweise lässt sich mit Hilfe des Korrektursignals eine weitere Verbesserung des Messbereiches und damit der Auflösung der Sensoranordnung realisieren. Beispielsweise sind der erste und zweite Magnetfeldsensor so angeordnet, dass die Wahl entweder des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors eine Verbesserung der Auflösung der Sensoranordnung bedeutet. Da jedoch der Abstand zwischen erstem und zweitem Magnetfeldsensor nicht beliebig klein sein kann, kann der Fall auftreten, dass der Messwertbereich des gewählten Magnetfeldsensors unter Umständen noch nicht optimal ausgenutzt ist. So kann es passieren, dass gerade an den Randbereichen eine der Endpositionen außerhalb des Messbereiches zu liegen kommt. Das kann mit dem Korrektursignal ausgeglichen werden, indem der Messwertbereich des gewählten Sensors verschoben wird. Eine solche Verschiebung mittels des Korrektursignals hat zudem keinen Einfluss auf die Linearität der Magnetfeldkennlinie.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Korrektursignal in Abhängigkeit von dem Vergleich des Minimalsignals mit der unteren Messbereichsgrenze und des Maximalsignals mit der oberen Messbereichsgrenze generiert.
Mit Hilfe der unteren und oberen Messbereichsgrenze wird ein linearer Messbereich der Sensoranordnung charakterisiert. Es ist daher vorteilhaft auch das Korrektursignal auf diese Vergleichsgrößen zu beziehen. Auf diese Weise lässt sich der Messbereich der Sensoranordnung so einstellen, dass er möglichst linear ist und Sensorsignale dabei innerhalb des Messbereiches bleiben.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Korrektursignal in Abhängigkeit von einem ersten und einem zweiten Phasensignal mittels eines synchronen Invertierens generiert.
Vorteilhafterweise lassen sich die Phasensignale in doppelter Weise für die Offsetkompensation und das Korrektursignal verwenden. Auf Basis der Phasensignale kann die Magnetfeldkennlinie eines der Magnetfeldsensoren so verschoben wird, dass sie jeweils optimal in den Messbereich des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors passt.
Die Phasensignale entstehen beispielsweise durch Wechsel der Elektroden der Magnetfeldsensoren und sind so in ihrer Polarität unterschiedlich. Ihr Betrag ist jedoch derselbe. Das Korrektursignal wird so in Abhängigkeit des ersten und zweiten Phasensignals mittels synchronen Invertierens generiert.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen:
1A eine Sensoranordnung mit einem Magnetfeldsensor und einer bewegbaren Magnetfeldquelle, sowie einen charakteristischen Verlauf der gemessenen Magnetfeldstärke,
1B eine Magnetfeldkennlinie als Funktion der Magnetfeldstärke für einen Messbereich,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach dem vorgestellten Prinzip,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4A, 4B, 4C eine beispielhafte Funktionsweise einer Anpassungsschaltung einer Sensoranordnung nach dem vorgeschriebenen Prinzip,
5A, 5B, 5C, 5D eine beispielhafte Funktionsweise einer Auswahlschaltung einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und
6 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach 2 mit einer Recheneinheit nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
2 zeigt eine Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Sensoranordnung umfasst einen ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3, vorzugsweise Hall-Elemente. Der erste, zweite und dritte Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 sind jeweils über eine erste, zweite bzw. dritte Schaltvorrichtung SW1, SW2, SW3 an einen ersten Signalverstarker A gekoppelt. Dieser Signalverstärker A ist mit einem ersten Kombinationsmittel ADD1 verbunden. Ausgangsseitig ist das Kombinationsmittel ADD1 mit einem Analog/Digital-Wandler ADC verbunden. Der Analog/Digital-Wandler ADC ist über einen Ausgang mit einem Funktionsbaustein POS und einer Offsetkompensation OFF verbunden. Die Offsetkompensation OFF ist über einen Integrator INT, einem zweiten Kombinationsmittel ADD2 und einem Digital/Analog-Konverter DAC mit dem ersten Kombinationsmittel ADD1 gekoppelt. Ein Auswahlmittel NOV ist zudem mit der ersten, zweiten und dritten Schaltvorrichtung SW1, SW2, SW3 gekoppelt.
Der erste, zweite und dritte Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 generiert ein erstes, zweites und drittes Sensorsignal S1, S2, S3, die beispielsweise abhängig sind von der Position einer relativ zur Sensoranordnung entlang einer Bewegungsachse X bewegbaren Magnetfeldquelle N, S. Bevorzugt während einer Initialisierungsroutine werden beim Start der Sensoranordnung ein Maximalsignal und ein Minimalsignal mittels der Signalverarbeitungseinrichtung PROC festgestellt. Dazu wird beispielsweise die relativ zur Sensoranordnung bewegbare Magnetfeldquelle N, S über ihren Bewegungsbereich zwischen zwei Endpositionen XMIN, XMAX verfahren. An den jeweiligen Endpositionen XMIN, XMAX der Bewegung werden Sensorsignale aufgenommen und bilden so das Minimalsignal MIN und Maximalsignal MAX. In Abhängigkeit des Minimalsignals MIN und Maximalsignals MAX erfolgt eine weitere Signalverarbeitung und optimierte Auswahl bzw. Betrieb eines der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3. Dies wird mit Bezug auf die 4A bis 4C bzw. 5A bis 5D weiter diskutiert. Die dort beschriebene Signalverarbeitung erfolgt bevorzugt nachdem die Verstärkung der Sensoranordnung eingestellt wurde und in den folgenden Schritten konstant bleibt.
Die Sensorsignale S1, S2, S3 sind in der Regel mit einem Offset behaftet. Dieser Offset tritt auch ohne äußeres Magnetfeld beispielsweise durch Temperatur und Prozessvariationen in dem verwendeten Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 selbst auf. Ein solcher Offset ist beispielsweise bei Hall-Elementen bekannt und Gegenstand zahlreicher Methoden und Maßnahmen, ihn zu kompensieren. So ist es für Hall-Elemente bekannt, den Offset mit einer Technik zu kompensieren, die als „Current Spinning” bekannt ist.
Mit Hilfe der Schaltvorrichtungen SW1, SW2, SW3 wird ein Current Spinning und eine Auswahl eines der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 mittels des Auswahlmittels MOV realisiert. Jede der Schaltvorrichtungen SW1, SW2, SW3 umfasst dabei alle notwendigen Komponenten, um etwa einen Hallstrom in seiner Richtung durch den Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 zu ändern. Dies wird durch wechselndes Umschalten von Elektroden beispielsweise des ersten Magnetfeldsensors SM1 erreicht und generiert so Phasensignale VPH1, VPH2. Diese entsprechen beispielsweise zwei Sensorsignalen S1 unterschiedlicher Polarität. Die Zahl der umgeschalteten Elektroden ist nicht weiter festgelegt. Es können etwa vier Elektroden vorliegen, die in Paaren gewechselt werden oder auch sechs, acht usw.
Über den Signalverstärker A und das erste Kombinationsmittel ADD1 werden die zwei Phasensignale VPH1, VPH2 dem Analog/Digital-Konverter ADC zugeführt und dort in digitale Signale umgewandelt. Aus den zwei nun digitalen Phasensignalen VPH1, VPH2 wird dann in der Offsetkompensation OFF ein Offset für den Magnetfeldsensor SM1 festgestellt. Dieser wird beispielsweise durch Summieren der zwei Phasensignale VPH1, VPH2 berechnet: OFF = VPH1 + VPH2.
Der Offset wird über den Integrator INT mittels des Digital/Analog-Wandler DAC in ein analoges Signal gewandelt und über das erste Kombinationsmittel ADD1 den zwei verstärkten Phasensignalen VPH1, VPH2 des Magnetfeldsensors SM1 so zugeführt, dass sich der Offset kompensiert.
Die vom Analog/Digital-Konverter ADC digitalisierten Sensorsignale S1, S2, S3 beziehungsweise die jeweils korrespondierenden zwei Phasensignale VPH1, VPH2 werden zudem zur Bestimmung einer Position der bewegbaren Magnetfeldquelle N, S einem Funktionsbaustein POS zugeführt. Durch geeignete Signalverarbeitung wird ein Positionswert abgeleitet. Dazu werden beispielsweise die zwei Phasensignale VPH1, VPH2 subtrahiert: VOUT = VPH1 – VPH2 ∝ X.
Das so abgeleitete Differenzsignal bzw. Ausgangssignal VOUT aus den beiden Phasensignalen VPH1, VPH2 ist einer Position X der Magnetfeldquelle N, S proportional.
Welche der Sensorsignale S1, S2, S3 bzw. der je zwei Phasensignale VPH1, VPH2 dem Signalverstärker A zuführt werden, wird mittels der Auswahlschaltung NOV bestimmt. Die genaue Funktionsweise der Auswahlschaltung MOV wird mit Bezug auf die 4A bis 4C weiter diskutiert.
Das Auswahlmittel NOV steuert bevorzugt in Abhängigkeit vom Minimal- und Maximalsignal MIN, MAX die Schaltvorrichtungen SW1, SW2, SW3 und erwirkt so die Auswahl eines der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3. Auf diese Weise lassen sich die Schaltvorrichtungen SW1, SW2, SW3 in doppelter Weise sowohl für das Current Spinning, wie auch für die folgende Signalverarbeitung nutzen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die 3 zeigt die Sensoranordnung nach 2, die zudem eine Anpassungsschaltung DSPL aufweist, die mit dem zweiten Kombinationsmittel ADD2 gekoppelt ist.
Die Anpassungsschaltung DSPL ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Minimalsignals MIN und des Maximalsignals MAX des mittels des Auswahlmittels MOV ausgewählten Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 ein Korrektursignal COR zu generieren. Die Funktionsweise der Anpassungsschaltung DSPL wird mit Bezug auf die 5A bis 5D weiter beschrieben.
Alternativ können andere Anzahlen als drei Magnetfeldsensoren vorgesehen werden. Möglich sind u. a. ein Sensorarray aus Magnetfeldsensoren, die entlang einer Linie oder in einer Matrix angeordnet sind. Auch ist es denkbar, nur zwei Magnetfeldsensoren vorzusehen.
Vorteilhafterweise können die Abstände der Magnetfeldsensoren für eine gegebene Anwendung so gewählt werden, dass sie eine weitere Verbesserung der Auflösung der Sensoranordnung ermöglichen.
4A zeigt die Ausgangsspannung VOUT eines Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 einer Sensoranordnung mit einem ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 aufgetragen gegen die Position entlang der Bewegungsachse X der bewegbaren Magnetfeldquelle N, S. Im vorliegenden Fall ist der zweite Magnetfeldsensor SM2 mittels der Auswahlschaltung MOV ausgewählt und die Magnetfeldkennlinie BCH zeigt dessen Magnetfeldkennlinie BCH an.
In diesem Fall liegt die Magnetfeldkennlinie BCH ideal zwischen den Positionen XMIN, XMAX und fällt mit einer idealen linearen Magnetfeldkennlinie BLIN zusammen. Ein erster und zweiter Messpunkt 1, 2 liegen zudem auf den oberen und unteren Messbereichsgrenzen FSRMIN, FSRMAX. In diesem optimalen Fall ist die höchste Auflösung der Sensoranordnung beziehungsweise die höchste Verstärkung möglich.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und in Folge mechanischer Einflüsse ist dies jedoch nicht immer der Fall. Ziel der Auswahlschaltung MOV ist es daher, einen möglichst großen linearen Bereich der Magnetfeldkennlinie BCH in den Messbereich FSR innerhalb des Bewegungsbereiches XMIN, XMAX zu platzieren. Mit anderen Worten sollen der erste Messpunkt 1 die Werte XMIN, FSRMIN beziehungsweise der zweite Messpunkt 2 die Werte XMAX, FSRMAX aufweisen.
4B zeigt einen Fall, in dem die Magnetfeldkennlinie BCH zwischen den Positionen XMIN, XMAX nicht linear und den Messbereich FSR nicht optimal abdeckt. Dies ist insbesondere am ersten und zweiten Messpunkt 1, 2 deutlich. Am ersten Messpunkt 1 kommt die Magnetfeldkennlinie BCH nicht auf der idealen linearen Magnetfeldkennlinie BLIN zu liegen und weicht ebenso von der unteren Messbereichgrenze FSRMIN ab. Am zweiten Messpunkt 2 ist die Magnetfeldkennlinie BCH zwar parallel zur idealen linearen Magnetfeldkennlinie BLIN, aber an einer Ausgangsspannung VOUT, die unter der oberen Messbereichsgrenze FSRMAX liegt.
Um eine höhere Verstärkung beziehungsweise höhere Auflösung der Sensoranordnung zu erzielen, wird mittels der Auswahlschaltung MOV ein anderer der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3, beispielsweise der erste Magnetfeldsensor SM1, ausgewählt. Wie in 4C zu sehen, ist beispielsweise der erste Magnetfeldsensor SM1 besser geeignet, das heißt seine Magnetfeldkennlinie BCH zeigt im Bewegungsbereich zwischen den Endpositionen XMIN, XMAX einen größeren Grad an Linearität. Mit anderen Worten wird also mit der Auswahleinrichtung MOV ein Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 ausgewählt, der einen optimalen linearen Bereich der Magnetfeldkennlinie BCH aufweist. Dies kann beispielsweise während der Initialisierung der Sensoranordnung durchgeführt werden.
Die 5A bis 5D illustrieren die Funktionsweise der Anpassungsschaltung DSPL einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Dabei zeigt die 5A ein Ausgangssignal VOUT eines der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 aufgetragen gegen die Position der Magnetfeldquelle N, S entlang der Bewegungsachse X. Das Ausgangssignal VOUT des Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 ergibt eine Magnetfeldkennlinie BCH. Ziel der Sensoranordnung und Anpassungsschaltung DSPL ist es, im Bewegungsbereich zwischen den Endpositionen XMIN, XMAX der Magnetfeldquelle N, S innerhalb der Messbereichsgrenzen FSRMIN, FSRMAX zu bleiben. Idealerweise füllt die Magnetfeldkennlinie BCH den kompletten Messbereich FSR der Sensoranordnung aus. Auf diese Weise ist eine hohe Verstärkung innerhalb des Bewegungsbereiches XMIN, XMAX beziehungsweise des Messbereiches FSR möglich und führt damit zu einer hohen Auflösung der Sensoranordnung.
Der beschriebene Idealfall tritt in der 5A jedoch nicht auf. Ein erster Messpunkt 1 auf der Magnetfeldkennlinie BCH charakterisiert das Minimalsignal MIN, also das Ausgangssignal VOUT des Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 an der Position XMIN der Magnetfeldquelle N, S. Ein zweiter Messpunkt 2 an der Magnetfeldkennlinie BCH beschreibt das Maximalsignal MAX, also das Ausgangssignal VOUT des Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 an der Position XMAX. Wie in der 5A deutlich zu sehen ist, liegt der erste Messpunkt 1 außerhalb des Messbereiches FSR. Zwar liegt der zweite Messpunkt 2 innerhalb des Messbereiches FSR, jedoch füllt die Magnetfeldkennlinie BCH diesen nicht optimal aus, d. h. es gibt einen Abstand zwischen dem Maximalsignal MAX und einer oberen Messbereichsgrenze FSRMAX. Idealerweise sollten der erste Messpunkt 1 die Werte XMIN, FSRMIN und der zweite Messpunkt die Werte XMAX, FSRMAX aufweisen. Dabei bezeichnet FSRMIN eine untere Messbereichsgrenze.
zeigt die Ausgangsspannung VOUT des Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 an den Endpositionen XMIN, XMAX aufgetragen gegen die Zeit t. Die Abbildung zeigt die ideale lineare Magnetfeldkennlinie BLIN und die gemessene oder reale Magnetfeldkennlinie BCH. Diese Magnetfeldkennlinie BCH wird in Folge des Current Spinning entsprechend einer ersten und zweiten Phase invertiert und ist als invertierte Magnetfeldkennlinie BCH' eingezeichnet. Die korrespondierenden Phasensignale VPH1, VPH2 beziehungsweise die Magnetfeldkennlinie BCH und die invertierte Magnetfeldkennlinie BCH' lassen sich mit Mitteln, wie etwa Komparatoren, mit der unteren und oberen Messwertbereichgrenze FSRMIN, FSRMAX vergleichen.
5C zeigt ein Korrektursignal COR aufgetragen gegen die Zeit t. Auf Basis der Magnetfeldkennlinie BCH und der invertierten Magnetfeldkennlinie BCH' beziehungsweise den Phasensignalen VPH1, VPH2 lässt sich im Bewegungsbereich XMIN, XMAX durch Vergleich mit der unteren und oberen Messwertbereichgrenze FSRMIN, FSRMAX ein Korrektursignal COR bestimmen. Dieses kann im gesamten Bewegungsbereich XMIN, XMAX, das heißt auf die gesamte Magnetfeldkennlinie BCH angewandt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Addition. Dabei wird das Korrektursignal COR zeitlich synchron zur ersten und zweiten Phase bzw. den Phasensignalen VPH1, VPH2 des Current Spinning invertiert. Das Vorzeichen des Korrektursignals COR kann auch durch Umkehrung der Phasenbeziehung der ersten und zweiten Phase geändert werden.
5D zeigt das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 gemessen nach dem Kombinationsmittel ADD1 und aufgetragen gegen die Zeit t. Das Korrektursignal COR erzeugt beispielsweise durch Addition zu den Phasensignalen VPH1, VPH2 jeweils eine korrigierte Kennlinie. Dies resultiert darin, dass sowohl die Magnetfeldkennlinie BCH und die invertierte Magnetfeldkennlinie BCH' oder aber die entsprechenden zwei Phasensignale VPH1, VPH2 entlang der Achse des Ausgangssignals VOUT verschoben werden.
Vorteilhafterweise ist es mit Hilfe der Anpassungsschaltung DSPL möglich eine Verschiebung der Magnetfeldkennlinie BCH in kleinen Stufen durchzuführen. Durch den Vergleich mit der unteren und oberen Messwertbereichgrenze FSRMIN, FSRMAX lässt sich die Verschiebung so durchführen, dass die Magnetfeldkennlinie BCH den Messbereich FSR optimal abdeckt. Das erlaubt eine verbesserte Verstärkung und damit Auflösung der Sensoranordnung. Des Weiteren wird die Linearität der Magnetfeldkennlinie BCH nicht beeinflusst.
Vorteilhafterweise lässt sich durch die Kombination der Anpassungsschaltung DSPL und der Auswahlschaltung MOV eine weitere Verbesserung der Verstärkung und damit Auflösung der Sensoranordnung erzielen. Beispielsweise kann mittels der Auswahlschaltung MOV der Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 ausgewählt werden, der die höchste Auflösung und beste Linearität erzielen kann. Da jedoch die Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 stets einen Abstand zueinander aufweisen, wird unter Umständen die Magnetfeldkennlinie BCH des gewählten Magnetfeldsensors SM1, SM2, SM3 den Messbereich FSR nicht vollends ausfüllen. Eine weitere und feinere Optimierung übernimmt dann die Anpassungsschaltung DSPL durch Verschieben der Magnetfeldkennlinie BCH.
Auch ein umgekehrtes Vorgehen ist denkbar, bei der die Anpassungsschaltung DSPL ein Verschieben der Magnetfeldkennlinie BCH vornimmt. Stößt diese beispielsweise an gewisse systembedingte Grenzen, so könnte die Auswahlschaltung MOV einen anderen Magnetfeldsensor SM1, SM2, SM3 wählen und die Anpassungsschaltung DSPL erneut ihre Anpassung vornehmen.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung nach 2 mit einer Recheneinheit COMP nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Zusätzlich zu den in 2 gezeigten Komponenten umfasst die Sensoranordnung die Recheneinheit COMP, die mit der Signalverarbeitungseinrichtung PROC mittels eines Signalausgangs OUT verbunden ist. Ferner ist die Recheneinheit COMP mittels einer Schnittstelle an das Auswahlmittel MOV gekoppelt. Die Recheneinheit COMP umfasst beispielsweise einen Mikroprozessor oder eine geeignete integrierte Schaltung, wie einen ASIC (ASIC: Application Specific Integrated Circuit).
Die Signalverarbeitungseinrichtung PROC generiert auf Basis von Sensorsignalen das Ausgangssignal VOUT, welches bevorzugt am Signalausgang OUT bereitgestellt wird. Entsprechend können auch das Minimal- und Maximalsignal MIN, MAX am Signalausgang OUT ausgegeben werden. Die Recheneinheit COMP verarbeitet die Ausgangssignale VOUT beziehungsweise das Minimal- und Maximalsignal MIN, MAX nach Vorgabe oder Eingriff eines Benutzers. Als Folge dieser Verarbeitung wählt das Auswahlmittel MOV, beispielsweise mittels eines Steuersignals einen der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 aus.
In einem weiteren nicht gezeigten und alternativen Ausführungsbeispiel kann das Auswahlmittel MOV auch über entsprechende Mittel verfügen, die Auswahl der Magnetfeldsensoren SM1, SM2, SM3 ohne die Recheneinheit beziehungsweise einen externen Eingriff eines Benutzers vorzunehmen. Dazu ist das Auswahlmittel MOV bevorzugt mit dem Signalausgang OUT der Signalverarbeitungseinrichtung PROC gekoppelt und wird in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignal MIN, MAX die Auswahl selbstständig vornehmen.
In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst eine Sensoranordnung nach 3 zusätzlich die Recheneinheit COMP. Diese ist entsprechend mit der Signalverarbeitungseinrichtung PROC mittels des Signalausgangs OUT verbunden. Zudem ist die Recheneinheit COMP mittels einer weiteren Schnittstelle an die Anpassungsschaltung DSPL gekoppelt.
Bezugszeichenliste

1: erster Messpunkt
2: zweiter Messpunkt
ADD1: erstes Kombinationsmittel
ADD2: zweites Kombinationsmittel
B: Magnetfeldstärke
B0: Magnetfeldursprung
BCH: Magnetfeldkennlinie
BCH': invertierte Magnetfeldkennlinie
BLIN: ideale lineare Magnetfeldkennlinie
BMIN: Minimum der Magnetfeldstärke
BMAX: Maximum der Magnetfeldstärke
BX: Magnetfeldfunktion
COMP: Recheneinheit
COR: Korrektursignal
DSPL: Anpassungsschaltung
FSR: Messbereich
FRSMIN: untere Messbereichsgrenze
FSRMAX: obere Messbereichsgrenze
IN: Signaleingang
MOV: Auswahlmittel
MIN: Minimalsignal
MAX: Maximalsignal
N: Magnetpol
OUT: Signalausgang
OUTOFF: Offsetausgang
PROC: Signalverarbeitungseinrichtung
ROM: Speicher
S: Magnetpol
S1: erstes Sensorsignal
S2: zweites Sensorsignal
S3: drittes Sensorsignal
SM1: erster Magnetfeldsensor
SM2: zweiter Magnetfeldsensor
SM3: dritter Magnetfeldsensor
SW1: erste Schaltvorrichtung
SW2: zweite Schaltvorrichtung
SW3: dritte Schaltvorrichtung
t: Zeit
VPH1: erstes Phasensignal
VPH2: zweites Phasensignal
X: Bewegungsachse

Claims

Sensoranordnung, umfassend – mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (SM1) und einen zweiten Magnetfeldsensor (SM2), – eine Signalverarbeitungseinrichtung (PROC), die dazu ingerichtet ist, ein Minimalsignal (MIN) und ein Maximalsignal (MAX) des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors (SM1, SM2) über den Messbereich (FSR) der Sensoranordnung festzustellen, und – ein Auswahlmittel (MOV) mittels dessen in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals (MIN, MAX) der erste oder zweite Magnetfeldsensor (SM1, SM2) auswählbar ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der – die Signalverarbeitungseinrichtung (PROC) mittels eines Signalausgangs (OUT) mit einer Recheneinheit (COMP) verbunden ist, und – die Recheneinheit (COMP) mittels einer Schnittstelle an das Auswahlmittel (MOV) gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der – die Signalverarbeitungseinrichtung (PROC) einen Signaleingang (IN) und einen Offsetausgang (OUTOFF) aufweist, und – ein erstes Kombinationsmittel (ADD1) eingangsseitig den ausgewählten ersten oder zweiten Magnetfeldsensor (SM1, SM2) mit dem Offsetausgang (OUTOFF) wirksam koppelt und ausgangsseitig mit dem Signaleingang (IN) verbindet.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Auswahlmittel (MOV) ein Vergleichsmittel umfasst, das das Minimalsignal (MIN) mit einer unteren Messbereichsgrenze (FSRMIN) und das Maximalsignal (MAX) mit einer oberen Messbereichsgrenze (FSRMAX) vergleicht.
Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das erste Kombinationsmittel (ADD1) eingangsseitig den ausgewählten ersten oder zweiten Magnetfelddetektor (SM1, SM2) über einen Signalverstärker (A) mit dem Offsetausgang (OUTOFF) wirksam koppelt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der erste und zweite Magnetfeldsensor (SM1, SM2) jeweils mit einer ersten beziehungsweise zweiten Schaltungsvorrichtung (SW1, SW2) verbunden ist, die dazu eingerichtet sind, jeweils aus Sensorsignalen (S1, S2) des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors (SM1, SM2) ein erstes und zweites Phasensignal (VPH1, VPH2) zu generieren.
Sensoranordnung nach Anspruch 6, bei der – ein Digital-Analog-Konverter (DAC) den Offsetausgang (OUTOFF) mit dem ersten Kombinationsmittel (ADD1) koppelt, und – die Signalverarbeitungseinrichtung (PROC) umfasst: – einen Analog-Digital-Konverter (ADC), der mit dem Signaleingang (IN) verbunden ist, – einen Funktionsbaustein (POS), der dazu eingerichtet ist, aus Sensorsignalen oder Phasensignalen (S1, S2, VPH1, VPH2) des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors (SM1, SM2) ein Ausgangssignal (VOUT) abzuleiten, und der mit einem Ausgang des Analog-Digital-Konverters (ADC) verbunden ist, und – eine Offsetkompensationseinrichtung (OFF), die dazu eingerichtet ist, aus Signalen oder Phasensignalen (S1, S2, VPH1, VPH2) des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors (SM1, SM2) ein Offsetsignal (VOFF) abzuleiten, und die mit einem Ausgang des Analog-Digital-Konverters (ADC) und dem Offsetausgang (OUTOFF) verbunden ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, die – eine Anpassungsschaltung (DSPL) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Korrektursignal (COR) in Abhängigkeit des Minimal- und Maximalsignals (MIN, MAX) zu generieren, und – ein zweites Kombinationsmittel (ADD2) umfasst, das eingangsseitig mit dem Offsetausgang (OUTOFF) und der Anpassungsschaltung (DSPL) verbunden ist und ausgangsseitig mit dem ersten Kombinationsmittel (ADD1) gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 8, bei dem das Korrektursignal synchron zum ersten und zweiten Phasensignal (VPH1, VPH2) generiert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordung, umfassend – Feststellen je eines Minimalsignals (MIN) und eines Maximalsignals (MAX) eines ersten und zweiten Magnetfeldsensors (SM1, SM2) im Messbereich (FSR) der Sensoranordnung, – Vergleichen des Minimalsignals (MIN) und des Maximalsignals (MAX) mit vorher festgelegten Vergleichswerten, und – Auswählen des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors (SM2) in Abhängigkeit des Vergleichens des Minimalsignals (MIN) und des Maximalsignals (MAX) mit den festgelegten Vergleichswerten.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem – die festgelegten Vergleichswerte je eine untere Messbereichsgrenze (FSRMIN) und eine obere Messbereichsgrenze (FSRMAX) der Sensoranordnung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, umfassend: – Generieren eines Korrektursignals (COR) in Abhängigkeit des Minimalsignals (MIN) und des Maximalsignals (MAX), und – Korrigieren von Sensorsignalen (S1) des Magnetfeldsensors (SM1) mit dem Korrektursignal (COR).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Korrektursignal (COR) synchron zum ersten und zweiten Phasensignal (VPH1, VPH2) invertiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 bei dem – das Korrektursignal (COR) in Abhängigkeit von dem Vergleich des Minimalsignals (MIN) mit der unteren Messbereichsgrenze (FSRMIN) und des Maximalsignals (MAX) mit der oberen Messbereichsgrenze (FSRMAX) generiert wird.