DE102010032061A1 - Device for measuring a rotation angle and / or a torque - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Drehmoment- und Winkelmessung mit verbesserter Genauigkeit angeben. Die Vorrichtung umfasst dabei Magnet-Sensoren, die rückseitig mit einer magnetischen Vorspannung auferlegt sind. Dabei können Hall-Effekt Sensoren oder Sensoren auf Grundlage des Magnetowiderstands-Effekts verwendet werden, deren Detektionssignal durch Veränderung der Magnetfeldrichtung und -dichte auf Grund der Bewegung einer Zielscheibe mit magnetischen Zielen vor dem Sensor moduliert wird. Zur Korrektur von Signaluntergrund und -amplitude werden dabei zwei Signale eines Sensors kombiniert, die jeweils die Drehung der Zielscheibe detektieren. Zur Bestimmung des auf eine Achse wirkenden Drehmoments wird jeweils ein zweiter Sensor zur Detektion des Drehwinkels einer zweiten Zielscheibe bereitgestellt und das Drehmoment direkt aus der Winkeldifferenz der ersten und zweiten Zielscheibe aus den korrigierten Detektionssignalen ermittelt.A device for torque and angle measurement with improved accuracy will be specified. The device in this case comprises magnetic sensors which are imposed on the back with a magnetic bias. Hall effect sensors or sensors based on the magnetoresistance effect can be used, the detection signal of which is modulated by changing the magnetic field direction and density due to the movement of a target with magnetic targets in front of the sensor. To correct the signal background and amplitude, two signals from a sensor are combined, each of which detects the rotation of the target. To determine the torque acting on an axis, a second sensor for detecting the angle of rotation of a second target is provided and the torque is determined directly from the angle difference of the first and second target from the corrected detection signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Messung des Drehwinkels eines drehbaren Körpers und/oder des auf ihn wirkenden Drehmoments.The present invention relates to devices for measuring the angle of rotation of a rotatable body and / or the torque acting on it.

Solche Vorrichtungen finden insbesondere in elektrischen Servolenkungen im Automobilbereich Anwendung, die häufig eingesetzt werden, um den Fahrer beim Lenken zu unterstützen.Such devices find particular application in automotive electric power steering systems, which are often used to assist the driver in steering.

In allgemein bekannten elektrischen Servolenkungen (eng. „Electric Power Steering, EPS” und eng. ”Electric Power Assisted Steering, EPAS”) stellt eine elektrisch-mechanische Servolenkung eine elektrische Hilfskraftlenkung bereit, die die bei der Lenkbewegung vom Fahrer auf das Lenkrad des Fahrzeuges ausgeübte Kraft durch einen Elektromotor verstärkt.In well-known electric power steering systems (eng. "Electric Power Steering, EPS" and eng., "Electric Power Assisted Steering, EPAS"), an electric-mechanical power steering system provides an electric power steering system that controls the steering movement from the driver to the steering wheel of the vehicle exerted force exerted by an electric motor.

Die Stärke der elektrischen Hilfskraftlenkung hängt von der Lenkbewegung ab, insbesondere vom Drehwinkel und/oder dem Drehmoment.The strength of the electric power steering depends on the steering movement, in particular on the angle of rotation and / or the torque.

Dieser Winkel muss mit guter Genauigkeit gemessen werden, nicht nur um präzise die nötige Hilfslenkkraft bereitzustellen, sondern auch aus Gründen der Sicherheit.This angle must be measured with good accuracy, not only to provide the necessary auxiliary steering force with precision, but also for safety reasons.

Ein allgemein verwendeter Mechanismus zur Bestimmung des an einem Lenkrad wirkenden Drehmoments ist die Bestimmung des Verdrehwinkels eines „flexiblen” Torsionsstabs mit bekannter Torsionssteifigkeit, der eine Eingabewelle mit einer Ausgabewelle verbindet. Die Eingabewelle ist mit dem Lenkrad des Fahrzeuges verbunden und die Ausgabewelle mit der Zahnstange des Fahrzeuges. Der Torsionsstab wandelt das an dem Lenkrad wirkende Drehmoment in einen Verdrehwinkel von +–5°Grad um.One commonly used mechanism for determining the torque acting on a steering wheel is to determine the twist angle of a "flexible" torsion bar of known torsional stiffness connecting an input shaft to an output shaft. The input shaft is connected to the steering wheel of the vehicle and the output shaft to the rack of the vehicle. The torsion bar converts the torque acting on the steering wheel into a twist angle of + -5 ° degrees.

Durch Messen des Verdrehwinkels als Differenz der Winkel der Eingabewelle und der Ausgabewelle kann mit der bekannten Torsionssteifigkeit das Drehmoment bestimmt werden.By measuring the angle of rotation as the difference of the angles of the input shaft and the output shaft, the torque can be determined with the known torsional rigidity.

Aus der DE-A-100 60 287 ist eine Vorrichtung zur Messung eines Winkels und/oder eines Drehmoments an einem drehbaren Körper bekannt, wobei der Drehwinkel mittels magnetischer oder optischer Sensoren erfasst wird. In einem Beispiel werden zwei Detektionsräder vorgeschlagen, die jeweils zwei optisch lesbare Codespuren aufweisen. Bei jedem Detektionsrad sind die beiden Codespuren gleichartig ausgebildet und gegeneinander versetzt angeordnet, so dass zugeordnete Sensoren ein digitales Signal ausgeben, welches der Drehbewegung der Codespuren entspricht. Aus dem Versatz der beiden digitalen Signale wird der Drehwinkel des Detektionsrades berechnet.From the DE-A-100 60 287 a device for measuring an angle and / or a torque on a rotatable body is known, wherein the rotation angle is detected by means of magnetic or optical sensors. In one example, two detection wheels are proposed, each having two optically readable code tracks. In each detection wheel, the two code tracks are identically formed and arranged offset from one another, so that associated sensors output a digital signal which corresponds to the rotational movement of the code tracks. From the offset of the two digital signals, the angle of rotation of the detection wheel is calculated.

Aus der Differenz zwischen den Drehwinkeln der beiden Detektionsräder, dem sogenannten Differenzwinkel, lässt sich somit auch das von dem drehbaren Körper übertragene Drehmoment berechnen.From the difference between the rotational angles of the two detection wheels, the so-called differential angle, thus also the torque transmitted by the rotatable body can be calculated.

Eine solche Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass Detektionsräder mit komplexen Codespuren benötigt werden, um ein hohe Winkelauflösung zu erreichen. Auch ist die Einbindung einer solchen Vorrichtung in eine Lenkwelle schwierig und muss vor dem Zusammenbau dieser erfolgen. Diese Nachteile führen zu erhöhter Komplexität und Kosten der Herstellung und Montage solcher Vorrichtungen.However, such a device has the disadvantage that detection wheels with complex code tracks are needed to achieve a high angular resolution. Also, the integration of such a device in a steering shaft is difficult and must be done before assembling this. These disadvantages lead to increased complexity and cost of manufacture and assembly of such devices.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels und des Drehmoments unter Verwendung von zwei einfacheren Detektionsrädern ist aus der EP-A-1 295 780 bekannt. Die Drehung jedes einzelnen Rades wird durch ein Paar von Magnetsensoren bestimmt, welche am Rand des Rades angeordnet und so beabstandet sind, dass eine ausreichende Phasenverschiebung zwischen den Detektionssignalen der einzelnen Sensoren entsteht. Jeder Sensor des Sensorenpaares gibt ein periodisches Detektionssignal entsprechend dem Drehwinkel des Detektionsrades aus. Da die Winkelbestimmung um die Maxima des Detektionssignals mit einem größeren Fehler behaftet ist, wird bestimmt welcher Sensor sich im linearen Bereich des Detektionssignals befindet und nur der entsprechende Sensor zur Winkelbestimmung verwendet.A device for determining the angle of rotation and the torque using two simpler detection wheels is from the EP-A-1 295 780 known. The rotation of each individual wheel is determined by a pair of magnetic sensors located at the edge of the wheel and spaced so as to provide a sufficient phase shift between the detection signals of the individual sensors. Each sensor of the sensor pair outputs a periodic detection signal corresponding to the rotation angle of the detection wheel. Since the angle determination around the maxima of the detection signal is associated with a larger error, it is determined which sensor is in the linear range of the detection signal and only the corresponding sensor for angle determination is used.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehmoment- und Drehwinkelsensor anzugeben, der besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist, und darüber hinaus eine verbesserte Genauigkeit aufweist.The aim of the present invention is to provide a torque and rotation angle sensor, which is particularly simple and inexpensive to produce, and also has an improved accuracy.

Dieses wird in der vorliegenden Erfindung durch Verwendung von Magnetsensoren erreicht, die rückseitig mit einer magnetischen Vorspannung auferlegt sind. Dabei können Hall-Effekt Sensoren oder Sensoren auf Grundlage des Magnetowiderstands-Effekts verwendet werden, deren Detektionssignal durch Veränderung der Magnetfeldrichtung und -dichte auf Grund der Bewegung einer Zielscheibe mit magnetischen Zielen vor dem Sensor moduliert wird.This is achieved in the present invention by use of magnetic sensors which are rearwardly imposed with a magnetic bias. In this case, Hall effect sensors or sensors based on the magnetoresistance effect can be used whose detection signal Change in the magnetic field direction and density due to the movement of a target with magnetic targets in front of the sensor is modulated.

Solche Sensoren lassen sich leicht zum Beispiel in einem Lenksystem für ein Fahrzeug integrieren. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Einbaumöglichkeit der Zielscheibe in ein solches System. Dabei kann die Zielscheibe insbesondere auch während des Herstellungsprozesses integral mit einer Welle gefertigt werden.Such sensors can be easily integrated, for example, in a steering system for a vehicle. Another advantage is the easy installation option of the target in such a system. In this case, the target can in particular be manufactured integrally with a shaft during the manufacturing process.

Jedoch kann die Genauigkeit solcher Sensoren stark von der Magnetfeldstärke, dem Abstand zu der Zielscheibe, der Temperatur, und anderen Faktoren beeinflusst werden. Weiter ist der Signaluntergrund im Vergleich zur Amplitude erheblich, so dass eine Signalkorrektur zur Beseitigung des Einflusses dieser Effekte notwendig ist.However, the accuracy of such sensors can be greatly influenced by the magnetic field strength, the distance to the target, the temperature, and other factors. Furthermore, the signal background is significant compared to the amplitude, so that signal correction is necessary to eliminate the influence of these effects.

Die Lösung dieses Problems in der vorliegenden Erfindung beruht auf der Kombination zweier Signale eines rückseitig mit einer magnetischen Vorspannung auferlegten Drehwinkelsensors, die jeweils der Drehung der Zielscheibe entsprechen.The solution to this problem in the present invention is based on the combination of two signals of a rotationally biased rear magnetic sensor, each corresponding to the rotation of the target.

Mittels Signalverarbeitung wird eine Untergrundkomponente in jedem Detektionssignal ermittelt und ein kompensiertes Detektionssignal ausgeben.By means of signal processing, a background component is determined in each detection signal and a compensated detection signal is output.

Im Falle eines Hall-Sensors kann dabei ein 3D-Hall-Sensor eingesetzt werden und der Drehwinkel der Zielscheibe unter Verwendung der Detektion von den orthogonalen Komponenten Bz und Bx der magnetischen Flussdichte ermittelt werden. Im Falle einer Detektion auf Grund des Magnetowiderstands-Effekts wird der Drehwinkelsensor durch ein Sensorenpaar gebildet, welches die beiden nötigen Signale ausgibt. Für die Anwendung zur Bestimmung des auf eine Achse wirkenden Drehmoments wird jeweils ein zweiter Hall-Sensor bzw. ein zweites Sensorenpaar bei Detektion auf Grund des Magnetowiderstands-Effekts verwendet, welche den Drehwinkel einer zweiten Zielscheibe detektieren. Dabei ist die erste Zielscheibe an der oben angesprochenen Achse befestigt, welche über ein Torsionselement mit bekannter Torsionssteifigkeit mit der Achse der zweiten Zielscheibe gekoppelt ist. Aus dem Differenzwinkel zwischen der ersten und zweiten Zielscheibe kann dann das Drehmoment direkt aus den korrigierten Detektionssignalen ermittelt werden.In the case of a Hall sensor, a 3D Hall sensor can be used and the angle of rotation of the target can be determined using the detection of the orthogonal components B z and B x of the magnetic flux density. In the case of detection due to the magnetoresistance effect of the rotation angle sensor is formed by a pair of sensors, which outputs the two necessary signals. For the application for determining the torque acting on an axis, in each case a second Hall sensor or a second sensor pair is used in detection on the basis of the magnetoresistance effect, which detect the angle of rotation of a second target. In this case, the first target is fixed to the above-mentioned axis, which is coupled via a torsion element with known torsional stiffness with the axis of the second target. From the difference angle between the first and second target then the torque can be determined directly from the corrected detection signals.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.For a better understanding of the present invention, this will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Drehmoments zum Einsatz kommen; 1 shows a schematic representation of the structure of a first embodiment of the present invention, in which a device according to the invention for measuring the angle of rotation and a device according to the invention for measuring the torque are used;

2 zeigt eine schematische Darstellung der Verläufe der Detektionssignale einer Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels gemäß 1 als Funktion des relativen Drehwinkels. 2 shows a schematic representation of the curves of the detection signals of a device for measuring the angle of rotation according to 1 as a function of the relative angle of rotation.

3 zeigt ein Blockdiagramm für die Signalverarbeitung der Detektionssignale und die Berechnung eines Differenzwinkels gemäß der Ausführungsform der 1; 3 shows a block diagram for the signal processing of the detection signals and the calculation of a differential angle according to the embodiment of the 1 ;

4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 shows a schematic representation of the structure of a second embodiment of the present invention;

5 zeigt eine schematische Darstellung der Verläufe der Detektionssignale einer Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels gemäß 4 als Funktion des relativen Drehwinkels. 5 shows a schematic representation of the curves of the detection signals of a device for measuring the angle of rotation according to 4 as a function of the relative angle of rotation.

6 zeigt ein Blockdiagramm für die Signalverarbeitung der Detektionssignale und die Berechnung eines Differenzwinkels gemäß der zweiten Ausführungsform der der vorliegenden Erfindung. 6 FIG. 12 is a block diagram for signal processing of the detection signals and differential angle calculation according to the second embodiment of the present invention. FIG.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels und einer erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Drehmoments, oder Drehmomentsensor 1. 1 shows a schematic representation of the structure of a device according to the invention for measuring the angle of rotation and a device according to the invention for measuring the torque, or torque sensor 1 ,

Die Vorrichtung weist einen magnetischen Sensor 50 auf, der an einer festen Position bezüglich dem Außenrand eines drehbaren Körpers oder Drehteils, beabstandet ist. The device has a magnetic sensor 50 which is at a fixed position with respect to the outer edge of a rotatable body or rotating part, spaced.

Das Drehteil kann koaxial an einer Achse 2, bzw. and einer Welle gelagert werden, um in einer im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung oder in der gegenseitigen Richtung um die Drehachse gedreht zu werden und den entsprechenden Drehwinkel zu erfassen.The rotating part can be coaxial with an axis 2 , Are mounted on a shaft or to be rotated in a clockwise direction or in the mutual direction about the axis of rotation and to detect the corresponding angle of rotation.

In der dargestellten Ausführungsform ist das Drehteil eine Zielscheibe 10, die eine Vielzahl von magnetischen Zielen 30 umfasst. Die magnetischen Ziele 30 sind in im wesentlich gleichen Abständen über den Umfang der Zielscheibe 10 verteilt und radial nach außen an der Zielscheibe 10 angeordnet.In the illustrated embodiment, the rotating part is a target 10 that have a variety of magnetic targets 30 includes. The magnetic goals 30 are at substantially equal intervals over the circumference of the target 10 distributed and radially outward at the target 10 arranged.

In dem Fall, dass die Zielscheibe 10 aus ferromagnetischem Material besteht, werden die Ziele 30 durch ein äußeren Zahn/-nutenprofil gebildet, wie in 1 dargestellt ist.In the event that the target 10 Made of ferromagnetic material, the goals become 30 formed by an outer tooth / groove profile, as in 1 is shown.

Zur Befestigung an der drehbaren Achse oder Welle umfasst die Zielscheibe 10 des Weiteren Befestigungsmittel in Form eines inneren Zahnprofils 25. Es können aber auch andere bekannte Befestigungsvarianten verwendet werden, wie z. B. Nuten, etc.For attachment to the rotatable axle or shaft includes the target 10 Furthermore, fastening means in the form of an inner tooth profile 25 , But it can also be used other known attachment variants, such. B. grooves, etc.

Der magnetische Sensor 50 erhält ein Vorspannungsmagnetfeld (eng. „magnetic back-bias”) durch einen Vormagnetfeld erzeugendes Element 40, z. B. einen Permanentmagnet, der rückseitig am magnetischen Sensor 50 angeordnet ist, d. h. auf der der Zielscheibe 10 abgewandten Seite. Das das Vormagnetfeld erzeugende Element 40 und der magnetische Sensor 50 werden an einer feststehenden Position relativ zueinander gehalten. Dabei kann das das Magnetfeld erzeugende Element 40 zusammen mit dem magnetischen Sensor 50 in einem Sensorbauteil integriert sein.The magnetic sensor 50 obtains a bias magnetic field (magnetic back-bias) by a bias magnetic field generating element 40 , z. B. a permanent magnet, the back of the magnetic sensor 50 is arranged, ie on the target 10 opposite side. The bias magnetic field generating element 40 and the magnetic sensor 50 are held in a fixed position relative to each other. In this case, the magnetic field generating element 40 together with the magnetic sensor 50 be integrated in a sensor component.

Das das Vormagnetfeld erzeugende Element 40 erzeugt Magnetfeldlinien, die durch den magnetischen Sensor 50 fließen und deren Veränderung von dem magnetischen Sensor 50 erfasst werden.The bias magnetic field generating element 40 generates magnetic field lines through the magnetic sensor 50 flow and their change from the magnetic sensor 50 be recorded.

Der magnetische Sensor 50 ist gegenüber die Zielscheibe 10 so positioniert und beabstandet, dass die Drehbewegung der magnetischen Zielen 30 bezüglich des ortsfestes magnetischen Sensors 50 eine Änderung des magnetischen Flusses durch den magnetischen Sensor 50 erzeugt.The magnetic sensor 50 is the target 10 positioned and spaced so that the rotational movement of the magnetic targets 30 with respect to the stationary magnetic sensor 50 a change in the magnetic flux through the magnetic sensor 50 generated.

Alternativ ist auch eine Anordnung denkbar, bei welcher der magnetische Sensor sich mit dem Drehteil bewegt, während magnetische Ziele ortsfest um das Drehteil herum vorgesehen sind.Alternatively, an arrangement is conceivable in which the magnetic sensor moves with the rotary part, while magnetic targets are provided stationary around the rotary part.

Wenn die magnetischen Ziele 30 sich am Sensor 50 vorbei bewegen, werden die Richtung und/oder Dichte der Magnetfeldlinien des Vormagnetfeldes am Ort des Sensors geändert. Der magnetische Sensor gibt ein periodisches Detektionssignal aus, welches das Zahnprofil der Zielscheibe 10 abbildet. Die Signalamplituden sind weitgehend unabhängig von der Drehzahl der Zielscheibe 10, was einen deutlichen Vorteil gegenüber induktiven Systemen darstellt.When the magnetic goals 30 on the sensor 50 move past, the direction and / or density of the magnetic field lines of the bias magnetic field are changed at the location of the sensor. The magnetic sensor outputs a periodic detection signal representing the tooth profile of the target 10 maps. The signal amplitudes are largely independent of the speed of the target 10 , which represents a significant advantage over inductive systems.

Vorzugsweise erzeugt das das Vormagnetfeld erzeugende Element 40 ein im Wesentlichen homogenes Vormagnetfeld am Ort des Sensors 50, das zu der Ebene des magnetischen Sensors 50 senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht ist (z. B. in der Z-Richtung). Wenn also ein Drehmoment auf die Welle und/oder auf die Zielscheibe 10 aufgelegt wird, welches eine Drehbewegung um die Drehachse 2 hervorruft, kann der entsprechende Drehwinkel in der Drehrichtung durch die Erfassung der Veränderungen der Magnetfeldslinien durch den magnetischen Sensor 50 erfasst werden.Preferably, the bias magnetic field generating element generates 40 a substantially homogeneous bias magnetic field at the location of the sensor 50 leading to the plane of the magnetic sensor 50 is perpendicular or substantially perpendicular (eg in the Z-direction). So if a torque on the shaft and / or on the target 10 is applied, which is a rotational movement about the axis of rotation 2 causes the corresponding rotational angle in the direction of rotation by detecting the changes of the magnetic field lines by the magnetic sensor 50 be recorded.

In der ersten Ausführungsform basiert das Messprinzip des magnetischen Sensors 50 auf dem bekannten Hall-Effekt.In the first embodiment, the measuring principle of the magnetic sensor is based 50 on the well-known Hall effect.

Der verwendete magnetische Sensor 50 ist so ausgebildet, dass er Änderungen der magnetischen Flussdichte in zwei zu einander orthogonalen Richtungen erfassen kann. Dabei liegt die erste Richtung parallel zur Oberfläche des magnetischen Sensors 50 (X-Achse) und die zweite Richtung senkrecht dazu (Z-Achse). Dabei wird der magnetische Sensor 50 den Zielen 30 so gegenüber angeordnet, dass die erste Richtung tangential zum Umfang der Zielscheibe 10 (tangentiale Richtung) und die zweite Richtung radial zur Zielscheibe 10 (radiale Richtung), beziehungsweise senkrecht zu der Ebene der magnetisch empfindlichen Oberfläche des magnetischen Sensors 50 (d. h. senkrecht zu der X-Y-Ebene) ausgerichtet sind. Die tangentiale und radiale Richtung sind orthogonal zu der Richtung der Drehachse (Y-Achse).The used magnetic sensor 50 is designed to detect changes in magnetic flux density in two mutually orthogonal directions. The first direction is parallel to the surface of the magnetic sensor 50 (X-axis) and the second direction perpendicular thereto (Z-axis). This is the magnetic sensor 50 the goals 30 so arranged opposite, that the first direction tangential to the circumference of the target 10 (tangential direction) and the second direction radially to the target 10 (Radial direction), or perpendicular to the plane of the magnetically sensitive surface of the magnetic sensor 50 (ie perpendicular to the XY plane) are aligned. The tangential and radial directions are orthogonal to the direction of the rotation axis (Y-axis).

In der vorliegenden Ausführungsform wird vorzugsweise ein sogenannter dreidimensionaler (3D) Hall-Sensor verwendet, der im Gegensatz zu üblichen Hall-Sensoren, mit denen sich mit einem Hall-Element nur Messungen der magnetischen Flussdichte in einer Richtung (Z-Achse) durchführen lassen, auch eine Erfassung in einer zusätzlichen orthogonalen Ebene (X-Y-Ebene) ermöglicht. In the present embodiment, a so-called three-dimensional (3D) Hall sensor is preferably used, which in contrast to conventional Hall sensors, with which it is only possible to carry out measurements of the magnetic flux density in one direction (Z axis) with a Hall element, also allows detection in an additional orthogonal plane (XY plane).

2 stellt den Verlauf der Komponenten der magnetischen Flussdichte Bz und Bx in Abhängigkeit vom relativen Drehwinkel α der Zielscheibe dar, die durch den 3D-Hall-Sensor 50 in der vorliegenden Ausführungsform erfasst werden. Der obere Teil der 2 stellt schematisch die relative Positionierung des Zahn-/Lückenprofils der Zielscheibe 10 bezüglich des 3D-Hall-Sensors 50 und dem rückseitig am Sensor angeordneten Permanentmagneten 40 dar, die aus der Drehbewegung der Zielscheibe 10 um einen mechanischen Drehwinkel Ω in der dargestellten Drehrichtung resultiert. Zur Erklärung sind die Zähne 30, die sich nacheinander an dem Sensor 50 vorbeibewegen, von 1 bis 6 durchnummeriert. Dabei deuten (schematisch) die zwischen dem Zahn-/Lückenprofil und dem Sensor 50 gezeigten Linien die Ausrichtung der magnetischen Flusslinien um den Sensor 50 und deren Veränderung durch die relative Positionierung des Zahn-/Lückenprofils bezüglich des 3D-Hall-Sensors an. Durch die Relativbewegung der magnetischen Ziele 30 und des Sensors 50 kommt es auf Grund des Vorspannungsmagnetfeldes sowohl zu einer periodische Änderung der Komponente BZ der magnetischen Flussdichte in radialer Richtung (Z-Achse), als auch der Komponente BX der magnetischen Flussdichte in tangentialer Richtung (X-Achse). 2 represents the course of the components of the magnetic flux density B z and B x as a function of the relative rotation angle α of the target by the 3D Hall sensor 50 in the present embodiment. The upper part of the 2 schematically illustrates the relative positioning of the tooth / gap profile of the target 10 with respect to the 3D Hall sensor 50 and the rear side of the sensor arranged permanent magnet 40 representing the rotation of the target 10 results in a mechanical angle of rotation Ω in the illustrated direction of rotation. The explanation is the teeth 30 , one after the other on the sensor 50 pass by, numbered from 1 to 6. The (schematic) interpret between the tooth / gap profile and the sensor 50 the alignment of the magnetic flux lines around the sensor 50 and their change by the relative positioning of the tooth / gap profile with respect to the 3D Hall sensor. By the relative movement of the magnetic targets 30 and the sensor 50 Due to the bias magnetic field, both the periodic change of the component B Z of the magnetic flux density in the radial direction (Z axis) and the component B X of the magnetic flux density in the tangential direction (X axis) occur.

Im unteren Teil der 2 wird die im Sensor 50 hervorgerufene, drehwinkelabhängige periodische Veränderung der Werte der Komponenten BZ und BX der magnetischen Flussdichte als Funktion des relativen Drehwinkels α gezeigt.In the lower part of the 2 will be the one in the sensor 50 caused, rotation angle-dependent periodic change of the values of the components B Z and B X of the magnetic flux density as a function of the relative rotation angle α shown.

Die vertikalen gestrichelten Linien stellen Werte der Komponenten BX und BZ für die im oberen Teil der 2 gezeigte Positionierung der Zähne 1 bis 6 dar.The vertical dashed lines represent values of components B X and B Z for those in the upper part of FIG 2 shown positioning of the teeth 1 to 6.

Dabei sind die Maximalwerte von BZ von 1 bis 6 durchnummeriert, welche erfasst werden, wenn der jeweilige Zahn in Wesentlichen gegenüber dem Sensor 50 liegt. Diese Maximalwerte entsprechen einer Ausrichtung des Vormagnetfelds in Wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Sensors. Dabei erreicht die BX Komponente einen Nulldurchgang.In this case, the maximum values of B Z are numbered from 1 to 6, which are detected when the respective tooth is substantially opposite to the sensor 50 lies. These maximum values correspond to an orientation of the bias magnetic field substantially perpendicular to the plane of the sensor. The B X component reaches a zero crossing.

Anderseits wird der Minimalwert der BZ Komponente erreicht wenn eine Lücke 35 gegenüber dem Sensor 50 liegt, wie in 2 für Zähne 3 und 4 gezeigt.On the other hand, the minimum value of the BZ component is reached when there is a gap 35 opposite the sensor 50 lies, as in 2 for teeth 3 and 4 shown.

Die beiden Komponenten der magnetischen Flussdichte, BZ und BX, werden im 3D-Hall Sensor 50 ausgewertet, der zwei verschiedene Detektionssignale in der Form von Ausgangsspannungsignalen UZ und UX erzeugt. Diese Detektionssignale UZ und UX sind proportional zu der entsprechenden Komponente der magnetischen Flussdichte BZ bzw. BX und weisen einen Phasedifferenz von im Wesentlichen 90 Grad auf.The two components of magnetic flux density, B Z and B X , are used in the 3D Hall sensor 50 which generates two different detection signals in the form of output voltage signals U Z and U X. These detection signals U Z and U X are proportional to the corresponding component of the magnetic flux density B Z and B X and have a phase difference of substantially 90 Degrees.

Bei einem Zahn-/Lückenprofil mit N gleichmäßig beabstandeten Zähnen 30 folgen die Werte dieser Komponenten, bzw. die beiden Detektionssignale, näherungsweise einer Sinus-/Kosinusfunktion mit einer Periode, die einem mechanischen Absolutdrehwinkel von 360°/N entspricht. Es wird angemerkt, dass sich der mechanische Drehwinkel Ω der Zielscheibe 10 als Ω = α/N aus dem relativen Drehwinkel α ergibt, bzw. als Ω = n × 360°/N + α0/N, wobei n die Anzahl der detektierten Maxima seit der Nullstellung (z. B. die Positionierung von Zahn 1), und α0 den Winkelwert seit dem letzten Maximum angeben. Der Winkelwerte α0 kann durch die Sinus-/Kosinusfunktion direkt aus den gemessenen Detektionssignalen berechnet werden.In a tooth / gap profile with N evenly spaced teeth 30 The values of these components, or the two detection signals, follow approximately a sine / cosine function with a period corresponding to a mechanical absolute rotation angle of 360 ° / N. It is noted that the mechanical rotation angle Ω of the target 10 as Ω = α / N from the relative rotation angle α, or as Ω = n × 360 ° / N + α 0 / N, where n is the number of detected maxima since the zero position (eg the positioning of tooth 1 ), and α 0 indicates the angle value since the last maximum. The angle value α 0 can be calculated directly from the measured detection signals by the sine / cosine function.

Für einen Absolutdrehwinkel kleiner als 360°/N, wird keine Maxima seit der Nullstellung detektiert (n = 0) und der Absolutdrehwinkel ergibt sich einfach als Ω = α0/N.For an absolute rotation angle smaller than 360 ° / N, no maxima since the zero position is detected (n = 0) and the absolute rotation angle simply results as Ω = α 0 / N.

Die Winkelgenauigkeit derartiger Sinus/Kosinus-Sensor wird jedoch durch den magnetischen Offset-Effekt begrenzt.However, the angular accuracy of such sine / cosine sensor is limited by the magnetic offset effect.

Wenn standardmäßig ein Permanentmagnet 40 verwendet wird, zeigt die Komponente der magnetischen Flussdichte BZ, wie in der 2 angedeutet, prinzipbedingt einen erheblichen Untergrund bzw. Offsetwert, BZ,offset, von etwa 200–500 mT, der im wesentlichen konstant und unabhängige von der Drehbewegung des Zieles 30 ist. Demgegenüber liegen die Amplituden der durch die mechanische Drehung veränderten Komponenten BX und BZ in der Regel im Bereich von 0.2 bis 2 mT. Die Komponente BX zeigt einen im Vergleich zur Amplitude relativ geringfügigen Offsetwert, BX,offset.If standard, a permanent magnet 40 is used, shows the component of the magnetic flux density B Z , as in 2 indicated, in principle, a significant background or offset value, B Z, offset , of about 200-500 mT, the substantially constant and independent of the rotational movement of the target 30 is. In contrast, the amplitudes of the components B X and B Z changed by the mechanical rotation are generally in the range of 0.2 to 2 mT. Component B X shows a relatively small offset value, B X, offset compared to the amplitude.

Unter Berücksichtigung des durch die magnetische Vorspannung bewirkten Offset-Effekts ergeben sich die beiden Komponenten BZ und BX, beziehungsweise die jeweiligen Detektionssignale UZ und UX als: BX = ΔBX × sin(α) + BXoffset BZ = ΔBZ × cos(α) + BZoffset wobei ΔBX und ΔBZ die Amplituden der jeweiligen Komponenten BX und BZ sind, und BZ,offset, BX,offset die jeweiligen Offsetwerte. Taking into account the offset effect caused by the magnetic bias, the two components B Z and B X , or the respective detection signals U Z and U X, result as follows: B X = .DELTA.B X × sin (α) + B Xoffset B Z = ΔB Z × cos (α) + B Zoffset where ΔB X and ΔB Z are the amplitudes of the respective components B X and B Z , and B Z, offset , B X, offset the respective offset values.

Das Auftreten eines derartigen Offsets in den beiden Detektionssignalen verfälscht tatsächlich die durchgeführten Drehwinkelmessungen, die kompensierte werden müssen.The occurrence of such an offset in the two detection signals actually falsifies the rotational angle measurements that have to be made.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache Bestimmung der Amplitude und des Offsetwerts der jeweiligen Detektionssignale, so dass auf der Grundlage der bestimmten Werte eine bereinigte Drehwinkelberechnung durchführbar ist.The present invention enables a simple determination of the amplitude and the offset value of the respective detection signals, so that on the basis of the determined values an adjusted rotation angle calculation is feasible.

Die Amplitude und Offset der jeweiligen Detektionssignale können aus Maximal- und Minimalwerten des Detektionssignals wie folgt bestimmt werden.The amplitude and offset of the respective detection signals can be determined from maximum and minimum values of the detection signal as follows.

Zur Berechnung der Amplituden ΔBX und ΔBZ werden Maximalwert und Minimalwert der entsprechenden Detektionssignale der jeweiligen Komponenten BX und BZ ermittelt und die Amplituden dann als Differenz von den ermittelten Maximal- und Minimalwerten für die jeweiligen Komponenten berechnet. Der Offsetwert BXoffset bzw. BZoffset errechnet sich jeweils als die Hälfte der Summe aus Maximalwert und Minimalwert.To calculate the amplitudes ΔB X and ΔB Z , the maximum value and the minimum value of the respective detection signals of the respective components B X and B Z are determined and the amplitudes are then calculated as the difference between the determined maximum and minimum values for the respective components. The offset value B Xoffset or B Zoffset is calculated in each case as half of the sum of maximum value and minimum value.

Die Detektionssignale können dann direkt nach einer bestimmten Anzahl von Signalperioden kompensiert werden, und die sin(α) und cos(α) Messwerte durch die korrigierten Detektionssignale des 3D-Hall-Sensor 50 wie folgt berechnet werden:

Figure 00090001
The detection signals can then be compensated directly after a certain number of signal periods, and the sin (α) and cos (α) measured values by the corrected detection signals of the 3D Hall sensor 50 calculated as follows:
Figure 00090001

Auf der Grundlage derartig korrigierter Messwerte kann der mechanische Absolutdrehwinkel Ω = α/N beispielsweise durch den Arkustangens des Verhältnisses der so erhaltenen Sinus- und Kosinussignale berechnet werden. Für einen Drehwinkel kleiner als 360°/N ist nur maximal ein Ziel 30 vor dem Sensor 50 vorbeigegangen und der Absolutdrehwinkel Ω kann direkt aus den gemessenen Detektionssignalen ermittelt werden. Ansonsten werden die Anzahl n von Maxima der BZ Komponente ermittelt, und der entsprechende Winkelanteil n × 360°/N zum gemessenen Wert α0 hinzufügt, wie oben beschrieben. Beispielsweise würde für eine Zielscheibe mit 100 gleichmäßig beabstandeten Zielen 30 der mechanische Drehwinkel entsprechend der relativen Positionierung des in 2 dargestellten Zahn 2 der obigen Gleichung mit n = 1, N = 100 und α0 = 45° berechnet werden.On the basis of such corrected measured values, the mechanical absolute rotation angle Ω = α / N can be calculated, for example, by the arctangent of the ratio of the thus obtained sine and cosine signals. For a rotation angle smaller than 360 ° / N is only a maximum of one target 30 in front of the sensor 50 passed by and the absolute rotation angle Ω can be determined directly from the measured detection signals. Otherwise, the number n of maxima of the B z component is determined, and the corresponding angle component n × 360 ° / N is added to the measured value α 0 , as described above. For example, would be for a target with 100 evenly spaced targets 30 the mechanical angle of rotation corresponding to the relative positioning of the in 2 illustrated tooth 2 of the above equation with n = 1, N = 100 and α 0 = 45 ° are calculated.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der magnetische Offset des magnetischen Sensors in einfacher Weise während des Betriebes berechnet und kompensiert werden, welches eine Erhöhung der Winkelgenauigkeit ermöglicht. Insbesondere erlaubt das dargestellte Verfahren einen automatischen Offsetabgleich bei dynamischen Drehbewegungen.By means of the method according to the invention, the magnetic offset of the magnetic sensor can be calculated and compensated in a simple manner during operation, which enables an increase in the angular accuracy. In particular, the illustrated method allows automatic offset adjustment in dynamic rotational movements.

Zur Messung des Drehmomentes wird, wie in 1 gezeigt, in Richtung der Drehachse eine zweite Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels mit einer zweiten Zielscheibe 20 und einem zweiten magnetischen Sensor 60 angeordnet. Dabei entsprechen Aufbau und Funktion der oben beschriebenen Vorrichtung, d. h. das insbesondere der zweite magnetische Sensor den Drehwinkel der zweiten Zielscheibe ermittelt. Dabei können die erste Zielscheibe mit einer Eingabewelle und die zweite Zielscheibe mit einer Ausgabewelle verbunden werden, die über ein Torsionselement mit bekannter Torsionssteifigkeit gekoppelt sind.To measure the torque is, as in 1 shown, in the direction of the axis of rotation, a second device for measuring the angle of rotation with a second target 20 and a second magnetic sensor 60 arranged. In this case, the structure and function of the device described above, ie, in particular the second magnetic sensor determines the rotation angle of the second target. In this case, the first target can be connected to an input shaft and the second target can be connected to an output shaft, which are coupled via a torsion element with known torsional rigidity.

Wie der erste magnetische Sensor 50 erhält auch der zweite magnetische Sensor 60 ein Vorspannungsmagnetfeld durch das das Vormagnetfeld erzeugende Element 40.Like the first magnetic sensor 50 also receives the second magnetic sensor 60 a bias magnetic field by the bias magnetic field generating element 40 ,

Aus der Differenz des Drehwinkels Ω1 der ersten Zielscheibe 10 und des Drehwinkels Ω2 der zweiten Zielscheibe 20 kann dann mittels der bekannten Torsionssteifigkeit das Drehmoment bestimmt werden. Dabei wird das Torsionselement so ausgelegt, dass bei den zu erwartenden Winkeln im elastischen Messbereich des Torsionselements gearbeitet wird. Das resultierende Drehmoment ist dann direkt proportional zur Drehwinkeldifferenz. From the difference of the angle of rotation Ω1 of the first target 10 and the rotation angle Ω 2 of the second target 20 can then be determined by means of the known torsional rigidity, the torque. In this case, the torsion element is designed so that it operates at the expected angles in the elastic measuring range of the torsion element. The resulting torque is then directly proportional to the rotation angle difference.

In der vorliegenden Ausführungsform wird die Drehwinkeldifferenz über die Detektionssignale des ersten und des zweiten 3D-Hall-Sensors 50, 60 erfasst.In the present embodiment, the rotational angle difference becomes above the detection signals of the first and second 3D Hall sensors 50 . 60 detected.

Wenn die erste Zielscheibe 10 um einen mechanischen Drehwinkelwert Ω1 gedreht wird, liefert der erste 3D-Hall-Sensor 50 zwei elektrische Detektionssignale UZ1 und UX1, die direkt proportional zu den orthogonalen Komponenten des Magnetfeldes BZ1 und BX1 am Ort des ersten 3D-Hall-Sensors 50 sind. Diese Komponenten ergeben sich als: BZ1 = ΔBZ1 × sin(α) + BZoffset BX1 = ΔBX1 × cos(α) + BXoffset wobei ΔBX1, ΔBZ1 die Amplituden und BZoffset, BXoffset die Offsetwerte der jeweiligen Komponenten BX1 und BZ1 sind. α ist der relative Drehwinkel der ersten Zielscheibe 10.If the first target 10 is rotated by a mechanical angle value Ω 1 , provides the first 3D Hall sensor 50 two electrical detection signals U Z1 and U X1 , which are directly proportional to the orthogonal components of the magnetic field B Z1 and B X1 at the location of the first 3D Hall sensor 50 are. These components arise as: B Z1 = ΔB Z1 × sin (α) + B Zoffset B X1 = ΔB X1 × cos (α) + B Xoffset where ΔB X1 , ΔB Z1 are the amplitudes and B Zoffset , B Xoffset are the offset values of the respective components B X1 and B Z1 . α is the relative angle of rotation of the first target 10 ,

Die Verdrehung des Torsionselements ist dem auf die ersten Zielscheibe 10 wirkenden Drehmoment proportional. Daher ergibt sich eine Differenz Δα der relative Drehwinkel der ersten 10 und zweiten Zielscheibe 20. Der zweite Sensor 60 liefert ebenfalls zwei elektrische Detektionssignale UZ2 und UX2, die direkt proportional zu den orthogonalen Komponenten des Magnetfeldes BZ2 und BX2 am Ort des zweiten 3D-Hall-Sensors 60 sind. Diese Komponenten ergeben sich als: BZ2 = ΔBZ2 × sin(α + Δα) + BZoffset BX2 = ΔBX2 × cos(α + Δα) + BXoffset wobei ΔBX2, ΔBZ2 die Amplituden und BZoffset, BXoffset die Offsetwerte der jeweiligen Komponenten BX2 und BZ2 sind. α + Δα ist der relative Drehwinkel der zweiten Zielscheibe 20.The rotation of the torsion element is the on the first target 10 acting torque proportional. Therefore, a difference Δα results in the relative rotation angle of the first one 10 and second target 20 , The second sensor 60 also provides two electrical detection signals U Z2 and U X2 , which are directly proportional to the orthogonal components of the magnetic field B Z2 and B X2 at the location of the second 3D Hall sensor 60 are. These components arise as: B Z2 = ΔB Z2 × sin (α + Δα) + B Zoffset B X2 = ΔB X2 × cos (α + Δα) + B Xoffset where ΔB X2 , ΔB Z2 are the amplitudes and B Zoffset , B Xoffset are the offset values of the respective components B X2 and B Z2 . α + Δα is the relative angle of rotation of the second target 20 ,

Vorzugsweise haben in dieser Ausführungsform die beiden 3D-Hall-Sensoren 50, 60 ähnliche Eigenschaften und Abstand bzgl. der jeweiligen Zielscheibe 10, 20. Dann stellen die Detektionssignale für die jeweiligen Komponenten BZ und Bx der beiden 3D-Hall-Sensoren 50, 60 gleiche Amplituden und Offsetwerte dar, was die Berechnung entsprechend vereinfacht.Preferably, in this embodiment, the two 3D Hall sensors 50 . 60 similar properties and distance with respect to the respective target 10 . 20 , Then, the detection signals for the respective components B Z and B x of the two 3D Hall sensors 50 . 60 equal amplitudes and offset values, which simplifies the calculation accordingly.

Die Amplituden und Offsets der jeweiligen Detektionssignale werden durch die oben beschriebenen Verfahren bestimmt.The amplitudes and offsets of the respective detection signals are determined by the methods described above.

Wie oben beschrieben, können die sin(α) und cos(α) Werte durch die korrigierten Detektionssignale BZ1,Korr und BX1,Korr des ersten 3D-Hall-Sensors 50 wie folgt berechnet werden:

Figure 00110001
As described above, the sin (α) and cos (α) values can be detected by the corrected detection signals B Z1, Korr and B X1, Korr of the first 3D Hall sensor 50 calculated as follows:
Figure 00110001

Die Werte sin(α + Δα) und cos(α + Δα) werden mittels der korrigierten Detektionssignale BZ2,Korr und BX2,Korr des zweiten 3D-Hall-Sensors 60 berechnet:

Figure 00110002
The values sin (α + Δα) and cos (α + Δα) are determined by means of the corrected detection signals B Z2, Korr and B X2, Korr of the second 3D Hall sensor 60 calculated:
Figure 00110002

Der Differenzwinkel Δα kann dann durch die bekannte Sinus-Kosinus Formel berechnet werden: sin(α – (α + Δα)) = sin(α) × cos(α + Δα) – cos(α) × sin(α + Δα) sin(–Δα) = sin(α) × cos(α + Δα) – cos(α) × sin(α + Δα) The difference angle Δα can then be calculated by the known sine-cosine formula: sin (α - (α + Δα)) = sin (α) × cos (α + Δα) - cos (α) × sin (α + Δα) sin (-Δα) = sin (α) × cos (α + Δα) - cos (α) × sin (α + Δα)

Für Differenzwinkelwerte Δα kleiner als 4°, gilt sin(–Δα) ≈ –Δα. Der relative Fehler im Winkelintervall (–4,4° bis +4,4°) liegt nur bei maximal 0,1%.For differential angle values Δα less than 4 °, sin (-Δα) ≈ -Δα applies. The relative error in the angular interval (-4.4 ° to + 4.4 °) is only 0.1% maximum.

Der Differenzwinkel Δα wird dann wie folgt bestimmt:

Figure 00110003
oder kann direkt aus den korrigierten Detektionssignalen BX1,korr, BZ1,korr, BX2,korr und BZ2,korr durch die folgende Formel berechnet werden: –Δα = BX1,korr × BZ2,korr – BZ1,korr × BX2,korr The difference angle Δα is then determined as follows:
Figure 00110003
or can be calculated directly from the corrected detection signals B X1, corr , B Z1, corr , B X2, corr and B Z2, corr by the following formula: -Δα = B X1, corrx B Z2, corr -B Z1, corrx B X2, corr

Diese Auswertungsmethode ist sehr empfindlich auf kleinste Winkeldifferenzen.This evaluation method is very sensitive to the smallest angle differences.

Der Differenzwinkel kann durch analoge elektronische Operationen (Multiplikation, Subtraktion, Komparation) bestimmt werden, wie in 3 dargestellt ist. Durch die oben beschriebene Prozedur kann direkt aus der Winkeldifferenz das Drehmoment bestimmt werden.The differential angle can be determined by analogous electronic operations (multiplication, subtraction, comparison), as in 3 is shown. By the procedure described above, the torque can be determined directly from the angular difference.

Zur Durchführung der oben beschriebenen Operationen umfasst die Vorrichtung zur Messung des Drehmoments weiter eine Prozesseinheit 3, die die Detektionssignale verarbeitet. Die Prozesseinheit 3 ist schematisch in 3 gezeigt. Sie umfasst einen Spitzenwertdetektor 310, 311, 312, 313 für jedes Detektionssignal, welcher die Maximal- und Minimalwerte von jedem Detektionssignal ermittelt. Der Offsetwert wird für jedes Detektionssignal mittels der ermittelten Maximal- und Minimalwerte berechnet und dann zu einer jeweiligen Subtraktionseinheit 320, 321, 322, 323 weitergegeben, die den Offsetwert von dem gemessenen Signal abzieht.To perform the above-described operations, the torque measuring device further includes a process unit 3 which processes the detection signals. The process unit 3 is schematic in 3 shown. It includes a peak detector 310 . 311 . 312 . 313 for each detection signal which determines the maximum and minimum values of each detection signal. The offset value is calculated for each detection signal by means of the determined maximum and minimum values and then to a respective subtraction unit 320 . 321 . 322 . 323 which subtracts the offset value from the measured signal.

Minimal- und Maximalwert werden auch einer jeweiligen Amplitudenberechnungseinheit übergeben, welche die Amplituden des jeweiligen Signals wie weiter oben beschrieben berechnet.Minimum and maximum values are also passed to a respective amplitude calculation unit, which calculates the amplitudes of the respective signal as described above.

Das Offset-korrigierte Signal wird von der Subtraktionseinheit 320, 321, 322, 323 an eine jeweilige Divisionseinheit 330, 331, 332, 333 übergegeben, welche das erhaltene Signal durch die berechnete Amplitude teilt um ein korrigierte Detektionssignal BX1,korr, BZ1,korr, BX2,korr und BZ2,korr auszugeben.The offset corrected signal is from the subtraction unit 320 . 321 . 322 . 323 to a respective division unit 330 . 331 . 332 . 333 which outputs the obtained signal by the calculated amplitude to output a corrected detection signal B X1, corr , B Z1, corr , B X2, corr and B Z2, corr .

Die Berechnung der korrigierten Detektionssignale wird entsprechend für alle vier Detektionssignale BZ1, BX1, BZ2 und BX2 durchgeführt.The calculation of the corrected detection signals is carried out correspondingly for all four detection signals B Z1 , B X1 , B Z2 and B X2 .

Die resultierenden korrigierten Detektionssignale BZ1korr und BX2korr, bzw. BZ2korr und BX1korr dann werden in einer entsprechenden Multiplikationseinheit 340, 341 miteinander multipliziert.The resulting corrected detection signals B Z1korr and B X2korr , and B Z2korr and B X1korr then become in a corresponding multiplication unit 340 . 341 multiplied by each other.

In einer weiteren Subtraktionseinheit 360 wird dann die Drehwinkeldifferenz als Differenz der obigen Produkte berechnet.In another subtraction unit 360 then the rotation angle difference is calculated as the difference of the above products.

Die Signalverarbeitung kann auch auf digitaler Ebene in einem digitalen Signalprozessor (DSP) durchgeführt werden.The signal processing can also be performed on a digital level in a digital signal processor (DSP).

4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels und der Vorrichtung zur Messung des Drehmoments, oder Drehmomentsensor 4, gemäß der Erfindung. 4 shows a schematic representation of the structure of a second embodiment of the device for measuring the angle of rotation and the device for measuring the torque, or torque sensor 4 , according to the invention.

In der zweiten Ausführungsform basiert das Messprinzip der magnetischen Sensoren auf dem bekannten Magnetowiderstand-Effekt.In the second embodiment, the measuring principle of the magnetic sensors based on the known magnetoresistance effect.

In dieser Ausführungsform können vorzugsweise sogenannte AMR, GMR oder TMR-Sensoren verwendet werden. Im weiteren werden diese Sensoren der Einfachheit halber als XMR-Sensoren bezeichnet.In this embodiment, so-called AMR, GMR or TMR sensors may preferably be used. For the sake of simplicity, these sensors are referred to below as XMR sensors.

Die magnetischen Sensoren sind so ausgebildet, dass sie Änderungen der magnetischen Flussdichte parallel zu der magnetisch empfindlichen Oberfläche des Sensors (X-Achse) erfassen können und ein entsprechendes Detektionssignal ausgeben.The magnetic sensors are designed so that they can detect changes in the magnetic flux density parallel to the magnetically sensitive surface of the sensor (X-axis) and output a corresponding detection signal.

Um den Drehwinkel der Zielscheibe 10 zu ermitteln, werden bei der zweiten Ausführungsform zwei XMR-Sensoren angewendet, die zwei verschiedene Detektionssignale ausgeben.To the rotation angle of the target 10 In the second embodiment, two XMR sensors which output two different detection signals are applied.

Wie in 4 dargestellt, umfasst die Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels der obere Zielscheibe 10 einen ersten XMR-Sensor R1 und einen zweiten XMR-Sensor L1, die ortsfest mit festem Abstand in radialer Richtung von der Zielscheibe 10 angeordnet sind. Die beiden XMR-Sensoren R1, L1 sind dabei nebeneinander in einem festen Abstand voneinander in tangentialer Richtung bzgl. der Drehbewegung der Zielscheibe 10 angeordnet.As in 4 illustrated, the device for measuring the rotation angle of the upper target 10 a first XMR sensor R1 and a second XMR sensor L1 stationary with a fixed distance in the radial direction of the target 10 are arranged. The two XMR sensors R1, L1 are next to each other at a fixed distance from each other in the tangential direction with respect to the rotational movement of the target 10 arranged.

Jedem XMR-Sensor R1, L1 wird eine magnetische Vorspannung auferlegt. Dazu wird wie in der ersten Ausführungsform ein ein Magnetfeld erzeugendes Element rückseitig an den Sensor angeordnet. Dieses Element kann zum Beispiel ein Permanentmagnet 40 sein.Each XMR sensor R1, L1 is given a magnetic bias. For this purpose, as in the first embodiment, a magnetic field generating element is arranged on the back of the sensor. This element may, for example, be a permanent magnet 40 be.

Durch die Drehbewegung des Zahn-/Lückenprofils vor den XMR-Sensoren R1, L1 kommt es auf Grund der magnetischen Vorspannung zu einer periodischen Änderung der magnetischen Flussdichte BX in tangentialer Richtung der Drehbewegung (X-Achse) als Funktion des Drehwinkels, die von den XMR-Sensoren R1, L1 erfasst werden können.Due to the magnetic bias, the rotational movement of the tooth / gap profile in front of the XMR sensors R1, L1 results in a periodic change in the magnetic flux density B X in the tangential direction of the rotational movement (X axis) as a function of the angle of rotation XMR sensors R1, L1 can be detected.

5 zeigt eine schematische Darstellung der Verläufe der Detektionssignale der Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels gemäß 4 als Funktion des relativen Drehwinkels der Zielscheibe. 5 shows a schematic representation of the curves of the detection signals of the device for measuring the angle of rotation according to 4 as a function of the relative angle of rotation of the target.

Der obere Teil der 5 stellt schematisch die relative Positionierung des Zahn-/Lückenprofils der Zielscheibe 10 bezüglich der nebeneinander angeordneten XMR-Sensoren R1, L1 und dem rückseitig an den XMR-Sensoren angeordneten Permanentmagneten 40 dar. Dabei deuten die zwischen dem Zahn-/Lückenprofil und jedem XMR-Sensor gezeigten Linien die Ausrichtung der magnetischen Flusslinien um den jeweiligen XMR-Sensor und deren Veränderung durch die relative Positionierung des Zahn-/Lückenprofils bezüglich des XMR-Sensors an.The upper part of the 5 schematically illustrates the relative positioning of the tooth / gap profile of the target 10 with respect to the juxtaposed XMR sensors R1, L1 and the rear side of the XMR sensors arranged permanent magnet 40 The lines shown between the Gap / Gap profile and each XMR sensor indicate alignment of the magnetic flux lines around the respective XMR sensor and their change by the relative positioning of the Gap / Gap profile with respect to the XMR sensor.

Zur Veranschaulichung der Entstehung des Sensorsignals sind die Zähne wie in 2 von 1 bis 6 durchnummeriert. Die Maxima des resultierenden Signals BXL sind entsprechend von 1 bis 6 durchnummeriert, wobei das Maximum n (n = 1 bis 6) der jeweiligen Stellung des Zahns n mittig gegenüber dem Sensor entspricht.To illustrate the formation of the sensor signal, the teeth are as in 2 numbered from 1 to 6. The maxima of the resulting signal B XL are numbered consecutively from 1 to 6, with the maximum n (n = 1 to 6) corresponding to the respective position of the tooth n in the center of the sensor.

Wie in der ersten Ausführungsform ergibt sich für jeden XMR-Sensor R1, L1 eine Signalform gemäß einer Kreiswinkelfunktion. Dabei wird der Abstand zwischen den XMR-Sensoren erfindungsgemäß so gewählt, dass sich zwischen dem Detektionssignal als Funktion des relativen Drehwinkels α des ersten XMR-Sensors R1 und des zweiten XMR-Sensors L1 eine bestimmte Phasendifferenz ergibt. Zur Vereinfachung der Bestimmung des Drehwinkels α werden hier die beiden XMR-Sensoren so beabstandet, dass die Phasendifferenz zwischen den Detektionssignalen bei 90° liegt.As in the first embodiment, a waveform corresponding to a circular angle function is obtained for each XMR sensor R1, L1. According to the invention, the distance between the XMR sensors is selected such that a specific phase difference results between the detection signal as a function of the relative rotational angle α of the first XMR sensor R1 and the second XMR sensor L1. To simplify the determination of the rotation angle α, the two XMR sensors are here spaced such that the phase difference between the detection signals is at 90 °.

Es ergeben sich daher zwei Detektionssignale, die proportional zu den folgenden gemessenen Komponenten BX der magnetischen Flussdichte sind: BXL = ΔBXL × cos(α) + BXoffset BXR = ΔBXR × sin(α) + BXoffset wobei ΔBXL und BXoffset die Amplitude und der Offsetwert der Komponente BX am Ort des XMR-Sensors L1 sind, und ΔBXR die Amplitude der Komponente BX am Ort des XMR-Sensors R1 ist.There are therefore two detection signals which are proportional to the following measured components B X of the magnetic flux density: B XL = ΔB XL × cos (α) + B Xoffset B XR = ΔB XR × sin (α) + B Xoffset where ΔB XL and B Xoffset are the amplitude and offset of the component B X at the location of the XMR sensor L1, and ΔB XR is the amplitude of the component B X at the location of the XMR sensor R1.

Der erste XMR-Sensor R1 und der zweite XMR-Sensor L1 können weiter so gewählt werden, dass sie eine identische Empfindlichkeit aufweisen.The first XMR sensor R1 and the second XMR sensor L1 can be further selected to have identical sensitivity.

Bei der oben beschriebenen Wahl der XMR-Sensoren und deren Positionierung sind sowohl Untergrund BXoffset als auch die Amplitude ΔBXL und ΔBXR für beide Detektionssignale als identisch anzusehen.In the above-described choice of XMR sensors and their positioning, both background B Xoffset and the amplitude ΔB XL and ΔB XR are to be regarded as identical for both detection signals.

Die Drehwinkeldifferenz Δα zwischen der ersten Zielscheibe 10 und der zweiten Zielscheibe 20 wird über die Detektionssignale von vier XMR-Sensoren erfasst.The rotational angle difference Δα between the first target 10 and the second target 20 is detected by the detection signals from four XMR sensors.

Der mechanische Drehwinkel Ω = α / N der ersten Zielscheibe 10 wird durch die aus den vom ersten XMR-Sensor R1 und zweiten XMR-Sensor L1 ausgegeben elektrischen Detektionssignalen ermittelt, die direkt proportional zu den parallelen Komponenten des Magnetfeldes BXR1 und BXL1 am Ort des jeweiligen XMR-Sensors R1 bzw. L1 sind: BXR1 = ΔBX1 × sin(α) + BX1offset BXL1 = ΔBX1 × cos(α) + BX1offset wobei ΔBX1 und BX1,offset die Amplitude und der Offsetwert der Komponenten BXR1 und BXL1 sind.The mechanical angle of rotation Ω = α / N the first target 10 is determined by the electrical detection signals output from the first XMR sensor R1 and second XMR sensor L1, which are directly proportional to the parallel components of the magnetic fields B XR1 and B XL1 at the location of the respective XMR sensor R1 and L1, respectively: B XR1 = ΔB X1 × sin (α) + B X1offset B XL1 = ΔB X1 × cos (α) + B X1offset where ΔB X1 and B X1, offset are the amplitude and the offset value of the components B XR1 and B XL1 .

Die erste und zweite Zielscheibe 10, 20 werden wie in der ersten Ausführungsform durch ein Torsionselement miteinander gekoppelt. Daher ergibt sich auch in der zweiten Ausführungsform eine Differenz Δα der Drehwinkel der ersten und der zweiten Zielscheibe 10, 20 aufgrund des auf die Zielscheibe aufgebrachten Drehmoments.The first and second target 10 . 20 are coupled together as in the first embodiment by a torsion element. Therefore, in the second embodiment as well, a difference Δα in the rotational angles of the first and second targets results 10 . 20 due to the torque applied to the target.

Der relative Drehwinkel α + Δα der zweiten Zielscheibe 20 wird durch ein zweites Sensorenpaar ermittelt. Das zweite Sensorenpaar umfasst einen dritten XMR-Sensor R2 und eine vierten XMR-Sensor L2, die ebenfalls zwei elektrische Detektionssignale proportional zu den folgenden Komponenten ausgeben: BXR2 = ΔBX2 × sin(α + Δα) + BX2offset BXL2 = ΔBX2 × cos(α + Δα) + BX2offset wobei ΔBX2 und BX2offset die Amplitude und der Offsetwert der Komponenten BXR2 und BXL2 sind, und α + Δα der Drehwinkel von der zweiten Zielscheibe 20 ist.The relative rotation angle α + Δα of the second target 20 is determined by a second pair of sensors. The second pair of sensors comprises a third XMR sensor R2 and a fourth XMR sensor L2, which also output two electrical detection signals proportional to the following components: B XR2 = ΔB X2 × sin (α + Δα) + B X2offset B XL2 = ΔB X2 × cos (α + Δα) + B X2offset where ΔB X2 and B X2offset are the amplitude and the offset of the components B XR2 and B XL2 , and α + Δα are the angles of rotation of the second target 20 is.

In dem Ausführungsbeispiel haben alle XMR-Sensoren ähnliche Eigenschaften, insbesondere bzgl. ihrer Empfindlichkeit und Beabstandung von den jeweiligen Zielscheiben. Deshalb können die Amplituden und Offsetwerte der Detektionssignale für die jeweiligen XMR-Sensoren als gleich angesehen werden.In the exemplary embodiment, all XMR sensors have similar properties, in particular with respect to their sensitivity and spacing from the respective targets. Therefore, the amplitudes and offset values of the detection signals for the respective XMR sensors can be considered equal.

Die Amplituden und Offsets der jeweiligen Detektionssignale werden durch die oben beschriebenen Verfahren bestimmt, und die Sinus- und Kosinuswerte der Drehwinkel α und α + Δα durch die korrigierten Detektionssignale berechnet.The amplitudes and offsets of the respective detection signals are determined by the methods described above, and the sine and cosine values of the rotation angles α and α + Δα are calculated by the corrected detection signals.

Die korrigierten Detektionssignale BXL1,korr und BXR1,korr des XMR-Sensors L1 und des XMR-Sensors R1 werden dann wie folgt berechnet:

Figure 00160001
The corrected detection signals B XL1, korr and B XR1, corr of the XMR sensor L1 and the XMR sensor R1 are then calculated as follows:
Figure 00160001

Die korrigierten Detektionssignale BXL2,korr und BXR2,korr des XMR-Sensors L2 und des XMR-Sensors R2 werden wie folgt berechnet:

Figure 00160002
The corrected detection signals B XL2, korr and B XR2, corr of the XMR sensor L2 and the XMR sensor R2 are calculated as follows:
Figure 00160002

Nach der Sinus-Kosinus Formel sin[α – (α + Δα)] für kleine Winkel, kann das Differenzwinkel wie folgt berechnet werden:

Figure 00160003
oder kann direkt hinsichtlich der korrigierten Detektionssignale durch die folgende Formel berechnet wird: –Δα = BXL1,korr × BXR2,korr – BXR1,korr × BXL2,korr According to the sine-cosine formula sin [α - (α + Δα)] for small angles, the difference angle can be calculated as follows:
Figure 00160003
or can be calculated directly with respect to the corrected detection signals by the following formula: -Δα = B XL1, corr × B XR2, corr - B XR1, corr × B XL2, corr

Analog zur ersten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Messung des Drehmoments in dieser Ausführungsform eine Prozesseinheit zur Durchführung der oben beschriebenen Operationen.Analogously to the first embodiment, the torque measuring device in this embodiment comprises a process unit for performing the above-described operations.

Die Berechnung der korrigierten Detektionssignale und Drehwinkeldifferenz verläuft dann entsprechend durch analoge elektronische Operationen (Multiplikation, Subtraktion, Komparation), wie für die erste Ausführungsform oben diskutiert. Die Signalverarbeitung kann auch auf digitaler Ebene in einem digitalen Signalprozessor (DSP) durchgeführt werden.The calculation of the corrected detection signals and the rotation angle difference then proceeds accordingly by analogous electronic operations (multiplication, subtraction, comparison) as discussed above for the first embodiment. The signal processing can also be performed on a digital level in a digital signal processor (DSP).

Wegen der oben angesprochenen Gleichheit der Amplituden- und Offsetwerte der einzelnen Detektionssignale für jedes Paar von XMR-Sensoren brauchen diese jedoch nur einmal berechnet werden. Daher kann auch die Prozesseinheit entsprechend vereinfacht werden. Wie in 6 gezeigt ist, umfasst die Prozesseinheit 6 in der zweiten Ausführungsform lediglich nur zwei Spitzenwertdetektoren 610, 620, welche die Maximal- und Minimalwerte der Detektionssignale für jedes Paar von XMR-Sensoren ermitteln. Der Offsetwert und die Amplitude werden für diese Detektionssignale mittels der ermittelten Maximal- und Minimalwerte wie im ersten Ausführungsbeispiel diskutiert berechnet.However, because of the above-mentioned equality of the amplitude and offset values of the individual detection signals for each pair of XMR sensors, these need only be calculated once. Therefore, the process unit can be simplified accordingly. As in 6 is shown, includes the process unit 6 in the second embodiment, only two peak detectors 610 . 620 which determine the maximum and minimum values of the detection signals for each pair of XMR sensors. The offset value and the amplitude are calculated for these detection signals by means of the determined maximum and minimum values as discussed in the first embodiment.

Der Spitzenwertdetektor 610 ermittelt die Maximal- und Minimalwert des Detektionssignals von einem XMR-Sensor des ersten Sensorenpaares R1, L1, z. B. dem XMR-Sensor R1, und berechnet den Offsetwert BX1,offset und die Amplitude ΔBX1 für die beiden XMR-Sensoren R1 and L1.The peak detector 610 determines the maximum and minimum values of the detection signal from an XMR sensor of the first sensor pair R1, L1, z. B. the XMR sensor R1, and calculates the offset value B X1, offset and the amplitude .DELTA.B X1 for the two XMR sensors R1 and L1.

Der Offsetwert BX2,offset und die Amplitude ΔBX2 für die XMR-Sensoren des zweiten Sensorenpaars R2, L2 werden durch den zweiten Spitzenwertdetektor 620 berechnet, der Maximal- und Minimalwert des Detektionssignals von nur einem XMR-Sensor des zweiten Sensorenpaares R2, L2 ermittelt, z. B. dem XMR-Sensor R2.The offset value B X2, offset and the amplitude ΔB X2 for the XMR sensors of the second sensor pair R2, L2 are determined by the second peak detector 620 calculated, the maximum and minimum value of the detection signal of only one XMR sensor of the second sensor pair R2, L2 determined, z. B. the XMR sensor R2.

Die berechneten Offsetwerte und Amplituden werden dann den Subtraktionseinheiten und Divisionseinheiten übergeben. Dabei werden die korrigierten Detektionssignale durch separate Subtraktionseinheiten 320, 321, 322, 323 und Divisionseinheiten 330, 331, 332, 333 für jeden XMR-Sensor R1, L1, R2, L2 berechnet, wie in dem ersten Ausführungsform beschrieben.The calculated offset values and amplitudes are then passed to the subtraction units and division units. In this case, the corrected detection signals by separate subtraction units 320 . 321 . 322 . 323 and division units 330 . 331 . 332 . 333 for each XMR sensor R1, L1, R2, L2 calculated as described in the first embodiment.

Die Drehwinkeldifferenz Δα wird dann aus den korrigierten Detektionssignalen BXL1,korr, BXR1,korr, BXL2,korr, BXR2,korr durch die zwei Multiplikationseinheiten 340, 341 und die Divisionseinheit 350 berechnet. Diese Operationen entsprechen im Wesentlichen der in 3 dargestellten Prozesseinheit 3 und werden daher nicht noch einmal beschrieben.The rotational angle difference Δα is then calculated from the corrected detection signals B XL1, corr , B XR1, corr , B XL2, corr , B XR2, corr through the two multiplication units 340 . 341 and the division unit 350 calculated. These operations are essentially the same as those in 3 represented process unit 3 and therefore will not be described again.

In einer vorteilhaften Variante könnte die Prozesseinheit 3 der ersten Ausführungsform zum Einsatz kommen, um Maximal- und Minimalwerte von dem Detektionssignal jedes XMR-Sensors zu bestimmen und den entsprechenden Offsetwert und die Amplitude für den jeweiligen XMR-Sensor zu ermitteln.In an advantageous variant, the process unit could 3 of the first embodiment are used to determine maximum and minimum values from the detection signal of each XMR sensor and to determine the corresponding offset value and amplitude for the respective XMR sensor.

Die Berechnung der korrigierten Detektionssignale und Drehwinkeldifferenz verläuft dann wie für die oben beschriebene Prozesseinheit 3. The calculation of the corrected detection signals and the rotation angle difference then proceeds as for the above-described process unit 3 ,

Dennoch ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt.Nevertheless, the invention is not limited to the illustrated embodiments.

In der ersten und zweiten Ausführungsform wird das Vorspannungsmagnetfeld von jedem magnetischen Sensor durch das gleiche das Vormagnetfeld erzeugende Element 40 bereitgestellt, bzw. erzeugt. Alternativ kann das Vorspannungsmagnetfeld für jeden magnetischen Sensor durch ein separates, das Vormagnetfeld erzeugende Element bereitgestellt, bzw. erzeugt werden. Dieses Element kann in jedem Sensorbauteil integriert werden. Vorteilhafterweise kann das das Vormagnetfeld erzeugende Element in der zweiten Ausführungsform durch zwei Permanentmagnete ersetzt werden, jeweils einen für jedes Sensorenpaar. Da durch die vorliegende Erfindung der Untergrundeffekt des Vormagnetfelds in dem Detektionssignal von jedem magnetischen Sensor vorteilhaft kompensiert werden kann, werden Differenzen zwischen den einzelnen, das Vormagnetfeld erzeugenden Elementen einfach annulliert.In the first and second embodiments, the bias magnetic field of each magnetic sensor becomes the same as the bias magnetic field generating element 40 provided or generated. Alternatively, the bias magnetic field for each magnetic sensor may be provided by a separate bias magnetic field generating element. This element can be integrated in every sensor component. Advantageously, the bias magnetic field generating element can be replaced in the second embodiment by two permanent magnets, one for each pair of sensors. Since, by the present invention, the background effect of the bias magnetic field in the detection signal from each magnetic sensor can be advantageously compensated, differences between the individual bias magnetic field generating elements are simply canceled.

In den dargestellten Ausführungsformen ist die Zielscheibe ein Zahnrad, welches aus ferromagnetischem Material mit einer radialen Zahn-/Lückengeometrie hergestellt wird.In the illustrated embodiments, the target is a gear made of ferromagnetic material having a radial tooth / gap geometry.

In einer vorteilhaften Variante kann die Zielscheibe auch integral mit der drehbaren Welle hergestellt sein. In einer anderen alternativen Ausführungsform können die magnetischen Ziele unmittelbar in der drehbaren Welle eingelassen sein.In an advantageous variant, the target can also be produced integrally with the rotatable shaft. In another alternative embodiment, the magnetic targets may be recessed directly in the rotatable shaft.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann statt der dargestellten Zielscheibe ein röhrenartiges drehbares Teil verwendet werden, das eine ringförmig angeordnete Vielzahl von Öffnungen als Ziele aufweist. Dabei kann das röhrenartige Teil selbst aus einem magnetischen Material bestehen. Bezugszeichenliste: Bezugsziffer Beschreibung 1 erster Drehwinkelsensor 2 Drehachse 10 erste Zielscheibe (obere) 20 Zweite Zielscheibe (untere) 25 inneres Zahnprofil 30 Ziel 35 Lücke 40 Permanentmagnet 50, 60 3D-Hall-Sensoren 55 die der Zielscheibe zugewandte Seite des Sensors 3 Prozesseinheit 310, 311, 312, 313 Spitzenwertdetektor 320, 331, 332, 333 erste Subtraktionseinheit 330, 331, 332, 333 Divisionseinheit 340, 341 Multiplikationseinheit 350 zweite Subtraktionseinheit 4 zweiter Drehwinkelsensor mit XMR-Sensoren R1, L1, R2, L2 XMR-Sensoren 6 zweite Prozesseinheit 610, 620 Spitzenwertdetektor In another advantageous embodiment, instead of the illustrated target, a tubular rotatable member having an annularly arranged plurality of apertures as targets may be used. In this case, the tubular part itself may consist of a magnetic material. LIST OF REFERENCE NUMBERS numeral description 1 first rotation angle sensor 2 axis of rotation 10 first target (upper) 20 Second target (lower) 25 inner tooth profile 30 aim 35 gap 40 permanent magnet 50 . 60 3D Hall sensors 55 the side of the sensor facing the target 3 process unit 310 . 311 . 312 . 313 Peak detector 320 . 331 . 332 . 333 first subtraction unit 330 . 331 . 332 . 333 Division unit 340 . 341 multiplication unit 350 second subtraction unit 4 second rotation angle sensor with XMR sensors R1, L1, R2, L2 XMR sensors 6 second process unit 610 . 620 Peak detector

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (14)

Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels eines drehbaren Körpers, umfasssend: Mittel zur Detektierung (50, R1, L1), die zur Ausgabe eins Detektionssignals ausgebildet sind, welches eine durch die Drehung einer auf dem drehbaren Körper angebrachten Ziele (30) induzierte Änderung eines magnetischen Feldes angibt, Mittel zum Anlegen eines Vormagnetfelds (40) an die Mittel zur Detektierung (50, R1, L1); und Mittel zur Signalverarbeitung (3), die so ausgebildet sind, dass sie eine durch das Vormagnetfeld hervorgerufene Untergrundkomponente in dem Detektionssignal ermitteln und ein kompensiertes Detektionssignal ausgeben.Device for measuring the angle of rotation of a rotatable body, comprising: means for detecting ( 50 , R1, L1), which are designed to output a detection signal, which is one of the rotation of a mounted on the rotatable body targets ( 30 indicates induced change of a magnetic field, means for applying a bias magnetic field ( 40 ) to the detection means ( 50 , R1, L1); and signal processing means ( 3 ) configured to detect a background component caused by the bias magnetic field in the detection signal and to output a compensated detection signal. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Signalverarbeitung (3) ausgebildet sind, einen Minimal- und einen Maximalwert in der Amplitude des Detektionssignals zu ermitteln, einen Offsetwert und einen Abstandswert des Detektionssignals unter Verwendung des ermittelten Minimal- und Maximalwerts zu berechnen, und das Detektionssignal zu kompensieren.Device according to claim 1, wherein the signal processing means ( 3 ) are adapted to determine a minimum and a maximum value in the amplitude of the detection signal, to calculate an offset value and a distance value of the detection signal using the determined minimum and maximum values, and to compensate the detection signal. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Offsetwert ein Mittelwert der ermittelten Minimal- und Maximalwerte ist und der Abstandswert die Differenz der ermittelten Minimal- und Maximalwerte ist.Apparatus according to claim 2, wherein the offset value is an average of the determined minimum and maximum values and the distance value is the difference of the determined minimum and maximum values. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Detektionssignal nach einer vorgegebenen Anzahl von Detektionsperioden kompensiert wird.Device according to one of the preceding claims, wherein the detection signal is compensated after a predetermined number of detection periods. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Detektierung (50, R1, L1) ausgebildet sind, ein Detektionssignal auszugeben, welches ein erstes Detektionssignal und ein zweites Detektionssignal mit einer Phasendifferenz von 90 Grad enthält.Device according to one of the preceding claims, wherein the means for detecting ( 50 , R1, L1) are adapted to output a detection signal containing a first detection signal and a second detection signal with a phase difference of 90 degrees. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Detektionssignal einer Komponente des magnetischen Feldes parallel zu der der Ziele (30) zugewandten Seite (55) der Mittel zur Detektierung (50, R1, L1) entspricht, und das zweite Detektionssignal einer Komponente des magnetischen Feldes senkrecht zu der der Ziele (30) zugewandten Seite (55) der Mittel zur Detektierung (50, R1, L1) entspricht.Device according to one of the preceding claims, wherein the first detection signal of a component of the magnetic field parallel to that of the targets ( 30 ) facing side ( 55 ) the means of detection ( 50 , R1, L1), and the second detection signal of a component of the magnetic field perpendicular to that of the targets ( 30 ) facing side ( 55 ) the means of detection ( 50 , R1, L1). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Detektierung einen 3D Hall Sensor (50) enthalten.Device according to one of the preceding claims, wherein the means for detecting a 3D Hall sensor ( 50 ) contain. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Mittel zur Detektierung einen ersten magnetoresistiven Sensor (R1) zur Ausgabe des ersten Detektionssignals und einen zweiten magnetoresistiven Sensor (L1) zur Ausgabe des zweiten Detektionssignals enthalten, wobei das erste und das zweite Detektionssignal einer Komponente des magnetisches Feldes parallel zu der der Ziele (30) zugewandten Seite (55) des jeweiligen magnetoresistiven Sensors (R1, L1) entsprechen.The apparatus of claim 5, wherein the means for detecting includes a first magnetoresistive sensor (R1) for outputting the first detection signal and a second magnetoresistive sensor (L1) for outputting the second detection signal, the first and second detection signals being parallel to a component of the magnetic field to the goals ( 30 ) facing side ( 55 ) of the respective magnetoresistive sensor (R1, L1). Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der erste (R1) und der zweite (L1) magnetoresistive Sensor so beabstandet sind, dass das erste und das zweite Detektionssignal eine Phasendifferenz von 90 Grad aufweisen.The device of claim 8, wherein the first (R1) and second (L1) magnetoresistive sensors are spaced so that the first and second detection signals have a phase difference of 90 degrees. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der drehbare Körper eine Zielscheibe (10) mit einem Zahn-/Lückenprofil mit magnetischen Zielen (30) ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the rotatable body is a target ( 10 ) with a tooth / gap profile with magnetic targets ( 30 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die den drehbaren Körper (10) umfasst.Device according to one of the preceding claims, comprising the rotatable body ( 10 ). Vorrichtung zur Messung eines auf einer Welle aufgebrachten Drehmoments, die umfasst: eine erste Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Messung des Drehwinkels der Welle, eine zweite Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Messung des Drehwinkels einer zweiten Welle, wobei die Welle durch ein Torsionselement mit der zweiten Welle koaxial verbunden ist, und wobei das Drehmoment proportional zum Differenzdrehwinkel aus dem Drehwinkel der Welle und dem Drehwinkel der zweiten Welle bestimmt wird.Device for measuring a torque applied to a shaft, comprising: a first device according to one of claims 1 to 10 for measuring the angle of rotation of the shaft, a second device according to one of claims 1 to 10 for measuring the angle of rotation of a second shaft, wherein the shaft is coaxially connected to the second shaft by a torsion element, and wherein the torque is determined in proportion to the differential rotation angle of the rotation angle of the shaft and the rotation angle of the second shaft. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Welle eine Lenkwelle eines Lenksystems ist.The device of claim 12, wherein the shaft is a steering shaft of a steering system. Lenksystem, das eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.A steering system comprising a device according to any one of the preceding claims.
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