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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein System, welches eine Sensorvorrichtung umfasst.
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HINTERGRUND
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In verschiedenen technischen Gebieten wird die Rotation einer Welle detektiert. Verschiedene Steuerfunktionalität kann auf die detektierte Rotation der Welle zurückgreifen. Zum Beispiel kann eine Rotationsgeschwindigkeit oder eine Winkelgeschwindigkeit einer Welle eines Getriebes dazu verwendet werden, um den Betrieb des Getriebes zu steuern. Zum Beispiel kann die Winkelgeschwindigkeit einer Welle einer Radachse dazu verwendet werden, um die Reibung des korrespondierenden Rads zu überwachen; dies kann für Antiblockiersysteme oder elektronische Stabilitätssysteme von Fahrzeugen nützlich sein.
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Eine bekannte Technik zum Detektieren der Rotation der Welle beruht darauf, ein ferromagnetisches Zahnrad auf der Welle anzubringen und einen Sensor zu verwenden, um das Vorbeilaufen von Zähnen des Zahnrads zu detektieren. Typischerweise wird der Sensor entfernt von der Rotationsachse der Welle platziert; häufig wird der Sensor radial beabstandet von dem ferromagnetischen Zahnrad platziert. Die Ausgabe eines solchen Sensors korrespondiert typischerweise mit einer Abfolge von Pulsen, wobei die Frequenz der Pulse gemäß der Geschwindigkeit der Rotation variiert.
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Indem die unterschiedlichen Zähne des Zahnrads mit verschiedenen Größen ausgebildet werden, ist es möglich, zwischen unterschiedlichen Winkelpositionen während dem Verlauf einer einzelnen Rotation der Welle zu unterscheiden. Es ist zum Beispiel möglich, lediglich einen der Zähne unterschiedlich von den übrigen Zähnen auszubilden, so dass eine Winkelposition des Zahnrads identifiziert werden kann. Im Allgemeinen kann auch mehr als ein Zahn identifizierbar ausgebildet werden, wobei dann mehr als eine Winkelposition identifiziert werden können.
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Jedoch benötigt die Auswertung des Rotationswinkels unter Verwendung eines solchen Zahnrads eine tatsächlich rotierende Welle. Manchmal wird zumindest eine volle Rotation benötigt, um die absolute Orientierung zu bestimmen. Darüber hinaus können komplexe Algorithmen notwendig sein, um den Rotationswinkel aus der detektierten Abfolge von Pulsen abzuschätzen. Darüber hinaus kann die erreichbare Genauigkeit signifikant von einer Herstellungsgenauigkeit des Zahnrads, sowie einer Präzision beim Befestigen des Sensors relativ in Bezug auf das Zahnrad abhängen. Darüber hinaus können Zahnränder – die manchmal auch als magnetische Codierräder (englisch: magnetic encoder wheels) bezeichnet werden – signifikanten Bauraum benötigen und können vergleichsweise teuer sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Deshalb besteht ein Bedarf für Techniken, die es erlauben, Rotation einer Welle effizient und genau zu detektieren.
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Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt. Die Sensorvorrichtung kann ein Magnetfeld-Sensorelement, welches in einem Magnetfeld eines Magneten positioniert werden kann, umfassen. Der Magnet kann auf einer Endfläche der Welle positioniert werden. Das Magnetfeld-Sensorelement kann eingerichtet sein, um einen Orientierungswinkel des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360° zu detektieren. Die Welle kann eine von einer Welle eines Getriebes eines Fahrzeugs oder einer Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder einer Welle einer Radachse eines Fahrzeugs sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein System bereitgestellt. Das System kann eine Welle eines Getriebes eines Fahrzeugs und einen Magneten, der auf einer Endfläche der Welle positioniert ist, umfassen. Das System kann weiterhin ein Magnetfeld-Sensorelement umfassen, welches in einem Magnetfeld des Magnets positioniert ist. Das Magnetfeld-Sensorelement kann eingerichtet sein, um einen Orientierungswinkel des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360° zu detektieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein System bereitgestellt, das eine Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors und einen Magneten, der auf einer Endfläche der Welle positioniert ist, umfassen kann. Das System kann weiterhin ein Magnetfeld-Sensorelement umfassen, welches in einem Magnetfeld des Magnets positioniert ist. Das Magnetfeld-Sensorelement kann eingerichtet sein, um einen Orientierungswinkel des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360° zu detektieren.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein System bereitgestellt, welches eine Welle einer Radachse eines Fahrzeugs umfassen kann. Das System kann einen Magneten umfassen, der auf einer Endfläche der Welle positioniert ist. Das System kann weiterhin ein Magnetfeld-Sensorelement umfassen, welches in einem Magnetfeld des Magnets positioniert ist. Das Magnetfeld-Sensorelement kann eingerichtet sein, um einen Orientierungswinkel des Magnetfelds in einem Bereich zwischen 0° und 360° zu detektieren.
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Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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1 illustriert schematisch eine Sensorvorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen.
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2 zeigt ein Blockschaubild, welches Funktionalitäten der Sensorvorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen schematisch illustriert.
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3A zeigt eine beispielhafte Pulsabfolge eines Signals, das von einer Sensorvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen erzeugt wird.
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3B illustriert schematisch ein ferromagnetisches Zahnrad in Kombination mit einem Sensor, wobei das ferromagnetische Zahnrad ein Profil aufweist, welches im Wesentlichen mit der Pulsabfolge der 3A korrespondiert.
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4 illustriert schematisch ein System gemäß verschiedener Ausführungsformen, welches eine Sensorvorrichtung und eine Welle eines Fahrzeuggetriebes umfasst.
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5 illustriert schematisch ein System gemäß verschiedener Ausführungsformen, welches eine Sensorvorrichtung und eine Welle einer Radachse eines Fahrzeugs umfasst.
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6 illustriert schematisch ein System gemäß verschiedener Ausführungsformen, welches eine Sensorvorrichtung und eine Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors umfasst.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
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Nachfolgend werden Techniken dargestellt, um eine Rotation einer Welle zu detektieren. Die Welle kann z.B. insbesondere eine Welle eines Fahrzeuggetriebes, eine Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder eine Welle einer Radachse eines Fahrzeugs sein. Die dargestellten Ausführungsformen umfassen korrespondierende Sensorvorrichtungen, Systeme und Verfahren.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Magnetfeld-Sensorelement eingesetzt, welches in einem Magnetfeld eines Magneten positioniert ist. Der Magnet wird auf einer Endfläche der Welle positioniert. Das Magnetfeld-Sensorelement ist eingerichtet, um einen Orientierungswinkel des Magnetfelds in dem Bereich zwischen 0° und 360° zu detektieren. Basierend auf diesem Winkel kann es möglich sein, die Orientierung des Magnetfelds unzweideutig zu bestimmen.
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Das Magnetfeld-Sensorelement kann beispielsweise auf einem magnetoresistiven Effekt basieren, so wie beispielsweise dem GMR-Effekt (englisch: giant magnetoresistance effect), dem AMR-Effekt (englisch: anisotropic magnetoresistance effect), dem TMR-Effekt (englisch: tunnel magnetoresistance effect) oder dem Hall-Effekt. Eine beispielhafte Ausführungsform des Magnetfeld-Sensorelements könnte auch zwei GMR-Vorrichtungen mit zwei unterschiedlichen Richtungen maximaler Sensitivität in einer Ebene, die parallel zu der Endfläche der Welle orientiert ist und senkrecht zu einer Längsrichtung und Rotationsachse der Welle orientiert ist, umfassen. Ein solches Magnetfeld-Sensorelement kann es erlauben, den Orientierungswinkel des Magnetfelds eines Magnets genau zu detektieren. Der Magnet kann eine Magnetisierung aufweisen, die senkrecht zu der Rotationsachse der Welle orientiert ist. Insbesondere kann ein solches Magnetfeld-Sensorelement auf eine Art und Weise verwendet werden, die vergleichbar zu einem Kompass ist, um die Orientierung des Magnetfelds des Magnets, der zusammen mit der Welle rotiert, zu detektieren.
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Darüber hinaus können die dargestellten Ausführungsformen eine gespeicherte Zuordnung von Pulskanten zu Orientierungswinkeln verwenden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Zuordnung konfigurierbar sein, zum Beispiel indem der Speicher programmiert wird. In Abhängigkeit von dieser Zuordnung und dem Orientierungswinkel des Magnetfelds, der von dem Magnetfeld-Sensorelement detektiert wird, kann ein erstes Signal erzeugt werden, welches eine Abfolge von Pulsen mit steigenden und fallenden Pulskanten beinhaltet. In Bezug auf das erste Signal können die steigenden und/oder fallenden Pulskanten auf vorgegebene Orientierungswinkel, die von dem Sensor detektiert werden, abgebildet werden. Das erste Signal kann dazu verwendet werden, um eine Pulsabfolge zu emulieren, wie sie von einer Sensoranordnung erzeugt wird, die wie obenstehend beschrieben auf einem asymmetrischen Zahnrad basiert. Eine solche Ausgestaltung des ersten Signals erzeugt daher Kompatibilität mit existierenden Sensorvorrichtungen, die auf einem solchen asymmetrischen Zahnrad basieren.
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Darüber hinaus kann die detektierte Winkelorientierung dazu verwendet werden, um ein zweites Signal zu erzeugen, welches einen Rotationswinkel der Welle in dem Bereich zwischen 0° und 360° repräsentiert. In diesem Fall kann der Rotationswinkel durch einen digitalen Wert, einen analogen Wert oder ein Pulsbreiten-moduliertes (engl. pulse-width modulated) Signal repräsentiert werden. Das Pulsbreiten-modulierte Signal kann mit anderen Worten mit einem Pulsbreiten-modulierten Wert korrespondieren. Unterschiedliche Betriebsmodi können zum Ausgeben entweder des ersten Signals oder des zweiten Signals bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann eine Sensorvorrichtung mit einem ersten Betriebsmodus bereitgestellt werden, in welchem die Sensorvorrichtung das erste Signal ausgibt, und mit einem zweiten Betriebsmodus bereitgestellt werden, in welchem die Sensorvorrichtung das zweite Signal anstatt des ersten Signals ausgibt. Entsprechend kann der Sensor sowohl das erste Signal, als auch das zweite Signal in einem weiteren Betriebsmodus ausgeben.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Orientierung des Magnetfelds, die von dem Magnetfeld-Sensorelement detektiert wird, auch als Basis zum Erzeugen weiterer Signale verwendet werden. Zum Beispiel kann in Abhängigkeit von dem detektierten Orientierungswinkel ein weiteres Signal erzeugt werden, welches eine Winkelgeschwindigkeit der Welle repräsentiert. Die Winkelgeschwindigkeit kann im Allgemeinen durch einen Digitalwert, einen Analogwert oder ein Pulsbreiten-moduliertes Signal repräsentiert werden. Das weitere Signal kann eine vorgegebene Periodizität pro Umdrehung der Welle aufweisen. Mit anderen Worten kann eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen von grundlegenden Bausteinen des Signals – wie beispielsweise Pulsen oder Halbwellen oder vollen Wellen – implementiert werden. In einem Beispiel kann eine Anzahl von zehn Arbeitszyklen (engl. duty cycle) pro Umdrehung verwendet werden. Die vorgegebene Periodizität kann es erlauben, die Ausgabe einer herkömmlichen Sensorvorrichtung zu emulieren, die basierend auf einem Zahnrad arbeitet. Die vorgegebene Periodizität kann mit einer Anzahl der Zähne des emulierten Zahnrads korrespondieren.
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Die obenstehend beschriebenen Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 illustriert schematisch eine Sensorvorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Sensorvorrichtung 200 ist eingerichtet, um Rotation einer Welle 100 zu detektieren. Dies bedeutet, dass die Sensorvorrichtung 200 die Orientierung und/oder die Winkelgeschwindigkeit detektiert. Entsprechend wird auf die Sensorvorrichtung 200 nachfolgend auch als Rotationssensor Bezug genommen.
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Die Welle kann eines von einer Welle eines Fahrzeuggetriebes oder einer Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder einer Welle einer Radachse eines Fahrzeugs sein.
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In den dargestellten Ausführungsformen beinhaltet die Sensorvorrichtung 200 ein Magnetfeld-Sensorelement 210, auf welches nachfolgend auch als Sensorelement Bezug genommen wird. Darüber hinaus umfasst die Sensorvorrichtung 200 einen Magneten 220. Darüber hinaus wird eine Ausgabeschaltung 230 bereitgestellt.
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Wie dargestellt kann der Magnet 220 ein scheibenförmiger Dipolmagnet sein, der auf einer Endfläche der Welle 100 angebracht ist. Die Magnetisierung des Magnets 220 (vom Südpol „S“ zum Nordpol „N“) ist senkrecht zu der Längsrotationsachse 110 der Welle 100 orientiert. Die Magnetisierung kann mit dem intern wirkenden Magnetfeld korrespondieren. Eine Grenze zwischen Nord- und Südpolen des Magnets 220 kann senkrecht zu der Magnetisierung orientiert sein. Dementsprechend ändert sich die Orientierung des Magnetfelds des Magnets 220, wenn die Welle – wie in 1 durch den Pfeil indiziert – rotiert, im Gegenuhrzeigersinn um die Längsrotationsachse 110 der Welle 100 (dargestellt in 1 von dem distalen Ende der Achse hin zu dem Magneten).
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Wie obenstehend erläutert kann das Sensorelement 210 zum Beispiel basierend auf zwei GMR-Vorrichtungen bereitgestellt werden, die jeweils eine unterschiedliche Richtung maximaler Sensitivität in einer Ebene aufweisen, die senkrecht zu der Längsrotationsachse 110 der Welle 100 angeordnet ist Dadurch wird es ermöglicht, den absoluten Orientierungswinkel des Magnetfelds in einem Bereich von 0° bis 360° zu detektieren.
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Die geometrische Form und die magnetische Konfiguration des Magnets 220 sind nicht beschränkt. Wie obenstehend dargelegt bildet in dem Szenario der 1 ein scheibenförmiges Element einen magnetischen Dipol aus. Eine Hälfte der Scheibe bildet einen magnetischen Nordpol N aus und die andere Hälfte der Scheibe bildet einen magnetischen Südpol S aus. Die magnetische Achse, d.h. die geometrische Verbindung zwischen Nordpol N und Südpol S, ist senkrecht zu der Achse der Welle orientiert. Es ist auch möglich, dass magnetische Multipolelemente verwendet werden, die eine Vielzahl von Nordpolen und korrespondierenden Südpolen umfassen. Dies kann eine Sensitivität und Genauigkeit bei dem Detektieren des Orientierungswinkels des Magnetfelds erhöhen. In einem solchen Szenario ist der Rotationssensor typischerweise mit Information bezüglich einer Ortsabhängigkeit des Magnetfelds, das durch den Magneten 220 erzeugt wird, vorkonfiguriert. In einer Ausführungsform kann es erstrebenswert sein, ein flaches Element zu verwenden, welches sich in Bezug auf die Achse der Welle 100 radial erstreckt. Dies kann das Detektieren der Orientierung insbesondere in Situationen ermöglichen, in denen nicht viel Bauraum zur Verfügung steht. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Element mit einer signifikanten Dicke in Bezug auf seine radialen Abmessungen verwendet wird. Wie in dem Szenario der 1 dargestellt, kann eine radiale Abmessung des Magnets in der Größenordnung der radialen Abmessung der Welle 100 liegen. Es ist jedoch im Allgemeinen auch möglich, dass die radialen Abmessungen des Magnets 200 signifikant größer oder kleiner als die radialen Abmessungen der Welle 100 sind. Zum Beispiel kann in einem Szenario eine magnetische Pille als der Magnet 200 verwendet werden. Die magnetische Pille kann ein im Wesentlichen längliches Element sein, wobei sich die magnetischen Pole an gegenüberliegenden Enden der magnetischen Pille befinden. Länglich kann sich auf ein im Wesentlichen eindimensional erstreckendes Element beziehen. Zum Beispiel kann die magnetische Pille diametral magnetisiert sein.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist das Sensorelement 210 in einer axialen Verlängerung der Welle 100 (durch die gestrichelte Linie in 1 indiziert) positioniert und durch eine Lücke gegenüber dem Magneten 220 beabstandet. Insbesondere kann das Sensorelement 210 stationär verbleiben, während sich der Schaft 100 dreht, wie in 1 dargestellt.
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Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung 200 die elektronische Ausgabeschaltung 230 beinhalten, die eingerichtet ist, um verschiedene Arten von Ausgabesignalen basierend auf dem Orientierungswinkel des Magnetfelds, wie er von dem Sensorelement 210 detektiert wird, zu erzeugen. Das Sensorelement 210 und die Ausgabeschaltung 230 können auf demselben Halbleiterchip oder in derselben Chiphülle angeordnet sein. Funktionalitäten der Ausgabeschaltung 230 sind in dem Blockschaubild der 2 illustriert.
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Wie in 2 illustriert, kann die Ausgabeschaltung 230 einen Pulsabfolgegenerator 250 und einen Speicher 260 beinhalten. Der Pulsabfolgegenerator 250 ist eingerichtet, um ein Signal PP zu erzeugen, welches eine Abfolge von Pulsen beinhaltet. Dies wird in Abhängigkeit von dem detektierten Orientierungswinkel des Magnetfelds erreicht, der in 2 durch Signal SENSE und eine Pulskanten(PE)-Winkelzuordnung, die in dem Speicher 260 gespeichert ist, repräsentiert ist. Der Speicher 260 kann zum Beispiel durch einen geeigneten Typ von Halbleiterspeicher implementiert werden, so wie beispielsweise ROM (englisch: Read-Only Memory), ein PROM (englsich: Programmable ROM), ein EPROM (englisch: Erasable PROM) oder einen Flash-Speicher. Eine Ausführungsform des Speichers 260 verwendet PROM, EPROM oder Flash-Speicher und kann dazu verwendet werden, um Konfiguration oder Rekonfiguration der PE-Winkelzuordnung, die in dem Speicher 260 gespeichert ist, zu ermöglichen.
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In den illustrierten Ausführungsformen definiert die PE-Winkelzuordnung, die in dem Speicher 260 gespeichert ist, für jeden Puls der Pulsabfolge einen Orientierungswinkel, der mit einer steigenden Kante des Pulses assoziiert ist, und einen Orientierungswinkel, der mit einer fallenden Kante des Pulses assoziiert ist. Dementsprechend kann der Pulskantengenerator 250 betrieben werden, indem die detektierte Orientierung mit den Orientierungswinkeln der Zuordnung verglichen wird. Dann kan, wenn der detektierte Orientierungswinkel einen Orientierungswinkel, der mit einer steigenden Kante korrespondiert, durchläuft, der Wert des Signals PP auf einen hohen Logikpegel geschaltet werden. Auch kann, wenn der detektierte Orientierungswinkel einen Orientierungswinkel durchläuft, der mit einer fallenden Kante korrespondiert, der Wert des Signals PP auf einen niedrigen Logikpegel geschaltet werden. Auf diese Art und Weise können unterschiedliche Pulsabfolgen erzeugt werden, die hoch asymmetrische Pulsabfolgen beinhalten, bei welchen sich im Verlauf einer kompletten Rotation der Welle 100 jeder Puls von den übrigen Puls in Bezug auf den Arbeitszyklus unterscheidet.
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Wie weiterhin dargestellt kann die Ausgabeschaltung 230 auch einen Absolutwinkelsignalgenerator 270 umfassen, der eingerichtet ist, um ein Signal AAS zu erzeugen, welches den absoluten Orientierungswinkel der Welle in dem Bereich von 0° bis 360° repräsentiert. Das Signal AAS kann zum Beispiel den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 als einen Analogwert repräsentieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Signal AAS den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 als einen Digitalwert oder als ein Pulsbreiten-moduliertes Signal repräsentieren. Der Absolutwinkelsignalgenerator 270 kann den absoluten Orientierungswinkel der Welle 100 aus dem Orientierungswinkel des Magnetfelds, das von dem Sensorelement detektiert wird, ableiten. Dabei kann der Absolutwinkelsignalgenerator 270 zum Beispiel einen Referenzwert summieren, der die Befestigungsorientierung des Magnets 220 auf der Welle und/oder weitere Referenzverschiebungen berücksichtigt. Der Absolutwinkelsignalgenerator 270 kann auch eine Signalumwandlung durchführen, zum Beispiel von einer analogen Repräsentation des Signals SENSE in eine digitale Repräsentation oder in eine Pulsbreiten-modulierte Repräsentation des Signals AAS. Alternativ oder zusätzlich kann der Pulsabfolgegenerator 250 weitere oder andere Signalumwandlungen durchführen.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann der Absolutwinkelgerenator 270 auch eingerichtet sein, um ein oder mehrere weitere Signale aus dem Orientierungswinkel, der von dem Sensorelement 210 detektiert wird, zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Absolutwinkelsignalgenerator 270 ein Signal erzeugen, welches die Winkelgeschwindigkeit der Welle 100 repräsentiert, zum Beispiel indem die Zeitableitung des absoluten Orientierungswinkels der Welle 100 berechnet wird. Optional kann eine Richtung der Rotation codiert werden. Um das Ausgabesignal, das von einem herkömmlichen Sensorelement, das mit einem Zahnrad interagiert, zu emulieren, ist es zum Beispiel möglich, dass der Absolutwinkelsignalgenerator 270 das Signal, welches die Winkelgeschwindigkeit der Welle repräsentiert, auf eine solche Art und Weise ausgibt, dass es eine vorgegebene Anzahl von Perioden pro Umdrehung der Welle aufweist – zum Beispiel 12 oder 20 Perioden. Ein solches Signal kann geeignet sein, um das Signal, das mit einem herkömmlichen Absolutwinkelsensorgenerator erhalten wird, der mit einem Zahnrad interagiert, mit einer korrespondierenden Anzahl von Zähnen zu emulieren.
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Wie weiterhin dargestellt ist, kann die Ausgangsschaltung 230 der 2 ein Modusselektionsgerät 280 beinhalten. Das Modusselektionsgerät 280 kann dazu verwendet werden, um verschiedene Betriebsmodi der Ausgangsschaltung 230 zu selektieren. Insbesondere kann das Modusselektionsgerät 280 dazu verwendet werden, um einen ersten Betriebsmodus zu selektieren, in welchem die Ausgabeschaltung 230 das Signal PP als sein Ausgabesignal AUSGABE ausgibt. Das Modusselektionsgerät 280 kann darüber hinaus verwendet werden, um einen zweiten Betriebsmodus zu selektieren, in welchem die Ausgabeschaltung das Signal AAS als sein Ausgabesignal AUSGABE ausgibt. Optional kann das Modusselektionsgerät 280 dazu verwendet werden, um einen dritten Betriebsmodus zu selektieren, in welchem die Ausgabeschaltung 230 das weitere Signal ausgibt, welches indikativ für die Rotationsgeschwindigkeit ist.
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Verschiedene Entscheidungskriterien, die von dem Modusselektionsgerät 280 dazu verwendet werden, um einen bestimmten Betriebsmodus zu selektieren, sind vorstellbar. Zum Beispiel kann in einer Anlaufphase der Rotation der Welle das Modusselektionsgerät 280 den zweiten Betriebsmodus selektieren, wodurch eine nützliche Information betreffend den Rotationswinkel der Welle 100 bereitgestellt wird – auch wenn die Welle im Wesentlichen statisch verbleibt. In einem solchen Fall einer im Wesentlichen statisch verbleibenden Zelle kann nämlich das Signal PP eine für die Ermittlung des Rotationswinkels noch nicht ausreichende Anzahl von Pulsen aufweisen. Nach einer bestimmten Anzahl von Rotationen der Welle 100, zum Beispiel nach einer vollständigen Rotation, oder wenn eine Winkelgeschwindigkeit der Welle 100 einen Schwellenwert überschreitet, kann das Modusselektionsgerät 280 den ersten Betriebsmodus selektieren; in dem ersten Betriebsmodus kann das Ausgabesignal AUSGABE derart erzeugt werden, dass ein Ausgabesignal emuliert wird, welches typischerweise durch herkömmliche Zahnrad-basierte Rotationssensoren bereitgestellt wird.
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Es ist auch möglich, dass die Ausgabeschaltung 230 eine Vielzahl von Signalen ausgibt. Zum Beispiel kann das Signal AAS und das weitere Signal in ein und demselben Betriebsmodus ausgegeben werden. Dann kann es möglich sein, sowohl die Orientierung, als auch die Rotationsgeschwindigkeit abzuleiten.
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Eine beispielhafte Pulsabfolge, die in dem Signal PP beinhaltet ist, ist in 3A illustriert. Die Pulsabfolge kann zum Beispiel ein Ausgabesignal eines Rotationssensors 25, der in dem Magnetfeld eines Zahnrads 20, wie es schematisch in 3B illustriert ist, emulieren. In dem illustrierten Beispiel besteht die Pulsabfolge aus drei Pulsen 11, 12, 13, die jeweils unterschiedliche Arbeitszyklen aufweisen. Jeder Puls 11, 12, 13 korrespondiert mit einem bestimmten Zahn 21, 22, 23 des Zahnrads 20, das mit dem Rotationssensor 25 verwendet wird. In dem dargestellten Beispiel korrespondiert der Puls 11 mit dem Zahn 21 des Zahnrads 20, der Puls 12 korrespondiert mit dem Zahn 22 des Zahnrads 20 und der Puls 13 korrespondiert mit dem Zahn 23 des Zahnrads 20.
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Auf dem Zahnrad 20, welches in 3B dargestellt ist, weisen die Zähne 21, 22, 23 jeweils zwei Kanten 21A und 21B, 22A und 22B, sowie 23A und 23B auf. Die Kanten erstrecken sich im Wesentlichen in der radialen Richtung in Bezug auf die Achse der Welle (in 3B nicht gezeigt). Jedes Paar von Kanten 21A und 21B, 22A und 22B, sowie 23A und 23B definiert eine Winkelposition und Umfangserstreckung des jeweiligen Zahns 21, 22, 23. Wenn während der Rotation des Zahnrads 20 der Rotationswinkel α zunimmt, laufen die Zähne 21, 22, 23 nacheinander an einem Sensor 25 vorbei. Zum Beispiel kann der Sensor 25 ein Hall-Sensor, ein GMR-Sensor, ein TMR-Sensor oder ein AMR-Sensor sein. Z.B. können zumindest die Zähne 21, 22, 23 des Zahnrads 20 aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet sein. Die Pulsabfolge eines typischen Ausgabesignals eines solchen Systemaufbaus wird durch das Signal PP, wie es in 3A illustriert ist, emuliert. In dem dargestellten Beispiel weist die Signalabfolge von 3A eine steigende Pulskante 11A des Pulses 11 zu einem Zeitpunkt auf, zu dem die Kante 21A des Zahns 21 an dem Sensor 25 vorbeilaufen würde; und weist eine fallende Pulskante 11B zu einem Zeitpunkt auf, zu dem die Kante 21B des Pulses 21 an dem Sensor 25 vorbeilaufen würde. Gleichermaßen weist die Pulsabfolge der 3A eine steigende Pulskante 12A des Pulses 12 zu einem Zeitpunkt auf, zu dem die Kante 22A des Zahns 22 an dem Sensor 25 vorbeilaufen würde und weist eine fallende Pulskante 12B zu einem Zeitpunkt auf, zu dem die Kante 22B des Pulses 22 an dem Sensor 25 vorbeilaufen würde. Gleichermaßen weist die Pulsabfolge der 3A eine steigende Pulskante 13A des Pulses 13 zu einem Zeitpunkt auf, zu dem die Kante 23A des Zahns 23 an dem Sensor 25 vorbeilaufen würde und weist eine fallende Pulskante 13B auf zu einem Zeitpunkt, zu dem die Kante 23B des Zahns 23 an dem Sensor 25 vorbeilaufen würde.
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Die Ausgabeschaltung 230 der dargestellten Ausführungsform kann Emulation eines solchen Signals durch geeignetes Konfigurieren der PE-Winkelzuordnung, die in dem Speicher 260 gespeichert ist, erreichen. Zum Beispiel kann unter der Annahme, dass die Kante 21A des Zahns 21 sich bei einer Winkelposition von 0° befindet, die PE-Winkelzuordnung dem Orientierungswinkel von 0° eine steigende Pulskante 11A zuweisen. Gleichermaßen kann, wenn sich die Kante 21B des Zahns 21 an einer Winkelposition von 90° befindet, die PE-Winkelzuordnung dem Orientierungswinkel von 90° eine fallende Pulskante 11B zuordnen. Für die weiteren Zähne 22, 23 können korrespondierende Zuordnungen in Abhängigkeit von der Winkelposition und Umfangsausdehnung der Zähne 22, 23 vorgenommen werden. In einer solchen Zuordnung von steigenden und fallenden Pulskanten kann auch ein Versatz zwischen dem Orientierungswinkel des Magnetfelds und dem Rotationswinkel der Welle 100 berücksichtigt werden. Der Versatz kann sich auf eine Differenz des Orientierungswinkels und des Rotationswinkels beziehen. Der Versatz kann durch einen vorgegebenen Referenzwinkel, der zur Kalibrierung der PE-Winkelzuordnung verwendet wird, berücksichtigt werden.
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Es sollte verstanden werden, dass die Pulsabfolge von 3A mit jeder Umdrehung der Welle 100 wiederholt werden würde. Darüber hinaus würden die Pulsbreiten und Pausen in der Pulsabfolge gemäß der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 100 variieren. Zum Beispiel kann ein Verhältnis von Pulsen zu Pausen pro Umdrehung konstant verbleiben.
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In 4 ist ein Getriebe 400 in Form eines Getriebekastens gezeigt. Eine Eingangswelle 401 wird durch einen Motor eines Fahrzeugs (in 4 nicht gezeigt) angetrieben. Ein Getriebeausgangsrad 420 ist dargestellt. Es sind drei Wellen 100-1, 100-2, 100-3 des Getriebes 400 vorhanden. Jede der drei Wellen 100-1, 100-2, 100-3 ist mit einem Magneten 220 auf der jeweiligen Endfläche ausgestattet. Ein Gehäuse 410 nimmt die Wellen 100-1, 100-2, 100-3 rotierbar auf. Zumindest Teile der Welle rotieren innerhalb des Gehäuses. Mit anderen Worten rotiert das Gehäuse 410 nicht zusammen mit den Wellen 100-1, 100-2, 100-3, sondern umschließt vielmehr einen Endabschnitt der Wellen 100-1, 100-2, 100-3. Ein entsprechendes Lager kann bereitgestellt werden. Die Magnetfeld-Sensorelemente 210, die mit den entsprechenden drei Magneten 220 assoziiert sind, sind an dem Gehäuse 410 angebracht. Während in dem Szenario der 4 die Magneten 220 auf den Endflächen von jeder der Wellen 100-1, 100-2, 100-3 angebracht sind, können Magneten alternativ auf nur einigen oder einer einzelnen der Wellen bereitgestellt werden. Insbesondere sind die Magnetfeld-Sensorelemente 210 in einer axialen Verlängerung der jeweiligen Wellen 100-1, 100-2, 100-3 (in 4 durch die gestrichelten Linien dargestellt) und durch eine Lücke in Bezug auf den Magneten 220 beabstandet positioniert. Es ist möglich, dass die Sensorelemente 210 in Bezug auf die axiale Verlängerung der jeweiligen Wellen 100-1, 100-2, 100-3 versetzt angeordnet sind. Mittels Techniken, wie sie obenstehend beschrieben sind, ist es möglich, die Orientierung und/oder die Rotationsgeschwindigkeit der Wellen 100-1, 100-2, 100-3 zu bestimmen.
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In 5 ist ein System 500, welches eine Welle 100 einer Radachse umfasst, dargestellt. Eine Endfläche der Welle 100 ist mit dem Magneten 220 bereitgestellt. Die Endfläche der Welle 100 liegt gegenüber von einem Radlager 502 der Radachse. Die Welle 100 mit einem Achsenträger 501, der zwischen der Endfläche und dem Radlager 502 angeordnet ist, rotierbar verbunden. Darüber hinaus ist in 5 das Magnetfeld-Sensorelement 210 dargestellt, welches in einer axialen Verlängerung der Welle 100 und versetzt durch eine Lücke in Bezug auf den Magneten 200 positioniert ist. Das Magnetfeld-Sensorelement 210 rotiert nicht zusammen mit der Welle 100. Mittels Techniken, wie sie obenstehend beschrieben sind, ist es möglich, die Orientierung und/oder die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 100 zu bestimmen.
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Bezug nehmend auf 6 ist eine bürstenloser Gleichstrommotoreinheit oder -anordnung 600 gezeigt. Ein Motor 601 der Anordnung 600 kann auf der Welle 100 angebracht sein. Auf der Endfläche der Welle 100 ist der Magnet 220 positioniert. In einer axialen Verlängerung der Welle 100 und durch eine Lücke beabstandet ist das Sensorelement 210 positioniert. Mittels Techniken, wie sie obenstehend beschrieben wurden, ist es möglich, die Orientierung und/oder die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 100 zu bestimmen.
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Eine Steuereinheit (in 6 nicht gezeigt) der bürstenlosen Gleichstrommotoranordnung 600 kann kontinuierlich eine Phase eines Stromflusses durch elektrische Wicklungen schalten, um eine Drehung des Motors 601 anzutreiben. Das Schalten kann in Abhängigkeit von der Orientierung der Welle 100 geschehen. Indem der Orientierungswinkel des Magnetfelds in dem Bereich von zwischen 0° und 360° durch Verwendung des Sensorelements 210 bestimmt wird, ist es möglich, den Orientierungswinkel der Welle 100 zu bestimmen. Dies ermöglicht es, den bürstenlosen Gleichstrommotor 601 akkurat zu steuern.
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Wie aus Obenstehendem ersichtlich ist, können die Techniken die Komplexität, den benötigten Bauraum und Kosten im Zusammenhang mit der Detektion der Orientierung der Wellen 100, 100-1, 100-2, 100-3 reduzieren. Z.B. kann in dem Szenario der 4, bei dem die Magneten 220 auf einer oder mehreren Endflächen der Wellen 100-1, 100-2, 100-3 des Getriebes 400 platziert sind, signifikant weniger Bauraum als in herkömmlichen Getrieben benötigt werden. Insbesondere kann es beim Einsatz von herkömmlichen Zahnrädern notwendig sein, zusätzlichen Bauraum auf den Wellen 100-1, 100-3 zu besetzen, um die Zahnräder zu befestigen. Typischerweise sind die Zahnräder (wie sie in 3B dargestellt sind) auf einen minimalen Durchmesser von ungefähr 7 cm begrenzt. Häufig werden, wenn herkömmliche Magnetfeldsensoren in der Nähe von solchen Zahnrädern eingesetzt werden, große Sensortürme benötigt, um die Magnetfeldsensoren näher an die Zahnräder heranzubringen. Zusätzliche Kosten werden erzeugt und eine Systemkomplexität nimmt typischerweise zu. Darüber hinaus wird es allgemein angestrebt, Getriebe zu verkleinern: Wenn ein System, wie es obenstehend erläutert wurde, eingesetzt wird, kann sowohl die Komplexität, als auch der benötigte Bauraum reduziert werden.
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Darüber hinaus werden in dem Szenario der 5, bei dem der Magnet 200 auf einer Endfläche der Welle 100 der Radachse angebracht ist, signifikant weniger Bauraum und Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erreicht. Insbesondere kann in herkömmlichen Systemen ein Zahnrad in der Nähe des Radlagers 502 angeordnet sein. Typischerweise beeinflusst dies die Gesamtdimensionen des Systems und bewirkt einen größeren benötigten Bauraum. Deshalb werden die Systemkomplexität und die Kosten erhöht. Der entsprechende Sensor befindet sich in herkömmlichen Systemen darüber hinaus näher am Bremssystem, welches die Bremsscheibe, die Bremszange und die Bremsblöcke beinhaltet; dies resultiert häufig in einer höheren Temperatur des Sensors. Die Genauigkeit des Detektierens der Orientierung kann deshalb abnehmen und eine erhöhte Abnutzung der Elektronik kann resultieren.
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Es sollte verstanden werden, dass die oben beschriebenen Konzepte und Ausführungsformen gemäß verschiedener Modifikationen abgewandelt werden können. Zum Beispiel können unterschiedliche Pulsabfolgen, die mit verschiedenen Zahnradprofilen korrespondieren, emuliert werden. Eine solche Emulation kann auch ausgeweitet werden, um nicht nur die Winkelposition und die Ausdehnung eines Zahns zu emulieren, sondern um zusätzlich weitere Charakteristika des Zahnprofils zu emulieren, so wie beispielsweise eine radiale Abmessung des Zahns oder eine Neigung der Zahnkanten. Darüber hinaus könnte der Rotationssensor andere Arten von Sensorvorrichtungen oder andere Typen von Magneten verwenden, etwa komplexere Multipolmagnete.
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Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
