DE102016118384B4 - Magnetische Winkelsensorvorrichtung und Betriebsverfahren - Google Patents

Abstract

Magnetische Winkelsensorvorrichtung, die Folgendes umfasst:- eine um eine Drehachse (107) drehbare Welle (108),- eine Magnetfeldquelle (109), wobei die Magnetfeldquelle mit der Welle (108) verbunden ist,- einen ersten magnetischen Winkelsensor (105) und einen zweiten magnetischen Winkelsensor (106),- wobei der erste magnetische Winkelsensor (105) ein erstes Signal, das einen ersten Winkel α1repräsentiert, basierend auf einem ersten diametrischen Magnetfeld B1, das an den ersten magnetischen Winkelsensor (105) angelegt wird, bestimmt,- wobei der zweite magnetische Winkelsensor (106) ein zweites Signal, das einen zweiten Winkel α2repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametrischen Magnetfeld B2, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor (106) angelegt wird, bestimmt,- wobei ein kombinierter Drehwinkel αbest-guessbasierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal bestimmt wird gemäßαbest−guess=α1+c⋅(α1−α2)mitc=1B1B2−1wobeiα1den ersten Winkel,α2den zweiten Winkel,B1das erste diametrische Magnetfeld,B2das zweite diametrische Magnetfeld bezeichnen.

Description

• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine magnetische Winkelsensoranordnung, die es ermöglicht, eine Drehposition oder eine Bewegung einer Welle zu bestimmen.
• [ DE 10 2014 114 679 A1 ] betrifft einen Drehfeldsensor mit vier Erfassungsschaltkreisen und ein Winkelbestimmungsverfahren.
• [ DE 10 2012 203 158 A1 ] betrifft einen Ansatz zur absoluten Winkelpositionsbestimmung eines drehbaren Körpers mittels zweier normal zur Drehachse angeordneter Sensoren.
• [ DE 10 2012 015 792 A1 ] gibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels an zwischen einer Sensoranordnung und einem um eine Drehachse relativ zu der Sensoranordnung verdrehbaren Magnetfeld eines Magneten.
• [ DE 10 2005 060 713 A1 ] betrifft eine Magnetfeldsensoranordnung zur berührungslosen Messung eines Magnetfelds.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten Ansätze zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
• Die hier vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf wenigstens einer der folgenden Lösungen basieren. Insbesondere könnten Kombinationen der folgenden Merkmale benutzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens könnten mit einem oder mehreren beliebigen Merkmalen der Vorrichtung, der Einrichtung oder des Systems kombiniert werden oder umgekehrt.
• Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung ist bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
• - eine um eine Drehachse drehbare Welle,
• - eine Magnetfeldquelle, wobei die Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist,
• - einen ersten magnetischen Winkelsensor und einen zweiten magnetischen Winkelsensor,
• - wobei der erste magnetische Winkelsensor ein erstes Signal, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametrischen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, bestimmt,
• - wobei der zweite magnetische Winkelsensor ein zweites Signal, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametrischen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, bestimmt,
• - wobei ein kombinierter Drehwinkel α_best-guess basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal bestimmt wird gemäß
$${\alpha }_{best-guess}={\alpha }_1+c\cdot \left({\alpha }_1-{\alpha }_2\right)$$

mit $$c=\frac{1}{\frac{B_1}{B_2}-1}$$

wobei

α1

den ersten Winkel,

α2

den zweiten Winkel,

B1

das erste diametrische Magnetfeld,

B2

das zweite diametrische Magnetfeld bezeichnen.

• Die Magnetfeldquelle ist insbesondere starr an der Welle angebracht.
• Jeder der magnetischen Winkelsensoren kann ein Magnetfeldwinkelsensor sein.
• Das Magnetfeld ist ein Vektor an jedem Punkt. Dieser Vektor kann in einen Vektor parallel zu der Drehachse und einen Vektor orthogonal zu der Drehachse zerlegt werden. Der Letztere ist das diametrische Magnetfeld.
• Falls ein Chip mit seiner Hauptoberfläche senkrecht zu der Drehachse orientiert ist und magnetoresistive Elemente an seine Hauptoberfläche gesputtert sind, reagieren diese Elemente auf diametrische Magnetfelder. Derselbe Chip kann vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen umfassen, die ebenfalls auf diametrische Magnetfeldkomponenten reagieren. Im Gegensatz dazu reagieren Hall-Platten, falls sie senkrecht zu der Drehachse orientiert sind, auf die axiale Magnetfeldkomponente.
• In der Praxis kann der Chip aufgrund von Zusammenbautoleranzen um wenige Grad geneigt sein. Falls die Hauptoberfläche eines Chips nicht genau senkrecht zu der Drehachse ist, reagieren die magnetoresistiven Elemente auf seiner Hauptoberfläche hauptsächlich auf die diametrische Magnetfeldkomponente, aber auch ein wenig auf die axiale Magnetfeldkomponente. Solange die Normale zu der Hauptchipoberfläche um weniger als 10° von der Richtung der Drehachse abweicht, sehen die magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen immer noch die diametrischen Magnetfeldkomponenten und nur vernachlässigbare axiale Magnetfeldkomponenten.
• Als eine Option können vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen verwendet werden, weil sie ebenfalls hauptsächlich die diametrischen Magnetfeldkomponenten, d.h. Magnetfeldkomponenten parallel zu der Hauptchipoberfläche, die im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse ist, detektieren.
• Die präsentierte Lösung ist insbesondere gegenüber magnetischen Störungsfeldern robust.
• Bei einer Ausführungsform
• - bestimmt der erste magnetische Winkelsensor das erste Signal, das den ersten Winkel zwischen dem ersten diametrischen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert,
• - bestimmt der zweite magnetische Winkelsensor das zweite Signal, das den zweiten Winkel zwischen dem zweiten diametrischen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.
• Bei einer Ausführungsform sind die erste Referenzrichtung und die zweite Referenzrichtung die gleiche.
• Bei einer Ausführungsform umfasst die Magnetfeldquelle wenigstens einen Permanentmagneten.
• Bei einer Ausführungsform befinden sich die magnetischen Winkelsensoren in unterschiedlichen z-Positionen von der Magnetfeldquelle, wobei jede z-Position als eine Senkrechte definiert ist, die von der Position des magnetischen Winkelsensors auf die Drehachse gefällt ist.
• Die Magnetfeldquelle weist einen minimalen Abstand d_min zu dem nächsten magnetischen Winkelsensor auf. z Ein Abstand zwischen diesem magnetischen Winkelsensor und einem beliebigen anderen magnetischen Winkelsensor kann insbesondere gleich oder größer als 1/5 d_min sein.
• Bei einer Ausführungsform umfasst jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens ein magnetisches Sensorelement, das im Wesentlichen auf der Drehachse angeordnet oder insbesondere um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist.
• Es kann eine Möglichkeit sein, dass der magnetische Winkelsensor mehrere magnetische Sensorelemente umfasst. Da nicht alle magnetischen Sensorelemente an genau dem gleichen Punkt angeordnet sein können, können die magnetischen Sensorelemente angrenzend an die Drehachse, insbesondere in einem symmetrischen Muster um die Drehachse herum, angeordnet sein. Es ist auch eine Möglichkeit, ein etwas asymmetrisches Muster zu wählen, bei dem die wenigstens zwei magnetischen Sensorelemente um die Drehachse herum angeordnet werden. In einem solchen Szenario kann der magnetische Winkelsensor einen Winkel geringfügig von der Drehachse entfernt, z.B. um 0,1 mm bis 0,2 mm, bestimmen. Eine solche Positionierung wird jedoch auch durch den Ausdruck „im Wesentlichen auf der Drehachse“ abgedeckt.
• Bei einer Ausführungsform umfasst jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens zwei magnetische Sensorelemente, die so angeordnet sind, dass der Winkel des diametrischen Feldvektors auf der Drehachse gemessen wird.
• Bei einer Ausführungsform umfasst jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein magnetisches Sensorelement, wobei wenigstens ein magnetisches Sensorelement pro magnetischem Winkelsensor in einem unterschiedlichen Abstand von der Magnetfeldquelle angeordnet ist.
• Daher kann das Magnetfeld, das von der Magnetfeldquelle bereitgestellt wird, eine unterschiedliche Auswirkung auf jeden der magnetischen Winkelsensoren, d.h., auf wenigstens eines der magnetischen Sensorelemente der magnetischen Winkelsensoren, aufweisen.
• Bei einer Ausführungsform umfasst ein beliebiges der Signale zwei Signalkomponenten, insbesondere eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente.
• Zum Beispiel kann jeder der magnetischen Winkelsensoren ein Signal bereitstellen, das eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente umfasst.
• Bei einer Ausführungsform sind die magnetischen Winkelsensoren so angeordnet, dass die diametrischen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken und durch die Magnetfeldquelle bewirkt werden, voneinander verschieden sind.
• Es wird angemerkt, dass die magnetischen Winkelsensoren so angeordnet sein können, dass die diametrischen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken und durch die Magnetfeldquelle verursacht werden, um wenigstens 10% voneinander verschieden sind.
• Bei einer Ausführungsform sind die diametrischen Magnetfelder, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken, zueinander parallel oder zueinander antiparallel.
• Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Kombinationsschaltkreis, der die Signale kombiniert, die durch die magnetischen Winkelsensoren bereitgestellt werden, um den kombinierten Drehwinkel zu bestimmen.
• Der Kombinationsschaltkreis kann mit einem der magnetischen Winkelsensoren angeordnet sein oder er kann extern angeordnet sein. Das Kombinieren kann insbesondere durch einen Prozessor oder einen Mikrocontroller durchgeführt werden.
• Die Kombinationsschaltungsanordnung kann das erste Signal und das zweite Signal oder das erste, das zweite und das dritte Signal kombinieren, um den kombinierten Drehwinkel abzuleiten.
• Der kombinierte Drehwinkel ist ein Ausgabesignal, das die Drehposition der Welle angibt.
• Bei einer Ausführungsform wird der kombinierte Drehwinkel als eine Linearkombination, die das erste Signal und das zweite Signal umfasst, bestimmt.
• Bei einer Ausführungsform umfasst die Linearkombination Koeffizienten, die von einem Verhältnis der diametrischen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.
• Bei einer Ausführungsform umfasst die Linearkombination Koeffizienten, die nur von einem Verhältnis der diametrischen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.
• Bei einer Ausführungsform wird der kombinierte Drehwinkel basierend auf einem Abstand der magnetischen Winkelsensoren von der Magnetfeldquelle bestimmt.
• Zum Beispiel wird der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem Verhältnis der diametrischen Magnetfelder an dem zweiten im Vergleich zu dem ersten magnetischen Winkelsensor und an dem dritten im Vergleich zu dem ersten magnetischen Winkelsensor (im Fall von drei magnetischen Winkelsensoren) bestimmt.
• Der kombinierte Drehwinkel kann insbesondere indirekt basierend auf dem Abstand der magnetischen Winkelsensoren von der Magnetfeldquelle bestimmt werden.
• Bei einer Ausführungsform
• - befinden sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren auf zwei unterschiedlichen Substraten,
• - ist eine Hauptoberfläche von wenigstens einem Substrat senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse.
• Bei einer Ausführungsform befinden sich die zwei Substrate auf der Drehachse der Welle.
• Bei einer Ausführungsform sind die zwei Substrate an einem einzigen Leiterrahmen angebracht.
• Bei einer Ausführungsform befinden sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren auf demselben Substrat und ist die Hauptoberfläche dieses Substrats orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse der Welle.
• Bei einer Ausführungsform umfasst jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens eines aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen:
• - einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor),
• - einen Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor),
• - einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor),
• - eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung,
• - eine Hall-Platte,
• - einen MAG-FET.
• Es kann vorteilhaft sein, dass die magnetischen Winkelsensoren aus unterschiedlichen Technologien bestehen, so dass die Robustheit und die Diversität des Systems erhöht werden. Zum Beispiel kann einer der Winkelsensoren ein TMR sein und kann der andere ein AMR oder ein vertikaler Hall-Sensor sein. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien schwächt das Risiko ab, dass beide Winkelsensoren unter schwierigen Bedingungen versagen.
• Außerdem ist ein Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle vorgeschlagen,
• - wobei die Welle um eine Drehachse drehbar angeordnet ist und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist,
• - wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
  • - Bestimmen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametrischen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor,
  • - Bestimmen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametrischen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor,
  • - Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels α_best-guess basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal gemäß: $${\alpha }_{best-guess}={\alpha }_1+c\cdot \left({\alpha }_1-{\alpha }_2\right)$$
    
  mit $$c=\frac{1}{\frac{B_1}{B_2}-1}$$
  
  wobei

  α1

  den ersten Winkel,

  α2

  den zweiten Winkel,

  B1

  das erste diametrische Magnetfeld,

  B2

  das zweite diametrische Magnetfeld bezeichnen.

• Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
• - Bestimmen eines dritten Signals, das einen dritten Winkel repräsentiert, basierend auf einem dritten diametrischen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, durch einen dritten magnetischen Winkelsensor,
• - Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal.
• Außerdem ist ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist und das Softwarecodeteile zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wie hier beschrieben, umfasst.
• Ferner ist ein computerlesbares Medium bereitgestellt, das computerausführbare Anweisungen aufweist, die dazu ausgelegt sind, zu bewirken, dass ein Computersystem die Schritte der hier beschriebenen Verfahren durchführt.
• Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur für das Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte veranschaulicht werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen ähnliche Merkmale.
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems, das eine Welle umfasst, die sich um eine Drehachse herum dreht, wobei ein Magnet an der Welle angebracht ist und sich oberhalb von drei magnetischen Winkelsensoren dreht, die auf der Drehachse angeordnet sind;
• 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen diametrisch magnetisierten Magneten und eine magnetische Winkelsensorvorrichtung, die einen Zielmagnetfeldvektor und einen Störungsfeldvektor zeigt, umfasst;
• 3 zeigt einen diametrisch magnetisierten Magneten, der um eine Drehachse drehbar angeordnet ist;
• 4 zeigt den Magneten aus 3, wobei zwei Winkelsensoren auf der Drehachse in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten platziert sind;
• 5 zeigt die Winkelsensoren aus 4 aus einer unterschiedlichen Perspektive, wobei die Drehwinkelfehler aufgrund des Störungsfeldes angegeben sind;
• 6 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Doppelsensor-Packages.
• Hier beschriebene Beispiele verweisen insbesondere auf magnetische Winkelsensoren, wobei ein Permanentmagnet an einer drehbaren Welle angebracht ist und ein Magnetfeldsensor auf der Drehachse und angrenzend an den Magneten platziert ist. Der magnetische Winkelsensor detektiert das drehbare Magnetfeld, das in eine diametrische Richtung zeigt, und folgert daraus die Drehposition der Welle.
• Es können verschiedene Sensoren verwendet werden, z.B. ein anisotroper Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor), ein Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor), ein Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), Hall-Vorrichtungen (z.B. Hall-Platten, vertikale Hall-Vorrichtungen) oder MAG-FETs (z.B. MAG-FETs mit geteiltem Drain).
• Ein Nachteil bekannter Lösungen besteht darin, dass sie sehr empfindlich gegenüber magnetischen Störungen sind: falls der Magnet ein Feld von z.B. 45 mT an den Sensorelementen erzeugt, führt eine magnetische Störung, die z.B. 3 mT beträgt (im ungünstigsten Fall in einer Richtung senkrecht zu der Achse und orthogonal zu dem Feld des Magneten), zu einem Fehler, der arctan(3/45)=3,8° beträgt, was allgemein nicht akzeptabel ist.
• Die hier bereitgestellte Lösung verwendet mehrere Winkelsensoren und kombiniert ihre Ausgaben, um eine Winkelabschätzung abzuleiten, die robust gegenüber externen Störungsfeldern ist.
• Dies ist insbesondere in harschen Umgebungen vorteilhaft, wie in einem Fahrzeug oder einem Auto, wo externe magnetische Felder, die durch Stromschienen erzeugt werden, die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessung beeinflussen. Dies wird insbesondere in Hybrid- oder Elektroautos problematisch, die eine Vielzahl an Drähten umfassen, die starke Ströme angrenzend an das oder in der Nähe des Sensorsystems führen.
• 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen diametrisch magnetisierten Magneten 201 und einen magnetischen Winkelsensor 202 umfasst. Der Magnet 201 weist einen Zielmagnetfeldvektor 203 auf; außerdem ist ein Störungsfeldvektor 204 vorhanden. Der Störungsfeldvektor 204 wird mit dem Zielfeldvektor 203 des Magneten 201 überlagert und erzeugt einen Winkelfehler des magnetischen Winkelsensors 202.
• 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung, die eine Welle 108 umfasst, die sich um eine Drehachse 107 herum dreht. Ein Magnet 109 ist an der Unterseite der Welle 108 angebracht, wobei der Magnet eine Magnetisierung 110 in x-Richtung aufweist. Drei Winkelsensoren 101, 102 und 103 sind in einem Vergusskörper 111 angeordnet, der unterhalb des Magneten 109 angeordnet ist. Der Abstand zwischen dem Magneten 109 und dem Vergusskörper 111 kann in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm liegen. Jeder der Winkelsensoren 101 bis 103 umfasst ein Sensorelement 104 bis 106. Die Winkelsensoren 101 bis 103 sind über Bonddrähte 115 elektrisch mit Anschlussdrähten 113a, 113b verbunden, wobei der Vergusskörper 111 über die Anschlussleitungen 113a, 113b mit einer Leiterplatte 114 verbunden ist.
• Die magnetischen Winkelsensoren 101 bis 103 sind von einem Typ „senkrechter Winkelsensor“, was bedeutet, dass sie auf den Drehwinkel der Welle reagieren, wobei die Magnetfeldkomponente eine Erfassungsoberfläche des jeweiligen Winkelsensors beeinflusst, die senkrecht zu der Drehachse ist. Sie sind miteinander gestapelt angeordnet, so dass sich die Massezentren ihrer Sensorelemente 104 bis 106 auf der Drehachse 107 befinden und sie in drei unterschiedlichen Abständen von dem Magneten 109 (d.h. in unterschiedlichen z-Positionen) sind. Der Winkelsensor 101 und der Winkelsensor 102 sind durch ein Abstandselement 112 getrennt, wobei sich der Winkelsensor 102 auf einer Die-Grundplatte 113c befindet. Der Winkelsensor 103 ist unterhalb der Die-Grundplatte 113c montiert, wobei die Sensorelemente 105, 106 auf gegenüberliegenden Seiten der Winkelsensoren 102, 103 angeordnet sind.
• Der Winkelsensor 101 detektiert einen Winkel φ₁. Das Sensorelement 104 des Winkelsensors 101 befindet sich in einer axialen Position z₁.
• Der Winkelsensor 102 detektiert einen Winkel φ₂. Das Sensorelement 105 des Winkelsensors 102 befindet sich in einer axialen Position z₂.
• Der Winkelsensor 103 detektiert einen Winkel φ₃. Das Sensorelement 106 des Winkelsensors 103 befindet sich in einer axialen Position z₃.
• Es wird angemerkt, dass jeder der Winkelsensoren 101 bis 103 wenigstens ein Sensorelement 104 bis 106 umfassen kann.
• Es wird angemerkt, dass jeder Winkelsensor zwei vertikale Hall-Vorrichtungen (auch als vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen bezeichnet) umfassen kann. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine vertikale Hall-Vorrichtung so orientiert, dass sie lediglich Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung detektiert (z.B. in x-Richtung, wohingegen Magnetfeldkomponenten in y- und z-Richtung durch die erste vertikale Hall-Vorrichtung nicht detektiert werden). Eine zweite vertikale Hall-Vorrichtung ist so orientiert, dass sie lediglich Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung detektiert, die von der ersten Richtung verschieden ist (z.B. in y-Richtung, wohingegen Magnetfeldkomponenten in x- und z-Richtung durch die zweite vertikale Hall-Vorrichtung nicht detektiert werden). Der Winkelsensor bestimmt ein Signal, das dem Arcustangens der Magnetfelder B_x und B_y, d.h. arctan₂(B_x, B_y), entspricht. Dies ist äquivalent zu dem Winkel zwischen dem Magnetfeld mit einer verschwindenden B_z-Komponente und einer positiven x-Achse. Falls die B_z-Komponente des Magnetfeldes auf null eingestellt ist, kann eine Projektion der Magnetfeldkomponente senkrecht zu der Drehachse erhalten werden, die parallel zu der z-Achse ist. Diese Projektion wird auch diametrisches Magnetfeld genannt.
• Es ist eine Möglichkeit, dass jeder Winkelsensor zwei Wheatstone-Brücken aus magnetoresistiven Widerständen umfassen kann. Eine Brücke liefert ein Signal, das proportional zu dem Sinus eines Winkels zwischen dem diametrischen Magnetfeld und der x-Achse ist. Die andere Brücke liefert ein Signal, das proportional zu dem Cosinus dieses Winkels ist. Der Winkelsensor kann dementsprechend das Signal liefern, das dem Arcustangens dieses Sinus und Cosinus, d.h. arctan₂(cos, sin), entspricht.
• Jede Brücke umfasst vier Widerstände in einer Wheatstone-Brücke-Anordnung. Falls GMRs oder TMRs verwendet werden, umfassen die Widerstände der Hauptdiagonale der Sinusbrücke eine fixierte Schicht, die in positiver y-Richtung magnetisiert ist. Die Widerstände der sekundären Diagonale der Sinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in negativer y-Richtung magnetisiert ist. Die Widerstände der Hauptdiagonale der Cosinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in positiver x-Richtung magnetisiert ist, und die Widerstände der sekundären Diagonale der Cosinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in negativer x-Richtung magnetisiert ist.
• Falls AMR-Sensoren verwendet werden, sind die Signale der Brücken proportional zu cos(2φ) und sin(2cp), wobei φ der Winkel zwischen diametrischen Magnetfeldkomponenten und der positiven x-Achse ist. Die Widerstände der Cosinusbrücke zeigen einen Stromfluss in x-Richtung entlang der Hauptdiagonale und einen Stromfluss in y-Richtung entlang der sekundären Diagonale (positiv oder negativ ist in diesem Fall ohne Belang). Die Widerstände der Sinusbrücke zeigen einen Stromfluss in x-Richtung plus 45 Grad (im Uhrzeigersinn) entlang der Hauptdiagonale und einen Stromfluss in x-Richtung minus 45 Grad (gegen den Uhrzeigersinn) entlang der sekundären Diagonale.
• Ein diametrisches Magnetfeld auf der Drehachse 107 in der axialen Position z₁, das durch den drehbaren Magneten 109 erzeugt wird, beträgt B₁, was die Komponenten B_x1 und Byi umfasst (die B_z-Komponente ist irrelevant). Es wird angemerkt, dass „diametrisch“ eine Projektion des Magnetfeldvektors auf die x-y-Ebene, d.h. ein Feldvektor mit keinem oder keinem bedeutenden z-Teil, bedeutet.
• Ein diametrisches Magnetfeld auf der Drehachse 107 in der axialen Position z₂, das durch den drehbaren Magneten 109 erzeugt wird, beträgt k₂ · B₁, was die Komponenten k₂ · B_x1 und k₂ · B_x1 umfasst (die B_z-Komponente ist irrelevant).
• Das diametrische Magnetfeld auf der Drehachse 107 in der axialen Position z₃, das durch den drehbaren Magneten 109 erzeugt wird, beträgt k₃ · B₁, was die Komponenten k₃ · B_x1 und k₃ · B_y1 umfasst (die B_z-Komponente ist irrelevant).
• Ferner kann ein homogenes Störungsfeld Bd vorliegen, das die Komponenten Bd_x und Bd_y umfasst (die B_z-Komponente ist irrelevant).
• Das Folgende gilt: $$\text{tan }{\phi }_1=\frac{B_{y1}+B{d}_y}{B_{x1}+B{d}_x};$$

  

  $$\text{tan }{\phi }_2=\frac{k_2\cdot B_{y1}+B{d}_y}{k_2\cdot B_{x1}+B{d}_x};$$

  

  $$\text{tan }{\phi }_3=\frac{k_3\cdot B_{y1}+B{d}_y}{k_3\cdot B_{x1}+B{d}_x}.$$

  
• Daher beträgt die Drehposition φ₀ der Welle 108: $$\text{tan }{\phi }_0=\frac{B_{y1}}{B_{x1}}.$$

  
• Multiplizieren von Gleichung (1) mit (B_x1+Bd_x) führt zu: $$\left(B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_1=B_{y1}+B{d}_y;$$

  
• Multiplizieren von Gleichung (2) mit (k₂ · B_x1 + Bd_x) führt zu: $$\left(k_2\cdot B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_2=k_2\cdot B_{y1}+B{d}_y;$$

  
• Multiplizieren von Gleichung (3) mit (k₃ · B_x1 + Bd_x)) führt zu: $$\left(k_3\cdot B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_3=k_3\cdot B_{y1}+B{d}_y;$$

  
• Subtrahieren von Gleichungen (5) - (6) führt zu: $$\left(B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_1-\left(k_2\cdot B_{x1}+B{d}_x{}_1\right)\cdot \text{tan }{\phi }_2=B_{y1}-k_2\cdot B_y{}_1$$

  
• Subtrahieren von Gleichungen (5) - (7) führt zu: $$\left(B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_1-\left(k_3\cdot B_{x1}+B_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_3=B_{y1}-k_3\cdot B_{y1}.$$

  
• Gleichung (4) kann in Folgendes umgeformt werden: $$B_y{}_1=B_{x1}\cdot \text{tan }{\phi }_0$$

  

  wodurch es ermöglicht wird, Byi in Gleichungen (8) und (9) zu ersetzten, was zu Folgendem führt: $$\left(B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_1=\left(k_2\cdot B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_2=\left(1-k_2\right)\cdot B_{x1}\cdot \text{tan }{\phi }_0;$$

  

  $$\left(B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_1=\left(k_3\cdot B_{x1}+B{d}_x\right)\cdot \text{tan }{\phi }_3=\left(1-k_3\right)\cdot B_{x1}\cdot \text{tan }{\phi }_0$$

  
• Separieren von Bd_x auf der linken Seite der Gleichungen (10) und (11) führt zu: $$B{d}_x\left(\text{tan }{\phi }_1-\text{tan }{\phi }_2\right)=\left(1-k_2\right)B_{x1}\text{tan }{\phi }_0-B_{x1}\text{tan }{\phi }_1+k_2{B}_{x1}\text{tan }{\phi }_2,$$

  

  $$B{d}_x\left(\text{tan }{\phi }_1-\text{tan }{\phi }_3\right)=\left(1-k_3\right)B_{x1}\text{tan }{\phi }_0-B_{x1}\text{tan }{\phi }_1+k_3{B}_{x1}\text{tan }{\phi }_3.$$

  
• Eine Division der Gleichungen (12)/(13) und Auflösen des Ergebnisses nach tan φ₀ führt zu: $$\begin{array}{l}\text{tan }{\phi }_0=\\ -\frac{\left(\left(\text{tan }{\phi }_1-\text{tan }{\phi }_3\right)\left(k_2\text{tan }{\phi }_2-\text{tan }{\phi }_1\right)-\left(\text{tan }{\phi }_1-\text{tan }{\phi }_2\right)\left(k_3\text{tan }{\phi }_3-\text{tan }{\phi }_1\right)\right)}{\left(\left(1-k_3\right)\left(\text{tan }{\phi }_1-\text{tan }{\phi }_2\right)-\left(1-k_2\right)\left(\text{tan }{\phi }_1-\text{tan }{\phi }_3\right)\right)}\end{array}$$

  
• Es wird angemerkt, dass die arctan-Funktion über 360° nicht ohne Mehrdeutigkeit ist. Die arctan-Funktion reicht nur von -90° bis +90°. Bei den verwendeten Beispielen wäre ein Bereich von -180° bis +180° bevorzugt. Dies kann mittels der Funktion arctan₂(x,y) erzielt werden, die identisch zu arctan(y/x) ist, falls x≥0 gilt. Falls jedoch x<0 gilt, dann gilt Folgendes: $${\text{arctan}}_2\left(x,y\right)=\text{arctan}\frac{y}{x}-\pi ,$$

  

  was in Radiant (rad) angegeben ist. Daher gilt Folgendes anstelle von Gleichung (14): $${\phi }_0={\text{arctan}}_2\left(A,B\right)$$

  

  mit $$\begin{array}{l}A=\left(1-k_3\right)\text{cos}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_3\left(\text{sin}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_2-\text{sin}{\phi }_2\text{cos}{\phi }_1\right)=\\ -\left(1-k_2\right)\text{cos}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_2\left(\text{sin}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_3-\text{sin}{\phi }_3\text{cos}{\phi }_1\right);\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}B=\left(\text{sin}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_3-\text{sin}{\phi }_3\text{cos}{\phi }_1\right)\cdot \left(k_2\text{sin}{\phi }_2\text{cos}{\phi }_1-\text{sin}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_2\right)-\\ -\left(\text{sin}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_2-\text{sin}{\phi }_2\text{cos}{\phi }_1\right)\cdot \left(k_3\text{sin}{\phi }_3\text{cos}{\phi }_1-\text{sin}{\phi }_1\text{cos}{\phi }_3\right).\end{array}$$

  
• Der auf die linke Seite von Gleichung (14) angewandte Arcustangens liefert den Drehwinkel φ₀. Dieser berechnete Drehwinkel φ₀ ist nicht mehr (wesentlich) durch das Störungsfeld beeinflusst und/oder verfälscht. Die Winkelsensoren 101 bis 103 liefern ihre Daten, so dass sie in die obige Gleichung (14) eingesetzt werden. Außerdem werden die Zahlen k₂ und k₃ verwendet, die feste Zahlen sein können, die von den Verhältnissen von Magnetfeldstärken an den Positionen z₂, z₃ im Vergleich zu der Position z₁ abhängen können. Vorteilhaft befinden sich die Positionen z₁, z₂ und z₃ auf der Drehachse 107. Daher sind die Positionen der Sensoren 101 bis 103 entlang der z-Achse basierend auf der Systemgestaltung bekannt.
• Im Fall eines signifikanten axialen Spiels könnte dies die Feldstärken an den Winkelsensoren 101 bis 103 beeinflussen, aber das Verhältnis der Feldstärke an dem Winkelsensor 102 zu der Feldstärke an dem Winkelsensor 101 (d.h. k₂) und das Verhältnis der Feldstärke an dem Winkelsensor 103 zu der Feldstärke an dem Winkelsensor 101 (d.h. k₃) ändert sich erheblich weniger.
• Falls die Funktion des absoluten Wertes des diametrischen Magnetfeldes B entlang der Drehachse (d.h. der z-Achse) eine über z lineare Funktion ist, sind die Zahlen k₂ und k₃ Konstanten, selbst falls der Magnet 109 axiale Verschiebungen erfährt.
• Es ist eine Möglichkeit, Magneten zu benutzen, die eine solche lineare Beziehung bereitstellen. Zum Beispiel kann ein kleines Stiftloch in die Oberfläche des Magneten gebohrt sein, insbesondere in die Oberfläche, die den Winkelsensoren 101 bis 103 zugewandt ist (falls sich alle Winkelsensoren auf derselben Seite des Magneten 109 befinden).
• Jeder der Winkelsensoren 101 bis 103 kann eine empfindliche Ebene aufweisen, die senkrecht zu der Drehachse 107 ist. Im Fall von AMR-, GMR-, TMR- oder vertikalen Hall-Winkelsensoren kann die empfindliche Ebene (im Wesentlichen) identisch mit der Hauptoberfläche des Die sein, die das/die Sensorelement(e) beherbergt.
• Die Position der Sensorelemente 104 bis 106 kann dementsprechend als ein Schnittpunkt definiert sein, bei dem die empfindliche Ebene der Winkelsensoren 101 bis 103 die Drehachse 107 schneidet.
• Die Sensorelemente 104 bis 106 reagieren auf eine Projektion des Magnetfeldvektors in die empfindliche Ebene an diesen Schnittpunkten. Falls sich der Magnet 109 um die Drehachse 107 herum dreht, dreht sich diese Projektion ebenso, was zu zwei orthogonalen Magnetfeldkomponenten B_x, B_y führt; die dritte Magnetfeldkomponente B_z zeigt aus der empfindlichen Ebene heraus und sie kann in einer ersten Näherung für diese Typen von Winkelsensoren weggelassen werden.
• Die diametrische Magnetfeldstärke kann wie folgt bezeichnet werden: $$\sqrt{B_x^2+B_y^2},$$

  

  was die Stärke der Projektion des Feldvektors in die empfindliche Ebene ist.
• In Bezug auf die hier verwendete Terminologie können die axiale und die laterale Richtung wie folgt unterschieden werden: die axiale Richtung ist entlang der Drehachse 107 (z-Achse); die lateralen Richtungen sind senkrecht zu der Drehachse, d.h. in der x-y-Ebene. Daher gibt es eine unendliche Anzahl an lateralen Richtungen und lediglich eine axiale Richtung.
• Als eine Möglichkeit kann der Winkelsensor 101 in einem ersten Package auf der Oberseite der Leiterplatte 114 angeordnet sein und kann der Winkelsensor 103 in einem zweiten Package auf der Unterseite der Leiterplatte 114 angeordnet sein. Der Winkelsensor 102 kann entweder innerhalb des ersten Packages oder des zweiten Packages angeordnet sein.
• Es wird angemerkt, dass eine erhöhte Zuverlässigkeit ein weiterer Vorteil des Systems ist: das System ermöglicht das Erhalten von drei Schätzungen eines Drehwinkels, d.h. φ₁, φ₂, φ₃, die z.B. zu Vergleichszwecken kombiniert werden können. Zum Beispiel kann entschieden werden, dass einer der Winkelsensoren defekt ist, falls er einen Drehwinkel produziert, der sich von den Drehwinkeln, die durch die anderen zwei Winkelsensoren detektiert werden, erheblich unterscheidet (z.B. eine vordefinierte Schwelle für eine Variation zwischen den Drehwinkeln überschreitet). Der Defekt kann gemeldet werden, z.B. als ein Alarm, und/oder das Ergebnis des defekten Winkels kann nicht mehr verwendet werden; bei einem solchen beispielhaften Szenario können die Drehwinkel von den anderen zwei (nichtdefekten) Winkelsensoren zur weiteren Verarbeitung gemittelt werden.
• Es ist auch ein Vorteil, dass das System dazu in der Lage ist, zu bestimmen, ob die Winkelsensoren 101 bis 103 monoton verteilt sind. Im Fall von perfekt angeordneten Winkelsensoren 101 bis 103 und einem homogenen magnetischen Störungsfeld gilt entweder $${\phi }_1>{\phi }_2>{\phi }_3$$

  

  oder $${\phi }_1<{\phi }_2<{\phi }_3$$

  

  (in einem Modulo-360°-Schema). Falls die Winkelsensoren 101 bis 103 nicht monoton verteilt sind, gibt es einen gewissen Fehler: entweder versagen die Winkelsensoren 101 bis 103 oder das Störungsfeld ist stark inhomogen.
• Als eine Möglichkeit kann das System die Monotonie nur überprüfen, falls die Differenzen zwischen den Drehwinkeln φ₁, φ₂ und φ₃ oberhalb einer vorbestimmten Schwelle sind, die größer als eine erwartete Produktionsstreuung sein kann. Dies vermeidet Detektieren einer inhomogenen Verteilung von Winkelsensoren, sogar falls es keine gibt.
• Durch Einsetzen des Drehwinkels φ₀ in die Gleichungen (12), (13) und (6), (7) ist das System dazu in der Lage, die folgenden Verhältnisse zu berechnen: $$\frac{B{d}_x}{B_{x1}}\text{and}\frac{B{d}_y}{B_{y1}}.$$

  
• Gleichung (12) oder Gleichung (13) kann verwendet werden, um Bd_x/B_x1 basierend auf den Drehwinkeln φ₁, φ₂ und φ₃ zu berechnen. Dieses Ergebnis kann in Gleichung (6) oder in Gleichung (7) eingesetzt werden, um Bd_y/B_y1 zu berechnen.
• Insbesondere ist es eine Möglichkeit, Folgendes zu bestimmen: $$\frac{\sqrt{B{d}_x{}^2+B{d}_y{}^2}}{\sqrt{B_{y1}{}^2+B_{y1}{}^2}},$$

  

  was unabhängig von dem Drehwinkel ist und das Verhältnis des Störungsfeldes zu dem Zielfeld (Zielfeld: das Feld des Magneten) liefert.
• Bd_x/B_x1 kann verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen: $$\frac{B{d}_x}{\sqrt{B_{x1}{}^2+B_{y1}{}^2}}=\frac{B{d}_x\cdot \text{cos}{\phi }_0}{B_{x1}}.$$

  
• Entsprechend kann Bd_y/B_y1 verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen: $$\frac{B{d}_y}{\sqrt{B_{x1}{}^2+B_{y1}{}^2}}=\frac{B{d}_y\cdot \text{sin}{\phi }_1}{B_{y1}}.$$

  
• Die beiden Gleichungen (16) und (17) können kombiniert werden, um Gleichung (15) zu erhalten, d.h. Gleichung (16) und Gleichung (17) werden beide quadriert und dann addiert und anschließend wird die Wurzel aus dieser Addition gezogen. Der durch Gleichung (15) gelieferte Wert kann mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen werden, um anzugeben, ob das Störungsfeld innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt oder nicht.
• Daher kann das System das Ausmaß einer Störung im Verhältnis zu dem Magnetfeld des Magneten bestimmen. Dieses Verhältnis kann mit wenigstens einer vorbestimmten Grenze verglichen werden und das System kann einen Alarm ausgeben, falls die Störung zu groß geworden ist, was zu unzuverlässigen oder ungenauen Ergebnissen führen kann.
• Beispiel: Zwei Winkelsensoren
• Insbesondere ist es eine Möglichkeit, dass zwei Winkelsensoren verwendet werden.
• Das Magnetfeld eines Magneten hängt stark von dem Abstand des Sensors zu dem Magneten ab. 3 zeigt einen diametrisch magnetisierten Magneten 301, der um eine Drehachse 302 drehbar angeordnet ist. Eine Ellipse mit einem Pfeil 304 gibt eine Drehung des Magneten 301 um die Drehachse 302 an.
• Ein Zielmagnetfeld ist durch Pfeile 303a bis 303e angegeben, wobei die Größe des diametrischen Magnetfeldes B mit zunehmenden Abstand d von dem Magneten 301 abnimmt; dies ist auch durch eine abnehmende Länge der Pfeile 303a bis 303e angegeben. Mit anderen Worten geben die Längen der Pfeile 303a bis 303e die Stärke des diametrischen Magnetfeldes in einem axialen Abstand d von dem Magneten 301 an.
• 4 zeigt den Magneten 301 und die Drehachse 302 aus 3, wobei ein Winkelsensor 401 auf der Drehachse 302 in einem Abstand di von dem Magneten 301 platziert ist und ein Winkelsensor 402 auf der Drehachse 302 in einem Abstand d₂ von dem Magneten 301 platziert ist. Bei diesem Beispiel befinden sich die magnetischen Sensorelemente auf den Winkelsensoren 401 und 402.
• In Anwesenheit eines homogenen Störungsfeldes können die Winkelsensoren 401 und 402 aufgrund ihrer abweichenden Abstände d₁ und d₂ von dem Magneten 301, die zu unterschiedlichen Überlagerungen von Feldern von dem Magneten und dem Störungsfeld führen, unterschiedliche Drehwinkel erfassen.
• Es wird angemerkt, dass in 4 ein Koordinatensystem mit x-y-z-Achsen gezeigt ist, wobei die Drehachse 302 entlang der z-Achse ist und die Sensoren 401, 402 auch in der x-y-Ebene angeordnet sind.
• 5 zeigt die Winkelsensoren 401 und 402, wobei beide Sensoren einen Störungsfeldvektor 503 erfahren, von dem angenommen wird, dass er für beide Winkelsensoren 401, 402 von der gleichen Größe ist. Das Folgende gilt:
• - Für den Winkelsensor 401: Aufgrund des Störungsfeldvektors 503. wird ein Magnetfeldvektor 504 des Magneten 301 in einen resultierenden Magnetfeldvektor 505 verdreht, was zu einem Drehwinkelfehler 506 führt.
• - Für den Winkelsensor 402: Aufgrund des Störungsfeldvektors 503 wird ein Magnetfeldvektor 507 des Magneten 301 in einen resultierenden Magnetfeldvektor 508 verdreht, was zu einem Drehwinkelfehler 509 führt.
• Da der Winkelsensor 401 näher an dem Magneten 301 ist als der Winkelsensor 402, weist der Störungsfeldvektor 503 eine größere Auswirkung auf den Magnetfeldvektor 507 als auf den Magnetfeldvektor 504 auf, was zu einem Drehwinkelfehler 509 führt, der größer als der Drehwinkelfehler 506 ist.
• Basierend auf diesem beispielhaften Szenario kann der tatsächliche Drehwinkel bestimmt oder angenähert werden und kann sogar die Größe des Störungsfeldes bestimmt oder angenähert werden. Um dies zu erreichen, muss die Feldgröße des Magneten 301 bekannt sein.
• Es wird angemerkt, dass das in 4 eingeführte Koordinatensystem auch in 5 gezeigt ist, um die Orientierung der Winkelsensoren 401 und 402 anzugeben,
• Eine Linearkombination der Drehwinkel, die durch diese zwei Winkelsensoren erhalten werden, kann zu einem Drehwinkel führen, der gegenüber Störungen robust ist.
• Der Magnet 301 kann in eine Richtung zeigen, die mit 0° assoziiert ist (als eine Startreferenz). Die Winkelsensoren 401 und 402 können die folgenden Drehwinkel produzieren: $${\alpha }_1=\text{arctan}\frac{B{d}_n}{B_1+B{d}_p},$$

  

  $${\alpha }_2=\text{arctan}\frac{B{d}_n}{B_2+B{d}_p},$$

  

  wobei

α1

der durch den Winkelsensor 401 bestimmte Drehwinkel ist,

α2

der durch den Winkelsensor 402 bestimmte Drehwinkel ist,

Bdn

die diametrische Störungsfeldkomponente ist, die normal zu dem Feld des Magneten ist,

Bdp

die diametrische Störungsfeldkomponente ist, die parallel zu dem Feld des Magneten ist,

B1

das diametrische Feld des Magneten ist, das den Sensor 401 beeinflusst und

B2

das diametrische Feld des Magneten ist, das den Sensor 402 beeinflusst.

• Im Fall eines kleinen Störungsfeldes Bd gilt das Folgende: $${\alpha }_1\approx \frac{B{d}_n}{B_1},$$

  

  $${\alpha }_2\approx \frac{B{d}_n}{B_2}=\frac{B{d}_n}{B_1}\cdot \frac{B_1}{B_2}.$$

  
• Ein Drehwinkel α_best-guess kann wie folgt bestimmt werden: $$\begin{array}{l}{\alpha }_{best-guess}={\alpha }_1+c\cdot \left({\alpha }_1-{\alpha }_2\right)=\\ =\frac{B{d}_n}{B_1}+c\cdot \left(\frac{B{d}_n}{B_1}-\frac{B{d}_n}{B_1}\cdot \frac{B_1}{B_2}\right)=\\ =\frac{B{d}_n}{B_1}\cdot \left(1+c\cdot \left(1-\frac{B_1}{B_2}\right)\right).\end{array}$$

  

  wobei c ein Kompensationsfaktor ist.
• Der Drehwinkel α_best-guess sollte 0° sein, weil der Magnet in diese 0°-Richtung zeigt.
• Dies führt zu: $$\frac{B{d}_n}{B_1}\cdot \left(1-c\cdot \left(-\frac{B_1}{B_2}\right)\right)=0.$$

  

  $$c=\frac{1}{\frac{B_1}{B_2}-1}$$

  
• Ein Algorithmus kann verwendet werden, um α_best-guess = α₁ + c · (α₁ - α₂) zu bestimmen.
• Der Algorithmus kann die Konstante c verwenden, die durch die letzte Gleichung gegeben ist und die nur von dem Verhältnis von Feldern des Magneten an den beiden Winkelsensoren abhängt. Obwohl die Formel mit der Annahme einer sphärischen Drehposition φ = 0° abgeleitet wurde, funktioniert sie für alle Drehpositionen.
• B₁/B₂ kann zum Beispiel 1,5 betragen. Dies führt zu c=2 und $${\alpha }_{best-guess}={\alpha }_1+2\cdot \left({\alpha }_1-{\alpha }_2\right)=3{\alpha }_1-2{\alpha }_2.$$

  
• 6 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Doppelsensor-Packages. Ein oberer Die 601 ist auf einem Leiterrahmen 600 (Leadframe) angeordnet, wobei ein isolierender Kleber 605 zwischen dem oberen Die 601 und dem Leiterrahmen 600 angeordnet ist. Der obere Die 601 umfasst ein Sensorelement 602 und der obere Die 601 ist mittels Bonddrähten 603 elektrisch mit dem Leiterrahmen 600 verbunden.
• Ein unterer Die 606 ist auf der Unterseite des Leiterrahmens 600 angeordnet, wobei ein isolierender Kleber 609 zwischen der Unterseite 606 und dem Leiterrahmen 600 angeordnet ist. Der untere Die 606 umfasst ein Sensorelement 607 und der untere Die 606 ist mittels Bonddrähten 608 elektrisch mit dem Leiterrahmen 600 verbunden. Bei einem beispielhaften Verwendungsfall sind die Erfassungselemente 602 und 607 um weniger als 600 µm voneinander beabstandet.
• Bei diesem Doppel-Die-Aufbau befinden sich die Sensorelemente 602 und 607 aufeinander und befinden sich die beiden Sensorelemente 602, 607 direkt oberhalb voneinander, so dass sie beide auf der Drehachse platziert werden können, falls die Chips orthogonal zu der Drehachse sind.
• Ein (in 6 nicht gezeigter) Mikrocontroller kann mit dem Leiterrahmen 600 (und damit mit den Sensorelementen 602 und 607) verbunden werden, um die Drehwinkel zu lesen und die Kompensation durchzuführen, um den kombinierten Drehwinkel wie hier vorgeschlagen zu bestimmen.
• Vorteilhafterweise ermöglicht dieser Ansatz Drehwinkelmessungen, die gegenüber Störungsfeldern robust sind.
• Die in 6 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, um unterhalb des Magneten 301 aus 4 platziert zu werden. In diesem Fall entspricht der Winkelsensor 401 dem Sensorelement 602 und entspricht der Winkelsensor 402 dem Sensorelement 607. Insbesondere ist es eine Möglichkeit, die Winkelsensoren 401 und 402 auf getrennten oder auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte (PCB: Printed Circuit Board) zu platzieren, um den Abstand zwischen den Winkelsensoren (und den Winkelsensorelementen) zu erhöhen. In diesem Fall können die Winkelsensoren 401 und 402 ihre eigenen Packages aufweisen und jeder der Winkelsensoren 401 und 402 kann wenigstens ein Winkelsensorelement umfassen. Die Packages können auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte platziert sein (ähnlich dem, was oben mit Bezug auf 1 beschrieben wurde).
• Es ist auch eine Möglichkeit, dass der korrigierte Drehwinkel durch einen der Winkelsensoren berechnet wird, falls beide Winkelsensoren in einem Package integriert sind. Zum Beispiel kann ein erster Winkelsensor zum Bestimmen des korrigierten Drehwinkels verwendet werden, falls der erste und ein zweiter Winkelsensor durch Bonddrähte oder durch Anschlussleitungen verbunden sind: Daher erhält der erste Winkelsensor die Daten von dem zweiten Winkelsensor und berechnet den korrigierten (z.B. kompensierten) Drehwinkel basierend auf den Daten, die durch den ersten und den zweiten Winkelsensor bestimmt wurden. In einem solchen Szenario kann ein Mikrocontroller zum Lesen eines solchen korrigierten Drehwinkels von dem ersten Sensor bereitgestellt sein.
• Daher nutzt dieses Beispiel die Tatsache, dass das diametrische Feld von dem Magneten in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten unterschiedlich ist; Platzieren von Winkelsensoren in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten ermöglicht einen robusten Aufbau, um magnetische Störungsfelder wenigstens teilweise zu kompensieren.
• Bei einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen wenigstens teilweise in Hardware implementiert sein, wie etwa als spezielle Hardwarekomponenten oder als ein Prozessor. Allgemeiner können die Techniken in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination derselben implementiert sein. Falls sie in Software implementiert sind, können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder über ein solches übertragen werden und können von einer hardwarebasierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien beinhalten, die einem greifbaren Medium, wie etwa Datenspeichermedien, oder Kommunikationsmedien einschließlich eines beliebigen Mediums entsprechen, das ein Übertragen eines Computerprogramms von einer Stelle zu einer anderen, z. B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll, ermöglicht. Auf diese Weise können computerlesbare Medien allgemein (1) greifbaren, computerlesbaren Speichermedien, die nicht flüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium, wie etwa einem Signal oder einer Trägerwelle, entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium beinhalten.
• Als Beispiel und nicht als Beschränkung können derartige computerlesbare Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Plattenspeicher, magnetische Plattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen, Flash-Speicher oder ein beliebiges anderes Medium, das zum Speichern von gewünschtem Programmcode in der Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann, umfassen. Ebenfalls wird eine beliebige Verbindung ordnungsgemäß als ein computerlesbares Medium, d.h. als ein computerlesbares Übertragungsmedium, bezeichnet. Falls zum Beispiel Anweisungen von einer Website, einem Server oder einer anderen entfernten Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, Glasfaserkabels, einer verdrillten Doppelleitung, digitalen Teilnehmerleitung (DSL: Digital Subscriber Line) oder drahtlosen Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, Glasfaserkabel, die verdrillte Doppelleitung, DSL oder die drahtlosen Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, in der Definition von Medium eingeschlossen. Es versteht sich allerdings, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien beinhalten, sondern stattdessen auf nicht transiente, greifbare Speichermedien abzielen. Disk und Disc beinhalten, so wie sie hier verwendet werden, eine Compact Disc (CD), eine Laser Disc, eine optische Disc, eine Digital Versatile Disc (DVD), eine Floppy-Disk und eine Blu-ray Disc, wobei Disks Daten üblicherweise magnetisch reproduzieren, wohingegen Discs Daten optisch mit Lasern reproduzieren. Kombinationen des Obigen sollten ebenfalls innerhalb des Umfangs von computerlesbaren Medien enthalten sein.
• Anweisungen können durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, wie etwa durch eine oder mehrere Zentralverarbeitungseinheiten (CPU), Digitale Signalprozessoren (DSPs), Mehrzweckmikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs), feldprogrammierbare Logik-Arrays (FPGAs), oder eine andere äquivalente integrierte oder diskrete Logikschaltungsanordnung. Dementsprechend kann sich der Ausdruck „Prozessor“, so wie er vorliegend verwendet wird, auf eine beliebige der vorausgehenden Strukturen oder eine beliebige andere für eine Implementation der hier beschriebenen Techniken geeignete Struktur beziehen. Zusätzlich dazu kann die hier beschriebene Funktionalität bei manchen Aspekten innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Software-Module bereitgestellt sein, die zum Codieren und Decodieren konfiguriert sind oder in einem kombinierten Codec realisiert sind. Auch könnten die Techniken vollständig in einem oder mehreren Schaltkreisen oder Logikelementen implementiert sein.
• Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen oder Einrichtungen implementiert werden, einschließlich eines drahtlosen Handapparats, einer integrierten Schaltung (IC) oder eines Satzes von ICs (z. B. eines Chip-Sets). Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionale Aspekte von Vorrichtungen zu betonen, die dazu konfiguriert sind, die offenbarten Techniken durchzuführen, aber nicht notwendigerweise eine Realisierung durch verschiedene Hardwareeinheiten erfordern. Eher können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzigen Hardwareeinheit kombiniert oder durch eine Ansammlung von interoperativen Hardwareeinheiten bereitgestellt werden, einschließlich, wie oben beschrieben, eines oder mehrerer Prozessoren zusammen mit geeigneter Software und/oder Firmware.
• Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart worden sind, wird es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die manche der Vorteile der Erfindung erzeilen werden, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass andere Komponenten, die dieselben Funktionen durchführen, geeignet substituiert werden können. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die mit Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt worden ist. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in reinen Softwareimplementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik benutzen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen, erzielt werden. Derartige Modifikationen des erfinderischen Konzepts sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt werden.

Claims (23)

1. Magnetische Winkelsensorvorrichtung, die Folgendes umfasst: - eine um eine Drehachse (107) drehbare Welle (108), - eine Magnetfeldquelle (109), wobei die Magnetfeldquelle mit der Welle (108) verbunden ist, - einen ersten magnetischen Winkelsensor (105) und einen zweiten magnetischen Winkelsensor (106), - wobei der erste magnetische Winkelsensor (105) ein erstes Signal, das einen ersten Winkel α₁ repräsentiert, basierend auf einem ersten diametrischen Magnetfeld B₁, das an den ersten magnetischen Winkelsensor (105) angelegt wird, bestimmt, - wobei der zweite magnetische Winkelsensor (106) ein zweites Signal, das einen zweiten Winkel α₂ repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametrischen Magnetfeld B₂, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor (106) angelegt wird, bestimmt, - wobei ein kombinierter Drehwinkel α_best-guess basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal bestimmt wird gemäß $${\alpha }_{best-guess}={\alpha }_1+c\cdot \left({\alpha }_1-{\alpha }_2\right)$$

   

   mit $$c=\frac{1}{\frac{B_1}{B_2}-1}$$

   

   wobei α₁ den ersten Winkel, α₂ den zweiten Winkel, B₁ das erste diametrische Magnetfeld, B₂ das zweite diametrische Magnetfeld bezeichnen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, - bei der der erste magnetische Winkelsensor (105) das erste Signal bestimmt, das den ersten Winkel α₁ zwischen dem ersten diametrischen Magnetfeld B₁, das an den ersten magnetischen Winkelsensor (105) angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert, - bei der der zweite magnetische Winkelsensor (106) das zweite Signal bestimmt, das den zweiten Winkel α₂ zwischen dem zweiten diametrischen Magnetfeld B₂, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor (106) angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste Referenzrichtung und die zweite Referenzrichtung gleich sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Magnetfeldquelle (109) wenigstens einen Permanentmagneten umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich die magnetischen Winkelsensoren (105, 106) in unterschiedlichen z-Positionen von der Magnetfeldquelle (109) befinden, wobei jede z-Position als eine Senkrechte definiert ist, die von der Position des magnetischen Winkelsensors auf die Drehachse (107) gefällt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der magnetischen Winkelsensoren (105, 106) wenigstens ein magnetisches Sensorelement umfasst, das im Wesentlichen auf der Drehachse (107) angeordnet oder insbesondere um weniger als 1 mm von der Drehachse (107) beabstandet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der magnetischen Winkelsensoren (105, 106) wenigstens zwei magnetische Sensorelemente umfasst, die so angeordnet sind, dass der Winkel des diametrischen Feldvektors auf der Drehachse (107) gemessen wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren (105, 106) ein magnetisches Sensorelement umfasst, wobei wenigstens ein magnetisches Sensorelement pro magnetischem Winkelsensor in einem unterschiedlichen Abstand von der Magnetfeldquelle angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein beliebiges der Signale zwei Signalkomponenten, insbesondere eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente, umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die magnetischen Winkelsensoren (105, 106) so angeordnet sind, dass die diametrischen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren (105, 106) wirken und durch die Magnetfeldquelle (109) bewirkt werden, voneinander verschieden sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die diametrischen Magnetfelder B₁, B₂, die auf die magnetischen Winkelsensoren (105, 106) wirken, zueinander parallel oder zueinander antiparallel sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Kombinationsschaltkreis umfasst, der die Signale kombiniert, die durch die magnetischen Winkelsensoren (105, 106) bereitgestellt werden, um den kombinierten Drehwinkel α_best-guess zu bestimmen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der kombinierte Drehwinkel α_best-guess als eine Linearkombination, die das erste Signal und das zweite Signal umfasst, bestimmt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Linearkombination Koeffizienten umfasst, die von einem Verhältnis der diametrischen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Linearkombination Koeffizienten umfasst, die nur von einem Verhältnis der diametrischen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der kombinierte Drehwinkel α_best-guess basierend auf einem Abstand der magnetischen Winkelsensoren (105, 106) von der Magnetfeldquelle (109) bestimmt wird.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei der sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren (105, 106) auf zwei unterschiedlichen Substraten befinden, - bei der eine Hauptoberfläche von wenigstens einem Substrat senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse (107) ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der sich die zwei Substrate auf der Drehachse (107) der Welle befinden.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei der die zwei Substrate an einem einzigen Leiterrahmen angebracht sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der sich wenigstens zwei magnetische Winkelsensoren (105, 106) auf demselben Substrat befinden und die Hauptoberfläche dieses Substrats orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse (107) der Welle ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der magnetischen Winkelsensoren (105, 106) wenigstens eines aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen umfasst: - einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor), - einen Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor), - einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), - eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, - eine Hall-Platte, - einen MAG-FET.
22. Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle (108), - wobei die Welle (108) um eine Drehachse (107) drehbar angeordnet ist und wobei eine Magnetfeldquelle (109) mit der Welle (108) verbunden ist, - wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bestimmen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel α₁ repräsentiert, basierend auf einem ersten diametrischen Magnetfeld Bi von der Magnetfeldquelle (109), das an einen ersten magnetischen Winkelsensor (105) angelegt wird, durch den ersten magnetischen Winkelsensor, - Bestimmen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel α₂ repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametrischen Magnetfeld B₂ von der Magnetfeldquelle (109), das an einen zweiten magnetischen Winkelsensor (106) angelegt wird, durch den zweiten magnetischen Winkelsensor, - Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels α_best-guess basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal gemäß: $${\alpha }_{best-guess}={\alpha }_1+c\cdot \left({\alpha }_1-{\alpha }_2\right)$$

    

    mit $$c=\frac{1}{\frac{B_1}{B_2}-1}$$

    

    wobei α₁ den ersten Winkel, α₂ den zweiten Winkel, B₁ das erste diametrische Magnetfeld, B₂ das zweite diametrische Magnetfeld bezeichnen.
23. Computerlesbares Medium, das computerausführbare Anweisungen aufweist, die dazu ausgelegt sind, zu bewirken, dass ein Computersystem die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 22 durchführt.

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